Спутниковые системы Часть1. Орбиты и параметры

Данный обзор — попытка обобщить информацию о существующих и намеченных к внедрению спутниковых системах, ориентированных на предоставление услуг радиотелефонной связи и передачи данных. Весь материал, которого оказалось немало, был разделен на три части: орбиты и параметры, спутники и ракетоносители, наземные станции. В первой части определяются основные показатели орбит, дается классификация систем и подробно освещаются вопросы выбора параметров негеостационарных орбитальных группировок. Вторая часть посвящена космическим аппаратам (КА), бортовым ретрансляторам и средствам вывода КА на орбиту. В третьей части рассматриваются принципы организации связи, приводятся характеристики наземных станций и абонентского обрудования, а также технико-экономические показатели систем.

Известно, что эффективность любой системы связи в конечном счете определяется тем набором услуг, которые она предоставляет пользователю, и ее тарифами. Причем высокие технико-экономические показатели системы обуславливаются, в первую очередь, не технологией изготовления и дизайном наземных станций (хотя они, бесспорно, важны для пользователя), а общесистемными характеристиками — гарантированной пропускной способностью, используемым частотно-орбитальным ресурсом, структурой и параметрами космического и наземного сегментов.

Спутниковая связь существенно отличается от других видов радиосвязи — радиорелейной, тропосферной, ионосферной, сотовой или транкинговой.

Так, в системах радиорелейной связи протяженность линии в значительной степени зависит от наличия прямой видимости между абонентами и типа трассы (открытая, полуоткрытая, закрытая). В системах загоризонтной связи расстояние между станциями определяется состоянием тропосферы или ионосферы, поскольку действие этих систем основано на эффекте рассеяния радиоволн на неоднородностях в тропосфере (ионосфере) или отражения от верхних слоев ионосферы.

Размеры зоны обслуживания сотовых и транкинговых систем зависят от высоты подъема антенны базовой станции. В системах спутниковой связи (ССС) основными показателями, определяющим размеры такой зоны, качество обслуживания и энергетику радиолиний, являются тип орбиты и ее характеристики.

Классификация и основные показатели

Автор предлагает классификацию ССС, ориентированных на предоставление услуг радиотелефонной связи и передачи данных, в основу которой положены следующие признаки.

Тип используемых орбит. По этому признаку все ССС делятся на два класса — системы с космическими аппаратами (КА) на геостационарной орбите (GEO) и на негеостационарной орбите. В свою очередь, негеостационарные орбиты подразделяются на низкоорбитальные (LEO), средневысотные (MEO) и эллиптические (HEO). Кроме того, низкоорбитальные системы связи подразделяются по виду предоставляемых услуг на системы передачи данных на базе little LEO, радиотелефонные системы big LEO и системы широкополосной связи mega LEO (в литературе используется также обозначение Super LEO).

Принадлежность системы к службе. В соответствии с Регламентом радиосвязи различаются три основные службы — фиксированная спутниковая служба (ФСС), подвижная спутниковая служба (ПСС) и радиовещательная спутниковая служба (РСС).

Статус системы. Зависит от назначения системы, степени охвата обслуживаемой территории, размещения и принадлежности наземных станций. В зависимости от статуса ССС можно разделить на международные (глобальные и региональные), национальные и ведомственные (последние в данном обзоре не рассматриваются).

Орбиты

Геостационарная

Большинство существующих ССС используют наиболее выгодную для размещения спутников геостационарную орбиту, основными достоинствами которой являются возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты, обусловленного доплеровским эффектом.

Геостационарные спутники, располагаясь на высоте примерно 36 тыс. км и двигаясь со скоростью вращения Земли, как бы "зависают" над определенной точкой земной поверхности, которая располагается на экваторе (так называемой подспутниковой точкой). В действительности положение геостационарного КА на орбите не является неизменным: он испытывает незначительный "дрейф" под воздействием ряда факторов, вызывающих деградацию орбиты. При этом изменение положения орбиты за год может достигать 0,920. Основными параметрами, определяющими угловой разнос между соседними КА, являются пространственная избирательность бортовых и наземных антенн, а также точность удержания КА на орбите.

Связь через геостационарный КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и наземной станции, а система из трех спутников обеспечивает охват практически всей территории земной поверхности. Орбитальный ресурс современных геостационарных КА также достаточно высок и составляет около 15 лет (табл. 1).

Однако такие системы имеют ряд недостатков, главный из которых — задержка сигнала. Спутники на геостационарных орбитах оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250 мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае "двойного скачка" (ретрансляции через наземную станцию-шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей.

Архитектура геостационарных систем ограничивает возможность повторного использования выделенных полос частот, а следовательно, их спектральную эффективность. Зона охвата геостационарных КА не включает в себя высокоширотные районы (выше 76,50 с.ш. и ю.ш.), т. е. действительно глобальное обслуживание не гарантируется. Следует также отметить, что геостационарные КА могут обеспечить услуги персональной связи лишь в том случае, если формируемые ими на поверхности Земли зоны обслуживания примерно одинаковы с зонами, образуемыми низкоорбитальными спутниками.

Бурное развитие спутниковой связи, особенно в последнее десятилетие, привело к тому, что на геостационарной орбите стало очень "тесно" и возникли проблемы с размещением новых КА. Дело в том, что в соответствии с существующими международными нормами орбитальный разнос между геостационарными КА должен составлять не менее 10. Это означает, что на орбите можно разместить не более 360 спутников. Что же касается сокращения углового разноса между точками стояния КА на орбите, то на современном уровне развития техники это невозможно из-за взаимных помех.

Средневысотные

Спутники на средневысотных орбитах первыми начали разрабатывать компании, традиционно выпускающие геостационарные КА. Средневысотные cистемы обеспечивают более качественные характеристики обслуживания подвижных абонентов, чем геостационарные, поскольку в поле зрения абонента одновременно находится большое число КА. За счет этого появляется возможность увеличить минимальные углы видимости КА до 25—300.

Так, радиовидимость двух спутников в системе ICO обеспечивается в течение 95% суточного времени, причем хотя бы один из ее КА виден под углом более 300. А это, в свою очередь, позволяет снизить дополнительный энергетический запас радиолинии, необходимый для компенсации потерь на распространение в ближней зоне (при наличии в ней деревьев, зданий и других преград).

Рис. 1. Уровни радиации в зонах Ван-Аллена: GN - географический север; MN - магнитный север; R/Rз - относительное расстояние, где Rз (радиус Земли) = 6371 км, R - высота

Однако при выборе местоположения негеостационарной орбитальной группировки (ОГ) необходимо учитывать природные ограничения — это пространственные пояса заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли, так называемые радиационные пояса Ван-Аллена (рис. 1). Первый устойчивый пояс высокой радиации начинается примерно на высоте 1,5 тыс. км и простирается до нескольких тысяч километров, его "размах" составляет примерно 300 по обе стороны от экватора. Второй пояс столь же высокой интенсивности (10 тыс. имп./с) располагается на высотах от 13 до 19 тыс. км, охватывая около 500 по обе стороны от экватора.

Трасса средневысотных спутников проходит между первым и вторым поясами Ван-Аллена, т. е. на высоте от 5 до 15 тыс. км. Зона обслуживания каждого КА существенно меньше, чем геостационарного, поэтому для глобального охвата с однократным покрытием наиболее населенных районов Земного шара и судоходных акваторий необходимо создать ОГ из 8—12 спутников. Суммарная задержка сигнала при связи через средневысотные спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи.

Таким образом, средневысотные спутники выигрывают у геостационарных по энергетическим показателям, но проигрывают им по продолжительности пребывания КА в зоне радиовидимости наземных станций (1,5—2 ч).

Что же касается орбитального ресурса средневысотных КА, то он лишь незначительно меньше, чем у геостационарных. Период обращения спутника вокруг Земли для средневысотных круговых орбит составляет около 6 ч (при высоте 10 350 км), из которых в тени Земли КА находится лишь несколько минут. Это позволяет значительно упростить технологические решения, используемые в бортовой системе электропитания, и, в конечном счете, довести срок службы КА до 12—15 лет.

Системы со средневысотными КА обеспечивают лучшие, чем GEO-КА, характеристики обслуживания абонентов благодаря следующим особенностям. Они имеют большие углы радиовидимости, в зоне радиовидимости находится большее число спутников, а задержка при проведении сеансов связи составляет максимум 130 мс.

Структура систем на средневысотных орбитах (ICO, Spaceway NGSO, "Ростелесат") различается незначительно. Во всех этих системах орбитальная группировка создается примерно на одной и той же высоте (10 352—10 355 км) со сходными параметрами орбит (см. табл. 1).

Низкие круговые

В зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора различают низкие экваториальные (наклонение 00), полярные (наклонение 900) и наклонные орбиты. Системы с низкими наклонными и полярными орбитами существуют уже около 30 лет и применяются в основном для научно-исследовательских целей, дистанционного зондирования, навигации, метеорологических наблюдений, фотографирования поверхности Земли. Для организации мобильной и персональной связи эти системы стали использоваться только в последние 5—7 лет. Сегодня наиболее интенсивно осваиваются низкие наклонные и полярные орбиты высотой 700—1500 км, а также экваториальные высотой 2 тыс. км.

Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в год, вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5—8 лет.

Выбор диапазона высот от 700 до 2 тыс. км для низкоорбитальных систем неслучаен.

С одной стороны, на орбитах высотой менее 700 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета и деградацию орбиты (постепенное снижение высоты апогея). Кроме того, уменьшение высоты орбиты приводит к увеличению числа штатных маневров для сохранения заданной орбиты, а следовательно, к повышению расхода топлива.

С другой стороны, на орбитах выше 1,5 тыс. км, где располагается первый радиационный пояс Ван-Аллена, длительная работа электронной бортовой аппаратуры практически невозможна, если не использовать специальных методов защиты от радиационного излучения. Применение же этих методов ведет к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы КА.

Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников. Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА. Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10—15 мин (см. табл. 1).

Эллиптические

Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты, являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты). В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом — Borealis, Archi-medes, "Молния", "Тундра" (табл. 2). Все указанные орбиты являются синхронными, т.е. спутник, выведенный на такую орбиту, вращается со скоростью Земли и имеет период обращения, кратный времени суток.

Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что их скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, КА будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем спутник, орбита которого является круговой.

Так, выведенный на орбиту КА "Молния" (апогей 40 тыс. км, перигей 460 км, наклонение 63,50) обеспечивает сеансы связи продолжительностью 8—10 ч, причем система всего из трех спутников поддерживает глобальную круглосуточную связь. Эллиптические орбиты с более низким апогеем, например Borealis (апогей 7840 км, перигей 520 км) или Archimedes (апогей 26 737 км, перигей 1000 км), предназначены для обеспечения региональной связи.

КА с более низким апогеем выигрывают у спутников на высокоэллиптических орбитах по энергетическим характеристикам, проигрывая им в продолжительности сеансов. Для обеспечения непрерывной круглосуточной связи с использованием синхронно-солнечных орбит Borealis потребуется не менее 8 КА (расположенных в двух орбитальных плоскостях по четыре спутника в каждой плоскости). Они позволят обслуживать абонентов при углах радиовидимости КА не менее 250.

Системы с КА на эллиптических орбитах также не лишены "природных" ограничений. Постоянство местоположения КА на эллиптической орбите обеспечивается только при двух значениях наклонения плоскости орбиты к экватору — 63,40 и 116,60. Это объясняется воздействием неоднородностей гравитационного поля Земли, из-за которого большая ось эллиптической орбиты испытывает вращательный момент, что приводит к колебаниям широты подспутниковой точки в апогее. Другой фактор, влияющий на выбор параметров эллиптических орбит, связан с необходимостью учитывать опасные воздействия радиационных поясов Ван-Аллена, которые неизбежно пересекает КА во время своего движения по орбите.

Службы спутниковой связи

Следует отметить, что по сей день сохраняется деление на службы связи, введенное Регламентом Радиосвязи, однако в силу ряда причин (как технических, так и исторических) оно уже не соответствует реальной структуре современных ССС. Процесс персонализации (т. е. максимального приближения средств связи к конечному пользователю) привел к тому, что границы между традиционными службами ФСС и ПСС или ФСС и РСС постепенно начали стираться. Например, персональные наземные станции удаленных пользователей, работающие в Ku- или Ka-диапазонах, формально относятся к классу ФСС (работа в полосах частот, выделенных для ФСС), но по своему назначению и выполняемым функциям они ближе всего к ПСС. Поэтому следует отдельно рассматривать системы, предоставляющие услуги персональной и широкополосной связи.

Фиксированная

Системы ФСС предназначены для обеспечения связи между стационарными пользователями. Первоначально они разворачивались исключительно для организации магистралей большой протяженности и региональной (зоновой) связи. Такие системы на базе терминалов типа VSAT используются в сетях электронной коммерции, обмена банковской информацией, оптовых баз, торговых складов и др. Кроме того, в системах ФСС все чаще применяется оборудование персональной связи и интерактивного обмена информацией (в том числе через Internet). Для систем ФСС выделены следующие диапазоны частот: C (4/6 ГГц), Ku (11/14 ГГц) и Ka (20/30 ГГц).

К разряду ФСС относят также связь по фидерным линиям, которые формируют высокоскоростные каналы между наземными станциями (центральными, сопряжения и др.). Эти каналы работают в тех же диапазонах частот.

Услуги ФСС предоставляют пять крупных международных организаций и около 50 региональных и национальных компаний (табл. 3 и 4). К наиболее значительным коммерческим системам фиксированной связи относятся Intelsat, Intersputnik, Eutelsat, Arabsat и AsiaSat.

Среди них бесспорным лидером является международная система Intelsat, орбитальная группировка которой охватывает четыре основных региона обслуживания — Атлантический (AOR), Индийский (IOR), Азиатско-Тихоокеанский (ATR) и Тихоокеанский (POR). За 30 лет существования системы Intelsat создано 8 поколений спутников, из которых каждое последующее существенно превосходит предыдущее.

В настоящее время услуги Intelsat обеспечивают спутники четырех последних поколений (серий Intelsat-5, -6, -7/7A, -8). Пропускная способность этих КА составляет от 12 до 35 тыс. телефонных каналов, т. е. через 25 спутников системы Intelsat передаются примерно 2/3 международного телефонного трафика. Наземный сегмент включает в себя около 800 крупных станций, размещенных в 170 странах мира.

Международная организация Intersputnik в настоящее время использует российский космический сегмент (он состоит из КА типа "Горизонт" и "Экспресс"), арендуя около 30 ретрансляторов на 8 КА. В I квартале 1999 г. должен быть запущен КА нового поколения (LMI — Lockheed Martin Intersputnik), что обеспечит обслуживание Евро-Азиатского региона (750 в.д.), Америки (830 з.д.), Евро-Африканского (30 в.д.) и Азиатско-Тихоокеанского (1300 в.д.) регионов (в скобках приведены точки стояния КА).

Серьезную конкуренцию системам Intelsat и Intersputnik составляют международные коммерческие спутниковые системы PanAmSat и Orion, которые обеспечивает непрерывное покрытие основных регионов Земного шара. К наиболее крупным региональным системам относятся Eutelsat (Европа и Северная Африка), Apstar, Asiasat, Optus, Palapa (Aзиатско-Тихоокенский регион) и Arabsat (Арабские страны).

Подвижная

Системы ПСС появились около 30 лет назад (первая глобальная система мобильной радиотелефонной связи и геостационарный КА Marisat разработаны компанией Comsat в середине 70-х гг.), т. е. значительно позднее, чем системы ФСС. Причиной тому были низкая энерговооруженность подвижных объектов и более сложные условия их эксплуатации (влияние рельефа местности, ограничения по размерам антенн и др.).

Обычные стационарные наземные станции обеспечивают устойчивую связь при рабочих углах радиовидимости даже 50, а надежную связь для подвижных абонентов можно гарантировать лишь при значительно более высоких значениях. Большие углы радиовидимости КА позволяют снизить энергетический запас радиолинии, предназначенный для компенсации потерь, которые обуславливаются замиранием при распространении радиоволн в ближней зоне со сложным рельефом местности.

Первоначально мобильные наземные станции разрабатывались как системы специального назначения (морские, воздушные, автомобильные и железнодорожные) и были ориентированы на ограниченное число пользователей. Мобильные ССС первого поколения строились с использованием геостационарных КА с прямыми (прозрачными) ретрансляторами и имели низкую пропускную способность. Для передачи информации применялись аналоговые методы модуляции.

Подсистемы ПСС создавались в основном для сетей, имеющих радиальную или радиально-узловую структуру с большими центральной и базовыми станциями, которые обеспечивали работу с подвижными наземными станциями. Потоки в сетях с предоставлением каналов по требованию были невелики, поэтому в них применялись преимущественно одно- или малоканальные наземные станции. Обычно такие сети предназначались для создания ведомственных и корпоративных сетей связи с удаленными и подвижными объектами (судами, самолетами, автомобилями и т. д.), для организации связи в государственных структурах, в районах бедствия и при чрезвычайных ситуациях.

Качественный скачок в развитии ПСС произошел не только в связи с внедрением цифровых методов передачи речи и данных (как это принято обычно считать), но и благодаря появлению первых проектов спутниковых систем на базе КА на негеостационарных орбитах (низких круговых и средневысотных). Орбиты таких спутников близки к поверхности Земли, что дает возможность использовать вместо традиционных наземных станций дешевые малогабаритные терминалы и небольшие антенны. Применение низко- и среднеорбитальных группировок не только позволяет решить проблему перегруженности геостационарных орбит, но и существенно расширяет сферу телекоммуникационных услуг спутниковых сетей, обеспечивая пользователей глобальной персональной связью с помощью терминала "телефонная трубка".

Сейчас в мире насчитывается более 30 национальных и международных (региональных и глобальных) проектов, использующих КА на низких орбитах. Наиболее известны Globalstar, Iridium, Orbcomm (США), а также российские "Гонец" и "Сигнал".

Однако переход на низкоорбитальные системы нельзя считать генеральной тенденцией развития мобильной спутниковой связи. Столь же важным фактором в эволюции соответствующих систем станет освоение средних высот. И здесь особо интересны планы развертывания в 2000 г. систем связи на средних (ICO) и эллиптических (Ellipso) орбитах. Правда, несмотря на все достоинства последних, традиционные системы, использующие КА на геостационарных орбитах, не собираются сдавать свои позиции, о чем говорят последние разработки, например для Inmarsat и Intelsat.

Отличительными особенностями систем ПСС второго поколения являются:

• применение цифровых технологий для передачи речи и данных, повышения качества и надежности связи, расширения спектра услуг;
• интеграция с традиционными наземными системами подвижной связи (в первую очередь — с цифровыми сотовыми);
• совместимость и взаимодействие сетей подвижной спутниковой радиосвязи с телефонной сетью общего пользования (ТфОП) на любом иерархическом уровне (местном, внутризоновом, междугороднем);
• многообразие типов абонентских терминалов различных категорий — стационарные, портативные, мобильные, необслуживаемые, приемные и т. д.

Регламентом радиосвязи для систем ПСС выделены диапазоны частот до 1 ГГц, а также полосы частот в диапазонах L (1,5/1,6 ГГц) и S (1,9/2,2 и 2,4/ 2,5 ГГц). В перспективе разработчики систем ПСС намерены использовать более высокочастотные диапазоны Ka (20/30 ГГц) и EHF (40—50 ГГц).

В настоящее время сохраняется деление систем ПСС по видам передаваемой информации на сети радиотелефонной связи (Inmarsat-A, -B и -M, AMSC, MSAT, Optus, AceS) и системы передачи данных (Inmarsat-C, Omnitracs, Euteltracs, Prodat).

Изо всех систем ПСС наиболее мощная орбитальная группировка принадлежит международной системе Inmarsat, которая охватывает четыре региона — Атлантический восточный (AOR-E), Атлантический западный (AOR-W), Индийский (IOR) и Тихоокеанский (POR). Каждый из них обслуживается одним действующим КА и имеет по 1—2 резервных спутника. Сеть Inmarsat обеспечивает покрытие практически всей поверхности Земли, за исключением приполярных районов.

На первых этапах создания Inmarsat связь организовывалась через арендуемые у других организаций спутники Маrisat, Marecs и Intelsat-5MSC. Сейчас орбитальная группировка Inmarsat состоит из шести спутников Inmarsat (четыре КА типа Inmarsat-2, два — типа Inmarsat-3) и нескольких спутников старого поколения (типа Маrisat и Intelsat-5MCS).

Определенную конкуренцию Inmar-sat составляют системы радиотелефонной связи AMSC и MSAT (предоставляют свои услуги в Северо-Американском регионе), ACeS и Optus (Азиатско-Тихоокеанский регион).

Особое место в системах передачи данных занимают сети на базе спутников, называемых little LEO, которые предназначены для передачи данных со скоростью от 1,2 до 9,6 кбит/с (табл. 5). Их отличительными особенностями являются используемый диапазон частот (до 1 ГГц) и легкие КА (50—250 кг). Кроме того, к бортовой аппаратуре little LEO не предъявляются жесткие требования по времени доставки сообщений.

Чтобы осуществить передачу данных, достаточно одного спутника с электронным "почтовым ящиком" на борту. С каждым следующим витком он будет появляться над новым районом Земного шара, обеспечивая глобальное покрытие. Однако качество такого обслуживания будет определяться количеством КА в системе: для передачи данных в режиме электронной почты необходимы от 6 до 48 КА.

Системы этого класса имеют следующие особенности:

• данные передаются в пакетном режиме (короткие сообщения) с предоставлением каналов по требованию или в режиме группового опроса;
• возможно применение легких и портативных терминалов с ненаправленными антеннами;
• возможен групповой вывод КА на орбиту за счет их малого веса;
• низкие тарифы по сравнению с другими системами передачи данных.

Системы группы little LEO ориентированы на глобальный мониторинг перевозки грузов со сквозным контролем от пункта загрузки до пункта назначения. Они могут определять географические координаты подвижных объектов (долгота, широта, универсальное время, UTС), осуществлять сбор данных об окружающей среде, а также обеспечивать связь с подвижными объектами (судно, автомобиль, вагон, самолет), в том числе двусторонний обмен данными.

В настоящее время развернуты орбитальные группировки двух таких систем — Orbcomm (США) и "Гонец-Д1" (Россия).

Радиовещательная

Радиовещательная спутниковая служба предназначена для приема телевизионных и радиовещательных программ и является главной службой систем непосредственного телевизионного вещания (НТВ), спутникового телевизионного вещания и спутникового непосредственного радиовещания.

В настоящее время все системы телерадиовещания строятся на базе спутников на геостационарной орбите. В этой области телекоммуникаций, где основное требование к системе — сплошное покрытие обслуживаемых территорий, преимущества ССС перед другими средствами связи проявляются в наибольшей степени.

Одним из важных направлений развития телерадиовещания является интерактивное телевидение, которое позволяет удовлетворить индивидуальные запросы пользователей путем трансляции по спутниковым каналам заказных телепрограмм, а также предоставления возможностей интерактивного обмена в процессе телепередач. В таком случае пользователь из пассивного потребителя вещательной информации превращается в активного участника программы.

Хотелось бы лишний раз подчеркнуть темпы развития ССС. Когда данная статья готовилась к печати, три российские компании (МТРК "Мир", "Демос" и "Классика") объявили о создании NetStar — новой спутниковой системы высокоскоростного доступа в Internet, базирующейся на спутниках IntelSat 604 (600 в. д.).

Еще одно перспективное направление — прямое спутниковое вещание на компьютеры (служба Direct PC), позволяющее передавать по радиоканалам телевизионные изображения со скоростью до 30 Мбит/с и информацию Internet со скоростью до 400 кбит/с. Более детальное рассмотрение систем и услуг, предоставляемых службой РСС, выходит за рамки настоящей статьи.

Персональная и широкополосная

Персональная и широкополосная связь обеспечивается многими ССС — как геостационарными (табл. 6), так и с КА на более близких орбитах (табл. 7).

Системы big LEO ориентированы на предоставление персональной радиотелефонной и пейджинговой связи в глобальном масштабе. Общей тенденцией развития таких систем является объединение в общую сеть радиотелефонных спутниковых и сотовых сетей различных стандартов (GSM, AMPS, CDMA и др.), а также предоставление максимально возможного набора услуг (передача данных, телексов, факсимильных коротких сообщений, определение местоположения и пр.).

Обслуживание абонентов этих сетей осуществляется в масштабе реального времени, что достигается за счет применения корректируемых орбитальных группировок из 48—66 спутников. Для связи с абонентами используются L- и S-диапазоны частот. Масса спутников составляет 300—700 кг. Реальная пропускная способность стволов КА, как правило, не превышает 1200 эквивалентных телефонных каналов на КА (пропускная способность эквивалентного телефонного канала — 2,4 кбит/с). К системам big LEO относятся сети Iridium и Globalstar.

Системы с КА на средневысотных орбитах (MEO) являются одним из основных конкурентов сетей класса big LEO. Они ориентированы на один и тот же рынок услуг — глобальную радиотелефонную и пейджинговую связь. Однако если для обеспечения глобальной связи в системах big LEO без межспутниковых линий требуются 150—210 наземных станций сопряжения (Globalstar), то в системах MEO достаточно 10—12 станций. Пропускная способность систем данного класса эквивалентна 3—4,5 тыс. телефонных каналов со скоростью передачи 2,4 кбит/с, что выше, чем в известных низкоорбитальных системах.

Пока реально не создано ни одной такой системы. Первый проект, который почти "готов к старту" (в наступившем году должен быть запущен первый спутник), — это ICO. За ним должны последовать SpaceWay и "Ростелесат".

Системы широкополосной связи, использующие LEO-, MEO- и GEO-орбиты, предназначены для передачи высококачественной речи, высокоскоростных потоков данных, мультимедийной информации, для доступа в Internet, а также предоставления других видов услуг, пока недоступных абонентам систем ПСС. Здесь тоже можно говорить лишь о проектах, ориентированных на начало века. Список возглавляют GEO- и MEO-системы сети SpaceWay, LEO-система Teledesic (см. табл. 5 и 6). За ними, вероятно, будут развертываться Skybrige (LEO) и Astrolink (GEO).

Многие аналитики считают, что главная услуга широкополосных сетей — обмен данными в интерактивном режиме. По их прогнозам, через 10—15 лет рынок средств широкополосной связи будет столь же масштабным, что и существующий рынок средств узкополосной связи. Более того, судя по анонсированным характеристикам намеченных к внедрению ССС, они смогут удовлетворить 20—30% потребностей этого рынка. Однако реально действующие ССС не обладают пропускной способностью, которая может обеспечить хотя бы минимальные потребности рынка.

Сегодня для систем широкополосной связи наиболее характерны два вида обслуживания — персональная связь и организация широкополосных магистралей в сетях различного назначения (в том числе транкинговых или сотовых). Первый тип услуг обеспечивает связь в режиме реального времени с предоставлением каналов по требованию (bandwidth-on-demand) и скоростью передачи информации до 2—10 Мбит/с.

Ко второму виду услуг относится передача высокоскоростных потоков информации (155,52 Мбит/с), характерных для сетей синхронной цифровой иерархии (SDN). Конечно, речь идет не о замене волоконно-оптических каналов, а лишь о расширении их возможностей для связи с удаленными пользователями или для разрешения проблемы "последней мили", особенно в труднодоступных районах. Высокоскоростную передачу данных предполагается реализовать в системах, использующих КА как на геостационарной орбите, так и на средневысотных (например, Spaceway) или низких орбитах (в частности, Teledesic, Skybridge), см. табл. 7.

Продолжение следует

ОБ АВТОРЕ

СПУТНИКОВАЯ СВЯЗЬ ОТ A ДО Z

Почти все существующие англо-русские словари по сетям связи изданы более пяти лет назад и не включают в себя терминологию, которая появилась в последние годы. Предлагаемый читателю словарь составлен с учетом новых тенденций в области сетей спутниковой и наземной связи. При его создании были использованы научно-технические журналы, монографии, справочники, труды международных конференций и симпозиумов, а также каталоги и проспекты промышленных фирм. В словарь вошли терминологические сочетания, наиболее часто употребляемые сокращения, названия систем и международных организаций. Термины расположены в алфавитном порядке и выделены полужирным шрифтом. Cсылки ср. (сравните) и см. (смотрите также) указывают на источник, содержащий дополнительную информацию.

A

Access delay - задержка в предоставлении доступа. Время, прошедшее с начала первой попытки наземной станции установления связи с ретранслятором до ее успешного завершения.

Access denial - отказ в доступе. Неудачная попытка установления связи с ретранслятором из-за его перегруженности или аппаратурных сбоев.

ACeS (Asia Cellular Satellite System) - проект системы персональной спутниковой радиотелефонной связи, создаваемой на базе модифицированного стандарта GSM группой азиатских стран. Основу космического сегмента составляют 4 геостационарных КА серии Garuda. В консорциум AСeS входят: PT Asia Cellular Satellite (Джакарта, Индонезия), Philippine Long Distance Telephone Co. (Филипины), Jasmine International PLC (Тайланд) и др. См.: http://www.shareholder.com , http://www.nickeibp.com.

Acquisition time - время установления синхронной связи (вхождения в синхронизм). Общее время, необходимое для выделения несущей, обнаружения сигнала спутникового ретранслятора и установления синхронизма наземной станции и КА. Вхождение в синхронизм осуществляется либо при первоначальном включении станции после перерыва связи, либо в момент появления спутника в зоне радиовидимости наземной станции.

ACTS (Advanced Communications Technology Satellite) - усовершествованный спутник связи. Cпутник, выведенный на орбиту NASA (США) в 1993 г. с целью отработки ряда новых технологий. На борту КА находится многолучевая антенна, что позволяет принимать сигналы Ка-диапазона с помощью малых наземных станций (USAT) c диаметром антенны 35 См.: Спутник ACTS осуществляет обработку цифровых потоков со скоростью от 64 кбит/с до 155 Мбит/c, а также переретрансляцию сообщений с помощью высокочастотной коммутирующей матрицы. См.: kronos.lers.nasa.gov.

Adjacent satellite interference - помеха от расположенного рядом спутника, находящегося на той же орбите или в соседней орбитальной плоскости.

Aerospatiale - француская компания, осуществляющая разработку и производство ракет-носителей серии Ariane. См.: http://www.aerospatiale.fr .

Aircraft earth station - самолетная наземная станция. Устанавливается на борту самолета, вертолета или летательного аппарата другого типа.

Almanac - альманах. Совокупность основных параметров (эфемерид пониженной точности) всех КА, входящих в орбитальную группировку спутниковой навигационной системы.

Amos (Affordable Modular Optimized Satellite) - cемейство малых спутников связи, выводимых на геостационарную орбиту (разработчик IAI, Израиль). Запуск КА Amos-1 осуществлен с помощью ракеты-носителя Ariane-4 (1996 г.). На борту установлено 8 ретрансляторов (7 в Ku- и один в Х-диапазоне). См.: http://www.tbs-satellite.com .

AMSC. 1. American Mobile Satеllite Corporation - американский консорциум подвижной спутниковой связи. 2. Одноименная система подвижной спутниковой связи, созданная по инициативе организации AMSC. Предназначена для обеспечения мобильной радиотелефонной связи и передачи данных на территории США, Пуэрто-Рико, Виргинских островов и 200-мильной зоны вокруг них. См.: http://www.skycell.com .

Anik - семейство канадских спутников, обеспечивающих спутниковую связь и телевизионное вещание на территории Канады. Последняя наиболее совершенная модель, Anik E2, создана на базе платформы Satcom 5000 и имеет 50 стволов, работающих в С- и Ku-диапазонах. См.: http://www.telesat.ca .

Antiscintilation - антисцинтилляция. Устранение искажений, обусловленных быстрыми флуктуациями радиосигнала на спутниковых трассах при распространении радиоволн через ионосферу и тропосферу.

Apogee - апогей. Точка на орбите, в которой спутник удален от поверхности Земли на наибольшее расстояние. В этой точке радиус-вектор, проведенный из центра Земли, является максимальным.

ApStar - региональная система спутниковой связи, созданная компанией APTSat. Основу орбитальной группировки составляют спутники Apstar-1 и Apstar-2R, разработанные на базе космической платформы HS-376. Cм. http://www.tbs-satellite.com .

APTSat (APT Satellite Co. Ltd) - компания спутниковой связи Юго-Восточной Азии, созданная в 1992 г. (штаб-квартира расположена в Гонконге).

Arabsat - система спутниковой связи и вещания, созданная группой арабских стран, которые входят в организацию ASCO. Космический сегмент состоит из спутников связи и телевизионного вещания Arabsat-1С и Arabsat-1D-R (бывший американский КА Telstar 301).

В перспективе эти спутники предполагается заменить на более совершенные Arabsat-2, базирующиеся на платформе Spacebus 3000. Стоимость КА серии Arabsat-2 - около 65 млн долл. Станция управления системой расположена в г. Дихрабе (Саудовская Аравия). См.: http://www.aerospatiale.fr , http://www.tbs-satellite.com.

Arc segment - орбитальный сегмент. Определяет баллистическую структуру орбитальной группировки, конкретные параметры орбит и точки стояния спутников на геостационарной орбите.

Archimedes - проект системы подвижной радиотелефонной связи и цифрового радиовещания c КА на высокоэллиптической орбите, разрабатываемый под эгидой ESA. Зона обслуживания будет охватывать Европу, Дальний Восток и большую часть Северной Америки (севернее 400 с.ш.). См.: http://www.esrin.esa.it .

Area of view - зона видимости или радиовидимости. Участок поверхности Земли, с которого спутник виден под углом, большим некоторого минимально допустимого значения, в течение всего сеанса связи. Ср. coverage area.

Argos - международная система сбора данных с помощью спутниковых радиомаяков, созданная в 1978 г. Сейчас ее услугами пользуются около 40 стран. Главный центр обработки данных, принимаемых с радиомаяков, расположен в г. Тулуза (Франция). Аппаратура Argos устанавливается на метерологических спутниках NOAA (США). На круговой полярной орбите высотой 850 км одновременно находятся два КА, что обеспечивает при их движении глобальный охват поверхности Земли. См.: http://www.tbs-satellite.com , http://www.systemdevelopment.com.

Ariane - ракета-носитель, предназначенная для вывода на LEO-, MEO- и GEO-орбиты космических аппаратов различного класса (в том числе групп КА). Разработка Ariane проводилась по инициативе ESA.

Этот носитель был задуман как европейская ракета, и в его создании участвовали многие ведущие космические компании Европы - Aerospatiale, Matra Marconi Space, Alenia, Spazio, DASA и др. Первый старт Ariane 1 состоялся в декабре 1979 г. В июне 1988 г. ESA запустила ракету-носитель четвертого поколения серии Ariane 40, в настоящее время используемую примерно в половине всех коммерческих запусков. Сейчас создается модификация ракеты-носителя - Ariane-5, которая будет способна выводить на низкие орбиты до 18 т груза, а на геостационарную - до 6920 кг. См.: http://www.aerospatiale.fr , http://www.france.net.au .

ArianeSpace - компания, занимающаяся продажей, планированием запусков и модификацией существующих ракет-носителей Ariane. Штаб-квартира компании находится в Париже. См.: arianespace.com.

Artemis (Advanced Relay and Technology Mission Sayellite) - проект ESA по созданию многофукционального спутника, предназначенного для отработки новых технологий и видов услуг, которые предполагается использовать в европейском проекте релейной спутниковой связи DRSS. На борту КА Artemis установлен ретранслятор для организации персональной радиотелефонной связи в Европе, способный работать с абонентским оборудованием системы Prodat. См.: http://www.esrin.esa.it .

ASCO (Arab Satellite Communications Organization) - арабская организация спутниковой связи со штаб-квартирой в г. Эр-Рийяд (Саудовская Аравия). Год основания - 1976 г. В состав организации входят 22 арабских государства (наиболее существенные доли инвестиций у Саудовской Аравии - 36, 66%, Кувейта - 14,59% и Ливии - 11,28%). Обслуживаемый регион - от 170 з.д. до 600 в.д.

Asiasat - азиатская система спутниковой связи, созданная по инициативе компании Asia Satellite Telecommunications (Гонконг). В 1990 г. был выведен на орбиту первый КА Asiasat 1, представлявший собой снятый с орбиты и отремонтированный спутник Westar VI. Зона обслуживания системы - Юго-Восточная Азия. См.: http://www.asiasat.com.hk .

Astra - система телевизионного вещания, созданная консорциумом частных и государственных банков ряда европейских стран. Сейчас на орбите действуют КА серии Astra (A, B, C, D, E, F), расположенные в одной точке стояния (19,20) и работающие в смежных полосах частот. См.: http://www.astra.lu .

Astrolink - проект глобальной системы спутниковой связи с 9 КА на геостационарной орбите, разрабатываемый компанией Lockheed Martin. Ориентирован на высокоскоростную передачу данных и предоставление мультимедийных услуг. В пяти орбитальных точках на геостационарной орбите предполагается разместить 9 спутников, связанных друг с другом межспутниковыми линиями. КА создается на базе платформы А 2100. Скорость передачи информации от 64 кбит/с до 9,216 Мбит/c См.: http://www.astrolink.com .

Asymmetric traffic - асимметричный трафик. Трафик, передаваемый с разными скоростями по каналам "Земля-спутник" и "спутник-Земля".

Atlas - семейство ракет-носителей компании Lockheed Martin (США), предназначенных для вывода на GEO-орбиту космических аппаратов различного назначения: связных, геодезических и военных (Atlas I, Atlas II, Atlas IIA, Atlas IIAS). Коммерческие запуски проводятся с 1987 г. С помощью РН Atlas IIA на орбиту были выведены КА Eutelsat 2F3, Inmarsat 3F и др. Более совершенная модель, Atlas IIAS, способна выводить на низкие орбиты до 8390 кг и на геостационарные - до 3490 кг груза. См.: http://www.ksc.nasa.gov .

Aussat - организация спутниковой связи Австралии, созданная в 1981 г. В настоящее время переименована в Optus. В 1985-1992 гг. было создано семейство геостационарных КА серий Aussat-А1 (А2,А3) и Aussat-B1.

Availability - доступность (навигационных сообщений). Вероятность получения потребителем навигационной информации в заданном временном интервале с требуемой точностью.

A2100 - спутниковая платформа компании Lockheed Martin. Существуют три модификации этой платформы для различных полезных нагрузок. Все они позволяют разместить контейнер с полезной нагрузкой, который имеет ширину 1,82 м, высоту 2,1 м (A2100A), 1,65 м (A2100B) или 1,27 м (A2100С). См.: Insw.external.Imco.com.

.

B

Backhaul link - ретрансляционная линия (проф. - линия сброса). Двусторонняя линия между спутниковым ретранслятором и вспомогательной наземной станцией, обеспечивающей обработку информации.

Backhaul station - станция-ретранслятор. В системах спутниковой связи с прямой ретрансляцией (См.: bent-pipe transponder) на Земле устанавливается вспомогательная станция (ее роль обычно выполняет центральная станция), на которую поступает весь трафик спутника. Эта станция осуществляет обработку информации и ее коммутацию, определяет маршрут доставки сообщений и передает информацию на спутник.

Backlog controlled multiple access - многостанционный доступ с регулируемой длиной очереди (накопившихся для передачи пакетов).

Backoff - потери мощности ретранслятора. Относительное снижение уровня выходного сигнала ретранслятора при приеме/передаче нескольких несущих одновременно и при работе на одной несущей.

Beam dwell time - время пребывания луча в заданной зоне обслуживания.

Beam-to-beam isolation - развязка (ослабление) лучей. При использовании на спутнике многолучевой или нескольких приемных антенн происходит взаимное влияние лучей. Эффективная работа ретранслятора возможна, если сигнал какого-либо луча намного слабее сигнала соседнего луча. Величина развязки зависит от метода доступа, диапазона частот и характеристик ретранслятора.

Bent-pipe - схема прямой ретрансляции. На борту КА осуществляются прием, усиление и преобразование сигнала без фильтрации отдельных каналов.

Bent-pipe transponder - прозрачный ретранслятор (проф. - "прямая дыра"). Наиболее простой тип ретранслятора, осуществляющий преобразование группового спектра частот на промежуточной частоте без демодуляции и обработки сигналов на борту КА. .

Bifacial solar cell - двусторонний солнечный элемент. Элемент солнечной батареи, функционирующий при его освещении как с лицевой, так и с тыльной стороны.

Big LEO - класс низкоорбитальных систем, ориентированных на обеспечение персональной радиотелефонной связи и работающих в диапазоне частот выше 1 ГГц. Общая тенденция развития систем этого класса - интеграция с сотовыми сетями различных стандартов (GSM, AMPS, CDMA и др.). Обычно системы big LEO предоставляют тот же набор услуг, что и системы little LEO.

BOD (bandwidth on demand) - предоставление полосы частот по требованию. Метод организации абонентского доступа к спутниковому ретранслятору, при котором канал предоставляется по требованию (запросу), а не жестко закрепляется за определенным пользователем. Ср.: DAMA и PAMA.

BOL (beginng of life) - начало срока активного существования спутника на орбите. Этот параметр обычно указывается в технических характеристиках ретранслятора наряду с массой КА, излучаемой мощностью и напряжением питания бортовых батарей в момент вывода спутника на орбиту. Ср.: EOL.

Borealis orbit - орбита Borealis. Эллиптическая орбита, используемая в системе Ellipso. Основные параметры: высоты апогея - 7840 км, перигея - 520 км, наклонение - 116,60. См.: http://www.ellipso.com .

Brasilsat. 1. Brasilian Satellite Organization - бразильская организация спутниковой связи. 2. Национальная система спутниковой связи и вещания, основу которой составляют два геостационарных КА второго поколения (Brasilsat B1 и Brasilsat B2), заменивших на орбите отработавшие свой срок спутники первого поколения Brasilsat А1 и Brasilsat A2. В системе функционируют несколько сотен наземных станций, расположенных на территории Бразилии и ряда стран Латинской Америки. См.: embratel.net.br.

BS (brodcasting satellite) - телевизионные спутники, обеспечивающие непосредственное телевизионное вещание на территории Японии. Основу космического сегмента составляют спутники третьего поколения (BS-3A, BS-3B), выведенные на геостационарную орбиту в 1990-1991 гг. Прием осуществляется на параболические антенны диаметром 75 См.:

BSB (British Satellite Brodcasting ) - система непосредственного телевизионного вещания Великобритании, эксплуатируемая на базе спутников Marco Polo.

BSS (brodcasting satellite service) - радиовещательная спутниковая служба (РСС). Предназначена для приема телевизионных и радиовещательных программ с помощью приемных стационарных или подвижных терминалов. В настоящее время РСС работает в диапазоне частот фиксированной спутниковой службы и использует сигналы с высоким уровнем мощности, что позволяет применять малые недорогие приемные установки. См.: FSS и MSS.

.

C

С/А code (coarse/acquisition или clear/acquisition) - C/A-код. Код грубого определения местоположения в системе GPS, который доступен широкому кругу гражданских пользователей. Передача С/А-кода в GPS осуществляется на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательностью длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается с помощью кода Гоулда. Период повторения С/А-кода -1 мс. Тактовая частота - 1,023 МГц.

C band - C-диапазон. Диапазон частот 4/6 ГГц, выделенный для фиксированной спутниковой связи. Обычно на линии "спутник-Земля" используется полоса частот 3,700-4,200 ГГц, а на линии "Земля-спутник" 5,925-6,425 ГГц.

Call-by-call demand assignment - предоставление (каналов) в порядке поступления запросов на установление соединения.

CDMA (Code-Division Multiple Access) - многостанционный доступ с кодовым разделением каналов. Метод многостанционного доступа, основанный на использовании сигналов с расширенным спектром, при использовании которого происходит разделение каналов по форме сигналов (т. е. по виду псевдослучайной последовательности). CDMA обеспечивает группе абонентов возможность одновременной работы в общей полосе частот. При этом каждый абонент имеет доступ к любому каналу (без жесткого закрепления за ним канала).

CDM (code-division multiplexing) - кодовое уплотнение каналов. Метод уплотнения нескольких псевдослучайных последовательностей с расширенным спектром на одной несущей. Используется спутниковым ретранслятором с обработкой CDMA-сигналов на борту.

CERES (Hungarian Central Europian Regional Satellie) - венгеро-израильский проект спутниковой системы для Центральной Европы. Спутник CERES планируется вывести на GEO-орбиту в ту же точку стояния, что и израильский КА Amos-1. См.: http://www.tbs-satellite.com .

Chinasat - система спутниковой связи Китая. В 1993 г. начал эксплуатироваться КА Chinasat-5 (приобретенный у США спутник Spacenet 1). Спутник нового поколения Chinasat-6 создан на базе платформы HS-376. См.: http://www.satnews.com .

Clark belt - геостационарная орбита. Названа по имени Артура Кларка (Arthur C. Clark), опубликовавшего в 1945 г. статью, в которой обосновывалась концепция спутниковой связи через геостационарные космические аппараты.

Clear weather margin - запас в условиях ясной погоды. Энергетический запас в линии связи при отсутствии осадков в виде снега или дождя.

CNES - национальный центр космических исследований Франции.

Comets - экспериментальный КА на геостационарной орбите, созданный по инициативе NASDA (Япония) и предназначенный для обеспечения подвижной связи в регионе Тихого океана.

Concordia orbit - орбита Concordia. Круговая экваториальная орбита, используемая в системе ELLIPSO, которая имеет следующие параметры: высота - 8040 км, наклонение - 00, период обращения - 4,67 ч. Спутники этой орбиты в основном предназначены для обслуживания тропических районов северного и южного полушарий (непрерывное обслуживание обеспечивают 6 КА). См.: http://www.elli-pso.com .

Conestoga - семейство ракет-носителей, предназначенных для вывода на орбиту спутников малого и среднего веса. По свои