10.1. СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ связи Под спутниковыми технологиями прежде всего понимается создание и эксплуатация спутниковых систем связи (ССС), спутниковых радионавигационных систем (СРНС) и диспетчерских систем коммерческого управления транспортом (ДСКУТ), прежде всего - автомобильным, основанных на использовании ССС и/или СРНС.

Выше было показано, что осуществление управления потоками товаров сопровождается передачей и обработкой очень больших потоков информации. Эту задачу в общем случае могут обеспечить как традиционные наземные системы связи, так и спутниковые системы связи. В условиях больших расстояний и малой плотности населения, столь характерных для нашей страны, особое значение с точки зрения эффективной логистики, приобретают спутниковые системы связи.

Современные спутниковые радионавигационные системы позволяют получать объективные данные о положении в пространстве и времени как любых транспортных единиц, включая автомашины, суда, самолеты, поезда, контейнеры, товары, так людей и животных.

Приемники сигналов СРНС получили широчайшее гражданское применение. Они сегодня используются в автомобилях всех классов, сотовых телефонах, карманных приборах, на повестке дня установка их в наручные часы. Американская компания AVID Identification Systems разработала идентификационный GPS-микрочип размером с рисовое зернышко, который вживляется собаке в холку. Каждому микрочипу присваивается уникальный номер. С помощью такого микрочипа можно быстро найти потерявшуюся собаку. Рынок этих приборов в мире стремительно растет и в 2006 г. достиг 30 млрд долл., число пользователей в ближайшие годы превысит 1 млрд. человек.

В 2003 г. началась реализация проекта по внедрению услуг спутниковой навигации в рамках Комплексной программы Правительства Москвы «Система навигации и телематики (СНТ) для городского управления и населения». Сегодня средства координатно-временного обеспечения определяют уровень развития экономики государства, активно внедряются как в логистику, так и в повседневную жизнь.

Спутниковые системы коммерческого управления транспортом, прежде всего автомобильным, приобрели особое значение в условиях обострения конкуренции среди грузоперевозчиков, нарастания общих объемов перемещаемых товаров, ужесточения требований к точности соблюдения времени доставки, увеличению неопределенности в пропускной способности транспортных коммуникаций как внутри страны, так и на границах. Они являются проверенным средством повышения эффективности логистики.

Диспетчерские системы коммерческого управления транспортом (ДСКУТ), другое название - автоматизированные системы мониторинга транспортных средств, диспетчерские системы, Fleet Management Systems (FMS), - это комплекс радиоэлектронного оборудования и программного обеспечения, предназначенный для оперативного контроля и управления удаленными транспортными средствами. Система предназначена для управления транспортными средствами различных служб города, района, области и отдельных транспортных предприятий. Среди них можно выделить специализированные интегральные спутниковые системы, которые предоставляют как услуги связи, так услуги по определению места, и системы, которые используют ССС и/или СРНС для решения задач управления транспортом.

Многие логистические компании оснащают свои транспортные средства GPS-приемниками. Таким образом, они сами, будучи за тысячи километров, могут контролировать перемещение грузов их клиентов по земному шару и предоставлять клиентам такую возможность, например, на Web-сайте в режиме реального времени.

Спутниковые системы связи (ССС) состоят из двух основных компонентов (сегментов): космического и наземного.

Космический сегмент ССС включает искусственные спутники Земли (ИСЗ), выведенные на определенные орбиты, в наземный сегмент ССС входит центр управления системой связи (ЦУСС), земные станции (ЗС), размещенные в регионах (региональные станции - PC), и абонентские терминалы (АТ) различных модификаций.

Развертывание и поддержание ССС в работоспособном состоянии - сложная задача, которую решают не только средства самой системы связи, но и ракетно-космический комплекс. В состав этого комплекса входят космодромы со стартовыми площадками для запу ска ракет-носителей, а также радиотехнические командно-измери-тельные комплексы (КИК), осуществляющие наблюдение за движением ИСЗ, контроль и коррекцию параметров их орбит.

ССС можно классифицировать по таким признакам, как статус системы, тип орбит ИСЗ и принадлежность системы к определенной радиослужбе.

Статус системы зависит от ее назначения, обслуживаемой территории, размещения и принадлежности земных станций.

В зависимости от статуса ССС можно разделить на международные (глобальные и региональные), национальные и ведомственные.

По типу орбит различают системы с ИСЗ на геостационарной орбите (GEO) - аббревиатура от Geostatic Earth Orbit, на эллиптических (НЕО) - аббревиатура от High Earth Orbit, средне высотных (МЕО) - аббревиатура от Mean Earth Orbit и низкоорбитальных (LEO) - аббревиатура от Low Earth Orbit.

В соответствии с Регламентом радиосвязи ССС могут принадлежать к одной из трех основных радиослужб - фиксированная спутниковая служба (ФСС), подвижная спутниковая служба (ПСС) и радиовещательная спутниковая служба (РСС).

Выбор параметров орбиты ИСЗ зависит от назначения, необходимой области обслуживания связью и некоторых других факторов.

Геостационарные орбиты (GEO). Спутники на этой орбите, двигаясь в направлении вращения Земли с одинаковой с ней скоростью, остаются неподвижными относительно подспутниковой точки на экваторе. Три ИСЗ, равномерно размещенные на орбите, обеспечивают непрерывную связь практически на всей территории Земли за исключением полярных зон (выше 76,50° с.ш. и ю.ш.).

Недостаток ретрансляции радиосигнала через ИСЗ, находящийся на удалении в 36 тыс. км, - задержка сигнала. Для систем радио-и телевизионного вещания задержка в 250 мс в каждом направлении не сказывается на качестве сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, и при суммарной задержке, с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях, превышающей 600 мс, высокое качество связи не обеспечивается. Тем более недопустим в этих системах так называемый двойной скачок, когда канал связи предусматривает два спутниковых участка.

Количество ИСЗ, которое можно разместить на геостационарной орбите, ограничено допустимым угловым орбитальным разносом между соседними спутниками. Минимальный угловой разнос определяется пространственной избирательностью бортовых и наземных антенн, а также точностью удержания ИСЗ на орбите. Международ ными нормами он должен быть 1-3°. Следовательно, на геостационарной орбите можно разместить не более 360 ИСЗ. Под воздействием ряда геофизических факторов ИСЗ дрейфует - орбита его искажается, поэтому возникает необходимость ее коррекции.

Эллиптические орбиты (НЕО), на которые выводятся ИСЗ, подбираются так, чтобы длительность суток была кратна периоду обращения спутника. Для ИСС используются синхронные эллиптические орбиты. Так как скорость спутника в апогее эллиптической орбиты значительно меньше, чем в перигее, то по сравнению с круговой орбитой время нахождения ИСС в зоне видимости увеличивается. Например, отечественный связной спутник «Молния», выведенный на орбиту с параметрами: апогей 40 тыс. км, перигей 460 км, наклонение 63,5°, обеспечивает сеансы связи продолжительностью 8-10 ч. и орбитальная группировка (ОГ) из трех спутников поддерживает круглосуточную связь на территории нашей страны.

Средневысокие орбиты (МЕО) позволяют охватывать связью меньшую зону, чем геостационарная. Продолжительность пребывания ИСЗ в зоне радиовидимости земных станций 1,5-2 ч. Поэтому для обеспечения связью наиболее населенных районов земного шара и судоходных акваторий необходимо создавать ОГ из 8-12 спутников. При выборе средневысоких орбит необходимо учитывать воздействия радиационных поясов Ван-Аллена, располагающихся в плоскости экватора. Первый устойчивый пояс высокой радиации начинается примерно на высоте 1,5 тыс. км и простирается до нескольких тысяч километров, по ширине он простирается примерно на 300 км по обе стороны от экватора. Второй пояс Ван-Аллена располагается на высотах от 13 до 19 тыс. км, охватывая около 500 км по обе стороны от экватора. Поэтому средневысокие орбиты должны проходить между первым и вторым поясами Ван-Аллена, т. е. на высоте от 5 до 15 тыс. км.

Суммарная задержка сигнала при связи через ИСЗ на средневысотных орбитах составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для качественной радиотелефонной связи. Примером ССС на средневысотных орбитах могут служить системы ICO, Spaceway NGSO, «Ростелесат», в которых ОГ создается примерно на одной и той же высоте (10 352-10 355 км) со сходными параметрами орбит.

Низкие круговые орбиты (LEO) в зависимости от величины наклонения плоскости орбиты относительно плоскости экватора делятся на низкие экваториальные (наклонение 0°, высота 2000 км), полярные (90°, 700-1500 км) и наклонные (700-1500 км) орбиты. По виду предоставляемых услуг системы связи на низких орбитах

(LEO) подразделяются на системы передачи данных (little LEO), радиотелефонные системы (big LEO) и системы широкополосной связи (mega LEO, иногда используется обозначение Super LEO).

ИСЗ на этих орбитах чаще всего применяются для организации мобильной и персональной связи. Период обращения спутника на низких орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, время пребывания ИСЗ в зоне радиовидимости не превышает 10-15 мин, зона связи ИСЗ на этих орбитах мала, поэтому для обеспечения непрерывной связи необходимо, чтобы в ОГ входило не менее 48 ИСЗ.

Космический сегмент ССС

Искусственный спутник Земли (ИСЗ), входящий в состав ССС, представляет собой космический аппарат, на котором установлена ретрансляционная аппаратура: приемопередатчики и антенны, работающие на различных частотах. Они принимают сигналы земной передающей станции (ЗС), усиливают их, осуществляют преобразование частоты и ретранслируют сигналы одновременно на все ЗС, находящиеся в зоне радиовидимости спутника. На спутнике также установлена аппаратура управления его положением, телеметрии и питания. Устойчивость и ориентацию антенны поддерживает система стабилизации. Телеметрическое оборудование спутника используется для передачи на Землю информации о положении ИСЗ и приема команд коррекции положения. Ретрансляция принятой информации может осуществляться без запоминания и с запоминанием, например, на то время, пока ИСС не войдет в зону видимости ЗС.

Диапазоны частот для организации спутниковой связи выделены «Регламентом радиосвязи» с учетом «окон радиопрозрачности» земной атмосферы и естественных радиопомех (табл. 10.1). Распределение частот между службами радиосвязи строго регламентировано и контролируется государством. Существуют согласованные на международном уровне правила использования выделенных диапазонов, что необходимо для обеспечения электронной совместимости радиотехнических средств, работающих в этих или соседних диапазонах. Приемопередатчику ИСЗ выделяется пара частот: верхняя для передачи сигнала от ЗС на спутник (восходящие потоки информации), нижняя - от спутника к ЗС (нисходящие потоки информации).

Канал спутниковой связи, работающий на выделенных частотах приема и передачи, занимает определенную полосу частот (bandwidth), от ширины которой зависит количество информации, передаваемой по каналу в единицу времени. Типичный спутниковый приДиапазоны частот для организации спутниковой связи

емопередатчик, работающий на частотах от 4 ГГц до 6 ГГц, занимает полосу частот шириной 36 МГц. С помощью такого приемопередатчика можно организовать 6 телевизионных или 3600 телефонных каналов. Обычно на ИСЗ устанавливается 12 или 24 приемопередатчика (в ряде случаев больше), что дает в результате 432 МГц или 864 МГц соответственно.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили спутники, работающие в диапазонах частот С (4/6 ГГц) и Ки (11/14 ГГц). Как правило, спутники диапазона С обслуживают довольно большую территорию, а спутники диапазона Ки - территорию меньше, но обладают более высокой энергетикой, что дает возможность для работы с ними применять ЗС с антеннами малого диаметра и маломощными передатчиками.

Наземный сегмент ССС

Центр управления спутниковой связью (ЦУСС) контролирует состояние бортовых систем ИСС, планирует работы по развертыванию и восполнению орбитальной группировки, рассчитывает зоны радиовидимости и координирует работу ССС.

Земные станции ССС (ЗС) осуществляют передачу и прием радиосигналов на участке «Земля - ИСЗ», мультиплексирование, модуляцию, обработку сигнала и преобразование частот, организуют доступ к каналам ИСЗ и наземным сетям абонентских терминалов. Время связи ЗС с ИСЗ ограничено временем нахождения ИСС в зоне ее радиовидимости.

В ССС применяются многофункциональные приемопередающие, передающие, приемные и контрольные ЗС. На этих станциях устанавливается радиопередающая аппаратура, приемные и передающие антенны, а также система слежения, обеспечивающие связь с ИСЗ.

Многофункциональные стационарные ЗС обладают очень высокой пропускной способностью. Они располагаются на специально выбранных площадках, как правило, вынесенных за черту города во избежание взаимных радиопомех с наземными системами связи. На этих ЗС устанавливаются радиопередатчики большой мощности (от нескольких до десяти и более кВт), высокочувствительные радиоприемники и приемопередающие антенны, которые имеют узконаправленную диаграмму.

ЗС, имеющие среднюю пропускную способность, могут быть самыми разнообразными, а их специализация зависит от вида передаваемых сообщений. ЗС этого типа обслуживают корпоративные ССС, которые чаще всего поддерживают передачу видео, речи и данных, видеоконференцсвязь, электронную почту.

Некоторые ЗС, обслуживающие корпоративные ССС, включают несколько тысяч микротерминалов (англ. Very Small Aperture Terminal, VSAT). Все терминалы связаны с одной главной ЗС (MES - Master Earth Station), образуя сеть, имеющую звездообразную топологию и поддерживающую прием/передачу данных, а также прием аудио- и видеоинформации.

Технология VSAT в настоящее время является наиболее распространенной для класса наземных терминалов спутниковой связи. Преимущества наземных спутниковых станций с малой апертурой неоспоримы: быстрота развертывания, экономичность, высокая скорость передачи информации, возможность интеграции услуг.

Сегодня в мире насчитывается примерно 1,5 млн действующих VSAT-терминалов. Ежегодный рост мирового рынка VSAT-услуг - в среднем 22%. По оценкам специалистов, потребность России во VSAT составляет не менее 20 тыс. станций в год.

Признанными лидерами на рынке VSAT являются компания Hughes Network Systems (США) и Gilat (Израиль). Последние несколько лет с ними уверенно конкурирует американский производитель - ViaSat Inc. Оборудование компании ViaSat отлично подходит для российских условий и позволяет быстро и недорого создавать корпоративные мультисервисные сети (голос, данные, видеоконференцсвязь, доступ в Интернет и телерадиовещание), а также обеспечивать связью удаленные филиалы или производственные площадки даже в труднодоступных районах.

Наиболее известным в России продуктом ViaSat являются спутниковые IP-терминалы LinkStar для предоставления по спутниковому ка налу доступа в Интернет, цифрового мультимедийного обмена, видеоконференций, дистанционного обучения и организации частных виртуальных сетей, экономной Уо1Р-телефонии и телематических сетей.

Основные радиослужбы ССС

Фиксированная спутниковая служба (ФСС) представляет собой службу радиосвязи между земными станциями, имеющими заданное местоположение - фиксированный пункт, расположенный в определенных зонах. Основные направления использования фиксированной связи:

• организация магистральных, внутризоновых и местных линий связи;

• предоставление ресурса для создания сетей передачи данных;

• развитие корпоративных сетей связи и передачи данных с использованием современных VSAT-технологий, в том числе доступа в Интернет;

• развитие сети международной связи;

• распределение по территории страны федеральных, региональных, местных и коммерческих теле- и радиопрограмм;

• развитие сетей передачи полос центральных газет и журналов.

В нашей стране ФСС в ближайшие годы будет базироваться на спутниках «Горизонт», «Экспресс-A», «Ямал-100» и спутнике LMI-1 международной организации «Интерспутник», а также спутниках «Экспресс К», «Ямал 200/300». Спутниковые сети связи будут играть главную роль при модернизации систем связи в северо-восточных регионах России.

Подвижная спутниковая служба (ПСС)

Подвижная спутниковая служба (ПСС) включает систему подвижной спутниковой связи, которая обслуживает государственные и, в основном, корпоративные нужды и системы персональной подвижной связи, ориентированные на широкий круг потребителей.

В Российской Федерации система подвижной спутниковой связи развернута на базе спутников «Горизонт». Она используется для организации правительственной связи и в интересах ГП «Морсвязь-спут-ник», в этих целях могут также применяться такие системы, как «Ин-марсат» и «Евтелсат» (подсистемы «Евтелтракс»).

Системы персональной подвижной связи широко развиты за рубежом, в нашей стране они проходят путь становления. Российские предприятия участвуют в нескольких международных проектах персональной спутниковой связи («Иридиум», «Глобалстар», ICO и др.). Среди наиболее успешных проектов следует упомянуть арабский Thuraya и индонезийскую AceS/Garuda.

Радиовещательная спутниковая служба (РСС)

Сегодня радиовещательные службы в значительной мере строятся на базе спутников непосредственного телевизионного вещания, таких как ИСЗ «Бонум-1», который обеспечивает в Европейской части России передачу более двух десятков телевизионных программ. Такие ССС могут предоставить такие услуги, как цифровое ТВ высокой четкости, доступ в Интернет и др.

Система спутниковой связи «Банкир» Система спутниковой связи «Банкир» предназначена для оперативного обмена информацией в российских банковской и финансовой системах с выходом на банковские системы ближнего и дальнего зарубежья.

Космический сегмент представляет собой систему из трех геостационарных спутников связи «Купон», обеспечивающих ретрансляцию информационных потоков между пользователями. Бортовой ретрансляционный комплекс КА «Купон» представляет собой 24-ствольный спутниковый ретранслятор, работающий в диапазоне 11/14 ГГц. Каждый ствол имеет полосу пропускания шириной 36 МГц.

Наземный сегмент состоит из центральных и периферийных станций, которые обеспечивают обмен информационными потоками между спутниками связи «Купон» и абонентскими терминалами. К абонентским терминалам подключается аппаратура пользователя (телефонные и факсимильные аппараты, модемы ПК и др.).

Спутниковая сеть передачи данных «Банкир» обеспечивает: организацию каналов связи между двумя и более пользователями, возможность одновременного предоставления различных услуг: телефонной связи, передачи данных и факсимильных сообщений, организацию от одного до восьми каналов сопряжения с локальными вычислительными сетями, организацию передачи речевого сигнала с использованием стандарта GSM.

Абонентская аппаратура спутникового терминала на основе современных достижений VSAT-технологии позволяет создать компактную и экономичную интегрированную систему двухсторонней передачи цифровых данных, телефонных и факсимильных сообщений между удаленными друг от друга абонентами.

Аппаратура может быть укомплектована одной из антенных систем с диаметром параболических зеркал 0,9; 1,2, 1,5; 1,8 и 2,0 м. Для устойчивой связи антенная система должна устанавливаться в зоне прямой видимости спутника-ретранслятора.

Система спутниковой связи «Ямал» Система спутниковой связи «Ямал» - совместный проект российских компаний РАО «Газпром», РКК «Энергия» им. С. П. Королева, АО «Газком» и американских компаний Loral, Space Systems Loral.

Основная задача совместного проекта - развитие телекоммуникационных сетей в северных районах России, богатых залежами нефти и газа, а также осуществление оперативной связи с другими странами мира.

В 1997 г. был осуществлен запуск на геостационарную орбиту двух малых связных ИСЗ «Ямал», находящихся в позициях 19° з. д. и 75° в.д. Для обеспечения полного покрытия территории России и стран СНГ спутниковая группировка дополняется одним ИСЗ «Экспресс», который находится на той же орбите.

Спутники связи «Ямал» являются во многом новыми для всей космической индустрии России. Главная их особенность - отказ от термоконтейнеров для размещения полезной нагрузки и вынос ее в открытый космос. Эта особенность привела к уменьшению массы спутника и позволила вывести на геостационарную орбиту одним ракетоносителем «Протон» одновременно два спутника. Аппараты отвечают современным требованиям к стабилизации их положения на орбите (отклонение не более 0,1°). Срок активного существования спутников составляет 10 лет.

Приемный тракт ретранслятора работает на частоте 4 ГГц, а передающий тракт - на частоте 6 ГГц. С его помощью реализовано так называемое зональное обслуживание на основе межлучевых связей. Это позволяет наземным станциям связываться между собой.

Наземные станции связи имеют параболические антенны диаметром 4-5 м. Для ведомственных сетей телефонной связи и передачи данных применяются антенны диаметром 3,5 м. Ведутся работы по созданию отечественных малогабаритных спутниковых терминалов связи «Ямал-М», которые смогут конкурировать с известными зарубежными станциями типа Inmarsat-M. Система спутниковой связи «Ямал» позволяет транслировать телевизионные сигналы.

Система спутниковой связи Inmarsat

Первая глобальная спутниковая система подвижной связи Inmarsat-A была введена в эксплуатацию в 1982 г. влиятельной международной организацией Inmarsat (Interrational Maritime Satellite Telecommunication Organization), полноправным членом которой является Россия. Первоначальное предназначение системы заключалось в обеспечении надежной связью морских судов, находящихся в плавании. Позднее ее стали использовать сухопутные и воздушные потребители.

Система Inmarsat предоставляет на коммерческой основе услуги глобальной радиотелефонной, телексной, факсимильной связи, обмена данными и персонального радиовызова исключительно в мирных целях. Интересы стран в международной организации Inmarsat представляют уполномоченные правительствами государственные организации. В России уполномоченным представителем организации Inmarsat является государственное предприятие Морсвязьспутник.

Вначале система Inmarsat включала в себя спутники-ретрансляторы, размещенные на геостационарной орбите, что позволяет полностью обслуживать акватории Атлантического, Тихого и Индийского океанов.

В 1993 г. организация Inmarsat решила строить систему связи с использованием МЕО и GEO орбитальных группировок. Решение было основано на результатах фундаментальных исследований таких факторов, как стоимость, взаимодействие с системой, относительные сложность и риск, связанные с производством, внедрением и управлением большим количеством спутников.

В 1994 г. после всестороннего анализа было принято решение положить в основу системы связи концепцию МЕО и провести дальнейшие исследования с целью разработки перспективной системы Inmarsat-P, состоящей из 10 ИСЗ, размещенных на двух средневысотных орбитах (10 300 км) с наклонением 45°. Этот проект одержал победу благодаря следующим своим качествам: глобальная рабочая зона системы, высокие утлы возвышения спутников и большое число спутников, одновременно находящихся в поле зрения наблюдателя, продолжительный срок службы спутников (не менее 10 лет), приемлемая сложность управления орбитальной группировкой, полная интегрированность с наземными сотовыми радиосистемами, разумная стоимость проекта (2,4 млрд. долл.)

Для обеспечения коммерческого обслуживания морских и сухопутных подвижных объектов было развернуто 5 систем связи, ис пользующих геостационарные КА: Inmarsat-A, Inmarsat-B, Inmarsat-С, Inmarsat-M и Inmarsat-D. Система Inmarsat-A заработала как глобальная система с 1982 г. Обеспечивала свыше 17 тыс. судовых станций телефонной, телексной и факсимильной связью, а также высокоскоростной передачей данных. Терминалы Inmarsat-A были ориентированы на обслуживание малоподвижных объектов (судов, коммерческих самолетов), а также стационарных объектов, находящихся вне зон действия наземных служб передачи данных.

Система Inmarsat-C введена в коммерческую эксплуатацию в 1991 г. Она обеспечивала около 10 тыс. подвижных объектах передачей данных и телексных сообщений с промежуточным накоплением - SF (Store an Forward) - посредством очень небольших и легких терминалов.

Система Inmarsat-M введена в коммерческую эксплуатацию в 1993 г. и кроме двухсторонней цифровой телефонной связи обеспечивает передачу данным и телексной информации посредством душевых и легких терминалов (скорость 2,4 кбит/с). Система Inmarsat-М обеспечивает также интерфейс для обмена данными в сетях пакетной коммутации и электронной почты. В системе используется современная цифровая технология, что позволяет повысить эффективность использования выделенного диапазона частот и бортовых передатчиков. Терминалы Inmarsat-M (mini) представляют собой цифровой телефон весом не более 700 г, который по своему виду напоминает малогабаритную радиостанцию.

Система Inmarsat-B введена в эксплуатацию в 1994-1995 гг., и предназначена для замены Inmarsat-A. Она предоставляет аналогичные услуги (телефон, телекс, факс, передачу данных), но по более низким тарифам, что достигается благодаря более эффективному использованию спутников-ретрансляторов. На начало 1994 г. в эксплуатацию было введено 11 береговых станций Inmarsat-B, осуществляющих интерфейс с телефонными сетями общего пользования. Их количество быстро увеличивается: серийное производство освоено более чем 10 фирмами различных стран мира.

Система lnmarsat-D - односторонняя служба передачи сообщений мобильным пользователям от абонентов наземных сетей общего пользования - является естественным расширением пейджинговых сетей.

Inmarsat - единственная глобальная спутниковая система подвижной связи, которая на протяжении столь длительного периода демонстрирует постоянно растущие результаты своей деятельности. Это объясняется тем, что компания имеет устойчиво растущую або нентскую базу, ее руководители проводят осторожную и простую стратегию развития - постепенное наращивание спутникового сегмента, использование геостационарных позиций и разумное расширение номенклатуры предоставляемых услуг. Инвестиции компании ограничивались, как правило, суммой в 1 млрд долл. И наконец, оборудование для пользователей является сверхнадежным, что устраивает те группы пользователей, для которых оно предназначено.

Российские клиенты Inmarsat составляют около 5% абонентской базы, но генерируют более 17% общего трафика компании. Россия также удерживает лидерство по темпам роста абонентской базы Inmarsat - около 23% в год.

Система спутниковой связи Iridium

В 1987 г. компания Motorola Inc. приступила к разработке проекта низкоорбитальной спутниковой системы связи Iridium. Проект Iridium основан на широком международном сотруднические. Партнерами компании Motorola Inc. в международном консорциуме Iridium Inc., являлись такие ведущие фирмы, как DDI (Япония), Sprint, Lockheed и Raythleon (США), Государственный космический научно-производственный центр им. М. В. Хруничева (Россия) и др.

В разрабатываемом проекте вначале предполагалось использовать 77 спутников. Именно первоначально выбранному числу спутников проект обязан своим названием - 77-й элемент в таблице Менделеева как раз и есть иридиум. Правда, позже по ряду причин было решено уменьшить число спутников в орбитальной группировке до 66, но название проекта осталось прежним.

Основные параметры орбитальной группировки: орбиты с наклонением i = 86,4, число плоскостей - 6, число ИСЗ в одной плоскости - 11, высота орбит - 780 км, период обращения ИСЗ вокруг Земли - 100 мин.

Система Iridium предназначена для глобальной подвижной персональной связи по принципу «каждый - каждому» на основе меж-спутниковой связи. Каждый ИСЗ орбитальной группировки имеет радиолинии связи с двумя соседними ИСЗ, находящимися в одной орбитальной плоскости с ним, и двумя ИСЗ в соседних (слева и справа) орбитальных плоскостях.

Система Iridium обеспечивает следующие виды связи: дуплексная радиотелефонная связь, факсимильная связь, передача данных, а также услуги: связь между абонентами, имеющими персональные терминалы, связь абонентов общей телефонной сети с пользователя ми персональных спутниковых терминалов, передача сигналов оповещения на пейджер, определение местоположения (координат) абонентов.

Для оказания перечисленных видов услуг компания Motorola предлагает различные переносные малогабаритные (весом до 700 г) и мобильные (весом до 2,5 кг) персональные терминалы. Каждый пользовательский терминал регистрируется в национальной шлюзовой станции, где ему присваивается кодовый номер и оговаривается первоначальное территориальное размещение.

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 7,5 лет.

В системе Globalstar не предусмотрены межспутниковые связи, однако она рассчитана на постоянное двукратное покрытие земной поверхности (в широтном поясе от 70° ю.ш. до 70° с.ш.), 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.

Анализ деятельности систем спутниковой связи Iridium и Globalstar

В 1998 г. в коммерческую эксплуатацию была запущена система Iridium, в 1999 г. - Globalstar, которые смогли набрать около 40 тыс. и 80 тыс. пользователей. В них впервые была реализована идея персональной связи с помощью терминала типа «телефонная трубка».

Низкие орбиты обладают значительным преимуществом по сравнению с геостационарной в отношении энергетических характеристик, однако проигрывают по продолжительности сеансов связи и времени активного существования ИСЗ. Нельзя не упомянуть и еще об одном достоинстве низких орбит: они обеспечивают высокую комфортность связи за счет меньших задержек при распространении сигналов.

Однако первый опыт эксплуатации Iridium и Globalstar показал, что желающих выложить за «телефонную трубку» 1500 долл. и далее регулярно платить по 1,5-2 долл. за минуту разговора в мире не так уж и много. В то же время, по оценкам специалистов, чтобы окупить затраты на создание глобальной системы общей стоимостью 4-5 млрд долл., число ее абонентов должно быть не менее 400-500 тыс.

Дороговизна таких систем имеет глубокие технологические корни: чрезвычайно высока сложность, а значит, и стоимость их космических и наземных сегментов, поскольку для глобального охвата нужно достаточно много спутников и наземных станций. Для быстрой замены вышедших из строя ИСЗ необходимо иметь в каждой из орбитальных плоскостей как минимум по одному резервному спутнику.

Сохранение взаимного положения спутников на каждой орбите требует их периодического фазирования, т. е. возвращение в заданную точку орбиты с помощью включения корректирующих двигателей. В противном случае из-за действия на орбите различных дестабилизирующих факторов рабочей зоне системы появятся области, в которых отсутствует прием. Все это обуславливает высокие эксплуатационные расходы на развертывание орбитальной группировки (ОГ) и ее поддержание в работоспособном состоянии, что в конечном счете увеличивает и стоимость услуг.

Приведенные выше обстоятельства привели к тому, что система Globalstar пережила в 2002 г. банкротство и в марте 2003 г. контрольным пакетом акций оператора в обмен на инвестиции на сумму 55 млн долл. завладела компания ICO Global Communications. Это позволило GlobalStar продолжить деятельность - впрочем, без особого успеха, поскольку число абонентов оператора все еще не превышает 100 000, и это при том, что в компании заявляют, что проект выйдет на операционную прибыль, когда абонентская база оператора достигнет 200 000 человек. Банкротство и реструктуризацию пережила также система Iridium, которая, в прочем, в III квартале 2003 г. впервые в своей истории показала чистую прибыль в размере 12 млн долл.

Спутниковая система связи Thuraya

Спутниковая система связи Thuraya (в переводе с арабского - «люстра») является региональной системой связи. Зона покрытия - Северная и Центральная Африка, Ближний Восток, Индия, Европа, СНГ. Она создана по заказу Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭ), использует спутники на геостационарной орбите. Столь необычное название заслужила благодаря уникальной бортовой антенной системе, которая способна посылать на земную поверхность большое число узких лучей (свыше 250) с изменяемой интенсивнос тью и конфигурацией областей «освещенности», при этом излучаемая мощность может гибко перераспределяться между лучами, допускается сосредоточить в любом из них до 20% общей мощности, что обеспечивает гибкое адаптивное изменение пропускной способности ретрансляторов в зависимости от реальной нагрузки в той или иной зоне обслуживания.

Зона покрытия простирается по долготе от 20° з.д. до 100° в.д. и по широте от 20° ю.ш. до 60° с.ш., включает 99 стран Европы, Северной и Центральной Африки, Среднего Востока, Центральной Азии и Индии. На этой территории проживает около 40% мирового населения.

Система создана в рамках новой концепции построения систем спутниковой связи, которая получила развитие в середине 1990-х гг. Основные положения концепции: построение систем с региональным, а не глобальным покрытием; совместимость с существующими GSM сетями наземных сотовых операторов; позиционирование спутника на геостационарной орбите; последовательный, а не одновременный запуск так называемых спутников-тяжеловесов (вес спутника выше 1800 кг); длительный срок жизни космического аппарата - не менее 12 лет.

В рамках этой концепции наиболее привлекательны с экономической точки зрения региональные системы с 1-2 ИСЗ, расположенными на геостационарной орбите, которые обходятся в 2-5 раз дешевле, чем глобальные. Инвесторов соблазняет и то, что для развертывания региональной сети на начальном этапе требуется минимум оснащения - всего один спутник и один комплект наземного оборудования для контроля и управления работой системы связи.

На первом этапе развертывания Thuraya работала через один геостационарный спутник Thuraya 1, размещенный в точке стояния 44° в.д., на втором этапе был выведен спутник Thuraya 2 в точку 25° в.д.

Система Thuraya, общей стоимостью около 1 млрд долл., была создана «под ключ» компанией Boeing Satellite Systems (бывшая Hughes Space and Communications International, Inc.). Контракт включал в себя производство двух геостационарных спутников, запуск первого спутника, производство и пуск наземного сетевого оборудования, производство около 250 тыс. трубок стандарта «спутник/GSM/GPS» и страхование проекта.

Диаметр антенны на борту ИСЗ составляет 12,5 м, бортовой ретранслятор Thuraya обеспечивает организацию прямой связи между мобильными абонентами, работающими через разные лучи. Это очень важно, так как позволяет избежать «двойного скачка» (когда групповой поток сбрасывается вниз, перекоммутируется на земных станциях сопряжения и снова возвращается на борт КА). Связь мобильных абонентов с абонентами сетей общего пользования осуществляется в режиме «прозрачной» ретрансляции, т. е. вся обработка информации выполняется на земной станции. Фактически происходит групповой перенос спектра частот из L в С-диапазон частот и обратно. Солнечные батареи спутника дают выходную мощность, равную 13 кВт.

Персональная связь в системе Thuraya организуется так, что там, где имеются сотовые зоны покрытия, она обеспечивается наземными сетями, а за их пределами - в спутниковом режиме.

В отличие от низкоорбитальных систем Iridium и Globalstar, которые вынуждены поддерживать сопряжение с большим числом разнотипных стандартов, используемых в разных регионах мира (GSM, AMPS, TDMA, CDMA, PDC), региональная связь осуществляется в двух режимах - GSM/Thuraya.

Система поддерживает весь спектр стандартных GSM-услуг, включая передачу речи, данных и факсимильных сообщений со скоростью от 2,4 до 9,6 кбит/с.

Услуги по определению местоположения, в последние годы это одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений связи, осуществляются при помощи GPS-приемников с точностью не менее 100 м.

В состав пользовательского сегмента включены несколько типов терминалов - портативные, мобильные (возимые), полуфиксиро-ванные (Semi-Fixed) и морские.

Базовое абонентское устройство - портативный терминал типа «телефонная трубка». Для его питания используются ионно-литиевые батареи емкостью 650/1200 мАч. Максимальное время разговора в режиме спутниковой связи составляет 2,4 ч (батарея на 650 мАч) или 4 ч (1200 мАч), а в режиме ожидания - 34,1 ч (650 мАч) или 63 ч (1200 мАч). Стоимость «телефонной трубки» 1500 долл.

Мобильный терминал, по сути, состоит из портативного терминала и набора дополнительных средств, обеспечивающих его работу в движении. Максимальная излучаемая мощность передатчика - 2 Вт, т. е. она сопоставима с мощностью мобильных GSM-терминалов.

Полуфиксированный терминал («таксофон») также будет создан на базе портативного терминала и оснащен средствами для его установки.

10.2. СПУТНИКОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ (СРНС)

Функция определения места сегодня входит в комплекс услуг, предоставляемых многими современными спутниковыми системами связи, например, глобальными спутниковыми системами персональной связи Globalstar, Iridium, где эта задача решается собственными средствами, региональной спутниковой системой персональной связи Thuraya, где координаты определяются с помощью сигналов спутниковой радионавигационной системы G PS, спутниковой системы коммерческого управления транспортом Euteltracs, в которой предусмотрен собственный режим определения координат.

Принципиальные отличия услуг по определению координат современных спутниковых радионавигационных систем состоят в том, что СРНС являются специализированными системами, которые предоставляют возможность определять координаты с очень высокой точностью и большой надежностью, существенно превосходящей ту, которая предоставляется системами связи, определение координат в них осуществляется пассивным способом, что позволяет существенно уменьшить габариты и стоимость аппаратуры потребителя, возможность определять координаты в СРНС предоставляется на бесплатной основе всем обладателям аппаратуры потребителя, в то время как в спутниковых системах связи необходимо платить абонентскую плату, помимо координат СРНС позволяют определять в реальном масштабе времени три составляющие скорости, точное время и направление движения, эти возможности позволяют оценивать оптимальность маршрутов перемещения транспорта и/или груза, соблюдение правил движения и договорных обязательств, совокупность информации, которую можно получить в результате обработки сигналов СРНС, позволяет создавать автоматизированные системы управления транспортными, грузовыми и пассажирскими потоками.

Потребность в оперативной высокоточной навигации сухопутных, морских, воздушных и низкоорбитальных космических объектов обусловили создание в 1970-1990-е гг. среднеорбитальных СРНС второго поколения - системы ГЛОНАСС (от - Глобальная Навигационная Спутниковая Система) в СССР и NAVSTAR {англ. NAVigation Sattelite providing Time And Range) в США, позднее появилась другое общепринятое название GPS {англ. Global Positioning System), когда система стала использоваться не только для военных, но и для мирных целей, несколько позже в профессиональную лек сику был введен термин GNSS (англ. Global Navigation Satellite System) - глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС).

Основное назначение СРНС второго поколения - глобальная оперативная навигация приземных подвижных объектов: наземных (сухопутных, морских, воздушных) и низкоорбитальных космических. Термин «глобальная оперативная навигация» означает, что подвижной объект, оснащенный навигационной аппаратурой потребителя (НАП), может в любом месте приземного пространства в любой момент времени определить (уточнить) параметры своего движения - три координаты и три составляющие вектора скорости, а также поправку к бортовой шкале времени и скорость ее изменения. Поскольку эти системы предоставляют для потребителя возможность высокоточной синхронизации, то это свойство широко используется в связных системах для увеличения скорости передачи данных.

Принцип определения своего места в глобальной системе позиционирования заключается в одновременном измерении расстояния до нескольких навигационных спутников (не менее трех) - с известными параметрами их орбит на каждый момент времени, и вычислении по измененным расстояниям своих координат.

В СРНС второго поколения применяются навигационные ИСЗ (НИСЗ) на круговых орбитах с высотой 20 ООО км над поверхностью Земли. Благодаря использованию атомных стандартов частоты (АСЧ) на НИСЗ в системе обеспечивается взаимная синхронизация навигационных радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой спутников.

Радионавигационное поле в СРНС второго поколения наряду с основной функцией (глобальная автономная оперативная навигация приземных подвижных объектов) позволяет проводить: локальную высокоточную навигацию наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных) на основе дифференциальных методов навигации с применением стационарных наземных корректирующих станций.

СРНС второго поколения включают в себя три сегмента: орбитальную группировку (ОГ) навигационных спутников; наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой НИСЗ; навигационную аппаратуру пользователей (НАП).

Принципы построения СРНС ГЛОНАСС и GPS в общих чертах идентичны, но отличаются техническим выполнением подсистем.

В настоящее время можно выделить следующие основные категории пользователей навигационных и связных услуг:

• в системах обеспечения безопасности движения воздушного и водного (морского и речного) транспорта, деятельность которых регламентируется ИКАО и ИМО и при котором предусматривается непрерывное глобальное обеспечение связи и навигации;

• персональные пользователи средств навигации и связи;

• дальние транспортные и грузовые перевозки, транспортировка контейнеров смешанными видами транспорта;

• местное движение, включая связь и навигацию на дорогах и в пределах города;

• обеспечение навигационными средствами индивидуального транспорта;

• движение в сельских, удаленных, малонаселенных и лесных районах;

• связь и навигация на железнодорожном транспорте, повышение интенсивности движения поездов без угрозы безопасности, контроль местонахождения вагонного парка;

• навигация и связь для малых судов, рыболовства и отдыха на воде;

• обеспечение деятельности различных служб в чрезвычайных ситуациях (спасательные службы, службы скорой помощи, милиция, пожарная служба).

При разработке и в начале функционирования спутниковых систем навигации их точностные характеристики обеспечивали практически все категории потребителей и фазы маршрутов движения.

Использование наиболее массовых одночастотных приемников, работающих по открытым кодам, позволяло определять координаты с точностью 20-50 м. Сейчас такой уровень точности уже не всегда удовлетворяет требованиям некоторых групп потребителей и безопасности судовождения в условиях ограниченной возможности маневрирования.

Для повышения точности определения местоположения появилась необходимость внедрения функциональных дополнений к СРНС, одним из которых являются дифференциальные подсистемы для формирования и передачи корректирующей информации (КИ). В резолюции ИМО А 915.(22) 2001 г. определен допустимый предел погрешности определения координат для дифференциальной подсистемы -Юм при вероятности Р = 95%.

В настоящее время во многих странах на морских акваториях и внутренних водных путях для целей навигации и гидрографии активно внедряются и используются локальные дифференциальные подсистемы (ЛДПС).

При этом корректирующая информация формируется наземной контрольно-корректирующей станцией (ККС) и передается потребителю по радиомаячному каналу в частотном диапазоне 283,5-325 кГц.

Дальность действий таких ККС зависит от мощности передатчика, типа антенны и может превышать 300 км.

В США, Канаде, Германии, Швеции, Финляндии, Португалии, Китае ЛДПС являются ядром национальных дифференциальных подсистем GPS, управляются государственными структурами этих стран и используются в качестве одного из ключевых элементов при проектировании и внедрении автоматических идентификационных систем (АИС) и систем управления движением судов (СУДС).

Помимо повышения точности навигационных определений, ЛДПС выполняют функцию контроля целостности СРНС (выявление аномалий в работе спутников и передача потребителям рекомендаций о непригодности таких спутников для навигации). Дифференциальный сервис с использованием сетей радиомаяков, как правило, является общедоступным и бесплатным. Однако возможным вариантом поддержания и развития сети ЛДПС является взимание сбора, аналогичного маячному.

В России уже функционируют ряд ККС, использующие радиомаяки для передачи КИ для СРНС ГЛОНАСС и НАВСТАР. Они установлены на побережьях Черного, Балтийского, Каспийского морей и др., в районах гидросооружений «Волго-Балт».

Рабочие зоны ККС, где использование поправок эффективно, определяется не столько дальностью передачи поправок, сколько свойствами СРНС. Чрезмерное увеличение дальности доставки корректирующей информации вступает в конфликт с точностными характеристиками.

Минтранс США определил потенциальные точностные характеристики стандартного (передача поправок для одночастотного приемника) дифференциального режима: 0,5 м в непосредственной близости от места формирования поправок плюс 1 м на каждые 150 км удаления при вероятности Р = 95%. То есть потенциальным пределом дальности для точности 10 м можно считать 1425 км. Однако у специалистов есть значительные сомнения в корректности такой линейной зависимости, так как на удалениях свыше 500-600 км деградация точности за счет пространственной декорреляции ионосферной погрешности в точках формирования и применения поправок будет резко возрастать.

В целях повышения точности, доступности и целостности СРНС за рубежом разрабатываются и другие функциональные дополнения к GPS. К ним относятся так называемые широкозонные дифференциальные подсистемы, передающие поправки через геостационарные спутники Земли. Это WAAS для Северной Америки, MSAS для Дальнего Востока, EGNOS для Европы и некоторые другие.

Примерами уже существующих широкозонных подсистем являются OMNISTAR и STARFIX, принадлежащие холдингу FUGRO.

Характеризуя эти подсистемы, специалисты отмечают следующие моменты:

• потребители полностью зависят от владельцев частной иностранной компании;

• передаются поправки только для спутников GPS;

• гарантированной зоной обеспечения при использовании для передачи КИ спутников на геостационарной орбите является полоса вдоль экватора шириной от -70 до +70 градусов широты, таким образом, обеспечение точной навигацией северных морей и устьевых участков рек азиатской части России затруднено;

• оказание услуг дифференциального сервиса платное и осуществляется по подписке.

Развертывание отечественных ЛДПС является быстро окупаемым способом обеспечения морского и речного флотов точной навигацией. Анализ результатов по использованию системы в районе г. Нижнего Новгорода показал следующее.

Сокращение простоев, связанных с запрещением движения судов в условиях ограниченной видимости, снижение коммерческих и технических убытков вследствие аварий, сокращение расходов на путевые и дноуглубительные работы дают значительную экономию. Так, в начальный период, когда аппаратурой потребителей были оснащены единицы судов (путейские теплоходы и земснаряды), срок окупаемости системы составил 1,4 года.

⇐Dect-texi-юлогия | Информационные системы и технологии | Срнс глонасс⇒