Спутниковые системы связи на базе негеостационарных ретрансляторов

Москва
Горячая линия – Телеком 
2022

Рекомендовано Редакционно-издательским советом 

федерального государственного бюджетного 

образовательного учреждения высшего образования 
«Московский авиационный институт (национальный 

исследовательский университет)» в качестве учебного 

пособия

УДК 621.396.946(076.5) 
ББК 32.884.1 
    Ч-57 

Р е ц е н з е н т ы:  генеральный конструктор ООО «НЕБО-ГК», доктор техн. 
наук, профессор Е. Ф. Камнев; кафедра «Радиоэлектронных систем и 
комплексов» Института радиотехнических и телекоммуникационных систем РТУ МИРЭА 
 
Чечин Г.В. 

Ч-57        Спутниковые системы связи на базе негеостационарных 
ретрансляторов. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая 
линия – Телеком, 2022. – 102 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0862-8. 

Изложены современные тенденции развития спутниковых сетей 
связи на базе негеостационарных спутников-ретрансляторов. Проведен анализ основных принципов построения сетей связи, их преимуществ и недостатков, параметров орбитальных группировок. Рассмотрены методы разделения и уплотнения каналов связи, управления 
информационными потоками, модуляции сигналов, экономного использования полосы частот и маршрутизации сообщений. Проведен 
анализ существующих и перспективных проектов спутниковых сетей 
связи с высокой пропускной способностью с использованием многолучевых приемо-передающих антенн, коммутации информационных потоков на борту.  

Для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки 
11.03.02 – «Сети и системы связи» и специальности 11.05.01 – «Спутниковые системы связи», будет полезна специалистам соответствующих направлений. 

 

ББК 32.84 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

 

Тиражирование книги начато в 2020 г. 

 

Все права защищены. 

Любая часть этого издания не может быть воспроизведена 

в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами 

без письменного разрешения правообладателя. 

 

© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 

www.techbook.ru 

       ©  Г.В. Чечин 

 
 

Введение

В настоящее время наряду с геостационарными спутниковыми
системами связи (ГССС) уже более двадцати лет в процессе коммерческой эксплуатации находятся спутниковые системы связи (ССС)
нового типа, которые потенциально могут обеспечить своим пользователям более широкий спектр услуг с более высоким качеством.
Это ССС на негеостационарных орбитах (НССС), размещенные на
круговых орбитах высотой менее геостационарной, а также на эллиптических орбитах, в состав таких орбитальных группировок входят от десятков до сотен КА.
ГССС наряду с их широким применением имеет ряд недостатков, которых лишены НССС. В частности, только НССС могут обеспечить глобальную связь по всей поверхности Земли. Это качество в
сочетании с низкой задержкой передачи информации (это критический параметр для интерактивных услуг и бизнес-приложений), низкими потерями при распространении сигналов, успехами развития
современных технологий производства ретрансляторов и бортовых
радиотехнических комплексов (БРТК) являются весьма привлекательными для построения сетей связи для предоставления интегральных услуг при коммерческом использовании.
Однако на сегодняшний день нет детальных технических моделей и проектов и экономических (бизнес-показателей эффективности) моделей проектирования и эксплуатации НССС.
Нерешенные проблемы для НССС заключаются в следующем:
• нет обоснованного варианта построения орбитальных группировок НССС: она должна быть низкоорбитальной (LEO, 700...
...1500 км), комбинированной (среднеорбитальной группировкой совместно с геостационарными спутниками-ретрансляторами (ГСР)) или с использованием спутников-ретрансляторов
(СР) на высокоэллиптических орбитах;
• стоимость создания и эксплуатации существующих и проектируемых НССС является достаточно высокой, а для создаваемых
новых сетей до конца неопределенной;
• в условиях бурного развития операторов сотовых сетей связи
и сетей ГССС имеется существенная неопределенность в расчете объемов рынка услуг связи, которые могут предоставлять
НССС. Это определяет высокие бизнес-риски НССС;
• стремление обеспечить пропускную способность НССС, сравнимую с наземными сетями связи, заставляет использовать в

Введение

НССС как традиционные диапазоны частот L, S и C, так и более высокочастотные диапазоны Ku, Ka, V и даже оптический;
• реализация проектов НССС требует согласования частотных
дипазонов для обеспечения международных требований электромагнитной совместимости с уже существующими системами
связи на геостационарной орбите, радиорелейными и сотовыми
системами связи;
• не решены вопросы интеграции НССС и их сопряжения через наземные шлюзы с наземными и сотовыми системами связи. А это приводит к неоднозначности схем построения БРТК
спутников-ретрансляторов, маршрутизации и управления информационными потоками в сети;
• стремление использования передовых технологий и повышения
пропускной способности НССС диктует использование на борту
спутников-ретрансляторов многолучевых приемо-передающих
антенн в основном на базе фазовых антенных решеток (ФАР).
Эта задача является нетривиальной;
• имеются определенные проблемы при выборе методов разделения и уплотнения каналов связи и протоколов многостанционного доступа;
• в качестве протоколов передачи информации в проектах НССС
рационально использовать протоколы TCP/IP, но с дополнительной модификацией для обеспечения заданной эффективности;
• экономическая эффективность применения НССС (как и ГССС) определяется стоимостью наземных терминалов, которые
в НССС рационально выполнить на базе следящих за СР фазированных антенных решеток. Но в настоящее время эта задача
не решена.
Даже неполный перечень перечисленных проблемных задач показывает, что эффективность функционирования НССС определяется многими параметрами, анализ которых представлен в настоящем учебном пособии.

Общая характеристика сетей связи на базе
негеостационарных ретрансляторов

1.1. Типы НССС

Как указывалось во введении, в настоящее время эксплуатируются ССС нового типа — ССС на негеостационарных (НССС), в
том числе на низкоорбитальных (LEO — Low Earth Orbit), орбитах,
в состав которых входят от десятков до сотен космических аппаратов (КА). Последние успехи в области микроэлектроники и космических технологий позволили удешевить массовое производство КА
данного типа.
В состав негеостанционарных группировок спутников-ретрансляторов (НСР) входят СР, размещенные на круговых орбитах высотой менее геостационарной, а также на эллиптических орбитах.
Разновидности орбит ретрансляторов, используемых в ССС, показаны на рис. 1.1.
Эллиптические орбиты (EEO — Elliptical Earth Orbit) привлекательны для избирательного покрытия одного из земных полушарий.
На рис. 1.2 показана 12-часовая эллиптическая орбита, покрывающая, за исключением приэкваториального пояса, северное полушарие. Высота точки перигея орбиты выбирается минимально возмож
Рис. 1.1. Орбиты спутников связи

Р а з д е л 1

Рис. 1.2. Эллиптическая орбита

ной с учетом дестабилизирующего влияния остаточной атмосферы
Земли и составляет примерно 500 км.
Поскольку скорость движения СР по орбите возрастает по мере уменьшения ее высоты, он быстро пересекает на низких высотах
южное полушарие и при угле наклонения орбиты около 64◦ в течение длительного времени «зависает» над северным.
Высота апогея 12-часовой эллиптической орбиты сопоставима с
высотой геостационарной орбиты и составляет примерно 40000 км.
Для непрерывного покрытия полушария во времени достаточно
трех спутников, длительность сеанса связи с каждым из которых
равна 8 часов.
Орбиты с аналогичными параметрами с наклонением 62,8◦ впервые были использованы для советских радиовещательных спутников раннего поколения «Молния», поэтому их часто
называют орбиты типа «Молния» (Molniya Orbit).
Наряду с отмеченными достоинствами, эллиптическим орбитам присущи и существенные недостатки: значительное изменение дальности в течение сеанса связи, большой доплеровский сдвиг частоты, необходимость использования на ЗС следящих антенных систем, сложность
и высокая стоимость вывода тяжелых спутников связи на орбиты
с большим углом наклонения. Спутники на орбитах EEO обычно
пересекают радиационные пояса Ван Аллена, что сильно сокращает срок службы СР. Для того чтобы избавиться от этой проблемы,
необходимо использовать орбиту с наклонением 63,4◦, периодом обращения, равным звездным суткам, апогеем около 46...50 тыс. км и
перигеем около 23...25 тыс. м. Этот тип орбиты называется «Тундра» (подспутниковая точка которой показана на рис. 1.3 [1]). В основу орбиты «Тундра» положены те же принципы, что и у орбиты
«Молния». Благодаря высокому углу наклонения орбиту «Тундра»
выгодно использовать в широтах выше 50◦. В зависимости от аргумента перицентра (ω) орбита может обслуживать как северные
(ω = 270◦), так и южные (ω = 90◦) полушария. В настоящее время

Общая характеристика сетей связи
7

Рис. 1.3. Подспутниковая точка СР на орбите «Тундра»

орбита «Тундра» используется спутниками радиовещания Sirius XM
Radio, обслуживающими Северную Америку, спутниками QZSS навигационной системы Японии, а также российскими военными спутниками «Тундра».
Высота круговых орбитальных группировок на низких орбитах LEO лежит в пределах от 700 до 1500 км. Ограничение снизу обусловлено наличием остаточной атмосферы Земли, а сверху —
околоземными радиационными поясами Ван Аллена, снижающими
надежность и долговечность главным образом первичных источников питания, а также радиоэлектронной аппаратуры. Низкоорбитальные ретрансляторы принято подразделять на небольшие (Little
LEO) и большие (Big LEO).
Простые и дешевые малые ретрансляторы в НССС используются для низкооперативной передачи коротких цифровых сообщений,
в том числе и речевых в цифровой форме (например, с датчиков
систем IoT — Internet of Things). Интерактивный режим информационного обмена обычно не предусматривается. Орбитальные группировки таких ретрансляторов делают некорректируемыми, что позволяет существенно снизить стоимость космического и наземного
сегментов сети и, соответственно, стоимость представляемых информационных услуг.
В процессе функционирования вследствие
воздействия различных дестабилизирующих факторов параметры
орбит ретрансляторов изменяются, поэтому обеспечить полное покрытие области обслуживания практически невозможно. В подобных сетях передача сообщений обычно осуществляется в режиме
электронной почты.

Р а з д е л 1

Необходимость предоставления широкого класса услуг подвижным абонентам, абонентам в малонаселенных и труднодоступных
районах, в районах Крайнего Севера и приполярных областей, а также совершенствование конструкции и технологии производства бортовых радиотехнических комплексов в совокупности с применением
новых информационных технологий значительно повысили интерес
к этим сетям связи. Даже в странах с развитой инфраструктурой
связи около 30 % потребностей в услугах связи могут обеспечить
только НССС.
Современные условия характеризуются непрерывным расширением рынка и качества новых услуг связи (в настоящее время потенциальная прибыль персональных и подвижных спутниковых служб
оценивается величиной примерно в 800 млрд долларов в год [2]),
которые в сочетании с отсутствием развитой инфотелекоммуникационной структуры большинства стран мира обуславливает актуальность решения задачи по использованию новых нетрадиционных
технологий. Одним из решений этой задачи является использование НССС.
Ранее НССС широко использовались исключительно в военных
целях и реже в научных. Но в последние годы мировому сообществу
были успешно продемонстрированы технологические преимущества
данных сетей.
Геостационарные ССС имеют существенные недостатки:
1. Большое время распространения радиосигналов между абонентами (не менее 250 мс), что приводит к появлению эффекта эха,
невозможности или ухудшения качества интерактивных услуг (передача речи, онлайн-сервисы бизнес-приложений).
2. Пространственный дефицит для размещения новых СР на
геостационарной орбите. В частности, для обеспечения требований
электромагнитной совместимости различных ССС разнос спутников
на геостационарной орбите должен быть не менее 1 градуса.
3. Большое затухание энергии сигнала от Земли до геостационарной орбиты.
4. Невозможность предоставления услуг связи в высоких широтах и др.
Этих недостатков нет у НССС либо они выражены в меньшей
степени. Основными особенностями НССС по сравнению с ГССС
являются:
• меньшая высота орбит КА (от 700...1500 км у LEO, до 10000...
...20000 км у среднеорбитальных (Middle Earth Orbite — MEO)
и, как следствие, существенно меньшая задержка распространения сигналов: 15...20 мс;

Общая характеристика сетей связи
9

• небольшие энерго- и массогабаритные характеристики КА. Например, масса низкоорбитальных КА, как правило, не превышает 250...750 кг;
• высокая скорость изменения топологии сети и малая продолжительность времени радиовидимости (например, в LEO средняя
продолжительность времени радиовидимости и неизменной топологии каналов связи составляет только 6...7 минут). Вследствие этого в конце 80-х годов точное предварительное позиционирование антенн абонентов для слежения за СР было сложно
реализовать. Но сейчас данная проблема решена с помощью
фазированных антенных решеток;
• высокие доплеровские сдвиги частот (около ±40 кГц в используемых диапазонах радиочастот);
• необходимость использования более высоких, чем для ГССС,
углов возвышения антенн терминалов 30...40◦, чтобы обеспечить надежность связи около 99,9 %.
Другие отличия существующих НССС от ГССС приведены в
табл. 1.1 (в таблице условно НСР разбиты на два класса: небольшие
(весом до 125 кг) и большие (весом до 500...700 кг).
Однако укажем и на проблемы при создании и эксплуатации
НССС:
• достаточно высокий размер начальных инвестиций — не менее
3 млрд долларов;
• небольшой срок жизни спутника на низкой орбите — 5...7 лет (у
ГСР 15 лет) из-за наличия на этой высоте остатков атмосферы
и, как следствие, больших расходов на постоянное обновление
орбитальной группировки;
• радиочастоты для линий связи выделяются для НССС на вторичной основе, которая предусматривает необходимость координации и согласования используемых радиочастот с уже действующими системами ГССС, радиорелейной и сотовой связи. Понятно, что по техническим и бизнес-причинам это сделать проблематично, а иногда просто невозможно. Поэтому один из вариантов работы СР на низкой орбите, когда его сигнал совпадает с линией сигнала от ГСР, это прекращение предоставление
услуг в данной точке (или в зоне);
• океаны занимают около 70 % земной поверхности, т. е. почти
60 % пропускной способности НССС не будут, за исключением
воздушных и морских судов, использоваться.
• для предоставления услуги доступа в Интернет нужен абонентский терминал, который может непрерывно следить за спутником, быстро перемещающимся над ним.
Такие терминалы

Р а з д е л 1

Таблица 1.1
Основные качественные характеристики существующих НССС и ГССС

Характеристика
Небольшие НСР
Большие НСР
ГСР

Параметры орбиты
Около 2000 км
750...1300 км
36000 км

Диапазон частот
UHF, L, S
L, S, Ка
L, S, С, Ku, Ka

Масса, кг
40...125
350...500
до 6 500

Число спутников
2–48
От 20 до 80
1–20

Сложность системы
Низкая
Высокая
В целом высокая

Цена разработки и эксплуатации

Низкая
Очень высокая
Высокая и очень
высокая

Технические характеристики системы

Необходимая мощность
Низкая
Низкая
Высокая

Тип антенны
Слабонаправленная
(штыревая)

Направленные
следящие
активные ФАР

Направленные
зеркальные
антенны

Ограничения по перемещению

Средние
Средние
Высокие

Условия распространения радиоволн:

Чувствительность к затуханию в дожде

Низкая
Средняя
Высокая

Степень проникновения
через листву

Высокая
Низкая
Низкая

Степень проникновения
в здания

Низкая
Низкая
Очень низкая

Интерференция из-за
многолучевости

Средняя
Высокая
Низкая

Шумовые характеристики

Высокие
Средние
Средние

Доступный сервис

Определение местоположения

Да
Да
Да

Фиксированный терминал

Да
Да
Да

Мобильный терминал
Да
Да
Да

Передача данных
Да
Да
Да

Режим телефонии
Да
Да
Да

Стоимость терминала, $
50...500
1 000...20 000
Более 2 000

Месячная абонентская
плата

Низкая
Высокая
Высокая

сейчас имеют примерный размер 80×80 см и сейчас стоят около
20 000 долларов;
• несколько миллиардов землян не имеют доступа к широкополосному доступу (ШПД), но из них большая часть не является
привлекательной с точки зрения платежеспособности. В экономически развитых странах, население которых привлекательно
с точки зрения бизнеса, интернет-сервисы уже предоставляются операторами сотовой, фиксированной связи и операторами
ГССС;
• спутниковые операторы НССС должны получать в каждой
стране, где они планируют предоставлять услуги, разрешение