Спутниковые сети

Спутниковые сети могут использоваться в качестве альтернативы GPRS соединению.

В данной статье мы посмотрим поближе на спутниковые соединения для интернета и телефонии, их историю и современные применения.

Вступление

Большинство GPS трекеров используют GPRS соединение для передачи данных.
GPRS сети и вправду являются подходящим кандидатом - они хорошо распространены, как правило имеют низкую стоимость и существует множество провайдеров, среди которых можно выбрать. Широко распространенные узлы сети позволяют практически мгновенное подключение и передачу данных.

К сожалению, GPRS не обеспечивает 100% покрытия Земли. И речь не только о полярных кругах - не во всех странах доступно полное покрытие или есть выбор между провайдерами. Территории, пораженные войной или природными катастрофами, могут оставаться без связи на длительные промежутки времени. Трудности также возникают вдали от населенных территорий - ярким примером будут морские пути и полюса. 

В таких случаях, спутниковое соединение приходит на помощь. В данной статье мы рассмотрим спутниковые соединения для интернета и телефона, их историю и современные применения. 

Краткая история спутниковых систем

Первый искусственный спутник Земли - Спутник 1 - был запущен Советским союзом в 1957 году.
Спутник представлял собой металлический шар, диаметром 58.5 см. С одной стороны выступали 4 продолговатые антенны. Передаваемые им сигналы могли быть получены даже радиолюбителями-новичками.

Этот запуск положил начало Космической гонки и положил начало развитию спутниковых систем.

Ранние спутники связи работали в пассивном режиме - они просто отражали сигнал от источника, к приемнику. 

Конечный сигнал был довольно слабым, так как большая часть энергии терялась. 

На смену пассивной передаче пришли спутники с активной передачей.

В отличие от своих предшественников, они усиливают полученный сигнал перед отправкой. Первым спутником с активной передачей данных был Project SCORE. Он проработал 8 часов, транслируя рождественскую речь президента США Эйзенхауэра.

С развитием прогресса, будущее спутниковых систем становилось все более ясным. В частности становились возможными коммерческие применения.

В 1962 году был запущен первый коммерческий спутник связи - Telstar 1, построенный компанией Bell Labs. Данный спутник смог передать телевизионный сигнал через атлантический океан.

В 60х годах спутники в основном запускались на среднюю или низкую околоземную орбиту. Спутники имели высокую орбитальную скорость и в результате не наблюдались с одной точки Земли продолжительное время. Вместо этого, они пролетали по небу и исчезали из виду. 

Такое поведение вызывало перебои в сервисе, и любой спутниковой системе требовалось достаточно большое количество спутников для стабильного поддержания связи. Проблемы могли быть решены геосинхронными спутниками. Такие спутники оставались в одной точке для наблюдателя и не прерывали сигнал. 

Syncom 3 был первым геосинхронным спутником. Он был запущен в 1964 и использовался для передачи прямого эфира Олимпийских игр в Японии для США. 

Успех применения спутников для радио и телевидения не остался незамеченным. В середине 70-х стали появляться первые коммерческие телефонные спутниковые системы.
Изначально, они разрабатывались в качестве замены GSM устройствам, которые в то время были дорогими и громоздкими.

К моменту запуска первой коммерческой телефонной сети - GRPS сети успели значительно развиться и выйти вперед. Они стали дешевыми и были хорошо распространены.
В текущее время, спутниковая связь наиболее часто применяется в военных, морских и авиационных отраслях. Особую ценность приносит использование в отдаленных зонах и территориях, пораженных стихийными явлениями и войной.

На 1 января 2021 года, на орбите Земли находятся 2224 спутника.

Устройство спутниковых систем

У любой спутниковой сети как правило есть 3 компонента:

• Спутники
• Наземные станции
• Терминалы (мобильные устройства)

Как правило, при подключении к спутниковой сети, терминал сначала подключается к спутнику. В свою очередь, спутник передает информацию на одну из наземных станций для дальнейшей маршрутизации.

Продвинутые спутниковые системы могут поддерживать и передавать соединение между спутниками и терминалами без участия базовых станций. 

Спутники являются самой важной частью. Их можно разделить на несколько категорий, в зависимости от типа орбиты. Радио и телефонные спутники делятся всего на 2 типа:

1. Геостационарная орбита (ГСО), 35,786 километров (22,236 миль) над Землей
2. Низкая околоземная орбита (НОО), от 640 до 1120 километров (400- 700 миль) над Землей

Первый тип может предоставлять практически беспрерывный сервис с гораздо меньшим количеством спутников: достаточно всего 3-4 штуки. В то же время, НОО спутниковым сетям потребуется от 40 до 70 спутников для работы. Низкое количество спутников делает запуск ГСО систем дешевле, но сами спутники тяжелее и являются более сложными для производства, чем их низко-орбитные аналоги.

НОО спутники обладают меньшей задержкой в передаче данных, но при этом имеют меньшую пропускную способность - в среднем около 2-9 кбит/с. Для сравнения, ГСО спутники могут иметь скорости в районе 60-512 кбит/с. Также, стоит заметить, что скорость сети улучшается с развитием технологий и не исключено, что в будущем спутники смогут предоставлять высокоскоростной интернет.

Другим недостатком геосинхронных систем является ограничение их доступности на Земле. Сигнал с таких спутников можно поймать только в пределах от 70 градусов к северу и 70 градусов к югу от экватора. Горы и плотные леса могут препятствовать проникновению сигнала. Спутники на низкой околоземной орбите не имеют подобных ограничений, поскольку в любой момент времени доступно несколько спутников.

Из-за постоянного движения НОО спутников вокруг Земли, компаниям, производящим НОО системы, необходимо следить за доступностью сервиса. Для исключения разрывов связи - НОО спутники могут быть объединены в созвездия спутников и иметь возможность общаться между собой. Внутри созвездия спутники, как правило, можно объединить по орбитальным плоскостям.

Спутники и GPRS - сравнение

GPRS сети отличились быстрым ростом и прогрессом, но спутниковые системы тоже не стоят на месте.

На сегодняшний день, спутниковые терминалы могут не отличаться по размеру от стандартных смартфонов. По сравнению с мобильными сетями, у спутниковых систем есть следующие преимущества:

• Лучшее покрытие сети
• Защищенная передача данных
• Погодные условия не влияют на сигнал

Покрытие сети является главным преимуществом. Отсутствие привязки к сотовым вышкам позволяет спутниковым сетям работать на отдаленных территориях, в авиации и судоходстве, а также, в зонах, пораженных катастрофами и войной.

Спутниковые сети также доступны для личной и научной сфер. От простых прогулок в горах до научных экспедиций в полярные регионы - спутники помогут остаться на связи.

К сожалению, идеальных систем не бывает. У спутниковых систем тоже есть ряд недостатков. Основными являются:

• Высокая стоимость оборудования и сервиса
• Низкая скорость соединения
• Ограничения по использованию сетей других провайдеров

Спутники отличаются высокой ценой на использование сети. Направить сигнал к спутнику сложнее, чем к ближайшей сотовой вышке, соответственно, и цены у провайдеров выше. Стоит отметить, что многие компании предлагают оборудование в аренду.

Терминалы, как правило, создаются для использования в определенной сети и не могут быть настроены на получение данных от другого провайдера. В дополнение к этому, сами терминалы зачастую не обладают той же распространенностью, как у мобильных телефонов. Терминалы спутниковой связи также могут быть объектом локальных государственных запретов.

Текущие спутниковые системы

Iridium

Проект Iridium был начат в 1988.

Изначально планировалось, что сеть будет состоять из 77 спутников и была названа в честь химического элемента с таким же атомным номером - Иридиума. Позже выяснилось, что для полного покрытия земного шара, включая полюса и океаны, будет достаточно всего 66 спутников.

Система разрабатывалась с финансовой поддержкой от компании Моторола. Первый звонок через Иридиум был совершен в 1997 году. Коммерческая сеть стала полностью работоспособной 1 ноября 1998 года. 

Ожидаемый цикл жизни оригинальных спутников был 8 лет, но они проработали вплоть до их полной замены спутниками нового поколения - Iridium-NEXT. Улучшенные спутники были запущены в период с 2017 по 2019 год компанией SpaceX.

Спутники Iridium объединены в решетчатую систему, которая позволяет им передавать сигналы между собой. Это позволяет исключить разрывы связи. Спутники поддерживают связь с соседями через трансивер Ka диапазона. Каждый спутник может поддерживать до четырех межспутниковых каналов: два к спутникам спереди и сзади в той же орбитальной плоскости и два со спутниками в соседних плоскостях по обе стороны.

Iridium также использует наземные станции, которые соединяются с ближайшими доступными спутниками. На текущий момент существует всего 4 станции: 2 в США, 1 в Европе и 1 в Южной Америке. Станции соединяют спутниковую систему и наземные сети для улучшения доступности сети.

Но, звонки с одного терминала на другой могут быть переданы напрямую через спутники, без участия наземных станций. 

Созвездие состоит из 66 активных спутников, и разбито на 6 орбиталей по 11 спутников. Орбитали расположены на расстоянии 30° друг от друга. 

На сегодняшний день, Иридиум является крупнейшей коммерческой спутниковой сетью.

Inmarsat

Inmarsat - это Британская телекоммуникационная компания.

Компания изначально была частью межгосударственной организации International Maritime Satellite Organization (INMARSAT), которая была создана в 1979 году для создания спутниковой сети для морских сообщение ООН.

В 1999 году компания была приватизирована и ее операционная часть была вынесена в британскую организацию Inmarsat Ltd.
Inmarsat является первой приватизированной спутниковой компанией.

В отличие от Иридиум, все подключения к сети Inmarsat, проходят строго через наземные станции.

В отличие от Iridium, Inmarsat использует 14 геостационарных спутников. Спутники делятся на различные серии и используются для разных целей:

• 4 спутника серии Inmarsat-3
  • 2 запасные
  • 1 для существующих сервисов (работают через наземные станции, не принадлежащие Inmarsat)
  • 1 сдан в аренду
• 4 спутника серии Inmarsat-4
  • Предоставляют телефонную и интернет связь
• 5 Inmarsat-5 (GX) satellites
  • ИСпользуются для сети Global Xpress - глобальный провайдер интернета. Скорости данной сети достигают 50 Мбит/с

Спутники управляются из Центра контроля спутников (SCC) в головном офисе Inmarsat в Лондоне. Центр отвечает за мониторинг спутников и  поддержание траекторий.

Основными областями применения спутников Inmarsat являются:

• Авиация (безопасность, wi-fi для пассажиров на борту)
• Связь в океане (рыболовные судна, буровые платформы, пассажирские суда)
• Государственные и военные применения
• Бизнес-решения для частных компаний

Покрытие сети Inmarsat

Inmarsat также бесплатно предоставляет услуги по передаче сигналов бедствия для морских судов и авиации в качестве общедоступного сервиса.

Thuraya

Компания Thuraya создана в 1997, и является первым провайдером спутниковой связи в ОАЭ.

Не смотря на то, что компания владеет всего 2 геосинхронными спутниками, их сервис доступен в 161 стране в Европе, Азии, Африке и Австралии. 

Первый спутник расположен на геосинхронной орбите с наклонением 6,3° в позиции 44° в. д.. Второй спутник расположен на геосинхронной орбите с наклонением 6,2° в позиции 98,5° в. д. Оба спутника поддерживают до 13750 звонков одновременно. 

Компания не исключает запуска третьего спутника в будущем.

Покрытие сети Thuraya

Thuraya предлагает различные коммуникационные сервисы - звонки, СМС и интернет. Компания также производит свое собственное оборудование, зачастую с GPS соединением. Их мобильные устройства могут обеспечивать скорость от 60 кбит/с и 15 кбит/с. Во время использования сети с их собственными устройствами - скорость может достигать 444 кбит/с.

Thuraya также отличается гибкостью процессов. Их сим карты способны работать в обычных телефонах. В отдельных случаях, обычные сим карты могут работать и со спутниковой сетью (при условии, что у GSM провайдера есть контракт с  Thuraya connections).

Starlink

Starlink - это глобальная спутниковая система, разрабатываемая компанией SpaceX для обеспечения высокоскоростным широкополосным доступом в Интернет удаленные места. 

На май 2021 запущено и работает более 1600 спутников. Starlink планирует инфраструктуру из 32 наземных станций. 

В отличие от Iridium, Inmarsat и Thuraya - Starlink не подключается напрямую к мобильному устройству пользователя. Вместо этого, разработаны специальные терминалы, которые будут общаться со спутниками и передавать интернет на мобильные устройства. 

Сеть все еще находится в бета стадии. Тестирование доступно в 8 странах: Северной Америке, Европе и Океании. Первые тесты показали скорость загрузки в диапазоне от 11 Мбит/с до 60 Мбит/с.

Военные и авиационные применения также находятся на стадии развития.

Когда данная сеть будет полностью запущена, она сможет предоставить высокоскоростной интернет по всей поверхности Земли. Ожидается, что через Starlink будет проходить 10% трафика сети Интернет. 

Orbcomm

Orbcomm  - это американская компания, предлагающая индустриальные M2M и IoT решения.

Проект стартовал в конце 80х, а первые тестовые спутники были запущены в 1992 году.
В 1995 прошли первые тесты глобальной спутниковой сети.
К февралю 1996, ORBCOMM запустили первый в мире коммерческий сервис для глобальных телефонных коммуникаций, на основе НОО спутников.

В период с 1997 по 1999 Orbcomm запустили 33 спутника.

На 2021 год, компания владеет и управляет сетью из 31 спутника в низкой околоземной орбите. Также в их наземную инфраструктуру входят 16 базовых станций по всему миру.

Сервисы сети Orbcomm доступны более чем в 130 странах.

Поддержка спутниковой связи  в устройствах

Как правило, каждый провайдер производит свои устройства и терминалы для работы с их спутниковой сетью.

Но, сторонние компании тоже могут выполнять интеграцию с определенными сетями. Провайдеры спутниковых систем как правило имеют довольно обширный список партнеров-интеграторов.

Использование спутниковой связи в Navixy

На платформе Navixy доступно несколько устройств с возможностью подключения к сетям Iridium/Inmarsat:

• Galileosky v4.0 with Iridium module
• Galileosky Base Block Iridium
• Globalstar SmartOne
• Globalstar SmartOne C
• Globalstar SmartOne Solar
• Naviset GT-10
• Naviset GT-20
• Orbcomm IDP-782
• Teltonika FM63XY (via TSM-232 modem)
• Teltonika FMB630 (via TSM-232 modem)
• Teltonika FMB640 (via TSM-232 modem)