Организация, построение и структура систем персональной спутниковой связи

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО МОРСКОГО И  РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

ФГОУ ВПО «МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова»

_____________________________________________________________________________

Кафедра «АВТ»

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

На тему:

«Организация, построение и структура систем персональной спутниковой связи»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Новороссийск 2011 г. 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. ВВЕДЕНИЕ

2. СИСТЕМА ПЕРСОНАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ИРИДИУМ

2.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ИРИДИУМ

2.2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА

2.3. КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ

2.4. НАЗЕМНЫЙ СЕГМЕНТ

3. СИСТЕМА ПЕРСОНАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ГЛОБАЛСТАР

3.1. ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ

3.2. ВИДЫ СИГНАЛОВ

3.3. КОСМИЧЕСКИЙ СЕГМЕНТ

4. РАЗВИТИЕ РОССИЙСКОГО СЕГМЕНТА ПЕРСОНАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ НА БАЗЕ СИСТЕМ IRIDIUM И GLOBALSTAR

4.1. ОБЩЕМИРОВЫЕ ТЕНДЕНЦИИ  СОЗДАНИЯ ПЕРСОНАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ  СВЯЗИ

4.2. РОССИЙСКИЙ СЕГМЕНТ НА БАЗЕ СИСТЕМЫ GLOBALSTAR

4.3. РОССИЙСКИЙ СЕГМЕНТ НА БАЗЕ СИСТЕМЫ IRIDIUM

5. СИСТЕМА "ГОНЕЦ"

5.1. ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ  СВЯЗИ И МАРШРУТИЗАЦИИ

5.2. СОСТАВ И СТРУКТУРА  СИСТЕМЫ

5.3. СОСТАВ И СТРУКТУРА  ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО СЕГМЕНТА СИСТЕМЫ  "ГОНЕЦ"

6. СИСТЕМА "СИГНАЛ"

6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

6.2. СОСТАВ И СТРУКТУРА СИСТЕМЫ

6.3. КОСМИЧЕСКИЙ СЕГМЕНТ

6.4. БАЗОВАЯ СТАНЦИЯ

6.5. АБОНЕНТСКИЕ И УЗЛОВЫЕ  СТАНЦИИ

6.6. МНОГОСТАНЦИОННЫЙ ДОСТУП

7. СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

8. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

 

Концепция универсальной персональной связи подразумевает, что абонент такой системы должен быть доступен в любой точке Земли через любую сеть с однозначным определением его по уникальному номеру. Сеть персональной спутниковой связи позволяет абоненту, расположенному в любой точке планеты, получить доступ к телекоммуникационной сети при помощи переносного терминала и установить соединение, по крайней мере, с одним спутником.

Системы мобильной спутниковой  связи появились немногим более 20 лет назад, т.е. намного позднее, чем системы фиксированной связи. Причиной тому ряд факторов, в первую очередь низкая энерговооружённость  подвижных объектов и более сложные  условия эксплуатации (влияние рельефа  местности, ограничения по весу приёмо-передающих устройств и размерам антенных систем). Первоначально мобильные земные станции разрабатывались для  использования в специализированных системах (морских, воздушных, автомобильных  и железнодорожных), построенных  на базе геостационарных космических  аппаратов (КА). Для передачи информации применялись аналоговые методы модуляции.

Революционные преобразования в области мобильной спутниковой  связи произошли в начале 1990-х  годов. Они были обусловлены, главным  образом, тремя факторами: коммерциализацией  космических программ, использованием низкоорбитальных и средневысотных КА, повсеместным переходом на цифровую связь с применением современных  компьютерных технологий.

Следующий качественный скачок в развитии мобильной спутниковой  связи произошёл после появления  первых проектов спутниковых систем на базе КА, функционирующих на средних  и низких орбитах. Это позволяло  использовать сравнительно дешёвые  малогабаритные терминалы и небольшие  антенны. В настоящее время в  мире насчитывается более 30 национальных и международных (региональных и  глобальных) проектов, основанных на использовании  низких и средних орбит. Наиболее известны Globalstar, Iridium, Гонец, Сигнал.

Остановимся более подробно на сравнительном анализе мобильных  систем связи, использующих КА на геостационарных  и негеостационарных орбитах (средневысотных, низких круговых и эллиптических).

Геостационарные спутники, находясь на высоте примерно 36 000 км, «зависают» над заданной точкой земной поверхности. Связь через геостационарный  КА не имеет перерывов в обслуживании, обусловленных взаимным перемещением спутника и земной станции. Система  из трёх спутников обеспечивает охват  практически всей территории земной поверхности. К достоинствам этих систем следует также отнести отсутствие сдвига частоты за счёт доплеровского  эффекта.

Ресурс геостационарных  КА достаточно высок: срок эксплуатации составляет около 15 лет и может  быть доведён до 25 лет.

Однако системы, базирующиеся на геостационарных КА, имеют ряд  недостатков. Задержки радиосигнала в 250 мс в каждом направлении ухудшают качество телефонной связи. Суммарная  величина задержки в этих системах составляет 600 мс (с учётом времени  обработки и коммутации в наземных сетях), что затрудняет общение абонентов  даже при современной технике  эхоподавления. В случае двойного скачка задержка становится уже неприемлемой более чем для 20% пользователей. Геостационарные  системы вследствие своей архитектуры  имеют ограниченные возможности  повторного использования выделенных полос частот и меньшую спектральную эффективность. Зона охвата геостационарных  систем не позволяет обеспечить связь  в высокоширотных районах, а следовательно, гарантировать истинно глобальное обслуживание.

Системы со средневысотными  космическими аппаратами обеспечивают более высокие характеристики обслуживания абонентов, чем геостационарные, за счёт увеличения рабочих углов места и числа КА, находящихся одновременно в поле зрения наблюдателя. Благодаря этому не нужен дополнительный энергетический запас радиолинии на потери распространения в ближней зоне (деревья, здания и другие преграды). Средневысотные КА функционируют в диапазоне высот 5000–15 000 км. Они могут создать меньшую зону обслуживания, чем геостационарные, поэтому для глобального охвата наиболее населённых районов земного шара и судоходных акваторий необходимо 7–12 спутников. Полная задержка распространения сигналов при связи через средневысотные спутники составляет не более 130 мс, что позволяет использовать их для радиотелефонной связи.

Средневысотные спутники выигрывают у систем с более высокими орбитами по энергетическим характеристикам, хотя и проигрывают им по продолжительности  сеансов связи. Для круговых орбит  продолжительность обслуживания в  заданном регионе составляет 1,5–2 ч, что существенно выше, чем для  низких орбит. Что же касается ресурса  спутников, то он лишь незначительно  меньше, чем у геостационарных  КА. Период обращения вокруг Земли  для средневысотных круговых орбит  составляет около 6 ч, из которых лишь несколько минут КА находится  в теневой от солнечного освещения  области. Это значительно облегчает  работу бортовой системы электропитания и, в конечном счёте, позволяет обеспечить срок службы КА 12–15 лет.

Системы, использующие спутники на низких орбитах высотой 500–2000 км, обладают существенными преимуществами по сравнению с другими в части  энергетических характеристик, но проигрывают  им по продолжительности сеансов  связи и времени активного  существования космических аппаратов. Если период обращения КА составляет 100 мин, то около 30 мин он находится  на теневой стороне Земли. Поэтому  аккумуляторные батареи на борту  низкоорбитальных КА испытывают приблизительно 5 000 циклов зарядки/разрядки в год. Срок их службы, как правило, не превышает 5–8 лет. Выбор указанного диапазона  высот для низкоорбитальных систем не случаен. На орбитах высотой менее 500 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета  и деградацию орбиты (постепенное  снижение высоты апогея); повышается расход топлива при маневрировании для  сохранения заданной орбиты. На орбитах  выше 1500 км, где расположен первый пояс Ван Аллена, длительная работа электронной  аппаратуры практически невозможна без специальных методов защиты от радиационного излучения, что  ведёт к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы  КА.

Со снижением высоты орбиты уменьшается мгновенная зона обслуживания, а следовательно, одновременно в  поле зрения наблюдателя может находиться большее количество спутников, что  также требуется для обеспечения  глобального охвата. Количество КА в орбитальной группировке зависит  от высоты орбиты и рабочих углов  места, при которых обеспечивается устойчивая связь. Если низкоорбитальная система должна обеспечивать глобальную связь, то число её спутников не может  быть менее 48.

Учитывая возможности  использования ненаправленных антенн и приемо-передатчиков малой мощности, для подвижной связи наибольший интерес представляют низкоорбитальные системы.

Далее мы остановимся на рассмотрении организации, построения и структуры некоторых из этих систем.  

 

 

2. СИСТЕМА ПЕРСОНАЛЬНОЙ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ ИРИДИУМ

 

Система ИРИДИУМ предназначена  для обеспечения глобальной персональной связи по принципу "каждый с каждым" на основе космического сегмента в  виде низкоорбитальной группировки  космических аппаратов и наземного  сегмента в составе: пользовательских терминалов, которые могут располагаться  в любой точке Земли, шлюзовых (координирующих) станций спутниковой  связи, сегментов управления системой и сегментов запуска космических  аппаратов, станций передачи команд и приема телеметрической информации.

В работе приведены характеристики космического и наземного сегментов, структурная и функциональная схемы  системы ИРИДИУМ, оценка системы, а  также принципы обеспечения живучести  системы. 

 

 

 

2.1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМЫ ИРИДИУМ

 

Виды связи и услуг, предоставляемые системой.

 

Виды связи:

- дуплексная телефонная  связь ;

-передача данных;

- факс .

 

Виды услуг:

- связь абонентов, оснащенных  персональными терминалами между  собой;

- связь абонентов, оснащенных  персональными терминалами с  абонентами национальной сети  телефонной связи и наоборот;

- определение местоположения;

- предоставление пользователю  различных типов терминалов: носимый,  переносной (для офисов), мобильной  (для автотранспортных средств), авиа и морской, а также пейджер;

- время установления связи,  аналогично времени установления  связи между абонентами наземной  системы сотовой связи и не  превышает 2 сек;

- непрерывность связи  в течение сеанса связи;

- вес носимых терминалов  не превышает 700 г, вес и габариты  переносных (для офисов), мобильных,  авиа и морских терминалов  идентичны весу мобильных терминалов  наземной системы сотовой связи  (2,5 кг).

 

Орбитальная группировка (ОГ). Критерии выбора орбиты

Основные положения, учитываемые  при обосновании ОГ проектантами системы:

- необходимость глобального  охвата территории Земли в  любое время суток;

- обеспечение идентичности  дальности прямой видимости между  соседними КА;

- минимизация затрат на  создание ОГ, с учетом веса  КА и высоты орбиты;

- диапазон высоты орбиты 200-600 морских миль (высоты ниже 200 морских миль требуют больший  запас топлива для маневра  КА, высоты выше 600 морских миль  подвержены влиянию радиации, что  увеличивает массу КА). 

 

Когда в 1987 году компания Motorola приступила к разработке проекта  низкоорбитальной спутниковой системы  связи Iridium, предполагалось, что система  будет состоять в общей сложности  из 77 спутников. Именно первоначально  выбранному числу спутников проект обязан своим названием. 77-й элемент  в таблице Менделеева и есть иридий. Позднее авторы проекта рассчитали, что для полного охвата поверхности Земли достаточно 66 спутников (за счет увеличения количества лучей каждого спутника).

В 1993 году консорциум Iridium подписал контракт на приобретение системы спутниковой  связи у компании Motorola и объявил  о начале проекта. Основные исполнители  распределились следующим образом: компания Lockhead - разработка космического сегмента; Motorola - техническое обслуживание системы в течение пять лет (начиная  с 1998 года); фирма COM DEV (Канада) - аппаратура для обеспечения связи между  спутниками.

Спутниковая сеть Iridium состоит из космического и наземного сегментов.

Первый представляет собой  сеть из 66 спутников. При выборе и  обосновании орбит учитывались  необходимость глобального охвата территории Земли в любое время  суток и обеспечение идентичности дальности прямой видимости между  соседними спутниками.

В результате сегодня космический  сегмент проекта имеет следующие  характеристики:

• количество спутников - 66
• количество орбитальных плоскостей - 6
• высота орбиты - 780 км
• угол наклона орбитальных плоскостей - 86,4°
• орбитальный период - 100 мин 28 с
• масса спутника - 700 кг
• количество направленных лучей с одного спутника - 48
• срок жизни спутника - 5-8 лет
• 10 рабочих спутников и 1 резервный на каждой из орбит.

Основная концепция сети Iridium заключается в создании общей  области обслуживания благодаря  применению межспутниковых каналов  связи и кластеризации лучей  спутника.

Эта область будет охватывать не только всю земную поверхность, но и пространство до высоты 180 км, обеспечивая  нужды авиации. При этом формируются  «соты» общей области обслуживания, обеспечивающей надежную передачу информации между каналами.

В системе Iridium задействуются  следующие радиолинии:

• радиолинии «Абонент-КА», «КА-абонент» (диапазон L);
• радиолинии «Шлюзовая станция—КА», «КА-шлюзовая станция» (диапазон Ка);
• радиолиния «КА—КА» (диапазон Ка);
• радиолинии передачи команд и приема ТЛМ информации; «Земля—КА», «КА—Земля» (диапазон Ка).