Классификация систем подвижной спутниковой связи

Основные характеристики  современных спутниковых систем связи. Преимущества систем на основе геостационарных спутников. Преимущества низкоорбитальных систем. 

Занятие 21
Основные характеристики  современных спутниковых систем связи
 
Схема взаимного расположения Земли и спутника представлена на рисунке 8.8. 
Взаимное расположение Земли и спутника
 Рис. 8.8 Взаимное расположение Земли и спутника

 В точке А расположена земная станция. Если точка А находится на касательной АВ к окружности, то для наземной станции спутник виден на линии горизонта. Угол возвышения спутника в данном случае равен нулю, а зона обслуживания таким спутником достигает максимального значения. Однако при нулевых углах возвышения между антеннами наземных и космических станций могут находиться деревья, здания, неровности рельефа местности и т.д., ограничивающие пределы прямой видимости. Кроме того, при уменьшении угла возвышения сигналы получают большее ослабление, так как проходят в атмосфере увеличенные расстояния. Поэтому реальную зону обслуживания определяют минимально допустимым углом возвышения спутника, обычно не менее 5°.
 
Существенной особенностью спутниковой связи является задержка распространения сигналов, вызванная прохождением довольно больших расстояний. Эта задержка изменяется от минимальной величины, когда спутник находится в зените, до максимальной величины, когда спутник находится на линии горизонта. Для треугольника АВО, приведенного на рисунке 8.8, справедливо соотношение:
 
sin(∠OAB)/OB=sin(∠AOB)/AB   (8.7)
 Учитывая, что угол ∠OAB=∠AOD+∠DAB, а угол ∠OAB=π/2 (AD - касательная к окружности в точке А) и, обозначив отрезки: АВ - расстояние от спутника до земной станции (|AB| = d), BC - минимальное расстояние от спутника до земной поверхности (|BC| = h, |OB| = R+h), после несложных преобразований получим:
 
cos(∠DAB)/(R+h)=sin(∠AOB)/d   (8.8)
 Из выражения (8.8) несложно выразить расстояние от спутника до любой наземной станции d через высоту орбиты h, угол возвышения ∠DAB и угол охвата земной поверхности ∠AOD. Под углом охвата земной поверхности ∠AOD понимают телесный угол, в пределах которого часть поверхности с наземными станциями спутниковой связи видна из центра Земли.
 При минимальном угле возвышения ∠AOD=Θ время tЗ задержки распространения сигнала до спутника и обратно изменяется в пределах:
 
 
 Коэффициент 2 отражает задержку распространения сигнала на восходящем и нисходящем участках трассы.
  
Геостационарный спутник находится на большой высоте, с которой видно более четверти поверхности земного шара. Это является одним из достоинств геостационарной орбиты. Так как геостационарный спутник кажется неподвижным для земного наблюдателя, то упрощается наведение антенн наземных станций (не требуется слежения за положением спутника на орбите). Но большая высота орбиты имеет и недостатки: задержка распространения сигнала составляет около 1/4 секунды, сигнал получает значительное ослабление на таких протяженных трассах. Кроме того, в северных широтах спутник виден под малыми углами к горизонту, а в приполярных областях и вовсе не виден. На геостационарной орбите находится несколько сотен спутников, обслуживающих разные регионы Земли, в том числе и отечественные спутники «Горизонт», «Экран».
 
Для обслуживания территорий в северных широтах используют спутники на высокой эллиптической орбите с большим углом наклонения. В частности, отечественные спутники «Молния» имеют эллиптическую орбиту с высотой апогея над северным полушарием порядка 40 тысяч километров и перигея около 500 километров. Наклонение плоскости орбиты к плоскости земного экватора составляет 63° и период обращения 12 часов. Движение спутника в области апогея замедляется, и сеансы радиосвязи возможны в течение 6…8 часов. Данный тип спутников также позволяет обслуживать большие территории. Но недостатком их использования является необходимость слежения антенных систем за медленно дрейфующими спутниками и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.
 
 Низкоорбитальные спутники запускаются на круговые орбиты с высотой порядка 500…1500 километров и большим углом наклонения орбиты (полярные и околополярные орбиты). Запуск легких спутников связи осуществляют с помощью недорогих пусковых установок. В системах связи с низко-высотными спутниками времена задержки распространения сигнала невелики, но значительно уменьшены и зоны охвата. Скорость перемещения спутника относительно поверхности Земли достаточно высока, и длительность сеанса связи от восхода спутника до его захода не превышает десятки минут. Поэтому для обеспечения связи на больших территориях на низко-высотных орбитах должны одновременно находиться десятки спутников.
 
В спутниковых системах связи (ССС) обычно поддерживается радиообмен между несколькими земными станциями. Земные станции подключены к источникам и потребителям программ теле- и радиовещания, к узлам коммутации сетей связи, например, междугородним телефонным станциям. Для примера рассмотрим вариант дуплексной связи между двумя земными станциями. Структурная схема такой ССС приведена на рисунке 8.9.
 
Сигнал U1, предназначенный для передачи в системе связи, поступает на передатчик Пд1 первой земной станции. В передатчике Пд1 осуществляются необходимые преобразования несущего колебания с частотой f1 (модуляция, усиление и т.д.) и сформированный передатчиком радиосигнал через разделительный фильтр РФ1 поступает на антенну земной станции 1, которая излучает его в сторону спутника-ретранслятора. Сигнал U2, поступающий для передачи в системе связи на вторую земную станцию, претерпевает подобные преобразования в аналогичных узлах и излучается в сторону космической станции с частотой, равной f2.
 
Радиосигналы с частотами f1 и f2, наведенные в антенне космической станции, через разделительный фильтр РФ0 поступают на приемники сигналов Пм01 и Пм02. Принимаемые сигналы получают в этих приемниках необходимую обработку (преобразование частоты, усиление, в некоторых системах связи предусмотрена демодуляция сигналов либо другие преобразования, предусмотренные алгоритмом обработки сигналов). Затем в передатчиках Пд01 и Пд02 сигналы переносятся на частоты сигналов нисходящих каналов и усиливаются до необходимого уровня. В результате этих преобразований сигнал с частотой f1 на выходе цепочки, состоящей из приемника Пм01 и передатчика Пд01, преобразуется в сигнал с частотой f3, а сигнал с частотой f3 на выходе цепочки Пм02 - Пд02 преобразуется в сигнал с частотой f4. Через разделительный фильтр РФ0 эти сигналы поступают на антенну космической станции и излучаются в сторону земных станций. 
 
Рис. 8.9 Структурная схема спутниковой системы связи

 На Земле сигналы с частотами f3 и f4 достигают антенн земных станций и поступают на входы соответствующих приемников. Приемник Пм2 настроен на частоту f3, соответственно, на выходе приемника будет восстановлен сигнал U1, подаваемый на вход системы связи со стороны земной станции 1. В свою очередь, на выходе приемника Пм1 будет восстановлен сигнал U2, передаваемый земной станцией 2.
 
Для систем спутниковой связи выделены полосы частот отдельно для восходящих и нисходящих каналов в диапазоне частот от 0,6…86 ГГц.
 
Преимущества систем на основе геостационарных спутников 
Преимуществом систем на основе геостационарных спутников является широкая и постоянная зона обзора, охватывающая, как правило, целый континент. Поэтому и передающий и принимающий абоненты находятся в одной зоне обзора, что существенно упрощает систему.
 
В наибольшей степени требованиям, предъявляемым к системам управления автотранспортным предприятием отвечает построенная на основе геостационарных спутников специализированная система связи и контроля за движением транспортных средств Евтелтракс.
 
Система обеспечивает высоконадежную и удобную двухстороннюю текстовую связь диспетчера со всеми своими водителями в любой точке Европейского континента и в любое время суток и постоянное наблюдение за их движением по электронной карте на экране своего компьютера.
 
На автомашине устанавливается малогабаритный спутниковый мобильный связной терминал (МСТ), состоящий из трех блоков: антенна, которая крепится на крыше машины, связной блок и пульт водителя (существует модификация из двух блоков: антенно-связной блок и пульт водителя). Рабочее же место диспетчера представляет собой стандартный персональный компьютер и модем, обеспечивающий связь с российским региональным центром системы в Москве. Компьютер диспетчерского пункта подключается к системе Евтелтракс по любому телефонному каналу или каналу передачи данных (сети Роспак, Роснет, Совам, Спринт и т. д.). Возможна связь по сети Интернет при необходимости может быть использован и спутниковый канал для связи диспетчерского пункта с центром системы. В системе используются геостационарные спутники европейского космического сообщества «Евтелсат», один из них для передачи сообщений и второй для определения местоположения (вместе с первым). Европейский Центр системы находится в пригороде Парижа (Рамбуйе).
 
Система Евтелтракс является единственной спутниковой системой, разработанной специально для наземного транспорта, что позволило разработчикам учесть всю специфику автоперевозок. В результате система имеет ряд очень ценных для автоперевозчиков характеристик. В первую очередь нужно отметить следующие:
 
Высочайшая надежность доставки сообщений в сложных условиях движения автомашины. Автомашины в отличие от других транспортных средств периодически могут оказываться в зоне, где нет связи. Машина может въехать под мост, в ангар, в паром или оказаться заэкранированной от спутника близко расположенным высоким железобетонным зданием. Чтобы обеспечить надежную доставку передаваемых в такие моменты сообщений система получает от машины подтверждение о доставке и, в случае неполучения такого подтверждения, автоматически, без вмешательства оператора повторяет сообщение. Как только машина окажется в зоне связи, ей сразу же будет передано сообщение, а диспетчер получит подтверждение о том, что сообщение доставлено, с точным указанием – в какое время и в какой точке (с точностью около 100 метров). Однако водитель может не сразу прочесть сообщение. Поэтому, когда водитель прочитывает сообщение, диспетчер получает второе подтверждение так же с информацией о времени и месте прочтения.
 
Повторение сообщений при нахождении машины вне зоны связи система может производить по желанию диспетчера до 35 минут, либо до 18,5 часов.
 
Если за это время машина не появится в зоне связи, диспетчер получит извещение, что сообщение не вручено. Таким образом, диспетчер всегда точно знает, когда и где сообщение доставлено, когда и где прочтено. Нужно отметить, что и водитель всегда знает, когда он находится вне зоны связи – в этот период на его пульте горит красная лампочка. Он может принять соответствующие меры (выехать на открытое место).
 
Автоматическое определение местоположения всех автомашин. Диспетчерам автопредприятий при современной технологии управления всегда необходимо знать, где находятся все их машины. Каждый раз посылать запросы, особенно при большом парке автомашин довольно обременительно, тем более что не везде диспетчерская служба работает круглосуточно и в нерабочее время некому посылать запросы. Поэтому система Евтелтракс автоматически ежечасно определяет местоположение всех автомашин и закладывает их в память компьютера. Таким образом, диспетчер всегда видит, где сейчас находятся все его автомашины, и может просмотреть трассу движения любой из них за прошедшее время (прямо по карте автодорог на экране своего компьютера, либо, по желанию, в табличной форме).
 
Автоматическое получение и хранение информации даже в отсутствие диспетчера. Даже в отсутствие диспетчера, его компьютер будет принимать и хранить всю поступающую информацию. Кроме того, в системе используется принцип электронного почтового ящика. То есть, если даже компьютер диспетчера выключен, никакая информация (как сообщения, так и местоположение) не пропадает, а хранится в Центральном компьютере системы
 
Система Евтелтракс получила широкое распространение в мире. В настоящее время число машин с Евтелтраксом превысило 300000 и ежемесячно увеличивается в среднем на 3000.
 
Преимущества низкоорбитальных систем 
Высота круговых орбитальных группировок (ОГ) на низких орбитах (LEO-Low Earth Orbit) лежит в пределах от 700 до 1500 км. Простые и дешевые малые ретрансляторы используются для низкооперативной передачи коротких цифровых сообщений, в том числе и речевых в цифровой форме. Интерактивный режим информационного обмена не предусматривается. Орбитальные группировки таких ретрансляторов делают некорректируемыми, что позволяет существенно снизить стоимость космического и наземного сегментов сети и, соответственно, представляемых информационных услуг. В процессе функционирования вследствие воздействия различных дестабилизирующих факторов параметры орбит ретрансляторов изменяются, поэтому обеспечить полное покрытие области обслуживания практически невозможно. В подобных сетях передача сообщений обычно осуществляется в режиме электронной почты с использованием протоколов множественного доступа Р- или S-ALOHA.
 
 При передаче более объемных сообщений могут быть использованы протоколы с предоставлением канала по требованию. Для обеспечения нормального функционирования сети каждый ретранслятор должен непрерывно обновлять и пополнять текущий список адресов пользователей, находящихся в данный момент времени в зоне его обслуживания (такой подход часто называют сетью со "скользящими" зонами обслуживания). Время ожидания сеанса связи tож>= 0 может колебаться от нескольких миллисекунд до нескольких минут. Время переноса tп>= 0 лежит в пределах от миллисекунд (если отправитель и получатель находятся в зоне обслуживания одного и того же ретранслятора) до нескольких часов.
 
 С целью привлечения пользователей подобных систем необходимо повышать их оперативность и расширять круг информационных услуг. Оперативность может быть резко увеличена путем использования межспутниковых каналов (линий) связи (ISL InterSatellite Links). В пределах зоны обслуживания возможна организация телефонных каналов. Однако, наличие в подобных системах "скользящей" зоны обслуживания не гарантирует представления телефонного канала даже паре близкорасположенных пользователей и необходимую длительность установления соединения.
 
 Примерами сетей, использующих малые ретрансляторы, являются системы "Гонец", "Orbcomm", "Starsys".
 
 Большие низкоорбитальные ретрансляторы используются в ССС, обеспечивающих полное покрытие области обслуживания с нулевым временем ожидания сеансов связи, что позволяет поддерживать интерактивный режим информационного обмена между любой парой пользователей в масштабе времени, близком к реальному. При этом во избежание возникновения "брешей" в области обслуживания, необходимо с весьма высокой точностью поддерживать расчетные баллистические параметры орбитальной группировки, что возможно лишь при периодической коррекции этих параметров в процессе эксплуатации сети. Для этого каждый ретранслятор снабжается системой коррекции орбиты (двигательная установка + соответствующий запас топлива + подсистема приема, распределения и исполнения команд), а наземный сегмент дополняется командно-измерительными станциями.
 
 В основе построения ССС на базе больших низкоорбитальных ретрансляторов лежит принцип, аналогичный используемому в наземных сотовых сетях связи. Область обслуживания сети разбивается на ряд фиксированных зон обслуживания. Геометрические размеры и размещения зон обслуживания на поверхности Земли определяется концепцией построения сети, в частности, параметрами орбитальной группировки ретрансляторов. Каждый из пользователей сети "приписывается" к конкретной зоне обслуживания. В любой момент времени каждая зона обслуживается одним из ретрансляторов группировки. Динамика движения спутников по орбитам и вращение Земли приводят к тому, что одна и та же зона обслуживается в различные интервалы времени разными ретрансляторами. В результате возникает необходимость в реконфигурации каналов связи сети, поскольку часть каналов "разрывается" и заменяется вновь организуемыми каналами. Реконфигурация каналов отрицательно сказывается на качестве информационного обмена и следует стремиться к минимизации частоты этих событий. Количественной оценкой частоты реконфигурации каналов связи является средняя (или, что менее объективно, максимальная) продолжительность сеанса связи ретранслятора с зоной обслуживания.
 
 Первые проекты глобальных НССС появились в конце 70-х-начале 80-х годов. Предлагались достаточно сложные группировки с ретрансляторами на орбитах разной высоты и наклонения (в пределах одной сети). Позднее общепризнанными стали ОГ с ретрансляторами, размещенными на орбитах одинаковой высоты и наклонения, с равномерным распределением плоскостей орбит в пространстве, а ретрансляторов - в пределах каждой плоскости. Основными параметрами подобных группировок являются:
 высота орбиты - h,
 угол наклонения орбитальных плоскостей - i,
 количество орбитальных плоскостей - nn,
 число спутников в каждой орбитальной плоскости - nс ,
 общее число спутников в группировке п = nc *nn

 
 Одной из ключевых проблем при разработке НССС является организация межзонового информационного обмена, необходимого для поддержания связи между пользователями, находящимися в разных зонах обслуживания. Для этого необходима межзоновая сеть связи (МСС). Вне зависимости от способа организации каналов связи между зонами к МСС предъявляются следующие основные требования:
 топология сети должны быть разветвленной настолько, чтобы обеспечивать приемлемо малые задержки при передаче;
 топология сети должна быть максимально устойчивой во времени, иначе возникает необходимость реконфигурации каналов связи МСС, что существенно ухудшает качество связи.
 
 Рассмотрим основные преимущества и недостатки возможных вариантов организации межзоновой сети связи.
Использование наземных (кабельных, волоконно-оптических, радиорелейных) каналов связи. В этом случае в каждой зоне обслуживания размещается наземная базовая станция (БС), соединенная с обслуживающим контролируемую ей зону спутником внутризоновой фидерной линией. Основным достоинством рассматриваемого варианта является возможность использования простых и относительно дешевых спутников с непосредственной ретрансляцией.
 
 Для организации фидерной линии БС и СР должны быть оборудованы следящими антенными системами с узкими сканирующими лучами. Пространственное разделение узконаправленных фидерных линий позволяет использовать в них одинаковые диапазоны частот. Концептуально рассматриваемый вариант наиболее близок к наземным сотовым сетям связи: ретрансляторы, соединенные с соответствующими БС фидерными линиями, выполняют функции "высоких антенн" сотовой сети.
 
 Информационный обмен между пользователями, например, при коммутации сообщений осуществляется следующим образом. Отправитель передает по абонентской линии сообщение на обслуживающий его зону ретранслятор, который по фидерной линии пересылает его без обработки в БС зоны, БС демодулирует и декодирует сообщение, выявляет адрес получателя и принадлежность его к одной из зон обслуживания сети. Если получатель находится в пределах зоны обслуживания данной БС, то БС по фидерной линии возвращает его тому же ретранслятору, который и доводит его до получателя. В противном случае БС определяет другую станцию, контролирующую зону обслуживания получателя, выбирает оптимальный маршрут и пересылает к ней сообщение по наземной сети.
 
 Аналогичные процессы происходят при коммутации пакетов и каналов с той разницей, что при коммутации каналов подобным образом обрабатываются запросы (вызовы) на установление канала связи. Топология МСС в рассматриваемом случае не зависит от времени, поэтому установленные соединения "разрываются" только при реконфигурации абонентских и фидерных линий. Сложность и стоимость космического сегмента сети среди возможных вариантов минимальные, а сложность наземного сегмента максимальная.
 Использование для связи между базовыми станциями ретрансляторов группировки. В этом случае, как и в предыдущем, возможно использование спутников с непосредственной ретрансляцией, но поскольку они передают не только внутри-, но и межзоновый трафик их пропускная способность должна быть выше. Дополнительно ретранслятор оборудуется для замыкания межзоновых линий тремя-четырьмя приемными узкими, сканирующими лучами. БС также усложняются, поскольку они поддерживают фидерную линию и 3-4, межзоновых (БС должны быть оборудованы 4-5 узкими, сканирующими лучами). Наземные каналы исключаются. Маршрутизация информационных потоков осуществляется в базовых станциях. Канал связи между парой пользователей, расположенных в разных зонах обслуживания, образуется цепочкой абонентских, внутризоновых и межзоновых фидерных линий. В рассматриваемом случае требуется частая реконфигурация всех линий, поэтому вероятность "разрыва" установленного соединения, если не приняты специальные меры, достаточно велика (особенной для "длинных" каналов).
 Использование для связи между зонами обслуживания межспутниковых каналов (линий) связи (МЛС). В этом случае необходимость в использовании БС отпадает, поскольку все их функции возлагаются на ретрансляторы. Очевидно, что для этого необходима ретрансляторы с полной бортовой обработкой (демодуляция -модуляция, коммутация на видеочастоте). Связность между зонами обслуживания обеспечивается тремя-четырьмя межспутниковыми каналами на каждый ретранслятор.
 
 Динамика взаимного перемещения ретрансляторов группировки небольшая и реконфигурация межспутниковых каналов требуется только вблизи точки пересечения орбитальных плоскостей. Поэтому вероятность "разрыва" установленного соединения существенно ниже, чем в предыдущем рассмотренном случае.
 
 Качественные характеристики возможных способов организации в межзоновой связи приведены в табл. 3.
 
 В пользу круговых ОГ на низких и средних орбитах по сравнению с геостационарными обычно приводятся следующие аргументы:
поскольку затухание сигналов в свободном пространстве прямо пропорционально квадрату расстояния относительно небольшая дальность связи при пробных условиях позволяет существенно снизить требования к энергетическим характеристикам аппаратуры пользователей и ретрансляторов. Это дает возможность, в частности, поставить на рынок новые привлекательные информационные услуги - высокоскоростную персональную фиксированную спутниковую и глобальную персональную подвижную связь по ценам, приемлемым для широкого круга пользователей.
 Относительно небольшая дальность связи обеспечивает небольшие задержки распространения, что по-зволяет организовать интерактивный режим информационного обмена пользователей в масштабе времени, близком к реальному (при использовании ГСР задержка распространения составляет (250-270) мс).
 Рассредоточенность негеостационарных спутников над поверхностью Земли позволяет обеспечить работу пользователей при больших углах возвышения ретрансляторов практически в любой точке земной поверхности. Область обслуживания ГСР при минимально допустимом угле возвышения 10 градусов простирается по широте в пределах +/- 70°, а при увеличении минимально допустимого угла возвышения до 30°сокращается до +/- 50о.