Файл: Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Башкирский лицей 136 имени М. Искужина г. Уфа.pdf

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Башкирский лицей №136 имени М.Искужина г.Уфа
Физико-математический цикл
Секция «Астрономия»
Спутниковая связь
Ветошкина Александра Владимировна, обучающийся 11 А класса,
Башкирский лицей № 136 им.М.Искужина
ГО г. Уфа РБ.
Руководитель: Гадельмурзина Амина
Газизьяновна, учитель физики.
Уфа
2021г.

СОДЕРЖАНИЕ:
1. Введение
2. История
3. Развитие спутниковой связи. История развития в СССР.
4. Спутниковые ретрансляторы
5. Орбиты спутниковых ретрансляторов
6. Основные разновидности ИСЗ:
1) ИСЗ на высокой эллиптической орбите (ВЭО)
2) ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО)
3) ИСЗ на низковысотной орбите (НВО)
7. Спутниковые системы:
1)
Система VSAT
2)
Спутник-ретранслятор
3)
Абонентские VSAT терминалы
4)
Технология VSAT
5)
Глобальная спутниковая система связи Globalstar
6)Сферы применения системы Globalstar
8. Применение спутниковой связи. Спутниковые службы:
1) Фиксированные спутниковые службы.
2) Подвижные спутниковые службы
3) Спутниковая система Iridium
4)
Инмарсат (Inmarsat)
5)
Основные сервисы системы спутниковой связи Инмарсат (Inmarsat)
6)
Турайя (Thuraya)
9. Диапазоны частот спутниковой связи. Виды спутниковой связи
10.Модуляция и помехоустойчивое кодирования
11.
Проблемы. Проблема космического мусора
12.Недостатки спутниковой связи:
1)
Слабая помехозащищённость
2)Влияние атмосферы
3)Поглощение в тропосфере
4)Ионосферные эффекты
5)Задержка распространения сигнала
6)Влияние солнечной интерференции
13.
Заключение
14.
Источники

1.
Введение
Современные реалии уже говорят о неизбежности замещения спутниковой связью привычные мобильные и тем более, стационарные телефоны. Новейшие технологии спутниковой связи предлагают действенные технико- и экономически выгодные решения для развития как вседоступных услуг связи и сетей непосредственного звукового, так и ТВ-вещания. Благодаря выдающимся достижениям в области микроэлектроники спутниковые телефоны стали настолько компактными и надежными в использовании, что делаются все востребование у различных групп пользователей, а услуга проката спутниковых аппаратов является одной из самых востребованных услуг на рынке современной спутниковой связи. Существенные перспективы развития, очевидные плюсы перед иной телефонией, надёжность и гарантированная бесперебойность связи - всё это о спутниковых телефонах.
Спутниковая связь сегодня является единственным экономически выгодным решением предоставления услуг связи абонентам в зонах с низкой плотностью населения, что подтверждает ряд проведенных экономических исследований.
Спутник является единственным технически реализуемым и окупаемым решением в том случае, если плотность населения ниже, чем 1,5 чел/км2.
Спутниковая связь обладает важнейшими достоинствами, необходимыми для построения крупномасштабных телекоммуникационных сетей. Во-первых, с ее помощью можно достаточно быстро сформировать сетевую инфраструктуру, охватывающую большую территорию и не зависящую от наличия или состояния наземных каналов связи. Во- вторых, использование современных технологий доступа к ресурсу спутниковых ретрансляторов и возможность доставки информации практически неограниченному числу потребителей одновременно значительно снижают затраты на эксплуатацию сети. Эти достоинства спутниковой связи делают ее весьма привлекательной и высокоэффективной даже в регионах с хорошо развитыми наземными телекоммуникациями. Предварительные прогнозы развития систем персональной спутниковой связи показывают, что в начале XXI в число их абонентов составило примерно 1 млн. , а в течении следующего десятилетия - 3млн. В настоящее время число пользователей спутниковой системы Inmarsat составляет 40тыс.
В последние годы в России всё активнее внедряются современные виды и средства связи. Но, если сотовый радиотелефон уже стал привычным, то аппарат персональной спутниковой связи (спутниковый терминал) пока еще редкость. Анализ развития подобных средств связи показывает, что уже в скором будущем мы станем свидетелями повседневного применения систем персональной спутниковой связи
(СПСС). Близится время объединения наземных и спутниковых систем в глобальную

Спутник-баллон «
Эхо-1
»
систему связи. Персональная связь станет возможной в глобальном масштабе, т. е. будет обеспечена досягаемость абонента в любой точке мира путем набора его телефонного номера, не зависящего от местонахождения абонента. Но прежде, чем это станет реальностью, системы спутниковой связи должны будут успешно выдержать испытания и подтвердить заявленные технические характеристики и экономические показатели и процессе коммерческой эксплуатации. Что же касается потребителей, то, чтобы сделать правильный выбор, им придется научиться хорошо ориентироваться во множестве предложений.
2.
История
В
1945 году в статье «Внеземные ретрансляторы» («Extra-terrestrial Relays»), опубликованной в октябрьском номере журнала
Wireless World
, английский учёный, 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 гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 1950-х годов. В США толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи.
В
1957 году в
СССР был запущен первый искусственный спутник
Земли с радиоаппаратурой на борту
12 августа 1960 года специалистами США был выведен на орбиту высотой 1500 км надувной шар
[2]
. Этот космический аппарат назывался «
Эхо-1
». Его металлизированная оболочка диаметром 30 м выполняла функции пассивного ретранслятора
. 10 июля 1962 был выведен на орбиту первый в мире активный спутник связи «
Телстар
». Он обеспечивал двустороннюю телефонную связь по 60 каналам или трансляцию одной телевизионной программы.

20 августа 1964 года
11 стран (
СССР в их число не вошёл) подписали соглашение о создании международной организации спутниковой связи
Intelsat
(International
Telecommunications Satellite organization). В СССР к тому времени была собственная развитая программа спутниковой связи, увенчавшаяся 23 апреля 1965 года успешным запуском связного советского спутника
Молния-1 6 апреля 1965 года в рамках программы
Intelsat был запущен первый коммерческий спутник связи
Early Bird
[en]
(«ранняя пташка»), произведённый корпорацией
COMSAT
, обладая полосой пропускания
50 МГц, он мог обеспечивать до 240 телефонных каналов связи. В каждый конкретный момент времени связь могла осуществляться между земной станцией в
США и только одной из трёх земных станций в Европе (в
Великобритании
,
Франции или
Германии
), которые были соединены между собой кабельными линиями связи.
Спутник
Intelsat IX уже обладал полосой пропускания 3456 МГц.
В СССР долгое время спутниковая связь развивались только в интересах
Министерства обороны СССР
. В силу большей закрытости космической программы развитие спутниковой связи в социалистических странах шло иначе, чем в западных странах. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи
«
Интерспутник
», которое было подписано только в
1971 году
3.
Развитие спутниковой связи. История развития в СССР:
Первый искусственный спутник Земли был выведен на орбиту в 1957 году. Вес космического аппарата составлял всего лишь 83,6 кг. Управление спутником осуществлялось через миниатюрный блок – радиопередатчик-маяк. Успешные результаты приема/передачи радиосигнала в открытом космосе позволили реализовать дальновидные планы, предусматривающие использование ИСС в качестве активного и пассивного ретранслятора радиосигнала. Однако, чтобы реализовать столь перспективные планы, необходимо было создать такие космические аппараты, которые могли нести достаточный вес (разнообразную приемо-передающую аппаратуру). Кроме того, чтобы вывести на орбиту искусственный спутник, нужны были мощные ракетные двигатели и оборудование. После того, как российскими инженерами были решены эти
Инженеры работают над первым в мире коммерческим спутником связи Early Bird

проблемы, появилась возможность запускать в открытый космос ИСС для проведения научных и исследовательских работ, решения навигационных,
метеорологических, разведывательных задач, а также для обеспечения стойкого канала связи для передачи радиосигналов на большие расстояния. Процесс формирования спутниковой системы связи (ССС) активизировался после запуска первого искусственного спутника. В рамках реализации данной концепции на земной поверхности начали строить базовые приемо-передающие станции, оснащенные параболическими антеннами. Диаметр антенны достигал 12 метров, что позволило обеспечить стойкий прием и передачу радиосигнала. В 1965 году российскими инженерами удалось обеспечить получение телевизионных программ во
Владивостоке, транслируемых из Москвы через ССС.
В 1967 году после тестирования и доведения технической мощности до требуемых параметров была введена в строй система спутниковой связи «Орбита». В 1975 году на круговую орбиту был выведен космический спутник «Радуга». Расстояние от земной поверхности до искусственного летательного аппарата составило почти 36 км.
Направление вращения планеты и спутника практически совпадало, поэтому ИСС буквально «парил» над Землей, оставаясь неподвижным на протяжении суток.
Данное техническое решение упрощало передачу управляющих команд на космический аппарат и гарантировало функционирование стабильного канала приема/передачи радиоволн. В последующем на орбиту был выведен более совершенный ИСС «Горизонт».
Результаты эксплуатации ИСС «Орбита» показали неэффективность обслуживания радиосигнала в интересах трансляции телепрограмм в небольших населенных пунктах, насчитывающих несколько десятков тысяч человек местных жителей.
Поэтому, приоритет был предоставлен компактным наземным станциям приема- передачи сигнала, обслуживаемым ССС «Экран». Искусственный спутник данной системы спутниковой связи был выведен на околоземную орбиту в 1976 году. Теперь программы центрального телевидения могли смотреть люди даже в отдаленных местах Сибири и Дальнего Востока.
В 80-х годах прошлого века через ИСС «Горизонт» активно эксплуатировалась система спутниковой связи «Москва».
4.
Спутниковые ретрансляторы

Орбиты: 1 — экваториальная, 2 — наклонная, 3 — полярная
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.
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 определённой частью спектра (эти каналы обработки называются транспондерами
).
Регенеративный спутник дополнительно производит демодуляцию принятого сигнала и заново модулирует его. Благодаря этому исправление накапливающихся в процессе передачи ошибок производится дважды: на спутнике и на приёмной земной станции.
Недостаток этого метода — сложность (а значит, гораздо более высокая цена спутника), а также увеличенная задержка передачи сигнала.
5.
Орбиты спутниковых ретрансляторов
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 приёмник в зоне обслуживания «видит» спутник постоянно практически в одной и той же точке.
Пассивный спутник связи
Echo-2
. Металлизированная надувная сфера выполняла функции пассивного ретранслятора

Однако геостационарная орбита одна, и ёмкость её, определяемая длиной окружности орбиты, поделённой на размеры спутников с учётом «интервалов безопасности» между ними, конечна. Поэтому все спутники, которые хотелось бы, вывести на неё невозможно. Другим её недостатком является большая высота (35 786 км), а значит, и большая цена вывода спутника на орбиту. Большая высота геостационарной орбиты приводит также к большим задержкам передачи информации (время прохождения сигнала от одной наземной станции до другой через геостационарный спутник даже теоретически не может быть менее 240 мс (две высоты орбиты, деленные на скорость света). Кроме того, плотность потока мощности у земной поверхности в точке приема сигнала падает по направлению от экватора к полюсам из-за меньшего угла наклона вектора электромагнитной энергии к земной поверхности, а также из-за увеличивающегося пути прохождения сигнала через атмосферу и связанного с этим поглощения. Поэтому спутник на геостационарной орбите практически не способен обслуживать земные станции в приполярных областях.
Наклонная орбита позволяет решить эти проблемы, однако, из-за перемещения спутника относительно наземного наблюдателя необходимо запускать не меньше трёх спутников на одну орбиту, чтобы обеспечить круглосуточный доступ к связи.
Полярная орбита
— это предельный случай наклонной орбиты (с наклонением
90º).
При использовании наклонных орбит земные станции оборудуются системами слежения, осуществляющими наведение антенны на спутник и его сопровождение.
Современные спутники, работающие на геостационарной орбите, имеют достаточно высокую точность удержания в заданной точке (как правило, не хуже 0.1 градуса по долготе и наклонению); сопровождение приёмной антенной геостационарного спутника становится необходимым, только если ширина диаграммы направленности антенны сравнима с колебаниями спутника вокруг точки стояния. Например, для
Ku- диапазона
— это антенны диаметром более 5 метров. Для меньшего размера достаточно один раз навести антенну в точку стояния спутника. Однако сопровождение всё-таки необходимо в случае предаварийного состояния спутника, когда его владельцем по различным причинам не осуществляется (совсем или реже регламентных сроков) процедура удержания спутника в точке стояния.
6.
Основные разновидности ИСЗ
Конфигурация системы спутниковой связи зависит от типа ИСЗ, вида связи и параметров земной станции. Три основных разновидности ИСЗ в зависимости от орбиты спутника:
•
ИСЗ на высокой эллиптической орбите (ВЭО)
•
ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО)
•
ИСЗ на низковысотной орбите (НВО)

6.1.
ИСЗ на высокой эллиптической орбите (ВЭО)
Спутники типа “Молния” с периодом обращения 12 часов, наклоном орбиты 63 градуса, высотой апогея над северным полушарием 40 тыс. км.
У спутника переменная скорость. В области апогея скорость движения ИСЗ замедляется и обеспечивает радиовидимость 6…8 часов. 6…8 часов это то время, когда один спутник находится в рабочей зоне. Для обеспечения непрерывной связи на одной орбите необходимо расположить не менее трех спутников, а лучше 4.
Преимущества ИСЗ с ВСО большой размер зоны обслуживания.
Недостатки: необходимость слежения земных антенн за спутниками и переориентация этих антенн с заходящего спутника на восходящий.
6.2.
ИСЗ на геостационарной орбите (ГСО)
ГСО это орбита, на которую если поставить спутник, он будет вращаться вместе с
Землей с одинаковой скоростью. Он находится неподвижно относительно земной точки.
ГСО — круговая орбита с периодом обращения ИСЗ 24 часа, расположенная в плоскости экватора на высоте 35 875 км с поверхности Земли. Орбита синхронно вращается с вращением Земли, поэтому спутник находится неподвижно относительно земной поверхности.
Достоинства:
•
Зона обслуживания одного спутника достигает треть поверхности
Земли, т.е. 3-х спутников достаточно для глобальной сети.
•
Антенны земных станций не требуют систем слежения. Антенна неподвижна.
•
Не требуют сложной наземной аппаратуры, могут обеспечивать большое покрытие, но в зонах не сильно приближенных к полюсам Земли.

Недостатки:
•
В северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту и совсем не виден в приполярных областях.
Но если в южном полушарии это не так страшно, то в северном Скандинавские страны, Россия, Канада находятся достаточно близко к полюсу и там геостационарные спутники связь не обеспечивают.
•
Ограничение на количество спутников на ГСО.
•
Достаточно высокая цена самого аппарата ИСЗ и его запуска.
6.3.
ИСЗ на низковысотной орбите (НВО)
В настоящее время развиваются спутники связи на низковысотной орбите. Спутники запускаются на круговые орбиты, бывает полярная орбита, которая проходит через нулевой меридиан, плоскость которых наклонена к плоскости экватора. Наличие большого количества спутников на разных орбитах, позволяет добиться высокого покрытия поверхности Земли этими системами связи.
Высота орбиты 200…2000 км над поверхностью Земли. Спутники относятся к легкому классу и для их запуска можно использовать недорогой носитель, либо дорогой носитель, который сразу забросит на орбиту два десятка аппаратов, которые потом выводятся в нужной точке. Покрытие может быть глобальное.
Главный недостаток ИСЗ на НВО, спутники вращаются по круговым низким орбитам на достаточно высокой линейной скорости и от момента, когда спутник выходит в ту зону, где находится абонент, до того момента, когда он из этой зоны выходит, может проходить 20-40 минут. Для того, чтобы обеспечить хорошее покрытие, нужно много спутников.
7.
Спутниковые системы
7.1.
Система VSAT
Среди спутниковых технологий особенное внимание привлекает развитие технологий спутниковой связи типа VSAT (Very Small Aperture Terminal).
На основе VSAT оборудования возможно построение мультисервисных сетей, предоставляющих практически все современные услуги связи: доступ в Интернет; телефонную связь; объединение локальных сетей (построение VPN-сетей); передачу аудио-, видеоинформации; резервирование существующих каналов связи; сбор данных, мониторинг и удаленное управление промышленным объектами и многое другое.
Немного истории. Развитие сетей VSAT начинается с того, что был запущен первый спутник связи. В конце 60-х годов в ходе экспериментов со спутником АТС-1 была создана экспериментальная сеть, состоящая из 25 земных станций, спутниковой телефонной связи на Аляске. Фирма Linkabit, одна из первых создавшая VSAT Ku- диапазона, слилась с фирмой M/A-COM, которая в последствии стала ведущим поставщиком оборудования VSAT. Hughes Communications приобрела отделение у
М/А-СОМ, преобразовав его в Hughes Network Systems. На данный момент компания
Hughes Network Systems, является ведущим мировым поставщиком широкополосных