Спътниковите комуникации – тенденции и приложения георги Красимиров Телефонски

*НВУ „Васил Левски”, Факултет „Артилерия, ПВО и КИС”, гр. Шумен, 9700, ул. „Карел Шкорпил” №1, e-mail; telephonsky@abv.bg

Спътниковите системи се използват за комуникационни цели от средата на 60-те години на миналия век. Развитието им доведе до появата на нови поколения от услуги, достъпни за обществения и частния сектор. Мобилните спътникови услуги, подобно на наземните клетъчни системи, започват дейността си от 80-те години с обслужване на мобилния морски пазарен сегмент. В последствие въздушните, наземно-мобилните и персоналните спътникови комуникации също претърпяват своето развитие. Счита се, че 21 век ще бъде век на мобилните спътникови комуникации.

Комуникационните спътници се категоризират главно по типа на използваните орбити. Съществуват основно 4 типа орбити за комуникационни цели:

• 
  геостационарна орбита (GEO);
  
• 
  висока елиптична орбита (quasi GEO);
  
• 
  ниска земна орбита (LEO);
  
• 
  средна земна орбита (MEO).
  

Комерсиалните спътникови комуникации се развиват бързо под натиска на пазарните изисквания. За това се налага отбранителните командни, комуникационни и разузнавателни (Command, Control, Communications and Intelligence - ) системи да използват комерсиални технологии в паралел със съществуващите военни комуникационни системи.

Военните спътникови комуникационни линии позволяват свързването на комуникационни центрове, разпръснати по света. При това те могат да работят при условия, които са проблемни за другите видове комуникации и да осигуряват надеждни и качествени комуникации в области без съществуваща телекомуникационна инфраструктура. Много важен фактор за отбранителните системи се явява възможността за мобилност при комуникирането.
Една от комерсиалните спътникови комуникационни технологии, намерила приложение в отбранителните системи, е т.н. VSAT (Very Small Aperture Terminals) [1]. Обикновено в цивилните приложения VSAT терминалите са фиксирани, докато отбранителните са на мобилни платформи, като по време на комуникационни сеанси те се фиксират. Използваните за целта параболични огледални антени са с диаметър от 1,5 до 4,6 метра, като спътниците са на GEO орбита. С помощта на тази технология е възможно бързото изграждане на мрежи за пренос на глас, видео, данни, факс и мултимедийни приложения.
Исторически първият глобален оператор на мобилни спътникови услуги, използвани и за отбранителни цели, е Inmarsat [2]. За целта операторът използва 4 GEO спътника, като за период от около 20 години услугите са еволюирали от аналогов телефон за морски приложения с цена от порядъка на 50 хил. долара до широколентови услуги GPRS със скорост от 144 Kbps от типа на BGAN (Broadband Global Area Network), осъществявани от портативни терминали с тегло под 1 Kg.

Поддържаната от военното ведомство на САЩ първа глобална система на LEO орбита Iridium [2] постави на ново технологично ниво мобилните спътникови комуникации. В момента Iridium предоставя със своите 66 спътника отбранителни и комерсиални мобилни услуги от типа предаване на глас и данни с ниска скорост. Втората система на LEO орбита Global Star [2] използва подходящ за отбранителни цели CDMA радиоинтерфейс. Системата е със затихващи функции и с неясна в търговско отношение съдба.

От казаното по-горе става ясно, че засега най-добре отработената и с най-големи възможности спътникова комуникационна технология за отбранителни цели е VSAT. Тя обаче притежава съществени недостатъци като голямо времезакъснение на сигналите, както и проблеми с насочването на тесните антенни лъчи към GEO спътниците при необходимост от пълна мобилност.

Използваните сега мобилни антени са с електронно или механично сканиране и със системи за следене по ъглови координати. Това ги прави извънредно сложни, скъпи и ненадеждни в експлоатация, както и нискотехнологични при производство. Проблеми при широколентовите LEO системи възникват дори при фиксирани наземни терминали поради движението на спътниците и непрекъснатата нужда от следенето им и прехвърлянето на комуникациите от един спътник към друг. Според водещи в бранша специалисти в САЩ, а разбира се и в целия свят, съществува огромна нужда и пазар от терминали, оборудвани с антени със следните основни характеристики:

• 
  Плоски, с напречни размери от порядъка на няколко милиметра, с оглед монтирането им в покривите на леки коли, самолети и др. без изменение на външния вид и профил на носителя. С електронно сканиране, с оглед премахване на механично движещите се елементи, довеждащи до ниска надеждност, висока цена, шум и вибрации. Евтини, с оглед цената на приемо-предавателен терминал с антената да не надхвърля тази на обикновен персонален компютър – от порядъка на няколко стотин долара. Подобни антени вече 35 години са мечта за специалистите по спътникови комуникации. Класическите решения на фазирани антенни решетки с електронно сканиране, познати от военните радарни системи, не отговарят на горните изисквания. Очевидно е, че за решаването на проблема трябва да се търсят принципно нови решения.
  

• 
  Приемане на един или няколко радиосигнала на един или няколко пространствено разнесени източника (спътника) с висок коефициент на усилване на антенната система от мобилни или фиксирани терминали.
  
• 
  Осигуряване на висока пространствена избирателност, позволяваща подтискането на интерференцията по същия честотен канал, идваща от различни направления в пространството.
  

• 
  Проста по конструкция, евтина и пасивна антенна решетка, подходяща за масово производство в Ku и Ka - честотни обхвати.
  
• 
  Едноканален микровълнов приемник със сравнително проста сигнална обработка.
  
• 
  Ненасочена диаграма на насоченост за кооперирания спътник, но с висок коефициент на качество G/T.
  

Приложение в съществуващите спътникови системи чрез минимални промени в наземните предаватели, съвместимост със съществуващите спътникови транспондери.

Възможни бъдещи приложения във фиксирани и мобилни широколентови геостационарни и нискоорбитални спътникови комуникационни системи, както и във фиксирани и мобилни широколентови наземни разпределителни системи (Local Multipoint Distribution Systems-LMDS, High Altitude Platform Systems - HAPS).

Идеята за използване на същия принцип в предавателен режим се роди по време на изследователската работа по проекта SCP [5]. Излъчваните от случайно фазираната антенна решетка сигнали имат специфично фазово диспергиране. То може да бъде разглеждано като случайно пространствено кодиране. Ето защо терминът SCP-RPSC (Случайно Фазово Кодиране - Random Phase Spread Coding) е използван вместо SCP, transmit в текста по-долу. Предлаганата SCP-RPSC система притежава следните допълнителни възможности:

• 
  Реализиране на дуплексна интерактивна система само с една проста и евтина приемо-предавателна антена.
  
• 
  Излъчваните полифазно диспергирани сигнали не причиняват значителна интерференция върху конвенционалните спътници, използващи същите честотни канали. Интерференцията е подобна на тази, създадена от страничните листа на антенна решетка със случайно разпределение на елементите, фазирана в посоката на кооперирания спътник.
  

Сумата от излъчваните полифазно диспергирани сигнали представлява Гаусов случаен процес с ниско ниво на спектралната плътност на потока на мощността, поради което и вероятността за откриване от конвенционални разузнавателни приемници е съответно намалена.

Технологията SCP-RPSC може да се окаже революционна, водеща до непредсказуемо увеличаване на презползването на честотите в спътниковите и наземните широколентови радио мрежи. Близко разположени наземни терминали биха могли да комуникират с наземни или спътникови базови станции в едни и същи честотени канали с минимална интерференция. Развръзката между терминалите ще бъде осигурявана от тяхното случайно фазово кодиране, дължащо се на специфичния им случаен дизайн.

От гледна точка на специфичните за отбраната комуникационни приложения технологията SCP-RPSC ще даде нови възможности за реализация на системи, развитието на които до сега е било спъвано от проблемите на радиоинтерфейса. Възможни нови приложения в областта на военните комуникации са:

• 
  Спътниковите комуникационните системи и мрежи, използващи технологията SCP-RPSC, ще задоволят нуждите на отбраната по отношение скорост на предаваната информация, надеждност, мобилност, скритост на връзката и защита от смущения.
  
• 
  Възможностите за реализиране на високоскоростни и надеждни линии нагоре (чрез т.н. space diversity - едновременни комуникации през няколко спътника) ще позволят пренос на видеоинформация от бързодвижещи се отбранителни обекти, а оттам и реализирането на дистанционно управляеми непилотируеми летателни апарати и наземна бойна техника. В това се включват безпилотни разузнавателни и бойни самолети, танкове и кораби роботи и т.н.
  
• 
  Възможностите за реализиране на двупосочни високоскоростни комуникации с малко времезакъснение през спътникови системи на ниска орбита ще позволи реализирането на възможности за прецизно насочване на дистанционно управляеми снаряди и ракети с помощта на предавана от борда им видеоинформация.
  

Простата, надеждна и пасивна антенна част на технологията SCP-RPSC позволява използването й на борда на космически обекти, където механичните, климатичните и радиационните условия изключват използването на активни фазирани антенни решетки. Например международната космическа станция, генерираща огромен двупосочен трафик, би могла да бъде обслужвана телекомуникационно от мрежа от спътници на геостационарна орбита.

Може да се каже, че практическото въвеждане на принципите на технологията SCP в предавателен и приемен режим би довело до драстични изменения в сегашното състояние на широколентовите спътникови и наземни комуникации и в частност на тези за отбранителни цели. Много от съществуващите проблеми на предложените геостационарни и нискоорбитални спътникови системи, отнасящи се до съвместно използване на честотни и орбитални ресурси, насочване на антенни лъчи, както и тяхното засенчване, биха били успешно разрешени.