Супу́тниковий зв'язо́к — один з видів космічного радіозв'язку, що базується на використанні штучних супутників Землі, на яких змонтовані ретранслятори. Супутниковий зв'язок здійснюється між земними станціями, які можуть бути як стаціонарними, так і мобільними.

Оскільки супутниковий зв'язок є радіозв'язком, для передачі через супутник сигнал повинен бути промодульованим. Модуляція відбувається на земній станції. Модульований сигнал переноситься на потрібну частоту, підсилюється та надходить на передавальну антену.

Звичайний (нерегенеративний) супутник, прийнявши сигнал від однієї наземної станції, переносить його на іншу частоту, підсилює й передає іншій наземній станції. У супутнику може бути кілька незалежних каналів, що здійснюють ці операції, кожний з яких працює в певному діапазоні частот (ці канали обробки називаються транспондерами).

Регенеративний супутник демодулює прийнятий сигнал та знову модулює його. Завдяки цьому помилки виправляються двічі: на супутнику та на прийомній земній станції. Недоліком цього методу є складність, висока вартість супутника та наземного обладнання.

Історія 1945 року в статті «Позаземні ретранслятори» (), опублікованій у жовтневому номері журналу , англійський вчений, письменник і винахідник Артур Кларк запропонував ідею створення системи супутників зв'язку на геостаціонарних орбітах, котрі дали б змогу організувати глобальну систему зв'язку. Згодом Кларк на питання, чому він не запатентував винаходу (що було цілком можливо), відповідав, що не вірив у можливість реалізації подібної системи за свого життя, а також вважав, що подібна ідея має приносити користь усьому людству.

Перші дослідження в галузі цивільного супутникового зв'язку в країнах Заходу почали з'являтися у другій половині 1950-х років. У США поштовхом до них стало зростання потреби в трансатлантичному телефонному зв'язку.

1957 року в СРСР запущено перший штучний супутник Землі з радіоапаратурою на борту.

Перший у світі супутник зв'язку з пасивним відбивачем, супутник SCORE, запущено у США 18 грудня 1958 року, він пропрацював на орбіті лише трохи більше місяця.

12 серпня 1960 року фахівці США вивели на орбіту висотою 1500 км надувну кулю. Цей космічний апарат мав назву «Еко-1». Його металізована оболонка діаметром 30 м виконувала функції пасивного ретранслятора. 4 жовтня 1960 року на орбіту вийшов перший активний супутник зв'язку Кур'єр-1Бі, а 10 липня 1962 року виведено на орбіту супутник зв'язку «Телстар», який забезпечував двосторонній телефонний зв'язок 60-ма каналами або трансляцію однієї .

20 серпня 1964 року 11 країн (СРСР до них не увійшов) підписали угоду про створення міжнародної організації супутникового зв'язку Intelsat (). В СРСР на той час була власна розвинена програма супутникового зв'язку, яка 23 квітня 1965 року увінчалася успішним запуском радянського супутника зв'язку Молнія-1.

6 квітня 1965 року в рамках програми Intelsat запущено перший комерційний супутник зв'язку («рання пташка»), виготовлений корпорацією , який мав смугу пропускання 50 МГц і міг забезпечувати до 240 телефонних каналів зв'язку. У кожний конкретний момент часу зв'язок міг здійснюватися між земною станцією США і лише однією з трьох земних станцій у Європі (у Великій Британії, Франції чи Німеччині), з'єднаних між собою кабельними лініями зв'язку.

Супутник Intelsat IX вже мав смугу пропускання 3456 МГц.

В СРСР протягом довгого часу супутниковий зв'язок розвивався лише в інтересах Міністерства оборони СРСР. Через більшу закритість космічної програми розвиток супутникового зв'язку в соціалістичних країнах йшов інакше, ніж у країнах Заходу. Розвиток цивільного супутникового зв'язку розпочався угодою між 9-ма країнами соціалістичного блоку про створення системи зв'язку «Інтерсупутник», підписаної лише 1971 року.

Супутникові ретранслятори

У перші роки досліджень використовувалися пасивні супутникові ретранслятори (приклади — супутники «Еко» та «»), які являли собою прості відбивачі радіосигналу (часто — металева або полімерна сфера з металевим напиленням), що не має на борту ніякого приймально-передавального обладнання. Такі супутники не набули поширення. Усі сучасні супутники зв'язку є активними. Активні ретранслятори обладнано електронною апаратурою для приймання, обробки, посилення та ретрансляції сигналу.

Супутникові ретранслятори можуть бути нерегенеративними та регенеративними. Нерегенеративний супутник, прийнявши сигнал від однієї земної станції, переносить його на іншу частоту, підсилює та передає іншій земній станції. Супутник може використовувати кілька незалежних каналів, які здійснюють ці операції, кожен із яких працює з певною частиною спектра (ці канали обробки називають транспондерами).

Регенеративний супутник додатково здійснює демодуляцію прийнятого сигналу і заново модулює його. Завдяки цьому виправлення помилок, що накопичуються в процесі передавання, проводиться двічі: на супутнику і на приймальній земній станції. Недолік цього методу — складність (отже, значно вища ціна супутника), а також збільшена затримка передавання сигналу.

Орбіти супутникових ретрансляторів

Орбіти, на яких розміщуються супутникові ретранслятори, поділяють на три класи:

екваторіальні, похилі, полярні.

Важливим різновидом екваторіальної орбіти є геостаціонарна орбіта, де супутник обертається з кутовою швидкістю, рівною кутовій швидкості Землі, в напрямі, що збігається з напрямом обертання Землі. Очевидною перевагою геостаціонарної орбіти є те, що приймач у зоні обслуговування «бачить» супутник завжди майже в тій самій точці.

Однак геостаціонарна орбіта одна, і місткість її, яка визначається довжиною кола орбіти, поділеною на розміри супутників з урахуванням «інтервалів безпеки» між ними, скінченна. Іншим її недоліком є велика висота (35 786 км), а отже, й висока ціна виведення супутника на орбіту. Велика висота геостаціонарної орбіти призводить також до значних затримок передавання інформації (час проходження сигналу від однієї наземної станції до іншої через геостаціонарний супутник навіть теоретично не може бути меншим від 240 мс (дві висоти орбіти, поділені на швидкість світла)). Крім того, густина потоку потужності біля земної поверхні в точці приймання сигналу падає в напрямку від ° до полюсів через менший кут нахилу вектора поширення електромагнітної енергії до земної поверхні, а також через збільшення шляху проходження сигналу через атмосферу і пов'язане з цим поглинання. Тому супутник на геостаціонарній орбіті практично не здатний обслуговувати земні станції в приполярних областях.

Похила орбіта дає змогу розв'язати ці проблеми, однак, через переміщення супутника відносно наземного спостерігача, на одну орбіту необхідно запускати не менше трьох супутників, щоб забезпечити цілодобовий доступ до зв'язку.

Полярна орбіта — це граничний випадок похилої орбіти (з нахилом 90°).

При використанні похилих орбіт земні станції обладнують системами стеження, що здійснюють наведення антени на супутник та його супровід.

Сучасні супутники, що працюють на геостаціонарній орбіті, мають досить високу точність утримання в заданій точці (як правило, не гірше 0,1° за довготою та нахилом); супровід приймальною антеною геостаціонарного супутника стає необхідним, тільки якщо ширина діаграми спрямованості антени порівнянна з коливаннями супутника навколо точки стояння. Наприклад, для Ku-діапазону — це антени діаметром понад 5 м. Для меншого розміру достатньо один раз навести антену в точку стояння супутника. Однак супровід усе ж необхідний у разі передаварійного стану супутника, коли його власник із різних причин не здійснює (зовсім чи рідше від регламентних термінів) процедуру утримання супутника в точці стояння.

Багаторазове використання частот. Зони покриття

Оскільки радіочастотний діапазон — обмежений ресурс, необхідно забезпечити можливість використання тих самих частот різними земними станціями. Зробити це можна двома способами:

просторове розділення — кожна антена супутника приймає сигнал тільки з певного району земної поверхні, при цьому різні райони можуть використовувати ті самі частоти,

поляризаційне розділення — різні антени приймають і передають сигнали з ортогональними поляризаціями (для лінійної поляризації — у взаємно перпендикулярних площинах, для кругової — з правостороннім та лівостороннім обертанням), при цьому одні й ті самі частоти можуть застосовуватися двічі (для кожної з поляризацій).

Типова карта покриття для супутника, розташованого на геостаціонарній орбіті, включає такі компоненти:

глобальний промінь — здійснює зв'язок із земними станціями у всій зоні покриття, йому виділено частоти, що не перетинаються з іншими променями цього супутника.

промені західної та східної півсфер — ці промені поляризовані в площині A, причому в західній та східній півсферах використовується той самий діапазон частот.

зонні промені — поляризовані в площині B (перпендикулярній до A) і використовують ті ж частоти, що й півсфери. Таким чином, земна станція, розташована в одній із зон, може використовувати також промені півсфер та глобальний промінь.

При цьому всі частоти (за винятком зарезервованих за глобальним променем) використовуються багаторазово: у західній та східній півсферах та в кожній із зон.

Частотні діапазони Вибір частоти для передавання даних від земної станції до супутника і від супутника до земної станції не є довільним. Від частоти залежить, наприклад, поглинання радіохвиль в атмосфері, а також необхідні розміри передавальної і приймальної антен. Частоти, на яких відбувається передавання сигналів від земної станції до супутника, відрізняються від частот, які використовують для передавання від супутника до земної станції (перші, як правило, вищі).

Частоти, які використовують у супутниковому зв'язку, поділяють на діапазони, які позначають буквами. Орієнтовні значення наведено в рекомендації ITU-R V.431-6Recommendation ITU-R V.431-6. Nomenclature of the frequency and wavelength bands used in telecommunications:

Назва діапазону Частоти (згідно з ITU-R V.431-6) Застосування L 1,5 ГГц Рухомий супутниковий зв'язок S 2,5 ГГц Рухомий супутниковий зв'язок С 4 ГГц, 6 ГГц Фіксований супутниковий зв'язок X Для супутникового зв'язку рекомендаціями ITU-R частоти не визначено. Для радіолокації вказано діапазон 8-12 ГГц Фіксований супутниковий зв'язок Ku 11 ГГц, 12 ГГц, 14 ГГц Фіксований супутниковий зв'язок, супутникове телебачення K 20 ГГц Фіксований супутниковий зв'язок, супутникове телебачення Ka 30 ГГц Фіксований супутниковий зв'язок, міжсупутниковий зв'язок

Використовують і вищі частоти, але підвищення їх ускладнене високим поглинанням радіохвиль цих частот атмосферою. Ku-діапазон дає змогу здійснювати прийом відносно невеликими антенами, і тому використовується в супутниковому телебаченні (DVB), попри те, що в цьому діапазоні на якість передавання істотно впливають погодні умови.

Для передавання даних великі користувачі (організації) часто застосовують C-діапазон. Це забезпечує вищу якість прийому, але вимагає досить великих розмірів антени.

Модуляція та завадостійке кодування Особливістю супутникових систем зв'язку є необхідність працювати в умовах порівняно малого відношення сигнал/шум, спричиненого кількома факторами:

значною віддаленістю приймача від передавача, обмеженою потужністю супутника (неможливістю вести передачу великий потужності).

Через це супутниковий зв'язок погано придатний для передавання аналогових сигналів. Тому для передавання мови її попередньо оцифровують, використовуючи, наприклад, імпульсно-кодову модуляцію (ІКМ).