Спутник связи можно представить в виде огромного микроволнового повторителя, он содержит на себе несколько транспондеров, каждый из которых настроен на определенную часть частотного радио спектра. Транспондеры усиливают сигналы и преобразуют их на новую частоту, чтобы при отправке на Землю отраженный сигнал не накладывался на прямой. Такой режим работы называется «узкая труба» (bent pipe). Кроме того, спутник может получать и пересылать дальше цифровую информацию. Такой способ восстановления сигнала улучшает общую производительность по сравнению с «узкой трубой», так как спутник не увеличивает количество шума в восходящем сигнале. Нисходящий луч может быть как широким, покрывающим огромные пространства на Земле, так и узким, который можно принять в области, ограниченной лишь несколькими сотнями километров.
Для расположения спутника на орбите необходимо принимать во внимание: период обращения спутника и пояса Ван Аллена (Van Allen belts) — области скопления частиц с большим зарядом, находящихся в зоне действия магнитного поля Земли.
Принимая во внимание эти факторы были выделены три зоны расположения спутников связи.
Эффекты гравитации, вызванные Солнцем, Луной и другими планетами, постепенно вызывают смещение с орбит и изменение ориентации. Приходится компенсировать это с помощью бортовых двигателей. Примерно через 10 лет работы, топливо у спутников заканчивается и их сводят с орбиты, чтобы они сгорели в плотных слоях атмосферы и не занимали место на орбите.
Владельцы спутниками связи борются не только за место на орбите, но и за частотный диапазон. Нисходящие сигналы спутников могут вызывать помехи в работе микроволновых устройств, поэтому ITU (International Telecommunication Union, Международный союз электросвязи)были выделены частотные диапазоны, предназначенные исключительно для спутников связи.
- Диапазон С был первой полосой частот, предназначенной для трафика коммерческих спутников. Он разбивается на два поддиапазона. Один из них предназначен для сигналов с Земли (восходящих), другой — для сигналов со спутника (нисходящих). Таким образом, для двусторонней передачи требуется сразу два канала. Данный диапазон уже переполнен пользователями.
- В 2000 году, в соответствии с международным соглашением, было добавлено два дополнительных диапазона: S и L. Тем не менее они тоже весьма узки и уже заполнены.
- Следующий высокочастотный диапазон коммерческой связи называется Ku (K under, то есть «под К»). Полоса пока еще не переполнена, и работающие на ее самых высоких частотах спутники могут располагаться на угловом расстоянии один градус друг от друга. У диапазона Ku имеется еще одна проблема: волны этих частот глушатся дождем. Вода очень плохо пропускает микроволновый сигнал.
- Наконец, самым высокочастотным диапазоном является Ka (K above, то есть, «над К»). Основной проблемой является очень высокая стоимость оборудования для работы на этих частотах.
На современном спутнике имеется порядка 40 транспондеров, чаще всего с полосами в 36 МГц. Обычно каждый транспондер работает по принципу «узкой трубы», однако недавно появились спутники, оснащенные бортовыми процессорами для обработки сигналов.
1. Геостационарные спутники (GEO)
Они расположены на геостационарной орбите (GEO, Geostationary Earth Orbit).
Идея такого рода спутников была предложена ещё в 1945 году писателем-фантастом Артуром С. Кларком (Arthur S. Clarke), но он был ограничен технологиями своего времени - на их борту невозможно разместить энергоемкие, хрупкие ламповые усилители. Однако с появлением транзисторов всё координально изменилось. В июле 1962 года производится запуск первого в мире спутника связи Telstar. Про спутники, вращающиеся на большой высоте, говорят, что они расположены на геостационарной орбите (GEO, Geostationary Earth Orbit).
Современные технологии таковы, что расположение спутников чаще, чем через каждые два градуса в 360-градусной экваториальной плоскости, является нерациональным. В противном случае возможна интерференция сигналов.
2. Средневысотные спутники (MEO)
На более низких высотах, чем геостационарные спутники, между двумя поясами Ван Аллена, располагают средневысотные спутники (MEO, MediumEarth Orbite Satellites). С Земли можно наблюдать их медленное движение по небосводу. Такие спутники совершают полный оборот вокруг планеты за 6 часов. Данные спутники используются для поддержки навигационных систем, а не в телекоммуникациях. Примерами таких спутников являются спутники системы GPS (Global Positioning System, Глобальная система определения местонахождения).
3. Низкоорбитальные спутники (LEO)
Низкоорбитальные спутники (LEO, Low-Earth Orbite Satellites). Для того чтобы создать целостную систему, охватывающую весь земной шар, нужно большое количество таких спутников. Причиной тому является, прежде всего, высокая скорость их движения по орбите. С другой стороны, благодаря относительно небольшому расстоянию между наземными передатчиками и спутниками, не требуется особо мощных наземных передатчиков, а задержки составляют всего лишь несколько миллисекунд.
3.1 Iridium
В 1990 году фирма Motorola совершила большой прорыв в этой области, попросив FCC разрешить ей запустить 77 спутников связи для нового проекта Iridium (77-м элементом таблицы Менделеева является Иридиум). Но планы вскоре изменились, и было решено использовать только 66 спутников.
Идея состояла в том, что на место исчезающего из вида спутника будет тотчас приходить следующий. Такое предложение породило новую волну безумной конкуренции среди коммуникационных компаний.
Спутники Iridium вращаются по околоземной круговой полярной орбите на высоте 750 км. Они составляют ожерелье, ориентированное вдоль линий долготы (по одному спутнику на 32° долготы).
Интересным свойством Iridium является то, что в этой системе обмен данными между очень удаленными друг от друга абонентами происходит в космосе.
3.2 Globalstar
Альтернативой проекту Iridium является система Globalstar. Она построен на 48 низкоорбитальных спутниках, но имеет иную схему ретрансляции сигналов. В Globalstar применяется обычный принцип «узкой трубы».
Принятый сигнал отправляется обратно на Землю и захватывается крупной наземной приемопередающей станцией. Маршрутизация производится между такими станциями, разбросанными по всему миру. Наземная цель сигнала — ближайший ко второму абоненту наземный маршрутизатор. Через находящийся рядом с ним спутник вызов поступает к абоненту.
Преимуществом такой схемы является то, что наиболее сложное оборудование устанавливается на поверхности Земли, а здесь работать с ним гораздо проще, чем на орбите.