Организация, построение и структура систем персональной спутниковой связи

В табл. 1 представлены диапазоны  частот радиолинии системы и используемые полосы.

 

Таблица 1 Диапазон частот радиолиний

Радиолиния	Диапазон частот	Полоса частот
«Абонент-КА»	1616-1625,5 МГц	105 МГц
«КА-Абонент»	— « —
«КА-Шлюзовая станция»	19,6 ГГц	100 МГц
«Шлюзовая станция-КА»	29,1-29,3 ГГц	100 МГц
«КА-КА»	23,18-23,38 ГГц	200 МГц
Командная и телеметрическая:
«Земля-КА» (КРЛ)	29,1-29,3 ГГц	Н/Д
«КА-Земля» (ТЛМ)	19,6 ГГц

Связь между абонентами будет  осуществляться через спутниковую  сеть с помощью наземных станций  сопряжения - одного из компонентов  наземного сегмента. Основные функции  станции сопряжения: соединение сети спутников с наземными телефонными  сетями общего пользования, учет вызовов  и времени разговора абонентов (биллинг). В момент подключения радиотелефона Iridium к ближайшему спутнику через  наземную станцию сопряжения системы  автоматически определяется платежеспособность счета абонента и его местонахождение.

В зависимости от совместимости  и загруженности альтернативных систем связи выбираются те из них, которые будут использованы для  передачи сигнала: система спутниковой  связи или сотовая телефония. При невозможности использования  местной системы сотовой связи  радиотелефон выходит на прямую связь  с ближайшим спутником. Затем  сигнал передается с одного спутника на другой до тех пор, пока он не будет  принят радиотелефоном вызываемого  абонента или наземной станцией системы Iridium.

Наземная станция соединит спутниковую сеть с наземными  инфраструктурами связи в любой  точке земного шара.

В настоящее время выпускаются  станции сопряжения четырех конфигураций — на 30, 60, 90 и 120 тыс. абонентов. Стоимость  станции сопряжения достаточно высока, так как в ее состав входит высоконадежное оборудование, которое обеспечивает не только связь со спутником, но и  определение (через спутник) координат  абонента, техническое обслуживание, а также администрирование сети.

Вторым компонентом наземного  сегмента является абонентский терминал (табл. 2). Пользователям могут быть предложены различные типы терминалов: носимый, переносной (для офисов), мобильный (для автомобилей), авиа и морской, а также пейджер.

Масса носимых терминалов не превышает 700 г. Масса переносных, мобильных, авиа и морских терминалов составляет примерно 2,5 кг. Время установления связи аналогично времени установления связи между абонентами наземной сотовой связи и не превышает 2 с. При этом обеспечивается непрерывность  связи в течение всего сеанса.

 

Основные характеристики абонентского спутникового терминала

Параметр	Величина
Скорость передачи кодированной информации р/л «Земля-КА» р/л «КА-Земля»	180 кбит/с 400 кбит/с
Кодирование	сверточное, R = 3/4, К = 7
Модуляция	ФМ-4
Диапазон частот	1616,0-1626,5 МГц
Антенна:
тип	спиральная
усиление	+1,0...+3,0 дБ
диаграмма	0-30 (азимут) 10-90 (угол места)
ЗИИМ: Типовая Средняя (для кадра 60 мкс)	8,45дБ.Вт 4,41...11,91 дБ.Вт
Спектральная плотность	-61,5-53,9 дБ.Вт/Гц

Универсальные радиотелефоны Iridium (фирма Motorola) разработаны на базе цифровых методов обработки и  передачи сигнала. Их можно использовать как в любой региональной сотовой  сети (вставные заказные модули для  одного из применяемых стандартов связи), так и для доступа к спутниковой  сети Iridium. Более эффективному использованию  ограниченной полосы частот шириной 5,15 МГц способствует комбинирование методов  доступа - частотного (FDMA) и временного (TDMA) разделения каналов. Возможна также  поддержка стандарта с кодовым  разделением каналов (CDMA) и стандарта  сотовой связи GSM. Наличие стандартного интерфейса RS-232 позволяет реализовывать  передачу цифровых данных и факсимильных сообщений.

В наземный сегмент входит также система управления и контроля сети Iridium (Master Control Facility — МСF), которая  обеспечивает глобальное администрирование  сети, включая планирование запусков, отслеживание работоспособности спутников, мониторинг бортового оборудования, сбор и анализ телеметрии.

Система Iridium предоставляет  следующие виды связи: дуплексную телефонную связь, передачу данных, факсимильную связь. При этом возможны следующие  виды услуг: связь абонентов, оснащенных персональными терминалами, с абонентами национальной телефонной сети общего пользования, и, наоборот, определение  местоположения абонента.

 

 

 

2.2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА 

 

Состав системы

Система ИРИДИУМ включает в свой состав:

-космический сегмент  в виде орбитальной группировки  из 66 КА, дополнительно в каждой  плоскости размещается по одному  резервному КА. Созвездие из 66 КА, при необходимости, восполняется  за счет использования резервного  КА плоскости. В штатном режиме  эксплуатации, при неизрасходованном  резерве, общее число КА ОГ  составляет 72 КА;

-наземный сегмент в  составе: абонентские терминалы;  шлюзовые станции (ШС); сегменты управления системой и управления связью; сегмент запуска.

Выделим основные задачи взаимодействия элементов системы на основе структурной  схемы, представленной на рис 2.

Рис.2. Структурная схема  системы 

 

Регистрация пользовательских терминалов

Каждый пользовательский терминал регистрируется в национальной шлюзовой станции, ему присваивается  кодовый номер и оговаривается  первоначальное территориальное размещение. Банк данных кодовых номеров пользователей  каждой национальной шлюзовой станции  содержит также данные о всех задействуемых в системе шлюзовых станциях. При необходимости осуществляется обмен банками данных между национальными шлюзовыми станциями. Обобщенный банк данных о пользовательских терминалах системы содержится в сегменте управления связью.

Взаимодействие между  шлюзовой станцией и национальной телефонной сетью общего пользования (ТФ ОП)

В состав ШС входит коммутационная аппаратура сопряжения с ТФ ОП. Взаимодействие между ШС и ТФ ОП осуществляется с учетом использования для каждой страны, региона конкретной системы нумерации и вида сигнализации.

Управление орбитальной  группировкой и связью

Управление орбитальной  группировкой осуществляется сегментом  управления ОГ с обеспечением следующих функций:

- управление орбитой каждого КА;

- контроль состояния КА;

- контроль запуска КА и проведение необходимых тестовых проверок;

- вывод КА из состава  орбитальной группировки.

Указанные функции управления реализуются на основе командной  и телеметрической информации каждого  КА орбитальной группировки при  использовании как штатных каналов  связи, с учетом перекрестной спутниковой  связи, так и с задействованием  отдельных, территориально разнесенных  командно-телеметрических станций  для управления в нештатных режимах  работы КА.Управление системой осуществляется территориально разнесенными основным и резервным сегментами, располагаемыми на территории США. Исполнительный элемент  сегмента управления для анализа  и контроля за работой КА ОГ, располагается  в Чандлере, штат Аризона.Сегмент управления связью осуществляет анализ, контроль и управление связью, в т.ч. шлюзовыми национальными станциями.В нормальных условиях работы орбитальной группировки функционирование шлюзовых станций и пользовательских терминалов осуществляется автономно. В случае повышения нагрузки сверх предусмотренной, выхода из строя КА орбитальной группировки, выхода из строя элементов ШС, сегмент управления выдает инструкции ШС для поддержания качества связи, в особых случаях предусматривается возможность реконфигурации сети. 

 

Запуск КА

Сегмент запуска включает ракету-носитель и все оборудование, используемое при запуске КА, оборудование и средства управления и анализа  необходимых операций. В конце  полета на активном участке сегмент  запуска выдает траекторные данные в сегмент управления, к которому переходит управление КА или нескольких КА при групповом запуске.Операции, производимые перед запуском и при запуске традиционны: сегмент управления определяет программу запуска, сегмент запуска осуществляет сборку ракетоносителя и его проверку, установку полезной нагрузки (КА) и проведение испытаний и предстартовых проверок. Телеметрическая информация КА на активном участке по радиолинии ракеты-носителя принимается сегментом запуска и транслируется в центр управления, который корректирует расчетные траекторные данные для формирования промежуточной орбиты. Последующее управление КА осуществляется сегментом управления: разворачиваются солнечные панели КА, на КА передаются команды кратковременного включения двигательной установки для перевода КА на основную орбиту, т.е. в "нужный" интервал между другими КА данной плоскости. 

 

 

2.3. КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ

Состав КА

В состав КА входят:

- радиоэлектронное оборудование;

- система ориентации, стабилизации  и управления;

- двигательная установка;

- система энергопитания;

- конструктив КА. 

 

Радиоэлектронное оборудование

В состав радиоэлектронного  оборудования КА входят:

- центральный процессор  КА;

- средства L диапазона (персональная  связь): антенные системы, малошумящие  усилители, усилители мощности, Up и down конверторы, модемы с буферами  ТDМА;

- средства Ка диапазона (связь с шлюзовыми станциями):

---- антенные системы,

---- малошумящие усилители,

---- усилители мощности,

---- Up и down конверторы,

---- модемы с буферами  ТDМА;

- средства Ка диапазона (межбортовая связь):

---- антенны системы,

---- малошумящие усилители,

---- усилители мощности,

---- Up и down конверторы,

---- модемы с буферами  ТDМА;

- средства Ка диапазона (команды и телеметрия):

---- антенные системы,

---- малошумящий усилитель,

---- усилитель мощности,

---- Up и down конвертор,

---- модемы и буферы КРЛ и ТЛМ,

---- шифратор и дешифратор  команд;

- источник эталонной частоты,  синтезатор частоты, распределение  времени. 

 

Количественная характеристика радиоэлектронного оборудования КА:

- связь со шлюзовыми  станциями: 2 независимых тракта  с АФАР;

- межспутниковая связь: 4 независимых тракта с АФАР;

- персональная связь: 6 независимых трактов с АФАР;

- команды и телеметрия: по одному тракту с системой  из нескольких ненаправленных  антенн. 

 

Система ориентации, стабилизации и управления маневром КА

В КА используется 3-х осная стабилизация на основе MANS (Микроскопическая автономная система навигации) с встроенными датчиками фирмы BARNS INGENEERING, предназначенными для инфракрасного зондирования земной поверхности и визуального определения местоположения по Луне и Солнцу. MANS выполняет следующие функции:

1. На промежуточной орбите: определяет высоту полета и  пространственное положение КА, формирует данные для ускорителей  и серводвигателей, поддерживающих 3-х осную стабилизацию.

2. На рабочей орбите: формирует  данные для поддержания 3-х осной стабилизации при развертывании элементов КА и дальнейшей эксплуатации КА. 

 

MANS становится полностью  автономной после вывода КА  в рабочую точку ОГ и стабилизации КА.

Пространственное положение  и позиция КА выдается MANS через  интервал 250 нсек с точностью:

- по пространственному  положению +/- 0.5 град;

- по позиции +/- 20 км. Для работы MANS используется сигнал опорного генератора радиоэлектронного оборудования КА. 

 

Силовая установка

В состав силовой установки  входят следующие основные узлы:

- резервуар высокого давления  с однокомпонентным топливом;

- каталитические ускорители;

- соленоиды и клапаны  подачи топлива;

- серводвигатели;

- резервуар для резервного  топлива и, соответственно, резервные  ускорители, каждый и которых  имеет несколько клапанов управления  подачей топлива.

В табл. 3.2. приведены результаты частного расчета расхода топлива  КА системы ИРИДИУМ. 

 

Таблица 3.2

Предполагаемый расход топлива  КА

Операции	Масса топлива (кг)
Вывод на орбиту Подстройка на орбите Торможение Вывод с орбиты в конце  срока существования Общая масса топлива	17,5 2,2 3,6 18,0 41,3