Спутниковые каналы связи

Мы уже познакомились с основными элементами канала связи. Когда мы говорим про спутниковую связь, то мы говорим как про стандартный канал связи, но в случае спутниковой мы говорим про высокие частоты, как правило, это больше 100 МГц рабочая частота и до десятков ГГерц. Мы предполагаем, что радиосигнал проходит практически по прямой между спутником и приёмником на Земле или между двумя спутниками, потому что как раз очень высокая частота. И влияние ионосферы на этот сигнал достаточно невелико, и какие-то дисперсионные искажения, дифракционные эффекты здесь тоже невелики.

Так вот спутниковая связь использует идеи ретрансляторов, но которые вынесены далеко в космос. Идея использовать спутники в качестве ретрансляторов появилась практически сразу, как только были запущены первые спутники. И интересный эксперимент был проведён в 1960 году, когда запустили на орбиту тридцатиметровый шар с металлизированной оболочкой. Представьте: в космос вывели на высоту примерно полторы тысячи километров оболчку, её надули и получили тридцатиметровую сферу с металлизированным покрытием, и эта сфера, обладая такой большой площадью, достаточно хорошо служила в качестве пассивного ретранслятора. То есть передатчик на Земле знал, когда эта сфера пройдёт над ним, излучал сигнал, сигнал отражался от металлической оболочки и принимался где-то на Земле приёмным устройством. Но если сфера уходила за горизонт, то соответственно использовать её в качестве ретранслятора было уже нельзя. Так как сфера была достаточно лёгкой, то есть отношение площади к массе было достаточно велико, то она под действием атмосферы и солнечной радиации достаточно быстро сошла с орбиты, к сожалению. Хотя очень интересный объект, и такой эксперимент интересно было бы повторить, но боюсь, что в современных условиях, когда у нас сейчас столько искусственного космического мусора на орбите, то этот эксперимент становится уже опасным: сфера может быть пробита каким-то мелким обломком, размером с миллиметр и ретранслятора не будет.

Но тем не менее идея достаточно интересная — использовать спутники в качестве ретранслятора — и конечно же началась настоящая гонка: как можно разместить спутники на геостационарной орбите Земли. Это такая орбита, вращаясь по которой, спутник имеет ту же самую угловую скорость, что и вращение Земли. Таким образом, их угловые скорости совпадают, и фактически спутник зависает над какой-то точкой Земли, висит над потребителем и является устойчивым элементом в канале связи.

Геостационарные спутники находятся на высоте тридцать шесть тысяч километров и сейчас достаточно плотно эта орбита заселена. Если посмотреть, как выглядит распределение количества спутников по высоте, то самая высокая плотность наблюдается на дальности примерно полуторы тысяч километров: первый пик на высоте восемьсот километров, потом на полторы тысячи километров, потом идёт достаточно резкое падение плотности, потом небольшой пик на высоте примерно двадцать тысяч километров, там где находятся системы глобальной навигационной связи (ГЛОНАСС, GPS, Бэйдоу), и дальше наблюдается резкий пик на высоте тридцать шесть тысяч километров, там где находятся геостационары.

И можно сказать, что они уже друг друга плечами расталкивают, и если вдруг какой-то спутник связи выходит из строя на данной орбите, то, в принципе, иногда наблюдаются захваты этих зон. Поэтому государства, которые хотят обеспечить себя связью, конечно, должны очень пристально и надёжно охранять свои спутники и те положения, которые они могут занимать. Потому что действительно в истории бывали случаи, когда был такой несанкционированный захват положения.

Сейчас места на геостационарной орбите практически все расписаны, их не хватает, и поэтому спутники связи начинают запускать не только на геостационарной орбите, она характеризуется ещё и тем, что спутники на ней находятся вдоль экватора (Рисунок 1). Наклонение этой орбиты (то есть угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора) равен практически нулю. А так как почти все места заняты, то приходится запускать на орбиты, которые имеют некоторый наклон с плоскостью экватора i (inclination), и тогда в этом случае действительно не очень удобно, потому что спутник всё равно движется по орбите и выходит из поля зрения. Таким образом, чтобы получить замкнутую цепочку, нужно, по крайне мере, три спутника с угловым расстоянием сто двадцать градусов, тогда они образуют цепочку, которая может по кругу передать данные, и потом какому-то наблюдателю на Земле.

Рисунок 1

И, вообще говоря, есть понятия downlink и uplink, то есть это частоты, на которых потребитель на Земле получает от спутника данные и передаёт их в обратную сторону, и они отличаются. Это нужно для того, чтобы каналы друг с другом не интерферировали, не смешивались и не представляли помех друг другу. Здесь есть не только частотное разделение каналов, но используется и поляризационное, например, спутники Ямал, которые используют правую и левую круговую поляризацию, то есть на одной и той же частоте, с одинаковой модуляцией, но в одном случае волна закручена влево, в другом — вправо. Таким образом, данные сигналы можно разделить и более плотно использовать тот частотный диапазон, который выделен для этих спутников.

Прямо на наших глазах развиваются очень интересные события, а именно на высоте около пятисот пятидесяти километров разворачивается массивная спутниковая группировка Starlink. Уже сейчас (2020 год) на орбите более 520 спутников, и некоторые из них очень хорошо видны, если посмотреть прогноз их движения, то можно посчитать, когда они будут проходить через нас в ночное время или в сумерках и увидеть цепочку этих объектов. Эти спутники предназначены для того, чтобы обеспечить нас интернетом, причём быстрым. Ведь если спутник находится на геостационарной орбите на высоте 36000 километров, то задержка достаточно большая и это нужно учитывать в каналах связи, а когда вы разговариваете по телефону через спутниковую связь, то туда и обратно задержка сигнала с учётом внутренних линий задержки (модуляторов, демодуляторов), то есть с учётом внутренних задержек приёмника, может составлять до секунды. Конечно, в телефонном разговоре задержка в одну секунду уже хорошо чувствуется. Плюс ко всему задержка в одну секунду на каких-то критических вещах тоже может быть очень важной, например, если вы хотите следить за очень быстрыми колебаниями курса на бирже с субсекундными интервалами, то такой канал связи для вас будет очень медленным. Поэтому чтобы обеспечить общий доступ к интернету, запускают группировку спутников на высоте 550 километров и покрывают кольцами (Рисунок 2) практически всю нашу Землю, то есть  с любой точки Земли можно будет в любой момент времени видеть какой-либо из спутников системы Starlink.

Рисунок 2

Рисунок 3

Это очень интересная система, потому что она образует умную межсеть, в которой нет какого-то выделенного управляющего центра: каждый путник знает позиции всех других объектов, и вся система находится в единой синхронизации и постоянно корректирует свою орбиту. Очень интересные спутники для наблюдения, потому что на высоте 550 километров атмосфера, конечно, уже разрежённая, но всё-таки ещё представляет значимый вклад в характер движения, и чтобы скомпенсировать торможение в атмосфере, эти спутники постоянно корректируют свою позицию, потому что если эту систему предоставить самой себе на данной высоте, то она достаточно быстро потеряет свою конфигурацию, в силу многих причин, и в том числе это связано с тем, что наша Земля не является строго сферой. То есть у нас гравитационная сила направлена не строго по радиусу, а обладает ещё трансверсальной компонентой, которая тоже смещает объект. Таким образом, гравитационное поле может перегруппировать спутники не так как надо, а сеть должна быть с достаточно с равномерным покрытием.

Вот такая система на такой малой высоте уже обеспечивает в десятки раз меньшее время задержки, нежели если вы работаете с геостационарными объектами.

Так что эта система очень интересна, она сейчас развивается очень активно и уже ведется активное тестирование приёмо-передающего оборудования.

Надо сказать, что подобную систему глобального интернета в планах построить и вокруг планет нашей солнечной системы, например, Марса. Сейчас вокруг Марса летает два спутника-ретранслятора, которые ретранслируют данные с марсохода на Землю в сеть дальней связи на большие антенны. Но эти спутники находятся не постоянно в зоне видимости марсохода, и поэтому приходится составлять достаточно жёсткое расписание, когда начать передавать данные: вот спутник над горизонтом взошёл, и надо стараться практически сразу данные передавать, и на всё про всё у марсохода может быть не больше 16 минут, за это время нужно передать данные.

Конечно, такой канал связи не постоянно действующий (ситуативного использования) — это одна из характеристик каналов связи. Так вот чтобы сделать его постоянным, планируется развернуть вокруг Марса тоже систему недорогих ретрансляторов. И первая попытка в направлении такого межпланетного интернета была сделана, когда запускали в 2018 году посадочный модуль на Марс. Вместе с этим посадочным модулем было выведено два спутника, которые были ориентированы так, чтобы наблюдать посадку данного модуля на Марс и сразу же передавать данные на Землю. В результате использования таких недорогих и относительно малых спутников-ретрансляторов удалось достаточно оперативно получить качественные данные на Земле и убедиться, что посадка прошла штатно. Но самое главное — что удалось эти спутники сделать. Мощности сигнала, который они излучали, было достаточно, чтобы обеспечить уверенный приём на Земле и получить хорошие данные. А если удастся развернуть такое облако спутников вокруг Марса, то, конечно, это позволит марсоходу практически непрерывно передавать данные.

Интересно поговорить о протоколах передачи данных, которые разрабатываются сейчас, то есть нет ещё для такой супердальней связи готовых протоколов, они все находятся в разработке. И даже, что называется “одним глазком посмотреть”, как они выглядят нельзя, это закрытая информация, но тем интереснее разобраться с основными принципами, которые заложены в эти вещи.

Так что спутниковая связь — это очень перспективное направление, она развивается как вокруг Земли, так и вокруг планет нашей Солнечной системы, она будет развёрнута, потому что уже понятно, как делать недорогие приёмники и передатчики, кодеры и декодеры, но всё равно до сих пор оптимальной системы кодирования не придумано. То есть как выйти на оптимум, который в этом смысле позволил бы обеспечить максимум по помехоустойчивости при минимуме проверочных символах, этот вопрос до сих пор открыт, он в разработке, и надеюсь, вы сможете в дальнейшем внести вклад в этот очень серьёзный вопрос.

Для размышления

1. Подумайте, какие сложности встречаются при запуске спутника от проектирования до непосредственного выхода на орбиту?

2. Найдите информацию о спутнике, запущенном в 1960 году, о котором говорится в лекции.

Материалы

• Конспект лекций по курсу «Космическая геодезия и геодинамика» для студентов (в пятой главе описываются глобальные спутниковые навигационные системы)