GEO, HEO, MEO и LEO

Речь пойдет не о мяукающих кошках, как вы, может быть, подумали, а о системах спутниковой связи. Несмотря на существенный прогресс проводной и радиосвязи, на долю спутниковых систем сегодня приходится до двух третей мирового трафика, а спутниковые проекты продолжают разрабатываться и реализовываться с не меньшей, а может, и большей интенсивностью, чем прежде.

В зависимости от параметров орбиты спутники принято делить на четыре семейства: геостационарные (GEO - Geostationary Earth Orbit Satellites), (высоко)эллиптические (HEO - High Elliptic Orbit Satellites), средневысотные (MEO или ICO - Medium Earth Orbit или Intermediate Circular Orbit Satellites) и низкоорбитальные (LEO - Low Earth Orbit Satellites), см. рис. 1.

Рис.

Начнем с GEO-спутников [1]. Для того чтобы спутник постоянно "висел" в одной точке над горизонтом, его забрасывают на экваториальную орбиту высотой около 36 тыс. км, где период его обращения вокруг Земли совпадает с периодом обращения Земли вокруг своей оси. Оттуда спутник может засвечивать до трети территории Земли в пределах от 76. северной до 76. южной широты. Таким образом, всего три спутника, разнесенные на 120. экваториальной геостационарной орбиты, закрывают весь наш шарик за исключением полярных зон. Но GEO-спутников подвешено гораздо больше. Во-первых, для улучшения энергетики диаграмме направленности спутниковых антенн придают очертания материка или участвующих в проекте государств. Во-вторых, спутниковые ретрансляторы имеют ограниченные полосы пропускания, поэтому общее число каналов связи одного спутника не так уж велико. Даже при полной загрузке приемо-передающих пар (иначе - стволов или транспондеров, которых обычно бывает от 6 до 64 с полосой пропускания от 32 МГц до 72 МГц каждый) самый современный спутник связи может потенциально обеспечить не более 8 тыс. стандартных телефонных каналов по 64 кбит/с, а при максимально допустимом сжатии до 2,4 кбит/с - около 200 тыс. каналов. Часть из них, как правило, занята служебными задачами, поэтому современный геостационар может обеспечить лишь 10-15 тыс. телефонных каналов общего пользования, что с учетом стандартов на качество связи соответствует 40-60 тысячам абонентов. Маловато. В результате число GEO-спутников сейчас таково, что каждое свободное место на орбите стало предметом крупной торговли и квотирования. По международным правилам, действующие GEO-спутники должны отстоять друг от друга не менее чем на один угловой градус, чтобы антенные диаграммы наземных станций не засвечивали более одного спутника. Таким образом, число спутников на геостационарной орбите не может превышать трехсот шестидесяти [2].

Если мы "повисим" рядом с GEO-спутником и посмотрим, чем он занят, выяснится, что, обеспечивает он, как правило, "прозрачную" ретрансляцию приходящего сигнала: принял, перетащил в другой частотный диапазон и после усиления "выкинул" вниз в том же или другом антенном луче. И никакой сложной обработки, коммутации или маршрутизации - усложнение электронной системы ведет к меньшей надежности спутника, долженствующего работать много лет в очень тяжелых окружающих условиях. Проблем и без того много: во-первых, на околоземной орбите, оказывается, есть гравитационные "горки" и "лощины" [3], куда постепенно "скатываются" уже не нужные старые спутники, образуя своего рода космический погост, - круглые, квадратные, бочко- и ящикообразные, с золочеными блюдечками антенн и иссиня-черными парусами солнечных батарей. Во-вторых, приходится бороться с земными гравитационными аномалиями и влиянием Луны, способной раскачать спутник почти до одного градуса в год, да и светило наше тоже вредит - гравитационными силами [4] и солнечным ветром. С помощью коррекционных реактивных микродвигателей, работающих на жидком азоте, удается обеспечить стабильность положения спутника в пределах .0,1.. В-третьих, надо обеспечить электронику стабильным и мощным (до 5-10 кВт) питанием, постоянно поддерживая ориентацию на Солнце многометровых крыльев солнечных батарей, а два раза в год, весной и осенью, когда спутники попадают в зоны "солнечного затмения", включать аккумуляторы. В-четвертых, нужна защита от солнечной радиации, космического излучения и радиационного пояса Земли. В-пятых, требуется хорошая система терморегуляции (температура на поверхности спутника меняется от -50.С до +70.С). А еще - прецизионная настройка диаграмм направленности антенн, что при расстояниях в 40 тыс. км совсем не просто, и так далее, и тому подобное.

Но, как ни странно, со всеми проблемами спутники справляются вполне успешно. Даже наши, хотя их гарантийный срок службы был раза в два раза меньше, чем у зарубежных (5-7 лет против 10-15), и "разбалтывались" они на орбите сильнее. Новые спутники "Экспресс" и "Ямал" собираются работать не менее 15 лет, но поживем - увидим.

width=380

Спутниковая связь - удовольствие довольно дорогое. Стоимость только одной современной платформы (платформой называется все, кроме ретрансляторов) составляет кругленькую сумму 150-250 млн. долларов. А еще почти столько же стоит "полезная нагрузка" (транспондеры) и запуск: от 150 млн. долларов в США до 50 миллионов в КНР (но это как китайские кроссовки - дешево и так же "надежно"). Цена нашей техники и запуска располагается где-то посредине - от китайцев по цене ушли, правда, недалеко, зато по надежности запуска мы объективно самые-самые в мире.

О геостационарных спутниках можно рассказывать долго, но "заткнем фонтан" и спустимся с небес на землю. Для связи с GEO-спутниками требуется устанавливать наземные станции с мощными передатчиками и параболическими антеннами диаметром от 3 до 32 метров, причем чем меньше диаметр антенны, тем дороже аренда спутникового канала. Крупные антенны должны иметь систему автосопровождения спутника и систему обогрева всех своих 70-200 квадратных метров (слой снега даже толщиной 3-5 см может снизить отношение сигнал/шум на пару децибел). Автосопровождение же требуется потому, что ширина диаграммы антенного луча наземной станции составляет доли градуса, то есть меньше угловой нестабильности GEO-спутника. Так что, если вы подумываете о приобретении собственной земной станции для магистральных GEO-потоков, рассчитывайте на миллиончик-полтора "зелеными".

Поиск абонентов в многозоновых сетях подвижной связи
АРТУР КОЗИНЕЦ

Одним из важнейших параметров любой системы подвижной радиосвязи является время установления соединения, складывающееся из времени коммутации канала связи и времени поиска вызываемого абонента (ВА).

Поиск абонента без фиксации информации о его местоположении в случае большого числа абонентов и зон обслуживания, характерных для глобальных спутниковых систем, неэффективен, поэтому текущее положение активных абонентов в системе приходится постоянно отслеживать.

Используемая в сотовых сетях регистрация абонентов в централизованной базе данных (рекомендация ITU Q.1000 Mobile Subscriber Search Order) для спутниковых систем не подходит, так как в этом случае помимо абонентов перемещаются и зоны обслуживания. Поэтому применяют распределенную базу данных, что уменьшает среднее расстояние, на которое передается вызов при смене текущего адреса. Структура сети связи при этом состоит из трех уровней: сети доступа (интерфейса между абонентом и системой), фиксированной сети (линий связи между спутниками и каналов к ТфОП) и управляющей интеллектуальной сети (ИС). Именно с помощью ИС, имеющей иерархическое построение ("Земля", "страна", "регион" и т. д.) и состоящей из узлов, отслеживаются перемещения абонентов и устанавливаются соединения.

Каждый узел ИС (а любой уровень ИС, кроме первого, содержит несколько узлов) содержит собственную базу данных, записи в которой имеют два поля: "домашний" адрес (телефонный номер) абонента и его физический адрес, представляющий собой ссылку на дочерний узел, в зоне обслуживания которого абонент находится в данный момент.

Процедура поиска при этом такова: входящие звонки направляются ИС по домашнему адресу ВА, если в базе данных не обнаружена запись переадресации. В противном случае текущее местоположение ВА, находящегося за пределами домашней зоны, определяется по адресной цепочке в распределенной базе данных, обновляемой при перемещении абонента между зонами одного уровня.

При запросе на соединение базовая станция вызывающего абонента передает вызов своему родительскому узлу на один уровень "вверх". Приняв запрос, этот узел ищет в своей базей данных запись, ассоциированную с ВА. Не обнаружив ее, он, в свою очередь, передает запрос еще "выше" - своему родительскому узлу, и т. д. Узел, на котором обнаруживается соответствующая запись, спускает запрос "вниз" по цепочке к узлу первого уровня, в зоне обслуживания которого находится ВА. Если в течение установленного времени ответный сигнал от абонента поступает, то происходит соединение - по наикратчайшему пути, а не через зону, в которой зарегистрированы абоненты, и не через глобальный центр. Локализация трафика в области нахождения абонентов приводит к уменьшению стоимости эксплуатационных расходов сети.

Оптимизация структуры ИС (поиск оптимального числа иерархических уровней, числа дочерних узлов для каждого из уровней) сводится к математической задаче отыскания минимума функции нескольких переменных, например, стоимости обновления базы данных, суммарного объема базы данных, объема самой большой из всех баз распределенной системы. Исходными данными при этом оказываются общее число абонентов, конфигурация зон обслуживания, максимальное число абонентов на одну зону и вероятностные характеристики поведения абонентов.

Интересно, что даже при равномерной плотности распределения абонентов по территории оптимальное распределение узлов неравномерно, причем их плотность падает к периферии. Плотность узлов падает также при увеличении средней нагрузки, приходящейся на каждого абонента. Это объясняется уменьшением выигрыша от концентрации нагрузки на узлах при увеличении абонентских нагрузок, и, в конечном счете, при достаточно больших нагрузках делает нерентабельной организацию коммутируемой распределенной сети по сравнению с сетью на прямых связях.

По моему мнению, геостационары, именно из-за своего неизменного положения над нашими головами, будут всегда занимать главенствующие позиции среди спутниковых группировок, особенно по мере развития цифровых мультимедийных информационных систем нового поколения. И как показывает практика, даже при многомиллионной стоимости GEO-группировки - самые дешевые из всего семейства спутниковых систем. Весьма вероятно, что вскоре с их помощью можно будет получить с небес все, что пожелаете, и даже больше: телефонную связь и широкополосный Интернет, интерактивное телевидение и цифровую стерео/квадромузыку, и что-нибудь еще, пока не придуманное... До сих пор в сравнении с самыми развитыми наземными кабельными сетями спутниковая связь остается вне конкуренции - благодаря мобильности и глобальности охвата. Вот только размахнуться ей не дают. Может, когда-нибудь серьезные дяди из ITU (Международного союза электросвязи) все же выделят достаточно частотных диапазонов, пока же их нехватка серьезно сдерживает развитие GEO-систем, ограничивая число пользователей и ассортимент услуг.

Всем бы геостационары были хороши, если бы не необходимость загонять их на высоту 36 тыс. км. Отсюда проистекает их главный недостаток, а именно большое время прохождения сигнала, доходящее с учетом задержек в трактах наземной и бортовой аппаратуры до секунды, в результате чего в телефонных каналах появляется неприятный эффект эха.

Прежде чем перейти к более "современным" LEO- и МЕО-группировкам, кратко рассмотрим НЕО-спутники. Первой системой подобного класса была советская "Молния", обеспечивающая трансляцию телепередач на всю территорию СССР. Обычно НЕО-спутник выводится на вытянутую эллиптическую орбиту, в одном из фокусов которой находится Земля. Забираясь на высоту около 40 тыс. км, а затем снижаясь, спутник проводит над заданной территорией не менее 8-12 часов в сутки, после чего быстро облетает Землю с другой стороны на высоте около 500 км. Вследствие некоторых геофизических причин существуют только две стабильные эллиптические орбиты: с наклонением 63. и 116. к экватору. При других углах наклона спутник постепенно сдвигается с заданной орбиты из-за гравитационных "проказ" Луны, несферичности Земли и других факторов.

Высокая орбита HEO-спутника ведет к тем же проблемам, что имеются у геостационаров (слабая энергетика линии и задержка распространения сигнала), и добавляет гроздь своих: требуются наземные станции с антеннами, следящими за траекторией спутника в пределах почти полусферы, и сложные приемо-передающие устройства с большим динамическим диапазоном по чувствительности и выходной мощности (из-за сильного изменения дальности до спутника). Совсем от НЕО-систем не отказываются потому, что, во-первых, запуск на эллиптическую орбиту дешевле, а во-вторых, на них не распространяются квоты, установленные для геостационаров. Но вряд ли в перспективе НЕО-спутники будут играть роль большую, чем сегодня, когда они служат ТВ-ретрансляторами.

И здесь самое время обсудить низкоорбитальные (LEO) и среднеорбитальные (МЕО) спутниковые группировки, характеризующиеся меньшими задержками, лучшими энергетическими показателями и низкой стоимостью наземных терминалов.

Спутники МЕО запускаются на промежуточные круговые орбиты, а именно на высоты порядка 10 тыс. км, где есть "просвет" между первым и вторым слоями Ван-Аллена [5].

Совершая один оборот вокруг Земли за 6-7 часов, такой спутник остается видимым из какой-либо точки поверхности не более 1,5-2 часов. Для обеспечения непрерывной связи создаются группы из 10-12 спутников, равномерно расставленных по нескольким орбитам, с перекрывающимися антенными диаграммами.

Поскольку MEO-спутники почти вчетверо ближе к Земле, чем GEO, то благодаря квадратичной зависимости энергии от расстояния они выигрывают у последних в энергетике больше чем на порядок, а время задержки сигналов снижается до 120-130 мс. На борту МЕО-спутников не ставится много транспондеров, там не требуются мощные передатчики, а значит, спутниковую платформу можно сделать меньше и легче (порядка полутонны) по сравнению с 1-3 тоннами у GЕО и выводить их на орбиту менее мощными и более дешевыми ракетами. Кроме того, спутники МЕО могут быть запущены на полярную орбиту, чтобы закрыть и полярные зоны, не "засвечиваемые" геостационарами. Все эти преимущества делают связь гораздо качественнее и дешевле.

Средневысотные орбиты имеют еще одно достоинство (уже по сравнению с низковысотными): времени пребывания спутника "под солнцем" хватает для полной перезарядки батарей. Таким образом, снижается зависимость от аккумуляторов, самого короткоживущего компонента платформы, и повышается средний срок службы спутников. У MEO он составляет 10-12 лет.

МЕО-системы более эффективны при построении сетей региональной связи с узловыми наземными станциями и "последней милей" в виде проводных или радиосетей, а также для организации массовой персональной связи, в том числе широкополосной. После освоения диапазонов миллиметровых волн с полосой, эквивалентной хорошей оптоволоконной линии, по каналам связи можно будет осуществлять доступ к Интернету, передавать мультимедийные сигналы, видеопрограммы и прочие многоканальные радио- и телеудовольствия. Такие проекты уже "варятся" в США и даже у нас, - к примеру, ICO корпорации Inmarsat, американский Odyssey (пока замороженный в пользу ICO), пара наших проектов "Ростелсата".

Хотя один МЕО-спутник много дешевле двух-трехтонных "бочек" геостационаров, но ведь и нужно их на порядок больше. Именно поэтому системы на МЕО-спутниках оказываются дороже GEO-систем, что и доказал проект ICO, расходы на который уже превысили 1,6 млрд. долларов.

И наконец, низкоорбитальные, или LEO-спутники, летающие на высотах от 500 до 1500 километров. [6] Их малый период обращения (в среднем они делают один оборот вокруг Земли за 100-120 минут) сокращает время пребывания в пределах видимости из одной точки поверхности до 10-15 минут. Различные LEO-системы крутятся вокруг земного шара уже много лет. Вначале это были просто "почтовые ящики", которые, пролетая над одной точкой Земли, забирали пакеты цифровой информации или короткие речевые послания, а затем сбрасывали их наземной приемной станции, ближайшей к адресату. Среди LEO - система обнаружения и определения координат морских судов, терпящих бедствие (КОСПАС-САРСАТ), наш, в те годы секретный "Гонец" и некоторые другие полулюбительские проекты. В них использовались очень маленькие и очень дешевые спутники, забрасываемые на орбиты в качестве вторичной полезной нагрузки на ракетах-"попутках". Полная стоимость таких проектов порой не превышала полумиллиона долларов, а в СССР они стоили всего 25 тысяч "тех" рублей. Для работы по схеме офлайнового почтового ящика было достаточно одного спутника на полярной орбите, три-четыре раза в сутки появляющегося над головой в любом районе шарика - реже всего на экваторе и каждый оборот - над полюсами [7]. Для сокращения времени доставки сообщения запускался не один, а больше спутников (N), разнесенных на 360./N.

Существенно лучшие энергетические характеристики LEO-спутников позволяют уменьшить наземные терминалы до размеров обычного сотового телефона или радиомодема. Но, как и в случае МЕО, для постоянной связи требуются группировки из нескольких десятков спутников, цепочками вращающихся на разнесенных орбитах, и чем ниже орбита, тем больше нужно спутников и орбит. Очень важно при этом точно поддерживать взаимное расположение спутников, ибо даже при небольшой разнице в скорости они ведут себя подобно автомашинам на шоссе - где густо, а где пусто.

LEO-спутники проигрывают своим более "высоким" конкурентам во времени жизни из-за частого переключения энергетической системы с солнечных батарей на аккумуляторы и соответственно из-за увеличения числа циклов заряда-разряда батарей, вследствие чего срок их службы не превышает 5-8 лет. Обычно LEO-спутники несут один, редко два или три транспондера, один из которых резервный. Но по сравнению с GEO-спутниками на них чаще устанавливается сложная электронная аппаратура коммутации потоков для осуществления "интеллектуальной" межспутниковой связи с четырьмя своими соседями, а число наземных станций при этом может быть небольшим. Установка на борт более сложной, а значит, менее надежной аппаратуры, наверное, оправданна, поскольку спутников много и выход из строя одного из них не прекращает работу всей системы. Да и не жалко запустить запасные спутники: одним больше, одним меньше - какая разница!

Рис.

Антенные системы LEO-спутников формируют, как правило, не одну, а несколько секторных или круглых диаграмм, называемых фасетами (рис. 2), в каждой из которых для увеличения емкости сети устанавливается своя сетка частот. Делается это с целью увеличения числа одновременных сеансов связи путем пространственного разноса частот каналов связи Земля-спутник-Земля (чем больше фасетов, тем чаще можно использовать одну и ту же несущую).

В дополнение к существующим Orbcomm (48 спутников), E-Sat (6), Fiasat (32), Gemnet (38), Starsys (24), Ge-Leo (24), Vita (3), Leo One (48), отечественному "Гонцу-Д1" (6) и его полувоенному предку (48) сейчас разрабатываются десятки более совершенных LEO-систем персональной связи. Они основаны на самых современных технологиях передачи и кодирования сигналов, сопряжении этих систем с наземными телекоммуникационными сетями общего пользования и сетями сотовой связи, с Интернетом и т. д. Из-за большого числа задействованных спутников и наземных станций, а также из-за использования новейших технологий все эти проекты очень и очень дороги, и каждый из них имеет свое специфическое представление о своем назначении. Подробнее читайте об этом в следующих статьях.

1 (обратно к тексту) - Говорят, что их придумал известный писатель-фантаст Артур Кларк. Предложил - и не ошибся.

2 (обратно к тексту) - США имеют около тридцати GEO-спутников, Канада - 8, Юго-Восточная Азия, включая Китай и Японию, - 25, Россия - 20, Западная Европа - 10; Intelsat - 25, "Интерспутник" - 11, Inmarsat - 8, Eutelsat - 8 и Аrabsat - 4; кроме того, имеется около пятидесяти военных, научных, а также теле- и радиотрансляционных спутников.

3 (обратно к тексту) - "Горки" расположены на 11. з. д. и 162. в. д., "лощины" - на 105. з. д. и 75. в. д.

4 (обратно к тексту) - Луна и Солнце сдвигают спутник по оси север-юг, солнечный ветер и гравитационная аномалия Земли - по оси восток-запад, а из-за несферичности Земли спутник смещается на "наклонную" орбиту, сдвинутую относительно истинной экваториальной плоскости на 3-4.. Вследствие этих возмущений наблюдателю с Земли кажется, что спутник описывает "восьмерки" вокруг расчетной точки стояния.

5 (обратно к тексту) - В экваториальном поясе Земли вращаются облака заряженных частиц (так называемые слои Ван-Аллена), в которых из-за сильной радиации спутники долго жить не могут, и их приходится размещать под, над или между слоями. Первый слой Ван-Аллена расположен на высотах от 1,5 до 10 тыс. км, второй - от 13 до 20 тыс. км.

6 (обратно к тексту) - Ниже 500 км спутники начинают тормозиться в атмосфере (хотя и очень разреженной) и намного интенсивнее "сваливаться" к Земле.

7 (обратно к тексту) - За время одного оборота спутника Земля поворачивается под ним на 15-20.. Полосы, оставляемые на поверхности Земли антенным пятном спутника, перекрываются. Обычно в одной точке Земли "видно" от двух до четырех соседних витков. Полный цикл спутник делает приблизительно за 16 часов.