Образовательный портал о технологиях мобильной связи


Геостационарные системы спутниковой связи .


      Персональная связь может быть реализована с помощью с путников-ретрансляторов, находящихся на геостационарной орбите GEO, которые «зависают» над заранее выбранными точками Земли. Tакое «зависание» обеспечивается высотой орбиты (35 875км), на которой скорость перемещения КА совпадает со скоростью вращения Земли. Системы на основе геостационарных спутников, из-за постоянства их расположения над определенной точкой поверхности Земли, обладают рядом преимуществ при организации глобальной связи. К ним можно отнести:

      > Отсутствие перерывов связи из-за взаимного перемещения КА и пользовательского терминала во время сеанса связи 

      > Охват связью 95% поверхности Земли системой, состоящей всего из 3 геостационарных спутников

      > Отсутствие необходимости в организации межспутниковой связи (в отличие, например, от низкоорбитальных систем)

      Известно, что большинство абонентских спутниковых терминалов, использующих технологию VSAT, обслуживаются спутниками-ретрансляторами, находящимися на геостационарной орбите. Высота геостационарной достаточно большая, поэтому в таких спутниковых системах есть крупный недостаток длительная задержка между передачей и приемом сигнала. Кроме того, дополнительную задержку вносят атмосфера и приемопередающая аппаратура VSAT терминалов и спутника-ретранслятора. На практике появление задержки при водит к тому, что при телефонном разговоре двух собеседников постоянно возникают паузы, что очень раздражает абонентов. Наличие задержек может служить препятствием к использованию телефонной связи, т. к, вследствие этого невозможно взаимодействие с другими сетями передачи данных.

      Действительно, поскольку геостационарная орбита находится на расстоянии около 36000 км от поверхности Земли, то задержка из-за конечности скорости распространения радиосигнала составляет около 260 мс, если сигнал один раз проходит путь до спутника-ретранслятора и обратно (2 х 260 = 520 мс). Остальные перечисленные источники задержки не играют больший роли. При передаче данных задержка совершенно незаметна и может проявляться только в некотором снижении скорости обмена. Для устранения этого недостатка применяют специальные протоколы. Что же касается телефонной связи то задержка сигнала чувствуется очень сильно и при высоких требованиях каналу связи может быть неприемлема.

      В последние годы разработано несколько проектов применения спутниковых GEO-систем для обеспечения персональной связи. Это проекты АРМТ (Asiа Pacifik Mobil Telecommunications), ASC (Afro-Asian Satellite Communications), ACS (Asia Cellula Satellite) и др. Их отличительная особенность — применение спутников-ретрансляторов с большими (диаметром 12 м и более) многолучевыми антеннами.

      Системы персональной связи на основе геостационарных спутников потенциально могут предоставить услуги, сравнимые с услугами низкоорбитальных систем, если формируемые на поверхности Земли соты будут примерно одинаковы. При этом размеры бортовой антенны КА, необходимые для формирования узкой диаграммы направленности, должны быть большими, но в пределах возможностей современных технологий.

      Разворачивание и геостабилизвция такой сложной антенны в космосе связаны с большим техническим риском, что является определяющим фактором при оценке экономической эффективности разрабатываемых проектов. В данном разделе приведен ряд проектов систем спутниковой персональной связи с использованием геостационарных спутников.

      Система спутниковой связи «Банкир»

      Система спутниковой связи «Банкир» предназначена для оперативного обмена информацией в российских банковской и финансовой системах с выходом на банковские системы ближнего и дальнего зарубежья.

      Космический сегмент

      Космический сегмент представляет собой систему из 3 геостационарных спутников связи «Купон», обеспечивающих ретрансляцию информационных потоков между пользователями. Бортовой ретрансляционный комплекс КА «Купон» представляет собой 24-ствольный спутниковый ретранслятор, работающий в диапазоне 11/141 'Гц, Каждый ствол имеет полосу пропускания шириной 36 МГц, что позволяет в частотной полосе 480 МГц сформировать 24 ствола. В БРТК используется линейная поляризация сигналов (горизонтальная и вертикальная), что обеспечивает 24 независимых ствола в частотных диапазонах:

      > При приеме — 14,02 - 14,50 ГГц 

      > При передаче — 10,98- 11,20 и 11,46 и 11,70 ГГц

      Антенная система КА «Купон» состоит из 4 приемных и 4 передающих активных фазированных антенных решеток. Каждая из АФАР формирует 4 луча шириной 2°, что позволяет обеспечить:

      >• Количество приемных лучей — 16

      > Количество передающих лучей — 1 б

      > Сектор сканирования луча — ±8,5°

      > Время перенацеливания луча — не более 0,1 с

      > Ширину диаграммы направленности:

      по уровню —3 дБ— 2х2° возможно расширение лучей —до 4° расширение с шагом (в любой плоскости) — 0,5°

      Каждый луч АФАР может независимо от других пере нацеливаться электронным способом в любую точку под с пугни к о во и области. В случае увеличения потока сообщений БРТК разбивает полосу любого ствола на 8 частотных каналов с шириной полосы пропускания 1,8МГц, что позволяет приемным и передающим лучам дополнительно организовать работу в 4 частотных каналах.

      Таким образом, коммутация между любыми передающими и приемными лучами позволяет в одном стволе организовать, в общем случае, 64 независимых частотных канала.

      Наземный сегмент

      Наземный сегмент состоит из центральных и периферийных шлюзовых станций, которые обеспечивают обмен информационными потоками между спутниками связи «Купон» и абонентскими терминалами. К абонентским терминалам подключается аппаратура пользователя (телефонные и факсимильные аппараты, модемы ПК и др.).

      Спутниковая сеть передачи данных "Банкир" обеспечивает:

      > Организацию каналов связи между двумя и более пользователями

      > Возможность одновременного предоставления различных услуг: телефонной связи, передачи данных и факсимильных сообщений

      > Возможность адаптации к работе с ретрансляторами различных систем спутниковой связи в Кч-диапазоне

      > Организацию от одного до восьми каналов сопряжения с локальными вычислительными сетями

      > Возможность построения сети с использованием антенн разных диаметров

      > Контроль функционирования бортовой аппаратуры на основе телеметрической информации

      > Организацию передачи речевого сигнала с использованием стандарта GSM

      Абонентская аппаратура спутникового терминала

      Научно-производственным центром «ЭЛСОВ» на основе современных достижений VSАТ-технологии с использованием модифицированного метода адаптивного представления каналов с частотно-времены1,1м разделением разработана абонентская аппаратура спутникового терминала МСТ-64.

      С помощью аппаратуры MCT-G4 можно создать компактную и экономичную интегрированную систему двухсторонний передачи цифровых данных, телефонных и факсимильных сообщений между удаленными друг от друга абонентами.

      В состав аппаратуры МСТ-64 входят: параболическое зеркало, облучатель опорно-поворотное устройство и комплект монтажно-установочных приспособлений. Аппаратура МСТ-64 может быть укомплектована одной из модифицированных антенных систем с диаметром параболических зеркал 0,9; 1,2, 1,5; 1,8 и 2,0 м. Для устойчивой связи антенная система должна устанавливаться в зоне прямой видимости спутника-ретранслятора.

      Система спутниковой связи «Ямал»

      8 февраля 1996 г. руководителями российских компаний РАО  "Газпром", РКК «Энергия» им. С. П. Королева, АО «Газком» и американских компаний Loral, Space Systems Loral было подписано соглашение о стратегическом сотрудничестве » области создания и эксплуатации систем спутников связи.

      Основная задача совместного проекта — развитие телекоммуникационных сетей в северных районах России, богатых залежами нефти и газа, а также осуществление оперативной связи с другими странами мира.

      Первым практическим результатом сотрудничества в совместном проекте в 1997 г. стал запуск на геостационарную орбиту двух малых связных КА "Ямал". Орбитальная спутниковая группировка состоит из двух КА «Ямал», находящихся В позициях 19° з. д. и 75° в. д. Для обеспечения полного покрытия территории России и стран СНГ спутниковая группировка дополняется одним КА «Экспресс», который находится на той же орбите.

      Спутники связи «Ямал» являются во многом новыми для всей космической индустрии России. Главная их особенность — отказ от термоконтейнеров для размещения полезной нагрузки и вынос ее в открытый космос,

      Эта особенность привела к уменьшению массы аппарата и позволила вывести на геостационарную орбиту одним ракетоносителем «Протон» одновременно два спутника «Ямал». Аппараты отвечают современными требованиям к стабилизации их положения на орбите (отклонение не более 0,1°). Срок активного существований КЛ системы 10 лет.

      Полезная нагрузка КА представляет собой ретранслятор, который оснащен двумя многолучевыми антеннами для приемной и передающей систем. Приемный тракт ретранслятора работают на частоте 4 ГГц, а передающий тракт — на частоте 6 ГГц. С его помощью реализовано так называемое зональное обслуживание на основе межлучевых связей. Это позволяет наземным станциям связываться между собой. 

      Наземный сегмент системы «Ямал»

      Создание наземного сегмента спутниковой связи идет с опережением планов. Уже сегодня введены в действие более 30 шлюзовых станций спутниковой связи, обеспечивающих свыше 250 каналов передачи телефонных сообщений и данных Средняя протяженность каналов связи составляет 1500 км, поэтому география наземного сегмента включает север (Тюменский регион, приполярный Урал) и южные районы (Краснодарский край, Астраханскую область), центральные области России. Шлюзовые станции связи имеют параболические антенны диаметром 4 — 5 м. Для ведомственных сетей телефонной связи и передачи данных применяются антенны диаметром 3,5м. В настоящее время ведутся работы по созданию отечественных малогабаритных спутниковых терминалов связи «Ямал-М», которые смогут конкурировать с известными зарубежными станциями типа Inmarsat-М.

      Система спутниковой связи «Ямал» позволяет транслировать телевизионные сигналы. При цифровой передаче ТВ-сигналов используется сжатие информации по стандарту MРEG-2, обеспечивающее увеличение скорости передачи с сообщений от 2 до 10 Мбайт/с. Это дает возможность передавать одновременно Программы телевидения в одном стволе с полосой пропускания шириной 34 МГц.

      Создание цифровой системы телевещания на основе средств спутников системы связи «Ямал» предусматривала следующие этапы развития:

      > Распространение зоны ТВ-вещания на 70% территории РФ и стран CНГ (около 70 млн. жителей в 1998 г.)

      > Полномасштабная реализация ТВ-системы с охватом около 110 млн жителей 1990-2000 гг,

      Таким образом, анализ степени загруженности КА и планов развития систем передачи информации показал, что требуемые темпы развития создаваем сети телевещания и 1998 г. полностью обеспечены на основе уже функционирующих спутников-ретрансляторов.

      Концепция развития спутниковой системы связи Comsat.

      Исследования фирмы Comsat Laboratories, (США) позволили создать концепцию построения системы спутниковой персональной связи на основе геостационарных спутников-ретрансляторов. Предполагаемая спутниковая группировка состоит из 3 KA и предназначена для обеспечения квазиглобального oxвата поверхности Земли.

      Подспутниковая зона KA формируется путем создания шестигранных сот, примыкающих друг к другу. При этом форма каждой соты определяется диаграммой направленности соответствующего луча бортовой антенной системы. Для формирования на поверхности Земли примыкающих друг к другу округленных шестигранных сот бортовая антенна KA должна быть большой.

      Применение в под спутниковой зоне сотовой структуры обусловливает возможность многократного использования частот. Форма и размер соты определяются одним лучом диаграммы направленности антенны.

      Для упрощения конструктивных решений бортовой антенной системы и уменьшения избыточности в обслуживании регионов предложено разграничить подспутниковую зону на материки и океаны, формируя для них соты различных размеров. Над сушей формируется диаграмма направленности шириной 1°, а над океаном —3°.

      Число многократно используемых частот в система GEO зависит от допустимого уровня интерференционных помех, возникающих между лучами, обслуживающими смежные соты. Эффективность использования частотного диапазона в системе связи зависит от метода доступа, числа частотных каналов, которое, в свою очередь, определяется требованиями, предъявляемым к качеству связи.

      В системе можно применять метод временного разделения каналов, используя 7 временных кадров. Предполагается, что на основе частотного и временного разделения каналов можно обеспечить высокую надежность связи.

      Технические аспекты разработки бортовой антенны

      В прямом и обратной радиолиниях предлагается использовать- диапазон. Для расчетной ширины диаграммы направленности 1° размер бортовой антенны L-диапазона поставляет примерно 14 м. Для более узких лучей (0,5° и менее) размер антенны резко возрастает и превышает возможности практической реализации в обозримом будущем,

      Специалисты фирмы Comsat Laboratories утверждают, что персональная связь через GEO-спутники возможна, однако требует решения ряда важных технических вопросов, главными из которых являются разработка и внедрение на КА многолучевой антенны большого диаметра.