Спутниковые системы связи

УДК 621.396.946 
ББК 32.884.1 
     С61 

Сомов А. М., Корнев С. Ф. 
С61    Спутниковые системы связи: Учебное пособие для вузов / Под ред. 
А. М. Сомова. − М.: Горячая линия–Телеком, 2012. – 244 с.: ил.  
ISBN 978-5-9912-0225-1. 

Рассмотрены принципы построения спутниковых систем связи и их 
составных частей. Приведены основные понятия, термины и параметры, виды служб. Освещены вопросы электромагнитной доступности  
и надёжности, виды помех. Анализируются методы и виды многостанционного доступа, виды модуляции и помехоустойчивого кодирования, а так же принципы действия современных спутниковых модемов. Описаны способы сжатия сигналов для сокращения информационной избыточности, приведены особенности и перспективы развития 
спутниковых сетей VSAT. Рассмотрены особенности мобильных спутниковых систем связи и общие технологии формирования цифровых 
потоков информации, особенности цифрового спутникового телевещания. Приведены основные энергетические соотношения на линии связи 
для спутников с использованием геостационарной орбиты. 
Для студентов, обучающихся по специальности 090106 – «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», будет полезна студентам телекоммуникационных и радиотехнических специальностей, аспирантам и специалистам в области инфокоммуникаций 
и защиты информации.  

ББК 32.884.1 

 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

Учебное издание 

Сомов Анатолий Михайлович 
Корнев Сергей Филиппович 

СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ 
Учебное пособие  

Книга  подготовлена при поддержке гранта Президента Российской Федерации НШ-24.2010.10 

Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 

Подписано в печать  25.10.2011.  Печать офсетная. Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 15,25.  Тираж 500 экз. 
 
ISBN  978-5-9912-0225-1                               © А. М. Сомов, С. Ф. Корнев, 2011 
                                                 © Издательство  Горячая линия–Телеком, 2011 

Введение

Тенденция развития мировой сети электросвязи осусловлена переходом человеческого общества от индустриальной фазы развития к
информационной и характеризуется интеграцией и конвергенцией телекоммуникационных сетей. Эта тенденция стала проявляться еще в
конце прошлого столетия, когда системы связи стали переходить на
цифровые формы передачи информации. Произошло слияние связных и информационных технологий, которое послужило толчком к
объединению и взаимному проникновению структур сетей и систем
связи с универсализацией предоставляемых абонентам услуг. Развитие технологий связи привело к созданию глобальных сетей для передачи больших объемов информации с высокой скоростью и надежностью. Следствием этого стало перераспределение международного
телекоммуникационного трафика между системами связи.
Основным способом реализации глобальной и региональных сетей связи стало применение оптоволоконных кабелей и спутниковых
систем связи. Несмотря на внедрение оптоволоконных линий, спутниковые системы связи продолжают играть важную роль в качестве
важного дополнения к наземным первичным сетям связи на основе
волоконно-оптических линий связи.
В настоящее время на объем трафика спутниковых линий связи
приходится около четверти общего мирового трафика.
В ближайшие годы предполагается постоянный рост числа задействованных ретрансляторов спутниковой связи примерно на 3...6 %
в год, причем более быстро будет возрастать доля ретрансляторов, используемых для передачи Интернет-трафика.
Активно продолжается внедрение сетей спутниковых терминалов
с малыми размерами антенн (VSAT), что приводит к общему увеличению числа терминалов в мире. Одновременно происходит постоянное наращивание числа ИСЗ, использующих ретрансляторы Кадиапазона частот (20/30 ГГц), кроме того, в ближайшие годы следует
ожидать появление ИСЗ диапазона частот 40/50 ГГц.
В настоящее время широко используется спутниковый телевизионный стандарт DVB-S, однако более перспективен и уже находит
применение новый стандарт DVB-S2, который является преемником
и дальнейшим развитием стандарта DVB-S. Стандарт DVB-S2 используется для трансляции услуг, которые не могут быть реализованы
традиционными методами, например ТВ сигналов, компрессированных в новых форматах или передаваемых с высоким разрешением HD

Введение

или 3D. В спутниковые системы связи активно внедряются интегрированные современные телекоммуникационные технологии на основе
транспортных протоколов MPEG-2 и IP/DVB, обеспечивающие не только цифровое вещание, но и передачу данных, телефонию и доступ
в Интернет.
Создание систем подвижной и персональной спутниковой связи
(СПСС), интегрированных с наземными сетями связи, стало определяющей тенденцией развития технологий связи в начале XXI века.
Развитие технологий СПСС осуществляется совместно с технологий
наземной подвижной связи третьего (3G) и в перспективе четвертого
(4G) поколения. Абонентам предоставляется широкий спектр телекоммуникационных услуг: речевая и пейджинговая связь, передача
данных, определение местоположения, возможность доступа в Интернет и, в перспективе, услуги мультимедиа. Предоставляемые услуги ориентированы на конечного пользователя, независимо от времени
суток и места, где он расположен.
Спутниковые системы связи имеют определенное преимущество
при обеспечении универсального широкополосного доступа в Интернет, а также при теле- и радиовещании в малонаселенных районах.
Системы на основе низкоорбитальных и геостационарных спутников
обеспечивают альтернативное средство подвижной связи для абонентов из любой точки Земли.
Предлагаемое учебное пособие знакомит с основами построения
и функционирования таких сложных систем наукоемкой и динамично
развивающейся области, как системы спутниковой связи, являющихся
важным элементом мировой связи.

Принципы построения спутниковых
систем связи

1.1. Основные понятия

Спутниковая связь является новым направлением науки и техники, появившимся в последние десятилетия. Она основывается на последних достижениях в области ракетной техники, космической технологии, информатики, цифровой техники связи. Многие из терминов
в этой передовой области за это время сложились, другие еще окончательно не устоялись, а третьи только появляются и еще не вошли
в обиход, поскольку имеют разные наименования в разных научных
школах.
Ниже приводятся определения основных понятий в соответствии
с «Регламентом радиосвязи», а также сложившейся к настоящему времени практикой применения терминов в спутниковых системах связи [1].
Космическая радиосвязь — радиосвязь, при которой используют космические станции, расположенные на искусственном спутнике
Земли (ИСЗ) или других космических объектах.
Космическая станция (KC) — станция, расположенная на объекте, который находится за пределами основной части атмосферы
Земли (либо предназначен для вывода за ее границы), например на
ИСЗ.
Земная станция (ЗС) — станция радиосвязи, расположенная на
земной поверхности и предназначенная для связи с космическими либо с земными станциями через космические станции или космические объекты, например пассивные ИСЗ. В отличие от земных станций
станции наземных систем радиосвязи, не относящихся к космическим
системам связи или радиоастрономии, называются наземными.
Спутниковая связь (СС) — связь между земными станциями
через космические станции или пассивные ИСЗ.
Таким образом, спутниковая связь — частный случай космической радиосвязи.

Р а з д е л 1

. 1.1. Спутниковая линия связи

Спутниковая линия — линия связи между земными станциями с помощью одного ИСЗ на
каждом направлении (рис. 1.1),
включая участки «Земля — спутник» (линия вверх) и «спутник —
Земля» (линия вниз).
Земные станции соединяются с узлами коммутации сетей связи
(например, с междугородной телефонной станцией (МТС) или оптоволоконными и радиорелейными линиями связи), с источниками и
потребителями программ телевидения, звукового вещания с помощью
наземных соединительных линий (рис. 1.1). Земные станции могут устанавливаться непосредственно на МТС, телецентрах и поблизости от
других источников и потребителей информации.
Спутниковое вещание — передача радиовещательных программ
(телевизионных и звуковых) от передающих земных станций к приемным через космическую станцию — активный ретранслятор. Спутниковое вещание — частный случай спутниковой связи, отличающийся
передачей определенного класса односторонних (симплексных) сообщений, принимаемых одновременно несколькими ЗС или же большим
числом приемных станций при циркулярном виде передач.
В зависимости от типа земных станций и их назначения в системах связи различаются следующие службы радиосвязи:
фиксированная спутниковая служба (ФСС) — служба радиосвязи между земными станциями, локализованными в определенных,
строго фиксированных пунктах с использованием одного или нескольких спутников. К фиксированной спутниковой службе относят также
фидерные линии (линии подачи программ на космическую станцию)
для других служб космической радиосвязи, например для радиовещательной спутниковой или спутниковой подвижной службы;
подвижная спутниковая служба (ПСС) — служба радиосвязи
между подвижными земными станциями (или между подвижными и
фиксированными ЗС) с участием одной или нескольких космических
станций.
В зависимости от места установки подвижной ЗС различают сухопутную, морскую, воздушную подвижные спутниковые
службы;
радиовещательная спутниковая служба (РСС) — служба радиосвязи, в которой сигналы космических станций предназначены для
непосредственного приема населением. При этом непосредственным
приемом программ считается как индивидуальный, так и коллективный прием, причем в этом последнем случае программа может достав

Принципы построения спутниковых систем связи
7

ляться индивидуальным абонентам с помощью наземной системы распределения — кабельной или эфирной. Сам же термин «радиовещание» объединяет как телевизионное, так и звуковое вещание. Определенная таким образом радиовещательная спутниковая служба включает в себя только те виды систем спутникового вещания, которые
предназначены для приема на сравнительно простые и недорогие приемные установки с качеством, достаточным для абонента, но часто
более низким, чем для магистральных линий подачи программ.
Системы, относящиеся к ФСС, могут использоваться также для
распределения радиовещательных программ. Так, например, отечественные системы «Орбита» и «Москва», изначально предназначенные
для распределения по территории страны телевизионных программ и
программ звукового вещания через ИСЗ, относятся к ФСС. Принятые
станцией «Орбита» программы высокого качества подают на телецентры, снабженные передатчиком большой мощности, а сама станция
«Орбита» при этом является достаточно сложным строительным и
техническим сооружением. Часто различие между фиксированной и
вещательной службами в некоторых случаях стирается. Однако при
их классификации учитывается то, что этим службам выделены различные полосы частот.
При передаче радиовещательных программ с помощью систем
ФСС различают прямое и косвенное распределение программ. При
прямом распределении программы подаются от системы ФСС непосредственно на наземные вещательные станции без каких-либо промежуточных распределительных систем, а при косвенном распределении программы поступают от земных станций ФСС для дальнейшего
распределения по наземным сетям к различным наземным вещательным станциям.
Системы спутниковой связи (ССС) применяют для передачи различных видов информации, таких, как:
• программ телевидения, когда различают системы обмена между
равноправными земными станциями, а также для циркулярного распределения программ от передающей станции к большому
числу приемных;
• других видов симплексных сообщений, чаще всего циркулярного характера: изображений газетных полос, программ звукового
вещания;
• телефонных сообщений, дуплексных по своему характеру; каналы тональной частоты и их группы можно использовать для обмена другими видами информации — телеграфной, дискретной
от ЭВМ и других источников.

Р а з д е л 1

В зависимости от вида информации различают универсальные
многофункциональные спутниковые системы, ЗС которых обмениваются различными видами информации (таковы Intelsat, «Орбита», ССС Канады Telesat и другие), и специализированные — для
передачи одного вида или нескольких однородных видов информации
(например, системы спутникового вещания «Экран», НТВ-Плюс для
циркулярного распределения телевизионного и звукового вещания).
По охватываемой территории, размещению и принадлежности
ЗС, а также структуре управления ССС можно отметить:
• международные, в состав которых входят станции различных
стран; такие системы могут быть глобальными, со всемирным
охватом пользователей, такие, как «Интерспутник», Intelsat, либо
региональными, как Eutelsat, Arabsat, Asiasat;
• национальные, когда все ЗС расположены в пределах одной страны, в том числе зоновые, все ЗС которой расположены в пределах
одной из зон (административной области, района) страны;
• ведомственные (деловые, фирменные) системы, ЗС которых
принадлежат одному ведомству (одной организации, фирме) и
передают только деловую или другую информацию в интересах
этого ведомства.
В состав любой ССС, несмотря на функциональное и конструктивное различие, всегда входит несколько одинаковых по назначению
элементов:
• космические станции, иногда называемые космическими аппаратами (КА), представляющие собой ретрансляционное приемопередающее устройство на борту ИСЗ с антеннами для приема
и передачи радиосигналов и системами жизнеобеспечения: источниками энергоснабжения, системами ориентации антенн (на
Землю), солнечными батареями, системами коррекции положения ИСЗ на орбите, терморегулирования и тому подобное;
• земные станции в составе комплекса технических средств для
связи с КА различного типа. Перечислим основные из них [1]:
Приемные ЗС распределительных систем (систем спутникового вещания) — самый простой тип станций, работающих только
в режиме приема телевизионных, радиовещательных и других циркулярных программ, например изображений газетных полос; обычно
приемные ЗС для удешевления снабжают простой и недорогой антенной малого размера, а число таких ЗС в системе может быть достаточно велико.
Передающие ЗС системы спутникового вещания — станции,
осуществляющие передачу на участке «Земля — ИСЗ» циркулярных

Принципы построения спутниковых систем связи
9

программ для последующего распределения по сети приемных станций. Если такая передающая ЗС находится в пределах обслуживаемой
зоны и на ней возможен прием сигналов, излучаемых ИСЗ этой системы, то прием обычно используется для контроля качества вещания.
Приемопередающие ЗС, работающие в сети дуплексной телефонной связи (в том числе с возможностью передачи по телефонным
каналам или группам каналов других видов сообщений — телеграфных, данных, программ звукового вещания и пр.), а также в сети обмена телевизионными программами.
Контрольные ЗС — станции для контроля режимов работы ретранслятора космической станции, соблюдения земными станциями сети важных для работы всей сети параметров — излучаемой мощности, частоты передачи, поляризации, качества модулирующего сигнала. Функции контрольной могут возлагаться на одну из передающих
или приемопередающих станций сети.
Контрольные и центральные станции сети имеют возможность
обмена информацией со станциями сети по специально создаваемой
подсистеме служебной связи. Обычно эта подсистема работает через
тот же ИСЗ, через который работает основная сеть.
Земные станции системы управления и контроля ИСЗ —
станции, осуществляющие управление функционированием КС и подсистемами ИСЗ, а также контролирующие их состояние, режим вывода ИСЗ на орбиту при первоначальных испытаниях и вводе в эксплуатацию КС.
Соединительные наземные линии служат для соединения ЗС
с источниками и потребителями передаваемой информации. Земная
станция обычно удалена от них для уменьшения воздействия помех,
обеспечения требований по углам закрытия антенн и др. Это соединительные линии от приемопередающей ЗС к междугородной телефонной станции (МТС) или какому-либо другому узлу коммутации
телефонной сети, от приемной ЗС к телевизионному передатчику, типографии, радиовещательной станции.
Выносное оборудование — та часть оборудования спутниковой
связи, которая может располагаться не на станциях спутниковой связи, а на других объектах. Так, на МТС могут устанавливаться необходимые для работы спутниковых каналов эхозаградители, аппаратура
уплотнения, каналообразования и модуляции.
Центр управления системой связи — осуществляет руководство эксплуатацией системы и ее развитием, т. е. вводом в действие
новых ЗС и ИСЗ, расписанием их работы, предоставлением ретрансляторов потребителям, проведением ремонтно-профилактических ра

Р а з д е л 1

бот и т. п. Центр управления обычно соединяют со станциями сети
каналами служебной связи.

1.2. Виды орбит. Основные определения. Состав
и назначение систем спутниковой связи

Особенностью систем спутниковой связи является функционирование ретранслятора радиосигнала на искусственном спутнике Земли
(ИСЗ) с достаточно высокой орбитой обращения вокруг Земного шара и существующего достаточно длительное время без значительных
затрат энергии на поддержание движения по этой орбите. При этом
электрическое питание бортового ретранслятора и других служебных
систем спутника осуществляется от энергии солнечных батарей, освещаемых большую часть времени существования прямыми солнечными лучами и от аккумуляторов, заряжаемых от этих батарей.
На достаточно высокой орбите ИСЗ позволяет обслуживать видимую со спутника территорию площадью до одной трети всей поверхности Земли, поэтому через его бортовой ретранслятор могут непосредственно поддерживать между собой связь любые станции на этой
территории. В этом случае всего три ИСЗ могут обеспечивать всемирную глобальную связь. Современные технические средства позволяют
сформировать достаточно узкую диаграмму направленности бортовой
антенны, чтобы можно было, при необходимости, обслуживать ограниченную площадь, занимаемую даже небольшим государством. Это
создает возможность эффективно использовать частотный диапазон
ИСЗ путем многократного применения одних и тех же частот для обслуживания небольших пространственно удаленных зон. Следует отметить, что трасса радиолуча между ИСЗ и земной станцией проходит
обычно под углами наклона к земной поверхности, превышающими 5
угловых градусов, что уменьшает затухание в атмосфере и влияние
теплового излучения Земли на качество приема сигналов.
Спутниковая связь начала свое развитие в середине 60-х годов
ХХ века с появлением советского спутника «Молния» и американского «Телстар» и с этого времени бурно развивается. Правда, в последнее время для спутниковых систем связи появился достойный конкурент — оптоволоконные линии связи. Однако это не остановило дальнейшее развитие и усовершенствование спутниковой связи. К настоящему времени создано и продолжает создаваться большое число
систем спутниковой связи и вещания, различных по функциональным возможностям, обслуживаемой зоне, составу, информационной
емкости, виду используемой орбиты.
Рассмотрим основные виды орбит в спутниковой связи [2].