Спутниковая связь, в телекоммуникациях, использование искусственных спутников для обеспечения связи между различными точками на Земле. Спутниковая связь играет жизненно важную роль в глобальной телекоммуникационной системе. Около 2000 искусственных спутников, вращающихся вокруг Земли, передают аналоговые и цифровые сигналы, несущие голос, видео и данные в одно или несколько мест по всему миру.
Спутниковая связь имеет два основных компонента: наземный сегмент, который состоит из стационарной или мобильной передачи, приема и вспомогательного оборудования, и космический сегмент, который в первую очередь является самим спутником. Типичная спутниковая связь включает в себя передачу или восходящую передачу сигнала от земной станции к спутнику. Затем спутник принимает и усиливает сигнал и ретранслирует его обратно на Землю, где он принимается и реамплифицируется земными станциями и терминалами. Спутниковые приемники на земле включают в себя спутниковое оборудование прямого доступа к дому (DTH), мобильное приемное оборудование в самолетах, спутниковые телефоны и портативные устройства.
Развитие Спутниковой Связи
Идея общения через спутник впервые появилась в рассказе “кирпичная Луна”, написанном американским священником и писателем Эдвардом Эвереттом Хейлом и опубликованном в журнале Atlantic Monthly в 1869-70 годах. История описывает строительство и запуск на околоземную орбиту спутника диаметром 200 футов (60 метров) из кирпича. Кирпичная Луна помогала морякам в навигации, поскольку люди посылали сигналы азбукой Морзе обратно на Землю, прыгая вверх и вниз по поверхности спутника.
Первая практическая концепция спутниковой связи была предложена 27-летним офицером Королевских ВВС Артуром Кларком в статье под названием " внеземные ретрансляторы: могут ли ракетные станции обеспечить Всемирное радиовещание?” выходит в октябре 1945 года. Кларк, который впоследствии стал выдающимся писателем - фантастом, предположил, что спутник на высоте 35 786 км (22 236 миль) над поверхностью Земли будет двигаться с той же скоростью, что и вращение Земли. На этой высоте спутник будет оставаться в фиксированном положении относительно точки На Земле. Эта орбита, ныне называемая "геостационарной орбитой", идеально подходит для спутниковой связи, поскольку антенна на Земле может быть направлена на спутник 24 часа в сутки без необходимости отслеживать его местоположение. Кларк подсчитал в своей работе, что три спутника, расположенные на равном расстоянии друг от друга на геостационарной орбите, смогут обеспечить радиосвязь почти по всему миру, за исключением некоторых полярных регионов.
Первый искусственный спутник Земли "Спутник-1" был успешно запущен Советским Союзом 4 октября 1957 года. Спутник-1 был всего 58 см (23 дюйма) в диаметре с четырьмя антеннами, посылающими низкочастотные радиосигналы с регулярными интервалами. Он вращался вокруг Земли по эллиптической орбите, совершая один оборот за 96,2 минуты. Он передавал сигналы всего 22 дня, пока его батарея не разрядилась, и находился на орбите всего три месяца, но его запуск положил начало космической гонке между Соединенными Штатами и Советским Союзом.
Первый спутник для ретрансляции речевых сигналов был запущен правительственным проектом SCORE (Signal Communication by Orbiting Relay Equipment) с мыса Канаверал, штат Флорида, 19 декабря 1958 года. Он транслировал записанное на пленку послание от президента США, в котором говорилось: “мир на земле и добрая воля к людям повсюду”. Дуайт Д. Эйзенхауэр.
Американские инженеры Джон Пирс из Американской телефонной и телеграфной компании (AT&T) Bell Laboratories и Гарольд Розен из Hughes Aircraft Company разработали ключевые технологии в 1950-х и 60-х годах, которые сделали возможными коммерческие спутники связи. Пирс изложил принципы спутниковой связи в статье под названием "орбитальные радиопередатчики", опубликованной в апрельском номере журнала "реактивное движение" за 1955 год. В ней он рассчитал точные энергозатраты на передачу сигналов спутникам на различных околоземных орбитах. Главным вкладом пирса в развитие спутниковой техники была разработка усилителя бегущей волны, который позволял спутнику принимать, усиливать и передавать радиосигналы. Розен разработал технологию спиновой стабилизации, которая обеспечивала устойчивость спутников, вращающихся в космосе.
Когда в 1958 году было создано Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), оно приступило к осуществлению программы развития спутниковых технологий. Первым проектом НАСА стал спутник Echo 1, разработанный совместно с компанией AT&T Bell Labs. Пирс возглавлял команду в Bell Labs, которая разработала спутник Echo 1, который был запущен 12 августа 1960 года. Эхо-1 представлял собой 30,5-метровый (100 футов) аэростат с алюминиевым покрытием, который не содержал никаких приборов, но был способен отражать сигналы с земли. Поскольку Эхо-1 только отражало сигналы, оно считалось пассивным спутником. Echo 2, управляемый Центром космических полетов имени Годдарда НАСА в Белтсвилле, штат Мэриленд, был запущен 25 января 1964 года. После Echo 2 НАСА отказалось от пассивных систем связи в пользу активных спутников. Спутникам "Эхо-1" и "Эхо-2" приписывалось совершенствование технологии спутникового слежения и наземных станций, которая впоследствии оказалась незаменимой при разработке активных спутниковых систем.
Команда пирса из Bell Labs также разработала Telstar 1, первый активный спутник связи, способный осуществлять двустороннюю связь. "Телстар-1" был выведен на низкую околоземную орбиту 10 июля 1962 года ракетой "Дельта". НАСА предоставило услуги по запуску и некоторую поддержку в отслеживании и телеметрии. Telstar 1 был первым спутником, который передавал прямые телевизионные изображения между Европой и Северной Америкой. Telstar 1 также передала первый телефонный звонок через спутник-короткий звонок от председателя AT&T Фредерика Каппеля, переданный с наземной станции в Андовере, штат Мэн, в US Pres. Линдон Джонсон в Вашингтоне, округ Колумбия.
Команда Розена из Hughes Aircraft попыталась вывести первый спутник на геостационарную орбиту, Syncom 1, 14 февраля 1963 года. Однако Syncom 1 был потерян вскоре после запуска. За "синком-1" последовал успешный запуск "Синком-2", первого спутника на геосинхронной орбите (орбита с периодом обращения 24 часа, но наклонена к экватору), 26 июля 1963 года, и "Синком-3", первого спутника на геостационарной орбите, 19 августа 1964 года. Syncom 3 транслировал Олимпийские игры 1964 года из Токио, Япония, в Соединенные Штаты, первое крупное спортивное событие, транслируемое через спутник.
Успешное развитие спутниковых технологий проложило путь к созданию глобальной индустрии спутниковой связи. Соединенные Штаты возглавили развитие индустрии спутниковой связи, приняв в 1962 году Закон о спутниках связи. Этот закон санкционировал создание Корпорации спутниковой связи (Комсат), частной компании, которая будет представлять Соединенные Штаты в международном консорциуме спутниковой связи под названием Intelsat.
Intelsat был образован 20 августа 1964 года, и 11 стран подписали временное соглашение Intelsat. Первоначальные 11 подписантов были Австрией, Канадой, Японией, Нидерландами, Норвегией, Испанией, Швейцарией, Соединенным Королевством, Соединенными Штатами, Ватиканом и Западной Германией.
6 апреля 1965 года был запущен первый спутник Intelsat Early Bird (также называемый Intelsat 1); он был спроектирован и построен командой Розена в компании Hughes Aircraft Company. Early Bird был первым действующим коммерческим спутником, предоставляющим регулярные телекоммуникационные и радиовещательные услуги между Северной Америкой и Европой. За Early Bird последовали Intelsat 2B и 2D, запущенные в 1967 году и охватывающие регион Тихого океана, и Intelsat 3 F-3, запущенный в 1969 году и охватывающий регион Индийского океана. Спутники Intelsat на геостационарной орбите обеспечивали почти глобальный охват, как и Arthur C. Кларк предвидел это 24 года назад. Через девятнадцать дней после того, как Intelsat 3 F-3 был размещен над Индийским океаном, посадка первого человека на Луну 20 июля 1969 года транслировалась в прямом эфире через глобальную сеть спутников Intelsat для более чем 600 миллионов телезрителей.
Первый в мире коммерческий спутник связи Intelsat 1, или Early Bird, был запущен 6 апреля 1965 года.
Советский Союз продолжил развитие спутниковой техники с помощью серии спутников "Молния", которые были запущены на высокоэллиптическую орбиту, что позволило им достичь крайних северных районов страны. Первый спутник этой серии, "Молния-1", был запущен 23 апреля 1965 года. К 1967 году шесть спутников "Молния" обеспечивали покрытие всего Советского Союза. Во время празднования 50-летия Советского Союза 1 октября 1967 года ежегодный парад на Красной площади транслировался по всей стране через спутниковую сеть "молния". В 1971 году международная организация космической связи "Интерспутник" была создана несколькими коммунистическими странами во главе с Советским Союзом.
Потенциальное применение спутников в целях развития и их способность достигать отдаленных регионов побудили другие страны создавать и эксплуатировать свои собственные национальные спутниковые системы. Канада была первой страной после Советского Союза и Соединенных Штатов, которая запустила свой собственный спутник связи Anik 1 9 ноября 1972 года. За этим последовал запуск индонезийского спутника Palapa 1 8 июля 1976 года. Многие другие страны последовали этому примеру и запустили свои собственные спутники.
Как Работают Спутники
Спутник-это в основном автономная система связи, способная принимать сигналы с Земли и ретранслировать их обратно с помощью транспондера—интегрированного приемника и передатчика радиосигналов. Спутник должен выдержать удар ускорения во время запуска до орбитальной скорости 28 100 км (17 500 миль) в час и враждебную космическую среду, где он может подвергаться воздействию радиации и экстремальных температур в течение его прогнозируемого срока службы, который может длиться до 20 лет. Кроме того, спутники должны быть легкими, так как стоимость запуска спутника довольно высока и основана на весе. Для решения этих задач спутники должны быть небольшими и изготовленными из легких и прочных материалов. Они должны работать с очень высокой надежностью более 99,9 процента в вакууме космоса без перспектив обслуживания или ремонта.
Основные компоненты спутника состоят из системы связи, которая включает антенны и транспондеры, которые принимают и ретранслируют сигналы, энергетической системы, которая включает солнечные батареи, которые обеспечивают питание, и двигательной установки, которая включает ракеты, которые приводят в движение спутник. Спутник нуждается в собственной двигательной установке, чтобы добраться до нужного орбитального положения и периодически вносить коррективы в это положение. Спутник на геостационарной орбите может отклоняться на один градус каждый год с севера на юг или с востока на запад от своего местоположения из-за гравитационного притяжения Луны и Солнца. У Спутника есть двигатели, которые время от времени запускаются, чтобы внести коррективы в его положение. Поддержание орбитального положения спутника называется "удержанием станции“, а поправки, вносимые с помощью двигателей спутника, называются "контролем ориентации"."Продолжительность жизни спутника определяется количеством топлива, которое он имеет для питания этих двигателей. Как только топливо заканчивается, Спутник в конечном итоге дрейфует в космос и выходит из строя, превращаясь в космический мусор.
Спутник, находящийся на орбите, должен непрерывно функционировать в течение всего срока службы. Он нуждается во внутренней энергии, чтобы иметь возможность управлять своими электронными системами и полезной нагрузкой связи. Основным источником энергии является солнечный свет, который используется солнечными панелями спутника. У спутника также есть батареи на борту, чтобы обеспечить питание, когда Солнце заблокировано Землей. Батареи перезаряжаются избыточным током, генерируемым солнечными панелями при солнечном свете.
Спутники работают при экстремальных температурах от -150 C (-238 F) до 150 C (300 F) и могут подвергаться радиации в космосе. Компоненты спутника, которые могут подвергаться воздействию радиации, экранируются алюминием и другими радиационно-стойкими материалами. Тепловая система спутника защищает его чувствительные электронные и механические компоненты и поддерживает оптимальную рабочую температуру для обеспечения его непрерывной работы. Тепловая система спутника также защищает чувствительные компоненты спутника от экстремальных изменений температуры путем активации механизмов охлаждения, когда он становится слишком горячим, или систем отопления, когда он становится слишком холодным.
Система слежения телеметрии и управления (TT&C) спутника представляет собой двустороннюю линию связи между спутником и TT&C на земле. Это позволяет наземной станции отслеживать положение спутника и управлять двигательными, тепловыми и другими системами спутника. Он также может контролировать температуру, электрическое напряжение и другие важные параметры спутника.
Спутники связи варьируются от микроспутников весом менее 1 кг (2,2 фунта) до крупных спутников весом более 6500 кг (14 000 фунтов). Достижения в области миниатюризации и цифровизации значительно увеличили пропускную способность спутников на протяжении многих лет. У ранней пташки был только один транспондер, способный посылать только один телевизионный канал. Спутники серии Boeing 702, напротив, могут иметь более 100 транспондеров, а с использованием технологии цифрового сжатия каждый транспондер может иметь до 16 каналов, обеспечивая более 1600 телевизионных каналов через один спутник.
Спутники работают на трех различных орбитах: низкой околоземной орбите (LEO), средней околоземной орбите (MEO) и геостационарной или геосинхронной орбите (GEO). Спутники LEO расположены на высоте от 160 км до 1600 км (100-1000 миль) над землей. Спутники MEO работают на расстоянии от 10 000 до 20 000 км (от 6300 до 12 500 миль) от Земли. (Спутники не работают между LEO и MEO из-за негостеприимной среды для электронных компонентов в этом районе, которая вызвана радиационным поясом Ван Аллена.) Спутники ГЕО расположены на высоте 35 786 км (22 236 миль) над землей, где они завершают одну орбиту за 24 часа и таким образом остаются неподвижными над одной точкой. Как уже упоминалось выше, для обеспечения глобального охвата требуется всего три спутника GEO, в то время как для покрытия всей Земли от LEO требуется 20 или более спутников, а в MEO-10 или более. Кроме того, связь со спутниками в Лео и Мео требует наличия отслеживающих антенн на земле для обеспечения бесперебойной связи между спутниками.
Сигнал, отраженный от спутника Гео, проходит со скоростью света от Земли до спутника и обратно примерно за 0,22 секунды. Эта задержка создает некоторые проблемы для таких приложений, как голосовые службы и мобильная телефония. Поэтому большинство мобильных и голосовых служб обычно используют спутники LEO или MEO, чтобы избежать задержек сигнала, вызванных врожденной задержкой в спутниках GEO. ГЕО спутники обычно используются для вещания и передачи данных из-за большей площади на земле, которую они могут охватить.
Запуск спутника в космос требует очень мощной многоступенчатой ракеты, чтобы вывести его на нужную орбиту. Поставщики спутниковых запусков используют собственные ракеты для запуска спутников с таких объектов, как космический центр Кеннеди на мысе Канаверал, штат Флорида, космодром Байконур в Казахстане, Куру во Французской Гвиане, Военно-воздушная база Ванденберг в Калифорнии, Сичан в Китае и остров Танегасима в Японии. Американский космический челнок также имеет возможность запускать спутники.
Спутниковая связь использует очень высокочастотный диапазон 1-50 гигагерц (ГГц; 1 гигагерц = 1 000 000 000 Герц) для передачи и приема сигналов. Частотные диапазоны или полосы обозначаются буквами: (в порядке от низкой частоты к высокой) L-, S-, C-, X-, Ku-, Ka-и V-диапазоны. Сигналы в нижнем диапазоне (L-, S-и C-диапазоны) спектра спутниковых частот передаются с низкой мощностью, и поэтому для приема этих сигналов требуются более крупные антенны. Сигналы в более высоком конце (X-, Ku-, Ka-и V-диапазоны) этого спектра имеют большую мощность; таким образом, блюда размером всего 45 см (18 дюймов) в диаметре могут принимать их. Это делает спектр Ku-диапазона и Ka-диапазона идеальным для прямого домашнего вещания (DTH), широкополосной передачи данных, а также мобильной телефонии и приложений передачи данных.
Международный союз электросвязи (МСЭ), специализированное учреждение Организации Объединенных Наций, регулирует спутниковую связь. МСЭ, базирующийся в Женеве, Швейцария, принимает и утверждает заявки на использование орбитальных слотов для спутников. Каждые два-четыре года МСЭ созывает Всемирную конференцию радиосвязи, которая отвечает за распределение частот для различных применений в различных регионах мира. Каждое национальное агентство по регулированию телекоммуникаций обеспечивает соблюдение этих правил и выдает лицензии пользователям различных частот. В Соединенных Штатах регулирующим органом, регулирующим распределение частот и лицензирование, является Федеральная комиссия связи.
Спутниковые Приложения
Прогресс в области спутниковых технологий породил здоровый сектор спутниковых услуг, который предоставляет различные услуги вещателям, интернет-провайдерам (ISP), правительствам, военным и другим секторам. Существует три вида услуг связи, которые предоставляют спутники: Телекоммуникации, радиовещание и передача данных. Телекоммуникационные услуги включают в себя телефонные звонки и услуги, предоставляемые телефонным компаниям, а также поставщикам беспроводных, мобильных и сотовых сетей.
Услуги вещания включают в себя радио и телевидение, поставляемые непосредственно потребителю, а также услуги мобильного вещания. Услуги DTH, или спутникового телевидения (например, услуги DirecTV и DISH Network в Соединенных Штатах), принимаются непосредственно домохозяйствами. Кабельное и Сетевое программирование доставляется на местные станции и филиалы в основном через спутник. Спутники также играют важную роль в передаче программ на мобильные телефоны и другие мобильные устройства, такие как персональные цифровые помощники и ноутбуки.
Передача данных предполагает передачу данных из одной точки в другую. Корпорации и организации, которым требуется обмен финансовой и другой информацией между их различными местоположениями, используют спутники для облегчения передачи данных с помощью сетей терминалов с очень малой апертурой (VSAT). С ростом Интернета значительное количество интернет-трафика проходит через спутники, что делает интернет-провайдеров одним из крупнейших заказчиков спутниковых услуг.
Технология спутниковой связи часто используется во время стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций, когда наземные службы связи не работают. Мобильное спутниковое оборудование может быть развернуто в районах стихийных бедствий для оказания экстренных услуг связи.
Одним из основных технических недостатков спутников, особенно находящихся на геостационарной орбите, является неизбежная задержка передачи данных. Хотя существуют способы компенсировать эту задержку, она делает некоторые приложения, требующие передачи данных в реальном времени и обратной связи, такие как голосовая связь, не идеальными для спутников.
Спутники сталкиваются с конкуренцией со стороны других средств массовой информации, таких как волоконная оптика, кабель и другие наземные системы доставки, такие как микроволновые печи и даже линии электропередач. Главное преимущество спутников заключается в том, что они могут передавать сигналы из одной точки во многие места. Таким образом, спутниковая технология идеально подходит для “точечной” связи, такой как вещание. Спутниковая связь не требует больших капиталовложений на местах, что делает ее идеальной для недостаточно обслуживаемых и изолированных районов с рассеянным населением.
Спутники и другие механизмы доставки, такие как волоконная оптика, кабель и другие наземные сети, не являются взаимоисключающими. Возможно, потребуется сочетание различных механизмов доставки, что привело к появлению различных гибридных решений, в которых спутники могут быть одним из звеньев в цепи в сочетании с другими носителями информации. Наземные поставщики услуг, называемые "телепортами", имеют возможность принимать и передавать сигналы со спутников, а также обеспечивать связь с другими наземными сетями.
Будущее Спутниковой Связи
За сравнительно короткий промежуток времени спутниковая техника прошла путь от экспериментальной (Спутник 1957 года) до сложной и мощной. Будущие спутники связи будут иметь больше возможностей обработки данных на борту,большую мощность и антенны с большей апертурой, что позволит спутникам обрабатывать большую полосу пропускания. Дальнейшее совершенствование двигательных и энергетических систем спутников позволит увеличить срок их службы до 20-30 лет с нынешних 10-15 лет. Кроме того, разрабатываются и другие технические новшества, такие как недорогие многоразовые ракеты-носители. С ростом трафика видео, голоса и данных, требующего больших объемов пропускной способности, нет недостатка в новых приложениях, которые будут стимулировать спрос на спутниковые услуги в ближайшие годы. Спрос на большую пропускную способность в сочетании с продолжающимися инновациями и развитием спутниковых технологий обеспечит долгосрочную жизнеспособность коммерческой спутниковой индустрии в XXI веке.