Традиционные телекоммуникации. С момента появления телефонных сетей большой протяженности возникла задача соединить телекоммуникационные сети разных стран. Эта задача решалась несколькими путями, и наиболее часто использовались подводные кабели. Однако иногда гораздо целесообразнее использовать спутниковую связь для организации канала связи между трансокеаническими точками, географически удаленными регионами или странами с неразвитой коммуникационной инфраструктурой. В этом случае спутниковый радиоканал заменяет обыкновенный медный кабель, а спутник выполняет функцию ретранслятора.

После того как телефон стал привычным и совершенно необходимым бытовым прибором, многие захотели пользоваться им в любом месте и в любое время. Поэтому были созданы сотовые системы связи, которые позволяли соединять абонентов по радиоканалу. При этом оба абонента получали радиоканал до ближайшей из базовых станций, которые служили связующей цепью между ними.

Для того чтобы пользователи могли использовать мобильную связь, они должны находиться в зоне приема радиосигнала от базовой станции. Но как только они покинут такую область, услуги мобильной связи станут им недоступны. Поэтому операторы мобильной связи вынуждены устанавливать многие сотни базовых станций (сот) по всему региону, где они оказывают свои услуги. К настоящему времени уже вся территория Европы, Японии, Америки и ряда других стран покрыта сетями сотовой связи.

Спутниковые системы связи развивались параллельно с развитием локальных сотовых систем. Сейчас они покрывают практически всю поверхность Земли, и пользователь получает услуги глобальной связи независимо от своего местонахождения. Пользователи спутниковой связи устанавливают связь с любым абонентом, используя радиоканал до спутника.

Правда, стоимость подобных услуг достаточно высока. Более того, подавляющее большинство потенциальных абонентов мобильных систем уже пользуются услугами сотовой связи и вполне этим довольны. Поэтому при коммерческой эксплуатации спутниковой связи возникают сложности.

Спутники давно используются для передачи телевизионных широковещательных сигналов между отделениями телекомпаний. В некоторых случаях записываются целые серии передач, которые затем показываются каждым отделением в подходящее время. Теперь и у частных лиц появилась возможность принимать этот сигнал, используя параболические антенны.

Для морских судов чрезвычайно важно поддерживать постоянную связь с землей, а также иметь возможность послать сигнал бедствия. Другая услуга, предоставляемая спутниками связи, — это возможность пассажира самолета напрямую подключиться к наземной телекоммуникационной сети. В этих случаях просто невозможно использовать кабельную связь, а возможности радиосвязи без применения спутников сильно ограничены.

Для каждой области применения разработаны свои ССС, отражающие особенности передачи информации. Так, например, если речевой сигнал допускает искажение нескольких бит информации без потери общего смысла сообщения, являясь очень чувствительным к времени задержки в спутниковом канале, то совершенно обратная картина наблюдается при передаче данных: сигнал теряет свою достоверность при искажении или потере нескольких бит сообщения и мало зависит от величины задержки в канале. Системы, предназначенные для передачи телефонных сигналов, при помощи различных алгоритмов уплотняют поток голосовых данных в два и более раз, и передают его в канал, что позволяет экономно обходиться с имеющимся частотным ресурсом. При обмене данными, как правило, используется пакетная передача по некоторому протоколу.

Негеостационарные спутники используются в основном для военных, научных и метеорологических исследований. Их главная особенность — невозможность поддержания круглосуточной связи с ЗС. Однако, перемещаясь по заданной орбите относительно поверхности Земли, они могут собирать данные с большой площади земной поверхности.

История создания спутниковой связи

Минувшие три десятилетия характеризуются значительным ростом объема передаваемой информации, увеличением скорости ее передачи. Появилось большое число новых услуг, значительно возросло количество пользователей ими. Эти явления тесно связаны друг с другом; налицо тот случай, когда спрос рождает предложение, и наоборот.

В 1945 году в статье «Внеземные ретрансляторы» («Extra-terrestrial Relays»), опубликованной в октябрьском номере журнала «Wireless World», английский ученый, писатель и изобретатель Артур Кларк предложил идею создания системы спутников связи на геостационарных орбитах, которые позволили бы организовать глобальную систему связи. Впоследствии Кларк на вопрос, почему он не запатентовал изобретение (что было вполне возможно), отвечал, что не верил в возможность реализации подобной системы при своей жизни, а также считал, что подобная идея должна приносить пользу всему человечеству

Первые исследования в области спутниковой связи начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. Толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической и трансконтинентальной телефонной связи.

Отечественные разработки

Как известно, в Советском Союзе в начале 1965 г. была создана и введена в эксплуатацию система спутниковой связи "Молния-1", по названию спутника. Эта система позволила организовать связь Москвы (станции в Медвежьих Озерах и Щелково) с районами Дальнего Востока (станции в Уссурийске и Петропавловске-Камчатском), Сибири (станция в Улан-Удэ), Средней Азии (станция в районе озера Балхаш).

В системе "Молния-1" передавались программы телевизионного (ТВ) и радиовещания (РВ), полосы газет, а также осуществлялись телефонные и телеграфные связи с указанными районами. К концу 1967 г. в стране были введены еще 20 станций, которые с имеющимися станциями образовали первую в мире систему распределения телевидения "Орбита" (главный конструктор Н. В. Талызин, НИИР). Система расширялась, количество станций росло, и с учетом разницы во времени по часовым поясам в дальнейшем была создана под руководством того же конструктора распределительная система телевизионного вещания "Москва", в которой использовались спутники "Горизонт", "Экран" и "Экспресс".

Рассмотрим начальный период создания системы "Молния-1". При ее разработке энергетика радиолинии была рассчитана с некоторым запасом, что позволило создать и параллельно ввести в эксплуатацию систему спутниковой связи "Корунд" и комплекс "Ручей". Эти средства использовались в интересах обороны страны для организации телефонных и телеграфных связей с войсками, расположенными в любом регионе, а также для передачи сигналов оповещения. Задействовались ретрансляторы тех же спутников "Молния-1" на основных и сопряженных витках, работа осуществлялась через один ствол одновременно, с частотным разносом.

Такого рационального использования средств наши главные соперники, американцы, достичь не могли, так как мощность ретрансляторов на их спутниках была всего 6...8 Вт, а на наших - 40 Вт. Это преимущество в энергетике радиолинии позволило конструкторам СССР снова удивить мир созданием в 1973 г. перевозимой и самолетной станций "Контакт" для телефонной связи во время визитов и перелетов руководства страны.

Советские инженеры, опередив американских специалистов, первыми в мире, в 1974 г., создали перевозимую станцию МАРС для передачи ТВ изображения и звука в реальном масштабе времени из районов, где не было стационарных станций спутниковой связи (конструктор С. В. Бородич, НИИР). Она использовалась для трансляции ТВ репортажей во время стартов космических кораблей или показа других важных событий, происходящих как в стране, так и за рубежом (в Индии, на Кубе, в Болгарии и др.).

В СССР государственная система спутниковой связи "Молния-1" работала в диапазоне 800...1000 МГц. Однако, в соответствии с Регламентом радиосвязи, принятым Международным союзом электросвязи, этот диапазон не предназначался для спутниковой связи, а был отведен для фиксированной подвижной связи, для использования в радиовещательной и радиолокационной службах, а также для воздушной радионавигации. Поэтому государственную систему спутниковой связи надо было перевести в другой диапазон. Для этого проведена очень большая работа. Были построены новые и переоборудованы новой аппаратурой действующие наземные станции, и все - без перерыва телевизионного и радиовещания, телефонной и телеграфной связи. Был создан новый ретранслятор, работающий в диапазоне 4/6 ГГц, и модернизирован спутник. Все это позволило расширить возможности спутниковой связи, создать на спутнике многоствольные ретрансляторы.

Перевод государственной системы спутниковой связи в новый диапазон начался в 1971 г., с выводом на высокоэллиптическую орбиту спутника "Молния-2" с двуствольным ретранслятором, работающим в диапазоне частот 4/6 ГГц, что можно считать началом создания в СССР новой государственной системы спутниковой связи, работающей в наиболее перспективном диапазоне частот.

В середине 1973 г. был введен в эксплуатацию трехствольный ретранслятор на спутнике "Молния-3", имеющий также высокоэллиптическую орбиту. Такие высокие орбиты (в апогее около 40 тыс. км) очень удобны для организации связи на территории нашей страны, так как зона радиовидимости с такого спутника охватывает всю территорию Советского Союза и всю северную полярную область Земли. Получить такую же зону радиовидимости со спутников, находящихся на геостационарной орбите в любых точках над экватором, невозможно.

С вводом в эксплуатацию многоствольного спутника "Горизонт", выведенного на геостационарную орбиту в 1975 г., завершилось создание новой системы спутниковой связи в нашей стране. Система была названа по имени спутника - "Горизонт".

Первые спутники системы были расположены в точках стояния над экватором 14° з. д.; 35° и 80° в. д. На каждом из них было по шесть стволов, работающих в диапазоне 4/6 ГГц, и один ствол в диапазоне 11/14 ГГц, ширина полосы частот каждого ствола - 36...40 МГц. Вскоре на спутнике "Горизонт" был введен ствол ретранслятора, работающий в диапазоне 1,5/1,6 ГГц, для организации связи с подвижными объектами или малыми станциями, а также между ними.

В 1976 г. был выведен на геостационарную орбиту спутник "Экран" с точкой стояния над экватором 99° в. д., который позволил создать зону непосредственного телевизионного вещания в районах Урала и Западной Сибири. Первоначально разработка ретранслятора этого спутника осуществлялась при непосредственном участии В. А. Шамшина (НИИР) [5].

Ретрансляторы на этих спутниках - гетеродинного типа, сигналы в них усиливаются в основном на промежуточной частоте (обычно 70...120 МГц). Через каждый ствол ретранслятора возможна передача одной ТВ программы со звуковым сопровождением или нескольких несущих для передачи телефонной или другой информации.

Зарубежные разработки

20 августа 1964 г. 11 стран подписали соглашение о создании международной организации спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite organization), но СССР в их число не входил. 6 апреля 1965 г. в рамках этой программы был запущен первый коммерческий спутник связи Early Bird («ранняя пташка»), произведенный корпорацией COMSAT.

С помощью этой системы в 1987 г. обеспечивалось около двух третей международных каналов спутниковой связи, а в настоящее время - около одной трети. В соответствии с разработанной схемой построения системы на геостационарной орбите размещаются девять рабочих спутников ИНТЕЛСАТ в следующих точках над экватором: 1°; 18,5°; 22°; 24,5° з. д. и 60°; 63°; 66°; 174°; 180° в. д.

В 1981 г. создается международная организация морской спутниковой связи ИНМАРСАТ. Эта система предназначена для осуществления связи морских судов с берегом, передачи оповещения и сведений о погоде, передачи с кораблей срочных сообщений и сигналов о помощи, а также для определения координат корабля.

Система ИНМАРСАТ была доработана с целью расширения возможностей организации связи и навигации не только в интересах морских судов, но и самолетов. Она может обеспечить глобальную связь с судами и самолетами (за исключением находящихся в полярных областях) с высокой степенью надежности. С 1985 г. система оснащена спутниками второго поколения типа "Мареке" и ИНМАРСАТ-2 на геостационарной орбите в семи точках над экватором. Через спутник ИНМАРСАТ-2 можно вести одновременно 125 телефонных разговоров в направлении берег - корабль и до 250 разговоров в обратном направлении. Применение техники частичного подавления несущей в разговорных паузах может удвоить число телефонных каналов в направлении берег - корабль благодаря снижению потребления мощности от источника энергии спутника.

Связь в направлении берег - спутник - корабль осуществляется следующим образом: прием сигналов на спутнике ведется в диапазоне 6 ГГц, передача со спутника - в диапазоне 1, 56 ГГц; в обратном направлении прием на спутнике ведется в диапазоне 1, 6 ГГц, передача - в диапазоне 4 ГГц.

Международная организация ИНМАРСАТ с 1 апреля 1999 г. реорганизована: она разделилась на акционерную компанию и межправительственный орган, который будет следить за тем, чтобы ИНМАРСАТ продолжила выполнять свои уставные обязательства перед обществом, в частности, обеспечивать функционирование глобальной системы морской безопасности.

Европейская спутниковая система ЕВТЕЛСАТ начала регулярную работу с января 1984 г., после вступления в силу Конвенции и Эксплуатационного соглашения. В состав организации входят более 23 европейских государств. Система работала через три спутника типа ECS на геостационарной орбите, и обеспечивала передачу данных, факсимильных сообщений, конференцсвязи, а также передачу ТВ программ. Один спутник серии ECS осуществлял ретрансляцию до 12000 телефонных разговоров и четырех телевизионных программ. Телефонные каналы формируются в цифровой форме с интерполяцией речевых сигналов. Система работает с временным разделением каналов.

К настоящему времени система ЕВТЕЛСАТ значительно расширилась, имеет спутники типа Eutelsat в 10 точках над экватором, которые постепенно заменяются спутниками связи типа W и шведскими Sinus.

Схема работы

Спутник - устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции (ЗС), усиливает и транслирует в широковещательном режиме одновременно на все ЗС, находящиеся в зоне видимости спутника. Спутник не инициирует и не терминирует никакой пользовательской информации за исключением сигналов контроля и коррекции возникающих технических проблем и сигналов его позиционирования. Спутниковая передача начинается в некоторой ЗС, проходит через спутник, и заканчивается в одной или большем количестве ЗС.

В первые годы исследований использовались пассивные спутниковые ретрансляторы (примеры — спутники «Эхо» и «Эхо-2»), которые представляли собой простой отражатель радиосигнала (часто — металлическая или полимерная сфера с металлическим напылением), не несущий на борту какого-либо приёмопередающего оборудования. Такие спутники не получили распространения. Все современные спутники связи являются активными. Активные ретрансляторы оборудованы электронной аппаратурой для приема, обработки, усиления и ретрансляции сигнала.

ССС состоит из трех базисных частей: космического сегмента, сигнальной части и наземного сегмента. Космический сегмент охватывает вопросы проектирования спутника, расчета орбиты и запуска спутника. Сигнальная часть включает вопросы используемого спектра частоты, влияния расстояния на организацию и поддержание связи, источники интерференции сигнала, схем модуляции и протоколов передачи. Наземный сегмент включает размещение и конструкцию ЗС, типы антенн, используемых для различных приложений, схемы мультиплексирования, обеспечивающие эффективный доступ к каналам спутника. Космический сегмент, сигнальная часть и наземный сегмент обсуждаются в следующих разделах.

ССС имеет ряд преимуществ:

• Устойчивые издержки. Стоимость передачи через спутник по одному соединению не зависит от расстояния между передающей и принимающей ЗС. Более того, все спутниковые сигналы - широковещательные. Стоимость спутниковой передачи, следовательно, остается неизменной независимо от числа принимающих ЗС.
• Широкая полоса пропускания.
• Малая вероятность ошибки. В связи с тем, что при цифровой спутниковой передаче побитовые ошибки весьма возможны, применяются эффективные и надежные статистические схемы их обнаружения и исправления.

Ретрансляторы

Спутниковые ретрансляторы могут быть нерегенеративными и регенеративными. Нерегенеративный спутник, приняв сигнал от одной земной станции, переносит его на другую частоту, усиливает и передает другой земной станции. Спутник может использовать несколько независимых каналов, осуществляющих эти операции, каждый из которых работает с определенной частью спектра (эти каналы обработки называются транспондерами).

Регенеративный спутниковый ретранслятор производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление ошибок производится дважды: на спутнике и на принимающей земной станции. Недостаток этого метода — сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала.

Орбиты, на которых размещаются спутниковые ретрансляторы, подразделяют на три класса:

• экваториальные,
• наклонные,
• полярные.

Важной разновидностью экваториальной орбиты является геостационарная орбита, на которой спутник вращается с угловой скоростью, равной угловой скорости Земли, в направлении, совпадающем с направлением вращения Земли. Очевидным преимуществом геостационарной орбиты является то, что приемник в зоне обслуживания «видит» спутник постоянно.

Однако геостационарная орбита одна, и все спутники вывести на неё невозможно. Другим её недостатком является большая высота, а значит, и большая цена вывода спутника на орбиту. Кроме того, спутник на геостационарной орбите неспособен обслуживать земные станции в приполярной области.

Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трех спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.

Полярная орбита — предельный случай наклонной (с наклонением 90?).

При использовании наклонных орбит земные станции оборудуются системами слежения, осуществляющими наведение антенны на спутник. Станции, работающие со спутниками, находящимися на геостационарной орбите, как правило, также оборудуются такими системами, чтобы компенсировать отклонение от идеальной геостационарной орбиты. Исключение составляют небольшие антенны, используемые для приема спутникового телевидения: их диаграмма направленности достаточно широкая, поэтому они не чувствуют колебаний спутника возле идеальной точки.

В настоящее время наиболее плотно занятая орбитальная дуга равна 76о (приблизительно; 67о по 143о западной долготы). Спутники этого сектора обеспечивают связь стран Северной, Центральной и Южной Америки.

Главными компонентами спутника являются его конструкционные элементы; системы управления положением, питания; телеметрии, трекинга, команд; приемопередатчики и антенна.

Структура спутника обеспечивает функционирование всех его компонентов. Предоставленный сам себе спутник, в конечном счете, перешел бы к случайным вращениям, превратившись в бесполезное для обеспечения связи устройство. Устойчивость и нужная ориентация антенны поддерживается системой стабилизации. Размер и вес спутника ограничены в основном возможностями транспортных средств, требованиями к солнечным батареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника (обычно в течение десяти лет).

Телеметрическое оборудование спутника используется для передачи на Землю информации об его положении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаются соответствующие команды, по получении которых включается энергетическое оборудование и коррекция осуществляется.

Система Aloha

Влияние разработанного в Гавайском университете в начале 1970-х протокола множественного доступа Aloha (известного также под названием система Aloha) на развитие спутниковых и локальных сетей связи трудно переоценить.

В данной системе ЗС используют пакетную передачу по общему спутниковому каналу. В любой момент времени каждая ЗС может передавать лишь один пакет. Поскольку спутнику по отношению к пакетам отведена роль ретранслятора, всегда, когда пакет одной ЗС достигает спутника во время трансляции им пакета некоторой другой ЗС, обе передачи накладываются (интерферируют) и "разрушают" друг друга. Возникает требующая разрешения конфликтная ситуация.

В соответствии с ранним вариантом системы Aloha, известной под названием "чистая система Aloha", ЗС могут начать передачу в любой момент времени. Если спустя время распространения они прослушивают свою успешную передачу, то заключают, что избежали конфликтной ситуации (т.е. тем самым получают положительную квитанцию). В противном случае они знают, что произошло наложение (или, быть может, действовал какой-либо другой источник шума) и они должны повторить передачу (т.е. получают отрицательную квитанцию). Если ЗС сразу же после прослушивания повторят свои передачи, то наверняка опять попадут в конфликтную ситуацию. Требуется некоторая процедура разрешения конфликта для того, чтобы ввести случайные задержки при повторной передаче, и разнести во времени вступающие в конфликт пакеты.

Другой вариант системы Aloha состоит в разбиении времени на отрезки - окна, длина которых равна длине одного пакета при передаче (предполагается, что все пакеты имеют одну и ту же длину). Если теперь потребовать, чтобы передача пакетов начиналась только в начале окна (время привязано к спутнику), то получится двойной выигрыш в эффективности использования спутникового канала, т.к. наложения при этом ограничиваются длиной одного окна (вместо двух, как в чистой системе Aloha). Эта система называется синхронной системой Aloha.

Период уязвимости для системы Aloha

Третий подход базируется на резервировании временных окон по требованию ЗС.

Читатели, знакомые с протоколами множественного доступа в локальных сетях, поймут, что описанная система Aloha является предшественником используемого в сетях Ethernet протокола множественного доступа с проверкой несущей и обнаружением конфликтов (CSMA-CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). Особенность протокола CDMA-CD заключается в возможности быстрого определения конфликтов (в течение микро и даже наносекунды) и мгновенного прекращения передачи. На спутниковых каналах из-за большого времени распространения оперативное прекращение передачи заведомо испорченных пакетов, к сожалению, невозможно.

Другим усовершенствованием системы Aloha может служить назначение приоритетов для ЗС с большой интенсивностью нагрузки.

Наземный сегмент

Технологическое развитие привело к значительному уменьшению размеров ЗС. На начальном этапе спутник не превышал нескольких сотен килограммов, а ЗС представляли собой гигантские сооружения с антеннами более 30 м в диаметре. Современные спутники весят несколько тонн, а антенны, зачастую не превышающие 1 м в диаметре, могут быть установлены в самых разнообразных местах. Тенденция уменьшения размеров ЗС вместе с упрощением установки оборудования приводит к снижению его стоимости. На сегодняшний день стоимость ЗС является, пожалуй, главной характеристикой, определяющей широкое распространение ССС. Преимущество спутниковой связи основано на обслуживании географически удаленных пользователей без дополнительных расходов на промежуточное хранение и коммутацию. Любые факторы, понижающие стоимость установки новой ЗС, однозначно содействуют развитию приложений, ориентированных на использование ССС. Относительно высокие издержки развертывания ЗС позволяют наземным волоконно-оптическим сетям в ряде случаев успешно конкурировать с ССС.

Следовательно, главное преимущество спутниковых систем состоит в возможности создавать сети связи, предоставляющие новые услуги связи или расширяющие прежние, при этом с экономической точки зрения преимущество ССС обратно пропорционально стоимости ЗС.

В зависимости от типа, ЗС имеет возможности передачи и/или приема. Как уже отмечалось, фактически все интеллектуальные функции в спутниковых сетях осуществляются в ЗС. Среди них - организация доступа к спутнику и наземным сетям, мультиплексирование, модуляция, обработка сигнала и преобразование частот. Отметим, наконец, что большинство проблем в спутниковой передаче решается оборудованием ЗС.

В настоящее время выделяются четыре типа ЗС. Наиболее сложными и дорогостоящими являются ориентированные на большую интенсивность пользовательской нагрузки ЗС с очень высокой пропускной способностью. Станции такого типа предназначены для обслуживания пользовательских популяций, требующих для обеспечения нормального доступа к ЗС волоконно-оптических линий связи. Подобные ЗС стоят миллионы долларов.

Станции средней пропускной способности эффективны для обслуживания частных сетей корпораций. Размеры подобных сетей ЗС могут быть самыми разнообразными в зависимости от реализованных приложений (передача речи, видео, данных). Различаются два типа корпоративных ССС.

Развитая корпоративная ССС с большими капиталовложениями обычно поддерживает такие услуги, как видеоконференция, электронная почта, передача видео, речи и данных. Все ЗС такой сети имеют одинаково большую пропускную способность, а стоимость станции доходит до 1 миллиона долларов.

Менее дорогостоящим типом корпоративной сети является ССС большого числа (до нескольких тысяч) микротерминалов (VSAT) связанных с одной главной ЗС (MES - Master Earth Station). Данные сети ограничиваются обычно приемом/передачей данных и приемом аудио-видеоуслуг в цифровом виде. Микротерминалы общаются между собой посредством транзита с обработкой через главную ЗС. Топология таких сетей является звездообразной.

Четвертый тип ЗС ограничен возможностями приема. Это самый дешевый вариант станции, поскольку ее оборудование оптимизируется под предоставление одной или нескольких конкретных услуг. Данная ЗС может быть ориентирована на прием данных, аудиосигнала, видео или их комбинаций. Топология также звездообразная.

Частотные свойства

Ширина полосы (bandwidth) спутникового канала характеризует количество информации, которую он может передавать в единицу времени. Типичный спутниковый приемопередатчик имеет ширину полосы 36 МГц на частотах от 4 МГц до 6 МГц.

Обычно ширина полосы спутникового канала велика. Например, один цветной телевизионный канал занимает полосу 6 МГц. Каждый приемопередатчик на современных спутниках связи поддерживает полосу в 36 МГц, при этом спутник несет 12 или 24 приемопередатчиков, что дает в результате 432 МГц или 864 МГц, соответственно.

Поскольку радиочастоты являются ограниченным ресурсом, необходимо обеспечить возможность использования одних и тех же частот разными земными станциями. Сделать это можно двумя способами:
пространственное разделение — каждая антенна спутника принимает сигнал только с определенного района, при этом разные районы могут использовать одни и те же частоты,
поляризационное разделение — различные антенны принимают и передают сигнал во взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации, при этом одни и те же частоты могут применяться два раза (для каждой из плоскостей).

Типичная карта покрытия для спутника, находящегося на геостационарной орбите, включает следующие компоненты:
глобальный луч — производит связь с земными станциями по всей зоне покрытия, ему выделены частоты, не пересекающиеся с другими лучами этого спутника.
лучи западной и восточной хемисфер — эти лучи поляризованы в плоскости A, причем в западной и восточной хемисферах используется один и тот же диапазон частот.
зонные лучи — поляризованы в плоскости B (перпендикулярной A) и используют те же частоты, что и лучи хемисфер. Таким образом, земная станция, расположенная в одной из зон, может использовать также лучи хемисфер и глобальный луч.

При этом все частоты (за исключением зарезервированных за глобальным лучом) используются многократно: в западной и восточной хемисферах и в каждой из зон.

Выбор частоты для передачи данных от земной станции к спутнику и от спутника к земной станции не является произвольным. От частоты зависит, например, поглощение радиоволн в атмосфере, а также необходимые размеры передающей и приемной антенн. Частоты, на которых происходит передача от земной станции к спутнику, отличаются от частот, используемых для передачи от спутника к земной станции (как правило, первые выше).

Частоты, используемые в спутниковой связи, разделяют на диапазоны, обозначаемые буквами. К сожалению, в различной литературе точные границы диапазонов могут не совпадать. Ориентировочные значения даны в рекомендации ITU-R V.431-6:

Используются и более высокие частоты, но повышение их затруднено высоким поглощением радиоволн этих частот атмосферой. Ku-диапазон позволяет производить прием сравнительно небольшими антеннами, и поэтому используется в спутниковом телевидении (DVB), несмотря на то, что в этом диапазоне погодные условия оказывают существенное влияние на качество передачи.

Для передачи данных крупными пользователями (организациями) часто применяется C-диапазон. Это обеспечивает более высокое качество приема, но требует довольно больших размеров антенны.

ССС имеют уникальные особенности, отличающие их от других систем связи. Некоторые особенности обеспечивают преимущества, делающие спутниковую связь привлекательной для ряда приложений. Другие создают ограничения, которые неприемлемы при реализации некоторых прикладных задач.

Недостатки

Слабая помехозащищенность

Огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для того, чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие антенны, малошумящие элементы и сложные помехоустойчивые коды. Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика.

Влияние атмосферы

На качество спутниковой связи оказывают сильное влияние эффекты в тропосфере и ионосфере.

Поглощение в тропосфере

Поглощение сигнала атмосферой находится в зависимости от его частоты. Максимумы поглощения приходятся на 22,3 ГГц (резонанс водяных паров) и 60 ГГц (резонанс кислорода). В целом, поглощение существенно сказывается на распространении сигналов с частотой выше 10 ГГц (то есть, начиная с Ku-диапазона). Кроме поглощения, при распространении радиоволн в атмосфере присутствует эффект замирания, причиной которому является разница в коэффициентах преломления различных слоев атмосферы.

Ионосферные эффекты

Эффекты в ионосфере обусловлены флуктуациями распределения свободных электронов. К ионосферным эффектам, влияющим на распространение радиоволн, относят мерцание, поглощение, задержку распространения, дисперсию, изменение частоты, вращение плоскости поляризации. Все эти эффекты ослабляются с увеличением частоты. Для сигналов с частотами, большими 10 ГГц, их влияние невелико.

Сигналы с относительно низкой частотой (L-диапазон и частично C-диапазон) страдают от ионосферного мерцания, возникающего из-за неоднородностей в ионосфере. Результатом этого мерцания является постоянно меняющаяся мощность сигнала.

Задержка распространения сигнала

Проблема задержки распространения сигнала так или иначе затрагивает все спутниковые системы связи. Наибольшей задержкой обладают системы, использующие спутниковый ретранслятор на геостационарной орбите. В этом случае задержка, обусловленная конечностью скорости распространения радиоволн, составляет примерно 250 мс, а с учетом мультиплексирования, коммутации и задержек обработки сигнала общая задержка может составлять до 400 мс.

Задержка распространения наиболее нежелательна в приложениях реального времени, например, в телефонной связи. При этом если время распространения сигнала по спутниковому каналу связи составляет 250 мс, разница во времени между репликами абонентов не может быть меньше 500 мс.

В некоторых системах (например, в системах VSAT, использующих топологию «звезда») сигнал дважды передается через спутниковый канал связи (от терминала к центральному узлу, и от центрального узла к другому терминалу). В этом случае общая задержка удваивается.

Влияние упомянутых преимуществ и ограничений на выбор спутниковых систем для частных сетей довольно значительно. Решение об использовании ССС, а не распределенных наземных сетей, всякий раз необходимо экономически обосновать. Все более возрастающую конкуренцию ССС составляют оптоволоконные сети связи.

Современный рынок спутниковых сетей

Отечественные спутниковые сети

Известно, что в настоящее время в России существует несколько проектов низкоорбитальных систем передвижной связи, включенных в Федеральную программу развития спутниковых сетей. Однако фрагменты, которые уже успешно эксплуатируются, имеет (по информации автора) только одна из них, "Гонец". Среди действующих на российском оборудовании известна также ведомственная сеть "Форпост". Так же применяется система «Вектор», являющаяся сотрудничеством с европейскими производителями. Остальные российские проекты находятся на разных стадиях разработки.

Гонец

Наиболее "зрелой" можно считать систему "Гонец", разработчиками которой являются НИИ точных приборов и НПО прикладной механики (тестирование демонстрационной версии системы проходило еще в 1992-1994 гг.). В настоящее время в рамках конверсионной программы существует демонстрационная версия этой системы "Гонец-Д1" на базе 6 спутников, рассчитанная на обслуживание до 10 тыс. абонентов при скорости передачи данных до 2,4 кбит/с. Абонентское оборудование действующего фрагмента системы произведено при участии Ижевского радиозавода. До конца 1999 г. должна появиться следующая версия, предусматривающая передачу данных со скоростью 9,6 кбит/с при увеличении числа абонентов до 20 тыс. Полномасштабная система "Гонец" будет базироваться на 45 низкоорбитальных спутниках (9 аппаратов в пяти плоскостях) и рассчитана на обслуживание более 1,5 млн. пользователей. Технологические решения позволят обеспечить передачу данных со скоростью до 9,6 кбит/c в прямом и до 64 кбит/с в обратном канале.

Система предусматривает различные схемы передачи информации по сети, зависящие от необходимой оперативности связи и взаимного расположения абонентов:

• ретрансляция в зоне обслуживания одного спутника;
• перенос данных между абонентами через спутник (режим "почтового ящика");
• ретрансляция через наземную станцию;
• ретрансляция через магистральные каналы наземной или спутниковой связи.

Наиболее любопытен режим "почтового ящика". В этом случае отправитель передает спутнику, находящемуся в зоне радиовидимости, сообщение "в конверте" с номером зоны обслуживания и адресом получателя. Записанное в память бортового оборудования сообщение передается получателю, когда спутник пролетает над указанным "на конверте" регионом. Время доставки сообщения в пределах России и СНГ - не более 70 мин. Оперативность доставки можно существенно повысить, если организовать передачу информации между соседними аппаратами или использовать спутники других систем связи.

Структуру системы "Гонец" составляют космический сегмент, центры управления системой, региональные станции и абонентские терминалы. Центры управления системой не только обеспечивают обычные функции, но и организуют работу каналов связи, устанавливают приоритеты доступа, осуществляют контроль бортовых систем и телеметрической информации, а также выполняют необходимые вычисления для определения зон обслуживания.

Частью архитектуры сети "Гонец" являются региональные наземные станции, каждая из которых одновременно может использовать три спутника. В функции станции входит организация связи в регионе, в том числе коммутация и маршрутизация потоков данных и подключение абонентов системы к сетям общего пользования, выделенным ведомственным радиосетям и локальным сетям.

Абонентские терминалы (стационарные, переносные, мобильные, автономные, речевые и приемные) включают в себя малогабаритный приемопередатчик с ненаправленной антенной, обеспечивающей связь без подстройки и поиска. Различные модификации терминала комплектуются устройствами, учитывающими конкретные условия и требования эксплуатации. Например, стационарный терминал предназначен для подключения к ПК или сети Ethernet, автономный устанавливается на нефтяных и газопроводах и позволяет программировать режимы работы и сбор/передачу данных от аппаратуры датчиков, а приемный представляет собой обычный спутниковый пейджер, обеспечивающий прием до 1 кбит информации. При необходимости терминал комплектуется навигационным устройством, позволяющим благодаря системам навигации GPS и "Глонасс" определить местоположение объекта с точностью до 100 м.

В системе "Гонец" предусмотрены три уровня защиты информации от несанкционированного доступа: использование специальных протоколов обмена, авторизация доступа и программно-аппаратное шифрование данных.

Форпост

Спутниковая сеть "Форпост" создана на базе существующих средств связи и эксплуатируется уже несколько лет. В систему входят три низкоорбитальных спутника, центр приема и передачи информации, наземный пункт планирования, передающие станции и портативные терминалы. Отличительной особенностью этой сети является связь по расписанию, которое формируется пунктом планирования и рассылается абонентам. Это расписание определяется специальной программой, задаваемой системам бортового управления спутников.

Система "Форпост" поддерживает два режима работы - глобальной электронной почты и прямой трансляции в радиусе 2 км от центра управления в Москве. В режиме электронной почты сообщение передается по расписанию на спутник и от него - в центр управления, который пересылает его либо по наземным, либо по спутниковым каналам получателю. Прямая ретрансляция возможна только при достижении спутником зоны обслуживания. После поступления сообщения в центр управления (через спутник) информация сразу передается по модемной связи. Время ожидания составляет от 2 до 6 часов, количество сообщений в сутки - не более 10, объем передаваемого сообщения до 10 кбит. Поскольку виды и объемы услуг системы ограничены, то ее трудно считать конкурентом перспективных низкоорбитальных систем. Важно, однако, что "Форпост" обеспечивает надежную связь уже сегодня.

Вектор

Западные транспортные фирмы сразу оценили экономический эффект от использования спутниковой системы связи при перевозке грузов. Однако в России, несмотря на явные преимущества оснащения автомобилей такими средствами, спутниковые системы связи пока не получили широкого распространения (компаний-перевозчиков, использующих СПСС, пока не более 30).

Компания RRC Business Telecommunications предлагает систему безопасности и управления транспортом "Вектор". Система обеспечивает взаимодействие водителя с различными сетями мобильной связи - Inmarsat, Mobitex, транковыми сетями (MT1327) и сотовыми системами - на территории, охватывающей почти всю страну. При необходимости можно передать дублированный аварийный сигнал в диспетчерский центр и региональные государственные правоохранительные учреждения. Заметим, что договор, существующий между МВД РФ и RRC, позволяет рассчитывать на оперативные меры по обеспечению безопасности транспорта.

Система "Вектор" создана на базе оборудования Inmarsat в стандарте С (Inmarsat-С), она использует систему навигации NAVSTAR. Комплект оборудования монтируется в автомобиле, а специализированное программное обеспечение устанавливается на диспетчерском пункте, который обеспечивает круглосуточную связь с мобильным объектом и определяет его местоположение с точностью от 25 до 80 м. Основное оборудование системы "Вектор" разработано голландской компанией Symac Systems BV.

Специалисты RRC не только выступили в необычной для себя роли системного интегратора, но и выполнили полную локализацию программное обеспечение диспетчерского центра и абонентских терминалов. Они создают также специализированные программы управления и контроля датчиков автомобильного оборудования (терминала сети) по требованиям заказчика.

Диспетчерский центр подключается к сети почти из 40 наземных станций системы Inmarsat-С (LES), в функции которой входит непосредственная передача сообщений бортовому оборудованию автомобиля через спутник (время доставки сообщения - не более 5 мин). Базовое программное обеспечение диспетчерского центра (устанавливается на ПК с процессором не ниже Intel 486) - средство для интерактивного управления LOGIQ Dispatch Interactive компании Simac - полностью адаптировано для российских условий. Кроме того, в состав системы "Вектор" входит специальный картографический модуль (GEO) с набором карт, разработанный специалистами RRC. Программа LOGIQ Dispatch позволяет диспетчеру отправлять и получать сообщения в заранее установленной форме и определять координаты транспортного средства, а также вносить изменения в сопровождающие груз документы. Коммуникационная часть программное обеспечение, установленная на сервере диспетчерского центра, обеспечивает связь мобильного объекта через связанный с ним диспетчерский пункт Inmarsat или через одну из наземных станций системы Inmarsat C, объединенных в сеть с протоколом доступа Х.25. Система "Вектор" поддерживает передачу макро- и аварийных сообщений, сбор информации от датчиков автомобиля, а также позволяет получить данные автоматического опроса состояния датчиков по заданной программе (по запросу диспетчерского пункта или водителя).

На автомобиле устанавливается мобильный терминал LOGIQ MDT (MDA), подключенный непосредственно к нему спутниковый приемопередатчик и антенна. Бортовой компьютер LOGIQ MDT находится на передней приборной панели и имеет привычную компьютерную клавиатуру с набором функциональных клавиш и ЖК-экран для вывода коротких сообщений или форм. Изящная спутниковая антенна (высота 13 см, основание 15 см) рассчитана на прием сигналов GPS и обмен информацией в системе Inmarsat С. Даже в случае пропадания спутникового сигнала автономная система определит курс, вычислив координаты на основании последних данных GPS.

Зарубежные спутниковые сети

Наибольшее распространение получила спутниковая связь в США, где действуют около 30 государственных и частных систем, в том числе военные: DSCS III и MILSTAR (ВВС), FLEET-SATCOM и LEASAT (ВМС). С 1982 г. действует система военной связи стран НАТО (НАТОСАТ III). Свои национальные системы спутниковой связи имеют Австралия - AUSSAT; Бразилия - SBTA; Канада - ANIK С; Индия - INSAT; Индонезия - PALAРАВ; Колумбия - SATCOL; Мексика - ILHUICAHUA; Италия - ITALSAT I; Великобритания - UNISAT, L-SAT и военная SKYNETS; Франция - TELECOM I и TDF-1; Германия - DFS и TV-SAT; Швеция - TELE-X; Япония - CS-3 и BS-3; КНР - STW-2 и др.

Системы на базе геостационарных спутников

СПСС на базе геостационарных спутников используют главным образом наземные станции типа VSAT.

Системы VSAT (Very Small Aperture Terminal — терминал с очень маленькой апертурой) предоставляют услуги спутниковой связи клиентам (как правило, небольшим организациям), которым не требуется высокая пропускная способность канала. Скорость передачи данных для VSAT-терминала обычно не превышает 2048 кбит/с.

Слова «очень маленькая апертура» относятся к размерам антенн терминалов по сравнению с размерами более старых антенн магистральных систем связи. VSAT-терминалы, работающие в C-диапазоне, обычно используют антенны диаметром 1,8-2,4 м, в Ku-диапазоне — 0,75-1,8 м.

В системах VSAT применяется технология предоставления каналов по требованию.

Inmarsat

Созданная в 1979 году для удовлетворения потребностей в спутниковой связи на морских судах и в целях безопасности мореплавания система Inmarsat в настоящее время управляет глобальной спутниковой группировкой. Она используется независимыми сервис-провайдерами для предоставления услуг голосовой, факсимильной, телексной и мультимедийной связи для пользователей, находящихся в движении или пребывающих в районах с отсутствием традиционных видов связи. Продолжая развивать и совершенствовать связь на море, система расширила сферу своего влияния на наземный, автомобильный и авиационный рынки. Таким образом, сегодня пользователями системы являются тысячи абонентов, которые живут или работают в удаленных районах либо путешествуют по всему миру. Пользователями системы являются спасательные организации и министерства по чрезвычайным ситуациям, транспортные компании, авиалинии, органы управления воздушным движением, подразделения гражданской обороны, а также главы государств, работники государственных учреждений, журналисты и телеоператоры, авиапассажиры.

Система Inmarsat предназначена как раз для тех, кому связь из одной точки планеты в любую другую необходима как воздух и кто готов платить за эту связь очень дорого.

Спутники системы располагаются на геостационарной орбите, на высоте 35 786 км (22 223 мили) и покрывают около 98% земной поверхности.

Каждый спутник покрывает приблизительно третью часть Земли и стратегически расположен над одним из четырех океанов для обеспечения глобальной всемирной паутины в небе. Для осуществления звонка спутниковый телефон системы Inmarsat настраивается на один из спутников. Наземные станции связи с гигантскими антеннами принимают сигнал со спутника и маршрутизируют его до конечного абонента в любой стране мира. Если же кто-либо звонит на спутниковый телефон, то все происходит точно так же, но в обратной последовательности.

В соответствии с назначением и использованием система Inmarsat подразделяется на следующие стандарты:
Inmarsat-phone mini-M — наиболее популярный стандарт. Терминалы данного стандарта являются малогабаритными, легкими и дешевыми. Размеры — менее ноутбука, вес — около 2 кг, цена — от 3 тыс. долл., а стоимость минуты разговора — от 2,5 долл./мин в любую точку. Разработаны версии для установки на автомобиль, железнодорожный вагон, для полустационарной установки, а также для установки на суда и яхты;
Inmarsat-M4 — введенный в эксплуатацию в конце 1999 года, данный стандарт обеспечивает работу в Global Area Network (GAN), включая голосовую связь 4,8 Кбит/с, факс и высокоскоростные данные (до 64 Кбит/с), ISDN, IPDS (пакетная передача данных), доступ в Интернет, электронную почту, видеоконференции;
Inmarsat-A — стандарт-родоначальник, введенный в эксплуатацию в 1982 году, предоставляет услуги телефонии, факсимильной и телексной связи в аналоговом режиме;
Inmarsat-B — введенный в эксплуатацию в 1993 году, данный стандарт является цифровым аналогом стандарта Inmarsat-A. Обеспечивает весь спектр его услуг, но по более низким тарифам в связи с более рациональным использованием частотного ресурса;
Inmarsat-C — стандарт двусторонней низкоскоростной передачи данных посредством легких переносных терминалов, которые легко устанавливаются на любое судно, автомобиль или самолет. Данный стандарт одобрен для использования в системе ГМССБ (глобальная морская система связи при бедствии и для обеспечения безопасности мореплавания), а также удобен для сбора информации с удаленных объектов и управления грузоперевозками;
Inmarsat-D/D+ — обеспечивает низкоскоростную передачу данных при помощи терминалов размером с CD-плейер. Оборудованный приемником GPS, терминал D+ является идеальным средством управления транспортными перевозками, передачи коротких сообщений водителю и дистанционного управления и автономного снятия информации (следует отметить, что стандарт еще не одобрен и не сертифицирован в России);
Inmarsat-E — услуга передачи сигналов спасения посредством радиобуев, отправляющих сигнал бедствия, с указанием координат, через наземные станции спутниковой связи системы. Покрывает практически всю акваторию Мирового океана;
Inmarsat-M — предшественник стандарта Inmarsat-phone mini-M, первый в мире персональный портативный спутниковый телефон, обеспечивающий с 1993 года голосовую связь, передачу факсимильных сообщений с факса группы 3 и данных с терминала размером с кейс. Существует автомобильный и морской вариант с самонаводящейся антенной 70 см в диаметре;
Aero-C — услуга для авиации по передаче низкоскоростных данных и сообщений о местоположении. Относительно дешевая услуга по передаче информации с (на) борта самолета с одновременным позиционированием. Идеальное средство связи для самолетов, выполняющих рейсы в районах с отсутствием связи. Помимо отчетов о местоположении стандарт может быть использован для сообщений об изменении погоды и полетного задания, для запросов на техническое обслуживание и дозаправку, а также как средство связи для экипажа и пассажиров;
Aero-H — эксплуатируется с 1990 года, предоставляя услуги голосовой, факсимильной связи и передачи данных на воздушных судах. Обеспечивает связь членов экипажа и пассажиров с любым абонентом, используется органами управления воздушным движением;
Aero-I — стандарт, обеспечивающий голосовую, факсимильную связь и передачу данных посредством спутников 3-го поколения для малой и средней авиации. Новая технология позволила значительно уменьшить размеры, вес и стоимость оборудования;
Aero-L — авиационный стандарт, обеспечивающий обмен данными в реальном масштабе времени со скоростью 600 бит/с. Соответствует требованиям по безопасности ИКАО (Международная организация гражданской авиации) и органов управления воздушным движением;
Aero mini-M — разработан для небольших корпоративных самолетов и авиации общего назначения в целях обеспечения голосовой и факсимильной связи, а также передачи данных на скорости 2,4 Кбит/с. Внешняя антенна подключается к терминалу весом около 4,5 кг. Наиболее часто используется в районах, находящихся вне досягаемости УКВ-связи.

Только в России более 3 тыс. абонентов Inmarsat. Хотя по техническим показателям эта система уступает своим конкурентам, ее развитие продолжается. Сегодня уже реализована передача данных со скоростью 64 Кбит/с, хотя раньше эта цифра составляла 2,4 Кбит/с. А в скором будущем сеть Inmarsat будет работать в 100 раз быстрее.

Практически единственная успешная компания спутниковой связи — Inmarsat Holdings — прошлым летом объявила о смене названия на Inmarsat Ventures. Основными направлениями развития новой компании станут инвестиции в различные телекоммуникационные проекты и предоставление широкого спектра услуг связи. Для развития своего бизнеса компания привлекает региональных партнеров. В России партнером Inmarsat Ventures уже много лет выступает государственное предприятие «Морсвязьспутник».

В России у Inmarsat самые обширные планы — от организации производства оборудования до создания системы контроля над грузоперевозками для Министерства транспорта и сети передачи данных для МПС. Однако о каких суммах инвестиций идет речь, ни в Inmarsat, ни в организациях, ведущих переговоры с компанией, говорить не торопятся.

«Морсвязьспутник» является одним из крупнейших акционеров Inmarsat. Российское предприятие, владея 3,7% Inmarsat, занимает 6-7-е место по значимости среди 87 совладельцев компании. По данным генерального директора «Морсвязьспутника» Валерия Богданова, Россия обеспечивает около 10% трафика Inmarsat. «Очень многие самолеты крупных компаний, например «Газпрома» или РАО ЕЭС, обеспечены системами Inmarsat», — поясняет он. В России у спутникового оператора около 8 тыс. абонентов. Для сравнения, компания «ГлобалТел», российский провайдер услуг известного спутникового оператора GlobalStar, согласно своему официальному заявлению, рассчитывает получить в России 2-3 тыс. абонентов.

Компания Inmarsat ведет переговоры о реализации нескольких больших проектов в России. Одним из таких проектов является организация производства оборудования для создания системы контроля над грузоперевозками для Министерства транспорта и сети передачи данных для МПС. Другой большой проект Inmarsat надеется реализовать для Министерства путей сообщения. Однако компания по-прежнему считает услуги спутниковой связи ключевым направлением бизнеса своей компании.

EutelTracs

Система EutelTracs была реализована в 1992 г. и в настоящее время используется в Европе, Северной Африке и на Ближнем Востоке. В состав сети EutelTracs входит центральная станция и станция маршрутизации ("почтовый ящик" системы, расположенный во Франции), а также несколько спутниковых диспетчерских пунктов и мобильные терминалы. Связь с абонентами устанавливается с помощью спутниковых диспетчерских пунктов. Станция маршрутизации выполняет обработку сообщений и выдает разрешение на установление соединения. Диспетчерские пункты могут быть связаны со станцией маршрутизации по телефонным линиям общего пользования (PSTN) или каналам сети передачи данных (PSDN). Определение местоположения абонента в сети EutelTracs осуществляется с помощью приемника навигационной системы NAVSTAR.

Системы спутниковой связи OmniTracs (компания-производитель QUALCOMM) и EutelTracs (разработки велись под эгидой европейской международной организации EUTELSAT) обеспечивают не только определение местоположения абонента, но и двусторонний обмен информацией. Обе системы используют Ku-диапазон (12/14 ГГц) для связи между геостационарными спутниками-ретрансляторами и наземными станциями и L-диапазон - для связи между спутниками и мобильными пользователями. Их протоколы обмена очень похожи, а различия заключаются главным образом в аппаратной реализации оборудования и зонах обслуживания. Скорость передачи по каналу данных от станции к спутнику - от 5 до 15 кбит/c. Эквивалентная изотропная излучаемая мощность мобильного терминала составляет примерно 19 дБ • Вт, что обеспечивает скорость передачи данных по обратному каналу до 165 бит/c.

Организация связи в системах OmniTracs и EutelTracs построена на штатном режиме дежурного приема терминала. После захвата спутникового сигнала передача сообщения происходит в полудуплексном режиме, при этом аппаратура терминала обеспечивает слежение за сигналом земля-спутник. При исчезновении принимаемого сигнала терминал прекращает передачу и возвращается в штатный режим дежурного приема. Обе системы поддерживают передачу экстренных сообщений.

OmniTracs

Сеть OmniTracs введена в эксплуатацию в 1989 г. и обслуживает всю континентальную часть США. Конфигурация сети такова: космический сегмент (спутники-ретрансляторы), центр управления системой и подвижные терминалы. Система использует два ствола ретранслятора: один для передачи данных мобильным терминалам, другой - для обратной связи. Центр управления - узловая наземная станция, работающая в диапазоне Ku и имеющая процессоры прямого и обратного каналов связи. Это обычная станция типа VSAT, но размер ее антенны может достигать 7,6 м. Интерфейс с телефонной сетью общего пользования обеспечивает связь по коммутируемым телефонным каналам и сетям передачи данных.

Управление системой осуществляется центром сетевого администрирования (Network Managemet Center), который обеспечивает обработку более 4 млн. коротких сообщений в день. Кроме обычных для таких сетей услуг (обмен сообщениями в режиме реального времени и мониторинг координат абонентов) система поддерживает шифрование информации с помощью индивидуальных ключей и авторизованный доступ в систему.

Терминал OmniTracs состоит из трех функциональных блоков: наружного, связного и дисплейного. В составе связного блока - приемник наземной навигационной системы LORAN-C, которая используется в сети OmniTracs для определения координат абонента. Дисплей представляет собой блок с 4-строчной (40 символов в строке) ЖК-индикаторной панелью и клавиатурой, имеющей как стандартные, так и специализированные функциональные клавиши. К функциям связного блока относятся не только установление соединения в сети, но и обработка сигналов. Терминал OmniTracs обеспечивает также индикацию времени ожидания сообщения, синхронизацию со спутниковым сигналом и индикацию выходной мощности.

Prodat

Спутниковая сеть Prodat, введенная в эксплуатацию в 1992 году, разрабатывалась Европейским космическим агентством (ЕКА) исключительно как система передачи данных на суше с помощью геостационарных спутников.

В соответствии с проведенными ЕКА исследованиями функциональных особенностей эксплуатации мобильных терминалов морского, сухопутного и воздушного базирования, ухудшение приема для терминалов разных типов обусловлено чисто физическими факторами: для морских и воздушных терминалов наиболее сильные помехи вызваны многолучевостью, а для наземных - искажениями, связанными с рельефом земной поверхности. Реализованный EKA в сети для наземного применения (Prodat) протокол передачи данных позволил минимизировать влияние типичных помех, возникающих из-за рельефа местности.

Космический сегмент Prodat за время ее эксплуатации (с 1994 года) обслуживали различные спутники: сначала - MARECS-А и B2 (Maritime European Community Satellite), с 1996 года ITALSAT-2 (компания Alenia Spazio). Зона обслуживания ITALSAT-2 - вся Европа вплоть до Урала. Начиная с 1998-го, в Prodat будет использоваться КА ARTEMIS (диапазон частот 1,5-1,6 ГГц).

Наземный сегмент системы Prodat представляет собой центр управления, связанный с КА и различными наземными сетями. Для связи с центральной станцией применяется С-диапазон (4/6 ГГц), а для связи с мобильными абонентами - L-диапазон. Прямой канал (центральная станция - мобильный терминал) обеспечивает скорость 1,5 Кбит/с при передаче данных с временным разделением каналов в стандарте BPSK/TDM, а обратный - около 600 бит/c в стандарте SS-CDMA (кодовое разделение каналов с использованием широкополосных сигналов).

Система Prodat поддерживает связь мобильных объектов между собой, с центром управления и со стационарными абонентами сетей общего пользования. Мобильный терминал Prodat состоит из трех блоков (внешний, связной и оконечное устройство пользователя) и оснащен встроенным приемником, позволяющим определять местоположение мобильного абонента с помощью спутниковой (GPS, "Глонасс") или наземной (LORAN-C) системы навигации. Внешний радиочастотный блок с всенаправленной антенной (диаметр антенны 1,05 м, высота 1,3 м, вес 180 г) может размещаться как внутри, так и снаружи транспортного средства. Внутренний связной блок оборудован устройством передачи данных. Оконечное устройство пользователя представляет собой блок, оснащенный ЖК-дисплеем (8 строк х 40 символов), специализированной 60-клавишной клавиатурой (размеры 220х210х90 мм, вес 1,5 кг) и портативным принтером. Дополнительно поставляется 5-кнопочная панель, обеспечивающая передачу стандартных сообщений. Кроме услуг, стандартных для СППС, система Prodat позволяет осуществлять сбор метеоданных, экологической информации, а также оперативную связь со службами безопасности при возникновении экстренных ситуаций.

Низкоорбитальные спутниковые системы

Globalstar

Система представляет собой консорциум международных телекоммуникационных компаний, основанный в 1991 году. Система Globalstar разработана для предоставления высококачественных спутниковых услуг для широкого круга пользователей, включающих в себя:

• голосовую связь;
• службу коротких сообщений;
• роуминг;
• позиционирование;
• факсимильную связь;
• передачу данных.

Система Globalstar предназначена для пользователей сотовых сетей, использующих роуминг за пределами покрытия домашней сети, для людей, работающих в удаленных районах, где наземная связь полностью отсутствует, для жителей населенных пунктов с ограниченной емкостью телекоммуникационных сетей в целях удовлетворения потребности в телефонии, а также для тех, кому необходима связь во время международных командировок и путешествий. Спутниковая группировка состоит из 48 рабочих и 4 запасных спутников, располагающихся на низкой орбите, на высоте 1414 км (876 миль) от поверхности Земли.

Система персональной связи Globalstar включает в себя три основных сегмента: космический, наземный и сегмент пользователя. Система управления передачей данных и обработки сигнала, сосредоточенная на наземных станциях, использует технологию CDMA. Архитектура сети построена таким образом, что все запросы (как местные, так и международные) обрабатываются и коммутируются в наземной станции сопряжения с последующей передачей в наземную сеть общего пользования, обеспечивая связь с абонентскими терминалами Globalstar и основными наземными телефонными и сотовыми сетями. По мнению участников проекта, данная технология предоставляет более надежную связь, чем при использовании для маршрутизации межспутниковых каналов, и гарантирует "суверенизацию" связи в пределах страны. В соответствии с проектом на территории России одновременно доступны не менее 4 спутников. Передача сообщений и управление роумингом обеспечивается спутником Globalstar за счет ретрансляции по принципу "изогнутого волновода" (bent-pipe). В качестве поставщиков бортового оборудования выступили компании Alcatel Espace (Франция), Loral Space&Communications и Alenia Spazio (Италия). Спутники работают с абонентом в диапазонах частот 1610-1626,5 МГц (прием) и 2483,5-2500 МГц (передача), формируя 16 лучей, создающих на поверхности земли зону обслуживания диаметром несколько тысяч километров, внутри которой возможна коммутация на любой частоте стандарта CDMA (полоса 1,23 МГц). Суммарная мощность ретрансляторов составляет 1000 Вт. В настоящее время определены только два участника запусков КА Globalstar: это американская корпорация McDonell Douglas (ракетоноситель Delta II) и украинское НПО "Южное" (ракетоноситель Зенит-2). 14 февраля 1998 г. с космодрома на мысе Канаверал была успешно запущена первая четверка спутников Globalstar (разработка SpaceSystems/Loral, ракетоноситель Delta II), а 24 апреля запущены следующие четыре КА.

Наземный сегмент Globalstar включает в себя центр управления связью и полетами, а также региональные станции сопряжения, которые обеспечивают коммутацию с сетью общего пользования, осуществляют внешний роуминг и ведут учет вызовов для биллинговых расчетов. Кроме того, для управления всей системой и контроля станции сопряжения будут поддерживать связь друг с другом и с центром управления по наземным выделенным каналам передачи данных (Е1/Т1) или по каналам сотовой сети PLMN (в стандарте AMPS или GSM). В состав оборудования наземной станции входит антенный комплекс, поставляемый Alcatel, а также высокочастотное и коммутационное оборудование компании Qualcomm. Приобретя у компании Qualcomm лицензию на систему OmniTracs (для слежения за объектами и определения их местоположения в сотовой сети на базе CDMA), Globalstar получила эксклюзивные права на ее применение в наземной станции сопряжения сети Globalstar. Согласно расчетам, для охвата всей планеты с учетом национальных границ и для минимизации наземного трафика потребуется около 210 станций. Первые наземные станции были построены в 1997 году во Франции, Южной Корее, США и Австралии.

Сеть оснащена абонентскими терминалами трех типов: портативными (трубка, аналогичная сотовому телефонному аппарату), мобильными (устанавливаемыми на транспортных средствах) и стационарными (таксофон). Компания Qualcomm, разработчик портативных и мобильных аппаратов, выпускает три вида устройств: трехмодовые (Globalstar/AMPS/CDMA), двухмодовые (Globalstar/GSM) и одномодовые (Globalstar). Их главная особенность - специальная схема регулировки мощности передатчика, способная обеспечить безопасный уровень мощности сигнала (мощность передатчика может быть уменьшена без потери качества сигнала с 400 мВт до 2 мВт). Расчетное время установления соединения не более 30 с, задержка сигнала не более 150 мс, скорость передачи - 9,6 Кбит/c.

"ГлобалТел", совместное предприятие компаний Globalstar L.P. и "Ростелеком", будет владеть российской частью наземного сегмента Globalstar и является эксклюзивным оператором сети, обеспечивающим весь комплекс услуг для абонентов беспроводной связи и сетей общего пользования. Предоставление услуг по системе Globalstar компания-провайдер "ГлобалТел" начала осенью 1998 года. В настоящее время построены 3 станций сопряжения в Москве, Новосибирске и Хабаровске, обеспечивающих охват территории России южнее 70 град. северной широты. Ввод первой из них намечен на первую половину этого года. К 2005-го в России сооружено 9 станций сопряжения, обслуживающих 260 тыс. пользователей.

Odyssey

Проект Odyssey разрабатывался для обеспечения глобальной радиотелефонной связи и предоставления различных видов услуг персональной связи с помощью средневысотной группировки спутников. Основным исполнителем является международная компания Odyssey Telecommunication International (OTI), финансирует программу группа компаний, в которую кроме OTI входят основные инвесторы - TRW Space&Technology Group (США) и Teleglobe (Канада), а также ряд других фирм: Spar Aerospace (Канада), Thomson CSF (Франция) и другие. Стоимость проекта - 2,5 млрд. долл. (В активе компании TRW более 185 спутниковых, военных и научных космических комплексов, а Teleglobe является крупнейшим телекоммуникационным оператором в мире.).

Спутники выводились на орбиту попарно ракетой-носителем Atlas IIА. Период обращения спутника приблизительно 6 ч, угловая скорость - около 1 град./мин. Над большинством участков суши в зоне обслуживания одновременно находятся по 2 спутника, причем один из них обязательно не ниже 30 град. над горизонтом. Система в целом обеспечивает обслуживание абонентов на территории от 70 град. северной широты до 70 град. южной широты и охватывает зону протяженностью свыше 7 тыс. км.

Отличительная особенность системы Odyssey - квазистатичное покрытие поверхности Земли. Все спутники оснащаются многолучевыми антеннами, которые создают непрерывную сотовую структуру покрытия поверхности Земли, охватывающую (избирательно) только сушу и наиболее судоходные акватории мирового океана. По мере движения спутника по орбите система позиционирования лучей отслеживает формирование географически неподвижной сотовой структуры на обслуживаемой территории. Радиовидимость двух спутников обеспечивается под сравнительно высокими углами наблюдения практически с любых широт. Даже если для связи доступен лишь один спутник, его угол видимости окажется не меньше 30 град., что гарантирует почти круглосуточное обслуживание (95% суточного времени).

Связь в системе Odyssey организована на базе простого "прозрачного" ретранслятора с преобразованием частоты; обработка информации на борту спутника не предусмотрена. Маршрутизация и обработка сообщений осуществляются на наземных станциях. Для передачи информации применяются широкополосные сигналы и многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA). Прием информации от абонентских терминалов ведется в L-диапазоне (1610,0-1626,5 МГц), а передача - в S-диапазоне частот (2483,5-2500 МГц) с использованием круговой поляризации в обеих радиолиниях. Эквивалентная изотропная мощность излучения для канала "спутник-Земля" составляет 24,2 дБ/Вт.

Антенная система спутника создает на земной поверхности зону, образуемую 61 узким лучом, причем одни и те же зоны могут использоваться на прием и на передачу. Для каждого луча выбирается одна пара несущих частот; коэффициент повторного использования частот - не ниже 6.

Наземный сегмент Odyssey включает в себя базовые станции и терминалы. Двухрежимный радиотелефонный терминал обеспечивает работу в сетях стандарта GSM, TDMA, CDMA, PHS, позволяя работать не только в системе Odyssey, но и в наземных сотовых сетях, доступ к которым является приоритетным.

Связь регламентирована так, что после определения свободных частот вызов всегда направляется в адрес базовой станции сотовой сети. В случае невозможности соединения с базовой станцией (вызов блокирован или все частоты заняты) терминал автоматически передает запрос на спутник системы Odyssey. При запросе спутникового канала пользователю автоматически назначается пара частот (каналы "вверх" и "вниз") в одном из лучей.

Передача речи осуществляется со скоростью 4,2 Кбит/с; вероятность ошибки в речевом канале - не более 10-3. Кроме речевой связи терминал Odyssey поддерживает пейджинг, режим электронной почты, определение местоположения абонента. Скорость передачи данных составляет 2,4-64 Кбит/с; вероятность ошибки на бит - не более 10-5.

Определение координат производится по собственным сигналам системы Odyssey. Погрешность определения местоположения - не более 15 км.

Определяющей характеристикой сети персональной связи является задержка сигнала. В системе Odyssey при подключении мобильных пользователей к телефонной сети общего пользования задержка сигнала составляет около 110 мс, что обеспечивает качественную передачу речевых сообщений (задержка спутникового канала - 84 мс, задержка наземного тракта - 20 мс).

В сети не предусмотрены межспутниковые связи. Весь трафик данного региона передается через узловые станции, связанные между собой многоканальными линиями связи. Узловая станция осуществляет не только прием/передачу регионального трафика, но и сопряжение с телефонной сетью общего пользования, управление межлучевой коммутацией, прием и обработку телеметрии с борта спутника.

В каждом из обслуживаемых регионов предусмотрена установка по одной земной узловой станции, а для глобального охвата территории Земли достаточно 7.

На первом этапе развертывания орбитальной группировки, до 2000 года, в основных регионах в течение 14ч в сутки задействованы только 6 спутников. На следующем этапе создана полномасштабная орбитальная группировка из 12 спутников. Приоритетными зонами обслуживания сети Odyssey являются США, Европа, Азия и акватория Тихого океана.

ICO

В 1989 году в рамках компании Inmarsat была образована группа, получившая название "Проект XXI века". В ее задачи входило изучение возможностей мобильной спутниковой связи и разработка малогабаритного персонального спутникового терминала. По результатам исследований руководством Inmarsat было принято решение построить систему ICO на базе средневысотных КА. Для организации работ в рамках системы ICO была создана фирма - оператор услуг подвижной персональной связи IСО Global Communications; Inmarsat является одним из крупнейших акционеров ICO. В настоящее время в концерн ICO входит 51 компания, три четверти которых - национальные или местные операторы сотовой связи, удерживающие более 25% мирового рынка сотовых систем.

Космический сегмент системы ICO обеспечит глобальный охват поверхности Земли, включая полярные районы. За счет перекрытия зон охвата в пределах видимости каждой точки зоны обслуживания будут одновременно находиться 2-4 спутника. Один спутник сможет обслуживать приблизительно 25% поверхности Земли. Первый спутник системы ICO планируется запустить в нынешнем году, а ввод системы в эксплуатацию был намечен на 2000 год.

Система ICO будет использовать для связи L- и C-диапазоны частот. В качестве базовой технологии определен метод многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA). Для передачи информации по каналам Земля-спутник/спутник-Земля были выбраны следующие диапазоны: "вверх" - 1980-2010 МГц, "вниз" - 2170-2200 МГц. Средняя продолжительность обслуживания абонентов составит 50 мин; максимальное время пребывания одного спутника в зоне радиовидимости может достигать 1,5-2 ч.

В системе ICO будут задействованы главным образом уже известные и проверенные технические решения. Так, для изготовления спутников планируется использовать (после внесения некоторых изменений) спутниковую платформу НS-601 корпорации Hughes Sрасе and Communications, применяемую для создания крупногабаритных геостационарных спутников.

Спутники с установленными на них ретрансляторами С- и S-диапазонов смогут одновременно поддерживать 4500 телефонных каналов. В системе ICO не предусмотрена бортовая обработка сигнала в полном объеме. Однако управление назначением частот и маршрутизация сигнала осуществляются с помощью бортового процессора.

В предварительный список ракетоносителей, которые будут производить запуск спутников ICO, попали Atlas IIA, Delta III, "Протон" и "Зенит" (для запуска с морских площадок).

Наземный сегмент будет включать в себя центр управления спутниковой группировкой SCC (Satellite Control Centre), центр управления наземной сетью NMC (Network Management Centre) и наземную сеть ICONET (ICO network). NMС предполагается разместить в Японии, а центр SCC - в Лондоне.

Спутниковые каналы будут подключены к существующим сетям связи через собственную сеть ICONET, в которую на первом этапе войдет 12 наземных станций, так называемых спутниковых узлов доступа (SAN). Узлы должны выполнять роль "шлюзов" между спутниками IСО и абонентами наземных сетей общего пользования и обеспечивать первичный интерфейс, необходимый для маршрутизации трафика и предоставления данных о местонахождении абонентов. Магистральные каналы с высокой пропускной способностью связывают узлы между собой. В настоящее время к разработке спутниковых узлов доступа и оборудования центра управления сетью приступили компании NEC, Hughes Network Systems и Ericsson.

Связь между абонентами организуется только через узлы доступа, непосредственная связь абонентов не поддерживается. Радиотелефонный терминал ICO работает в двух режимах: через спутники системы ICO или через наземные базовые станции сотовой связи. Для связи с подвижными объектами предусмотрено создание специальных терминалов. В качестве базового будет использоваться портативный двухрежимный терминал, совмещенный с сотовым телефоном стандарта GSM (или CDMA, D-AMPS, PDC). Компания ICO уже заключила соглашение на разработку 3 млн. портативных терминалов с компаниями Panasonic, NEC и Mitsubishi.

В составе услуг ICO - весь набор, обеспечиваемый сотовыми сетями GSM, определение местоположения абонента, оповещение о вызове и т. п. Пропускная способность системы составит 1 млн. абонентов при средней продолжительности разговоров 60 мин. в месяц.

В России интересы компании ICO вызвалось представлять ГП "Морсвязьспутник", поэтому существует вероятность, что российский потребитель после 2000 года сможет воспользоваться услугами сети ICO. Во время своего последнего визита в Москву Олаф Лундберг, глава ICO, сообщил, что компания намерена инвестировать около 400 млн. долл. в российскую часть проекта и предложить на нашем рынке три вида услуг:

• персональную связь для бизнесменов;
• обеспечение грузовых автомобильных и морских перевозок;
• персональную связь для компаний, работающих в области средств массовой информации и госучреждений.

Iridium

Идея системы низкоорбитальных спутников спутниковой сети Iridium была предложена в 1987 году компанией Motorola. Изначально предполагалось охватить поверхность земного шара 77 спутниками, вращающимися вокруг Земли. Химический элемент иридий, имеющий 77 электронов, "подарил" название будущей сети. Позднее авторы проекта рассчитали, что за счет увеличения числа лучей в каждом спутнике можно будет обойтись 66 спутниками, однако красивое имя осталось.

В 1993 году консорциум Iridium подписал контракт на приобретение системы спутниковой связи у компании Motorola и объявил о начале реализации проекта. Основные роли распределились следующим образом. Компания Lockheed - разработка ключевых элементов космического сегмента системы, компания Motorola - бортовое оборудование, эксплуатация и техническое обслуживание, фирма COM DEV (Канада) - аппаратура межспутниковой связи. Вывод спутников на орбиту обеспечивали корпорация McDonell Douglas (ракетоносители Delta II), Российский космический центр им. Хруничева ("Протон") и китайская компания "Великая Стена" (ракетоноситель Long March IIc).

Основная концепция сети Iridium заключалась в создании "общей зоны обслуживания", которая обеспечивается межспутниковыми каналами связи и кластеризацией лучей спутника. (В системе Iridium кластерами называют группу лучей спутника (каналов с задаваемым 12-лучевым шаблоном набора частот, специально подбираемых так, чтобы избежать интерференции), которые могут повторно использоваться соседними кластерами. По мнению разработчиков, этот способ формирования "сот" общей области обслуживания обеспечивает надежную передачу информации между каналами.)

Связь между спутниками поддерживается на частотах в Ка-диапазоне (от 23,18 до 23,38 ГГц) со скоростью передачи информации 12,5 Мбит/c, а связь с абонентами - в L-диапазоне частот (1616-1626,5 МГц). Таким образом, обеспечивается 1100 полнодуплексных каналов со скоростью передачи пакетов около 50 Кбит/с. Выбранная архитектура сети позволяет реализовать переадресацию сигнала на спутники, находящиеся на той же или соседней орбите, а также обеспечивать роуминг в течение неограниченного времени без нарушения связи. Для контроля бортового оборудования и межспутниковой связи предусмотрено использование компьютера SVARC на базе нескольких процессоров PowerPC 603. Большую часть бортового оборудования выпустила Motorola, создавшая поточную линию по производству спутников.

Наземный комплекс осуществлял связь с наземными сетями общего пользования и биллинг. Особенностью архитектуры Iridium является отсутствие координирующих региональных станций для связи абонентов, необходимых в таких сетях, как Globalstar или Inmarsat. Зона обслуживания охватывала не только всю земную поверхность, но и воздушное пространство высотой до 180 км, что позволяло курировать авиацию.

Связь между абонентами осуществлялась через спутниковую сеть с использованием наземных станций сопряжения. В производстве оборудования участвовали компании Siemens (коммутирующие устройства) и Scientific Atlanta (антенный комплекс). Основные функции станции сопряжения - соединение сети спутников с наземными телефонными сетями общего пользования, учет вызовов и времени разговора абонента (биллинг). При этом, если в регионе пребывания пользователя отсутствует наземная сотовая система радиотелефонной связи, то радиотелефон Iridium связывается напрямую с ближайшим спутником и далее - с нужным абонентом или с наземной станцией сопряжения. В настоящее время выпускаются станции сопряжения четырех конфигураций - на 30 тыс., 60 тыс., 90 тыс. и 120 тыс. абонентов.

Другим компонентом наземного сегмента является двухмодовый универсальный радиотелефон Iridium, созданный Motorola на базе цифровых методов обработки и передачи сигнала. Он обеспечивает связь с любой региональной сотовой сетью (вставные заказные модули) и со спутниковой сетью Iridium. В целях повышения эффективности ограниченной полосы частот шириной 5,15 МГц Motorola применила комбинацию методов доступа: соединение частотного (FDMA) и временного (TDMA) разделения каналов. Терминалы также поддерживают спецификации CDMA и GSM. Кроме того, наличие в радиотелефоне стандартного интерфейса RS-232 позволит осуществлять передачу цифровых данных и факсимильных сообщений.

Составной частью наземного сегмента является MCF (Master Control Facility), система управления и контроля, предназначенная для глобального администрирования сети Iridium, технической поддержки, а также для планирования запусков, отслеживания работоспособности спутников, мониторинга бортового оборудования, сбора и анализа телеметрии. Первая станция MCF построена в США, а резервная - в Италии.

Первый спутник сети Iridium был запущен в январе 1996 года. К настоящему времени на орбиту выведен 41 спутник, и продолжается строительство и оснащение оборудованием наземных станций сопряжения. В Москве завершены строительные работы и ведется монтаж оборудования наземной станции сопряжения на территории космического центра им. Хруничева, который в 1993-м присоединился к консорциуму Iridium, при этом объем его капиталовложений составил 82 млн. долл.

Центр им. Хруничева не только осуществляет запуск спутника с помощью ракетоносителя "Протон" (общее число выводимых "Протоном" спутников - 21, сумма контракта - 174 млн. долл.), но также намерен выступить в роли провайдера услуг Iridium. Он эксплуатировал региональную российскую станцию сопряжения, которая рассчитана также на предоставление услуг связи в ряде стран СНГ. Ввод сети в коммерческую эксплуатацию планировался на сентябрь 1998 года.

С операторами персональной спутниковой связи конкурируют операторы сотовой связи. В связи с этим Iridium испытывали серьёзные финансовые затруднения, которые довели Iridium до реорганизационного банкротства в 1999 г.

Thuraya

Система подвижной спутниковой связи «Thuraya» состоит из следующих сегментов:

• Космического
• Наземного
• Пользовательского

Подвижная спутниковая связь предоставляется космическим сегментом. До недавнего времени этот сегмент состоял из одного действующего спутника, находящегося на геостационарной орбите в точке 44 градуса восточной долготы на высоте 35 787 километров над экватором. Спутник был запущен в октябре 2000 года ракетой-носителем «Зенит» в рамках международной программы «Морской старт».

Спутник Thuraya-1 массой 5108 кг был запущен в октябре 2000 г. ракетой Zenit-3SL с платформы морского старта в Тихом Океане. Отделение спутника от ракеты-носителя произошло над Северной Америкой на высоте 2233 км, и спутник, рассчитанный на срок службы 12-15 лет, занял геостационарное положение на 44° в. д.

В спутниковой системе мобильной связи, разработанной компанией Hughes Electronics, используется геостационарный спутник Hughes 702, который должен обеспечить покрытие всего континента при небольших затратах. Пропускная способность сети - около 13 750 телефонных каналов. В системе могут применяться пользовательские терминалы различных типов, в том числе телефоны, близкие к сотовым телефонам по размерам, внешнему виду и качеству передачи речи, а также мобильные телефоны, установленные в транспортных средствах, и стационарные телефоны.

Спутник Thuraya-1 имеет самый большой отражатель L-диапазона из всех, когда-либо устанавливавшихся до сих пор на коммерческих спутниках:

• 250-300 узких лучей (spot beam);
• цифровую систему формирования лучей (которая обеспечивает динамическое покрытие территории и его оптимизацию применительно к изменениям трафика);
• большую мощность.

Он обеспечивает возможность соединения двух мобильных терминалов через один спутник.

Интерфейс этой системы построен на стандарте GSM, но имеет ряд важных особенностей, оптимизирующих его применительно к специфике спутникового канала. Первая версия спецификаций обеспечивает поддержку богатого набора функций GSM фазы 2, включая SMS и сотовое вещание, и в нем предусмотрена возможность перехода к услугам GPRS или UMTS с коммутацией пакетов.

Предусмотрены также некоторые уникальные услуги и возможности, очень важные для спутниковой системы, в том числе интегрированные услуги, основанные на определении местоположения; возможность соединения терминал - терминал через один спутник с обеспечением конфиденциальности при помощи системы шифрования, подобной применяемой в стандарте GSM, а также оптимальная маршрутизация к наилучшему шлюзу с использованием сведений о местоположении пользователя, поставщике услуг связи и номере вызываемого абонента.

10 июня 2003 г. компанией Thuraya Satellite Communication успешно произведен запуск второго геостационарного спутника Thuraya-2 с морской стартовой платформы "Odyssey" из акватории Тихого океана. Он позволил существенно расширить емкость спутникового сегмента. Это открывает новые направления роста: увеличение спутникового ресурса в некоторых областях, создание новых рынков и развитие новых спутниковых приложений. Зона действия спутников — около 50 % территории Российской Федерации.

Благодаря большим антеннам на спутниках поддерживается связь с помощью мобильных терминалов по размеру и качеству связи сравнимых с телефонами GSM.

Спутники обладают следующими особенностями:

• 250-300 лучей (многолучевой антенны)
• наличием связи между мобильными телефонами только через спутник без участия наземного сегмента
• высокой емкостью (13.750 линий связи)
• наземный сегмент включает в себя Центр управления спутником и базовую станцию сопряжения с наземными сетями, расположенными в городе Шарджа (ОАЭ)

Пользовательский сегмент состоит из пользовательских терминалов (телефонов) различных модификаций: портативных (терминалов-трубок), автомобильных и стационарных терминалов.

Абонентские терминалы системы «Thuraya» работают как в спутниковом, так и в сотовом режиме (стандарт GSM), кроме того, они имеют встроенный GPS-приемник. Мобильные терминалы-трубки «Thuraya» сопоставимы с сотовыми телефонами по размеру, внешнему виду и качеству телефонной связи. Услуги, предоставляемые сетью «Thuraya», дополняют услуги наземных сотовых сетей и достигают удаленных территорий, недоступных для традиционной мобильной связи. Пользователи системы «Thuraya» могут пользоваться традиционными услугами наземных GSM-сетей (передача данных, SMS сообщений), и автоматически переключаться в спутниковый режим при нахождении на территориях, где отсутствует сотовая связь. В свою очередь, при выезде из зоны покрытия сети «Thuraya» абоненты могут пользоваться роумингом в сотовых сетях стандарта GSM.

Радиоинтерфейс GMR-1 для спутниковой системы мобильной связи Thuraya был разработан компанией Hughes Electronics. Thuraya - это телекоммуникационная компания, которая предлагает спутниковые мобильные телефоны и спутниковые таксофоны. В ее телефонах интегрированы функции спутниковой связи, сотовой связи стандарта GSM и GPS-приемника. Система начала действовать в начале 2001 г. В спецификации GMR-1 введен также ряд методов повышения эффективности речевого канала через GSM, в том числе улучшенная модуляция и улучшенный речевой кодек с малой скоростью передачи. Стандарт GSM поддерживает 8 полноскоростных речевых каналов на каждые 200 кГц или 40 таких каналов на 1 МГц, а GMR-1 - 256 речевых каналов на 1 МГц.

Система GMR-1 обеспечивает быстрое определение местоположения, как собственными средствами, так и с использованием системы GPS. Возможности системы GPS сокращают время определения местоположения с 90 с до 5 с и меньше. GPS-приемник имеют мобильные телефоны производства компаний Hughes и Ascom. Широковещательный канал управления GPS (GPS Broadcast Control Channel, GBCH) обеспечивает более быстрый доступ к спутниковым параметрам системы GPS. Для GPS-спутников и оценки времен в системе GPS предусмотрена информация об эфемеридах и календарная информация.

Единым точечным источником всех узких лучей является спутник мобильной связи, что позволяет синхронизировать все управляющие каналы. Это имеет очень большое значение для выбора и переключения узких лучей. Сигналы управления сотами GSM-сети имеют разные источники и асинхронны, что учитывается в конструкции и протоколе каналов управления GSM. Для ускорения и повышения точности выбора узких лучей, а также для некоторого повышения эффективности каналов управления в системе GMR-1 используется синхронизация каналов. Быстрота переключения каналов GMR-1 обеспечивается именно тем, что они всегда синхронны.

Поскольку архитектура протоколов GMR-1 тесно привязана к GSM, усовершенствования протоколов GSM могут использоваться в GMR-1. Важнейшим этапом эволюции GSM является включение в этот стандарт услуг пакетной коммутации на основе протоколов GPRS, EGPRS и протоколов 3-го поколения. Эволюционирование GMR-1 также уже началось, что позволит повысить скорость передачи данных до 144 кбит/с на первом этапе и до 432 кбит/с в дальнейшем.

Сравнительная таблица систем подвижной спутниковой связи

Системы глобальной подвижной связи

Развитие информационных технологий, средств и систем спутниковой связи, реализация цифровых методов передачи данных создали перспективы для дальнейшего усовершенствования и расширения возможностей систем подвижной спутниковой связи (СПСС) и их применения в сфере грузоперевозок. Поскольку эта отрасль всегда относилась к стратегическим областям хозяйственной деятельности, контроль над перемещением грузов, определение их местоположения, а также возможность передачи аварийных сигналов при непредвиденных ситуациях имеют огромное значение.

Подобные системы способны осуществлять контроль над состоянием нефтяных и газопроводов и могут быть успешно использованы для организации и проведения поисково-спасательных работ при чрезвычайных ситуациях. В России значительный интерес к СПСС обусловлен, в основном, слабо развитой инфраструктурой наземных средств телекоммуникаций. Кроме того, результаты эксплуатации существующих зарубежных систем указывают, что СПСС имеют ряд технических и экономических преимуществ, особенно если такая сеть обеспечивает передачу данных.

Большинство существующих СПСС создаются на базе наземных сетей с топологией типа "звезда", или радиально-узловой, предусматривающей крупные центральные (или базовые) станции для работы с мобильными абонентами или подвижными наземными станциями. Такие сети используют для обмена информацией со спутником рабочие диапазоны частот 1,6/1,5 (терминалы) и 6/4 ГГц (станции).

В отличие от спутниковых сетей, абонентские терминалы систем подвижной связи для грузоперевозок характеризуются, прежде всего, средней информационной нагрузкой. Согласно этой характеристике, сети можно разделить на малоактивные (объем передаваемой информации до 200 бит в сообщении) и экстремальные (осуществляющие передачу только в особых ситуациях), а по объему передаваемой информации - на "мало-" (до 300 бит), "средне-" (до 2 кбит в сутки) и "высокоинформативные" (от 10 кбит). При этом скорость передачи данных в последних обычно не превышает 2,4-4, 8 кбит/с и предусматривает пересылку только коротких диспетчерских сообщений. Технологической особенностью таких сетей является преимущественно пакетная передача данных, стоимость которой значительно ниже, чем при обмене речевой информацией.

Важной характеристикой СПСС является возможность и точность определения местоположения абонента и передача его координат в диспетчерский пункт. В настоящее время это выполняется двумя способами. Первый предусматривает установку у подвижного абонента стандартного навигационного приемника, использующего сигналы глобальной системы спутниковой навигации. Второй (автономный) обеспечивает определение местоположения по собственным сигналам, применяя для вычисления координат многоспутниковую орбитальную группировку.

Особенностью большинства систем подвижной спутниковой связи является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Для того, чтобы мощность сигнала, достигающего приемника, была достаточной, применяют одно из двух решений:

Спутники располагаются на геостационарной орбите. Поскольку эта орбита удалена от Земли на расстояние 35786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик. Этот подход используется системой Inmarsat (основной задачей которой является предоставление услуг связи морским судам) и некоторыми региональными операторами персональной спутниковой связи (например, Thuraya).

Множество спутников располагается на наклонных или полярных орбитах. При этом требуемая мощность передатчика не так высока, и стоимость вывода спутника на орбиту ниже. Однако такой подход требует не только большого числа спутников, но и разветвленной сети наземных коммутаторов. Подобный метод используется операторами Iridium и Globalstar.

В декабре 2006 года был запущен экспериментальный геостационарный спутник Кику-8 с рекордно большой площадью антенны, который предполагается использовать для отработки технологии работы спутниковой связи с мобильными устройствами, не превышающими по размерам сотовые телефоны.

Система ORBCOMM

Система ORBCOMM, предназначенная для пакетной передачи данных, разрабатывается международной организацией Orbital Communications (образована в 1990 г. американской фирмой Orbital Sciences и канадской телекоммуникационной корпорацией Teleglobe). Ввод сети ORBCOMM в эксплуатацию состоялся в 1998 г. В настоящее время Orbital Communications заключила соглашения с поставщиками услуг более чем в 70 странах мира, в том числе с фирмой RTCM из Санкт-Петербурга.

Основными функциями системы являются: автоматизированный сбор данных о координатах и состоянии объектов, предоставление услуг электронной почты и определение местоположения пользователя с помощью автономной навигации ORBCOMM и устройств системы GPS. По охвату зон обслуживания система в полной мере относится к глобальным, поскольку ее космический сегмент обеспечит работу с абонентами из разных стран мира, в том числе из США, Канады, России, ЮАР, Нигерии, а также из стран Южной Америки.

В космический сегмент входят 36 микроспутников (четыре на двух околополярных орбитах и по 8 в 4 орбитальных плоскостях с наклонением 45 град.). Высота орбиты 775 км, вес спутника 39,5 кг, срок эксплуатации 4 года. Спутники системы ORBCOMM разрабатываются компанией Orbital Sciences на базе собственной платформы Microstar, обеспечивающей вывод аппарата на орбиту с помощью выпускаемых этой же компанией ракет-носителей Pegasus, Pegasus XL и Taurus.

Запуск двух первых экспериментальных спутников (Flight Model 1 и 2) ракетой PH Pegasus был произведен с борта самолета-носителя L-1011 в 1995 г. Несмотря на сбои в установлении связи, количество сообщений, переданных этими спутниками, превысило 300 тыс. Первая группа из 8 штатных спутников была запущена в начале 1997 г. а до конца года были запущены все остальные.

В составе бортового оборудования, кроме приемопередающих устройств дециметрового и метрового диапазонов и антенного комплекса, предусмотрена аппаратура радионавигационной системы GPS. Канал "спутник-Земля" (рабочий диапазон частот 137-138 МГц) используется для передачи данных в комбинированном стандарте TDMA/FDMA (скорость передачи мобильному объекту 2,4 кбит/c), а обратный (полоса 148-149,9 МГц) - в стандарте FDMA (скорость передачи 4,8 кбит/c). Для связи с узловой станцией, входящей в наземный сегмент, используется высокоскоростной канал 57,6 кбит/с. На спутнике ORBCOMM установлен приемник системы GPS, что обеспечивает автономное определение координат абонента, поскольку расчет параметров орбиты спутника производится на борту и рассылается не только наземным станциям, но и мобильным пользователям. Очевидно, что точность определения координат зависит от диапазона рабочих частот приема и числа спутников в зоне обслуживания, однако разработчики считают, что даже в самом худшем случае (частота 137 МГц, один спутник) погрешность не превысит 1100 м.

Наземный сегмент предусматривает единый центр управления космическим сегментом в штате Виржиния, узловые станции и региональные центры управления сетью, которые отвечают за трафик и сопряжение с другими сетями передачи данных (в частности, с Internet) или с наземными абонентами (по выделенным каналам и сети общего пользования). Каждая узловая станция в системе ORBCOMM осуществляет связь одного спутника с центрами управления. Соединение в ORBCOMM устанавливается по запросу, как пользователя, так и узловой станции. Кроме того, в функции узловой станции входит организация опроса датчиков на необслуживаемых объектах. Согласно расчетам Orbital Sciences, для охвата всей территории США достаточно четырех наземных станций, которые предполагается построить на территории шт. Вашингтон, Аризона, Нью-Йорк и Джорджия.

В проекте предусмотрены несколько модификаций терминала ORBCOMM (в настоящее время находятся в стадии реализации).

Перспективы развития

Последние достижения технологии в области спутниковой связи говорят о больших потенциальных возможностях ССС в расширении пропускной способности каналов передачи, разработке и внедрении новых служб связи. Будущее ССС за широкополосными широковещательными приложениями и спутниковыми системами подвижной связи.

На пороге XXI века коммерческая спутниковая связь все активнее проникает в нашу жизнь. И хотя почти все ныне действующие системы основаны на применении геостационарных и высокоэллиптических спутников, аналитики прогнозируют скорое изменение ситуации. По их предположениям, даже в странах с развитой инфраструктурой около 35% потребностей в услугах будут удовлетворяться за счет глобальных систем персональной связи с низко- и средневысотными спутниками. Предоставляя пользователям практически одинаковый набор телекоммуникационных услуг (речь, данные, пейджинг, короткие сообщения, определение местоположения), конкурирующие системы сильно различаются по своим характеристикам и наземным структурам.

И хотя наиболее важными для потребителя являются технико-экономические параметры, они нередко преподносятся в рекламных целях (и поэтому не всегда объективны), что в принципе объясняется жесткой конкурентной борьбой. Особенно бурные споры вызывают стоимость терминалов и предлагаемые тарифы. Так, трудно объяснить, почему двухрежимный терминал Motorola, обеспечивающий практически те же характеристики, что и терминалы других фирм (например, терминалы Mitsubishi для систем Odyssey и ICO), стоит в несколько раз дороже. Какими окажутся окончательные цены и тарифы, покажет время. Ждать осталось недолго.

Спутниковое будущее России

Спутниковая связь и ракетно-космическая отрасль промышленности в нашей стране переживают большие трудности. Упразднен единый государственный заказчик и хозяин космических средств - Военно-Космические Силы, сокращено финансирование в этой области по гражданской линии - в 5 раз, по военной - в 10 раз. Такое положение привело к тому, что 60 % действующих спутников связи типа "Горизонт" и "Экспресс" выработали свой ресурс и требуют замены. Все это затрудняет нормальную деятельность российских систем связи и вещания.

Развитие сетей за рубежом

Последние достижения технологии в области спутниковой связи говорят о больших потенциальных возможностях ССС в расширении пропускной способности каналов передачи, разработке и внедрении новых служб связи. Будущее ССС за широкополосными широковещательными приложениями и спутниковыми системами подвижной связи.

В ряды крупных консорциумов и организаций, ориентированных на геосинхронные спутники, активно вливаются новые участники, предлагающие услуги сетей подвижных связи и использующие низкоорбитальные спутниковые системы (LEO - Low Earth Orbit). Системы LEO, разрабатываемые рядом американских фирм, используют большое число легких спутников на орбитах ниже 2 тыс. км для организации услуг по передаче сообщений и речи, определению местонахождения и срочных коммуникаций между мобильными терминалами. В отличие от наземных сотовых сетей подвижной связи, в которых абонент последовательно перемещается через смежные соты небольшого размера, в системе LEO подобная "сота" ограничена лишь горизонтом земли. Низкая орбита спутников резко сокращает задержку по сравнению с системами, ориентированными на геосинхронные орбиты спутников.

Одним из наиболее амбициозных проектов системы LEO является система Iridium, разрабатываемых компанией Motorola, которая включает 66 спутников, позволяющих обеспечить двухстороннюю радиотелефонную речевую связь. В принципе, нет никаких технических препятствий для полного развертывания системы Iridium, однако глобальный характер и возможность функционирования вне национальных телефонных сетей предполагают предварительное изучение и установление необходимых регулирующих барьеров.

В ряду других крупных проектов систем LEO отметим Globalstar, Odyssey, Ellipso и Aries.

В заключение отметим, что ССС постоянно и ревниво сравниваются с волоконно-оптическими сетями связи. Внедрение этих сетей ускоряется в связи с быстрым технологическим развитием соответствующих областей волоконной оптики, что заставляет задаться вопросом о судьбе ССС. Посоветуем любителям спутниковой связи оставаться оптимистами: эволюционно/революционным преобразованиям подвержены, как следовало ожидать, и ССС. Например, разработка и, главное, внедрение конкатенирующего (составного) кодирования резко уменьшают вероятность возникновения неисправленной побитовой ошибки, что, в свою очередь, позволяет преодолеть главную проблему ССС - туман и дождь.