Системы спутниковой связи. Часть 2. Ракетоносители и космические аппараты

Будут описаны состав типы современных ретрансляционных комплексов, используемое приемо-передающее оборудование и принципы организации связи.

Спутниковые ретрансляторы

Даже не посвященному в тонкости телекоммуникационных технологий читателю ясно, что именно ретранслятор "отвечает" за энергетические характеристики лучей, т.е. каналов связи. Первый вопрос, который возникает на начальной стадии проектирования спутниковой системы связи (ССС), связан с оптимальным распределением ее ресурсов между ретранслятором и наземными станциями. В данном контексте ресурсы системы - это энергетический запас радиолиний (или их пропускная способность) и "интеллектуальные" возможности ретранслятора.

Существует множество вариантов перераспределения функций между ретрансляционными и наземными комплексами в зависимости от вида предоставляемых услуг, типов орбит и т.п. Однако несомненно: чем большую энерговооруженность имеет "борт" (как специалисты чаще всего называют спутник), т.е. чем выше эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) спутниковых приемопередатчиков, тем более простое абонентское оборудование необходимо применять на Земле для приема сигнала.

Под "интеллектуальностью" обычно подразумевают вычислительные возможности бортового комплекса, оцениваемые по той доле функций наземных станций, которые способен выполнить ретранслятор. Например, можно возложить на последний коммутацию каналов, маршрутизацию, тарификацию, защиту от несанкционированного доступа и др. Очевидно, что с повышением "интеллектуальности" борта увеличиваются гибкость и возможности системы. Но стратегию проектирования ССС нельзя свести к упрощенной схеме: раз ретрансляторов в системе намного меньше, чем наземных станций, то создав один или несколько сверхсложных ретрансляционных комплексов, можно существенно упростить наземные средства. Прямой путь не всегда оптимален.

Все многочисленные попытки создать мощные мультидиапазонные ретрансляционные комплексы со сверхбольшими антенными решетками, разворачиваемыми в космосе, окончились неудачей. Tому есть ряд причин. Главная из них состоит в том, что стоимость сверхбольших ретрансляционных комплексов чрезвычайно высока, а ущерб при неудачном запуске или их отказе на орбите невосполним. Вдобавок при страховании запуска уникальных сложных комплексов неизбежны серьезные проблемы с определением страховой суммы, даже если удается найти страховую компанию, готовую на столь высокий риск.

Кроме того, возникают и технические сложности. Размещение на борту большого числа приемопередатчиков, работающих в разных диапазонах, приводит к усложнению электромагнитной обстановки как непосредственно в самом бортовом комплексе, так и на расположенных рядом спутниках. Несомненно, что и наземная отработка такого комплекса займет достаточно много времени, а это, в конечном итоге, увеличит срок создания КА и окупаемости системы в целом.

Комплекс ретрансляционного оборудования, который космический аппарат (КА) выводит на орбиту, называется полезной нагрузкой. Оборудование, поддерживающее нормальное функционирование основных подсистем КА для пространственной ориентации, терморегулирования, телеметрического контроля, навигации (приемники GPS/"Глонасс" и др.) - конструктивно не входит в состав полезной нагрузки, а является принадлежностью космической платформы.

Структура бортового ретрансляционного комплекса (БРТК) определяется его назначением, или масштабностью охвата территорий (глобальная либо региональная связь), методом обработки информации на борту КА, количеством ретрансляционных каналов (приемных, передающих или приемопередающих), скоростью информационного обмена, а также выбранными техническим решениями и используемыми технологиями. В состав БРТК могут входить не только так называемые абонентские ретрансляторы (предназначенные для формирования "потребительских" лучей), но и ретрансляторы фидерных и/или межспутниковых линий (служебная связь).

Организация связи и маршрутизация

В зависимости от вида предоставляемых услуг, требований различных групп пользователей к оперативности связи и от взаимного расположения абонентов организуются следующие варианты взаимосвязи между абонентами:

• связь в режиме реального времени, если абоненты находятся в зоне радиовидимости одного КА. При передаче речевых сигналов задержка определяется только временем распространения сигнала и обработки сообщения на КА и наземной станции сопряжения (рис. 13);
• ретрансляция через наземные станции сопряжения, расположенные в зоне радиовидимости двух КА одновременно;
• межспутниковая связь, если абоненты находятся в зоне радиовидимости разных КА;
• перенос информации на борту КА (электронный "почтовый ящик"), при котором образуется виртуальный канал между абонентами, расположенными в разных географических регионах.

Следует отметить, что для абонентов, удаленных друг от друга на большие расстояния, длина канала связи, образованного с помощью межспутниковых линий, существенно больше, чем в наземной сети, что влияет на задержку сигнала.

Типы ретрансляторов

По своему назначению и выполняемым функциям все ретрансляционные комплексы подразделяются на три типа: прозрачные, регенеративные и комбинированные.

Прозрачные ретрансляторы (bent pipe) обеспечивают прием и преобразование входных сигналов без их обработки на борту. Таково "строгое" определение. Тем не менее существуют ретрансляторы, тоже называемые прозрачными, которые имеют в своем составе один или несколько канальных процессоров или высокочастотную полнодоступную матрицу для коммутации каналов, поэтому в настоящее время уже трудно провести резкую границу между прозрачным и регенеративным типами ретрансляторов.

Принцип действия регенеративных ретрансляторов, которые определяются как ретрансляторы с обработкой сигналов на борту (OBP, On Board Processing), основан на ремодуляции, т.е. приеме сигналов на одной частоте, их демодуляции и повторной модуляции на новой несущей. Использование таких ретрансляторов позволяет одновременно обслуживать большое количество терминалов, обеспечивая большую гибкость формирования каналов и оперативное соединение терминалов с применением разнообразных протоколов. В комбинированных ретрансляторах может выполняться обработка только определенных сигналов (какой-то части всех каналов), например соответствующих заданной несущей частоте.

Прозрачные

Большинство коммерческих ретрансляторов, используемых для передачи широкополосных и узкополосных сигналов (Intelsat, Eutelsat, Inmarsat и др.), строятся по традиционной, наиболее простой и распространенной, схеме организации связи без обработки (bent pipe - "прямая дыра"). В каждом ретрансляторе может быть установлено несколько комплектов приемо-передающей аппаратуры, подключенной к одной или разным антеннам. Отдельный приемо-передающий канал спутниковой связи называется стволом, или транспондером (transponder).

В современных геостационарных связных космических комплексах число стволов может достигать 50 и более, что позволяет реализовать высокую пропускную способность ретранслятора. Основные показатели существующих ретрансляционных комплексов для геостационарных КА приведены в табл. 13.

Главным достоинством прозрачных ретрансляторов является простота аппаратной реализации, поскольку в них осуществляется только групповое преобразование сигнала на промежуточной частоте без демодуляции и фильтрации каналов. Однако им присущ и ряд недостатков. Дело в том, что при работе нескольких наземных станций в широкой полосе частот неизбежно возникают нелинейные эффекты, приводящие к подавлению более слабого сигнала сильным, а также интермодуляционные помехи из-за преобразования паразитной амплитудной модуляции в фазовую и др.

Чтобы в какой-то мере избежать этих эффектов, в прозрачных ретрансляторах используются передатчики, работающие в квазилинейном режиме. Иногда и этих мер оказывается недостаточно, поскольку при появлении в рабочей полосе даже одного сильного "мешающего" сигнала возможен отказ ретрансляционного ствола в целом.

Но выход из положения есть, и он заключается в разделении всей полосы ствола на ряд парциальных каналов. Этот метод, получивший название "один канал на несущую" (SCPC, Single Cannal Per Carrier), в настоящее время широко применяется в сетях VSAT, поскольку он позволяет оперативно перераспределять трафик между наземными станциями.

Несмотря на перечисленные недостатки ретрансляторов типа bent-pipe они не потеряли своей значимости и по-прежнему используются в современных системах связи с КА не только на геостационарной, но и на других орбитах. Причина очевидна - простота их реализации.

Новым техническим решением при создании прозрачных ретрансляторов с SCPC является применение в них высокочастотной коммутируемой матрицы, выполненной на базе СВЧ интегральных схем и переключателей на PIN-диодах, обеспечивающих малую потерю мощности. Управление работой такого коммутатора осуществляется с помощью бортового процессора, а резервирование - за счет введения дополнительных рядов и столбцов матрицы.

Комбинированный

В ретрансляторе с одним канальным процессором (рис. 14) принятый сигнал разделяется на выходе приемника на N каналов, в каждом из которых осуществляется прозрачное преобразование сигналов. Отличие такого БРТК от "абсолютно" прозрачного ретранслятора заключается в том, что в нескольких или одном канале (самый нижний на рис. 14) устанавливается канальный процессор. Одно из преимуществ данного решения - простота модернизации существующего прозрачного ретранслятора до комбинированного, поскольку каналы с обработкой сигналов "вставляются" в обычный ретрансляционный ствол. Кроме того, возможно применение каналов с различными скоростями передачи, разными алгоритмами кодирования и т.п. Указанный тип ретрансляторов будет реализован, например, в системах ACeS и ICO.

Регенеративные

Ретрансляторы с пакетной коммутацией. Высокая эффективность передачи сигналов в системах спутниковой мобильной связи достигается при использовании в БРТК коммутаторов (рис. 15), которые чаще всего реализуются на базе технологии ATM или IP. Выбор конкретного протокола зависит от архитектуры системы и типа орбитальной группировки. Так, ATM-коммутатор больше всего подходит для сетей с топологией "звезда", использующих КА на геостационарной или низких орбитах (система SkyBridge).

Важное преимущество пакетной обработки - возможность использования асимметричных каналов на линиях "вверх" и "вниз", т.е. поддержка интерактивного режима.

Наиболее сложным является ретранслятор с пакетной обработкой информации на борту и маршрутизацией. Такие типы ретрансляторов применяются в системах с межспутниковыми линиями связи и узловой топологией, построенных на основе КА типа big LEO (Iridium) или mega LEO (Teledesic). В них динамическое перераспределение каналов (маршрутизация) осуществляется непосредственно в ретрансляторе и базируется на протоколе IP (Iridium).

Ретрансляторы с обработкой информации в нереальном времени. В спутниковых системах с КА типа little LEO для удаленных пользователей, оказавшихся вне зон обслуживания региональных станций (например, на борту морского судна), предусматривается возможность связи с другими абонентами системы через космический "почтовый ящик".

Связь в режиме электронного "почтового ящика" организуется следующим образом. Абонент может передать свое сообщение, когда в зоне радиовидимости появляется хотя бы один КА. Спутник примет это сообщение и запишет его в бортовое ЗУ ("почтовый ящик"). Информация будет отправлена получателю, как только данный КА достигнет его региона. Транспортные протоколы обеспечивают сборку пакетов, принадлежащих одному сообщению, в абонентском терминале независимо от маршрута их доставки и числа задействованных при транспортировке этих пакетов КА и наземных станций сопряжения.

Такие типы ретрансляторов обычно используются в спутниковых системах передачи данных: "Гонец", Orbcomm, Сospas-Sarsat и др. От систем, осуществляющих перенос информации на борту КА, требуется не непрерывность связи, а надежность доставки сообщения, поэтому их орбитальная группировка может состоять из небольшого числа КА. Временные характеристики обслуживания в такой системе определяются параметрами абонентских линий (табл. 14).

Методы доступа

Как и наземные сети, ССС используют различные виды доступа, которые можно разделить на три группы. Первые две - классические методы многостанционного доступа с частотным (FDMA) и временным (TDMA) разделением каналов. К третьей относятся методы, основанные на технологии кодового разделения каналов (CDMA).

В системах на базе геостационарных КА наиболее часто используется FDMA (табл. 15), при котором частотный спектр каждого канала разделен на участки определенной ширины. Для защиты от внутрисистемных помех между каналами предназначены интервалы, обеспечивающие разграничение частот соседних каналов с заданной точностью. Для сети с достаточно высокими энергетическими показателями линий связи применение FDMA позволяет создать наиболее простое абонентское оборудование с малым энергопотреблением.

Недостатком данного метода является низкая пропускная способность каналов связи. Кроме того, величина частотной неопределенности вследствие доплеровского сдвига заставляет разработчиков радиоаппаратуры увеличивать защитный интервал, что ведет к значительным энергетическим потерям, особенно при использовании низкоорбитальных КА.

Mногостанционный доступ с временным разделением каналов, TDMA, применяется в системах Iridium, Orbcomm, ICO, "Гонец" и др. Высокая пропускная способность линии связи обеспечивается при сочетании метода TDMA с пространственным разделением каналов при разнесенном приеме, а современная техника позволяет одному КА формировать одновременно 100 и более узких лучей (см. табл. 15). Следует отметить, что проверенные временем технологии FDMA и TDMA гораздо проще реализовать в БРТК, чем CDMA, поэтому соответствующие ретрансляторы намного дешевле.

Такие преимущества технологии CDMA, как невысокая пиковая мощность абонентского оборудования и сравнительно низкие требования к динамике регулирования мощности передачи, делают ее особенно привлекательной для организации персональной подвижной радиосвязи c использованием терминалов типа "телефонная трубка". Одно из основных достоинств CDMA - возможность "мягкого" переключения при "передаче" абонента с одного спутника на другой. Метод CDMA пригоден и для обеспечения так называемого разнесенного приема (прием информации осуществляется через разные КА с последующим когерентным сложением или автоматическим выбором лучшего по качеству принимаемого сигнала), поддерживаемого, например, системой Globalstar.

Первой из коммерческих спутниковых систем, в которой была успешно опробована технология CDMA, является система Omnitracs, обеспечивающая контроль за грузоперевозками. Дальнейшее развитие эта технология получила в американских системах Globalstar, Starsys, Ellipso, а также в проектах систем 3-го поколения SAT-CDMA (Южная Корея), SW-CDMA и SW-CTDMA (ESA).

Известно, что техническая реализация разделения каналов на наземной станции обходится дешевле, чем на борту спутника, поэтому в системах, основанных на технологии CDMA, как правило, предполагается использование прозрачных ретрансляторов.

Основные характеристики ретрансляторов

Эффективность работы бортового ретранслятора определяется диапазоном рабочих частот, ЭИИМ, добротностью (G/T) и плотностью потока мощности на поверхности Земли (см. табл. 13). Кроме того, важной характеристикой является обеспечиваемая БРТК пропускная способность линии связи.

Пропускная способность - основной интегральный показатель БРТК, определяющий эффективность функционирования КА. В зависимости от вида передаваемой информации обычно используют два критерия оценки пропускной способности. В системах речевой связи это число каналов, эквивалентных телефонным, которые приходятся на один КА (соответственно эквивалентными считаются каналы, по которым информация передается с одинаковой скоростью; эквивалентные телефонным - это каналы, имеющие скорость 4,8 кбит/c. В низкоорбитальных системах пакетной передачи данных критерием служит суммарный поток информации, передаваемый через один КА в течение заданного промежутка времени (в один час, в сутки).

Пропускная способность КА зависит от его энергетических параметров (ЭИИМ и G/T), характеристик антенных систем и методов доступа и обработки информации на борту спутника.

ЭИИМ и добротность. Как правило, значения ЭИИМ современных систем персональной спутниковой связи, работающих в L/S-диапазоне, не превышают 30-45 дБВт для систем с КА на геостационарной орбите, 20-35 дБВт - для КА на средних орбитах и 5-25 дБВт для КА низких орбитах (см. табл. 13).

Величина добротности, определяемая отношением усиления антенны к суммарной шумовой температуре бортового приемника (G/T), обычно не должна выходить за границы диапазона, определяемого значениями: от -12 до +3 дБ/К. Их разброс внутри этого диапазона зависит от размеров используемых антенн и, в меньшей степени, от параметров электронного оборудования.

Плотность потока мощности бортового ретранслятора влияет на условия его электромагнитной совместимости с другим электронным оборудованием, поэтому жестко регламентируется. Характеристики бортовых антенн в каждом луче обычно выбираются таким образом, чтобы плотность потока мощности, создаваемая на поверхности Земли, была постоянной и не зависела от направления излучения.

Существуют международные рекомендации, регламентирующие плотность потока мощности S (дБВт/м²) на поверхности Земли. Например, зависимость S от рабочего угла места u наземной станции и определяется соотношением

S = Sо + 0,5 (u - 5) для 50 <= 0 < 250,

где Sо - минимально допустимый уровень плотности потока мощности на поверхности Земли в определенном диапазоне частот (в дБВт/м²), который указан в тех же рекомендациях. В них также оговаривается, что в диапазонах частот L, S, C, X и Ku измерение плотности потока мощности производится в полосе частот 4 кГц, а в более высоких диапазонах частот (Ka и КВЧ) - в полосе 1 МГц.

Приемо-передающее оборудование

При проектировании бортового оборудования учитываются два основных требования, которые и отличают "борт" от "земли": обеспечение как можно более низкого энергопотребления и радиационной стойкости элементной базы. Следует особо отметить, что (в основном "благодаря" второму требованию) стоимость аппаратуры, предназначенной для работы на КА, в десятки раз выше цены аналогичных устройств наземных комплексов, а необходимость использования для защиты от радиационных повреждений специальных экранов увеличивает вес оборудования.

Передающие устройства. Основная функциональная часть приемного тракта - усилитель мощности передатчика. В бортовых комплексах используются различные типы таких устройств.

В системах связи на геостационарных КА одним из основных типов усилителей для передатчиков традиционно остаются усилители на основе лампы бегущей волны (ЛБВ). И хотя сегодня их кпд уже превышает 40% (кпд самих ЛБВ составляет около 60%), при эксплуатации этот показатель не отличается стабильностью и быстро падает, особенно при снижении выходной мощности передатчика на линейном участке динамической характеристики. При работе в режиме нескольких несущих для достижения хороших энергетических показателей линии требуется обеспечить отношение сигнал/шум от 20 до 30 дБ, что в свою очередь приводит к потерям, снижающим кпд усилителя на основе ЛБВ до 10-20% .

В системах с КА на средневысотных и низких орбитах обычно используются полупроводниковые усилители мощностью до 60 Вт для L-диапазона частот, до 20 Вт - для С-диапазона и 5-10 Вт для Ku-диапазона. В отличие от усилителей с ЛБВ, эта аппаратура работает при более низком напряжении питания, более компактна и надежна.

Приемные устройства. Во входных каскадах бортовых приемников в настоящее время чаще всего применяются малошумящие усилители (МШУ) на полевых транзисторах. Коэффициент шума такого приемника составляет менее 3 дБ в диапазоне частот 1,5-4 ГГц и не более 4,5 дБ для диапазона 11-14 ГГц. Снижение шумовых характеристик бортовых приемников возможно при переходе на новую элементную базу. Создание МШУ на базе транзисторов с высокой подвижностью электронов позволит достигнуть коэффициента шума для диапазона 1,5-4 ГГц почти 2 дБ, а для диапазона 11-14 ГГц - 3,5 дБ. При этом усилитель станет намного надежнее и еще компактнее (вследствие более высокой степени интеграции элементов).

Антенные системы. До недавнего времени считалось, что основным сдерживающим фактором развития персональной спутниковой связи является отсутствие высокоэнергетичных ретрансляторов со значительной излучаемой мощностью и высокой чувствительностью приемника. Однако зарубежный и отечественный опыт разработки спутниковых систем показал, что повысить энергетический запас радиолинии можно не только "прямой накачкой" мощности в луч. Огромные резервы раскрываются при пересмотре технологических решений антенных комплексов.

Современные многолучевые антенные системы позволяют реализовать многократное использование полосы частот в глобальной зоне обслуживания. Их узкие парциальные лучи обеспечивают ту же плотность потока мощности, что и один широкий луч, при значительно меньших энергетических затратах.

При конструировании антенн для КА систем персональной радиотелефонной связи основной упор делается на возможность формирования множества сканирующих лучей c изменяемой формой диаграммы направленности. Обычно такая антенна интегрирована с другими элементами бортового комплекса; при этом высокие технические характеристики сложных антенных систем достигаются не только за счет увеличения их поверхности и мощности, но и благодаря использованию современных схемных технологий и новых материалов (см. табл. 15).

* * *

Анализ тенденций развития ретрансляционных комплексов КА показывает, что сегодня производители не отдают явного предпочтения ни одной из технологических схем и в равной мере применяют как прозрачные, так и регенеративные БРТК. Очевидно, что оба способа будут использоваться еще достаточно длительное время. Этот вывод напрашивается и при ознакомлении с заявками ряда организаций на создание ССС 3-го поколения. Например, Европейское космическое агенство предполагает использовать в системах 3-го поколения, построенных на базе технологии W-CDMA, прозрачный ретранслятор, на базе которого создавались самые первые на Земле ССС.

Продолжение следует

СПУТНИКОВАЯ СЯЗЬ ОТ А ДО Z*

I

in-beam power - мощность луча. Парциальная мощность, излучаемая одним из лучей ретранслятора.

inbound link - входящая линия (ретранслятора). Линия, проходящая от наземной станции к ретранслятору.

inclination - наклонение (орбиты). Параметр, характеризующий угол наклонения плоскости орбиты i относительно плоскости экватора. В зависимости от величины наклонения различают экваториальные (i 6 00), полярные (i 6 900) и наклонные орбиты.

Indostar - система непосредственного спутникового телевизионного вещания на Индонезийский архипелаг. Создана по инициативе компании PT Media Citra IndoStar (Джакарта, Индонезия). В перспективе космический сегмент будет состоять из четырех геостационарных КА - каждый с тремя стволами телевещания шириной по 27 МГц (S-диапазон) и двумя стволами для трансляции радиопрограмм (L-диапазон).

Inmarsat. 1. International Maritime Satellite Organisation - международная организация подвижной спутниковой связи, созданная в 1979 г., в состав которой сейчас входят 79 государств. Доли крупнейших участников: 25% - США, 13,8% - Великобритания, 12% - Норвегия. 2. Система спутниковой связи Inmarsat, охватывающая Атлантический, Индийский и Тихоокеанский регионы. Над каждым из них находятся по 1-2 КА, что обеспечивает покрытие практически всей поверхности Земного шара, за исключением приполярных районов. По мере увеличения трафика число КА в каждом регионе может наращиваться за счет резервных спутников. Основу ОГ составляют КА Inmarsat-2 и Inmarsat-3. Услуги для морских судов предоставляются с 1982 г., а для авиационного и сухопутного транспорта - с начала 90-х гг. См.: www.inmarsat.org.

input backoff - потери входной мощности. Потери мощности ретранслятора при приеме сигналов на нескольких несущих частотах (обычно выражаются в дБ). Ср.: output backoff.

Insat - национальная система спутниковой связи и вещания Индии, созданная на основе спутников связи второго поколения Insat II.

instantaneous delivery - немедленная доставка. Доставка сообщений с минимальной задержкой; их получение определяется только схемой организации связи и сетевыми протоколами.

integrity - целостность. 1. Целостность системы - показатель, характеризующий способность спутниковой навигационной системы автоматически обнаруживать свое неправильное функционирование и исключать возможность работы при выходе эксплуатационных параметров за допустимые пределы. Вероятность оповещения пользователей за определенное время при нарушении работы системы. 2. Целостность сообщения - оценивается как неизменность первоначального количества бит.

Intelsat. 1. Международный консорциум спутниковой связи, образованный в 1964 г., в состав которого сейчас входят 135 стран (штаб-квартира расположена в Вашингтоне). 2. Международная система спутниковой связи, основу космического сегмента которой составляют спутники последних четырех поколений (Intelsat-5, Intelsat-6, Intelsat-7/7A, Intelsat-8). Пропускная способность одного КА составляет 12-35 тыс. телефонных каналов. Через 25 спутников системы Intelsat передается примерно 2/3 международного телефонного трафика. Наземный сегмент включает в себя около 800 крупных наземных станций, размещенных в 170 странах. См.: www.intelsat.com.

Internet in the sky - спутниковый Internet. Новый вид услуг спутниковой связи с предоставлением доступа в Internet по спутниковым каналам в интерактивном режиме. Реализация услуг предполагается в перспективных проектах Astrolink, Cyberstar, SkyBridge, Spaceway и Teledesic.

interorbital [interplane] link - межорбитальная линия. Соединяет между собой два спутника, расположенных в соседних орбитальных плоскостях.

Intersputnik - международная организация космической связи, созданная в 1971 г. В настоящее время ее членами являются 23 страны и около 100 государственных и частных компаний. Использует российский космический сегмент, состоящий из КА типа "Горизонт", "Экспресс" и "Галс". Всего арендуется около 30 ретрансляторов на 8 КА, большая часть которых задействуется для телевещания. Сейчас создаются собственные спутники нового поколения LMI на базе космической платформы A 2100 (Lockheed Martin). Космический сегмент, состоящий из четырех КА, обеспечит обслуживание Америки, Евроазиатского, Евро-Африканского и Азиатско-Тихоокеанского регионов. См.: www.intersputnik.com.

Iridium - система глобальной радиотелефонной спутниковой связи с 66 КА на низкой орбите (высота - 780 км, наклонение - 860). Идея создания системы предложена в 1987 г. компанией Motorola, название ей дано по ассоциации с химическим элементом иридием (лат. Iridium), который имеет 77 электронов (первоначально планировалось разместить на орбите 77 КА). Позднее авторы проекта уточнили свою концепцию, рассчитав, что для глобального охвата поверхности Земли достаточно 66 КА. См.: www.iridium.com.

ISL (intresatellite link) - МСЛ (межспутниковая линия). Линия связи между двумя любыми КА. Обычно связь организуется в Ka-диапазоне или на более высоких частотах.

Italsat - система спутниковой связи, разработанная под эгидой космического агентства Италии. Основу системы составляют два КА (Italsat-1 и Italsat-2).

J

JAMSAT (Japan Amateur Satellite) - японский радиолюбительский спутник. Работает в радиолюбительском диапазоне частот 200 МГц.

JCSAT. 1. Japan Satellite Company - японская компания спутниковой связи. 2. Japan Communication Satellite - серия японских спутников, выполненных на базе платформы HS-393 (КА JCSAT-1,2) и HS-601 (JCSAT-3). В настоящее время разрабатывается новый спутник, JCSAT-3, который обеспечит трансляцию более чем 50 телевизионных программ. См.: www.csh.jcsat.co.jp.

K

Ka band - международное обозначение диапазона частот 18-31 ГГц. См.: www.tbs-satellite.com/tse/online/thema_glossary.

Ku band - международное обозначение диапазона частот 11-14 ГГц. Типовые области частот: на линии "спутник-Земля" 10,7-11,7 ГГц (FCC) и 11,7-12,5 ГГц (DBS); на линии "Земля-спутник" 14-14,8 ГГц (FCC) и 17,3-18,1 . ГГц (DBS) См.: www.tbs-satellite.com/tse/online/thema_glossary.

Koreasat - семейство южнокорейских спутников (Koreasat-1 и Koreasat-2), принадлежащих сеульской компании Korea Telecom, на каждом из которых установлено по 15 ретрансляторов, в том числе три - для телевизионного вещания. Каждый из ретрансляторов применяется для организации четырех каналов телепрограмм. Возможен прием в режиме НТВ на параболические антенны диаметром 0,45 м.

Kopernikus - система связи Германии, базирующаяся на использовании трех КА, которые выведены на геостационарную орбиту в 1989-1992 гг.

L

L1 - сигнал GPS-спутника, излучаемый в широковещательном режиме на частоте 1572,42 МГц, который передает C/A- и P-коды, навигационные сообщения.

L2 - сигнал GPS-спутника, излучаемый в широковещательном режиме на частоте 1227,6 МГц, который передает P-код и навигационные сообщения.

L band - L-диапазон. 1. Международное обозначение диапазона частот 1,53-2,7 ГГц, используемого в системах подвижной спутниковой связи. См.: www.tbs-satellite.com/tse/online/thema_glossary.htm. 2. В навигационных спутниковых системах к L-диапазону относятся полосы частот 390-1550 МГц. См.: www.gpsworld.com/resources/glossary.htm.

latency - время ожидания (в системах с КА на негеостационарных орбитах). Время с момента поступления сообщения на терминал пользователя до момента начала сеанса связи с КА, т. е. до появления в зоне уверенного приема хотя бы одного спутника, с которым разрешена связь. Среднее время ожидания зависит от общего числа КА, типа орбиты и взаимного расположения спутников в ОГ.

lead time - период начального развертывания. Время с начала вывода спутников на орбиту до полного развертывания и ввода в эксплуатацию всей ОГ.

leasing transponder - арендуемый ствол ретранслятора. Один из стволов ретранслятора, все каналы которого сданы в аренду на определенный период.

LEO (low-earht orbit) - низкая орбита. Круговая орбита высотой 500-2000 км с периодом обращения 50-100 мин.

life time - срок службы. Время наработки на полный или частичный отказ спутника, определяющее его гарантийный ресурс.

little LEO - класс низкоорбитальных систем, ориентированных на передачу данных и работающих на частотах ниже 1 ГГц. В системах этого класса используются легкие спутники, предназначенные преимущественно для передачи коротких сообщений, работы в режиме электронной почты и предоставления услуг по определению местоположения. Ср.: big LEO, mega LEO.

LNA (low-noise amplifier) - малошумящий усилитель. Входной усилитель ретранслятора или наземной станции.

Leo One - проект глобальной спутниковой системы передачи данных с КА на низких круговых орбитах (высота 950 км, наклонение 500). Разработку системы осуществляет компания Leo One (Сант-Луис, шт. Миссури). См.: www.leoone.com.

LMI (Lockheed Martin Intersputnik). 1. Компания, созданная в 1998 г. 2. Спутник, создаваемый компанией Lockheed Martin (по заказу организации Intersputnik) на базе космической платформы A 2100. На КА будут размещены 64 ствола Ka-диапазона (28,35-30 ГГц передача, 18,55-20,20 ГГц прием). Каждый ствол cможет периодически переключаться в разные лучи (от 1 до 8). Бортовая многолучевая антенная система будет формировать до 190 фиксированных узких лучей, что позволит гибко перераспределять пропускную способность системы в зависимости от интенсивности трафика в разных зонах обслуживания. Четыре КА LMI планируется вывести на орбиту в 1999-2000 гг.

Long March - семейство китайских ракет-носителей, предназначенных для вывода спутников на геостационарную орбиту. Производятся фирмой CALT (China Academy of LaunchVechicle Technology), их коммерческой эксплуатацией занимается китайская компания Great Wall Industry. Основные типы ракет: CZ-1D, CZ-2C, CZ-2E, CZ-3, CZ-3AD, CZ-3B, CZ-4. Первый пуск Long March CZ-1 состоялся в 1970 г., когда на низкую орбиту был выведен первый китайский спутник Donfangnong 1. См.: www.biknet.com.tw.

Loopback via satellite - кольцевая проверка, организованная через спутник.

M

Marco Polo - английский спутник непосредственного телевещания (5 каналов НТВ). Marco Polo-1 (BSB-1) был выведен на орбиту в 1989 г., Marco Polo-2 - в 1990 г. Впоследствии один из спутников был продан Норвегии, а второй сдан в аренду Швеции.

mask angle - рабочий угол места. Угол между направлением на КА и поверхностью Земли, при котором обеспечивается устойчивая связь.

MCC (Mission Control Center) - центр управления полетами.

MCPC (Multiple Channel Per Carrier) - несколько каналов на несущую. Метод многостанционного доступа, при использовании которого несколько частотных каналов организуются в одном стволе ретранслятора. См.: SCPC.

Measat (Malaysia East Asia Satelite) - малазийский спутник для Восточной Азии. Спутники связи и телевещания Малайзии (Measat-1 и Measat-2), изготовленные на базе платформы HS-376.

mega LEO - класс перспективных низкоорбитальных систем, ориентированных на высокоскоростную передачу данных и мультимедийной информации. Системы этого класса работают в Ku- или Ka-диапазонах частот и используют относительно тяжелые спутники. Ср.: big LEO, little LEO.

MEO (medium earth orbit) - средневысотная орбита. Расположена между первым и вторым поясами Ван-Аллена, т. е. в диапазоне высот 5-15 тыс. км.

microterminal - микротерминал. Сверхмалая наземная станция.

mission life - срок активного существования. Ресурс спутника без учета времени проведения наземных испытаний.

mission payload - полезная полетная нагрузка. Ретрансляционный комплекс вместе с антеннами, размещенный на борту спутника.

MMS (Matra Marconi Space) - крупнейшая компания в Европе и одна из ведущих космических фирм мира, образованная в 1990 г. (после слияния Matra Space Systems и Matra Space). В 1994 г. к указанным фирмам присоединилась компания British Aerospace (прежнее название Space systems).

mobile earth terminal - мобильный наземный терминал. Малогабаритная наземная станция, предназначенная для установки на подвижном объекте, питание которой обеспечивается от бортовой сети объекта.

Morelos. 1. Мексиканская национальная система спутниковой связи. 2. Семейство мексиканских спутников связи и телевещания (Morelos 1A и Morelos 1 В), созданных одноименной компанией.

MSAT (Mobile Satellite) - национальная система подвижной спутниковой связи Канады, созданная компанией TMI Communications and Company LP. Входит в объединенную сеть подвижной спутниковой связи Северо-Американского региона. Первый КА MSAT 1 был выведен на геостационарную орбиту в 1995 г.

MSS (Mobile Satellite Service) - ПСС (подвижная спутниковая служба). Служба, предназначенная для организации связи между подвижными или между подвижными и стационарными наземными станциями. Для систем ПСС выделены диапазоны частот до 1 ГГц, а также полосы частот в L - (1,5/1,6 ГГц) и S -(2,4/2,5 ГГц) диапазонах.

multiple access - многостанционный доступ. Возможность одновременного обращения большого числа наземных станций к одному спутниковому ретранслятору.

multitransponder - многоствольный ретранслятор. Бортовой ретранслятор с несколькими приемо-передающими трактами, подключенными к одной или нескольким антеннам. Типовая ширина полосы каждого ствола составляет 36 или 72 МГц.

N

Nahuel - аргентинский спутник связи, разработанный на базе платформы Spacebas-2000.

Nahuelsat - организация спутниковой связи Аргентины.

NGSO (non-geostationary orbit) - негеостационарная орбита.. К негеостационарным относят эллиптические (HEO), средневысотные (MEO) и низкие околоземные (LEO) орбиты.

Nilesat - национальная система спутниковой связи Египта, которая будет состоять из двух КА, выведенных на геостационарную орбиту (один КА - резервный). Предназначена для вещания на арабские страны.

NOAA (National Oceanographic and Atmospheric Administration) - Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы, которое отвечает за работу системы "КОСПАС-САРСАТ" и представляет международные интересы США.

non-adjacent service area - непересекающиеся (т. е. географически разнесенные) зоны обслуживания.

Norstar - система спутникового вещания Норвегии, которую планирует развернуть фирма Norris Sat. Com.

Notelsat (Norwegian Telecommunication Satellite Organization) - норвежская организация спутниковой связи.

Nusat (Northern Utah Satellite) - радиолюбительский спутник (разработка университета шт. Юта).

O

OBP (On-Board Processing) - бортовая обработка. Процесс обработки сигналов спутниковой связи, включающий в себя демодуляцию принимаемых сигналов, их обработку и последующую модуляцию на новой несущей. Бортовую обработку осуществляют все системы, которые предусматривают межспутниковые линии связи (Iridium, Teledesic) или поддерживают режим электронной почты ("Гонец", Orbcomm), и ряд других. Использование ретрансляторов с обработкой информации на борту спутника позволяет одновременно обслуживать большое количество абонентских терминалов, обеспечивает гибкую и оперативную связь с применением разнообразных протоколов.

Odyssey - проект самой первой коммерческой системы персональной радиотелефонной связи с КА на MEO-орбитах, который был предложен компаниями TRW (США) и Teleglobe (Канада). Фирма TRW получила ряд патентов, защищающих основные принципы построения систем, которые базируются на MEO-орбитах. Впоследствии эти патенты стали предметом судебного разбирательства с разработчиками системы ICO, которая основывается на сходной орбитальной группировке. После того как TRW проиграла дело, работы по проекту Odyssey были прекращены. См.: www.trw.com.

off-pointing - разъюстирование. Отклонение главного лепестка диаграммы направленности от оси.

Ofec - семейство израильских легких спутников связи, выведенное на GEO-орбиту в 1988 г.

Omnitracs - система подвижной спутниковой связи с КА на GEO-орбите, разработанная компанией Qualcomm (Сан-Диего, шт. Калифорния). Система обслуживает всю континентальную часть США и является первой коммерческой спутниковой системой, в которой используется аппаратура многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA). Коммерческие услуги по контролю за грузоперевозками предоставляются с 1988 г. См.: www.qualcomm.com.

on-call channel - канал, выделяемый по требованию.

one transponder per beam - один ствол на луч. Метод организации спутниковой связи, при котором один ствол ретранслятора выделяется на зону обслуживания, образуемую узким лучом спутниковой антенны на поверхности Земли.

on-the-go communication - связь в движении. Связь с подвижным объектом, организованная в момент его движения.

operational control center - рабочий центр управления. Центр, в задачи которого входит техническое обслуживание спутников на орбите.

Optus - австралийская система подвижной спутниковой связи (прежнее название - Aussat), разработанная компанией Optus Communication PTY Ltd (Австралия). Предназначена для обеспечения коммерческой телефонной связи с подвижными объектами в Австралии и прилегающих океанических районах (служба Mobilesat). В настоящее время на орбите находятся два КА, Optus-B1 и Optus-B3 (запуск Optus-B2 был неудачным, произошел взрыв на 48-й секунде полета). Cм.: www.optus.net, www.mobilesat.com.

Orbcomm - международная спутниковая система передачи данных, разработанная компанией Orbital Sciences, которая известна как создатель ракет-носителей Pegasus XL и Taurus. Именно эти ракеты были использованы для запуска 28 спутников Orbcomm на низкие орбиты (высота - 775/825 км). Владельцем и оператором системы является компания ORBCOMM Global (Даллас, шт. Вирджиния). См.: www.orbital.com, www.orbcomm.net.

orbit period - период обращения. Время полного оборота спутника вокруг Земли, т.е. время между двумя последовательными прохождениями спутника через одну и ту же точку орбиты.

orbit - орбита. Спутник может двигаться вокруг Земли по следующим орбитам: геостационарной (GEO), высокоэллиптической (HEO), средневысотной (MEO) и низкой (LEO).

orbital diversity - орбитальное разнесение. Расстояние между спутниками по дуге геостационарной орбиты.

orbital plane - орбитальная плоскость. Плоскость с постоянным углом наклонения к экватору, в которой могут быть размещены несколько спутников, движущихся на околоземных орбитах и образующих на поверхности Земли пояс связи.

orbital position - орбитальная позиция. Точка стояния спутника на геостационарной орбите.

Orion - семейство спутников связи компании Orion Atlantic (США), предназначенных для организации VSAT-сетей. Первый из спутников, Orion 1, был выведен на орбиту в 1995 г. (платформа Eurostar 2000, стартовая масса 2340 кг).

outbound link - исходящая линия (ретранслятора). Линия от спутникового ретранслятора к абоненту.

out-dated information - устаревшая информация. 1. Несвоевременно доставленная информация, которая уже не может использоваться для управления или контроля. 2. Невостребованные пользователем сообщения, хранящиеся в электронном почтовом ящике спутника.

output backoff - потери выходной мощности. Потери мощности на выходе ретранслятора при одновременном излучении нескольких несущих (обычно выражаются в дБ). Ср.: input backoff.

out-of-sequence delivery - неупорядоченная доставка. Доставка, при которой допускается передача отдельных частей сообщения (пакетов) через разные КА и наземные станции сопряжения.

Воздействие проникающей радиации на бортовую аппаратуру

В процессе полета КА на работоспособность бортовой аппаратуры и срок активного существования спутника влияет ряд факторов:

• температурные воздействия космической среды;
• механические воздействия, обусловленные динамикой полета;
• радиационные воздействия космического пространства.

Все перечисленные факторы могут действовать независимо друг от друга и различаться по интенсивности и продолжительности. Наиболее жесткими являются требования к защищенности бортовой аппаратуры от воздействия ионизирующего и электромагнитного излучений, способного привести к частичной или даже полной потере работоспособности ретранслятора. Среди основных источников радиационного воздействия на бортовую аппаратуру можно назвать следующие:

• электроны и протоны естественных радиационных поясов Земли. Их энергия зависит от высоты орбиты (см. диаграмму Ван-Аллена - "Сети", 1999, №1-2, с. 98) и на низких орбитах составляет 0,04-4 МэВ для электронов и 0,1-400 МэВ для протонов;
• солнечные космические лучи, обусловленные вспышками на Солнце. При нормальной солнечной активности такие вспышки происходят не чаще одного раза в месяц, а при высокой - до одного раза в сутки (интенсивность потока протонов с энергией 10 МэВ для 11-летнего цикла солнечной активности составляет 7,6х109 флюенс);
• галактические космические лучи, состоящие из тяжелых ионов и частиц с высокой энергией (более 104 МэВ). Они способны проникать через защитные кожухи и корпуса приборов спутника и ионизировать микросхемы. Наиболее опасен этот вид воздействия для микросхем с высокой степенью интеграции (LSI/VLSI);
• микрометеориты, влияние которых принято оценивать числом частиц n, проникающих через защитный алюминиевый экран на глубину d.

Результат воздействия всех видов проникающей радиации на бортовые компоненты обычно оценивается по двум критериям, которые называются эффектом полной дозы (TRDE, Total Radiation Dose Effects) и эффектом воздействия отдельных сильно ионизирующих частиц (SEE, Single Event Effects).

Эффективность алюминиевого экрана в зависимости от его толщины

Эффект полной (накопленной) дозы состоит в постепенном ухудшении характеристик электронных компонентов и увеличении энергопотребления. При этом до каких-то критических значений TRDE работоспособность электронных элементов сохраняется, но затем наступает их частичная или полная деградация. Такие повреждения создаются излучением как с высокой удельной ионизацией (тяжелые ионы), так и с низкой (электроны, релятивистские протоны, тормозное излучение).

Допустимая доза поглощения радиации Rдоп определяется с учетом параметров защитного экрана (см. рисунок) и времени пребывания оборудования во включенном состоянии в течение всего срока активного существования КА. Снизить эту дозу можно как с помощью экранов, так и за счет оптимальной компоновки бортовой аппаратуры.

Эффект воздействия одиночных высоэнергетичных частиц более опасен, чем эффект накопленной дозы, результаты которого проявляются лишь в конце срока существования спутника. Одиночные высоэнергетичные частицы могут вывести бортовую аппаратуру из строя в любой момент, даже в первые часы пребывания КА на орбите. Кроме того, их воздействие нельзя исключить ни с помощью конструктивной защиты, ни благодаря использованию каких-либо схемотехнических решений.

Обычно этот вид воздействия приводит к двум типам отказов - обратимые, или кратковременные, отказы (SEU, Single Event Upset) и необратимые, или остаточные, отказы (SEL, Single Event Latchup), которые на профессиональном слэнге называются "защелкиванием" микросхем. Обратимый отказ обычно продолжается не более 1 мс. При необратимых изменениях элемент переключается в одно из состояний и возникает так называемый тиристорный эффект, приводящий к лавинообразному увеличению тока и разрушению электронного компонента.

Вероятность возникновения радиационного эффекта от одиночных воздействий (SEU) высокоэнергетичных частиц характеризуется двумя параметрами: пороговым значением линейной передачи энергии (LET), выраженной в МэВ на мг/см2, при котором данный эффект становится возможным и эффективным сечением поглощения s, измеряемым в см2. Частота отказов пропорциональна этому сечению и значению потока частиц LET, превышающему пороговое. Значения параметров s и LET обычно указываются в каталогах фирм, выпускающих электронные компоненты космического применения.

Весна космической связи России

Что означает аббревиатура ГПКС, знают не только в нашей стране, но и за рубежом: это Государственное предприятие "Космическая связь", которое является владельцем спутникового ресурса почти всех существующих космических аппаратов (КА), составляющих российскую геостационарную орбитальную группировку. В настоящее время в его ведении находятся КА серий "Экспресс" и "Горизонт" в точках стояния 14 и 110 з.д., 40, 53, 80, 90, 96,5, 103, 140 и 1450 в.д. В 2000 г. ГПКС намерено обновить существующую группировку спутниками нового поколения серий "Экспресс-А", -К" и "Ямал" (см. таблицу). Уникальное сочетание широкомасштабной сети орбитальных позиций позволяет охватить зоной покрытия КА две трети поверхности Земли, включая не только Россию и страны СНГ, но и территории государств Азии, Западной Европы, Африки, Америки и даже Австралии.

ГПКС располагает пятью центрами космической связи, находящимися в Москве, Московской, Владимирской и Ленинградской областях. В них входят около 40 антенных комплексов, которые обеспечивают передачу теле- и радиопрограмм, телефонных и факсимильных сообщений, а также данных. Все центры соединены между собой волоконно-оптическими и радиорелейными линиями связи и имеют средства доступа в сети общего пользования и выделенные сети. После ввода в эксплуатацию новых КА ГПКС будет выделять спутниковые ресурсы для предоставления современных услуг, обеспечивая передачу больших объемов цифровых данных, доступ к Internet и видеоконференцсвязь. Современные спутники позволят более эффективно использовать их ресурсы для построения сетей VSAT, создавать цифровые системы телевещания, в том числе реализующие интерактивное телевидение и технологию DTH (Direct To Home).

Сегодня предприятие "Космическая связь", несмотря на экономические трудности в нашей стране, постепенно восстанавливает свои силы. Однако следует отметить, что и роль ГПКС в развитии космической связи РФ значительно изменилась. Предприятие финансирует и контролирует производство спутников, осуществляет координацию спутниковых систем и управление КА, успешно осваивает новые технологии - передачу цифровой информации (поддерживаются 16 цифровых TV-каналов) и организацию сетей VSAT.

В планах ГПКС - принять активное участие в освоении ресурсов таких спутников, как SESAT, LMI-1, "Экспресс-А" и "Ямал", после запуска которых в 1999 г. появляется более 30 новых стволов Ku-диапазона (вместо ныне действующих 3-4). В конце этого года предприятие планирует завершить создание полной резервной системы наземного обеспечения космической связи.

На конференции, проведенной ГПКС весной 1999 г. в Дубне, его руководители сообщили, что предприятие выиграло тендер, в котором участвовали 14 стран, на создание антенного комплекса управления КА международной системы спутниковой связи Eutelsat. В состав комплекса входят 8 антенн. Первая очередь (одна антенна диаметром 9 м и две по 4,57 м) уже сдана в эксплуатацию. Особую гордость специалистов ГПКС составляет 9-метровая антенна, оборудованная многоимпульсной системой наведения, которая предназначена для контроля телеметрических параметров КА в нештатных или аварийных ситуациях, сопровождения и ранжирования спутников из одной точки. Сейчас антенный комплекс с 9-метровой антенной тестируется на выполнение задач управления группировки Eutelsat. Строительство второй очереди комплекса начнется летом.

На аналогичном комплексе, состоящем из трех антенн (две для С-диапазона, одна из которых имеет два фидера, и третья - для Ku-диапазона), который предназначен для управления КА LMI, тестирование должно завершиться в мае. Кроме решения задач телеметрии этот комплекс позволит проводить летные испытания КА, а позднее осуществлять допуск наземных станций к спутниковому сегменту LMI.