Спутниковые телефоны: принцип работы, применение и развитие

Введение

Тип мобильного телефона

Спутниковый телефон, спутниковая связь или спутниковый аппарат – это тип мобильного телефона, который соединяется с другими телефонами или телефонной сетью по радиосвязи через спутники, обращающиеся вокруг Земли, вместо наземных базовых станций, как это делают сотовые телефоны. Поэтому они могут работать в большинстве географических точек на поверхности Земли, при условии открытого неба и прямой видимости между телефоном и спутником. В зависимости от архитектуры конкретной системы, зона покрытия может включать всю Землю или только определенные регионы. Спутниковые телефоны обеспечивают функциональность, аналогичную наземным мобильным телефонам: голосовые вызовы, текстовые сообщения и доступ в Интернет с низкой пропускной способностью поддерживаются большинством систем. Преимущество спутникового телефона заключается в возможности его использования в регионах, где отсутствуют местные наземные коммуникационные инфраструктуры, такие как стационарные и сотовые сети. Спутниковые телефоны популярны в экспедициях в отдаленные места, где нет надежного сотового сигнала, например, во время походов, охоты, рыбалки и морских прогулок, а также в бизнес-целях, например, на горнодобывающих предприятиях и в морских перевозках. Спутниковые телефоны редко выходят из строя из-за стихийных бедствий или действий человека, таких как война, поэтому они зарекомендовали себя как надежные средства связи в чрезвычайных и гуманитарных ситуациях, когда нарушена работа местной системы связи. Мобильное оборудование, также известное как терминал, может значительно различаться. Первые спутниковые телефоны имели размер и вес, сопоставимые с мобильными телефонами конца 1980-х – начала 1990-х годов, но обычно оснащались большой выдвижной антенной. Более современные спутниковые телефоны сопоставимы по размеру с обычными мобильными телефонами, а некоторые прототипы спутниковых телефонов практически не отличаются от обычных смартфонов. Стационарная установка, например, на борту корабля, может включать в себя крупное, прочное оборудование, смонтированное в стойку, и управляемую микроволновую антенну на мачте, которая автоматически отслеживает спутники. Меньшие установки, использующие VoIP через двустороннюю спутниковую широкополосную связь, такую как BGAN или VSAT, делают стоимость доступной для владельцев небольших судов. Спутниковые телефоны с доступом в Интернет печально известны плохим приемом в помещениях, хотя стабильный сигнал может быть доступен возле окна или на верхнем этаже здания, если крыша достаточно тонкая. Телефоны имеют разъемы для подключения внешних антенн, которые можно устанавливать в транспортных средствах и зданиях. Системы также поддерживают использование ретрансляторов, как и в наземных системах мобильной связи. В начале 2020-х годов различные производители начали интегрировать спутниковую связь и службы экстренной спутниковой помощи в обычные мобильные телефоны для использования в отдаленных регионах, где отсутствует надежная наземная сеть.

A satellite telephone, satellite phone or satphone is a type of mobile phone that connects to other phones or the telephone network by radio link through satellites orbiting the Earth instead of terrestrial cell sites, as cellphones do. Therefore, they can work in most geographic locations on the Earth's surface, as long as open sky and the line of sight between the phone and the satellite are provided. Depending on the architecture of a particular system, coverage may include the entire Earth or only specific regions. Satellite phones provide similar functionality to terrestrial mobile telephones; voice calling, text messaging, and low bandwidth Internet access are supported through most systems. The advantage of a satellite phone is that it can be used in such regions where local terrestrial communication infrastructures, such as landline and cellular networks, are not available. Satellite phones are popular on expeditions into remote locations where there is no reliable cellular service, such as recreational hiking, hunting, fishing, and boating trips, as well as for business purposes, such as mining locations and maritime shipping. Satellite phones rarely get disrupted by natural disasters on Earth or human actions such as war, so they have proven to be dependable communication tools in emergency and humanitarian situations, when the local communications system have been compromised. The mobile equipment, also known as a terminal, varies widely. Early satellite phone handsets had a size and weight comparable to that of a late 1980s or early 1990s mobile phone, but usually with a large retractable antenna. More recent satellite phones are similar in size to a regular mobile phone while some prototype satellite phones have no distinguishable difference from an ordinary smartphone. A fixed installation, such as one used aboard a ship, may include large, rugged, rack mounted electronics, and a steerable microwave antenna on the mast that automatically tracks the overhead satellites. Smaller installations using VoIP over a two way satellite broadband service such as BGAN or VSAT bring the costs within the reach of leisure vessel owners. Internet service satellite phones have notoriously poor reception indoors, though it may be possible to get a consistent signal near a window or in the top floor of a building if the roof is sufficiently thin. The phones have connectors for external antennas that can be installed in vehicles and buildings. The systems also allow for the use of repeaters, much like terrestrial mobile phone systems. In the early 2020s, various manufacturers began to integrate satellite messaging connectivity and satellite emergency services into conventional mobile phones for use in remote regions, where there is no reliable terrestrial network.

Спутниковая сеть

Спутниковые телефонные системы можно классифицировать на два типа: системы, использующие спутники на геостационарной орбите, над поверхностью Земли, и системы, использующие спутники на низкой околоземной орбите (LEO), над Землей.

Геостационарные спутники

Некоторые спутниковые телефоны используют спутники на геостационарной орбите (GSO), которые кажутся неподвижными в небе. Эти системы могут обеспечивать почти непрерывное глобальное покрытие всего с помощью трех или четырех спутников, что снижает затраты на запуск. Спутники, используемые в этих системах, очень тяжелые (около 5000 кг) и дорогие в изготовлении и запуске. Спутники вращаются на высоте более чем над поверхностью Земли; из-за большого расстояния до пользователей при совершении телефонного звонка или использовании услуг передачи данных ощущается заметная задержка. Объем полосы пропускания, доступный в этих системах, значительно выше, чем в системах на низкой околоземной орбите; все три действующие системы предоставляют портативный спутниковый интернет с использованием терминалов размером с ноутбук со скоростью от 60 до 512 кбит/с. Геостационарные спутниковые телефоны можно использовать только на более низких широтах, как правило, между 70 градусами северной широты и 70 градусами южной широты. На более высоких широтах спутник виден под таким низким углом к горизонту, что радиочастотные помехи от наземных источников в тех же частотных диапазонах могут создавать помехи сигналу. Другой недостаток геостационарных спутниковых систем заключается в том, что во многих районах, даже при наличии большого открытого неба, прямая видимость между телефоном и спутником прерывается препятствиями, такими как крутые холмы и лес. Пользователю необходимо найти место с прямой видимостью перед использованием телефона. Это не характерно для сервисов LEO: даже если сигнал заблокирован препятствием, можно подождать несколько минут, пока над головой не пройдет другой спутник, но спутник GSO может прервать вызов при потере прямой видимости. ACeS: Этот бывший небольшой региональный оператор, базировавшийся в Индонезии, предоставлял услуги голосовой связи и передачи данных в Восточной, Южной и Юго-Восточной Азии с использованием одного спутника. Компания прекратила свою деятельность в 2014 году. Inmarsat: старейший оператор спутниковой связи, британская компания, основанная в 1979 году. Первоначально компания предоставляла крупные стационарные установки для судов, но недавно вышла на рынок портативных телефонов в рамках совместного предприятия с ACeS. Компания управляет одиннадцатью спутниками. Покрытие доступно на большей части Земли, за исключением полярных регионов. Thuraya: Компания Thuraya, основанная в 1997 году и базирующаяся в Объединенных Арабских Эмиратах, обеспечивает покрытие в Европе, Африке, на Ближнем Востоке, в Азии и Австралии. MSAT / SkyTerra: Американская компания спутниковой связи, использующая оборудование, аналогичное Inmarsat, но планирующая запустить сервис с использованием портативных устройств в Америке, аналогичный устройствам Thuraya. Terrestar: спутниковая телефонная система для Северной Америки. ICO Global Communications: американская компания спутниковой связи, запустившая один геосинхронный спутник, который пока не введен в эксплуатацию.

Some satellite phones use satellites in geostationary orbit (GSO), which appear at a fixed position in the sky. These systems can maintain near continuous global coverage with only three or four satellites, reducing the launch costs. The satellites used for these systems are very heavy (about 5000 kg) and expensive to build and launch. The satellites orbit at an altitude of above the Earth's surface; a noticeable delay is present while making a phone call or using data services due to the large distance from users. The amount of bandwidth available on these systems is substantially higher than that of the low Earth orbit systems; all three active systems provide portable satellite Internet using laptop sized terminals with speeds ranging from 60 to 512 kbit per second (kbps). Geostationary satellite phones can only be used at lower latitudes, generally between 70 degrees north of the equator and 70 degrees south of the equator. At higher latitudes the satellite appears at such a low angle in the sky that radio frequency interference from terrestrial sources in the same frequency bands can interfere with the signal. Another disadvantage of geostationary satellite systems is that in many areas—even where a large amount of open sky is present—the line of sight between the phone and the satellite is broken by obstacles such as steep hills and forest. The user will need to find an area with line of sight before using the phone. This is not the case with LEO services: even if the signal is blocked by an obstacle, one can wait a few minutes until another satellite passes overhead, but a GSO satellite may drop a call when line of sight is lost. ACeS: This former Indonesia based small regional operator provided voice and data services in East Asia, South Asia, and Southeast Asia using a single satellite. It ceased operations in 2014. Inmarsat: The oldest satellite phone operator, a British company founded in 1979. It originally provided large fixed installations for ships, but has recently entered the market of hand held phones in a joint venture with ACeS. The company operates eleven satellites. Coverage is available on most of the Earth, except polar regions. Thuraya: Established in 1997, United Arab Emirates based Thuraya's satellites provide coverage across Europe, Africa, the Middle East, Asia and Australia. MSAT / SkyTerra: An American satellite phone company that uses equipment similar to Inmarsat, but plans to launch a service using hand held devices in the Americas similar to Thuraya's. Terrestar: Satellite phone system for North America. ICO Global Communications: An American satellite phone company which has launched a single geosynchronous satellite, not yet active.

Низкая околоземная орбита

Спутниковые телефоны могут использовать спутники на низкой околоземной орбите (LEO). Преимущества включают возможность обеспечения глобального беспроводного покрытия без разрывов. Спутники LEO вращаются вокруг Земли с высокой скоростью на небольшой высоте, совершая один оборот за 70–100 минут, на высоте… Поскольку спутники не геостационарны, они перемещаются относительно земной поверхности. Каждый спутник находится в зоне видимости телефона лишь короткое время, поэтому при выходе спутника за горизонт соединение необходимо "передавать" другому спутнику. В зависимости от положения спутника и терминала, время видимости отдельного спутника LEO обычно составляет в среднем 4–15 минут. Для гарантированного покрытия каждой зоны обслуживания необходимо, чтобы в любой момент времени хотя бы один спутник находился в прямой видимости; поэтому для обеспечения глобального покрытия требуется созвездие из, как правило, 40–70 спутников. Globalstar: сеть, покрывающая большую часть суши, использующая 48 действующих спутников. Однако многие участки земной поверхности остаются без покрытия, поскольку спутник должен находиться в зоне действия шлюза наземной станции. Спутники движутся по наклонной орбите с углом наклона 52 градуса, поэтому полярные регионы не охвачены. Сеть начала коммерческую эксплуатацию в феврале 2000 года. Созвездие второго поколения состоит из 24 спутников низкой околоземной орбиты (LEO). Завершение запуска созвездия второго поколения состоялось 6 февраля 2013 года. Iridium: сеть, использующая 66 спутников на полярной орбите и заявляющая о глобальном покрытии. Для передачи данных используется межспутниковая радиосвязь, направляющая сигнал ближайшему спутнику, имеющему соединение с наземной станцией. Коммерческая эксплуатация началась в ноябре 1998 года, а в августе 1999 года компания объявила о банкротстве по главе 11. В 2001 году обслуживание было возобновлено компанией Iridium Satellite LLC. Создание созвездия второго поколения спутников связи Iridium NEXT было завершено 11 января 2019 года. Обе системы, базирующиеся в США, стартовали в конце 1990-х годов, но вскоре обанкротились из-за недостаточного количества абонентов для финансирования затрат на запуск. В настоящее время они принадлежат новым владельцам, которые приобрели активы за незначительную часть первоначальной стоимости и планируют запуск новых созвездий, поддерживающих более высокую пропускную способность. Скорость передачи данных в современных сетях составляет от 2200 до 9600 бит/с при использовании спутникового аппарата. В 2022 году была объявлена о третьей системе, когда T-Mobile US и SpaceX объявили о партнерстве для добавления спутниковой сотовой связи к спутникам Starlink второго поколения (Gen2), запуск которых на орбиту планируется в конце 2022 года. Цель услуги – обеспечить покрытие сотовой связью в зонах отсутствия сигнала по всей территории США, используя существующий среднечастотный спектр PCS, принадлежащий T-Mobile. Покрытие сотовой связью начнется с обмена сообщениями и в дальнейшем будет расширено для включения голосовой связи и ограниченных услуг передачи данных, тестирование начнется в 2023 году. Благодаря спутникам Starlink Gen2 на низкой околоземной орбите, использующим существующий спектр PCS, T-Mobile планирует подключать обычные мобильные телефоны к спутникам, в отличие от более ранних спутниковых телефонов, которые использовали специализированное радиооборудование для подключения к спутникам на геосинхронной орбите, характеризующимся большей задержкой связи.

Satellite phones may utilize satellites in low Earth orbit (LEO). The advantages include the possibility of providing worldwide wireless coverage with no gaps. LEO satellites orbit the Earth in high speed, low altitude orbits with an orbital time of 70–100 minutes, an altitude of Since the satellites are not geostationary, they move with respect to the ground. Any given satellite is only in view of a phone for a short time, so the call must be "handed off" electronically to another satellite when one passes beyond the local horizon. Depending on the positions of both the satellite and terminal, a usable pass of an individual LEO satellite will typically last 4–15 minutes on average. At least one satellite must have line of sight to every coverage area at all times to guarantee coverage; thus a constellation of satellites, typically 40 to 70, is required to maintain worldwide coverage. Globalstar: A network covering most of the world's landmass using 48 active satellites. However, many areas of the Earth's surface are left without coverage, since a satellite requires to be in range of an Earth station gateway. Satellites fly in an inclined orbit of 52 degrees, therefore polar regions cannot be covered. The network went into full commercial service in February 2000. A second generation constellation consists of 24 low Earth orbiting (LEO) satellites. The launch of the second generation constellation was completed on February 6, 2013. Iridium: A network operating 66 satellites in a polar orbit that claims to have coverage everywhere on Earth. Radio cross links are used between satellites to relay data to the nearest satellite with a connection to an Earth station. Commercial service started in November 1998 and fell into Chapter 11 bankruptcy in August 1999. In 2001, service was re established by Iridium Satellite LLC. Iridium NEXT, a second generation constellation of the communications satellites, was completed on January 11, 2019. Both systems, based in the United States, started in the late 1990s, but soon went into bankruptcy after failing to gain enough subscribers to fund launch costs. They are now operated by new owners who bought the assets for a fraction of their original cost and are now both planning to launch replacement constellations supporting higher bandwidth. Data speeds for current networks are between 2200 and 9600 bit/s using a satellite handset. A third system was announced in 2022 when T Mobile US and SpaceX announced a partnership to add satellite cellular service to Starlink second generation (Gen2) satellites that are to begin launching to orbit in late 2022. The service is aimed to provide dead zone cell phone coverage across the US using existing midband PCS spectrum that T Mobile owns. Cell coverage will begin with messaging and expand to include voice and limited data services later, with testing to begin in 2023. With Starlink Gen2 satellites in low Earth orbit using existing PCS spectrum, T Mobile plans to be able to connect ordinary mobile phones to satellites, unlike earlier satellite phones in the market which used specialized radios to connect to geosynchronous orbit satellites, which have longer communications latencies.

Геослеживание

Системы LEO способны отслеживать местоположение мобильного устройства, используя допплеровскую навигацию со спутника. Однако точность этого метода может составлять десятки километров. На некоторых устройствах Iridium координаты можно получить с помощью AT-команд, а в новых моделях Globalstar они отображаются на экране. Большинство VSAT-терминалов можно перепрограммировать непосредственно в полевых условиях с помощью AT-команд, чтобы отключить автоматическое определение координат GPS и вместо этого использовать координаты, введенные вручную.

Виртуальные коды стран

Спутниковые телефоны обычно комплектуются номерами со специальным кодом страны. Спутниковым телефонам Inmarsat присвоен код +870. Ранее различные спутники имели дополнительные коды стран, но коды +871–+874 были упразднены к концу 2008 года, в результате чего пользователи Inmarsat получили единый код страны, независимо от спутника, на котором зарегистрирован их терминал. Системам низкой околоземной орбиты, включая некоторые нефункционирующие, выделены диапазоны номеров в виртуальном коде страны +881 глобальной мобильной спутниковой системы Международного союза электросвязи. Спутниковым телефонам Iridium присвоены коды +881 6 и +881 7. Globalstar, несмотря на выделенные коды +881 8 и +881 9, использует телефонные номера США, за исключением реселлеров услуг, расположенных в Бразилии, которые используют диапазон +881. Небольшим региональным спутниковым сетям присваиваются номера в коде +882, предназначенном для "международных сетей", который используется не исключительно для спутниковых телефонов.

Стоимость

Хотя можно приобрести подержанные аппараты для сетей Thuraya, Iridium и Globalstar примерно за 500 долларов, новейшие модели довольно дороги. Iridium 9505A, выпущенный в 2001 году, был продан в марте 2010 года за более чем 1000 долларов. Спутниковые телефоны создаются для работы в конкретной сети и не могут быть переключены на другие сети. Цена аппаратов варьируется в зависимости от производительности сети. Если оператор спутниковой связи сталкивается с проблемами в сети, цены на аппараты снижаются, а затем растут после запуска новых спутников. Аналогично, цены на аппараты увеличиваются при снижении тарифов на звонки. К самым дорогим спутниковым телефонам относятся терминалы BGAN, стоимость которых часто составляет несколько тысяч долларов. Эти телефоны обеспечивают скорость интернета около 0,5 Мбит/с и голосовую связь. Операторы связи иногда субсидируют спутниковые телефоны при заключении договора на постоплатное обслуживание, однако размер субсидии обычно не превышает нескольких сотен долларов. Поскольку большинство спутниковых телефонов производятся по лицензии или их производство передается на аутсорсинг OEM-производителям, операторы оказывают значительное влияние на цену продажи. Спутниковые сети используют проприетарные протоколы, что затрудняет для производителей самостоятельное производство аппаратов. Один стартап предлагает использовать стандартные технологии мобильной связи в спутниках для обеспечения возможности отправки текстовых сообщений с низкой пропускной способностью с дешевых мобильных телефонов.

Стоимость звонка

Стоимость голосовых вызовов со спутникового телефона варьируется примерно от 0,15 до 2 долларов за минуту, в то время как вызовы на спутниковый телефон со стационарных и обычных мобильных телефонов обходятся дороже. Расходы на передачу данных (особенно широкополосных) могут быть значительно выше. Тарифы на вызовы со стационарных и мобильных телефонов составляют от 3 до 14 долларов за минуту, при этом Iridium, Thuraya и Inmarsat – одни из самых дорогих сетей для звонков. Получатель вызова ничего не платит, за исключением случаев, когда ему звонят по услуге обратного вызова. Вызовы между разными сетями спутниковой связи часто очень дорогие, с тарифами до 15 долларов за минуту. Вызовы со спутниковых телефонов на стационарные обычно стоят от 0,80 до 1,50 доллара за минуту, если не используются специальные предложения. Такие акции обычно привязаны к определенной географической зоне с низким трафиком. Большинство сетей спутниковой связи предлагают предоплаченные тарифные планы, ваучеры для которых стоят от 100 до 5000 долларов.

Услуги в один конец

Некоторые спутниковые телефонные сети предоставляют односторонний канал пейджинга для оповещения пользователей в зонах с плохим покрытием (например, в помещении) о входящем вызове. Когда оповещение получено на спутниковом телефоне, его необходимо переместить в зону с лучшим покрытием, прежде чем можно будет принять вызов. Globalstar предоставляет одностороннюю службу передачи данных, обычно используемую для отслеживания активов. Iridium также предоставляет одностороннюю службу пейджинга, наряду с функцией оповещения о вызове.

Проблемы безопасности

Все современные спутниковые телефонные сети шифруют голосовой трафик для предотвращения перехвата. В 2012 году группа исследователей в области безопасности успешно провела реверс-инжиниринг двух основных проприетарных алгоритмов шифрования, используемых в этих сетях. Один из алгоритмов (применяемый в телефонах GMR 1) является вариантом алгоритма A5/2, используемого в GSM (в обычных мобильных телефонах), и оба они уязвимы к атакам только по шифротексту. Стандарт GMR 2 представил новый алгоритм шифрования, который та же исследовательская группа также успешно подвергла криптоанализу. Следовательно, спутниковые телефоны требуют дополнительного шифрования при использовании в приложениях, требующих повышенной безопасности.

Использование в ответ на стихийные бедствия

Большинство сетей мобильной связи работают близко к пределу своих возможностей в обычное время, и резкие всплески объемов вызовов, вызванные масштабными чрезвычайными ситуациями, часто приводят к перегрузке систем именно тогда, когда они наиболее необходимы. Примеры, о которых сообщалось в СМИ, включают землетрясение в Измите 1999 года, теракты 11 сентября, землетрясение в заливе Кихоло 2006 года, отключения электроэнергии на северо-востоке США в 2003 году, ураган «Катрина», обрушение моста в Миннесоте в 2007 году, землетрясение в Чили в 2010 году и землетрясение на Гаити в 2010 году. Репортеры и журналисты также используют спутниковые телефоны для связи и освещения событий в зонах боевых действий, таких как Ирак. Антенны и сети сотовой связи могут быть повреждены в результате стихийных бедствий. Спутниковая связь позволяет избежать этой проблемы и может быть полезной во время стихийных бедствий. Однако сами спутниковые сети подвержены перегрузкам, поскольку спутники и точечные лучи охватывают обширные территории с относительно небольшим количеством голосовых каналов.

Интеграция в обычные мобильные телефоны

В начале 2020-х годов производители начали интегрировать спутниковую связь в смартфоны для использования в удаленных районах, вне зоны действия сотовой сети. Спутниковые услуги связи с телефонами используют частоты L-диапазона, которые совместимы с большинством современных устройств. Однако из-за ограничений антенн в обычных телефонах, на начальных этапах внедрения спутниковая связь ограничена спутниковой перепиской и службами экстренной помощи через спутник. В 2022 году Apple iPhone 14 начал поддерживать отправку экстренных текстовых сообщений через спутники Globalstar. В 2023 году Apple iPhone 15 добавил возможность спутниковой связи со службой помощи на дорогах в Соединенных Штатах. В 2022 году T-Mobile заключила партнерство для использования услуг Starlink через существующий спектр LTE, запуск ожидается в конце 2024 года. В 2022 году AST SpaceMobile начала создание сети сотовой связи, основанной на стандарте 3GPP, для обеспечения подключения существующих, немодифицированных смартфонов к спутникам в зонах с недостаточным покрытием. В 2023 году Qualcomm представила Snapdragon Satellite – сервис, который позволит поддерживаемым сотовым телефонам, начиная с чипсета Snapdragon 8 Gen 2, отправлять и получать текстовые сообщения через нетеррестриальные сети 5G (NTN). В 2024 году Iridium представила проект Stardust – стандартный спутниковый сервис для сотовой связи, поддерживаемый через NB-IoT для нетеррестриальных сетей 5G, который будет использоваться через существующие спутники Iridium на низкой околоземной орбите. Запуск сервиса запланирован на 2026 год. Он обеспечит обмен сообщениями, аварийную связь и поддержку Интернета вещей для таких устройств, как автомобили, смартфоны, планшеты и сопутствующие потребительские приложения.