Системы низкоорбитальной спутниковой связи

Характеристики  спутниковой системы связи «Гонец». Спутниковая система персональной связи Iridium. Спутниковая система персональной связи GlobalStar. Глобальная система спутниковой радиосвязи «Одиссей»

Занятие №23
Характеристики  спутниковой системы связи «Гонец»
Спутниковая система персональной связи Iridium

Спутниковая система персональной связи Iridium 
Когда в 1987 году компания Motorola приступила к разработке проекта низкоорбитальной спутниковой системы связи Iridium, предполагалось, что система будет состоять в общей сложности из 77 спутников. Именно первоначально выбранному числу спутников проект обязан своим названием. 77-й элемент в таблице Менделеева и есть иридий. Позднее авторы проекта рассчитали, что для полного охвата поверхности Земли достаточно 66 спутников (за счет увеличения количества лучей каждого спутника).
 
В 1993 году консорциум Iridium подписал контракт на приобретение системы спутниковой связи у компании Motorola и объявил о начале проекта. Основные исполнители распределились следующим образом: компания Lockhead - разработка космического сегмента; Motorola - техническое обслуживание системы в течение пять лет (начиная с 1998 года); фирма COM DEV (Канада) - аппаратура для обеспечения связи между спутниками.
 
Спутниковая сеть Iridium состоит из космического и наземного сегментов. 
 
 Первый представляет собой сеть из 66 спутников. При выборе и обосновании орбит учитывались необходимость глобального охвата территории Земли в любое время суток и обеспечение идентичности дальности прямой видимости между соседними спутниками.
 
В результате сегодня космический сегмент проекта имеет следующие характеристики:
количество спутников - 66
количество орбитальных плоскостей - 6
высота орбиты - 780 км
угол наклона орбитальных плоскостей - 86,4°
орбитальный период - 100 мин 28 с
масса спутника - 700 кг
количество направленных лучей с одного спутника - 48
срок жизни спутника - 5-8 лет
10 рабочих спутников и 1 резервный на каждой из орбит.

 
Основная концепция сети Iridium заключается в создании общей области обслуживания благодаря применению межспутниковых каналов связи и кластеризации лучей спутника.
 
Эта область будет охватывать не только всю земную поверхность, но и пространство до высоты 180 км, обеспечивая нужды авиации. При этом формируются «соты» общей области обслуживания, обеспечивающей надежную передачу информации между каналами.
 
В системе Iridium задействуются следующие радиолинии:
радиолинии «Абонент-КА», «КА-абонент» (диапазон L);
радиолинии «Шлюзовая станция—КА», «КА-шлюзовая станция» (диапазон Ка);
радиолиния «КА—КА» (диапазон Ка);
радиолинии передачи команд и приема ТЛМ информации; «Земля—КА», «КА—Земля» (диапазон Ка).
 
Связь между абонентами будет осуществляться через спутниковую сеть с помощью наземных станций сопряжения - одного из компонентов наземного сегмента. Основные функции станции сопряжения: соединение сети спутников с наземными телефонными сетями общего пользования, учет вызовов и времени разговора абонентов (биллинг). В момент подключения радиотелефона Iridium к ближайшему спутнику через наземную станцию сопряжения системы автоматически определяется платежеспособность счета абонента и его местонахождение.
 
В зависимости от совместимости и загруженности альтернативных систем связи выбираются те из них, которые будут использованы для передачи сигнала: система спутниковой связи или сотовая телефония. При невозможности использования местной системы сотовой связи радиотелефон выходит на прямую связь с ближайшим спутником. Затем сигнал передается с одного спутника на другой до тех пор, пока он не будет принят радиотелефоном вызываемого абонента или наземной станцией системы Iridium.
 
Наземная станция соединит спутниковую сеть с наземными инфраструктурами связи в любой точке земного шара.
 
В настоящее время выпускаются станции сопряжения четырех конфигураций — на 30, 60, 90 и 120 тыс. абонентов. Стоимость станции сопряжения достаточно высока, так как в ее состав входит высоконадежное оборудование, которое обеспечивает не только связь со спутником, но и определение (через спутник) координат абонента, техническое обслуживание, а также администрирование сети.
 
Вторым компонентом наземного сегмента является абонентский терминал (табл. 2). Пользователям могут быть предложены различные типы терминалов: носимый, переносной (для офисов), мобильный (для автомобилей), авиа и морской, а также пейджер.
 
Масса носимых терминалов не превышает 700 г. Масса переносных, мобильных, авиа и морских терминалов составляет примерно 2,5 кг. Время установления связи аналогично времени установления связи между абонентами наземной сотовой связи и не превышает 2 с. При этом обеспечивается непрерывность связи в течение всего сеанса.
Универсальные радиотелефоны Iridium (фирма Motorola) разработаны на базе цифровых методов обработки и передачи сигнала. Их можно использовать как в любой региональной сотовой сети (вставные заказные модули для одного из применяемых стандартов связи), так и для доступа к спутниковой сети Iridium. Более эффективному использованию ограниченной полосы частот шириной 5,15 МГц способствует комбинирование методов доступа - частотного (FDMA) и временного (TDMA) разделения каналов. Возможна также поддержка стандарта с кодовым разделением каналов (CDMA) и стандарта сотовой связи GSM. Наличие стандартного интерфейса RS-232 позволяет реализовывать передачу цифровых данных и факсимильных сообщений.
 
В наземный сегмент входит также система управления и контроля сети Iridium (Master Control Facility — МСF), которая обеспечивает глобальное администрирование сети, включая планирование запусков, отслеживание работоспособности спутников, мониторинг бортового оборудования, сбор и анализ телеметрии.
 
Система Iridium предоставляет следующие виды связи: дуплексную телефонную связь, передачу данных, факсимильную связь. При этом возможны следующие виды услуг: связь абонентов, оснащенных персональными терминалами, с абонентами национальной телефонной сети общего пользования, и, наоборот, определение местоположения абонента.
 
Спутниковая система персональной связи GlobalStar 
Спутниковая система персональной связи Globalstar разработана корпорациями Qualcomm и Loral, а также рядом других известных представителей индустрии телекоммуникационного оборудования.
В состав орбитальной группировки системы Globalstar входят 48 низкоорбитальных спутников-ретрансляторов, размещенных на восьми круговых орбитах (по шесть спутников на каждой). Высота орбит над поверхностью Земля составляет 1414 км.
Параметры орбиты (их наклонение 52°) выбраны так, чтобы обеспечить максимальную частоту обслуживания абонентов в средних широтах. Полярные области (выше 70° с.ш. и 70° ю.ш.) космическим сегментом не обслуживаются.
Запуск первой группы ИСЗ осуществлялся в 1998 г. с помощью российских ракет-носителей «Протон» и «Союз». Срок активного существования каждого спутника не менее
лет.
В системе Globalstar не предусмотрены межспутниковые связи, однако она рассчитана на постоянное двукратное покрытие земной поверхности, которое позволяет: обеспечить непрерывную связь при переходе абонента из зоны действия одного луча в зону действия другого луча одного и того же спутника и из зоны действия одного спутника в зону действия другого.
Одновременная видимость не менее двух спутников позволяет значительно повысить надежность связи с подвижными абонентами благодаря устранению эффекта затемнения приемной антенны терминала абонента складками рельефа местности.
Система может обеспечить: телефонную, факсимильную и пейджинговую связь, а также определение местоположения (координат) абонентов.
Хорошее качество телефонной связи достигается благодаря применению шумоподобных широкополосных сигналов (ШПС) с кодовым разделением каналов. При применении ШПС отраженные от посторонних объектов сигналы суммируются с основным сигналом с помощью многоканальных приемников, что значительно повышает помехозащищенность системы, а также позволяет осуществлять так называемый мягкий переход абонента из зоны действия одного луча в зону действия другого без потери связи.
Такой алгоритм позволяет исключить щелчки в абонентских терминалах, которые могут быть слышны при таких переходах в других системах.
Пропускная способность каждого канала очень высока благодаря кодовому разделению сигналов и переменной скорости передачи цифрового потока (1200—9699 бит/с). Переменная скорость цифрового потока позволяет обеспечить передачу сигналов служебной (командной) информации в паузах речи.
Точность определения координат абонентов без участия наземных станций составляет 10 км, при определении же местоположения с их участием она может достигать 300 м.
Абонентские терминалы обеспечивают как предоставление услуг связи, так и определение местонахождения объекта. Абонентские терминалы могут быть двух типов: мобильные и стационарные. Мобильные абонентские терминалы, как правило, совмещены с сотовыми телефонами. Возможны следующие варианты абонентских терминалов: двухмодульный вариант — Globalstar (GS) и AMPS и двухмодульный вариант — GS и GSM.
 
Глобальная система спутниковой радиосвязи «Одиссей» 
Проект «Одиссей» (США) разрабатывался для обеспечения глобальной радиотелефонной связи и предоставления различных видов услуг персональной связи с помощью средневысотной группировки спутников. Предусмотрена полная совместимость с наземной сетью подвижной радиосвязи стандарта GSM, выход в мобильные и фиксированные сети.
 
В проекте задействованы 12 среднеорбитальных ИСЗ для обеспечения двухкратного покрытия населенных районов Земли. Каждый спутник видит около 1/4 земного шара. Применено динамическое определение частот луча и его мощности.
 
Земной сегмент (рис. 1) организован в виде глобальной сети «Одиссей» (Odissey Global WAM) и использует архитектуру GSM. Включает семь наземных станций (1), соединенных с помощью волоконно-оптической линии связи (2) в многократно-кольцевую сеть, охватывающую обширную территорию. Через наземные станции организованы радиолинии с ИСЗ. В сеть входят шлюзовые станции (3), которые размещены рядом с центром коммутации сотовой сети подвижной радиосвязи (4) (там, где находится домашний регистр пользователя сотовой сети).
 
Мобильные линии обеспечивают непосредственный выход с ИСЗ:
на персональный терминал двойного назначения «Одиссей» — GSM (5)
на фиксированный радиотерминал (6)
«Одиссей»-интерфейс с выходом на местную абонентскую радиосеть (7), который используется для организации сельской телефонной сети (СТСО).

 
СТСО - локальная телефонная радиосеть, которая может быть быстро развернута в городе или сельской местности. Ее сердце - локальный коммутатор (8) на несколько тысяч соединений для мобильных, фиксированных и платных телефонов.
 
 Отличительная особенность системы «Одиссей» — квазистатичное покрытие поверхности Земли. Все спутники оснащаются многолучевыми антеннами, которые создают непрерывную сотовую структуру покрытия поверхности Земли, охватывающую (избирательно) только сушу и наиболее судоходные акватории мирового океана.
 
По мере движения спутника по орбите система позиционирования лучей будет отслеживать формирование географически неподвижной сотовой структуры на обслуживаемой территории. Радиовидимость двух спутников обеспечивается под сравнительно высокими углами наблюдения практически с любых широт. Даже если для связи доступен лишь один спутник, его угол видимости окажется не меньше 30°, что гарантирует почти круглосуточное обслуживание (95% суточного времени).
 
Связь в системе «Одиссей» организована на базе ретранслятора с преобразованием частоты; обработка информации на борту спутника не предусмотрена. Маршрутизация и обработка сообщений осуществляются на наземных станциях. Для передачи информации применяются широкополосные сигналы и многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA). Прием информации от абонентских терминалов ведется в L-диапазоне (1610,0-1626,5 МГц), а передача - в S-диапазоне частот (2483,5—2500 МГц) с использованием круговой поляризации в обеих радиолиниях. Эквивалентная изотропная мощность излучения для канала «спутник-Земля» составляет 24,2 дБ/Вт.
 
Антенная система спутника создает на земной поверхности зону, образуемую 61 узким лучом, причем одни и те же зоны могут использоваться на прием и передачу. Для каждого луча выбирается одна пара несущих частот; коэффициент повторного использования частот - не ниже 6. Наземный сегмент «Одиссей» включает в себя базовые станции и терминалы. Двухрежимный радиотелефонный терминал обеспечивает работу в сетях стандарта GSM, TDMA, CDMA, PHS, позволяя работать не только в системе «Одиссей», но и в наземных сотовых сетях, доступ к которым является приоритетным.
 
Связь регламентирована так, что после определения свободных частот вызов всегда направляется в адрес базовой станции сотовой сети. В случае невозможности соединения с базовой станцией (вызов блокирован или все частоты заняты) терминал автоматически передает запрос на спутник системы «Одиссей». При запросе спутникового канала пользователю автоматически назначается пара частот (каналы «вверх» и «вниз») в одном из лучей.
 
Передача речи осуществляется со скоростью 4,2 кбит/с; вероятность ошибки в речевом канале - не более 10-3. Кроме речевой связи терминал «Одиссей» поддерживает пейджинг, режим электронной почты, определение местоположения абонента. Скорость передачи данных составляет 2,4-64 кбит/с; вероятность ошибки на бит - не более 10-5. Определение координат производится по собственным сигналам системы Odissey. Погрешность определения местоположения - не более 15 км. В сети не предусмотрены межспутниковые связи. Весь трафик данного региона передается через узловые станции, связанные между собой многоканальными линиями связи. Узловая станция осуществляет не только прием/передачу регионального трафика, но и сопряжение с телефонной сетью общего пользования, управление межлучевой коммутацией, прием и обработку телеметрии с борта спутника.