Эволюция системных решений и технологий подвижной спутниковой связи

Эволюция системных решений и  технологий подвижной спутниковой связи

Сергей Шавораков

В наши дни стремительно развиваются системы подвижной спутниковой связи (СПСС), предназначенные для предоставления услуг широким слоям населения. В связи с этим в ближайшие пять лет ожидается бурный рост этого рынка.    

Первой начала свою коммерческую деятельность международная система ПСС Inmarsat, которая уже в 1982 г. предоставляла услуги глобальной морской подвижной спутниковой связи.    

АС Orbcomm

Система Inmarsat первого поколения (стандарта Inmarsat-А), использовала аналоговые телефонные каналы связи с подвижными объектами и низкоскоростные каналы передачи телеграфных сообщений и данных. На борту искусственных спутников земли (ИСЗ) применялись малоэффективные антенны глобального охвата, из-за чего приходилось строить достаточно крупные по габаритам абонентские станции (в основном на больших и средних судах), имеющие зеркальные антенны диаметром около 1 м с электромеханическим приводом для слежения за космическим аппаратом (КА).    

На первых этапах развития Inmarsat пропускная способность линий связи через ИСЗ составляла всего несколько десятков телефонных каналов. Но благодаря использованию принципа незакрепленных каналов (выделение каналов по требованию) система могла обеспечивать достаточно насыщенный трафик, создаваемый несколькими сотнями морских судов и другими пользователями.    

Новые возможности появились при переходе к цифровым методам передачи информации и технологиям создания бортовых комплексов с более высокими энергетическими характеристиками, которые привели к повышению пропускной способности СПСС и уменьшению массы, габаритов, энергопотребления земных абонентских станций (АС).    

Со временем пропускная способность системы Inmarsat возросла, и в третьем поколении она уже составила около 4000 телефонных каналов, т. е. увеличилась на два порядка.    

К 1998 г. число станций СПСС Inmarsat достигло нескольких десятков тысяч. Кроме АС морской подвижной службы стандарта Inmarsat-А и его цифрового варианта Inmarsat-В, стали активно вводиться в эксплуатацию более легкие и массовые абонентские станции, в том числе предназначенные и для использования в сухопутных службах. В стандарте Inmarsat-М появилась первая АС класса терминалов для персональной спутниковой связи размером с кейс, а абонентская станция нового стандарта Inmarsat Mini-М была не больше книги (notebook). В стандарте Inmarsat-С используется легкий и сравнительно недорогой мобильный терминал, предназначенный для обмена короткими цифровыми сообщениями со скоростью до 600 бит/с между подвижным абонентом и центром, а в стандарте Inmarsat-D  -  карманный приемник сигналов вызова от абонентов наземной сети (спутниковый пейджер). Начали успешно эксплуатироваться АС стандарта Inmarsat-AERO, предназначенного для связи с самолетами гражданской авиации.    

Кроме того, система позволяет определять местоположение абонентов, используя сигналы космической навигационной системы GPS, а также уточнять эти GPS-измерения с помощью своих ИСЗ третьего поколения.    

Таким образом, за прошедшее десятилетие подвижная спутниковая связь претерпела существенные изменения и приобрела качественно новые свойства. Практически на два порядка повысилась ее пропускная способность.    

Вместе с тем, и это следует из сопоставления пропускной способности и прогнозируемого числа абонентских станций, СПСС Inmarsat обслуживает в основном малоинформативных абонентов. Прежде всего это суда, находящиеся в море, которым спутниковый канал при нормальных условиях плавания требуется 3 - 5 минут в сутки, а острая необходимость в спутниковом канале связи возникает лишь в случае аварийных ситуаций. Следует отметить, что тарифная плата за пользование каналом СПСС Inmarsat до последнего времени была достаточно велика, 5 - 6 долл./мин.    

Таким образом, и в силу своего назначения, и по экономическим причинам, Inmarsat не может быть отнесена к системам массового обслуживания. Использование каналов СПСС Inmarsat ограничено как для широких слоев населения, так и для многих ведомственных служб, организаций и кампаний.    

По-видимому, и этот фактор, но прежде всего достигнутый на рубеже 90-х годов уровень развития технологий спутниковой связи и наличие конкуренции, способствовали появлению целого ряда новых проектов систем ПСС. Многие из них сейчас воплощаются в жизнь, значительная часть находится в стадии разработки. Успехи космических электронных технологий, активная позиция ведущих фирм и высокий уровень ожидаемых телекоммуникационных услуг в этой области, новые возможности для пользователей  -  все это сравнимо с масштабами развития наземной подвижной связи в предыдущем десятилетии, но значительно более капиталоемко.    

Можно выделить несколько направлений развития СПСС. Помимо уже упомянутого третьего поколения глобальной СПСС Inmarsat появились региональные и национальные системы такого же типа, использующие спутники на геостационарной орбите (ГСО). К ним относится прежде всего система MSAT, разработанная для североамериканского континента канадской фирмой TMI и американской компанией AMSC и ориентированная на передачу всех видов сообщений со скоростями от 2,4 до 9,6 кбит/с, использование малых земных станций (ЗС) морской, сухопутной и авиационной служб.    

В Европе создается система EMS, а в Юго-Восточной Азии, Австралии и Океании успешно работает система Mobilesat. В России разработан проект “Марафон”. Отличительной особенностью этих систем является, как и в Inmarsat-3, значительное повышение пропускной способности за счет применения бортовых многолучевых антенн (МЛА) и расширение на этой основе возможностей по предоставлению пользователю разнообразных услуг.    

Кроме того, на рубеже 90-х годов на базе стволов геостационарных спутников общего пользования (Spacenet, Italsat, Eutelsat и др.) уже разработаны проекты Gstar, Omitracs, Prodat, Euteltracs. Они предназначены для сбора данных и передачи коротких сообщений с подвижных объектов, а также определения их местоположения. СПСС подобного назначения, но с использованием небольших низкоорбитальных спутников (“Гонец”, Orbcomm, “Элекон” и др.) создаются как альтернативные либо дополняющие упомянутые разработки.    

Вместе с тем, несмотря на лидирующее положение геостационарных систем, им присущи характерные недостатки:    

- во-первых, большие временные задержки распространения сигнала, которые при использовании двухскачкового режима уже не удовлетворяют требованиям международного союза электросвязи МСЭ-Т;    

- во-вторых, низкие углы места при работе АС в высоких широтах существенно ухудшают условия работы из-за влияния рельефа местности и городских зданий;    

- в-третьих, потери на трассе L-диапазона (1,5 - 1,6 МГц) достигают 190 дБ, что заставляет существенно усложнить аппаратуру АС, так как приходится использовать в составе абонентской станции либо дорогие направленные антенны (парабола, ФАР и т. д.), либо очень сложные методы модуляции/кодирования для повышения достоверности принимаемых сигналов.    

Эти недостатки подтолкнули ведущих производителей к поиску иных вариантов построения орбитальных группировок космического сегмента. В результате этого практически одновременно было объявлено о планах создания сразу нескольких систем СПСС на базе орбитальных группировок, использующих низкие и средние орбиты.    

АС Инмарсат

В начале 90-х годов появились проекты многоспутниковых низко- и среднеорбитальных “больших” СПСС  -  Iridium, Globalstar, “Сигнал”, Odyssey, ICO и др., ориентированных на обслуживание массового пользователя на чисто коммерческой основе, с помощью персональных терминалов типа “телефонная трубка”. Это направление развития СПСС, помимо использования негеостационарных орбит, отличает стремление разработчиков приблизиться к возможностям наземной сотовой связи и предложить спутниковый радиотелефон в качестве дополнения и развития этого вида услуг.    

Наконец, в самые последние годы параллельно с изысканием и внедрением новейших перспективных стандартов наземной персональной сотовой связи заявили о себе проекты геостационарных систем персональной спутниковой связи (суперГСО). Следует отметить, что еще совсем недавно практически во всех публикациях указывалось на принципиальную невозможность использования геостационарных спутников для подвижной связи непосредственно с ручным терминалом, подобным сотовому радиотелефону. Это объяснялось невозможностью установить надежную линию связи между персональными терминалом с выходной мощностью до 600 мВт и геостационарным спутником, так как потребовалось бы наличие в составе ИСЗ антенны диаметром 12 - 20 м. И хотя в рамках закрытых военных программ такие антенны уже могли изготавливаться и выводиться на геостационарную орбиту, однако их высокая стоимость делала их неприемлемыми для использования в коммерческих проектах. Но произошедшие геополитические изменения и применение военных технологий для коммерческих целей кардинально изменили ситуацию: стало возможным использовать такие антенны на экономически выгодных условиях. Как следствие, практически одновременно ряд телекоммуникационных компаний Азиатско-Тихоокеанского региона объявил о планах создания нескольких региональных систем персональной связи: Agrani, APMT, Garuda, EAST, которые будут использовать 10 - 12-метровые антенны и L-диапазон для приема/передачи на абонентском участке, а для фидерных линий базовых (зоновых) станций этих систем выбраны диапазоны С (4 - 8 ГГц), Кu (12,5 - 18 ГГц) и Ка (26,5 - 40 ГГц). Фирмы Spase Comm. Research (Япония), Spar Aerospace (Канада), ACTS (NASA) разработали проекты, предусматривающие применение диапазонов миллиметровых волн (вплоть до 50 ГГц), формирование сверхузких (“карандашных”) лучей бортовых МЛА и их коммутацию.

продолжение в следующем номере