В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Низкоорбитальные спутниковые системы связи (НССС) целесообразно рассматривать как самостоятельный класс космических систем. В первую очередь привлекательность НССС связана с возможностью глобального обслуживания абонентов и/или глобального сбора данных. Кроме того, достигается высокая энергетика радиолиний, что позволяет использовать абонентские устройства со слабонаправленными и ненаправленными антеннами, то есть использовать малогабаритные абонентские терминалы (АТ). Существенным положительным фактором является и то, что задержка сигналов в таких системах минимальная.
Особый интерес к низкоорбитальным системам связи наблюдался в 1990-х гг. Количество проектов исчислялось десятками. Однако достоинства и коммерческие перспективы НССС были явно переоценены, поскольку мало кто мог предположить столь бурное развитие наземных сетей подвижной связи в конце 1990-х гг.
Несмотря на встречающуюся точку зрения, что все проекты создания НССС не оправдали возлагавшихся надежд [1], все подобные системы, которые были однажды полноценно развернуты, доказали свою востребованность и находятся сейчас в стадии создания следующих поколений: Orbcomm развертывает Orbcomm-2, Iridium – IridiumNext, Globalstar – Globalstar-2. Все это доказывает, что актуальность систем мобильной спутниковой связи отнюдь не уходит в прошлое, а имеет заслуженное будущее. Кроме непосредственно задач связи, НССС сегодня решают широкий круг смежных задач, связанных со сбором и передачей данных.
В настоящее время насчитывается около 17 космических систем, доведенных до практической реализации [1].
Следует отметить, что все эти системы функционируют благодаря государственной поддержке, поскольку зачастую их экономическая эффективность проявляется в смежных областях, то есть имеет место мультипликативный экономический эффект. Отечественная система “Гонец" относится к системам передачи данных и может выполнять функции систем сбора данных в глобальном масштабе.
Работы в рамках ОКР “Гонец-М" выполняются в соответствии с Федеральными космическими программами России (2001–2006 гг. и 2006–2015 гг.) с целью увеличения пропускной способности системы за счет расширения используемых полос частот, увеличения скоростей передачи информации в радиолинии “Земля – космос" до 9, 6 Кбит/с и в радиолинии “космос – Земля" до 76,8 Кбит/с путем создания орбитальной группировкой КА “Гонец-М" (12 КА) модернизированной системы “Гонец-Д1М" и проведения опытной эксплуатации КА “Гонец-Д1". По состоянию на декабрь 2013 г. в составе ОГ функционируют 6 КА “Гонец-М", которые проходят летные испытания и один КА “Гонец-Д1". В 2014 г. планируется запуск еще 6 КА, которые изготавливаются серийно. Поддержание ОГ КА “Гонец-М" в штатном составе планируется осуществлять до развертывания ОГ КА “Гонец-М1" путем запуска еще 9 серийных КА. Второй этап завершится с окончанием эксплуатации последнего КА “Гонец-М" в составе штатной ОГ. С 2009 г. развернуты работы по определению технического облика перспективного КА “Гонец-М1" и с этого времени можно говорить о начале 3-го этапа в развитии проекта “Гонец". На сегодняшний день окончательных решений по построению системы не принято.
Построение орбитальной группировки многофункциональной системы персональной спутниковой связи и передачи данных “Гонец-Д1М" должно обеспечивать непрерывную и глобальную связь для потребителей с компактной (не более 360 г и объемом не более 0,4 дм3), малоэнергоемкой (не более 10 Вт на излучение) и дешевой (до $1000) аппаратурой передачи данных. Следует отметить, что требование непрерывности является достаточно жестким, и чтобы его выполнить, приходится использовать значительное число КА в орбитальной группировке. Обычно непрерывность связи требуется с вероятностью P, близкой к единице, и в каком-то определенном районе земного шара. Требование малой энергоемкости связной аппаратуры означает, что высота орбит КА должна быть минимально возможной. Однако требование глобальности и непрерывности делает необходимым увеличение высоты и наклонения орбит КА. Таким образом, задача является многопараметрической и многокритериальной.
Выбор орбитальной структуры космической системы “Гонец" сводится к нахождению минимального числа КА, обеспечивающих однократное непрерывное (с вероятностью P) и глобальное покрытие, при следующих ограничениях (рис. 1, табл. 1):
При выборе параметров орбит учитывалось и воздействие космических лучей [4].
Многофункциональная система персональной спутниковой связи (МСПСС) “Гонец-Д1М" предназначена для передачи данных и предоставления следующих услуг связи абонентам, находящимся в любой точке земного шара:
В МСПСС “Гонец-Д1М" реализована аутентификация абонентов в БРТК КА, а также криптографическая защита информации в каналах управления КА. Основные технические характеристики МСПСС “Гонец-Д1М" с орбитальной группировкой КА “Гонец-М" представлены в табл. 2.
В состав МСПСС "Гонец-Д1М" в виде составных частей входят космический комплекс, связной комплекс, центр управления системой и наземные средства потребителей в виде абонентских терминалов (АТ). Связной комплекс осуществляет управление режимами функционирования КА в части обеспечения связи и передачи данных, маршрутизацию сообщений потребителей между регионами обслуживания и во внешние сети.
Для обеспечения обслуживания потребителей на территории Российской Федерации с использованием средств связного комплекса уже развернуты 4 региональные станции, функционирующие в диапазоне 0,2– 0,3 ГГц, – в Москве, Красноярском крае (Железногорск), Тикси, Южно-Сахалинске. В связи с вводом нового диапазона 0,3–0,4 ГГц разработана двухдиапазонная региональная станция, которая заменит ныне действующие региональные станции, а также будет поставлена в Мурманске, Норильске, Ростове-на-Дону. В системе используется многостанционный доступ с временным разделением, что, в свою очередь, требует синхронизации бортовых и наземных средств и формирования кадра многостанционного доступа с временным разделением (МДВР).
Синхронизация работы бортовых и наземных средств в кадре МДВР осуществляется по маркерному сигналу (МС), который в определенной зоне обслуживания передается всеми КА системы на одинаковых, специально выбранных частотах, и содержит специальную посылку (синхрослово) для формирования наземными средствами синхронного с БРТК кадра МДВР. МС различных КА разнесены во времени для исключения взаимовлияния в общих зонах радиовидимости.
Обслуживание абонентов (наземных средств потребителей) в диапазоне 0,2–0,3 ГГц и 0,3 – 0,4 ГГц может осуществляться в одном из 3 режимов:
В части предоставления услуг МСПСС “Гонец-Д1М" осуществляет взаимодействие только с сетью Интернет. Точка подключения – центр управления связным комплексом (ЦУСК). В настоящее время подключение не реализовано. Планируется при организации подключения обеспечить до 8 одновременно организуемых VPN-соединений с РС, а общее количество одновременно организуемых VPN-подключений потребителей для предоставления услуг не менее 100 (на начальном этапе). Обеспечивается доступ к серверам Web, FTP, E-mail. Предусмотрена фильтрация трафика, защита от сетевых атак и аутентификация подключаемых потребителей.
Определение местоположения АТ, сопряженного с приемником ГЛОНАСС может осуществляться практически с любой периодичностью. Перерывы в связи компенсируются возможностью терминала накапливать навигационную информацию о трассе движения абонента с последующей ее передачей в центр мониторинга при появлении космического аппарата в зоне радиовидимости АТ.
Общий вид спутника “Гонец-М" показан на рис. 2. В качестве полезной нагрузки используется бортовой радиотехнический комплекс (БРТК, рис. 3) “Садко", включающий в себя приемное и передающее устройства, бортовой вычислительный комплекс, комплекс радиоконтроля орбиты (РКО) и телеметрическую систему (ТС), комплекс ПО и служебный канал.
БРТК является ретрансляционным комплексом, состоящим из двух ретрансляторов. Один ретранслятор работает в диапазоне частот 259– 265 МГц (Д1) (всего16 литерных частот), другой – в диапазоне частот 312–315 МГц на прием и 387–390 МГц на передачу (Д2).
Ретранслятор диапазона Д1 работает в структуре сигналов и сообщений, принятой в системе “Гонец-Д1". Ретранслятор диапазона Д2 работает в структуре сигналов и сообщений, принятой в системе “Гонец-Д1М".
Оба ретранслятора работают на прием через общую антенну А1. Разделение по диапазонам осуществляется диплексером ДП. В каждом частотном канале имеется фильтр и малошумящий усилитель МШУ.
В ретрансляторе Д1 один приемный канал работает в режиме системы “Гонец-Д1", а три других – “холодный” резерв. Один передающий канал диапазона Д1 имеет “холодный” резерв.
В ретрансляторе Д2 тринадцать приемных каналов, которые могут включаться в зависимости от нагрузки БРТК. Минимально всегда включены два приемных канала. На передачу работают один или два канала в зависимости от нагрузки. Каждый передающий канал имеет “холодный” резерв. В обратном канале используется временное уплотнение сигналов.
На передачу ретрансляторы работают через две антенны – А2 и А3. К одной антенне через диплексер подключены выход первого полукомплекта передатчика диапазона Д1 и выходы двух полукомплектов передатчика диапазона Д2, резервированного по принципу “горячий/холодный".
К другой антенне подключены через диплексер выход второго полукомплекта передатчика диапазона Д1 (который является “холодным" резервом) и двух полукомплектов другого передатчика диапазона Д2, резервированного по принципу "горячий/холодный".
Все приемные тракты строятся идентично: после линейного усилительного тракта производится цифровая обработка сигнала: демодуляция, декодирование и разуплотнение. На цифровую обработку поступает сигнал частотой 455 кГц.
Передающие тракты также строятся идентично: формирование сигналов осуществляется цифровым модулятором.
Модуляторы и демодуляторы реализуются на базе сигнальных процессоров и входят в состав бортового вычислительного комплекса (БВК).
Объединение модемов осуществляется через общую шину. Функция аутентификации осуществляется программным способом, специальное ПО встраивается в ПО БРТК.
К общей шине подключен и процессор (образующий основной вычислительный модуль), осуществляющий управление и координацию работы других процессоров, реализующий функции коммутации пакетов и обеспечивающий связь с бортовым комплексом управления (БКУ), входящим в состав объекта. Бортовой вычислительный комплекс (БВК) образуется многопроцессорной системой (процессорами, объединенными общей шиной) и наряду с задачами управления и обработки выполняет функцию бортовой АТС, обеспечивая соединение абонентов.
Построение БРТК позволяет наращивать число одновременно подключаемых демодуляторов до максимального количества и дает возможность изменения структуры сообщений в радиоканалах, позволяет развивать функциональные возможности путем подключения дополнительных программно-аппаратных модулей без изменения общей структуры аппаратных и программных комплексов.
В настоящее время в МСПСС “Гонец-Д1М" в диапазоне Д1 используются выпускаемые серийно ОАО “Ижевский радиозавод" стационарные АТ-СН-4 и мобильные абонентские терминалы АТ-МН-4 (разработка 1990-х гг.). Для проведения летных испытаний КА “Гонец-М" в диапазоне Д2 ОАО “НИИ точных приборов" (Москва) разработал и изготовил 10 опытных образцов базовой модификации АТ (табл. 3). Для потенциальных пользователей в рамках ОКР “Гонец-М" ОАО “Спутниковая система “Гонец" (Москва) совместно с ООО “Геонавигатор" (Санкт Петербург) ведется разработка малогабаритных АТ в диапазоне Д2 (этап изготовления опытных образцов и проведения предварительных испытаний).
В диапазоне Д2 доступ к спутниковому каналу обеспечивается методом TDMA (Time Division Multiple Access) с использованием модифицированной GMSK-модуляции. Передача осуществляется в диапазоне 312–315 МГц, количество рабочих каналов – 240 с шагом сетки частот 12,5 КГц. Для приемного канала используется полоса частот 387–390 МГц, количество каналов – 240 с шагом сетки частот 12,5 КГц.
Использование методов кодирования информации (сверточный код и код Рида–Соломона) обеспечивает высокую помехозащищенность каналов и достоверность ее передачи. В малогабаритных АТ для диапазона Д2 во всех исполнениях используется ГЛОНАСС/GPS-приемники для синхронизации всех процессов приема и обработки сигналов и определения местоположения абонента. Кроме того, в них интегрирован GSM-модем для расширения пользовательских возможностей.
Конструктивно малогабаритные АТ для диапазона Д2 строятся на двух унифицированных ОЕМ-модулях: один модуль представляет плату приемопередатчика, второй модуль является контроллером, управляющим приемником ГЛОНАСС/GPS и приемопередатчиком GSM. Управление АТ осуществляется при помощи Web-интерфейса с персонального компьютера или другого устройства, оборудованного хотя бы одним из интерфейсов Wi-Fi, Ethernet или RS 485.
Прорабатываются различные варианты малогабаритных приемопередающих антенн, обладающих достаточной эффективностью для решения задач двустороннего взаимодействия “КА⇔АТ".
Планируется, что АТ будут изготавливаться в трех вариантах исполнения: стационарный, возимый и носимый, способных функционировать в обслуживаемом и необслуживаемом режимах. Предусматривается подключение до пяти пользователей, которые могут размещаться в разных частях помещения (например, судна и т.п.).
Комплект АТ должен состоять из трех блоков: антенны, блока прие-мопередачи (БПП) и комплекта зарядно-питающего. Основные технические характеристики АТ представлены в табл. 4.
В соответствии с планами правительства, в частности “Стратегией развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 г.", территории Крайнего Севера Дальнего Востока подлежат активному развитию, которое немыслимо без обеспечения этих регионов телекоммуникационными услугами. С целью безопасности перевозки пассажиров, транспортировки грузов, в том числе и опасных, Минтрансом России изданы приказы № 20 от 26.01.2012 г. и № 285 от 31.07.2012 г., которые определяют необходимость оснащения транспортных средств оборудованием спутниковой навигации.
Решение обозначенных проблем осуществляется в рамках создания государственной автоматизированной информационной системы “ЭРА-ГЛОНАСС", используя каналы операторов сотовой связи. В частности, решая задачи покрытия трассы “Амур" [2], значительную помощь в решении проблем мониторинга на федеральной трассе может оказать система “Гонец". При потребности в мониторинге 1,3 млн автомобилей [3] и с учетом покрытия федеральных трасс на 75%, “Гонец" может внести свой вклад в реализацию постановлений правительства, взяв на себя задачи мониторинга транспортных средств и объектов транспортной инфраструктуры на территориях, не охваченных наземным радиопокрытием.
Развитие МСПСС “Гонец-Д1М" в среднесрочной перспективе основано на заключении в 2012 г. государственных контрактов на поставку 8 космических аппаратов в составе космических головных частей и средств выведения для развертывания в 2015 г. штатной орбитальной группировки КА “Гонец-М" (12 КА), а также планируемым к заключению государственным контрактом на поставку 7 КА “Гонец-М" после 2015 г. для поддержания штатного состава орбитальной группировки.
Полученные на сегодняшний день технические характеристики МСПСС “Гонец-Д1М" с ОГ КА “Гонец-М" позволяют предоставлять услуги по передаче данных и крайне ограниченно, только в чрезвычайных ситуациях, услуги по передаче голосовой связи (до 2 каналов на 1 КА).
Учитывая возможности МСПСС “Гонец-Д1М" по обеспечению глобальности в предоставлении услуг по передаче данных, целесообразно рассмотреть вопрос о выходе на международный рынок услуг, в первую очередь для государств СНГ и стран-партнеров, для чего необходимо решить ряд организационных вопросов. Комплексное использование технологий ГЛОНАСС/GPS и технологии “Гонец" при оказании услуг потребителям значительно повысит эффективность их применения и создаст мультипликативный экономический эффект.
Литература
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2014
Посещений: 20587
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
