Спутниковые системы связи на базе геостационарных ретрансляторов

Москва
Горячая линия – Телеком 
2023

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 геостационарных 
ретрансляторов. Учебное пособие для вузов. – М.: Горячая 
линия – Телеком, 2023. – 96 с.: ил. 

ISBN 978-5-9912-0861-1. 

Изложены современные тенденции развития спутниковых сетей 
связи на базе геостационарных спутников-ретрансляторов с использованием технологии HTS. Проведен анализ основных путей и способов 
реализации спутниковых сетей связи с высокой пропускной способностью с использованием многолучевых приемо-передающих антенн, 
коммутации информационных потоков на борту. Рассмотрены методы 
уплотнения и разделения каналов, а также протоколы многостанционного доступа.  

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

Концепция спутниковой сети связи (ГССС) через геостационарный спутник-ретранслятор (ГСР) достаточно простая и заключается
в том, что промежуточный ретранслятор радиосети связи устанавливается на его борту.
Единственный геостационарный спутник-ретранслятор способен предоставить информационные услуги пользователям, размещенным на территории диаметром от 1,5...2 тыс. км до примерно
16 тыс. км. Форма области обслуживания определяется не только
параметрами орбиты ретранслятора и характеристиками БРТК, но
и характеристиками используемых земных станций (ЗС), а также
требованиями к пропускной способности каналов связи и качеству
передачи информации. Если необходимые размеры области обслуживания велики настолько, что не могут быть покрыты одним ретранслятором, то используют орбитальную группировку, состоящую
из нескольких ГСР, каждый из которых обслуживает часть (зону)
области обслуживания. Разбиение на зоны может использоваться
и при наличии одного ГСР с БРТК, оборудованным многолучевой
приемопередающей антенной, каждый луч которой формирует свою
зону обслуживания.
Широкое распространение ГССС обусловлено их следующими
во многом уникальными свойствами:
• обеспечение области обслуживания значительных размеров,
вплоть до глобальной, полностью охватывающей поверхность
Земли;
• возможность обслуживания отдаленных, малонаселенных и
труднодоступных территорий, где развертывание наземных сетей связи экономически не оправдано.
С этой точки зрения
ГССС могут играть дополняющую роль по отношению к наземным сетям;
• простота обеспечения широковещательного и многоадресного
(циркулярного) режимов передачи, обеспечения требуемых топологических свойств сети, в том числе полносвязности;
• возможность поддержки различных услуг и приложений, независимость технологии передачи и коммутации от технологии
предоставления услуг, обеспечение совместной передачи по общим физическим каналам существенно разнородных информационных потоков, показатели качества передачи которых значительно различаются;

Введение

• предоставление услуг подвижным пользователям;
• высокая пропускная способность спутниковых каналов связи
при приемлемо высоком качестве передачи;
• эффективное использование сетевых ресурсов благодаря возможности перераспределения пропускной способности сети
между каналами связи в соответствии с текущими характеристиками сетевого трафика;
• возможность предоставления пользователям услуги глобального местоопределения;
• большая гибкость ГССС, позволяющая в случае необходимости
достаточно просто изменять область обслуживания путем изменения пространственной ориентации луча (лучей) бортовых антенн и номенклатуру предоставляемых информационных услуг;
• простота пространственного расширения сети путем установки
в области обслуживания дополнительных ЗС в нужном месте,
что позволяет быстро охватить сферой информационных услуг
всех вновь присоединяющихся к сети пользователей;
• обеспечение приемлемой совместимости с современными технологиями передачи информации наземных сетей связи, таких как
TCP/IP;
• ГССС дают возможность объединять на начальных фазах развития наземной инфраструктуры локальные, городские и региональные наземные сети в корпоративные, национальные, интернациональные и глобальные структуры, обеспечить резерв
для наземных каналов связи.
Таким образом, ГССС, обладая значительными потенциальными возможностями, занимают достойное место в составе глобальной,
региональных и национальных инфотелекоммуникационных инфраструктур. Это возможно при условии существенного увеличения
их пропускной способности и адаптации к современным сетевым и
информационным технологиям.
Именно это требование в сочетании с успехами, достигнутыми в технологии производства ГСР и
БРТК, привело к созданию современных ГССС на базе технологии
HTS (High-Throughput Satellite), которая позволяет на порядок —
до 1 Тбит/с повысить пропускную способность сети связи. Особенностями этой технологии являются:
• наличие на борту многолучевых приемопередающих антенн с
несколькими десятками узких (0,2...0,3 градуса) лучей, позволяющими повторно использовать частотный спектр в несмежных
лучах;
• обработка сигналов на борту;
• межлучевая маршрутизация и коммутация информационных
потоков на борту;

Введение
5

• возможность на этапе коммерческой эксплуатации изменения
структуры БРТК: числа и параметров лучей, изменения размеров зон обслуживания и энергетических характеристик радиолиний;
• реализация на ГСР не только традиционных функций физического и канального уровней семиуровневой модели взаимодействия открытых систем, но и более высоких уровней (сетевого и
транспортного, а в отдельных случаях сетевого, представительского или прикладного уровней). Фактически ГССС интегрируются с наземными и сотовыми сетями связи.
Эффективность функционирования ГСР на базе HTS определяется многими параметрами, среди которых можно выделить методы
разделения и уплотнения каналов связи, способы обработки сигналов на борту и коммутации, методы предотвращения перегрузок каналов связи и управления информационными потоками в ГССС, методы многостанционного доступа к каналам связи, анализ которых
представлен в настоящем учебном пособии.

Тенденции развития ГССС и технологий

1.1. Общие тенденции компаний связи на рынке
ГССС
В последние двадцать лет на рынке ГССС имеется постоянная
тенденция к росту. В табл. 1.1 приведены (в порядке числа эксплуатируемых ГСР) основные компании мира, на долю которых приходится 90 % рынка ГССС [1,5].
Увеличение пропускной способности современных ГСР достигается, в частности, за счет установки многодиапазонных БРТК с
использованием в каждом диапазоне свыше нескольких десятков
транспондеров. Это в целом приводит к увеличению массы ГСР,
которая за последние 15 лет увеличилась примерно в 1,5...2 раза от
1 500...2 500 кг до 4 500...7 000 кг с энерговооруженностью до 22 кВт.
Однако появилась и новая тенденция: создание небольших ГСР массой от 300 кг (например, ГСР Astranis) для обеспечения конкретного
вида связи: только радио- и телевещания, фиксированной или подвижной связи на небольших территориях (в пределах одного-двух
государств).

Таблица 1.1
Основные компании мира на рынке ГССС

Число КА Число КА

Основной оператор ГССС
Страна
на ГСО
к запуску
к 2023 г.

Societe Europeene des Satellites (SES)
Люксембург
55
43

Intelsat
США
49
1

Eutelsat
Франция
39
29

SKY Perfect JSAT Corporation
Япония
22
2

Antrix Corporation Ltd.
Индия
18

China Satellite Communications
Китай
16

Telesat Canada Ltd
Канада
15
117

Inmarsat Plc
Международный
14
3

консорциум

Direc TV
США
12
5

ФГУП «Космическая связь»
Россия
11
4*

DISH Network Corporation (DISH)
США
9

EchoStar Communications Corporation
США
9
2

АО «Газпром космические системы»
Россия
4
2

* В 2020 г. запланирован вывод ГСР «Экспресс-80», «Экспресс-103», «ЭкспрессАМУ3» и «Экспресс-АМУ7».

Тенденции развития ГССС и технологий
7

Таблица 1.2
Массы ГСР основных компаний связи

Название ГСР/компания
Страна
Масса ГСР, кг

Zhongxing 18/China Satellite Communications

Китай
4 600

DirecTV-16/DirecTV Group Inc. (торговая марка DirecTV)

США
6 350

Echostar 23/DISH Network Corporation
(DISH)

США
5 600

Eutelsat 7C/Eutelsat
Франция
3 500

Inmarsat-5 F5 (GX 5)/Inmarsat Plc
Международный
4 000

консорциум

Intelsat 38, Intelsat 39/Intelsat
США
3 500, 6 600

JCSat 16, Superbird 8 (DSN 1), Horizons
3e/SKY Perfect JSAT Corporation

Япония
4 500, 5 350, 6 500

SES-12, SES-14/Societe Europeene des
Satellites (SES)

Люксембург
5 300, 4 450

Telstar 19 Vantage/Telesat Canada Ltd
Канада
7 050

Yamal-601/АО «Газпром космические
системы»

Россия
5 700

Express AMU1/ФГУП «Космическая
связь»

Россия
2 700

В общем случае технический облик конкретных ГСР определяется бизнес-моделью, которую реализуют владельцы компаний
связи [1, 3, 5].
В табл. 1.2 представлены массы отдельных ГСР основных компаний связи, введённых в эксплуатацию в 2017–2019 гг. [5].
На последних ГСР реализованы гибкие полезные нагрузки
(БРТК), позволяющие менять энергетические характеристики радиолиний, приемопередающих лучей и зоны покрытия (обслуживания). Почти все современные ГСР используют электрореактивные и плазменные двигатели. В частности, на отечественной платформе «Экспресс-1000К» используются стационарные плазменные
двигатели СПД-100 производства ОКБ «Факел» (г. Калининград)
для осуществления коррекции ГСР по долготе (на этой же платформе реализована комбинированная система терморегулирования
с резервированным жидкостным контуром, применяются солнечные
батареи производства ОАО «Сатурн» (г. Краснодар) на основе трёхкаскадных арсенид-галлиевых фотопреобразователей).
В условиях больших коммерческих рисков компаний-операторов ГССС в 2019 году был создан новый британский спутник Eutelsat Quantum, в котором новый функционал ГСР (число и ориентация лучей, энергетические характеристики радиолиний) будет добавляться или исключаться путем модернизации ПО непосредственно в полете (на орбите). Eutelsat Quantum — экспериментальный
спутник связи с программной реконфигурируемой полезной нагруз

Г л а в а 1

кой, разработанный совместно ЕКА, Eutelsat и Airbus Defence and
Space. Очевидно, что аналогичные многофункциональные ГСР станут ключевыми элементами во всех ГССС.
Аналогичные разработки ведёт и компания Inmarsat на своей
сети Global Xpress (GX). Её спутники Inmarsat-6 будут поддерживать услуги L-диапазона и нового поколения связи 5G, а также глобальных служб безопасности. Расширенная полезная нагрузка Kaдиапазона добавит дополнительные возможности сети GX, обеспечивая большую емкость в регионах с самым высоким спросом. Следующее поколение спутников Global Xpress, которое должно быть
запущено, начиная с 2023 года, представляет собой новое слово в эволюции сети GX. Произведенные Airbus Defence&Space спутники GX7, -8 и -9 не требуют дорогостоящих наземных станций, что позволит
быстрее реагировать на рост спроса. Эти программно-определяемые
спутники будут действительно инновационными. Каждый из них
обеспечивает примерно в два раза большую общую пропускную способность, чем вся сеть GX на текущий момент, они будут использовать динамическое формирование луча для одновременного создания тысяч независимых лучей разных размеров, пропускной способности и мощности, которые могут быть реконфигурированы и
перемещены по всему миру в режиме реального времени. Клиенты
GX смогут воспользоваться улучшениями следующего поколения,
используя текущие терминалы.
Несколько спутниковых операторов переходят от единственных
оптовых поставщиков спутниковых мощностей к
поставщикам
управляемых услуг. Это позволяет удовлетворить требованиям клиентов и снизить тарифы на услуги. Некоторые спутниковые операторы, такие как SES, стремятся к комплексным сетевым решениям
для отдельных рынков и/или клиентов.
В 2019 года GEOshare (дочерняя компания Lockheed Martin)
представила концепцию нового сервиса, позволяющего нескольким
операторам совместно использовать (разделить) одну спутниковую
платформу LM2100. А компании Intelsat и SKY Perfect JSAT Corporation уже заключили такое соглашение.
В принципе вариант с
использованием одной спутниковой платформы двумя операторами
существует уже достаточно давно. Например, на одной платформе
расположены Azerspace-1 и Afrisat 1a, EchoStar-105 и SES-11. Это
решение позволяет существенно снизить затраты на производство
и эксплуатацию собственных спутниковых систем связи. Разработчики считают, что этот вариант будет выгоднее, чем использование
небольших ГСР.
На мировом рынке ГССС наблюдается перетекание абонентов
от традиционного ТВ (кабельного и спутникового) к онлайн-серви

Тенденции развития ГССС и технологий
9

сам, и эта тенденция заставляет медиакомпании пересматривать
свои бизнес-модели, поскольку массовая продажа телеканалов через спутник и кабель существенно замедлилась. Это объясняется
тем, что в условиях повсеместного внедрения сетей 5G потребители
скорее всего откажутся от спутникового телевещания и перейдут на
иные способы получения контента, что подвергает риску потерять
более 50 % доходов. В частности, новые бизнес-модели предусматривают возможности обслуживания рынка интернет-вещей (IoT) и
морских перевозок.
Поэтому можно ожидать, что единственным растущим сектором спутниковой связи в ближайшее время станет широкополосная
связь с подвижными объектами с использованием емкости спутников высокой пропускной способности HTS/VHTS, особенно в Азиатско-Тихоокеанском регионе.
Таким образом, в поисках новых ниш для развития ГССС и сокращения оттока клиентов операторы спутниковой связи начинают
запускать нестандартные для себя услуги и сервисы: спутниковый
Интернет, мобильное ТВ, «умный дом», облачное видеонаблюдение
и даже производство собственного эксклюзивного видеоконтента [4].

1.2. ГССС на базе спутников-ретрансляторов
HTS

За последние несколько лет все компании-операторы спутниковой связи увеличили свои группировки спутников, и сейчас предложение спутникового ресурса заметно превышает спрос.
В значительной степени это обусловлено активным развитием наземных
сетей с использованием ВОЛС и сотовых систем связи. Эта тенденция была прогнозируема и, начиная со второй половины 2000-х гг.,
были развернуты работы по поиску конкурентоспособных технологий по отношению к наземным технологиям. Для удовлетворения
рыночного спроса многие операторы фиксированной спутниковой
связи (FSS) переводят свои инвестиции с традиционных спутников
на спутники с высокой и сверхвысокой пропускной способностью:
HTS (High-Throughput Satellite) и VHTS (Very HTS) соответственно. Число операторов FSS с полезной нагрузкой HTS удвоилось в
период с 2014 по 2019 годы, увеличившись с 12 до 24, а общее предложение HTS, как ожидается, достигнет более двух терабит в секунду
к концу 2019 года [5].
В настоящее время уже функционирует достаточно большое
число ГСР HTS: Kа-Sat, Viasat-1, Echostar 17/Jupiter 1, Viasat-2,
Echostar-19 и др. Иногда полезная нагрузка ГСР содержит и ретрансляционную аппаратуру типа HTS, и ретрансляционную аппаратуру, свойственную традиционным спутникам. Примерами таких гиб

Г л а в а 1

Таблица 1.3
Действующие и перспективные ГСР HTS/VHTS

ГСР
Год запуска
Диапазон
Пропускная

частот
cпособность ГСР, Гбит/с

IPStar
2005
Ku/Ka
45

Wildblue-1
2006
Ka
10

Arabsat-5C
2011
Ka
8...10

Anik-F2,-F3
2004, 2007
Ka
5...7

Hylas-1,-2
2010, 2012
Ka
5...15

Spaceway-3
2007
Ka
10

Экспресс-АМ5, АМ6
2013, 2014
Ka
5

Экспресс-АМУ1
2015
Ka
12

Ka-Sat
2010
Ka
90

Inmarsat-5
2013-2016
Ka
40

ViaSat-1
2012
Ka
140

Jupiter-1
2012
Ka
100

Jupiter-2
2016
Ka
150

РСС-ВСД
Ka
25...40

Ямал-601
2018
Ka
30

Intelsat-EPIC
2016-2019
Ku/Ka
50...90

SES-12,14,15
2017-2018
Ka
25...40

NBN-1a,-1b
2015-2016
Ka
45

Viasat-2
2017
Ka
250

Viasat-3
2019
Ka/Q/V
1000

SES-17
2021
Ka
Свыше 500

BATS
2024
Ka/Q/V
800

KONNECT VHTS
2021
Ka
500

ридных спутников являются российские спутники «Экспресс-АМ5»,
«Экспресс-АМ6» и ряд зарубежных.
В соответствии с этапами развития систем HTS их можно классифицировать как системы нескольких поколений: 1-го — с пропускной способностью до 45...50 Гбит/с, 2-го — с пропускной способностью до 500 Гбит/с и 3-го поколения — с пропускной способностью
свыше 500 Гбит/с. В табл. 1.3 приведены данные по действующим
и перспективным ГСР HTS/VHTS [5].
ГСР HTS/VHTS обладают многократно большей рабочей полосой благодаря повторному использованию частот в узких лучах
приемопередающих антенн. Эти лучи имеют повышенную энергетику и, как следствие, более высокую пропускную способность, спектральную эффективность и скорость передачи с наземных станций
(терминалов). Проектируемые спутники-ретрансляторы следующего поколения открывают еще большие перспективы за счет применения открытой архитектуры, комбинации лучей различных диапазонов частот C, Ku и Ка-диапазонов и их гибкой коммутации на борту.
В проектах уже заявлено, что ГСР способны обеспечивать пропускную способность до 1000 Гбит/с [1]. В частности, компания Eutelsat
Communications заказала новое поколение высокопроизводительных
спутников под названием Eutelsat Konnect VHTS от Thales Alenia