Информационни технологии & Интернет

автор: Станислав Иванов, НБУ

През последните десетилетия на изминалия век, развитието на технологиите отбелязва изключителен напредък. Огромният технически просперитет допринася в огромна степен за развитието на днешния свят. Това не би било възможно ако липсваше начин за глобална комуникация. Сателитнита техника е сравнително нов сектор, чиито технологии значително улесняват нашето ежедневие и в частност комуникацията. Както всеки отрасъл, тя има предимства и недостатъци, въпреки това без нея огромна част от комуникацията в днешно време би била невъзможна. За да добием по-добра представа за тази значителна еволюция на техниката, трябва да проследим развието и от самото начало.

Сама по себе си, думата „сателит” идва от английски и означава „изкуствен спътник”, който е изведен в космоса за нуждите на телекомуникациите. Изкуственият спътник представлява обект, за който може да се каже, че е произлязъл от човешка дейност и е изведен в орбита около Земята или друго небесно тяло. Комуникационният сателит или комсат е един от видовете изкуствени спътници. Обикновено неговото позициониране е в геосинхронна орбита. Геосинхронната орбита представлява орбита с период на въртене, еднаква с посоката на въртене на Земята. Периодът на въртене на тази орбита е равен на сидеричният период на въртене на Земята.

Първият изкуствен спътник – „Спутник-1” е бил изстрелян от Русия (СССР) на 4-ти отктомври 1957г.. С неговото изстрелване започва и надпреварата между Съветския съюз и САЩ. Първият спътник от страна на САЩ е „Експлорър 1”, изстрелян на 31-ви януари 1958г. В днешно време, най-големият изкуствен спътник, обикалящ около Земята е Международната космическа станция. Видовете спътници могат да бъдат няколко, както следва:

• Астрономически – използват се за наблюдение на отдалечени космически обекти (планети, галактики и т.н.);
• Комуникационни – използват се за комуникации и предаване на данни. Повечето комуникационни спътници представляват ретранслатори на радио сигнали в микровълнов диапазон. Съществуват обаче и по-сложни системи за двустранна връзка, както и нискоорбитални спътници за изграждане на телекомуникационни мрежи;
• Наблюдателни – проектирани да наблюдяват Земята за невоенни цели. Използват се за метеорологични наблюдения, наблюдения на околната среда, картография и др.;
• Навигационни – използват се за навигация. Позволяват на даден потребител, снабден с необходимата апаратура да приема излъчваните от тях радио сигнали с цел определяне на точното положение;
• Разузнавателни – по дефиниция, тайни спътници, разработени от правителството и военните, използвани за разузнавателни или военни цели;
• Енергийни – проектирани да събират слънчева енергия, като я преобразуват в микровълни и я изпращат към Земята. Целта е генериране на електричество;
• Космически станции – най-просто казано, обитаеми станции в орбита около Земята;
• Метеорологични – използвани за метеорологични нужди и наблюдение на климата на Земята;
• Миниатюрни – спътници с малки размери и маса. Разделят се на няколко вида: мини (200-500кг), микро (<200кг) и нано (<10кг);
• Биоспътници – изкуствени спътници пригодени да носят живи организми, основно за научно експериментиране.

През 1962г., американският телекомуникационен гигант “AT&T” изтрелва първият в света комуникационен сателит – „Telstar”. От тогава насам, огромен брой комсати са били изтреляни в земната орбита, а технологията за тяхното осъществяване се подобрява непрекъснато. Комуникационните сателити намират огромно приложение. Тяхното предназначение може да е и за обекти, за които връзката с кабели е практически невъзможна. Като пример можем да дадем телевизия и радио, кораби, превозни средства, самолети, мобилни устройства. Глобалната система за мобилни комуникации (GSM) и Интернет също използват сателитни връзки. Много важна част от осъществяването на комуникация от сателит са микровълните. Те се използват за поддържане на връзка и управление на изкуствените спътници, космически кораби, космически станции, както и изследователски сонди.

Микровълните по дефиниция представляват електромагнитни вълни, чиято дължина на вълната е по-дълга от тази на инфрачервената светлина, но по-къса от тази на радиовълните. Микровълните са известни още и като радиовълни със свръх висока честота (СВЧ радиовълни). В България микровълнов предавател за сателитна комуникация има в Софийска област (село Плана). Тъй като микровълните са значително по-дълги в сравнение със светлинните вълни, те имат по-малка енергия и се детектират по-трудно. Точността с която може да бъде определено положението на източника на вълни, намалява с увеличаването на дължината на вълната. За това е по-трудно да се определи мястото на един източник на микровълни, отколкото на светлинния. За да бъдат излъчени, микровълните първо трябва да бъдат генерирани.

Това може да стане с различни устройства, които най-общо могат да бъдат класифицирани в две категории: полупроводникови устройства и вакуумни устройства. Полупроводниците се произвеждат от полупроводници, например силиций и галиев арсенид, като включват и полеви транзистори, биполярни транзистори, диоди на Гън и лавинни диоди. Вакуумните устройства или устройствата с радиолампи работят на принципа на насочено движение на електрони във вакуум под влиянието на управляващо електрично и магнитно поле. Най-общо, радиолампите за свръхвисоки честоти могат да бъдат магнитрони, клистрони, ЛБВ (лампа с бягаща вълна) и жиротрони. Интегралните схеми са СВЧ обхвата (MMIC – monolithic microwave integrated circuit) се произвеждат най-често върху галиево-арсенидни пластини.

Микровълните намират широко приложение. Конкретно, както по-горе е посочечно, те се използват в предаванията на комуникационните сателити, поради факта, че преминават по-лесно през земната атмосфера, за разлика от вълните с по-ниска честота. Също така, микровълните имат по-широка честотна лента, отколкото радиовълните от останалата част на спектъра. Честотната лента представлява интервала от честоти характерен за дадено явление или устройство. Това е интервалът от минималната до максималната честота в която дадено устройство приема/предава информация. За УКВ радио разпръскване например се използва честотна лента от 88Mhz до 108Mhz, за КВ радио – 2300 KHZ до 26000KHZ.

Като цяло, сателитната комуникация се състои от два основни компонента: сателит и наземна станция.

Сателит – или наричан още космическа част. Главно, той е съставен от три отделни части. Това са горивната система, сателитна и телеметрична част и транспондер. Названието транспондер (transponder) произлиза от английски език и е съставено от две части – “transmitter” и “responder”. Представлява декодер, който приема сигналите от запитващото устройство, като ги декодира. Транспондера включва и антена, която приема сигнал от наземната част, broad-band приемник, мултиплексор и честотен конвертор. Първичната роля на сателита е да отразява електронни сигнали. В случая, при телекомуникационния сателит, първичната му задача е да приема сигнали от наземна станция и да ги изпраща обратно до друга локация, на значително разстояние от първата. Тази операция може да бъде двупосочна, както при телефонен разговор на далечно разстояние. Друга полза от този вид сателити може да имаме и при предаването на телевизионни сигнали. Извършването на наблюдение над определени обекти също е възможно, когато е оборудван с камера и различни видове сензори.

Американски военен комуникационен сателит

Наземна станция – или вторият сегмент, който се намира на земята. Огромен брой от наземните станции се използва за комуникация с комуникационните сателити, като се наричат още сателитни земни станции или телепортове. Останалата част от станции служат за комуникация с космически изследователски ракети (автоматична, научноизследователска станция) и ръчноуправляеми космически кораби.

Наземна станция

Сателитните комуникации намират приложение в традиционната и клетъчна телекомуникация, телевизионни сигнали, военноморски комуникации, GPS (global positioning system) и др.

Традиционни телекомуникации. Още от създаването на далекосъобщителната мрежа съществува нуждата от свързването на телекомуникационните мрежи на две държави. Това е постигнато по няколко начина, като подводните кабели се използват най-често. Все пак, съществуват доста случаи, при които този който осигурява далечни връзки ще избере да осъществи сателитна връзка, за да свърже две трансокеански точки, географски отдалечени области или бедни страни, които имат малка и недостатъчна комуникационна инфраструктура. Група като международния сателитен консорциум “Intelsat”, изпълни повечето нужди на света за този тип услуги.

Телевизионни сигнали. Сателити са използвани още от 60-те години на изминалия век за да предават телевизионни сигнали между мрежовите хъбове на телевизионните компании. През седемдесетте стана възможно частни лица да свалят същия сигнал, който кабелни компании и мрежи предават, с помощта на c-band приемници.

C-band. C-band (3.7-4.2GHz) – Сателити, които работят на тази честотна лента, могат да бъдат разположени на 2 градуса един от друг в космоса. Нормално, те съдържат 24 транспондера, работещи на 10-17W всеки. Типичните за тях антенни приемници са с диаметър 6-7,5 фута (180-225см.). Над 250 канала с видео и 75 аудио услуги са достъпни днес от повече от 20 C-band сателита над Северна Америка.

Ku-band. Ku-band (11,7-12,2GHz) – Сателити, работещи на тази честотна лента са също на разстояние 2 градуса един от друг в космоса и отново носят със себе си 24 транспондера, които работят на широк диапазон мощности – 20-120W всеки един. Типичните за този сателит приемници (антени) са с диаметър 3-6 фута (90-180см.). Повече от 20 Ku-band сателити работят над Северна Америка днес, включително няколко хибридни сателита, които са оборудвани и с двата вида транспондери (C-band, Ku-band).

DBS (Direct Broadcast Satellite) – Предаването на аудио и видео сигнали през сателит, директно до крайния потребител. Повече от четири милиона домакинства в САЩ се наслаждават на C-band DBS.
Морски комуникации. В морските общности, сателитните комуникационни системи, като “Inmarsat” осъществяват добри комуникационни връзки до кораби в открито море. Тези връзки използват VSAT вид връзка за да се свържат към геосинхронни сателити. VSAT представлява технология за двупосочен пренос на аудио и видео през спътник. Тя е сравнително отдавна познат вариант за осъществяване на комуникации за отдалечени региони, труднодостъпни области и други приложения. Обикновенно под VSAT се подразбира и крайно потребителско устройство, което е в комплект с външен приемо-предавател, монтиран към антена с диаметър от 70-180см. и усилвател до 2W. В случая, VSAT приема и предава потребителските си интерфейси и ги изпраща под формата на радиосигнали през сателит на геостационарна орбита към централна управляваща станция или директно към друг VSAT терминал. Това зависи от мрежовата технология. В днешно време VSAT технологията позволява максимална скорост на сваляне около 20mbps, като още по-новите модели достигат до 30mbps. Трафикът на потребителя към мрежата достига до 6mbps.

Global positioning system (GPS). Глобалната система за позициониране е спътникова радионавигационна система, която определя положението, скоростта и времето с точност до 1 наносекунда във всяка една точка на земното кълбо и околоземната орбита в реално време. Американските военни наричат още тази система „NAVSTAR GPS” (Navigational Signal Timing and Ranging Global Positioning System). Системата се състои от минимум 24 спътника, разположени на 6 орбити на височина около 20 000км., както и наземен контролен център с наблюдателни станции, разположени в различни точки на Земята. Самият принцип на действие се базира на измерването на разстоянието от мястото, чиито координати търсим, до група спътници, чиито координати са точно определени и известни. Разстоянието се пресмята на базата на времето за разпространение на радиосигнала от спътника до потребителя. Глобалната система за позициониране е проектирана и контролирана от Министерството на отбраната на САЩ. В днешно време, тя може да бъде използвана от всеки. Поддръжката на цялата система струва около 400млн. долара/годишно. Първият от 24-те спътника, които са необходими за формирането на GPS-групировката, е изведен в орбита на Земята на 14 февруари 1989г. Последният изтрелян до момента спътник е 52-ри по ред от създаването на системата през 1978г. и е изведен в орбита на 6 ноември 2004г. с помощта на ракетата “Delta II”.

Сателит от системата GPS.

Човек винаги се е стремял към развитие. Именно този стремеж ни дава днес удобставата на съвременните технологии. Въпреки, че все още съществуват не малък брой територии, чиято телекомуникационна инфраструктура е бедна или изобщо липсва, поради факта, че полагането на кабели не е оправдано, поради финансови причини или е просто невъзможно, безжичните технологии ни предоставят такива възможности, каквито кабелът не би могъл. Безжичните комуникации безспорно имат своето достойно място в телекомуникационният бизнес.

Сходни статии:

1. Оптоелектроника и оптични комуникации Автор:  Адриана Кирилова Калайджиева Комуникационната система е система за пренасяне на информация или сигнали от едно място на друго, отстоящи на разстояние от няколко километра до няколко хиляди километра едно...