Анализ возможностей существующих систем спутниковой навигации и связи

Технической и технологической основой создания и исполне­ния систем являются спутники связи.

Спутник — устройство связи, которое принимает сигналы от земной станции (ЗС), усиливает и транслирует сигналы в широ­ковещательном режиме одновременно на все ЗС, находящиеся в зоне видимости спутника.

Главными компонентами спутника являются его конструк­ционные элементы: системы управления положением, системы питания, телеметрии, трекинга, команд, приемопередатчики и антенна. Предоставленный сам себе спутник, в конце концов, пе­решел бы к случайным вращениям. Устойчивость и нужная ориен­тация антенны поддерживается системой стабилизации. Размер и вес спутника ограничены, в основном, требованиями к солнеч­ным батареям и объему топлива для жизнеобеспечения спутника (обычно в течении 10 лет).

Телеметрическое оборудование спутника используется для пе­редачи на Землю информации о его положении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаются соответству­ющие команды, по получении которых включается энергетичес­кое оборудование и осуществляется коррекция.

Спутниковая система связи (ССС) состоит из трех базисных частей: космического сегмента, сигнальной части и наземного сег­мента. Космический сегмент решает задачи проектирования спут­ника, расчета орбиты и запуска спутника. Сигнальная часть вклю­чает в себя выбор используемого спектра частоты, оценку влия­ния расстояния на организацию и поддержание связи, определение Источников искажения сигнала, схем модуляции и протоколов передачи. Наземный сегмент включает размещение и конструкцию ЗС, типы антенн, используемых для различных приложений, схе­мы организации множественного доступа к каналам спутника.

Благодаря быстрому регулярному автоматическому опросу транс­порта и высокой скорости передачи информации диспетчеры по­тенциально могут получать данные о состоянии ПС в реальном масштабе времени. Ниже рассмотрены основные ССС.

Система Inmarsat обслуживается несколькими геостационарными спутниками, охватывающими почти всю поверхность земного шара, за исключением околополюсного пространства (рис. 5.2). В настоящее время осуществляется переход на спутники нового поколения Inmarsat 3-F3.

В системе Inmarsat существуют различные абонентские терми­налы, которые отличаются друг от друга как функциональными возможностями, так и конструктивно. Например, терминалы «мор­ского исполнения» оснащены специальной аварийной системой, автоматически генерирующей и передающей сигнал SOS вместе с координатами. В состав терминала может входить дополнительное оборудование для телеметрии или навигации. В конструкции тер­минала Inmarsat-C объединены антенный блок и системный мо­дуль, имеющий стандартные интерфейсы для подключения при­емопередатчика и специальных датчиков, а также параллельный порт типа Centronics. Характеристики системы Inmarsat-C: диапа­зон рабочих частот при приеме 1,53—1,545 ГГц, при передаче 1,6265-1,6455 ГГц; скорость передачи данных 600 бит/с.

В настоящее время стало возможным производить прием-переда­чу сигнала с мобильного телефона, находящегося в любой точке планеты. Сигнал, поступивший на спутник, передается по цепочке на следующий спутник, пока не дойдет до ближайшей к вызыва­емому абоненту наземной станции системы. Благодаря этому дости­гается высокое качество сигнала. Качество работы спутников посто­янно контролируется, неисправные выводятся из эксплуатации к заменяются другими. Всегда есть несколько резервных спутников.

Система имеет глобальную зону покрытия. Предлагается боль­шой перечень услуг: телефонная связь, передача алфавитно-цифро­вых сообщений на пейджер Iridium, переадресация вызова, конференц-связь, передача факсимильных сообщений, «голосовая почта». К. плюсам терминалов системы Inmarsat следует добавить возмож­ность работать также в стандарте сотовых сетей GSM и AMPS/CDMA.

Основными функциями системы ORBCOMM являются: авто­матизированный сбор данных о координатах и состоянии объек­тов, предоставление услуг электронной почты и ОМП пользовате­ля с помощью автономной навигации ORBCOMM и устройств GPS глобальной системы позиционирования. По охвату зон обслу­живания система в полной мере относится к глобальным, поскольку ее космический сегмент обеспечит работу с абонентами из разных стран мира, в том числе из США, Канады, России, ЮАР, Ниге­рии, а также из стран Южной Америки.

В составе бортового оборудования, кроме приемопередающих устройств дециметрового и метрового диапазонов и антенного ком­плекса, предусмотрена аппаратура радионавигационной системы GPS. Канал «спутник—Земля» (рабочий диапазон частот 137 — 138 МГц) используется для передачи данных в комбинированном стандарте TDMA/FDMA (скорость передачи мобильному объекту 2,4 Кбит/с), а обратный (полоса 148-149,9 МГц) - в стандарте FDMA (скорость передачи 4,8 Кбит/с). Для связи с узловой станцией, входящей в наземный сегмент, используется высокоскоростной канат 57,6 Кбит/с. На спутнике ORBCOMM установлен приемник системы GPS, что обеспечивает автономное определение координат абонента, поскольку расчет параметров орбиты спут­ника производится на борту и рассылается не только наземным станциям, но и мобильным пользователям. Точность определения координат зависит от диапазона рабочих частот приема и числа j спутников в зоне обслуживания, однако разработчики считают, что даже в самом сложном случае (частота 137 МГц, один спутник) погрешность не превысит 1100 м.

Наземный сегмент включает единый Центр управления космическим сегментом (ЦУКС) в штате Вирджиния, узловые станции и региональные центры управления сетью, которые отвечают за трафик и сопряжение с другими сетями передачи данных (в частности, с Интернет) или с наземными абонентами (по выделенным каналам и сети общего пользования). Каждая узловая станция в системе ORBCOMM осуществляет связь одного спутника с центрами управления. Соединение в ORBCOMM устанавливается по запросу, как пользователя, так и узловой станции. Кроме того, в функции узловой станции входит организация опроса датчиков на необслуживаемых объектах.

Система «Глобалстар» предоставляет услуги по передаче голо­са, данных, факсов, обмену сообщениями и услуги определения местонахождения для клиентов во всем мире, использующих су­ществующие общественные или частные телефонные компании. Космический сегмент включает группу из 48 низкоорбиталь­ных спутников (и 8 резервных), размещенных на круговых орбитах в 8 плоскостях на высоте 1414 км. Каждый спутник содержит ан­тенный комплекс, формирующий 16 лучей, создающих на повер­хности Земли зону обслуживания диаметром в несколько тысяч километров, внутри которой возможна коммутация на любую CDMA-несущую с шириной полосы развертывания 1,25 МГц.

Пользовательский сегмент состоит из портативных, мобильных и стационарных терминальных устройств, использующихся для передачи голоса, данных и ОМП.

Наземный сегмент (рис. 5.3) состоит из базовых станций (шлю­зов), центров управления наземным и космическим сегментами (ЦУНС и ЦУКС), теле командного оборудования, сети передачи данных «Глобалстар», делового офиса «Глобалстар» и центров уп­равления поставщиками услуг (ЦУПУ).

Шлюзы обеспечивают взаимодействие Системы «Глобалстар» и наземных/мобильных сетей. Большое количество шлюзов, установ­ленных по всему миру, обеспечивает непрерывное обслуживание пользователей.

ЦУНС занимается распределением ресурсов спутников. Назем­ный центр планирует и контролирует использование ресурсов спутников (каналов, ширины полосы частот и т.п.) шлюзами и взаи­модействует с центром управления спутниками. Наземный центр управляет также сетью передачи данных «Глобалстар» и самими шлюзами. Имеется также резервный центр управления.

ЦУКС через телекомандные устройства следит за работоспо­собностью спутников и состоянием их орбит. Данные телеметрии, поступающие со спутников, обрабатываются, отображаются в ре­альном времени и проверяются на соответствие параметрам. В слу­чае несоответствия требованиям выдается отчет об отклонениях. ЦУКС также распределяет и поддерживает постоянные орбиты посредством команд, передаваемых на спутники. В системе орга­низовано два ЦУКС: главный и дополнительный (резервный).

Телекомандное оборудование, расположенное на отдельных шлю­зах, осуществляет прием телеметрии и управление спутниковой груп­пировкой «Глобалстар». Это оборудование принимает команды из ЦУКС и обеспечивает передачу их непосредственно на спутники.

Сеть передачи данных «Глобалстар» (GDN — Globalstar Data Network) обеспечивает связь между частями наземного сегмента. GDN, которая управляется и контролируется ЦУНС, предостав­ляет широкий спектр возможностей для связи шлюзов, ЦУНС, ЦУКС, телекомандного оборудования и делового офиса «Гло­балстар», который регулирует финансовую и административную сферы функционирования системы, заключение контрактов, мар­кетинговые исследования и планирование шлюзов, управление сче­тами пользователей, планирование будущих расчетов, системы ком­пьютерной поддержки и людские ресурсы.

Структуру системы «Гонец» составляют космический сегмент, центры управления системой, региональные станции и абонентские терминалы. Центры управления системой не только обеспечи­вают обычные функции, но и организуют работу каналов связи, устанавливают приоритеты доступа, осуществляют контроль борто­вых систем и телеметрической информации, а также выполняют необходимые вычисления для определения зон обслуживания.

Составной частью сети «Гонец» являются региональные назем­ные станции, каждая из которых одновременно может использо­вать три спутника. В функции станции входит организация связи в регионе, в том числе коммутация и маршрутизация потоков дан­ных и подключение абонентов системы к сетям общего пользова­ния, выделенным ведомственным радиосетям и ЛС.

Система предусматривает различные схемы передачи информа­ции по сети, зависящие от необходимой оперативности связи и взаимного расположения абонентов:

•ретрансляция в зоне обслуживания одного спутника;

•перенос данных между абонентами через спутник (режим «по­чтового ящика»);

•ретрансляция через наземную станцию;

. ретрансляция через магистральные каналы наземной или спут­никовой связи.

Система «Вектор» использует оборудование Inmarsat в стандар­те «Inmarsat-C» и спутниковую систему навигации NAVSTAR. Ком­плект оборудования монтируется в автомобиле, а специализиро­ванное ПО устанавливается на диспетчерском пункте, который обеспечивает круглосуточную связь с мобильным объектом и оп­ределяет его местоположение с точностью от 25 до 80 м.

Диспетчерский центр подключен к сети из почти 40 наземных станций системы Inmarsat-C (LES), в функции которой входит непосредственная передача сообщений бортовому оборудованию автомобиля через спутник (время передачи сообщения — не более 5 мин). В диспетчерском центре установлен ПК, подключенный через модем (протокол передачи Х.25, Х.400, TCP/IP) к назем­ной станции Inmarsat. Базовое ПО диспетчерского центра полнос­тью адаптировано для российских условий.

Кроме того, в состав системы «Вектор» входит специальный картографический модуль (GEO) с набором карт разного масшта­ба. Программа LOGIQ Dispatch позволяет диспетчеру отправлять и получать сообщения в заранее определенной форме и определять координаты транспортного средства, а также вносить изменения в сопровождающие груз документы (для этого в комплект оборудо­вания абонента включается портативный термопринтер).

На автомобиле устанавливается мобильный терминал LOGIQ MDT (MDA), подключенный непосредственно к нему спутнико­вый приемопередатчик и антенна. Бортовой компьютер LOGIQ MDT (на базе процессора V25) находится на передней прибор­ной панели и имеет привычную компьютерную клавиатуру с набором специальных функциональных клавиш и небольшой жидко­кристаллический экран для вывода коротких сообщений или форм (4 строки по 40 символов). Спутниковая антенна с основанием 15 см имеет высоту около 13 см и рассчитана на прием сигналов GPS и обмен данными в системе Inmarsat. Сравнение различных ССС от­ражено в табл. 5.1.

Таблица 5.1