Геостационарный спутник

Совместными усилиями

Итак, классические операторы тем или иным способом входят в бизнес низкоорбитальных систем, то есть создают ту самую гибкость активов, чтобы выйти из стагнации. Самый характерный пример — запущенная к 2015 году среднеорбитальная система O3b. Изначально она была совместным проектом двух конкурентов, Eutelsat и SES, но Eutelsat вышла из него, а SES, наоборот, дошла до полного владения O3b. Сервис, предоставляемый O3b, нацелен на B2B- и госсектор, оператор считает, что занял хорошую нишу на рынке и обеспечил потенциал для дальнейшего развития.

Классический спутниковый оператор, владелец 18 космических аппаратов SKY Perfect JSAT Corporation (SJC) стал инвестором LeoSat Enterprises. LeoSat Enterprises создает низкоорбитальную коммуникационную систему из 108 космических аппаратов. Лазерные межспутниковые линии связи позволят системе предоставлять скорость доступа до 1 Гбит/с с задержкой, сравнимой с оптоволоконными линиями связи. Контракт возник не из ниоткуда: весь прошлый год LeoSat Enterprises одновременно вела переговоры о партнерстве с восемью операторами.

В России ситуация, как всегда, интересная. С одной стороны, страна заинтересована в наличии негеостационарной системы, поскольку существует необходимость подключать к современным услугам районы Крайнего Севера. С другой стороны, распределение населения делает эту затею крайне сложной с точки зрения окупаемости. Поэтому российские операторы смотрят на высокий эллипс, который требует меньшего количества космических аппаратов, но при этом позволяет охватить приполярные области. Такую систему реализует ФГУП «Космическая связь». Есть и коммерческий инвестиционный проект, который продвигает компания «Зонд Холдинг». Генеральный директор «Зонд Холдинга» Виктор Донианц вообще считает, что геостационарные спутниковые системы уже в принципе не отвечают современным запросам рынка. Особенно это касается России, так как географическое положение страны обуславливает не самые удобные условия настройки антенн на геостационарные космические аппараты — малые углы наклона над горизонтом, невозможность использования в полярных районах. «Для сохранения конкурентоспособности с наземными технологиями спутниковые операторы должны отказаться от использования геостационарной орбиты», — считает Виктор Донианц.

Международно-правовой статус ГСО[ | код]

Использование геостационарной орбиты ставит целый ряд не только технических, но и международно-правовых проблем. Значительный вклад в их разрешение вносит ООН, а также её комитеты и иные специализированные учреждения.

Некоторые экваториальные страны в разное время предъявляли претензии (например, Декларация об установлении суверенитета на участке ГСО, подписанная в Боготе Бразилией, Колумбией, Конго, Эквадором, Индонезией, Кенией, Угандой и Заиром 3 декабря 1976 г.) на распространение их суверенитета на находящуюся над их территориями часть космического пространства, в которой проходят орбиты геостационарных спутников. Было, в частности, заявлено, что геостационарная орбита является физическим фактором, связанным с существованием нашей планеты и полностью зависящим от гравитационного поля Земли, а потому соответствующие части космоса (сегменты геостационарной орбиты) как бы являются продолжением территорий, над которыми они находятся. Соответствующее положение закреплено в Конституции Колумбии.

Эти притязания экваториальных государств были отвергнуты, как противоречащие принципу неприсвоения космического пространства. В Комитете ООН по космосу такие заявления подверглись обоснованной критике. Во-первых, нельзя претендовать на присвоение какой-либо территории или пространства, находящегося на таком значительном удалении от территории соответствующего государства. Во-вторых, космическое пространство не подлежит национальному присвоению. В-третьих, технически неправомочно говорить о какой-либо физической взаимосвязи между государственной территорией и столь отдаленным районом космоса. Наконец, в каждом отдельном случае феномен геостационарного спутника связан с конкретным космическим объектом. Если нет спутника, то нет и геостационарной орбиты.

Принцип работы тороидальной антенны

В основе принципа работы тороидальной антенны лежит двойное отражение сигнала от двух зеркал. Первое зеркало антенны наиболее нам привычно и имеет параболическую форму, а вот второе зеркало имеет форму боковой стенки тора. Геометрическая фигура тор образуется при вращении окружности вокруг не пересекающей ее прямой, лежащей в плоскости окружности. Так вот сигнал со спутника отражается от параболического полотна, а потом еще и от тороидального. Отсюда и получается такое необычное расположение конвертеров, которые направлены в противоположную сторону от основного отражателя. Благодаря тороидальной форме отражения сигнала на одну жестко закрепленную антенну можно поймать до 16 спутников одновременно. Антенна имеет также полукруглую дугу для крепления на ней конвертеров. Для удобства настройки на ней уже нанесены риски с градусами. При правильной первичной настройке в дальнейшем нужно просто устанавливать конвертеры на нужный градус.

Отличительные особенности тороидальной антенны

Антенна, про которую в этом материале идет речь, называется Globo T90. Она имеет 90 см в диаметре. Во время настройки я столкнулся с несколькими особенностями, которые сперва не учел, из-за чего потерял некоторое время. В отличие от привычных офсетных антенн, тороидальная сильно наклонена вниз, настолько, что я сначала не мог предположить, что нужно искать спутник в таком положении.

Спутник на центральную головку настраивается довольно просто — точно так же, как и на обычные офсетные антенны. Иначе дело обстоит с настройкой боковых конвертеров на другие спутники. Для полноценной настройки тороидальной антенны ее нужно регулировать в трех плоскостях — не только верх-вниз и по азимуту, но и крутить вправо и влево.

Перед тем как настраивать антенну, нужно сразу определиться с теми спутниками, которые требуется настроить. Из списка, который вы для себя составите, нужно определить спутник, который находится на орбите посередине. Затем необходимо установить конвертер в центральное положение антенны и настроить тарелку на спутник, используя привычные направления регулировки. После этого нужно настроить самый дальний от центра конвертер. Для этого на полукруглой дуге есть соответствующая шкала. Отсчитываем нужное количество градусов и устанавливаем в это место конвертер. Так, например, если в центре вы настроили спутник Astra 19E, а самый дальний конвертер хотите навести на «Экспресс-АМУ1» в точке 36° в. д., то 36 минус 19 получится 17, именно на эту величину и нужно установить конвертер. После этого нужно произвести регулировку наклона антенны, поворачивая ее немного вправо и влево по часовой стрелке. При этом антенна должна оставаться жестко закрепленной в других плоскостях. После того как вы поймаете сигнал с крайнего конвертера, можно считать, что антенна настроена. Теперь для любого спутника, находящегося в зоне приема антенны, достаточно установить конвертер в соответствующее градусам место.

При настройке нужно учесть, что из-за отражения сигнала размещение конвертеров будет прямо пропорционально спутникам. Так, если спутник в точке 36° в. д. находится восточнее 19° в. д., то на антенне конвертеры будут расположены в обратном направлении.

Если попытаетесь настроить антенну на спутник, с которого транслируются каналы в круговой поляризации, то вы столкнетесь с еще одной особенностью. При двойном отражении сигнала происходит изменение вращающейся или круговой поляризации. Например, если транспондер имеет правую поляризацию, то после отражения от двух зеркал тороидалки она станет уже левой. Это стоит учитывать при настройке «Триколора» или «НТВ-Плюс», которые, как многие знают, работают именно на круговых траспондерах. При настройки этих спутников меняйте поляризацию на противоположную. Для успешного поиска каналов можно поступить двумя способами. Первый заключается в переустановке диэлектрической пластины внутри волновода конвертера, для чего необходимо снять с него крышку. Сделать это можно, нагрев ее в кипящей воде. Второй способ — изменить параметры транспондеров в спутниковом приемнике.

Спутниковая связь

Следует также и сказать о спутниковой системе связи. Существует несколько видов. Рассмотрим некоторые из них.

Спутниковый интернет. Данная система получила свои особенности. Речь идет о наличии входящего и исходящего трафика, а также использовании современных технологий, которые позволяют их совмещать. За счет этого подобные спутниковые системы связи называются асимметричными. Особенность интернета также заключается в том, что один канал может использоваться одновременно несколькими пользователями. Это связано с тем, что космическая орбита способна передавать для всех каналов и клиентов сигнал одновременно.

Магистральная связь. Данная система была разработана для того, чтобы облегчить передачу большой информации. Первая из них была «Интерсат», далее появились несколько других организаций, которые были закреплены за определенными регионами. На данный момент системы связи вытесняют волоконно-оптические сети.

Подвижная спутниковая связь. Среди особенностей такой системы можно отметить то, что используются небольшие антенны, из-за чего и прием сигнала немного затрудненный. Для того чтобы увеличивать дальность приема, можно использовать специальные передатчики, которые следует разместить на спутниках. Последние также нужно отправить на дистанционную орбиту. Благодаря таким системам обеспечивается связь среди морских суден, а также между некоторыми региональными операторами. Для того чтобы увеличить радиосигнал и усилить его, необходимо увеличить количество спутников. Их также располагают на некоторых орбитах, которые позволяют передавать информацию операторам сотовой сети.

Система VSAD. Также интересная система, которая имеет небольшой объем аппаратуры. Представляет собой обычный терминал. Данная система нужна для того, чтобы обеспечить связь на спутниковом уровне для небольших организаций, которые не нуждаются в высокой пропускной способности любого канала. Помимо этого, данная система может работать с некоторыми каналами по требованию.

Недостатки геостационарной орбиты[ | код]

Задержка сигнала | код

Связь через геостационарные спутники характеризуется большими задержками в распространении сигнала. При высоте орбиты 35 786 км и скорости света около 300 000 км/с ход луча «Земля — спутник» требует около 0,12 с. Ход луча «Земля (передатчик) → спутник → Земля (приемник)» ≈0,24 с. Полная задержка (измеряемая утилитой Ping) при использовании спутниковой связи для приема и передачи данных составит почти полсекунды. С учетом задержки сигнала в аппаратуре ИСЗ, в аппаратуре и в кабельных системах передач наземных служб общая задержка сигнала на маршруте «источник сигнала → спутник → приёмник» может достигать 2 — 4 секунд. Такая задержка затрудняет применение спутников на ГСО в телефонии и делает невозможной применение спутниковой связи с использованием ГСО в различных сервисах реального времени (например в онлайн-играх).

Невидимость ГСО с высоких широт | код

Так как геостационарная орбита не видна с высоких широт (приблизительно от 81° до полюсов), а на широтах выше 75° наблюдается очень низко над горизонтом (в реальных условиях спутники просто скрываются выступающими объектами и рельефом местности) и виден лишь небольшой участок орбиты (см. таблицу), то в высокоширотных районах Крайнего Севера (Арктики) и Антарктиды невозможна связь и телетрансляция с использованием ГСО. К примеру, американские полярники на станции Амундсен-Скотт для связи с внешним миром (телефония, интернет) используют оптоволоконный кабель длиной 1670 километров до расположенной на 75° ю. ш. французской станции Конкордия, с которой уже видно несколько американских геостационарных спутников.

Таблица наблюдаемого сектора геостационарной орбиты в зависимости от широты местаВсе данные приведены в градусах и их долях.

Из таблицы видно, например, что если на широте Санкт-Петербурга (~60°) видимый сектор орбиты (и, соответственно, количество принимаемых спутников) равен 84 % от максимально возможного (на экваторе), то на широте полуострова Таймыр (~75°) видимый сектор составляет 49 %, а на широте Шпицбергена и мыса Челюскина (~78°) — лишь 16 % от наблюдаемого на экваторе. В этот сектор орбиты в районе Сибири попадает 1 — 2 спутника (не всегда необходимого оператора).

Солнечная интерференция | код

Основная статья: Солнечная интерференция

Одним из самых неприятных недостатков геостационарной орбиты является уменьшение и полное отсутствие сигнала в ситуации, когда солнце и спутник находятся на одной линии с приёмной антенной (положение «солнце за спутником»). Данное явление присуще и другим орбитам, но именно на геостационарной, когда спутник «неподвижен» на небе, проявляется особенно ярко. В средних широтах северного полушария солнечная интерференция проявляется в периоды с 22 февраля по 11 марта и с 3 по 21 октября, с максимальной длительностью до десяти минут. В такие моменты в ясную погоду солнечные лучи, сфокусированные светлым покрытием антенны могут даже повредить (расплавить или перегреть) приёмо-передающую аппаратуру спутниковой антенны.

Эффект Допплера

Этот феномен заключается в изменении частот электромагнитных вибраций при взаимном продвижении передатчика и приемника. Явление выражается изменением расстояния во времени, а также движением искусственных аппаратов на орбите. Эффект проявляется как малоустойчивость несущей частоты колебаний спутника, которая прибавляется к аппаратурной нестабильности частоты бортового ретранслятора и земной станции, что осложняет прием сигналов. Эффект Допплера содействует изменению частоты модулирующих вибраций, что невозможно контролировать. В случае, когда на орбите используются спутники связи и непосредственного телевизионного вещания, данное явление практически устраняется, то есть не наблюдается изменений уровня сигналов в точке приема.

Согласья нет

Среди операторов вопрос взаимодействия геостационарных и низкоорбитальных систем — предмет острейшей дискуссии. Очень показательна в этом смысле была прошедшая недавно конференция Satellite‑2017. Часть представителей операторов (например, Arabsat и Yahsat) высказали умеренные взгляды, заявив, что в ближайшее время намерены войти в партнерство с какой-либо низкоорбитальной системой. Но особенный интерес представляют крайние точки зрения.

Главный исполнительный директор OneWeb Эрик Берангер (Eric Beranger) акцентировал внимание на высокой цели, поставленной компанией, — подключить те 4 млрд населения Земли, которые сейчас не имеют вообще никакого интернет-доступа. И Эрик Берангер не сомневается, что при этом компания сможет вернуть инвестиции, как только OneWeb будет доступен в любой точке земного шара

На это генеральный директор Asia Broadcast Satellite (ABS) Томас Чой (Thomas Choi) заявил, что считает стратегию OneWeb крайне неосмотрительной. Ему непонятно, как можно «раскидать» по Земле большое количество лучей и надеяться, что в них придут клиенты? Сколько спутников будут впустую светить на ненаселенные районы и Мировой океан? Также Томас Чой считает, что сама группировка нерационально использует аппараты. Каждый спутник примерно треть всего времени будет находиться в приполярных зонах, то есть треть емкости системы работает практически вхолостую, не принося прибыли. Вдобавок к этому глава ABS озвучил еще одну особенность: у большинства из людей, которые сейчас живут без Интернета, нет ни денег на его оплату, ни даже электричества. В 90‑е инвесторы потеряли на глобальных спутниковых системах около $ 10 млрд, и сейчас, 20 лет спустя, происходит то же самое.

Спутниковые службы

В зависимости от назначения систем спутниковой связи и типа земной станции различают следующие службы:

• Фиксированная спутниковая служба для связи между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах и для распределения телевизионных программ. 
• Подвижная спутниковая служба для связи между подвижными станциями,размещенными на транспортных средствах или у абонентов. 
• Радиовещательная спутниковая служба для передачи радио и телевизионных программ непосредственно на терминалы абонентов. 

Фиксированные спутниковые службы

Начиналось всё с фиксированных спутниковых служб. Это связь с использованием космического ретранслятора между наземными станциями. И основное назначение это обеспечение связи в первую очередь для государственных нужд. 

Фиксированные спутниковые службы начали использоваться государством для центральных телевизионных программ на удаленную территорию советского союза. Первоначально ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной связи с применением наземных станций с диаметром антенн порядка 12…30 метров. 

Фиксированная антенна с приемной станцией “Орбита”, диаметр антенны 12 метров. Система “Орбита” использовала спутники на высокоэллиптической орбите, это были первоначально спутники серии “Молния”. На эллипсе надо иметь 3 аппарата, как правило 4, чтобы обеспечить постоянную связь. 

В настоящее время для фиксированных служб функционирует около 50 систем ФСС. Например, “Молния 3”. 

На высокоэллиптической орбите используются аппараты, которые называются “Меридиан”. Спутники “Радуга” и “Горизонт” это геостационарные аппараты, которые обеспечивают фиксированную спутниковую связь. Intelsat это международная система. 

Подвижные спутниковые службы

Особенностью большинства систем ПСС является маленький размер антенны терминала, что затрудняет прием сигнала. Востребованы на морском транспорте. Для того, чтобы мощность сигнала достигающего приемника была достаточной, применяют одно из двух решений: 

1. Спутники располагаются на геостационарной орбите поскольку эта орбита удалена от Земли на расстояние 35 786 км, на спутник требуется установить мощный передатчик. Этот подход используется системой Inmarsat. Подвижная спутниковая связь начала свое существование с международного договора по созданию системы Inmarsat, которая была первоначально ориентирована на обеспечение связи с морскими судами. 
2. Множество спутников располагается на наклонных или полярных НВО. Inmarsat и прочие системы основанные на спутниках, как правило предназначены для оказания коллективных услуг. А когда создается система на низковысотных спутниках, то можно за счет более низкой стоимость аппарата и низкой стоимости запуска, построить глобальную сеть, которая позволит Вам связываться из любой точки земного шара, через спутниковую сеть. Первой такой системой, была система Iridium. 

Скрытая угроза

Несколько гигантов информационной индустрии выразили свое желание «оказаться в космосе». Facebook пошел пока традиционным путем и разворачивает сеть в Африке на основе геостационарной емкости Ка-диапазона. Google фонтанирует планами, в которых сочетаются и спутники, и беспилотные аппараты, и воздушные шары. По инициативе компании проводятся, безусловно, интересные эксперименты (с теми же дронами на солнечных батареях), но о коммерческой реализации или хотя бы прообразе бизнес-модели применения пока никто не заговаривает. И даже Apple в апреле наняла на работу специалистов по спутниковым коммуникациям (один из них, кстати — бывший сотрудник Google) и начала предварительные переговоры с Boeing на предмет использования проектируемой компанией низкоорбитальной системы, работающей в V‑диапазоне (40–75 ГГц).

Немалую роль «низколетам» отводят в грядущем буме IoT. Эксперты прогнозируют к 2025 году наличие около 100 млрд устройств в этой области, и спутниковые операторы (как новые, так и существующие) не намерены упускать этот рынок. Здесь основной фокус делается на микро- и даже наноспутники. Типичный проект (из тех, что прошли чуть дальше от стадии задумки) — австралийский стартап Fleet, планирующий в 2018 году запуск 100 наноспутников для IoT. Этой компании недавно удалось получить финансирование в размере $3,7 млн.

Илон Маск продвинулся гораздо дальше своих предшественников и современников. В прошлом году он привлек инвестиции от SoftBank в размере $2,5 млрд, что покрыло более чем половину требуемой для развертывания системы суммы. Уже в начале этого года при участии все того же банка OneWeb пытался провести слияние с Intelsat. Синергия двух таких различных, но прекрасно дополняющих друг друга технологий могло бы дать дать просто убийственный конгломерат, конкурировать с которым было бы крайне непросто. Но акционерам Intelsat не понравились условия слияния, и оно не состоялось. При этом оба оператора уверены в положительном эффекте от возможного слияния.

Недостатки космических систем и пути их решения

Существенным недостатком в этих космических системах был способ передачи данных на Землю. Собственно это было наличие большого промежутка времени от начала съемок до передачи фотоданных на Землю. А также то, что после отделения капсулы с пленками от спутника, оставленное на нем дорогостоящее оборудование становилось ненужным. Это было частично решено, когда спутники начали оснащать не одной капсулой с пленками. Первую же проблему решили путем разработки системы электропередачи информации в реальном времени.

В 1980-х годах ввели в эксплуатацию модернизированные спутники «KH-11», действующие в инфракрасном спектре. Главное зеркало было двухметрового диаметра с разрешением до ~15 см. Большой запас топлива позволяет относить все эти спутники к работающим в космосе более пяти лет. Благодаря активной эксплуатации спутниковых разведсредств в проекте «CORONA», в ИСЗ второго поколения использовались «Ферреты», «Джампситы», ИСЗ-ретрансляторы SDS, «Спук Берды» («Каньоны»). До 1999 года по проекту «CORONA» произвели более 140 запусков спутников с приборами фоторазведки, более 100 прошли удачно.

«Совершенно секретная» информация США или «липа»?

В связи с тем, что информация о космической разведтехнике Соединенных Штатов обладает грифом «совершенно секретно», большинство данных, приводимых в открытых источниках, скорее всего ориентировочно-рекламного характера. Существуют предположения, что американцы интересовались баллистическими ракетами в СССР, их численностью, расположением северных космодромов, а также Казахстана; расположением объектов ядерной энергетики; атомными подлодками и местами их базирования и многим другим, относящимся к стратегическим особо важным объектам.

Типы спутников

Полярно-орбитальные спутники также проходят через полюсы с каждым оборотом, хотя их орбиты менее эллиптические. Полярные орбиты остаются фиксированными в космосе, в то время как вращается Земля. В результате, большая часть Земли проходит под спутником на полярной орбите. Поскольку полярные орбиты дают прекрасный охват планеты, они используются для картографирования и фотографии. Синоптики также полагаются на глобальную сеть полярных спутников, которые облетают наш шар за 12 часов.

Можно также классифицировать спутники по их высоте над земной поверхностью. Исходя из этой схемы, есть три категории:

• Низкая околоземная орбита (НОО) — НОО-спутники занимают область пространства от 180 до 2000 километров над Землей. Спутники, которые движутся близко к поверхности Земли, идеально подходят для проведения наблюдений, в военных целях и для сбора информации о погоде.
• Средняя околоземная орбита (СОО) — эти спутники летают от 2000 до 36 000 км над Землей. На этой высоте хорошо работают навигационные спутники GPS. Примерная орбитальная скорость — 13 900 км/ч.
• Геостационарная (геосинхронная) орбита — геостационарные спутники двигаются вокруг Земли на высоте, превышающей 36 000 км и на той же скорости вращения, что и планета. Поэтому спутники на этой орбите всегда позиционируются к одному и тому же месту на Земле. Многие геостационарные спутники летают по экватору, что породило множество «пробок» в этом регионе космоса. Несколько сотен телевизионных, коммуникационных и погодных спутников используют геостационарную орбиту.

И наконец, можно подумать о спутниках в том смысле, где они «ищут». Большинство объектов, отправленных в космос за последние несколько десятилетий, смотрят на Землю. У этих спутников есть камеры и оборудование, которое способно видеть наш мир в разных длинах волн света, что позволяет насладиться захватывающим зрелищем в ультрафиолетовых и инфракрасных тонах нашей планеты. Меньше спутников обращают свой взгляд к пространству, где наблюдают за звездами, планетами и галактиками, а также сканируют объекты вроде астероидов и комет, которые могут столкнуться с Землей.

Итоги

В заключение следует сказать, что поисковые спутниковые системы сейчас действительно очень популярны. И этому есть примеры. Спутниковая система GPS является одной из наиболее известных, и ею пользуется большое количество людей. Но и это не все. Читая отзывы от автомобилистов, можно сказать, что многие угоны или же попытки вскрыть машину и угнать ее у преступников оставались несовершенными, так как спутниковые системы позволяли максимально быстро установить, что в машину было совершено проникновение.

Также следует сказать о телевизионной системе, которая позволяет принимать сотни каналов со всего мира. На самом деле применение таких систем сейчас является еще не до конца улучшенными, поэтому идет активная их разработка, что позволяет максимально обеспечить удобную жизнь человеку

Следует обратить внимание на такие системы при работе с сигнализациями для автомобилей, а также выбирая между аналоговым сигналом и цифровым