Глава 3. Принципы построения систем спутниковой связи
3.1 Орбиты искусственных спутников Земли
Принцип спутниковой связи заключается в ретрансляции устройств. Спутниковый сигнал от передающих наземных станций к приемникам. Спутник-это устройство связи, которое принимает сигналы от наземной станции (СС), которые затем усиливаются и транслируются одновременно на все спутники в поле зрения спутника. Принцип связи со спутниками заключается в передаче сигналов от одной или нескольких наземных станций на спутнике с последующей ретрансляцией во все спутниковые системы.
В настоящее время человечество использует различные типы орбит для позиционирования спутников. Рассмотрим низкоорбитальную, геостационарную и эллиптическую систему. Орбита - это траектория искусственного спутника Земли. Во время свободного полета от путешественника, когда на борту не работают реактивные двигатели, движение продолжается под действием сил гравитации и инерции, а основной силой является притяжение земли.
Одним из новых направлений в развитии спутниковой связи с начала 90-х годов за прошедшие годы они превратились в системы связи на базе низкоорбитальных космических аппаратов. Спутники на низкой околоземной орбите LEO (Low Earth Orbit) - это космические аппараты (КА), высота орбиты которых находится в диапазоне 700-1500 км.
Низкоорбитальная группировка может содержать от одного до нескольких десятков небольших спутников весом до 500 кг. Для прикрытия связи используется большая площадь Земли, на которой используются орбиты нескольких космических кораблей, лежащих в разных плоскостях. На рис.3.1 показано положение круговой орбиты относительно Земли.
Рис. 3.1 – Эллиптическая и круговая орбиты
Рекомендуется, чтобы радиотелефон имел постоянный уровень мощности не более 50 МВт. Эффективная мощность приема сигнала, например, геостационарного спутника относится к жизненной сложности с космическим аппаратом, размещению больших антенн и точности их позиционирования. Для низкоорбитальных спутниковых систем длина радиолинии во много раз меньше, и проблема создания многолучевых антенн стоит менее остро. К таким системам относятся, прежде всего, Iridium и Globalslar. Эти системы были созданы иностранными консорциумами с участием таких крупных производственных компаний, как Motorola / Lokheed и Oualcomm / Locral соответственно.
Эллиптические орбиты спутников часто называют высокоэллиптическими орбитами (VEO). Эта орбита следует по изогнутому эллипсу. Одной из основных характеристик эллиптической орбиты является то, что спутник, вращающийся по этой орбите вокруг Земли, движется быстрее, когда он приближается к ее поверхности, и замедляет свою скорость по мере удаления от нашей планеты. Положение эллиптической орбиты относительно Земли показано на рис.
Каждый эллипс имеет два центра, а в случае эллиптической орбиты-один из них совпадает с центром Земли. Еще одной особенностью эллиптической орбиты является наличие двух важных точек. Один из них находится на месте максимального расстояния от Земли. Эта точка известна как апогей: то есть скорость движения космического корабля сводится к минимуму, потому что сила тяжести здесь ощущается меньше. Точка, в которой спутник находится ближе всего к Земле, известна как перигей-когда он проходит через спутник, движущийся с максимальной скоростью.
Преимущества эллиптических орбит побудили их разместить много спутников, особенно в тех случаях, когда необходимо, чтобы эти спутники обладали определенными свойствами, например, спутник должен передавать и принимать сигналы в полярных и высокогорных регионах.
Использование VEO может обеспечить покрытие сигнала в любой точке земного шара. Движение таких орбит не ограничивается экваториальными линиями (как в случае геостационарных орбит). Благодаря этой функции (обеспечение надежного покрытия сигналом высоких и полярных широт) VEO активно используется такими странами, как Россия, большинство из которых расположены непосредственно за Полярным кругом и в высоких широтах.
Непрерывная пространственная связь гарантирует, что два спутника находятся на эллиптической орбите. Однако положение спутника на нем относительно наземной станции постоянно меняется, что является недостатком имитатора эллиптической орбиты.
Очень популярной спутниковой орбитой является геостационарная орбита. (GSO). Он используется для размещения многих типов спутников, включая спутники, обеспечивающие прямое телевизионное и радиовещание, спутники, обеспечивающие связь, и ретрансляционные системы. Преимущество геостационарной орбиты заключается в том, что спутник, расположенный на ней, постоянно находится в одном и том же положении над экватором на высоте около 35 786 км над уровнем моря, что позволяет направлять на него неподвижную антенну земной станции. Положение орбиты относительно Земли показано на рис. 2.
Рис.3.2 – Геостационарная орбита
Спутник на такой орбите совершает оборот вокруг Земли ровно за один земной день. Если направление его движения совпадает с направлением вращения Земли, то с поверхности Земли он кажется неподвижным.
Вот еще несколько важных преимуществ глобальных коммуникационных организаций:
- отсутствие прерываний связи из-за взаимного перемещения космического аппарата и
пользовательского терминала во время сеанса связи;
- покрытие 95% поверхности Земли системой связи, состоящей всего из трех геостационарных спутников;
- нет необходимости организовывать связь между спутниками (в отличие, например, от низкоорбитальных систем);
- простая организация коммуникации на глобальном уровне.
Известно, что большинство спутниковых абонентских терминалов, использующих технологию VSAT (терминал с малой апертурой Vry), эксплуатируются спутниками-ретрансляторами на геостационарной орбите VSAT.
Высота ГСО довольно высока, поэтому у этих спутниковых систем есть главный недостаток: большая задержка между передачей и приемом сигнала. Кроме того, дополнительная задержка вводится атмосферой и приемно-передающим оборудованием релейных терминалов VSAT и релейного спутника.
Действительно, поскольку геостационарная орбита расположена на расстоянии примерно 36 000 км от поверхности земли с задержкой из-за завершения, скорость распространения радиосигнала составит около 260 мс в одном направлении, если сигнал пройдет путь до спутника-ретранслятора и наоборот, задержка составит 520 мс. Остальное из указанных источников и задержек не имеет большого значения.
Отметим, что к недостаткам такой линии связи можно отнести перенасыщенность ГСО по многим направлениям, а также невозможность обслуживания полярных регионов.
Однако, несмотря на все существующие недостатки геостационарной орбиты, расположенные на ней спутники широко используются во всем мире благодаря их главному преимуществу, которое может перевесить все недостатки: геостационарный спутник всегда находится в одном и том же орбитальном положении относительно определенной точки на Земле, как упоминалось ранее.
Для спутникового телевидения используются спутники, антенна которых неподвижна на GPS. Обычно спутниковая антенна настраивается по двум координатам (рис. 3): азимуту (отклонение от направления спутника на "Север" и плоскости горизонта по часовой стрелке) и высоте (угол между плоскостью горизонта и направлением на спутник).
Рис.3.4 – Угол места β и азимут α земной станции
3.2 Полосы частот систем спутникового вещания
Распределение полос частот между различными службами радиосвязи осуществляется одной из специализированных организаций Организации Объединенных Наций-Международным союзом электросвязи (МСЭ), который на основе исследований, проведенных в странах-членах МСЭ и представленных Международному консультативному комитету по радиосвязи (МККР) на его административном конференционном уровне, готовит соответствующие правила и процедуры. Основным международным документом, регулирующим использование частот, является Регламент радиосвязи. Содержит таблицу распределения полос частот между службами, отдельные методы ограничения при совместном использовании частот между различными службами, процедуры для систем согласования и правила регистрации присвоений частот в Международном комитете по регистрации частот.
Полосы частот выделяются для систем спутникового вещания (табл 1).
Ka-диапазоны и K - диапазоны почти никогда не используются и в настоящее время считаются экспериментальными. Однако трансляция программ спутникового телевидения, расположенных на этих лентах, значительно уменьшает диаметр приемных антенн.
Таблица 1– Полосы частот систем спутникового вещания
3.3 Особенности передачи сигналов в спутниковых системах связи
Давайте рассмотрим несколько параметров передачи спутниковых сигналов.
Задержка сигнала. Длинные линии связи между точкой доступа и ретранслятором, установленным на борту спутника, вызывают задержку сигнала. Это определяется тем, что сигналу требуется время, чтобы преодолеть расстояние между ZS. Время определяется формулой 1):
(3.1)
где H - расстояние от спутника до поверхности Земли;
s = 3×108 м/с – скорость света.
Таким образом, при H = 35786 км (случай геостационарного спутника)
значение задержки будет приблизительно равно:
(3.2)
Эхо-сигналы
Задержка сигналов приводит к появлению заметных абонентам эхо-сигналов, которые появляются в виде того, что абонент, слушающий их разговор, задерживается на время, равное удвоенному времени распространения сигнала между абонентами, то есть
(3.3)
Так для систем связи с использованием геостационарных спутников:
t≅2*250=500 мкм.
В таких случаях эхо-сигналы должны быть подавлены до определенного значения, равного 60 дБ с точки зрения уровня полезного сигнала.
Эффект Доплера
Это физическое явление, заключающееся в изменении частоты приемных колебаний, когда взаимное перемещение передатчика и приемника этих колебаний больше, чем эффект Доплера, если перемещение передатчика относительно приемника происходит по линии связи:
, (3.4)
где f0 - частота колебаний несущей;
V-скорость передатчика.
Поэтому при сближении передатчика и приемника частота радиоволн увеличивается пропорционально V / с, с расстоянием – по тому же закону уменьшается.
3.3 Спутниковое телевидение
3.3.1 Принцип работы спутникового телевидения
Телевидение - неотъемлемая часть нашей жизни. Трудно представить себе дом, в котором нет телевизора. Однако обычное телевидение ограничивает возможности потребителя.
Спутниковое телевизионное вещание-трансляция телевизионных радиосигналов и программ с наземных передающих станций на прием через космический спутник. Отличительной особенностью спутникового телевизионного вещания (СТВ) является возможность для абонентов получать интересующую программу с любого спутника, когда на наземном телевидении зритель получает программы из телецентра, чтобы находиться в зоне радиовидимости, обычно не превышающей 100 км.
Рассмотрим преимущества спутникового телевидения:
- во-первых, это высококачественное изображение, без помех, благодаря используемой технологии сжатия передаваемого сигнала;
- возможность смотреть спутниковое телевидение в любом месте -
в городе, за городом или в шале;
- высококачественный звук;
- сотни интересных, платных и бесплатных каналов;
- за спутниковое телевидение нужно заплатить один раз-при установке и настройке оборудования. Это связано с тем, что многие каналы
находятся под открытым небом;
СТВ осуществляется двумя способами. Первый способ таков: сигнал, полученный со спутника, поступает в местный телецентр, который обеспечивает его последующую ретрансляцию. В этом случае он мог бы использовать спутники с низкой мощностью передачи и низкой точностью для удержания космического аппарата на орбите. Обычно эти телевизионные сигналы не принимаются отдельными приемниками из-за их высокой стоимости и сложности приемного оборудования.
Второй способ: для приема спутникового сигнала телевизор помещается на отдельный приемный блок с небольшой антенной. Для обеспечения такого приема необходимо использовать спутник с относительно высокой мощностью передачи и хорошей точностью удержания на орбите, чтобы исключить использование приемников слежения. Этот тип трансляции называется прямой телевизионной трансляцией.
Рассмотрим простейшую схему (рис. 4) индивидуальной приемной установки на стороне абонента.
Рис. 3.3.1 – Упрощенная схема приемной установки спутникового телевидения
Устройство содержит параболическую приемную антенну диаметром 0,5 мм 2,0 м, которая может быть установлена на крыше, на балконе, на стене здания. Сигнал, передаваемый спутником антенного ретранслятора, принимается и поступает на поляризатор, который выбирает сигнал в соответствии с его поляризацией (вертикальной, горизонтальной или круговой). Затем сигнал подается на преобразователь, который обеспечивает усиление и преобразование сигнала на первой промежуточной частоте 0,7-2,15 ГГц. Осветитель, поляризатор и преобразователь вместе образуют наружный блок, называемый приемной головкой. Это устройство установлено в герметичном кожухе коробки для предотвращения попадания влаги. После первого преобразования сигнал, полученный по коаксиальному кабелю, поступает в приемник (ресивер), который обычно расположен рядом с телевизором. Усиливает сигнал, его второе преобразование, выбор нужного канала, демодуляция, разделение видео-и аудиосигналов и преобразование их в частотный диапазон одного из стандартных телевизионных каналов. Также обратите внимание, что напряжение питания на приемную головку подается по высокочастотному кабелю от приемника.
3.3.4 Технология построения спутниковой связи VSAT
VSAT-это технология спутниковой связи, которая использует небольшие наземные объекты. станции спутниковой связи. Спутниковая связь VSAT не имеет ограничений по местоположению и позволяет организовать телекоммуникационные каналы связи там, где строительство других систем связи невыгодно или невозможно: малонаселенные или необитаемые регионы, безземельные инфраструктурные территории, морские транспортные маршруты. Так, при установке VSAT пользователь получает доступ ко всем телекоммуникационным услугам практически в любой точке мира: телевизионное вещание, доступ в Интернет, IP-телефония с предоставлением одного или нескольких номеров, аудиоканалы и видеоконференции.
Принцип работы сетей VSAT: они построены на базе спутников-ретрансляторов, расположенных на геостационарной орбите (35 786 км).
Главной особенностью спутника является количество передатчиков на борту, их мощность и диапазоны радиочастотных каналов. Сигнал с терминала VSAT достигает спутника, который усиливает его и отправляет обратно в Центр управления (ЦУП), который является центром всей сети VSAT. Как правило, CSC включает в себя:
1) канализационное оборудование-спутниковая приемопередающая антенна диаметром 4,5-9 м с мощным приемопередатчиком мощностью до 400 Вт;
2) ХАБ-оборудование для коммутации и обработки информации в
сети VSAT.
Малая спутниковая земная станция (MZSS) или абонентский терминал VSAT включают антенну диаметром 0,5-2,4 м, приемопередатчик мощностью 1 Вт и спутниковый модем, обеспечивающий
интерфейс спутникового канала с абонентским оборудованием. Организация спутниковой связи VSAT показана на рис. 3.3.2
Рис. 3.3.2 – Организация спутниковой связи VSAT
Преимущества сети VSAT:
- монтаж и ввод в эксплуатацию занимают мало времени установка имеет относительно низкие первоначальные инвестиции и эксплуатационные расходы.
-масштабируемость и управление сетью. Сети VSAT являются масштабируемыми и гибкими. Если вам нужно добавить новые файлы терминалов или переместить существующий терминал, это никоим образом не повлияет на производительность сети. Монтаж осуществляется независимо от существующего. сеть, что сокращает время ожидания и вероятность возникновения проблем.
- Резервные каналы. Технология VSAT обеспечивает надежную архитектуру для создания резервных сетей. Если по какой-либо причине наземная сеть отключается, немедленно подключаются резервные каналы.
- Покрытие. Сети VSAT могут использовать широкий спутниковый
охват для снижения затрат на организацию корпоративных сетей, в отличие от разработки комплексных решений. Внедрение надежной и достаточно доступной архитектуры позволяет эффективно обмениваться информацией между удаленными филиалами.
- Безопасность. Системы VSAT достаточно надежны, так как этот тип технологии организован как виртуальная VPN (Виртуальная частная сеть),
которая обеспечивает безопасную связь.
Недостатки:
- Задержка сигнала. Космический сегмент VSAT состоит из геостационарных спутников. Этот тип передачи данных имеет минимум
задержка составляет около 600 миллисекунд для приема в оба конца. Но современные технологии позволили преодолеть барьер скорости передачи сигнала, связанный с этой задержкой. Применение различного оборудования и программного обеспечения спутниковой сети делает все это возможным на высоких скоростях.
- Условия окружающей среды. Погода и другие условия окружающей среды Окружающая среда может повлиять на качество сигнала, поскольку радиосигнал чувствителен к плотным образованиям в атмосфере. Кроме того, для регистрации необходима установка антенного соединения со спутником, чтобы на его месте было четкое направление на спутник, со зданиями или высокими деревьями может возникнуть проблема между спутником и антенной.
Станция спутниковой связи для доступа в сеть актуальна для:
- загородные поселки, где качество интернета остается низким или нет возможности подключить его вообще;
- корпоративные клиенты, заинтересованные в объединении удаленных офисов и подразделений в единую сеть;
- частные пользователи, которым неудобно получать доступ к сети через смартфон и другие подобные устройства;
- частные лица и заинтересованные корпоративные клиенты пользуются всеми преимуществами недорогой спутниковой телефонии;
- люди, которые хотят наблюдать за объектами на расстоянии;
- клиенты, которые хотят использовать видеоконференции и т.д.