В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Александр
Вадим
Леонид
СвятославСоздание космической системы персональной спутниковой связи Globalstar было начато в 1991 г. двумя американскими компаниями Loral Aerospace Corporation и QUALCOMM Incorporated. Первый запуск космических аппаратов (КА) системы состоялся 14 февраля 1998 г. Ракета-носитель (РН) Delta вывела на орбиту первые 4 КА: Globalstar FM 1, FM 2, FM 3, FM 4.
Всего на этапе развертывания произведено 14 стартов РН. Из них 1 был аварийным (РН "Зенит-2", 12 КА), 7 успешных РН Delta по 4 КА и 6 – РН "Союз" по 4 КА. Развертывание орбитальной группировки завершилось 8 февраля 2000 г., когда РН Delta на орбиту вывел 4 КА: Globalstar M060, M062, M063, M064. Срок активного существования (САС) КА Globalstar составлял 7 лет.
Этап развертывания системы сопровождался заметной информационной кампанией. В то время шел активный процесс согласования использования радиочастот и строительства земных базовых станций (БС) системы на территории ряда государств (всего 27), в том числе три БС в Российской Федерации. Был опубликован ряд работ, посвященных анализу эффективности проектов низкоорбитальных систем спутниковой связи [1, 2]. В публикациях анализировалась эффективность системы Globalstar. Результаты этого анализа показывали, что технико-экономические показатели не столь высоки, как это было представлено в многочисленных публикациях рекламной направленности. К этому же периоду относится известное описание системы [3].
Заявленные разработчиками характеристики системы определялись структурой орбитальной группировки, содержащей 48 КА на низких круговых орбитах с наклонением 52 град., высотой 1410 км, расположенных в 8 орбитальных плоскостях по 6 КА. Орбитальная группировка системы обеспечивала однократное 100% гарантированное покрытие поверхности Земли зонами радиовидимости КА 10 град. внутри пояса широт от 74 град. ю.ш. до 74 град. с.ш. Позже, в работе [4], такая полномасштабная орбитальная группировка исследовалась на устойчивость к одиночным и парным отказам КА.
Несмотря на начатую коммерческую эксплуатацию, 15 февраля 2002 г. собственник системы Globalstar и его дочерние компании подали добровольное ходатайство о банкротстве. В период с 2002 по 2004 гг. производилась реструктуризация компании. В связи с отсутствием инвестиций развития и поддержания космического сегмента не производилось. Наблюдалась глубокая деградация ОГ. В конце 2006 г. постоянные пользователи услуг сообщали, что время телефонного разговора ограничивается 1–2 минутами из-за разрывов связи, обусловленных отсутствием КА. При этом на сайте компании публиковалось расписание пролетов КА, а также был выпущен специализированный софт, позволяющий рассчитать длительность сеанса связи. Поэтому предоставляемые абонентам системы связи услуги ограничивались передачей данных и сообщений.
После того, как появился новый владелец бизнеса – ООО Thermo Capital Partners, – ООО Globalstar было переименовано в Globalstar Inc. Также были найдены средства на восполнение ОГ. В декабре 2006 г. Globalstar Inc. объявила о начале создания второго поколения КА, имеющих САС 15 лет, вдвое превышающий САС КА первого поколения. Наконец, в течение 2007 г. двумя стартами РН "Союз-ФГ" по 4 КА первого поколения (29 мая и 20 октября 2007 г.) была возобновлена работа ОГ.
Развертывание ОГ Globalstar-2 началось 19 октября 2010 г. В период с 19 октября 2010 г. по 6 февраля 2013 г. четырьмя запусками российского РН "Союз-2.1а" по 6 КА было выведено 24 КА второго поколения. Однако экономическая эффективность системы принципиально не изменилась [5, 6].
По информации, размещенной на сайте компании, ОГ второго поколения должна состоять из 32 КА, размещаемых в 8 орбитальных плоскостях по 4 КА в каждой [7, 8]. К сожалению, официальная информация об ОГ второго этапа этим и исчерпывается. В [9, 10] отмечалось, что такая орбитальная структура не обеспечивает гарантированного однократного покрытия поверхности Земли зонами радиовидимости КА.
Для оценки характеристик системы, содержащей уменьшенное количество КА в ОГ, необходимо уточнить параметры эксплуатируемой орбитальной структуры и провести соответствующее моделирование. Анализ состояния орбитальной группировки проведем на основе методологии, разработанной в [13, 14, 15], c помощью универсального комплекса имитационного моделирования спутниковых систем [16, 17]. Для этого воспользуемся исходными данными в формате TLE, которые могут быть получены через официальные специализированные интернет-сервисы [11]. Уточнение состояния КА проводилось путем анализа истории аномалий движения, обусловленных коррекциями орбиты. КА, для которых не проводилась коррекция положения на протяжении года, признавались неисправными. Также принималась во внимание дополнительная информация о задействованных КА. Полученные результаты представлены в таблице 1. Из таблицы 1 следует, что активными в настоящее время являются 38 КА. Из них 10 КА предоставляют услуги не в полном объеме. По терминологии Globalstar они реализуют режим Simplex. Очевидно, что выделение в отдельный перечень такого рода услуг позволяет использовать остаточный ресурс КА, которые вышли за пределы САС, но сохраняют ограниченную работоспособность. Такие КА используются в основном для получения сообщений от мобильных абонентов, например сигналов бедствия, или передачи им коротких сообщений. В таблице 1 в колонке "Сервис" эти КА отмечены символом S. Из таблицы также видно, что КА первого поколения, выведенные на орбиту в 2007 г., к настоящему времени находятся далеко за пределами САС. КА второго поколения, выведенные на орбиту с 2010 г., находятся в удовлетворительном состоянии, поддерживают целевой полнофункциональный сервис, включающий голосовую телефонную связь и все другие виды услуг. По терминологии Globalstar такие КА поддерживают режим Duplex. В таблице 1 в колонке "Сервис" они отмечены символом D. Всего полнофункциональные услуги предоставляют 28 КА, включая 4 КА первого поколения, которые уже работают за пределами САС.
Таким образом, вскоре по мере деградации КА M066, M067, M069, M072 ОГ потребует восполнения до заявленных 32 КА.
В сводной таблице 2 приведены номера КА по каталогу и установлена их принадлежность конкретным орбитальным плоскостям. Идентификация производилась путем имитационного моделирования движения ОГ КА на основе начальных условий, представленных в формате TLE. Из таблицы 2 следует, что выведенные одним пуском КА находятся в различных орбитальных плоскостях. Таким образом, в процессе разведения КА использовался эффект дрейфа долготы восходящего узла орбит с наклонением 52 град. [12]. При этом высота переходной орбиты составляет 925–930 км. Анализ истории начальных условий движения КА показал, что время пребывания на переходной орбите для перевода в другую плоскость для разных КА варьируется от 13 до 390 суток.
Результаты расчета положения КА в плоскостях показывают, что погрешность попадания в плоскость по долготе восходящего узла может составлять несколько градусов (см. рис. 1 слева).
Также несколько градусов может составлять погрешность установки КА по средней аномалии внутри орбитальной плоскости (см. рис. 1 справа).
КА, поддерживающие полнофункциональный сервис, перечислены в таблице 1. На рис. 2 для них показано мгновенное распределение зон радиовидимости по углу места 10 град. Расчет выполнен на дату 02.02.2016 и время 10:27:06.
На рис. 2 одинаковым цветом показаны мгновенные зоны радиовидимости КА для угла места 10 град., принадлежащие одной плоскости ОГ. Серым цветом выделены мгновенные области с отсутствующим покрытием.
Именно области полного отсутствия КА внутри заявленной зоны обслуживания определяют время ожидания абонентами предоставления услуги телефонной связи и ответственны за обрывы связи.
На рис. 3 слева показано распределение пространственной доступности ОГ из 48 КА, а справа показано распределение пространственной доступности КА ОГ текущего этапа из 28 КА. Из рис. 3 следует, что ОГ не обеспечивает гарантированного предоставления голосового телефонного сервиса в заявленной зоне обслуживания системы. Кроме того, зависимость вероятности возникновения созвездий из не менее чем 2 КА от широты показывает, что оптимально обслуживается пояс широт от 35 до 45 град. Одновременно можно заключить, что насыщенность ОГ КА недостаточна для эффективного использования технологии Rake приема, заявленного как одно из технологических преимуществ системы, обеспечивающих устойчивую связь. Насыщенности ОГ едва хватает для обеспечения переключения абонентов со спутника на спутник. Созвездия, пригодные для решения задачи определения координат абонентов дальномерным методом и состоящие из 3 КА, в существующей ОГ возникают совсем редко, а севернее 60 град. с.ш. практически никогда.
Время пребывания земных точек в условиях отсутствия над ними хотя бы одного КА, видимого под углами места больше 10 град., характеризует рис. 4.
Он показывает, что в среднем абонентами будут наблюдаться времена ожидания подлета КА:
В приполярных областях на широтах выше 70 град. в связи с проектными ограничениями время ожидания подлета КА, видимых под углами места больше 10 град., возрастает до бесконечности.
На рис. 5 показана зависимость от широты максимального и среднего времени ожидания обрыва связи из-за отсутствия над абонентом хотя бы одного КА Globalstar, видимого под углом места не меньше 10 град.
Таким образом, из рис. 5 следует, что максимальная длительность установленного непрерывного соединения (с учетом хэндовера) для территории Российской Федерации в зависимости от широты расположения абонентов будет колебаться максимально от 3,5 до 2,5 часов, а в среднем от 1,7 до 1 часа. Ситуация полного отсутствия КА, как следует из рис. 4, длится от 5 до 15 минут, в зависимости от широты расположения абонентов.
Расчет зон обслуживания системы с учетом расположения земных базовых станций предполагал, что базовые станции в состоянии полноценно работать с КА при углах места 6 град., а абоненты работают с КА, видимыми под углами места 10 град. В расчетах учитывались расположение 23 земных базовых станций и начальные условия для расчета движения 28 КА, обеспечивающих дуплексную телефонную связь. Анализ проводился с помощью универсального комплекса имитационного моделирования спутниковых систем [16, 17]. В результате было получено распределение (см. рис. 5), градациями цвета показывающее величину коэффициента доступности для абонентов пригодных для организации связи КА. На рис. 5 даны изолинии распределения коэффициента доступности по уровням.
Изолиния максимального уровня равна коэффициенту 0,98, а изолиния минимального уровня равна 0,1. Зелеными точками отмечено расположение базовых станций в районе Москвы, Новосибирска и Хабаровска. Можно видеть, что хотя базовые станции расположены на территории Российской Федерации, уровни максимальной доступности КА для абонентов располагаются за ее пределами. Это является следствием того, что наклонение орбиты системы Globalstar составляет 52 град. и оптимизировано для территории США.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
Результаты проведенного анализа показывают, что надежность работы системы Globalstar по состоянию на 2016 г. не отвечает первоначально заявленным проектным параметрам. Причины этого кроются в недостаточном количестве активных полнофункциональных КА.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #1, 2016
Посещений: 4510
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
