Спутниковая связь от А до …

Спутниковой связи я отдал уже 26 лет — мой первый рабочий день был 1 мая 1993 года. Поэтому, если я могу что то интересное и не очень общеизвестное поведать, то именно  об этой отрасли техники и связи.

ДА , сразу и честно скажу: « Я не радиоинженер, поэтому в совсем тонкие детали расчета бюджета радиолинии или принципов работы модулятора, увы,  погружаться не буду».

Это первая запись из цикла, посвященных Спутниковой Связи,  ее истории и настоящему, технике и бизнесу и, конечно, людям, работающим в ней.

Прежде всего  поговорим о том, в каких областях и кому ЭТО нужно. Тем более, когда мы говорим о спутниковой связи, которая на сегодня является самой дорогой с точки зрения обычного абонента.

Зачем нужна спутниковая связь???

В целом есть четыре  причины:

1. ФИЗИКА — Когда нет альтернатив  проводных (кабель) или беспроводных ( WiFi, сотовая связь, РадиоРелейная Линия)
2. ВРЕМЯ — Когда нужно БЫСТРО организовать  канал связи нужных Вам параметров
3. ДЕНЬГИ — Когда  объем передаваемой информации непостоянен или очень мал.
4. ТАЙНА — Когда нужно передать или получить информацию незаметно от властей данного государства.

Поговорим чуть подробнее.

Пункт первый ФИЗИКА. Технологии связи делятся на проводные и беспроводные. Проводные — это или традиционный медный кабель, или современный волоконно-оптический кабель,  предполагают возможность его прокладки и экономическую целесообразность, ибо это прокладка кабеля само по себе недешевое мероприятие и, если в данной стране есть частная собственность, то хозяин кабеля должен договориться о его прокладке с хозяином земли , а это может быть недешево. Кроме этого, и электрический сигнал, и световой сигнал ослабляются с расстоянием , и их нужно усиливать – то есть располагать на пути прокладки кабеля устройства , которые требуют электричества, либо параллельно тянуть еще и силовой электрокабель .
Если мы говорим о беспроводных системах , то все они имеют ограниченный радиус действия  в десятки и сотни метров, как у стандартов WiFi, или в километры , как у Сотовой Связи и десятки километров как у Радио Релейной линии . Максимальным пределом беспроводных средств связи является расстояние около 40 километров — это предел прямой видимости (оно же расстояние до линии горизонта) . Если же мы начнем говорить о самолетах и кораблях в море, то понятно, что там никакого кабеля тащить за собой не получится…

Пункт второй ВРЕМЯ. Очевидно, что прокладка кабеля, если, конечно, речь не о полевом телефоне с катушкой, которую во время прошедшей войны тащили по полям и лесам на пару другую км связисты, требует значительного времени. А вот привезти и собрать /развернуть Спутниковый терминал, стоящий на автомобиле, это займет считанные минуты, а иногда время идет на минуты.

При этом гарантированно, что Вы получите канал нужной Вам скорости и с нужным Вам содержимым.

Пункт третий ДЕНЬГИ. Среди многочисленных примеров использования связи иногда встречаются такие, которым не нужна постоянная передача данных, а нужна только эпизодическая на несколько часов. Например,  на стадионе провинциального города Н будет Кубковый матч Чемпиона страны и клуба 2-й лиги. Есть ли смысл организовывать (модернизировать с установкой дорогостоящих мультиплексеров и роутеров там скоростные каналы связи для 3-4 Телеканалов или просто пригнать на один вечер ПТС (передвижную телевизионную станцию) со спутниковой антенной ?

Или допустим надо контролировать какие то метеорологические данные на станции метеонаблюдений. Раз в час передать 7-10 цифр. Если арендовать наземный канал, то его минимальная пропускная способность будет все равно десятки, если не сотни Мегабит, которые там совершенно не нужны, а вот в спутниковой связи Вы можете платить только за скачанный трафик, и даже, если цена за мегабайт будет в 10 раз дороже, чем в наземном канале, то в сумме за месяц спутник будет существенно дешевле.

Пункт четвертый ТАЙНА. Не секрет, что практически все более менее развитые страны имеют системы СОРМ (Система Оперативно Розыскных Мероприятий), в рамках которых органы полиции и контрразведки подключены к узлам операторов связи, пропускающие через устройства СОРМ весь трафик от абонентов. Если кого интересуют детали, то вот тут неплохо изложено. В США этим занимается подразделение ФБР Data Intercept Technology Unit, и по сути, все устроено очень похоже, возможно за исключением того, что в России Операторы связи обязаны купить и установить оборудование за свой счет, а в США возможно это делается за счет бюджета самого ФБР. То есть спутниковый терминал, включенный в сеть зарубежного спутникового Оператора, позволит Вам избежать Уха Большого Брата.

В годы чеченской войны у боевиков были популярны спутниковые телефоны Турайя , которые тогда приземляли сигнал прямо в Центр Управления Сетью в Арабских Эмиратах. Позднее, однако, ФСБ поставило перед Турайя вопрос ребром, или полный запрет на работу в России или местный  партнер организует схему связи таким образом, что все телефоны Турайя передают данные через спутник в центр Управления Сетью в ОАЭ, но там они собираются в отдельный канал и маршрутизируются в Россию, где проходят через устройство СОРМ и попадают далее в Российскую телефонную сеть. Ровно так же работают в России сети Иридиум и Инмарсат.

В целом, из-за размеров спутниковой станции с антенной под один метр, достаточно высоких тарифов на услуги западных провайдеров  я практически не сталкивался с теми, кто хотел таким образом избежать внимания Большого Брата. Думаю, что устройство туннелей через обычный интернет и всякие программы шифрования — более простой способ обойти внимание контролирующих органов. Тем не менее, в странах третьего мира местная политическая полиция ограничивает все возможные способы избежать внимания при использовании спутниковых терминалов.

Итак, начнем с самых азов: Что полезного получает человечество из Космоса и какими гражданскими направлениями оно занимается в космосе:

• Связь и телерадиовещание
• Навигация
• Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ)
• Метеорология
• Астрономия

Прежде всего  ответим на самый простой вопрос: Чем отличается Связь от Телерадиовещания??

По сути только одним – связь ВСЕГДА двусторонняя:  Станция Спутниковой Связи и принимает сигнал и передает его в ответ. А Вот Спутниковая Антенна для  телевидения только принимает сигнал, и в ней нет передатчика, поэтому она и значительно дешевле. Но выглядят терминалы для Спутниковой Связи и Спутникового Телевидения очень похоже, отличить их можно только по нескольким достаточно мелким отличиям.

Вот Станция Спутниковой Связи

А вот Станция приема спутникового телевидения (даже неудобно говорить «станция», обычно просто «антенна») :

Спутниковая связь бывает:

• ПОДВИЖНАЯ ( работающие ГлобалСтар, Иридиум, Инмарсат, Турайя,  Гонец, О3В), планируемые Starlink, OneWEVB, TeleSat LEO, Kuiper…). В этом варианте Вы можете носить  свой спутниковый терминал от места к месту и он будет работать, даже тогда, когда Вы двигаетесь.
• ФИКСИРОВАННАЯ (сети VSAT, телерадиовещание, магистральные спутниковые каналы). В данном варианте Ваш терминал должен быть неподвижен.

Примечание: Тут впервые появился термин VSAT —  от сокращения Very  Small Aperture Terminal, или Спутниковая станция с небольшим диаметром антенны от 60 см  до 2,4 метра, появившееся в 90-х годах прошлого  века.  Это  обозначение  спутниковых станций, которые работали в сетях связи, построенных по топологии Star (Звезда), когда сеть состоит из Центральной Управляющей Станции (иногда ее называют HUB, иногда GateWay, иногда NMS – Network Management System), которая подключена к наземным сетям, и Абонентских станций VSAT (= абонентских терминалов), которые используются для доступа в интернет или телефонную сеть.. Сейчас к классу   VSAT сейчас относится 99+% всех спутниковых станций(терминалов)  фиксированной связи.

Терминал спутниковой связи состоит из 3 главных элементов

1. Антенна  отражает сигнал и направляет его в сторону спутника (при передаче) или фокусирует его на Приемник – он же МалоШумящий Усилитель (МШУ)
2. Приемопередатчик  (иногда делят на Приемник,  он же МШУ,   он же LNB и передатчик, он же BUC Block Up Converter , соединяемые фильтром) (он слева)
3. Спутниковый модем  (он справа) , который стоит в доме у компьютера и подключен к обычной сети 220 Вольт

Спутниковому терминалу ВСЕГДА нужно электропитание!! Хоть от солнечной батареи, хоть аккумулятора, но электрическая энергия, как правило, 220 В /50 Гц или 110 В/60 Гц должна быть.

Теперь поговорим о Спутниках и начнем с их орбит, то есть траекторий, по которым Спутники летают вокруг Земли

ОРБИТЫ СПУТНИКОВ вокруг Земли, они бывают

• НИЗКООРБИТАЛЬНЫЕ или LEO (Low Earth Orbit) (круговая 500.2000 км над землей, это системы ГлобалСтар, Гонец Старлинк, OneWEB )
• СРЕДНЕОРБИТАЛЬНЫЕ или МEO (Medium Earth Orbit) (круговая 2000.20000 км над землей, это системы связные O3B , навигационные ГЛОНАСС, NAVSTAR, БЕЙДОУ, GALILEO)
• ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ (эллиптическая орбиты от 300 до 36000 км, Молния, планируемый Экспресс-РВ)
• ГЕОСТАНЦИОНАРНЫЕ (Круговая орбита 36000 км над землей в плоскости экватора: Там летают  Ямалы, Экспрессы, Инмарсат, ИНТЕЛСАТы, ЕВТЕЛСАТЫ и тд и тп.)

Любая орбита пересекает экватор или идет ровно над ним. Невозможно запустить спутники в космос так, чтобы они вращались вокруг земли вдоль какой либо параллели, например, 70-й. 

Геостационарная орбита (ГСО) замечательна тем, что период вращения ИСЗ на этой высоте совпадает со скоростью вращения Земли, поэтому Ваша антенна может стоять неподвижно на земле и постоянно  принимать сигнал со спутника, находящегося на ГСО. До недавнего времени абсолютное большинство коммерческих спутников связи  находилось именно на этой орбите.

Спутниковый канал, по которому передается информация, это разновидность радиоканала, при этом используется радиочастотный спектр. По сути это электромагнитные волны (кстати наш дневной свет это тоже электромагнитная волна, просто он в видимом диапазоне волн),

Внимание, если в медном или оптическом кабеле сигнал может ходить  в обеих направлениях, то в спутниковой связи  нужна отдельная частота для передачи сигнала в каждом направлении!!!

Для начала начнем с азов.  Что такое Герц? Вики говорит нам, что Герц — это единица частоты периодических процессов. Если Вы стучите соседу в дверь, успевая стукнуть 3 раза в секунду, то это частота 3 Герца, а вот завтракаете Вы с частотой   1/(24*60*60) = 0,00001157 Гц или, используя популярные приставки,  11,57 микроГерца. Но это все шутка для вопросов на экзамене. Конечно, когда мы говорим о частоте радиосигналов, то используются приставки кило, мега, гига и тера.

Радиочастотный спектр является природным ресурсом всего человечества,  и хотя радиоволны не имеют границ, но государства  считают  радиочастотный спектр своим национальным природным ресурсом,   причем НЕИСЧЕРПАЕМЫМ, и не просто неисчерпаемым в отличие от угля, газа и нефти, а совсем-совсем неисчерпаемым, то есть, когда Солнце погаснет, ветер утихнет и водопады обмелеют,  радиочастотный спектр все еще будет в распоряжении уцелевших при этом Землян. При этом в отличие от Нефти с Газом или гидроресурсов Радиочастотный спектр есть у каждого государства .

Так как радиоволны не имеют границ, то, чтобы страны не мешали друг другу в приграничных районах, а заводы могли выпускать приборы большой серией,  государства решили договориться, какие частоты и для чего они используют, например,  любительские радиостанции  во всем мире  используют частоты 27 Мегагерц (еще этот диапазон называют СиБи от английского Citizen Band), сотовые операторы GSM 800-900 Мегагерц, для ВайФай используются частоты в районе 2,4 и 5 Гигагерц. Кто хочет знать все: вот таблица распределения частот в России . Она настолько большая, что изобразить ее на рисунке практически невозможно. Тем не менее иногда это пытаются сделать, и тогда получается вот такая смесь импрессионизма и кубизма. Каждый отдельный цвет и квадратик-полоска — это отдельное применение частотного диапазона вплоть до диапазона, на  котором Астрономы изучают дальний космос, и тогда никто не Земле не имеет прав создавать приборы, работающие на этой частоте, чтобы не мешать Астрономам в их наблюдениях.

В виде Таблицы и совсем официально можно найти тут или в более красивом виде тут, а вот она же, но в  США

Международная организация, которая заведует частотами и решает, какой диапазон для какой радиочастотной службы (то есть какого применения ) можно  использовать, называется МСЭ Международный Союз Электросвязи или  ITU  International Telecommunication Union.

РАДИОЧАСТОТНЫЙ СПЕКТР, (или диапазоны частот) ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ И РАДИОВЕЩАНИИ

•    М band 30.300 МГц  (т. е 30.300.000.000 Герц)     Подвижная спутниковая связь
•    L band 1.2 ГГц  (то есть 1.2.000.000.000 Герц)       Подвижная спутниковая связь
•    S band 2.4 ГГц          Непосредственное радиовещание, Подвижная спутниковая связь
•    C band 4/6 ГГц          Фиксированная (FSS) Спутниковая Связь и телерадиовещание (BSS)
•    Х band 7/8 ГГц           Фиксированная  (FSS) и частично Мобильная (MSS) Спутниковая связь для военных
•    Ku band 11/14 ГГц       Фиксированная Спутниковая Связь (FSS) и телерадиовещание (BSS)
•    Ka band 18/30 ГГц      Фиксированная Спутниковая Связь (FSS) и телерадиовещание (BSS)
•    V band 40/75 ГГц       Фиксированная Спутниковая Связь (FSS) и телерадиовещание (BSS)

Пока для начала или введения в мир спутниковой связи достаточно, далее, лучше говорить об отдельных устройствах, направлениях, услугах, компаниях и, конечно, людях.