Системы подвижной спутниковой связи на основе низкоорбитальных ИСЗ

- общая готовность линии не зависящая от характера местности;

- высокая степень резервирования, поскольку отказ или даже нескольких низкоорбитальных КА не приводит к отказу системы, а только несколько снижает оперативность;

- возможность быстрого обеспечения дешевой персональной связью, что позволяет существенно увеличить количество пользователей системы и обеспечить связью быстроразвивающиеся регионы, лишенные и в настоящее время развитых систем связи.

Геостационарные спутники способны обеспечить ряд из перечисленных выше преимуществ, но, как правило, за счет более высоких затрат. Так, например, можно было бы оказать услуги с геостационарных спутников, когда во главу угла не ставилась бы задача экономии средств. Кроме того, использование нескольких лучей с узкой диаграммой направленности на геостационарном спутнике увеличивает энергетические запасы на линии, но в этом случае только за счет увеличения капитальных расходов.

В случае систем подвижной спутниковой связи, для которых простота антенны является решающим фактором, применение всенаправленных антенн на геостационарной орбите технически реализуемо, но может быть выполнено гораздо проще с помощью комбинированного использования геостационарных спутников, маломощных низколетящих спутников, маломощных подвижных передатчиков и дешевой абонентской аппаратуры. В такой сети пользовательские терминалы работают с низкоорбитальными спутниками, которые используются как ретрансляторы для обмена информацией с геостационарными спутниками. Геостационарные спутники, в свою очередь, работают непосредственно с Земными станциями. Однако, глобальный охват низколетящих спутников с геостационарной орбиты является исключительно дорогой затеей, что приведет к возрастанию капитальных затрат на одного абонента, и, в свою очередь, обуславливает более высокие тарифы.

Система, базирующаяся только на низколетящих спутниках, с эксплуатационной точки зрения, не представляет ничего нового. В настоящее время эксплуатируется международная система поиска и спасения КОСПАС-САРСАТ, отечественная навигационная система ГЛОНАСС, американская навигационная система NAVSTAR. Такие организации, как Министерство обороны РФ, НАСА и другие уже в течении многих лет используют спутники, выведенные на низкие орбиты.

Тем не менее, до недавнего времени спутниковые системы на низких орбитах не отличались коммерческой привлекательностью по следующим причинам:

- до последнего времени отсутствовали эффективные, гибкие и дешевые средства доставки небольших КА к низким орбитам. Технология “ПЕГАС”, т.е. групповое выведение низкоорбитальных КА на орбиту с использованием самолета позволило решить эту проблему;

- отдавая должное актуальности создания “ПЕГАС”а, необходимо признать, что одного его было бы недостаточно. Требовались параллельные технологические проработки, такие, например, как создание высокоскоростных, компактных и дешевых электронных компонентов, благодаря которым достигалось снижение веса спутника.

Сочетание таких прогрессивных разработок позволило создать рентабельные системы сравнительно недорогой, как с точки зрения низких затрат на предоставление ими услуг, так и возможности распределения требуемых инвестиций по многочисленным пользователям, связи. Если такая система будет развернута на американском континенте, то ее возможности становятся также доступными для остального мира. Стоимость сети на низколетящих спутниках, по данном американских источников, является достаточно низкой в пересчете на одного потенциального пользователя. Такое преимущество в сочетании с низкой стоимостью абонентского терминального оборудования (до 500 долларов США), делает систему “ОРБКОММ”, на сегодняшний день, наиболее привлекательной и конкурентноспособной.

4. Описание системы “ОРБКОММ” и ее технические характеристики

 4.1 Назначение системы

Планируется, что американо-канадская спутниковая система передачи данных и определения местоположения “ОРБКОММ” будет использоваться для:

-определения координат бедствия подвижных объектов;

-передачи аварийных сообщений, включающих координаты места бедствия и другую аварийную информацию в диспетчерские центры;

-слежения за местоположением и состоянием подвижных и стационарных объектов;

- обмена информацией в режиме передачи данных между абонентами системы;

-обмена информацией в режиме передачи данных между абонентами системы и абонентами других сетей связи (электронная почта, Х.25, Х.400 и др.);

-передачи коротких сообщений абонентам системы через диспетчерский центр по телефону, телефаксу и т.д. (режим пейджинг).

Данная система разработана для предоставления недорогой связи в различных странах мира. Система пригодна как для обслуживания отдельных пользователей, так и для построения специализированных диспетчерских пунктов, решающих задачи информационного обслуживания в масштабах большой организации, предприятия или отрасли.

Возможности системы “ОРБКОММ” должны отвечать различным нуждам как коммерческих, так и государственных структур:

- слежение за вагонами, контейнерами, автомобилями и другими подвижными объектами;

- слежение за состоянием окружающей Среды, промышленных объектов, удаленных объектов и т.п.;

- связь с персональными пользователями системы и коммерческими организациями (с водителями грузовиков, с перевозчиками опасных грузов и т.д.);

- связь в аварийных ситуациях (со службами техпомощи, скорой помощи и т.п.)

4.2 Принцип работы

Предполагается, что в состав технических средств системы “ОРБКОММ” будут входить:

- космический сегмент;

- наземный сегмент;

- оборудование пользователей.

Первоначально планируется запустить два спутника на полярной орбите и в дальнейшем расширить космический сегмент до группировки из 36 низкоорбитальных ИСЗ. 4 ИСЗ будут находиться на полярной орбите и по 8 ИСЗ в 4 орбитальных плоскостях с наклонением 45 градусов и высотой 785 км. Вес каждого спутника ориентировочно 36,5 кг. Спутники будут состоять из передатчиков, приемников и бортовых процессоров. Они также будут содержать приемники GPS, определяющих местоположение спутника на орбите. Это необходимо для системы позиционного контроля, которая поддерживает спутники на орбитах. Планируется, что спутники будут рассчитаны на эксплуатацию в течении четырех лет. Запуск спутников планируется осуществлять с самолета по системе “Пегас”, что позволит значительно снизить стоимость системы.

      Спутники в системе “ОРБКОММ” будут использоваться в качестве ретрансняторов, а также передавать сигналы для определения местоположения объектов. Точность определения местоположения, по расчетам разработчиков, составит 375-1175 метров.

Частоты излучения передатчиков ИСЗ 137.0 - 138.0 МГц, 400.05-400.15 МГц.

Планируется, что на борту ИСЗ будет установлено запоминающее устройство и средства системы позволят принимать и обрабатывать сигналы, поступающие из любой точки Земного шара. Это свойство особенно важно для тех диспетчерских служб и подвижных объектов, которые не имеют строго выраженных географических ограничений в своем передвижении.

Наземный сегмент будет состоять из приемо-передающих Земных станций и координирующего их работу Центра управления сетью. Приемо-передающие станции будут осуществлять обмен информацией между Центром управления сетью и спутниками. Эти станции, как правило, должны состоять из двух антенн со следящими системами, ВЧ тракта, модемного оборудования и коммуникационной программы для обмена с Центром управления сетью.

От количества и месторасположения приемо-передающих Земных станций будет зависеть территория, обслуживаемая системой и оперативность связи. По расчетам американских специалистов, для России необходимо 6 приемо-передающих  станций и один Центр управления сетью. Учитывая, что приемо-передающие станции должны работать в автономном режиме под управлением Центра управления сетью и их не планируется обслуживать оперативным персоналом, а также то, что связь системы с другими сетями осуществляется через Центр управления сетью, по расчетам разработчиков, персонал всей системы на территории России должен состоять из 70-80 человек.

Центр управления сетью является центром сети в каждой стране и осуществляет стык сети “ОРБКОММ” с другими государственными и частными сетями связи. Связь между Земными станциями и Центром управления сетью (дуплексный канал 56 Кбит/сек) может осуществляться как по проводным каналам, так и с использованием технологии VSAT.

Предполагается изготавливать различные типы пользовательских терминалов. Например, планируется изготовление малогабаритных терминалов, которые можно будет встроить в автомобильный УКВ радиоприемник.

Частота излучения терминалов 148.0 - 150.05 МГц. Скорость передачи информации на ИСЗ - 2.4 Кбит/сек, с ИСЗ - 4.8 Кбит/сек.

4.3 Форматы передаваемых сообщений

В сети “ОРБКОММ” планируется осуществлять обработку следующих видов сообщений:

- короткие посылки, не требующие подтверждения. Терминалы пользователей передают короткие сообщения, прием которых не требует подтверждения (режимы DataNet, MapNet );

- короткие посылки, которые требуют подтверждения. Существуют два уровня подтверждений: что сообщение принято системой и что сообщение принято адресатом (режимы DataNet, MapNet, SecurNet);

- запрос сообщения. Сообщение передается терминалом пользователя по команде со спутника. Эта команда поступает на спутник с Центра управления сетью, который обслуживает пользовательский терминал (режимы DataNet, MapNet);

- обмен сообщениями. Сообщение разбивается на части для надежности передачи и передается короткими пакетами по 10 бит через спутниковый канал. Пакет считается принятым после получения подтверждения, либо, если таковое не получено, пакет передается еще раз. Эти сообщения могут быть переданы на терминалы пользователей и приняты от них (режим VitalNet);

- прием/передача пакетов средней длины (256 бит). Они передаются или принимаются терминалом пользователя без участия Центра управления сетью. Это допустимо в удаленных и океанских зонах. Терминал пользователя осуществляет прием или передачу пакетов информации, когда связь с Центром управления сетью невозможна. Сообщение архивируется в памяти спутникового процессора до установления контакта спутника с терминалом или Центром управления сетью;

- команды - короткие команды, состоящие из одного пакета передаются на терминал пользователя. Подтверждение может требоваться или не требоваться.

Режим SekurNet предназначен для передачи сигналов тревоги, бедствия, безопасности. При нажатии определенной кнопки на терминале или другом способе включения режима, пользовательский терминал передает короткое сообщение о бедствии постоянно до тех пор, пока не будет принято подтверждение о приеме этого сообщения.

Режим MapNet предназначен для передачи сообщения о местоположении удаленного пользовательского терминала.

Режим DataNet предназначен для обмена цифровой информацией с удаленными необслуживаемыми терминалами. Информация может быть записана в память терминала и считываться в момент передачи, а также может считываться с датчиков. В этом режиме могут быть переданы команды на терминал для срабатывания оконечного оборудования.

Режим VitalNet включает в себя все выше перечисленные режимы и, соответственно, терминал будет иметь возможность также осуществлять прием/передачу сообщений.

4.4 Взаимодействие с другими сетями связи

Взаимодействие с другими сетями связи будет осуществляться через Центр управления сетью, в котором должны быть предусмотрены соответствующие интерфейсы. Центр управления сетью “ОРБКОММ” будет осуществлять прием информации с терминала и переформатировать его в зависимости от того, в какую сеть оно направлено. Аналогично, принятые из других сетей сообщения будут переформатироваться в Центре управления сетью в передаваться на пользовательские терминалы. Окончательный выбор интерфейсов, их типов и количества должен определяться на стадии проектирования с обязательным согласованием с Министерством связи РФ и владельцами сетей.

4.5 Зоны обслуживания и время доставки сообщений

Теоретически, система “ОРБКОММ” будет покрывать всю территорию Земного шара. Первые два спутника планируется запустить на полярную орбиту (наклонение 90 град.). Основное покрытие должны будут осуществлять 24 спутника ( по 8 спутников в каждой из трех орбитальных плоскостей). Эти орбитальные плоскости будут иметь разнесение по долготе восходящего угла 120 градусов и наклонение 45 градусов к экватору. В дальнейшем, для увеличения пропускной способности системы планируется запустить еще 8 спутников в четвертой орбитальной плоскости с наклонением 45 градусов и дополнительно два полярных спутника с наклонением 90 градусов.

 Продолжительность сеансов связи и перерывов между сеансами в зависимости от широты месторасположения терминала пользователя будет изменяться: до 50 градуса средняя продолжительность сеансов связи составляет 10 минут, а среднее время ожидания - 3-4 минуты. С увеличением широты появляются значительные перерывы между сеансами связи. Наиболее длительное ожидание сеанса связи наблюдается на широте 65 градусов и составляет 81,9 мин. Это вызвано там, что на этой широте терминал пользователя сможет работать только с полярными спутниками, так как уже не будет попадать в зону действия спутников с наклонением в 45 градусов.

В дальнейшем, с увеличением широты места, будет увеличиваться время, в течении которого можно будет работать со спутниками и, соответственно, время ожидания сеансов связи будет уменьшаться.

Время доставки сообщения (быстродействие системы) зависят от:

- времени ожидания сеанса связи;

- времени передачи сообщения на спутник;

- времени передачи сообщения со спутника на Земную станцию;

- времени передачи сообщения с ЗС в Центр управления сетью;

- времени передачи сообщения из Центра управления сетью к адресату.

В данном случае имеется в виду, что сообщение имеет такую длительность, что передается за один сеанс связи. Как правило, большинство сообщений пользователей имеет такую длительность.

Время доставки сообщения с терминала на спутник, а также со спутника через Земную станцию и Центр управления сетью адресату составляет 1-2 мин (при том условии, что терминал и Земная станция одновременно находятся в зоне видимости спутника). В случае, когда в зоне видимости спутника находится только терминал, сообщение сразу передается с терминала на спутник, а со спутника на Земную станцию только тогда, когда она попадает в его зону видимости. Соответственно увеличивается время доставки сообщений.     

Заключение

В настоящей работе рассмотрены существующие и планируемые к вводу в ближайшее время космические системы, позволяющие осуществлять определение местоположения подвижных объектов и передавать эти данные в диспетчерские пункты, что позволяет осуществлять контроль за движением и безопасностью этих объектов.

Из космических систем, которые могут решать поставленные задачи, а также позволяют осуществлять двустороннюю связь в режиме передачи данных, наиболее дешевой и надежной, возможно будет являться система “ОРБКОММ”. Однако, так как система еще не введена в эксплуатацию, данное заключение сделано чисто теоретически, основываясь на данных, полученных в результате предварительных расчетов.

Целесообразность применения спутниковых каналов связи определяется техническими и экономическими преимуществами, которые могут быть получены с их помощью. Поэтому основной критерий сравнения сетей — это энергетический эффект и стоимость развертывания системы в целом.

Стоимость спутниковой системы связи, в основном, складывается из:

- затрат на разработку и производство спутника;

1	2	3	4