CC BY
543
УДК 629.783
СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ И НАВИГАЦИИ
В. В. Перемышленников, В. М. Мусонов Научный руководитель - А. В. Кацура
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
Рассмотрены основные спутниковые системы мира, их состав и возможности обеспечения
связи.
Ключевые слова: спутниковая связь, навигация.
SATELLITE SYSTEMS OF NAVIGATION AND COMMUNICATION
V. V. Peremyshlennikov, V. M. Musonov Scientific Supervisor - A. V. Katsura
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]
Major satellite systems in the world, their composition and the possibility of connectivity considered.
Keywords: satellite, navigation.
Спутниковая система (СС) используется для организации высокоскоростных микроволновых протяжных линий, для которых необходима прямая видимость передатчика и приемника, поскольку земная поверхность имеет кривизну, поэтому прямую видимость обеспечить невозможно. Решением этой проблемы стало изобретение искусственных спутников, которые являются отражателями электромагнитного сигнала.
Первый искусственный спутник был запущен в 1957 году в СССР, который передавал только двойной радиосигнал, которым подтверждал свое положение в космосе. В ответ на успех СССР американские ученые в 1962 году запустили первый телекоммуникационный спутник Telstar-1, поддерживавший до 600 каналов.
В современном мире спутник может играть роль узла первичной сети, телефонного коммутатора и маршрутизатора-коммутатора компьютерной сети, что достигается взаимодействием аппаратного обеспечения спутника не только с наземными базовыми станциями, но и между собой, образуя прямые космические сети. Для спутниковой связи характерны следующие частотные диапазоны:
1. Диапазон L - нисходящая частота (1,5 Ггц), восходящая частота (1,6 Ггц).
2. Диапазон S - нисходящая частота (1,9 Ггц), восходящая частота (2,2 Ггц).
3. Диапазон C - нисходящая частота (3,7-4,2 Ггц), восходящая частота (5,925-6,425 Ггц).
4. Диапазон Ku - нисходящая частота (11,7-12,2 Ггц), восходящая частота (14,0-14,5 Ггц).
5. Диапазон Ka - нисходящая частота (17,7-21,7 Ггц), восходящая частота (27,5-30,5 Ггц).
Диапазоны L и S предназначаются для организации мобильных услуг с помощью спутников.
Диапазон C используется для наземной и спутниковой связи. Диапазон Ku для спутникового телевидения. Диапазон Ka для спутниковой связи и радиолокации.
Современные спутники имеют 4 типа орбит, по которым они движутся:
1) геостационарная орбита (GEO) - 35 863 км;
2) средневысотная орбита (MEO) - 5000-15000 км;
3) маловысотная орбита (LEO) - 100-1000 км;
4) эллиптические спутниковые орбиты (HEO).
Секция « Техническая эксплуатация электросистем и авионики»
Геостационарный спутник. Спутник вращается над экватором со скоростью земли.
1. Спутник, за счёт высокой орбиты, покрывает четверть поверхности Земли.
2. Спутник неподвижен для наземных антенн, что значительно облегчает организацию связи, так не нужно автоматически корректировать направление наземной антенны, как это приходиться делать для низкоорбитальных и средневысотных спутников.
3. Спутник находиться на значительной высоте от атмосферы Земли, чем меньше изнашивается, что увеличивает его срок службы. Низкоорбитальные спутники из-за трения о воздух постоянно теряют высоту и им приходится её восстанавливать с помощью двигателей.
4. Спутники имеют большое количество антенн, что позволяет им поддерживать большое количество каналов связи.
Для принятия сигнала с такого спутника, необходимо применять параболические антенны диаметром до 10 м, но с появлением направленных антенн, которые устанавливались на спутниках, диаметр принимающей антенны снизился до 1 м (технология VSAT (Very Small Aperture Terminal)). Наземные станции, которые оснащены антеннами VSAT, предоставляют услуги телефонии, передачи данных, конференции.
Недостатком спутников на геостационарных орбитах является то, что они расположены на большом удалении от поверхности Земли, что приводит к большим задержкам (от 230 до 280 мс) при передаче сигналов. Кроме того, на таких расстояниях очень большие потери сигнала.
Среднеорбитальные спутники. Такие спутники покрывают от 10000 до 15000 км земной поверхности и обеспечивают задержку распространения сигнала порядка 50 мс. Наиболее известными системами, использующие такие спутники являются системы GPS и ГЛОНАСС [1].
Спутники GPS располагаются в шести плоскостях на высоте примерно 20 180 км от поверхности планеты. Спутники ГЛОНАСС (шифр «Ураган») находятся в трёх плоскостях на высоте примерно 19 100 км. Номинальное количество спутников в обеих системах - 24.
Обе системы используют сигналы на основе псевдошумовых последовательностей, применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков.
В соответствии с назначением, в каждой системе есть две базовые частоты - L1 (стандартной точности) и L2 (высокой точности). В ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов, то есть каждый спутник работает на своей частоте. Каждый спутник системы, помимо основной информации, передаёт также вспомогательную, необходимую для непрерывной работы приёмного оборудования.
Низкоорбитальные спутники. Главное достоинство таких спутников - близость к Земле, а значит пониженная мощность передатчиков, малые размеры антенн и небольшое время распространения сигнала (около 20-25 мс). Основным недостатком таких спутников является то, что у них очень малая площадь покрытия - всего 8000 км. Период оборота такого спутника вокруг Земли = 1,5 - 2 часа. Время связи с базовой станцией составляет примерно 20 минут. Кроме того, из-за низкой орбиты полёта, на такие спутники очень сильно влияет атмосфера, что ограничивает срок службы таких спутников 8-10 лет [2].
«Иридиум» (Iridium) и Глобалстар (Globalstar) - основные компании, использующие низкоорбитальные системы спутниковой связи для мобильной связи в тех местах, где установка сотовых базовых станций не представляется возможным или очень затруднено.
Сейчас в системе «Иридиум» (Iridium) функционируют 66 низкоорбитальных спутников, размещенных на 6-ти приполярных орбитах. Механизм межспутниковых связей позволяет передавать сигнал с одного спутника на другой без ретрансляции этого сигнала на Землю. Пропускная способность в каждом направлении составляет 25 Мбит/с. Спутники «Иридиум» находятся на высоте 780 км над поверхностью Земли, ниже всех остальных спутников, используемых другими известными системами мобильной спутниковой связи.
Космический сегмент системы «Глобалстар» включает 48 основных и 4 резервных спутников, весом около 450 кг каждый, размещенных на круговых орбитах в 8 плоскостях на высоте 1414 км по 6 спутников в каждой. «Глобалстар» орбиты имеют наклонение 52 градуса. Таким образом, «Глобалстар» не распространяется на полярные районы. Спутники «Глобалстар» имеют две антенны, установленные на корпусе, повернутые к Земле.
Спутники высокоэллиптических орбит. Вытянутые эллиптические орбиты, имеющие радиус перигея около тысячи километров и радиус апогея - один или несколько десятков тысяч километров [3].
Если орбита спутника сильно вытянута по эллипсу, большую часть периода своего обращения вокруг Земли он находится в зоне, приближённой к апогею, где он движется очень медленно. Это означает, что спутник может находиться в зоне видимости наземных станций в течение большей части периода обращения по орбите, затем он пропадает из видимости. Разместив на одной эллиптической орбите несколько спутников на равном удалении друг от друга, можно достичь эффекта непрерывного обслуживания.
Использование Высокой эллиптической орбиты может обеспечить покрытие сигналом любой точки Земного шара. Движение НЕО-орбит не ограничено экваториальными линиями, использование которых приводит к недостаточному покрытию высоких и полярных широт.
Обеспечение надёжного покрытия сигналом высоких и полярных широт Высокие эллиптические орбиты (НЕО) активно используются такими странами, как Россия, значительная часть которой как раз и расположена в области полярного круга и высоких широт. Наличие двух спутников на эллиптической орбите обеспечивает непрерывную космическую связь. Однако основным недостатком эллиптической орбиты является то, что позиция спутника на ней относительно наземной станции постоянно меняется.
Поскольку спутники связи в основном расположены в районе экватора, отсутствие связи в высокоширотной Арктике остается серьезной проблемой, которую необходимо решить в связи с продвижением коммерческой, научной и туристической деятельности дальше на север. Но организация и обеспечение эксплуатации такой системы дорогостоящее.
Библиографические ссылки
1. Логвин А. И., Соломенцев В. В. Спутниковые системы навигации и управления воздушным движением. М. : МГТУ ГА, 2005.
2. Быховский М. А. Развитие телекоммуникаций. на пути к информационному обществу. Развитие спутниковых телекоммуникационных систем. М. : Горячая линия - Телеком, 2014.
3. Кукк К. И. Спутниковая связь: прошлое, настоящее, будущее. М. : Горячая линия - Телеком,
2015.
© Перемышленников В. В., Мусонов В. М., 2016
