Спутниковая связь: что такое и как работает

Что такое спутниковая связь
Спутниковая связь — это обмен данными между несколькими земными станциями через спутник с помощью электромагнитных волн. Именно электромагнитные волны отвечают за передачу визуальной и звуковой информации — работу теле- и радиовещания, IP-телефонии, двухстороннего интернета и т. д.

Возможности спутниковой связи
До появления спутников для передачи информации на дальние расстояния использовались 2 других способа радиосвязи:
• Тропосферная радиосвязь — основана на распространении земных волн, может использоваться для частот до 30 МГц.
• Ионосферная радиосвязь — основана на распространении пространственных волн, может использоваться для частот 30–40 МГц.

Эти два способа обмена информацией позволяли передавать сигнал на ограниченное расстояние — максимум 1 500 км. Использование технологии спутниковой связи позволило снять это ограничение — с ее помощью сигнал может передаваться между наземными объектами (земными станциями), которые могут находиться даже на разных материках.

 Использование космических аппаратов для обмена данными позволяет:
• обеспечить значительно большую зону покрытия по сравнению с наземными системами;
• обмениваться информацией между любыми объектами на поверхности Земли — например, можно отправить видео из России в Австралию или наоборот.

Общий принцип работы
Спутниковый канал связи включает 3 основные составляющие:
• передающая земная станция;
• спутник связи — выступает в качестве ретрансляционной станции;
• принимающая земная станция.

 Обмен данными происходит в следующем порядке.
1. Информация от передающей земной станции направляется к спутнику по восходящей линии связи в виде высокочастотного мощного сигнала.
2. Космический аппарат принимает сигнал, усиливает его, изменяет его частоту для передачи на принимающую земную станцию.
3. После этого сигнал с изменённой частотой направляется по нисходящей линии связи к принимающей земной станции, расположенной в зоне покрытия спутника.

Частота, на которой данные поступают к спутнику, называется частотой восходящей линии связи. Частота, на которой информация передаётся назад на Землю, называется частотой нисходящей линии связи.

 Разные частоты для передающего и приёмного каналов используются для того, чтобы убрать помехи при одновременном приёме и передаче данных космическим ретранслятором.

Виды спутниковой связи
Современные спутниковые системы связи можно классифицировать по типу используемых орбит:
• системы на геостационарной орбите;
• системы на низких круговых орбитах;
• системы на высокоэллиптических орбитах.

 Коммерческое применение спутниковой связи началось с космических аппаратов на геостационарной орбите. Их главное преимущество – «неподвижность» космического аппарата относительно поверхности Земли, что позволяет создавать стабильные зоны обслуживания. Основной недостаток – большая высота орбиты (около 36 тысяч километров), что предъявляет высокие требования к энергетике спутников и земных станций и вызывает бо́льшую задержку сигнала.

 Есть два основных типа геостационарных космических аппаратов по типу организации зон обслуживания:
• КА с контурными зонами обслуживания (их еще называют традиционными или классическими);
• КА с многолучевыми зонами обслуживания (другое название — HTS, от английского high-throughput satellite – спутник с высокой пропускной способностью).

 Традиционные спутники имеют несколько больших контурных лучей. Переиспользование частот возможно только в разных региональных лучах, находящихся друг от друга на достаточном расстоянии, чтобы обеспечить развязку. В итоге суммарный частотный ресурс, предоставляемый спутником, можно увеличить главным образом за счет поляризационного уплотнения. У HTS зона покрытия разделена на участки, каждый из которых закрывается собственным маленьким сфокусированным лучом. Каждый луч закрывает несколько процентов от зоны покрытия обычного спутника. Узконаправленные лучи обеспечивают многократное повторное использование частот по сравнению с одним или несколькими обычными лучами. HTS-лучи имеют угловую ширину от 0,2° до 1,5°. Количество лучей, доступных на спутнике, — от нескольких десятков до нескольких сотен. И частотный ресурс может превышать рабочую полосу в десятки и сотни раз.

В настоящее время используются оба типа геостационарных КА, при этом контурные спутники оптимально использовать для телевещания, VSAT-приложений, а HTS — для передачи данных и интернет-сервисов.

В последние годы большое развитие получили системы спутниковой связи на низких круговых орбитах. Данные системы в основном обеспечивают глобальное покрытие всего земного шара и состоят из сотен, тысяч или даже десятков тысяч космических аппаратов. Основные преимущества таких систем — низкое время задержки распространения сигнала и небольшая энергетика абонентских терминалов, что позволяет делать их достаточно миниатюрными. Основные недостатки — огромные капитальные затраты на создание таких систем и необходимость отслеживать положение спутников антеннами абонентских терминалов, что увеличивает их сложность.

 Системы спутниковой связи на высокоэллиптических орбитах интересны, прежде всего, для стран, находящихся в приполярных широтах, поскольку связь со спутниками на геостационарной орбите из этих районов отсутствует или нестабильна.

Архитектура сетей спутниковой связи
Есть различные способы организации спутниковых сетей связи, к самым распространенным относятся:
• односторонняя передача данных — к этой группе относится радио- и телевещание, когда сигнал ретранслируется всем подключённым пользователям в зоне покрытия конкретного космического аппарата (характерна для традиционных КА);
• двухсторонняя передача данных «точка – точка», когда стационарные земные станции обмениваются данными напрямую через спутник;
• двухсторонняя передача данных в системе «Звезда»: требуется центральная земная станция (Телепорт). Весь трафик от передающих земных станций сначала идет через КА на Телепорт, затем с Телепорта через КА — на принимающие земные станции (характерно для многолучевых КА).

Сейчас в России активно развивается производство спутников. ООО «Газпром СПКА» — один из участников этого процесса. На основе производственных мощностей компании ведётся проектирование, а в дальнейшем — сборка и испытания космической техники различного назначения.