Образовательный портал о технологиях мобильной связи


Среднеорбитальные системы спутниковой связи .


       К среднеорбитальным спутникам связи МЕО (Mean Earth Orbit) относятся КА с высотой орбиты 5—15 тыс. км. В среднеорбитальной группировке может находиться до 12 спутников, масса которых составляет до 1000кг.

      При таких орбитах время видимости одного спутника-ретранслятора доходит до нескольких часов, что позволяет уменьшить количество спутников АО 10— 12 и, кроме того, увеличить углы, под которыми их «наблюдают» абонентские терминалы. Из проектов МЕО-систем наиболее известны Inmarsat, ICO и Odyssey, созданные различными международными организациями и концернами.

      Помимо космического и пользовательского сегментов (орбитальной группировки спутников и абонентских терминалов), архитектура МЕО-систем включает:

      > Комплексы радиочастотного, линейного, коммутационного оборудования шлюзовых станций, предназначенных для соединения мобильных или неподвижных абонентов СПСС с абонентами телефонной сети общего пользования и других наземных сетей и служб, в том числе сотовых систем радиосвязи.

      К факторам, способствующим развитию среднеорбитальной спутниковой системы, можно отнести то, что группировка КА находится между двумя разновысотными радиационными поясами естественного происхождения, что позволяет обеспечить большой срок эксплуатации (до 10 лет). Это очень важно, поскольку вывод спутника на сред не высотную орбиту значительно дороже, чем на низкую. В зависимости от высоты расположения группировки КА задержка распространения сигнала колеблется от 40 до 140 мс, но остается при этом незаметной для восприятия речи на слух. Для обеспечения надежной связи в большинстве регионов Земли достаточно сравнительно малого количества спутников — 9 (при увеличении их числа до 12 обеспечивается глобальное обслуживание).

      Система спутниковой связи Inmarsat

      Первая глобальная спутниковая система подвижной связи Inmarsat-A была введена в эксплуатацию в 1982 г. организацией Inmarsat (Interrational Maritime Satellite Telecommumcation Organization) морской спутниковой связи, Россия является полноправным членом этой влиятельной международной организации. Первоначальное предназначение системы заключалось в обеспечении надежной связью морских судов, находящихся в плавании. Позднее ее стали использовать также сухопутные и воздушные службы. Однако уже тогда было очевидно, что, вследствие использования дорогостоящей специальной аппаратуры и высоких тарифов, число коммерческих пользователей этой системы будет ограничено.

      Международная организация Inmarsat предоставляет на коммерческой основе услуги глобальной радиотелефонной, телексной, факсимильной связи, обмена данными и персонального радиовызова. Организация Inmarsat имеет статус международной, ее членами, по состоянию на 1998г являются 79 государств. Предоставляемыми системой услугами широко пользуются во многих странах исключительно в мирных целях. Интересы стран в международной организации Inmarsat представляют уполномоченные правительствами ведущие государственные организации. В России уполномоченным представителем организации Inmarsat является государственное предприятие Морсвязьспутник.

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

      В мае 1994 г. после всестороннего анализа было принято решение положить в основу системы спутниковой связи концепцию МЕО и провести дальнейшие исследования с целью разработки перспективной системы Inmarsat-P.

      В настоящее время система Inmarsat включает в себя 5 постоянно действующих спутников-ретрансляторов, размещенных на геостационарной, орбите, что позволяет полностью обслуживать акватории Атлантического, Тихого и Индийского океанов.

      Проектируемая орбитальная группировка системы Inmarsat-P будет состоять из 10 КА, размещенных на двух средневысотных орбитах (10 300 Км) с наклонением= 45°. Этот проект одержал победу благодаря следующим своим качествам:

      > Глобальная рабочая зона системы

      > Высокие углы 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 

      > Разумная стоимость проекта (2,4 млрд. USD)

      Услуги, предоставляемые системой:

      В настоящее время действуют пять систем связи, использующих геостационарные КА для обеспечения коммерческого обслуживания морских и сухопутных подвижных объектов: Inmarsat-A, Inmarsat-B, Inmarsat-C, Inmarsat-M и Inmarsat-D. Проектируемая система Inmarsat-P будет полностью интегрирована в наземные сотовые радиосистемы, что значительно повысит гибкость использования космического сегмента. 

      Система Inmarsat-A

      Система Inmarsal-Л работает как глобальная система с 1982 г. В настоящее время система обеспечивает свыше 17 тыс. судовых станций телефонной, телексной и факсимильной связью, а также осуществляет высокоскоростную передачу данных. Терминалы Inmarsat-A используются на малоподвижных объектах (судах и коммерческих самолетах), а также на стационарных объектах, находящихся вне зон действия наземных служб передачи данных.

      Система Inmarsat-C

      Система Inmarsat-С введена в коммерческую эксплуатацию в 1991 г. Она обеспечивает передачу данных и телексных сообщений с промежуточным накоплением — SF (Store an Forward) — посредством очень небольших и легких терминалов. В настоящее время работает около 10 тыс, терминалов Inmarsat-С, установленных на различных подвижных объектах. Система Inmarsat-C считается важным средством для удовлетворения требований «Глобальной морской системы спутниковой связи при бедствии и для обеспечения безопасности» (ГМССБ).

      Система Inmarsat-M

      Система Ininarsat-M введена в коммерческую эксплуатацию в 1993г. и, кроме двухсторонней цифровой телефонной связи, обеспечивает передачу данным и телексной информации посредством душевых и легких терминалов (скорость 2,4 Кбит/с) Система Inmarsat-M обеспечивает также интерфейс для обмена данными в сетях пакетной коммутации и электронной почты. Сегодня действует свыше 1000 терминалов Inmarsat-M, установленных на различных подвижных объектах. В системе используется современная цифровая технология, что позволяет повысить эффективность использования выделенного диапазона частот и бортовых передатчиков. Терминал Inmarsat-M в портативном исполнении размещается в кейсе. Этот терминал дополнительно может включать портативный компьютер типа Notebook или малогабаритный принтер. Терминалы Inmarsat-M (mini) представляют собой цифровой телефон весом не более 700 г, который по своему виду напоминает малогабаритную радиостанцию.

      Система Inmarsat-B

      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-В,осуществляющих интерфейс с телефонными сетями общего пользования. Их количество быстро увеличивается: серийное производство освоено более чем 10 фирмами различных стран мира.

      Система Inmarsat-D

      Cистема Inmarsаt-D — односторонняя служба передачи сообщений мобильным пользователям от абонентов наземных сетей общего пользования — является естественным расширением пейджинговых сетей. Предлагается несколько вариантов пейджеров:

      > Пейджер с документированным выводом информации на принтер

      > Два пейджера, встраиваемые в кейс с разнесением по его длине, для повышения качества приема при движении и для защиты от блокирования телом пользователя.

      > Пейджер, объединенный с терминалом Inmarsat-M (mini) типа Laptop 

      > Пейджер для автомобиля с подключением к всенаправленной антенне 

      > Стационарный пейджер для коллективного пользования

      Система lnmarsat-Р

      Система lnmarsat-Р является международным проектом XXI в., который опирается на сотрудничество и исследования всех участников организации Inmarsat, а также экспертов космической промышленности и компаний—изготовителей оборудования связи. Концепция проекта воплощает стратегию организации Inmarsat по ускоренному внедрению целого семейства персональных терминалов для спутниковых служб связи. По оценкам экспертов, число пользователей системами Inmarsat традиционной подвижной связи во всем мире уже превысило 25 млн. В 2000-м году их число будет больше 100 млн.

      Система Inmarsat-P разрабатывается, прежде всего, как служба, наиболее широкое распространение в которой получат спутниковые телефоны. Она будет также способна интегрироваться в национальные сотовые системы цифровой связи: GSM, DAMPS и JDAMPS.

      Система спутниковой связи Odyssey

      Среднеорбитальная спутниковая система персональной связи Оdyssеу разработана фирмами TRW и Teleglobe Inc., которые включили в космическую группировку 12 спутников-ретрансляторов, размещенных на трех круговых орбитах. Высота орбит составляет 10,4 тыс. км. Для обеспечения глобального обзора Земли спутники располагаются в трех плоскостях С наклонением i = 55°. На каждой орбите находится по 4 спутника, что позволяет обеспечить одновременную видимость с территории наиболее важных регионов земной поверхности (с точки зрения рынка услуг) сразу двух КА, Возможность наблюдать одновременно два спутника позволяет наземным терминалам работать с высоким углом места (более 45°) практически в любой точке Земли. Это обстоятельство значительно повышает надежность радиосвязи, поскольку высотные здания и другие преграды практически не будут влиять на распространение сигналов.

      В системе применяются широкополосные сигналы и метод много станционного доступа с кодовым разделением каналов. Протокол передачи информации полностью совместим с протоколами сотовых радиотелефонных систем связи.

      При проектировании системы Odyssey учитывались следующие основные требования потенциальных пользователей персональных терминалов:

> Обеспечение дуплексной телефонной связи с применением высококачественного кодирования речи 

> Обеспечение прямого доступа к системе из любой точки Земли

      > Обеспечение совместимости с наземными сотовыми системами- (поддержка двух режимов работы наземных терминалов)

      > Обеспечение услуг пейджинговой связи с буквенно-цифровой передачей данных

      Удовлетворение экологических норм и стандартов

      Шлюзовые станции

      Для обеспечения связи подвижных абонентов с абонентами наземной телефонной сети общего пользования, как и в других системах МЕО, используются шлюзовые станции. Каждая такая станция имеет в своем составе четыре следящие антенны диаметром 3,3 м, которые могут быть удалены от основного оборудования на 30 км. Три антенны используются для оперативной связи со спутниками, а четвертая — для передачи на спутники служебной информации. Поскольку в системе Odyssey не используется межспутниковая связь, то зона, обслуживаемая каждым спутником, жестко привязана к определенным регионам земной поверхности. Это обеспечивается тем, что антенны спутника формируют 10 лучей с шириной диаграммы направленности 5°, каждый из которых направлен в соответствующую зону наблюдения.

      Поскольку пользовательский терминал, всегда находится в одной из зон наблюдения, то связь с различными абонентами осуществляется через спутник и шлюзовую станцию, которая обеспечивает выход в телефонную сеть общего пользования.

      Предполагается, что основными пользователями системы будут правительственные службы и органы управления, которые нуждаются в оперативной мобильной связи, а также часть населения, проживающая на удаленной территории с плохо развитой наземной телефонной сетью. Расчетная стоимость проекта  составляет примерно 1,2 млрд. USD, а ожидаемая численность абонентов системы — около 2 млн. Стоимость минуты телефонной связи — 0,65 USD.

      Разработчик системы (компания TRW) получил в 1992 г. лицензию от Федеральной комиссии связи США на проведение экспериментальных работ с наземным сегментом системы.

      Система спутниковой связи ELLIPSO

      Система Eilipso разработана корпорацией Ellipsat Corp. (США) совместно с компаниями Израиля, Канады, Мексики и Австралии. Система Ellipso Предназначена для развития телекоммуникационных служб в интересах пользователей, которые плохо обеспечены существующими средствами мобильной и стационарной телефонной связи. Для этого с 1995 г. создается космический сегмент, состоящий из спутников-ретрансляторов, расположенных на средневысотных: эллиптических орбитах (высотой 8 тыс. км), и наземные средства прямого доступа абонентов к системе.

      Особенности построения орбитальной группировки

      Система Eilipso является уникальной и смысле разделения почти глобальной зоны обслуживания на две субзоны: северную и южную. При условном разделении земной поверхности разработчики учитывали, что в северном полушарии выше (40° с, ш,) плотность населения гораздо выше, чем в южном. В северном полушарии выше 40° с. т. расположена практически вся Европа, половина США, часть Японии и полностью СНА и Канада, В южном полушарии население сосредоточено, в основном, на территории от 0 до 40° ю. ш.

      Указанные особенности были учтены при проектировании системы, что привело к созданию двух орбитальных группировок КА. Параметры орбит КА обеих орбитальных группировок приведены в табл.

      Космический сегмент системы Ellipso для обеспечения глобального обзора поверхности Земли состоит из двух орбитальных группировок КА.

      Параметры орбит космической группировки Ellipso

      

      Параметр орбиты

      Or Borealis

      Or Concordia

      Высота апогея, км

      7800 

      7840

      Высота перигея, км

      520

      7840

      Наклонение.град.

      116.6

      0

      Число плоскостей

      2

      1

      Число КА на одной орбите

      4

      6

      Период обращения, ч

      3

      4,67


      
Орбитальная группировка из 6 КА Concordia

      14 спутников на 3 орбитах

      Первая орбитальная группировка КА (Or Borealis состоит из 8 спутников, которые располагаются на двух наклонных i = 116,6º эллиптических орбитах, и предназначена для обслуживания северного полушария Земли. Апогей и перигей орбит имеют соответственно высоты 7840 и 520 км, при этом время обращения спутника составляет около 3 ч.

      Вторая орбитальная группировка (Or Concordia) состоит из 6 спутников, расположенных на круговой экваториальной орбите высотой около 8 тыс. км и обслуживает, главным образом, южное полушарие Земли, полностью охватывая тропики северной и южной субзон.

      В дальнейшем предполагается довести число спутников для обслуживания северного полушария до 12. Они будут находиться на двух эллиптических орбитах. Вывод 3 дополнительных спутников позволит реализовать весь объем услуг связи в северном и, частично, в южном полушариях. При размещении 6 спутников на экваториальной орбите обеспечивается непрерывная связь в тропической зоне обоих полушарий Увеличение количества спутников до 9 позволит реализовать двукратное покрытие 1 региона между 40º ю. ш. и 40° с. ш.

      Спутники системы обладают сравнительно малым весом (688—730 кг). Антенна спутника формирует 8 лучей, которые для связи с абонентами работают в L-и S-дианазонах.Мощность излучения бортового передатчика 20—25 Вт. Для вывода спутников (до 5 шт.) на рабочие орбиты предполагается использовать одну ракету-носитель.

      Абонентские станции

      Система Eilipso предназначена не только для предоставления услуг мобильной персонально и связи, ни и для передачи телефаксов, пейджинговой связи и электронной почты. При необходимости система может предоставлять услуги по определению местоположения объектов.

      Для этого применяются псевдослучайные последовательности, которые формируют ШПС в L- и S- диапазонах . Кроме известных преимуществ использования ШПС, в системе Ellipsо имеется возможность изменения поляризации сигналов в различных лучах бортовой антенны, что значительно увеличивает число каналов связи.Параметры ШПС выбраны близкими к рекомендованным для стандартов наземных сотовых сетей с кодовым разделением. Такой подход потребует минимальных затрат при доработке абонентских терминалов для их использования в сотовых сетях радиотелефонной связи.

      Связь со спутниками-ретрансляторами будет осуществляться как через шлюзовые станции, так и через абонентские терминалы, которые могут работать в двух режимах, В первом режиме осуществляется связь со спутниками-ретрансляторами, а во втором режиме обеспечивается работа в наземных сотовых системах связи.

      Процесс ввода спутников-ретрансляторов в эксплуатацию включает несколько этапов. На первом этапе будут запущены 8 спутников на эллиптические Орбиты для охвата связью северного полушария Земли. На втором этапе должны быть выведены на экваториальную орбиту 6 спутников.

      Дальнейшие запуски спутников будут осуществляться, исходя из потребностей рынка, В каждой стране, где предполагается использовать систему Ellipso, необходимо установить не менее одной шлюзовой станции и региональный сетевой центр для взаимодействия с сотовой и общей телефонной сетью.