Системмы подвижной спутниковой связи

     Содержание: 

     Введение…………………………………………………………………….3

     Классификация систем спутниковой связи………………………………3

     Состав  систем спутниковой связи с подвижными объектами…………..5

     Назначение  и этапы развития системы «Инмарсат»……………………6

     Система спутниковой связи «Инмарсат-А»……………………………..6

     Система спутниковой связи «Инмарсат-В»……………………………10

     Система спутниковой связи «Инмарсат-С»……………………………10

     Система спутниковой связи «Инмарсат-М»……………………………11

     Многоспутниковая  низкоорбитальная система связи  «Гонец»………12

     Глобальная  система спутниковой персональной связи «Иридиум»…15

     Глобальная  система спутниковой связи «Глобалстар»………………19

     Система подвижной спутниковой связи  «Полярная звезда»…………21

     Система подвижной спутниковой связи  «Одиссей»…………………..22

     Анализ  состояния и тенденций развития геостационарных систем спутниковой связи с подвижными объектами………………………………..24

     Анализ  состояния и тенденций развития низкоорбитальных систем спутниковой связи с подвижными объектами……………………………….26

     Список  литературы……………………………………………………….27 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Связь является одной из наиболее динамично  развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества с учетом его  эволюции от индустриального к информационному. Такому положению дел способствует постоянный рост количества абонентов и спрос на ассортимент услуг связи.

     В последние годы наиболее бурное развитие в РФ и в мире получили сети подвижной радиосвязи, поскольку они больше других сетей связи соответствуют принципам глобализации и персонализации связи и обеспечивают повышение оперативности обмена информацией между абонентами самых различных категорий на любых расстояниях.

     Данная работа посвящено анализу основных характеристик и принципов построения одной из разновидностей СПР: спутниковым системам связи с подвижными объектами.  

     Классификация систем спутниковой  связи 

     Спутниковая связь является быстро развивающимся  перспективным видом связи, что  обусловлено такими ее достоинствами, как:

     - возможность обслуживания большого количества абонентов, удаленных на значительные расстояния и расположенных в любых регионах Земли;

     - простота реконфигурации систем спутниковой связи (ССС) при изменении мест расположения абонентов;

     - независимость затрат при организации связи от расстояния между объектами;

     - незначительное влияние атмосферы и географических особенностей мест установки земных станций (ЗС) на устойчивость связи.

     Принцип действия систем спутниковой связи (ССС) основан на использовании промежуточного спутникового ретранслятора (РС), через который обеспечивается связь между Землей и спутником (рис. 1).

     В зависимости от назначения ССС связываемые пункты могут быть расположены на поверхности Земли, в атмосфере или космосе. В каждом из этих пунктов устанавливается обычно приемно-передающая связная радиостанция (одноканальная или многоканальная), а на спутниках — СР, принимающие радиосигналы от одних абонентов и ретранслирующие эти сигналы другим абонентам. В простейшем случае ретрансляция сводится к усилению мощности входных сигналов и переносу их спектров на другие несущие частоты. Однако в ряде ССС в СР производится более сложная обработка сигналов, чтобы уменьшить перекрестные помехи между сигналами от различных ССС и повысить помехоустойчивость системы. В общем случае для обеспечения качественной связи между всеми пунктами (абонентами) СР приходится размещать на нескольких спутниках, вращающихся на различных орбитах.

Рис. 1. Принцип действия систем спутниковой связи

     Системы спутниковой связи различают по степени глобальности и универсальности обслуживания абонентов. Степень глобальности ССС характеризуется принадлежностью и размером зоны обслуживания, а универсальности ССС — набором категорий абонентов и числом видов предоставляемой связи.

     По  принадлежности ССС подразделяются на международные, национальные, корпоративные. По зоне обслуживания ССС делятся на глобальные, региональные, зоновые (рис. 2).

Рис. 2. Зоны обслуживания систем спутниковой связи

     В системах спутниковой связи осуществляется передача следующих видов информации: программ телевидения и звукового вещания и других видов симплексных сообщений циркулярного характера; телефонных, факсимильных, телеграфных сообщений, видеоконфенций, цифровых передач — симплексных или дуплексных по своему характеру.

     В зависимости от типа ЗС и назначения ССС различают следующие службы радиосвязи: фиксированную спутниковую службу, соответствующую режиму радиосвязи между ЗС, расположенных в фиксированных пунктах при использовании одного или нескольких спутников; подвижную спутниковую службу, соответствующую режиму радиосвязи между подвижными ЗС при использовании одного или нескольких спутников; радиовещательную спутниковую службу, соответствующую режиму циркулярной радиосвязи.  

     Состав  систем спутниковой  связи с подвижными объектами 

     В состав систем спутниковой связи с подвижными объектами, структура которой приведена на рис. 3, независимо от их назначения входят такие компоненты, как: 1) космическая станция, представляющая собой спутниковый ретранслятор (СР), включающая в себя приемопередающее устройство, антенны для приема и передачи радиосигналов, а также ряд систем обеспечения энергоснабжения, ориентации антенн и солнечных батарей, коррекции положения ИСЗ на орбите и т.д.; 2) абонентские ЗС, обеспечивающие дуплексный обмен информацией; 3) центральная (координирующая) ЗС (ЦЗС), обеспечивающая контроль за режимом работы СР и соблюдением ЗС важных для работы системы параметров (излучаемой мощности, несущей частоты, вида поляризации, характеристик модулирующего сигнала и т.д.); 4) центральная ЗС системы управления и контроля ИСЗ (ЦУС), обеспечивающая управление всеми техническими средствами, размещенными на ИСЗ, и контроль за их состоянием; 5) соединительные наземные линии (СНЛ), обеспечивающие подключение ЗС к источникам и потребителям передаваемой информации; 6) центр управления (ЦУП) системой, представляющий орган, осуществляющий руководство эксплуатацией системы и ее развитием.

Рис. 3. Структура систем спутниковой связи 
 

     Назначение  и этапы развития системы спутниковой связи «Инмарсат»

     Международная ССС «Инмарсат» существует с 1982 г. и  в настоящее время объединяет 67 стран. По первоначальному замыслу система предназначалась для обеспечения глобальной телефонной и телеграфной связи, передачи данных с целью повышения безопасности мореплавания и эффективности управления морскими судами.

     ССС «Инмарсат» представляет собой систему  геостационарных искусственных  спутников Земли, служащих в качестве ретрансляторов (СР) сообщений между судами, оборудованными специальными станциями спутниковой связи (СС) и специальными береговыми станциями (БС) и сетями телефонной и телеграфной связи. В ССС «Инмарсат» судовые (СС) и береговые (БС) станции соответствуют земным (ЗС) и центральным земным (ЦЗС) станциям. ССС «Инмарсат» — полностью автоматизированная система, обеспечивающая высокие показатели надежности, оперативности и качества связи.

     Бурный  рост категорий и числа абонентов, нуждающихся в услугах систем связи с подвижными объектами, потребовал дальнейшей перестройки ССС «Инмарсат» с целью повышения ее пропускной способности и широкого использования малогабаритных мобильных терминалов.  

     Система спутниковой связи  «Инмарсат-А»

     В систему «Инмарсат» входят космическая часть, состоящая  из действующих и запасных геостационарных спутников с СР и командно-измерительного комплекса (КИК); парк судовых станций (СС); береговая часть, включающая в себя береговые станции (БС) и эксплуатационный контрольный центр (ЭКЦ).

     Рис. 4. Границы обслуживания районов

     Система «Инмарсат» обслуживает три больших  области — Атлантический океанский район (АОР), Индийский океанский район (ИОР) и Тихоокеанский район (ТОР), над которыми находится по одному действующему и по два запасных ИСЗ. Границы обслуживания районов показаны на рис. 4. В пределах от 75 град. южной широты до 75 град. северной широты угол возвышения спутника составляет не менее 5 град., благодаря чему гарантируется надежная связь. Как видно из рис. 2.1, спутники «Инмарсат» охватывают также значительную часть Северного Ледовитого океана и морей Антарктиды.

     В каждом океанском районе может находиться любое число СС и несколько  БС, образующих сеть, причем одна из БС выполняет функции координирующей станции сети (КСС). Структурная схема одной из сетей «Инмарсат» показана на рис. 5.

     В системе «Инмарсат» для автоматизации  процессов связи по телефонным и  телеграфным каналам трем районам (сетям), всем БС и СС присвоены номера — идентификаторы (ИД).

     В ССС «Инмарсат-А» на первом этапе использовались спутники трех типов: Марисат, Марекс и Интелсат МСБ.

     Каждый  ИСЗ имеет по два СР, один из которых  принимает сигналы от СС в диапазоне 1,6 ГГц и передает БС в диапазоне 4 ГГц, другой принимает сигналы от БС в диапазоне 6 ГГц и передает СС в диапазоне 1,5 ГГц.

     Управление  ИСЗ осуществляется из центров, оборудованных  командно-измерительными комплексами (КИК), которые регулируют работу всех подсистем спутников, корректируют при необходимости местонахождение  спутников на орбите, их ориентацию в пространстве.

Рис. 5. Структурная схема сетИ «Инмарсат»

     СС  рассчитаны на круглосуточную работу. Антенна каждой СС в период работы автоматически удерживается в направлении на один из спутников СС «Инмарсат», и станции непрерывно ведут автоматический дежурный прием. В случае поступления от любой из БС сети вызова СС автоматически настраивается на указанный в вызове канал и вырабатывает сигнал судовому оператору. Переданное с берега сообщение может быть принято и без участия оператора. Работающая СС всегда готова к передаче запроса на установление с берегом двусторонней связи.

     БС  служат промежуточным звеном между  ИСЗ ССС «Инмарсат» и береговыми абонентами, с которыми они могут соединяться по международным и национальным телефонным и телеграфным сетям, а также сетям передачи данных и интегрального обслуживания. БС должны удовлетворять специальным требованиям ССС «Инмарсат», согласно которым их функциями являются: прием и обработка сообщений сигнализации, передаваемых СС при установлении связи (запросов); формирование и передача сообщений сигнализации СС (вызовов); коммутация подключенных к БС телефонных и телеграфных каналов; ретрансляция телефонных и телеграфных сообщений в направлении судно-берег и обратно; ведение списка СС, допущенных к системе «Инмарсат»; учет времени занятия каналов и оформление счетов на оплату за предоставленные услуги судовым и береговым абонентам.

     Зарубежные  БС рассчитаны для обслуживания одного из океанских районов; БС «Одесса» и  «Находка» обслуживают по два  океанских района.

     Если  БС является координирующей, то она  выполняет ряд дополнительных функций, к которым относятся: ретрансляция сообщений сигнализации, которыми обмениваются СС и БС при установлении связи; слежение за занятостью телефонных каналов сети и оперативное их распределение по запросам судовых и береговых абонентов; учет СС, ведущих связь в текущее время; измерение частот, уровней и других параметров сигналов, излучаемых ИСЗ; запись передаваемых сообщений сигнализации для целей последующего их анализа; регулировка мощности излучения ИСЗ.

     Эксплуатационный  контрольный центр (ЭКЦ) выполняет  следующие функции: контроль характеристик  космического сегмента; реализацию планов ввода в эксплуатацию новых технических средств и планов развития системы; испытания вводимых в эксплуатацию СС и БС; передачу всем СС, БС и КСС информации о состоянии системы.

     В ССС «Инмарсат-А» имеется четыре типа радиолиний: фидерные линии: БС-ИСЗ (З-К); ИСЗ-БС (К-З); пользовательские (абонентские) каналы СС-ИСЗ (З-К); ИСЗ-СС (К-З).

     Доступ  СС к СР осуществляется в режиме частотного разделения (МДЧР) с выделением канала на одну несущую (ОКН) по запросу через береговую станцию (БС) в центре управления (координации) сетью (КСС).

     В системе предусмотрено четыре зоны обслуживания, которые образованы с  учетом реального трафика регионов планеты. Это атлантическая (западная и восточная), тихоокеанская зоны и зона Индийского океана. В каждой зоне находится по одной КСС, а общее количество БС составляет более 20. В зависимости от местонахождения абонентов и степени использования инфраструктуры наземных сетей связи в ССС «Инмарсат» используются «односкачковые» и «двухскачковые» линии связи.

     Односкачковый вид связи реализуется при  необходимости установления контакта СС с БС или БС с СС. В случае необходимости установления контакта двух СС или других типов подвижных  ЗС приходится использовать двухскачковый  вид связи с переприемом через БС. В ССС используется централизованный принцип управления доступом, что позволяет гибко управлять ресурсами системы.

     В системе «Инмарсат» имеются каналы следующих типов: двусторонние каналы сигнализации, телеграфные каналы, телефонные каналы, служебные телеграфные  и телефонные каналы, каналы для  передачи пилот-сигналов.

     Каналы  сигнализации предназначены для  передачи коротких формализованных  сообщений — запросных, посылаемых СС и вызывных, посылаемых БС и КСС. За каждой БС и КСС закреплено по одному каналу сигнализации, причем канал, закрепленный за КСС, является общим для всей системы и на нем непрерывно ведут дежурный прием все БС и СС.

     За  каждой БС закреплено по 22 телеграфных  канала, которые распределяются ею по запросам СС или береговых абонентов. Телеграфные каналы могут использоваться как в дуплексном, так и в  симплексном режимах в направлении  берег-судно.

     Телефонные  каналы, число которых зависит  от типа ИСЗ, работающего в данной сети, распределяются КСС по запросам БС или СС. Телефонные каналы также могут использоваться как в дуплексном, так и в симплексном режимах в направлении берег-судно.

     Служебные телеграфные и телефонные каналы служат для обмена служебной информацией между БС, КСС и ЭКЦ. В каждой сети имеется по одному двустороннему каналу для передачи пилот-сигналов, служащих для определения дрейфа частот обоих СР ИСЗ. По измеренной частоте принятых пилот-сигналов БС смещают частоты своих передатчиков и приемников таким образом, чтобы скомпенсировать дрейфы частот в ИСЗ.

     Для установления связи по инициативе судна  СС посылает по каналу сигнализации на БС запрос, который содержит тип  требуемого канала и другие данные, необходимые для установления связи. Эти данные вводятся оператором в СС непосредственно перед установлением связи или заблаговременно.

     Если  запрашивается телексный канал, то вызываемая БС находит свободный  канал и посылает КСС сообщение  сигнализации с указанием номера выделенного канала. Это сообщение  КСС ретранслирует по общему каналу сигнализации вызывающей СС. Приняв его, СС настраивает передатчик и приемник на выделенный канал и устанавливает с запрашиваемой БС соединение. Далее БС соединяет СС с сетью «Телекс», через которую СС вызывает нужного ей берегового абонента и ведет с ним связь по действующим в данной сети правилам. Все описанные выше процессы происходят автоматически.

     Если  судно запрашивает телефонный канал, то запрос, переданный им, поступает  в КСС, которая выделяет свободный телефонный канал и транслирует его номер по общему каналу сигнализации запрашивающей СС и запрашиваемой БС. Обе станции, получив это сообщение сигнализации, автоматически настраивают свои передатчики и приемники на выделенный телефонный канал и устанавливают по нему соединение. После этого СС подключается к телефонной сети, через которую вызывает берегового абонента и ведет с ним связь по действующим в данной сети правилам.

     Аналогичным образом осуществляется соединение с СС по инициативе берегового абонента. Вызов судна по требованию БС производится по общему каналу сигнализации, на котором все СС ведут автоматический дежурный прием. Симплексные телефонные и телеграфные сообщения могут быть переданы на суда, которым они адресованы, в отсутствие судового оператора. Каждая СС системы «Инмарсат» может быть соединена с любым береговым абонентом сети «Телекс» или международной телефонной сети через любую БС данного океанского района. Предусмотрена также возможность связи между двумя судами. 

     Система спутниковой связи  «Инмарсат-В»

     Структура ССС «Инмарсат-В» идентична структуре ССС «Инмарсат-А». Отличительной особенностью ССС «Инмарсат-В» является переход к цифровой обработке информации при обеспечении всех видов услуг связи. При выборе методов цифровой обработки для построения ССС «Инмарсат-В» преследовались такие цели, как повышение пропускной способности и надежности связи, унификация принципов построения и повышение уровня технологичности аппаратурной реализации. Увеличение пропускной способности ССС «Инмарсат-В» достигается за счет повышения эффективности использования мощности излучения СР и частотного ресурса пакетного режима работы с активацией канала передачи речевым сигналом.

     Каналы  телефонной связи имеют высокую  степень унификации с каналами передачи данных. Наиболее существенное отличие  состоит в уменьшении избыточности при кодировании и переходе к  относительной скорости кодирования 3/4, что обусловлено более низкими  требованиями к вероятности ошибочного решения на один бит при передаче речевой информации. 

     Система спутниковой связи  «Инмарсат-С»

     Структура ССС «Инмарсат-С» идентична структуре ССС «Инмарсат-А». Отличительной особенностью ССС «Инмарсат-С» является использование облегченного, малогабаритного, относительно недорогого терминала (СС) с малой мощностью потребления электроэнергии. Создание такой СС приводит к необходимости снижения излучаемой мощности передатчика и использования ненаправленной антенны.

     В ССС «Инмарсат-С» для обеспечения энергетического баланса всех радиолиний, при котором достигается необходимый уровень достоверности передаваемой информации, приходится накладывать существенные ограничения на полосу пропускания радиоканала, скорость передачи информации, а также принять такие меры, как кодирование с перемежением и многократной передачей информационных кадров по запросу БС в случае искажения информации во время сеанса связи.

     Энергетические  затруднения при реализации ССС  «Инмарсат-С» сказываются на номенклатуре предоставляемых услуг связи, среди которых остаются: телексная связь для передачи сообщений с коммутацией, переприемом и накоплением через наземные сети коммутации пакетов и системы «Телекс» и «Электронная почта»; передача сообщений от «станции к станции», минуя наземные сети связи; опрос абонентских станций и формализованный сбор данных; передача сообщений группового вызова и электронных сообщений.

     Частотный диапазон ССС «Инмарсат-С» совпадает с частотным диапазоном ССС «Инмарсат-В». Для обеспечения услуг связи в ССС «Инмарсат-С» требуется набор цифровых радиоканалов, подобный набору каналов, используемому в ССС «Инмарсат-В». Отличия состоят в том, что в ССС «Инмарсат-С» отсутствуют телефонные каналы и каналы передачи данных, а интерфейсы обеспечивают стыки только с СПД и системой «Телекс». Общие каналы ССС «Инмарсат-С» по своему назначению и особенностям функционирования сходны с общими каналами ССС «Инмарсат-В». Общие каналы работают в диапазоне частот 1530…1548 МГц, а общие каналы межстанционной сигнализации БС-КСС и КСС-БС работают в диапазоне частот 3600...3623 МГц. Передача информации осуществляется на основе ФМ-2 с канальной скоростью R=1200 бит/с с использованием временного уплотнения, сверточного кодирования с относительной скоростью 1/2 перемежения и полосой пропускания радиоканала, равной 5 кГц.

     Система спутниковой связи  «Инмарсат-М»

     Система «Инмарсат-М» («Стандарт-М») разрабатывалась с целью обеспечения услуг, прежде всего телефонной связи на основе использования компактных мобильных земных станций (ЗС) абонентами, размещающимися на морских и сухопутных подвижных объектах, а также индивидуальными пользователями. Система «Инмарсат-М» введена в эксплуатацию в 1993 г. и в ней наряду с телефонной связью предусмотрены факсимильная связь и передача данных. Структура ССС «Инмарсат-М» идентична структуре ССС «Инмарсат-А».

     Использование в «Стандарте-М» компактных мобильных  ЗС потребовало целого комплекса  мер для достижения необходимых  для устойчивой связи энергетических характеристик радиолиний ЗС-СР и  СР-ЗС. В системе «Инмарсат-М» используются СР, установленные на ИСЗ второго и третьего поколения, обладающих повышенным энергетическим потенциалом. С целью повышения характеристик помехоустойчивости системы «Инмарсат-М» потребовалось также уменьшение полосы пропускания одного радиоканала до 10 кГц. Принципы управления доступом и протоколы сигнализации в «Стандарте-М» сходны с принятыми в «Стандарте-В».

     Для обеспечения предоставляемых ССС  «Инмарсат-М» услуг связи требуется набор цифровых каналов, номенклатура которых и структура взаимодействия аналогичны набору цифровых радиоканалов, используемому в ССС «Инмарсат-В».

     Общий канал связи ССС «Инмарсат-М» идентичен общему каналу связи ССС «Инмарсат-В». Отличие между другими каналами в стандартах «В» и «М» обусловлены в основном скоростями передачи информации и форматами кадров. В канале сигнализации ССС «Инмарсат-М» передача информации осуществляется на основе использования ОФМ-4 с канальной скоростью в Кбит/с, полосой пропускания канала, равной 10 кГц, сверточным кодированием с относительной скоростью 3/4, с доступом на основе частотного разделения каналов, выделением одного канала на несущую и закреплением несущей за каналом сигнализации. 

     Многоспутниковая  низкоорбитальная система  связи «Гонец»

     ССС «Гонец» предназначена для обеспечения  передачи информации в цифровом виде между стационарными и подвижными абонентами и может быть использована для первоочередных задач информатизации в регионах, где в настоящее время отсутствует надежная связь.

     ССС «Гонец» обеспечивает предоставление следующих услуг: передача любых данных в цифровой форме — телекс, текст, изображение, обмен информацией между базами данных, между компьютерами, сбор телеметрических данных от необслуживаемых датчиков, определение местоположения подвижных объектов; засекречивание пользовательской информации по отдельному требованию заказчика.

     В ССС «Гонец» предусмотрено два  режима работы: 1) «электронная почта» с запоминанием, хранением в памяти спутника и последующей передачей пользователю (отправитель и получатель не находятся в зоне радиовидимости одного спутника) и в близком к реальному масштабу времени (отправитель и получатель находятся в зоне радиовидимости одного спутника); 2) использование в комбинированных сетях спутниковой связи с помощью ИСЗ на геостационарной орбите. В этом случае время доставки информации приближается к реальному.

     К областям применения ССС «Гонец»  относятся: глобальная связь с абонентами, расположенными на территории со слаборазвитой инфраструктурой связи; передача экстренных сообщений и координация работ в районах стихийных бедствий; передача медицинской информации; сбор информации от необслуживаемых датчиков; обмен информацией между базами данных и связь типа «компьютер- компьютер»; обмен научной и образовательной информацией; обмен деловой информацией.