5.5.1. Классификация сетей спутниковой связи

Сети персональной спутниковой связи (СПСС) обладают рядом преимуществ по срав­нению с рассмотренными ранее сетями подвижной связи. Например, если пользователь на­ходится за пределами зоны обслуживания местных сотовых систем, спутниковая связь играет ключевую роль, поскольку она не имеет ограничений по привязке к конкретной местности. Во многих регионах спрос на услуги подвижной связи может быть удовлетворен только с помощью спутниковых систем.

В зависимости от вида предоставляемых услуг ССС можно разделить на три основных сласса: речевой (радиотелефонной) связи; пакетной передачи данных (ППД); определения L_ местоположения (координат) потребителей.

При радиотелефонной связи в ССС используют цифровую передачу сообщений, при этом обязательно должны выполняться международные стандарты! В таких системах за­держка сигнала на трассе распространения не должна превышать 0,Т с и переговоры абонен­тов не должны прерываться во время сеанса связи. Обслуживание абонентов должно быть непрерывным и происходить в РМВ. В этом случае при построении радиотелефонной спут­никовой сети необходимо учитывать[следующие требования: спутники должны оснащаться высокоточной системой ориентации для удержания луча их антенны в заданном направле­нии; количество спутников в системе должно быть достаточным для обеспечения сплошного и непрерывного покрытия зоны обслуживания; для обеспечения достаточного количества каналов связи должны применяться многолучевые антенньге системы, работающие на высо­ких частотах (более 1,5 ГГц), что значительно усложняет конструкцию антенн и космических аппаратов (КА); для обеспечения непрерывности радиотелефонной связи через спутник, ос­нащенный многолучевыми антенными системами, требуется большое количество узловых (шлюзовых) станций (ШС) с дорогим коммуникационным оборудованием [3, 4, 10, 72].

Системы пакетной передачи данных (ППД) предназначены для передачи в цифровом виде любых данных (телексных, факсимильных сообщений, компьютерных данных и ар.П Скорость ППД данных в космических системах связи составляет от единиц до сотен кило­байт в секунду. В этих системах, как правило, не предъявляется жестких требований к опера­тивности доставки сообщений. В таком режиме работает «электронная почта» (поступившая информация запоминается бортовым компьютером и доставляется корреспонденту в заранее определенное время суток).

Для определения местоположения абонента применяется стандартная навигационная аппаратура GPS систем ГЛОНАСС/НАВСТАР, которая обеспечивает очень высокую точность определения координат потребителя и специальная навигационная аппаратура, которая по сигналам спутников персональной связи и/или ШС позволяет определять координаты по­требителя, но с меньшей точностькД Используя аппаратуру второго типа, можно определять координаты абонента по сигналам 4-х спутников персональной связи, ШС, спутников и ШС.

Значительный прогресс в развитии СПСС достигнут благодаря внедрению новых техни­ческих решений, ключевыми из которых можно считать: обработку сигнала на борту спутника-ретранслятора (СР), создание перспективных сетевых протоколов обмена информацией и при­менение недорогих портативных пользовательских терминалов с малым энергопотреблением.

В зависимости от назначения ССС могут быть военными, гражданскими государст­венными (например, системы телевизионного вещания) или коммерческими; стационарными (фиксированными) или подвижными; связь может осуществляться в РВ или с задержкой (на­пример, с накоплением и последующим «сбросом» информации).

В космических системах, решающих задачи персональной связи, используются спут­ ники, которые могут находиться на различных орбитах.[В* настоящее время для решения за­ дач персональной радиосвязи применяют следующие типы спутников: высокоорбитальные, или геостационарные (GEO) - с круговыми экваториальными орбитами высотой около 40 тыс. км; при этом период обращения спутника вокруг Земли равен 24 ч, т.е. спутник оказыва­ ется неподвижным относительно Земли: он постоянно «висит» над одной и той же точкой экватора; среднеорбитальные (МЕО) - с круговыми орбитами высотой порядка 10 тыс. км; низкоорбитальные (LEO) — с круговыми орбитами высотой 700-1500 KM.J Высота орбит КА выбирается на основании анализа многих факторов, включая энергетические характеристики радиолиний, задержку при распространении радиоволн, размеры и расположение обслуживаемых территорий, способ организации связи и требования по обес- печению необходимого значения угла места КА.

КА, находящийся на низкой орбите, попадает в зону прямой видимости абонента лишь на 8-12 мин. Значит, для обеспечения непрерывной связи любого абонента потребуется большое число КА, которы последовательно (при помощи шлюзовых станций или межспут-\ никовой связи) должны обеспечивать непрерывную связь. С увеличением высоты орбиты КА ( зона прямой видимости СР и абонента увеличивается, что приводит к уменьшению количе­ства спутников, необходимого для обеспечения непрерывной связи.|таким образом, с увели­чением высоты орбиты увеличиваются время и размеры зоны обслуживания и, следователь­но, требуется меньшее число спутников для охвата одной и той же территории.

В системах, использующих КА, расположенные на средневысотных орбитах, задержка распространения сигналов через СР составляет примерно 130 мс, что практически неуловимо для человеческого слуха и, следовательно, позволяет использовать такие спутники для ра­диотелефонной связи.

Геостационарные КС обладают двумя важными преим^ццествами: спутники всегда на­ходятся над определенной точкой Земли; система, состоящая из трех геостационарных спут­ников, практически обеспечивает глобальный обзор земной поверхности.

Однако орбитальные группировки (ОР), состоящие из геостационарных спутников, имеют о^]лн_с\[ш^твенны^нсцостутт- большое время распространения радиосигналов, что приводит к задержкам передачи сигналов при радиотелефонной связиД

Системы ПСС по сфере предоставляемых услуг имеют много общего с наземными со­товыми системами. Передача всех видов информации ведется в цифровой форме со скоро­стями 1200-9600 бит/с. Телефонный режим организуется с помощью встроенных в абонент­ский терминал (AT) вокодеров, которые обеспечивают переменную скорость передачи рече­вого сигнала. Кроме дуплексной телефонной связи, персональные AT позволяют подключать ПК и поддерживают разнообразный набор услуг: передача факсимильных сообщений, элек

Рис. 5.1. Структура систем спутниковой связи

Таблица 6.1. Диапозон частот спутниковых систем связи

Число спутников в ОГ определяется из следующих соображений. Например, низкоорбитальный спутник находится на высоте около 1000 км и движется по орбите со скоростью примерно 7 км/с. Время, в течение которого его можно наблюдать из некоторой точки поверхности Земли (время видимости), не превышает 14 мин. После этого спутник «уходит» за линию горизонта. Для поддержания непрерывной связи (например,

при телефонном разговоре) необходимо,чтобы в тот момент, когда первый спутник покидает зону обслуживания, на смену ему приходил второй, за ним - третий и т.д. Глобальные СПСС должны постоянно держать в поле зрения своих антенн всю поверхность планеты. Это напоминает принцип сотовой спутники [10, 72].

Для надежного охвата всей территории Земли необходимо иметь большое количество спутников. С увеличением высоты орбиты уменьшается необходимое количество спутников, так как увеличивается время и зона видимости, что обусловливает снижение стоимости ОГ и, соответственно, услуг. Но при этом усложняются и становятся более дорогими ПСТ (из-за увеличения дальности связи Земля - Космос - Земля). Таким образом, число спутников в ОГ является результатом компромисса между стоимостью и желаемым объемом услуг связи, с одной стороны, и простотой и ценой ПСТ - с другой.

Чтобы обеспечить связью абонентов не только в зоне видимости одного КА. но и на всей территории Земли, соседние спутники должны связываться между собой и передавать информацию по цепочке, пока она не дойдет до адресата. Эту задачу в некоторых системах выполняют наземные шлюзовые станции (ШС), которые транслируют информацию с одного КА надругой.

Т Наземный сегмент состоит из центра управления системой (ЦУС), центра запуска КА, центра управления связью и шлюзовых станций (ШС).

"Р" ЦУС осуществляет слежение за КА, расчет их координат, сверку и коррекцию време­ни, диагностику работоспособности бортовой аппаратуры, передачу служебной (командной) информации и T.flJ Данные функции управления выполняются на основе телеметрической информации, поступающей от каждого КА орбитальной группировки. Для управления ОГ в различных режимах работы КА используют как штатные каналы связи (с учетом перекрест­ной спутниковой связи), так и отдельные, территориально разнесенные КИС. Благодаря это­му ЦУС позволяет обеспечить с достаточно высокой оперативностью: контроль запуска и точность вывода КА на заданную орбиту, состояния каждого КА, контроль и управление ор­битой отдельного КА, КА в нештатных режимах работы; вывод КА из состава ОГ.

Передача служебной информации на КА осуществляется через территориально-разнесенные основные и резервные станции КИС.

Центр запуска КА определяет программу запуска, осуществляет сборку ракеты-носителя, ее проверку, а также установку полезной нагрузки (КА) и проведение предстарто­вых проверок и испытаний^После запуска ракеты-носителя производят траекторные измере­ния на активном участке полета, которые транслируются в ЦУС, где для формирования про­межуточной орбиты корректируются расчетные траекторные данные. Последующее управ­ление КА осуществляется ЦУС.

"Центр управления связью планирует использование ресурса спутника, координируя эту операцию с ЦУС, осуществляет через национальные ШС анализ и контроль связи, а так­же управление. Нормальных условиях работы ОГ связь с ШС и пользовательскими терми­налами осуществляется автономно. В нештатных ситуациях (в случае вывода отдельного КА из группировки или при выходе из строя элементов ШС) центр переходит в режим поддер­жания связи с повышенной нагрузкой, а в особых случаях предусматривается также возмож­ность реконфигурирования сети.

Шлюзовая станция (шлюз) состоит из нескольких приемопередающих комплексов (обычно не менее трех), в каждом из которых имеется следящая параболическая антенна. Применение нескольких приемопередающих комплексов позволяет практически без наруше­ния связи переходить последовательно от одного КА к другому. Для управления большим потоком информации в состав ШС включены быстродействующие ЭВМ, в которых имеется банк данных персональных терминалов. ШС в своем составе имеют коммутационное обору­дование (интерфейсы связи) для соединения с различными наземными системами связи. Ос­новной задачей любой ШС является организация дуплексной телефонной связи, передача факсимильных сообщений, а также данных больших объемов.

Состав пользовательского сегмента определяется номенклатурой предоставляемых ССС услуг. СПСС предназначены для предоставления следующих видов услуг: связи або­нентов, имеющих ПСТ, между собой; дуплексной связи абонентов, имеющих ПСТ, с абонентами ТфОП, пейджинговых и сотовых сетей, а также частных каналов связи, если указанные сети подключены к интерфейсам связи ШС; определение местоположения (координат) або­нентов системы сотовой связи.

Для организации спутниковой связи применяют переносные ПСТ (весом около 700 г) и МТ (весом около 2,5 кг). Данные терминалы способны устанавливать связь между абонен­тами за 2 с, как и в системе сотовой связи. В настоящее время многие фирмы предлагают пользователям следующие типы спутниковых терминалов (СТ): портативные терминалы (спутниковый телефон); переносные персональные терминалы; мобильные терминалы для автотранспортных, авиа- и морских средств; малогабаритные пейджинговые терминалы; терминалы для коллективного пользования. ПСТ подвижной связи работают в диапазонах частот 137-900 и 1970-2520 МГц, кото­рые почти не отличаются от диапазона частот сотовой связи (450-1800 Mru).J

Спутниковый телефон (СТ) представляет собой малогабаритную конструкцию со встроенной антенной, не требующей ориентации на спутник. Весит он около 800 г - немного больше, чем обычный сотовый телефон. Он обладает простой системой управления. Набор номера производится с помощью кнопочного поля. Система автоматически находит свобод­ный канал и закрепляет его за абонентом на время разговора. Как правило, в таких телефонах используется временное или частотное уплотнение каналов, хорошо зарекомендовавшее себя в многоканальной сотовой связи.

Существуют спутниковые телефоны, которые дают возможность пользователям сде­лать выбор между сотовой связью и ССС. Сопряжение спутникового телефона с сетями со­товой связи обеспечивает дополнительное устройство - SIM-карта. Пока такие карты разра­ботаны для телефонов стандартов GSM и D-AMPS.J

В последнее время большое внимание уделяется созданию ССС на основе технологии VSAT, позволяющей изготовлять спутниковые терминалы с диаметром антенн до 2,5 м. Даже при малой скорости (64 кбит/с) VSAT-терминал обеспечивает одновременную передачу не­скольких телефонных разговоров, поддерживает обмен данными и факсимильными сообще­ниями. При необходимости эта скорость может быть увеличена до 512 кбит/с, а в некоторых терминалах и до 2048 кбит/с. СТ, как правило, устанавливается в непосредственной близости от рабочего места пользователя и, по существу, является персональным средством связи. Большинству пользователей ССС в первую очередь необходима не высокая скорость переда­чи информации, а возможность подключения СТ к различной периферийной аппаратуре.

Одной из разновидностей стационарного СТ является спутниковый таксофон. Отдель­ную группу AT составляют алфавитно-цифровые и цифровые пейджеры. Скорость передачи информации относительно невысока и составляет 2400 бит/с (AT Globalstar в некоторых ре­жимах способны обеспечивать скорость до 9600 бит/с). Передаче информации предшествует процесс установления соединения, занимающий по времени от 2 до 30 с.

Bce системы глобальной спутниковой связи предлагают примерно одинаковый набор услуг: передача речи (телефонная связь), факсимильных сообщений, данных, ПР (пейджинг), определение местоположения абонента, глобальный роуминг.

Эти услуги реализуются в режиме предоставления канала по запросу, причем время его предоставления в наиболее совершенных ССС не превышает 2 с. В некоторых системах существуют определенные различия по скорости передачи информации. Например, в системе Inmarsat-D скорость составляет 2,4 кбит/с, а в Globalstar - 1,2-9,6 кбит/с. При таких характе­ристиках потребителю обеспечивается достаточно качественная телефонная связь, передача факсимильных сообщений и низкоскоростная ПД.