«А.П. Дятлов СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ Таганрог 2004 УДК 621.396.931 Дятлов А.П. Системы спутниковой связи с подвижными объектами: Учебное пособие. Ч.1. Таганрог. ТРТУ. 2004. 95 с. Учебное пособие ...»

МИНИСТЕР СТВО ОБЩЕГО И ПРО ФЕССИОНАЛЬНОГО

О Б РА З О ВА Н И Я Р О С С И Й С К О Й Ф Е Д Е РА Ц И И

ТА ГА Н Р О Г С К И Й Г О С УД А Р С Т В Е Н Н Ы Й РА Д И О Т Е Х Н И Ч Е С К И Й

УНИВЕРСИТЕТ

А.П. Дятлов

СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ С

ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Таганрог 2004 УДК 621.396.931 Дятлов А.П. Системы спутниковой связи с подвижными объектами: Учебное пособие. Ч.1. Таганрог. ТРТУ. 2004. 95 с.

Учебное пособие состоит из двух частей. В первой части рассмотрены классификация систем спутниковой связи с подвижными объектами (ССС ПО), принцип действия, состав и основные характеристики ССС ПО, методика энергетического расчета ССС ПО, распределение ресурсов спутниковых ретрансляторов, особенности использования при построении ССС ПО искусственных спутников земли (ИСЗ) с различной высотой орбиты.

Рассмотрены принципы построения геостационарных и низкоорбитальных ССС ПО.

Табл. 19. Ил. 34. Библиогр:18 назв.

Печатается по решению Совета УМО МОПО по направлению «Телекоммуникации».

Рецензенты:

Е.А. Волков, д-р техн. наук, проф. кафедры связи Ростовского государственного университета путей сообщения.

Кафедра электросвязи Северо-Кавказкого филиала Московского технического университета связи и информатики.

© Таганрогский государственный радиотехнический университет,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Связь является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей инфраструктуры современного общества с учетом его эволюции от индустриального к информационному. Такому положению дел способствует постоянный рост количества абонентов и спрос на ассортимент услуг связи.

В последние годы наиболее бурное развитие в РФ и в мире получили сети подвижной радиосвязи (СПР), поскольку они больше других сетей связи соответствуют принципам глобализации и персонализации связи и обеспечивают повышение оперативности обмена информацией между абонентами самых различных категорий на любых расстояниях.

Данное учебное пособие посвящено анализу основных характеристик и принципов построения одной из разновидностей СПР: спутниковым системам связи с подвижными объектами (ССС ПО).

Необходимость издания данного учебного пособия обусловлена открытием в ряде вузов РФ специальности 2012 «Средства связи с подвижными объектами», для которой в настоящее время отсутствует соответствующее методическое обеспечение.

В связи с бурным развитием ССС ПО и незавершенностью большого количества заявленных проектов по их реализации в учебном пособии дан обзор и систематизация отечественных и зарубежных научно-технических публикаций по этой проблеме.

Учебное пособие состоит из двух частей. В первой части пособия изложены основные особенности ССС ПО и принципы построения геостационарных и низкоорбитальных ССС ПО. Во второй части пособия изложены принципы действия технических средств земного и космического сегментов различных типов ССС ПО.

Данное учебное пособие предназначено для студентов специальностей 2012, 2014 и других специальностей направления «Телекоммуникации», а также для инженеров и аспирантов соответствующего профиля.

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

1.1.Классификация систем спутниковой связи Спутниковая связь является быстро развивающимся перспективным видом связи, что обусловлено такими ее достоинствами, как – возможность обслуживания большого количества абонентов, удаленных на значительные расстояния и расположенных в любых регионах Земли;

– простота реконфигурации систем спутниковой связи (ССС) при изменении мест расположения абонентов;

– независимость затрат при организации связи от расстояния между объектами;

– незначительное влияние атмосферы и географических особенностей мест установки земных станций (ЗС) на устойчивость связи.

Принцип действия систем спутниковой связи (ССС) основан на использовании промежуточного спутникового ретранслятора (СР), через который обеспечивается связь между ЗС (рис. 1.1).

В зависимости от назначения ССС связываемые пункты могут быть расположены на поверхности Земли, в атмосфере или космосе. В каждом из этих пунктов устанавливается обычно приемно-передающая связная радиостанция (одноканальная или многоканальная), а на спутниках — СР, принимающие радиосигналы от одних абонентов и ретранслирующие эти сигналы другим абонентам. В простейшем случае ретрансляция сводится к усилению мощности входных сигналов и переносу их спектров на другие несущие частоты. Однако в ряде ССС в СР производится более сложная обработка сигналов, чтобы уменьшить перекрестные помехи между сигналами от различных ССС и повысить помехоустойчивость системы. В общем случае для обеспечения качественной связи между всеми пунктами (абонентами) СР приходится размещать на нескольких Рис. 1.1.

спутниках, вращающихся на различных орбитах.

ССС различают по степени глобальности и универсальности обслуживания абонентов. Степень глобальности ССС характеризуется принадлежностью и размером зоны обслуживания, а универсальности ССС — набором категорий абонентов и числом видов предоставляемой связи.

По принадлежности ССС подразделяются на международные, национальные, корпоративные. По зоне обслуживания ССС делятся на глобальные, региональные, зоновые (рис. 1.2).

В ССС осуществляется передача следующих видов информации: 1) программ телевидения и звукового вещания и других видов симплексных сообщений циркулярного характера; 2) телефонных, факсимильных, телеграфных сообщений, видеоконфенций, цифровых передач — симплексных или дуплексных по своему характеру.

В зависимости от типа ЗС и назначения ССС различают следующие службы радиосвязи /1/:

1) фиксированную спутниковую службу (ФСС), соответствующую режиму радиосвязи между ЗС, расположенных в фиксированных пунктах при использовании одного или нескольких спутников;

2) подвижную спутниковую службу (ПСС), соответствующую режиму радиосвязи между подвижными ЗС при использовании одного или нескольких спутников;

3) радиовещательную спутниковую службу (РСС), соответствующую режиму циркулярной радиосвязи.

В данном учебном пособии рассматриваются принципы построения и особенности ССС с подвижными объектами (ССС ПО), предназначенных для передачи информации различного характера 1.2. Состав и основные характеристики систем спутниковой связи с подвижными объектами В состав ССС ПО, структура которой приведена на рис. 1.3, независимо от их назначения входят такие компоненты, как /2/ 1) космическая станция (КС), представляющая собой спутниковый ретранслятор (СР), включающая в себя приемопередающее устройство, антенны для приема и передачи радиосигналов, а также ряд систем обеспечения энергоснабжения, ориентации антенн и солнечных батарей, коррекции положения ИСЗ на орбите и 2) абонентские ЗС, обеспечивающие дуплексный обмен информацией;

3) центральная (координирующая) ЗС (ЦЗС), обеспечивающая контроль за режимом работы СР и соблюдением ЗС важных для работы ССС параметров (излучаемой мощности, несущей частоты, вида поляризации, характеристик модулирующего сигнала и т.д.);

4) центральная ЗС системы управления и контроля ИСЗ (ЦУС), обеспечивающая управление всеми техническими средствами, размещенными на ИСЗ, и контроль 5) соединительные наземные линии (СНЛ), обеспечивающие подключение ЗС к источникам и потребителям передаваемой информации;

6) центр управления (ЦУП) ССС, представляющий орган, осуществляющий руководство эксплуатацией ССС и ее развитием.

По трафику ССС ПО делятся на три типа /3/: «точка—точка» (рис. 1.4, а) — простейший случай дуплексной линии связи между двумя удаленными станциями; «звезда» (рис. 1.4, б) — для многонаправленной радиальной передачи трафика между центром сети и периферийными (удаленными) пунктами связи; «каждый с каждым» (рис.

1.4, в) — для обеспечения прямых связей между любыми пунктами сети связи.

Сеть типа «точка—точка» обеспечивающая дуплексную связь между двумя удаленными пунктами, наиболее эффективна при больших расстояниях между ними или при их расположении в труднодоступных регионах, а также при большой величине трафика между пунктами.

В наиболее распространенных сетях типа «звезда» обеспечивается многонаправленная радиальная передача трафика между центральной земной станцией сети (ЦЗС) и удаленными периферийными абонентскими ЗС по энергетически выгодной схеме:

малая ЗС—большая ЦЗС, обладающая антенной большого диаметра и мощным передатчиком. ССС ПО подобного рода широко используются для организации информационного обмена между большим числом не имеющих взаимного трафика удаленных терминалов и центральным офисом фирмы, транспортных или финансовых учреждений. Аналогично построены телефонные сети для обслуживания так называемых удаленных абонентов, которым обеспечивается выход на телефонную коммутирующую сеть общего пользования (ТФОП) через ЦЗС, подключенную к одному из наземных центров коммутации каналов.

Функции контроля и управления в сети типа «звезда» обычно сосредотачиваются в ЦУС. ЦУС выполняет служебные функции, необходимые для установления соединений между абонентами сети и поддержания рабочего состояния всех периферийных терминалов. Такая централизованная система управления экономически целесообразна для сетей с большим числом упрощенных и дешевых периферийных терминалов.

По вариантам маршрутизации соединений через СР ССС ПО подразделяются /3/ на одно-, двух-, трехскачковые и кольцевые с использованием межспутниковых линий связи или наземных шлюзовых станций. ССС ПО с односкачковым соединением через СР (рис. 1.5, а) используются для обеспечения связи двух ЗС в случае закрепленных каналов или запроса ЗС с ЦЗС при предоставлении каналов по требованию (ПКТ).

ССС ПО с двухскачковым соединением через СР (рис. 1.5, б) предназначены для обеспечения связи между двумя ЗС, находящихся в составе сети обслуживаемой одной ЦЗС. При этом ЗС работают в режиме «один канал на несущую» (ОКН), а ЦЗС выполняет функции коммутации, соединяя ЗС друг с другом по требованию, а также обеспечивая выход на наземные сети связи (НСС).

ССС ПО с трехскачковым соединением через СР (рис. 1.5, в) предназначены для обеспечения связи между ЗС, расположенными в зонах обслуживания разными ЦЗС.

В перечисленных выше ССС ПО используется один СР, который может размещаться на ИСЗ с различной высотой орбиты.

При построении ССС ПО на основе использования нескольких СР, размещаемых на созвездии низкоорбитальных ИСЗ, в зависимости от назначения и технических характеристик, в ее составе имеются межспутниковые каналы связи (МКС) (рис. 1.5, г) или наземные шлюзовые станции (ШС) (рис. 1.5, д). Подобные ССС ПО предназначены для обеспечения региональной или глобальной связи абонентских терминалов по принципу «каждый с каждым».

На начальных этапах развития в ССС применялись аналоговые методы передачи информации.

В последние годы преимущественное развитие получило использование в ССС цифровых методов передачи, в связи с тем, что при этом обеспечивается высокая помехоустойчивость, стабильность параметров каналов, гибкость при построении ССС различной конфигурации и модернизации режимов их работы, появляется возможность более полного использования пропускной способности каналов и повышения технико-экономических показателей ССС.

Для передачи по цифровым каналам аналоговые сигналы подвергаются аналогоцифровому преобразованию. К наиболее распространенным видам аналого-цифрового преобразования можно отнести импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ), дифференциальную и адаптивно-дифференциальную ИКМ, дельта-модуляцию, адаптивную дельта-модуляцию. Исследования показали, что качественные показатели речи в междугородных каналах обеспечиваются при ИКМ со скоростью передачи 64 Кбит/с, методы низкоскоростного кодирования позволяют снизить эту скорость до 32 Кбит/с, а при использовании вокодерной обработки до 2,44,8 Кбит/с /4/.

Эффективным средством повышения пропускной способности ССС при обеспечении телефонной связи является реализация оптимальных методов модуляции, кодирования, многостанционного доступа, а также, статистическое уплотнение, основанное на использовании естественных пауз в разговоре двух абонентов.

Границы частотного диапазона, используемого в ССС ПО, определяются большим количеством факторов, из которых наиболее важными являются допустимые размеры антенн ЗС и СР, особенности распространения радиоволн и существующей практикой распределения частотного ресурса между различными службами.

Распределение частотных полос, выделяемых ССС ПО находится в стадии формирования в связи с решениями Всемирных административных конференций по радиосвязи (ВАКР 92, 95), для реализации ССС ПО выделены дополнительные полосы:

137…138 МГц; 148…149,9 МГц; — при использовании маломощных 272…273 МГц; 400,15…401 МГц; передатчиков и низкоскоростных 1525…1544 МГц; 1610…1626,5 МГц — в направлении Земля—Космос (ЗК); 1970…2010 МГц;

15,4…15,7 ГГц; 19,3…19,6 ГГц; — для межспутниковых каналов связи Достижимый на современном уровне науки и техники энергетический потенциал ЗС и СР позволяет при построении ССС ПО реализовать низкоскоростные до R= Кбит/с и среднескоростные до R=2048 Кбит/с передачи информации /5/.

1.3. Энергетический расчет систем спутниковой связи 1.3.1. Для обеспечения качественной связи в ССС ПО необходимо обеспечить во всех радиолиниях определенный энергетический баланс. В ССС ПО используются пять типов радиолиний: радиолинии вверх «Земля—Космос» (З-К) типа ЗС-СР, ЦЗССР; радиолинии вниз «Космос—Земля « (К-З) типа СР-ЗС, СР-ЦЗС и радиолинии «Космос—Космос» (К-К) типа СР-СР. При этом наиболее напряженными в энергетическом отношении являются радиолинии ЗС-СР и СР-ЗС в связи с тенденцией перехода в ССС ПО от мобильных земных терминалов к «ручным» терминалам, т.е. к существенному снижению мощности передатчика ЗС.

Отличительной особенностью спутниковых радиолиний являются большие потери, обусловленные большой протяженностью трассы между ЗС и СР и неидеальностью распространения радиоволн. Так при размещении СР на геостационарном ИСЗ при трассе длиной (39…42)·103 км затухание радиосигнала в трех сантиметровом диапазоне волн может составлять более 200 дБ.

Кроме затухания сигнала на трассе радиолинии в космическом пространстве необходимо учитывать потери в трактах антенно-фидерных устройств передатчиков и приемников ЗС и СР, в процессе распространения радиоволн в атмосфере Земли, из наличия несогласованности поляризаций антенн ЗС и СР, из-за неточности наведения антенн и пр. В ССС ПО поляризационные потери появляются не только за счет влияния магнитного поля Земли и атмосферы, но и за счет изменения пространственного положения ЗС и СР. С целью устранения поляризационных потерь в ССС ПО рекомендуется в передающих и приемных антеннах использовать круговую поляризацию одного направления вращения.

Следует также учитывать, что на приемные устройства ЗС и СР, кроме тепловых флюктуационных шумов, могут воздействовать разного рода непреднамеренные помехи, связанные с излучением Космоса, Солнца, планет, спутников, находящихся на различных орбитах, наземных радиотехнических средств и иного рода источников помех.

В общем случае при проектировании радиолиний спутниковой связи необходимо рассчитывать на их работу в наиболее неблагоприятных условиях с наименьшими энергетическими затратами.

1.3.2. В рамках данного учебного пособия при проведении энергетического расчета ССС ПО будем полагать атмосферу однородной и идеальной, а влияние Земли и поляризационных потерь пренебрежительно малыми. Каждая радиолиния состоит из передающей части, радиотракта или приемной части. К основным характеристикам радиолинии относятся /2, 6/.

– мощность передатчика Рп, отнесенная к одному каналу;

– коэффициент усиления передающей антенны Gn;

– коэффициент усиления приемной антенны Gпр;

– коэффициент потерь в свободном пространстве L;

– коэффициент дополнительных потерь в радиолинии L;

– мощность принимаемого сигнала Рпр, отнесенная к одному каналу.

Мощность передачи связана с выходной мощностью передатчика Рв соотношением где Gп — коэффициент потерь в фидере передатчика.

Коэффициент усиления направленной антенны (передающей или приемной) G показывает обеспечиваемый ею выигрыш в мощности сигнала по сравнению с ненаправленной антенной. Максимальное значение коэффициента усиления Gм равно где Sa — эффективная площадь антенны; — длина волны.

Коэффициент потерь в свободном пространстве учитывает рассеяние электромагнитной энергии в пространстве при изотропном распространении радиоволн и определяется по формуле где r — расстояние между ЗС и СР.

Величина L, обусловленная поглощением радиоволн в атмосфере, замиранием вследствие многолучевости существенно зависит от угла места антенны ЗС и меняется в пределах 1,5 дБ до 6 дБ /6/.

Мощность сигнала на входе приемного устройства Рс связана с мощностью принимаемого сигнала Рпр соотношением где Gпр — коэффициент потерь в фидере приемника.

Основные энергетические параметры радиолинии взаимосвязаны уравнением радиопередачи Энергетический потенциал радиолинии характеризуется отношением мощности принимаемого сигнала Рпр к спектральной плотности шумов на входе приемника N где k=1,39·10–23 Вт/Гц·гр — постоянная Больцмана; Тпр — шумовая температура приемного устройства по шкале Кельвина; РпGп — эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ),Вт; Gпр/Тпр — добротность приемного устройства, К–1.

При расчете энергетического потенциала радиолинии, наряду с мощностью принимаемого сигнала Рпр, используется плотностью потока мощности на единичной площадке где Sпр — эффективная площадь приемной антенны.

При использовании в СР многостанционного доступа на основе частотного разделения каналов необходимо дополнительно учитывать помехи за счет взаимной модуляции (интермодуляционной), которые рассматриваются как флюктуационный шум со спектральной плотностью I0.

При этом результирующее отношение сигнал/помеха на выходе СР определяется из соотношения В общем случае при проектировании ССС ПО необходимо дополнительно решать проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) данной системы с другими космическими и наземными системами, функционирующих в общих полосах частот. Для решения данной проблемы формулируются ограничения на энергетические потенциалы СР и ЗС, которые зависят от частотных диапазонов /1/.

1.3.3. Рассмотрим методику энергетического расчета ССС ПО на примере архитектуры «точка—точка», обеспечивающей дуплексную одноканальную связь при использовании сигналов с четырехкратной фазовой манипуляцией (ФМ-4) со скоростью передачи информации R и достоверностью передачи информации, соответствующей заданному уровню вероятности ошибочных решений Рош.

Структура упомянутой ССС ПО при использовании СР с прямой ретрансляцией и частотным разделением каналов при передаче информации от ЗС1 к ЗС2 приведена на рис. 1.6, где приняты следующие обозначения:

P1, G1, в1 — соответственно мощность передатчика, усиление передающей P2, G2, в2, Т2 — соответственно мощность сигнала на входе СР, усиление приемной антенны и потери в антенном фидере СР, шумовая температура СР;

— соответственно мощность сигнала на выходе СР, усиление пеР3, G3, в3, Рин редающей антенны и потери в фидере СР, мощность интермодуляционной помехи на выходе СР;

— соответственно мощность сигнала на входе приемника ЗС2, P4, G4, в4, T Кср, fcp, fk — соответственно коэффициент передачи СР по мощности в линейном режиме, ширина частотного диапазона СР и полоса — соответственно расстояние между ЗС1 и СР и СР-ЗС2, рабочие r12, r34, 1, В данном случае ССС ПО состоит из прямого т обратного каналов связи. Прямой канал включает в себя радиолинии ЗС1-СР и СР-ЗС2, а обратный — ЗС2-СР и СР-ЗС1.

При дуплексной связи допустимо автономное рассмотрение каждого из упомянутых каналов.

При энергетическом расчете прямого канала необходимо, наряду с характеристиками радиолиний ЗС1-СР и СР-ЗС2 учитывать нелинейный характер обработки сигналов в СР.

Наиболее сложно обеспечить энергетический баланс на участке СР-ЗС2, поскольку мощность помехи Рр на входе приемника ЗС2, определяется не только тепловыми шумами ЗС2 Ршзс, но и переизлученными СР шумами ЗС1 на входе СР Ршср и интермодуляционными помехами Рин. При этом результирующее отношение сигнал/помеха g в рассматриваемой ССС ПО может быть представлено следующим образом /2, 7/ где g зс, g ср, g ин — соответственно отношение сигнал/шум по мощности на входе ЗС2, СР и отношение сигнал/интермодуляционная помеха на выходе СР.

При использовании в ССС ПО сигналов ФМ-4 для обеспечения требуемого уровня достоверности передачи информации необходимо, чтобы отношение сигнал/помеха по напряжению g определялось из соотношения где arc Z — обратная функция от Z; Ф(х) — интеграл ошибок; Рс — мощность сигнала; Рр — мощность помех, обусловленных шумами ЗС и СР.

Мощность шума на входе ЗС2 и СР где k — постоянная Больцмана; М = 4 — кратность манипуляции сигнала ФМ-4.

Мощность сигнала на входе приемника СР где 2 — ослабление усиления приемной антенны СР за счет неточной ориентации ее оси симметрии в направлении на ЗС1; L12 — ослабление сигнала на участке «ЗС-СР»;

L12 — дополнительное ослабление сигнала на участке «ЗС-СР» за счет неидеальности эфира; 1 — рабочая длина волны передачи информации ЗС1.

Мощность сигнала на выходе СР При функционировании СР в многосигнальном режиме /8/ где Рм — максимальная мощность на выходе СР, функционирующего в многосигнальном режиме, которая на 2дБ меньше максимальной мощности в односигнальном режиме; n — количество сигналов на входе СР; Ки — снижение мощности на выходе СР относительно максимальной для уменьшения интермодуляционных помех.

В случае, когда n > 20, существует оптимальное значение Ки = Ки опт = 0,63, когда g ин 2g ср /8/.

Для взаимосвязанного выбора характеристик ЗС1, ЗС2 и СР можно использовать итеративную методику /7/, основанную на использовании коэффициентов запаса где g ср — результирующее отношение сигнал/помеха по мощности на выходе СР с учетом тепловых шумов и интермодуляционных помех. В случае, когда n> g ин = 2g ср имеем g ср = g ср.

Полученные соотношения позволяют произвести расчет и оптимизацию энергетических характеристик компонент прямого радиоканала.

Для расчета энергетических характеристик передатчика ЗС1 (Р1, G1) можно воспользоваться уравнением радиопередачи радиолинии ЗС1-СР, в соответствии с которым имеем После преобразований получаем Для расчета энергетических характеристик приемника ЗС2 (G4, T4) можно воспользоваться уравнением радиопередачи радиолинии СР-ЗС2, в соответствии с которым имеем После преобразований получаем Аналогичным образом можно произвести расчет энергетических характеристик обратного канала.

При фиксированных параметрах СР и симметричном характере прямого и обратного каналов, когда r12 = r34, L12 = L34, а также при 1 2 энергетические параметры ЗС определяются из соотношений где Рп зс — мощность передатчика ЗС; Pпр зс — реальная чувствительность приемника ЗС; Тзс — шумовая температура.

С учетом вышеприведенных соотношений пропускная способность ССС ПО при организации ряда параллельных каналов «точка—точка» определяется следующим образом где nк — максимально допустимое количество дуплексных каналов ССС ПО.

1.4. Распределение ресурсов спутниковых ретрансляторов В связи с большой стоимостью космического сегмента при построении ССС ПО применяют такие принципы построения сети связи, которые обеспечивали бы возможность использования одного СР для большого количества наземных абонентов.

Распределение ресурсов СР (мощности и полосы) в зависимости от особенностей ССС может осуществляться несколькими способами:

1) формированием на ИСЗ нескольких стволов за счет использования нескольких СР, работающих в различных частотных диапазонах;

2) разделением каналов для обеспечения многостанционного доступа в стволе;

3) динамическим распределением и предоставлением каналов или групп каналов для их коллективного использования на основе методов распределения запросов.

В ИСЗ, как правило, устанавливается несколько независимых СР. Каждый СР имеет входной фильтр, который ограничивает прием сигналов желаемой полосой частот.

Распределение ресурсов каждого СР, то есть формирование его независимых каналов, можно осуществить путем использования ортогональных структур сигналов, а для обеспечения многостанционного доступа (МД) используются: частотное уплотнение (МДЧУ), временное уплотнение (МДВУ) и кодовое уплотнение (МДКУ).

При МДЧУ формирование каналов достигается путем разделения полной полосы СР между различными группами несущих и ограничения частотной полосы передачи для каждой несущей выделенным поддиапазоном. СР работает в режиме близком к линейному, поэтому мощность, выделенная для каждой несущей приблизительно обратно пропорциональна количеству каналов в СР. МДЧУ может использоваться для передачи как аналоговых, так и цифровых сигналов. Экономически целесообразно использовать МДЧУ для группообразования на линиях дальней телефонной связи, которые обслуживают запросы, поступающие с большой скважностью, не требующие высоких скоростей передачи данных, что требуется при уплотнении трафика большого числа пользователей одной ЦЗС, а также в тех случаях, когда полный трафик, исходящий от ЗС, невелик и имеет небольшую интенсивность.

В случае МДВУ формирование каналов осуществляется путем временного разделения всей выделенной полосы рабочих частот и мощности между различными запросами. Для успешной передачи сообщений передачу через ИСЗ в любое заданное время должна вести только одна ЗС, поэтому требования к управлению мощностью здесь минимальны. При временном разделении каналов используется кадровая структура, что в отличие от методов непрерывной передачи подразумевает необходимость общесетевой синхронизации всех ЗС и использование пакетов с цифровыми сигналами.

Время, предоставляемое ЗС для синхронной передачи, зависит от общей синхронизации, устанавливаемой или непосредственно лидером — ведущей станцией, или косвенным путем, с учетом задержки распространения сигнала на трассе З-К, которая обычно измеряется ЗС, принимающей свою собственную передачу.

С помощью методов кодирования с различной избыточностью, или простых изменений вида и параметров модуляции системы МДЧУ и МДВУ можно приспособить к различным условиям распространения и к ЗС, приемные характеристики которых могут различаться на 1015 дБ. В случае МДВУ один пакет может содержать сообщения, предназначенные для станций с различными скоростями приема.

Для ССС разработаны различные методы распределения пропускной способности СР по запросам. Эти методы разделяют на две группы /9/: методы коммутации каналов, предназначенные для обработки телефонных сообщений, и методы коммутации пакетов, предназначенные для обработки данных. Во второй группе выделяют три способа: случайный доступ, неявное резервирование и явное резервирование.

В ССС с коммутацией каналов и временным уплотнением пропускная способность СР распределяется по каналам путем организации многостанционного доступа с частотным уплотнением (МДЧУ). Все каналы системы, кроме одного служебного, динамически перераспределяются по запросам станций.

Служебный канал используется по способу МДВУ. Таким образом, каждой станции в кадре служебного канала постоянно выделяется один временной сегмент. Когда на интерфейс ЗС по линии наземной связи поступает новый запрос на соединение (вызов), эта станция посылает на собственном сегменте служебного канала требование на выделение двухстороннего канала, т.е. пары каналов из совокупности перераспределяемых каналов МДЧУ. При наличии хотя бы одного свободного канала между вызывающей и вызываемой станциями устанавливается полная дуплексная связь. По окончании соединения любая из пары станций освобождает канал путем посылки сигналов в собственном сегменте служебного канала.

В системе с МДВУ каждому каналу в пределах кадра, выделяется временной сегмент. В каждом кадре каналы распределены на группы, причем каждой абонентской станции выделена своя группа. Количество каналов в каждой группе периодически перераспределяется, так что ЗС с большой пропускной способностью могут использовать большое количество каналов.

При создании ССС с коммутацией пакетов потребовались разработки новых методов распределения пропускной способности СР с коммутацией пакетов и множественным или многостанционным доступом абонентских станций к спутниковой системе. Метод организации связи, получивший название метода «коммутации пакетов»

(КП), предполагает разделение входного информационного потока на небольшие сегменты или пакеты данных, которые перемещаются по сети связи или сети передачи данных аналогично письма м в почтовой системе, но с гораздо большей скоростью.

Использование этого метода обеспечивает значительное повышение эффективности системы, по сравнению с системами коммутации каналов, но имеют более сложную систему управления. Последнее обстоятельство стало и технически и экономически преодолимо за последнее десятилетие благодаря бурному развитию микросхем и микропроцессорной техники.

Особенностью спутниковой связи, обусловленной самим принципом этого вида связи, является возмож ность одновременного доступа к СР сигналов нескольких ЗС.

Пропускная способность СР оказывается при этом несколько ниже, чем в односигнальном режиме работы. В зависимости от метода разделения сигналов на приеме различают три основных способа многостанционного доступа (МСД): с частотным разделением каналов (МДЧР), с временным разделением (МДВР) и с кодовым разделением (МДКР) /2, 9/.

МДЧР является наиболее простым и распространенным методом, используемым как в аналоговых, так и цифровых ССС. При МДЧР каждая ЗС передает свои сигналы в отведенном на участке полосы пропускания СР. Основной недостаток МДЧР — уменьшение пропускной способности по сравнению с односигнальным режимом, вызванное необходимостью уменьшения на 4…6 дБ мощности выходного усилителя ретранслятора из-за появления интермодуляционных помех. Кроме того, необходимо обеспечить высокую стабильность частоты и мощности сигнала, излучаемого каждой ЗС. В системах с МДЧР передача может осуществляться как многоканальными сигналами, так и одноканальными с использованием принципа передачи «один канал на несущей» (ОКН). Метод ОКН применяют в основном в сети станций с небольшим числом каналов. Основное преимущество метода состоит в возможности реализации принципа предоставления каналов по требованию (ПКТ). Метод МДЧР широко используется в ССС «Интерспутник», «Инмарсат», «Интелсат» и национальных ССС многих стран.

МДВР нашел применение в связи с реализацией цифровых методов передачи. При этом каждой ЗС для излучения сигналов выделяется определенный, периодически повторяемый временной интервал. Интервалы излучения всех станций взаимно синхронизованы, в силу чего перекрытие их не происходит. В каждый момент времени через СР проходит сигнал только одной станции и отсутствует нелинейное взаимодействие сигналов разных ЗС в усилителе СР. Метод МДВР получает развитие для передачи данных большого числа абонентских станций, подключенных к сети цифровой телефонной связи, когда с помощью аппаратуры уплотнения каналов осуществляется организация передачи через ЦЗС.

МДКР основан на одновременной передаче в полосе частот СР сигналов нескольких станций, модулированных информационным сигналом и кодовым сигналом в виде длинной псевдошумовой последовательности. При приеме информации используют методы когерентной обработки и согласованной фильтрации, что обеспечивает высокую помехоустойчивость, и помехозащищенность. Использование при МДКР сигналов с большой базой позволяет существенно снизить уровень мощности излучаемой СС и СР и улучшить показатели ЭМС.

Кроме того, использование ССС МДКР обеспечивает устойчивость связи к замираниям и конфиденциальность передаваемой ин формации. МДКР является наиболее перспективным способом МСД, широкое внедрение которого временно сдерживается сложностью его реализации.

1.5. Системы спутниковой связи с подвижными объектами использовании ИСЗ с различной высотой орбиты 1.5.1. Существующие и разрабатываемые ССС ПО в зависимости от высоты орбиты используемых в них ИСЗ можно подразделить на геостационарные ССС ПО (ССС ГО), ССС ПО на эллиптических орбитах (ССС ЭО) и низкоорбитальные ССС ПО (ССС НО) /10/. В ССС ПО находят применение СР с прямой ретрансляцией и с обработкой сигналов на борту.

Основные понятия, характеризующие орбиты спутника и их некоторые типы, проиллюстрированы на рис. 1.7. Наибольшее распространение при реализации ССС ПО получили такие типы орбит, как геостационарные, эллиптические и полярные.

1.5.2. Геостационарная орбита или орбита геостационарного спутника — это круговая (эксцентриситет эллипса е = 0), экваториальная (наклонение — это угол между плоскостью орбиты и плоскостью экватора — i = 0), синхронная орбита с периодом обращения 23 ч 56 мин, с движением ИСЗ в восточном направлении.

Эллиптическая орбита в полярной системе координат описывается уравнением где — модуль радиуса-вектора (расстояние от ИСЗ до центра Земли); — круговая координата ; p — фокальный параметр. Эллиптическая орбита характеризуется перигеем (наименьшей высотой над Землей) и апогеем (наибольшей высотой над Землей).

Низкие круговые орбиты, плоскость которых имеет наклонение в пределах от град. до 98 град., называются полярными. Достоинством таких орбит является возможность обслуживания связью больших участков территории Земли в приполярных зонах.

Геостационарный спутник оказывается «зависшим», неподвижным относительно земной поверхности; он располагается над экватором с некоторой неизменной долготой подспутниковой точки. Использование в ССС ПО геостационарных орбит (ГО) обеспечивает следующие достоинства /3,4/:

– связь осуществляется непрерывно, круглосуточно, без переходов с одного искусственного спутника Земли на другой и без необходимости отслеживания антеннами положения спутника;

– обеспечивается постоянное значение ослабления сигнала на трассе между ЗС и СР, поскольку расстояние от ИСЗ до ЗС имеет стабильное значение;

– практически отсутствует доплеровский сдвиг частоты сигнала, излучаемого – зона видимости геостационарного спутника — около трети земной поверхности, что обуславливает возможность создания глобальной системы связи при использовании трех ИСЗ (рис. 1.8).

Благодаря указанным преимуществам ГО используют очень широко, и в наиболее удобных полосах частот и участках орбиты ГО насыщена спутниками связи уже почти до предела, причем наибольшая насыщенность создается спутниками, относящимися к фиксированной и отчасти радиовещательной службам. Существующая в настоящее время проблема тесноты орбиты относится прежде всего к этим двум службам. ГО для связи с подвижными объектами используют следующие широко известные ССС: «Горизонт», «Аркос» — Россия: «Инмарсат», «Интелсат», «Евтелсат» — (международные).

Преимущества ИСЗ на ГО при организации циркулярной связи и вещания делают их незаменимым средством для расширения в ближайшем будущем перечня услуг, оказываемых населению.

В настоящее время на ГО находится более 300 ИСЗ различных стран (при максимально возможном их числе около 360). Если учесть, что не все позиции удобны для размещения ИСЗ в конкретных ССС, становится ясно, что наращивание емкости орбиты за счет увеличения числа ИСЗ не даст заметных результатов. Более полному использованию ресурсов ГО способствует дальнейшее развитие ССС на ГО с узкими лучами и многократным повторением рабочих частот, освоение более высокочастотных диапазонов, размещение на одной орбитальной позиции группы из 1012 ИСЗ (кластера), действующей во всем выделенном для ССС диапазоне частот, или большой орбитальной платформы, использование полосы частот или дуги ГО на плановой основе.

Наряду с достоинствами у ССС ГО имеется ряд существенных недостатков. В некоторых случаях значительным неудобством ГО является задержка при распространении сигнала вследствие большого удаления спутника от земли и конечной скорости света.

Высота ГО над поверхностью земли составляет 35786 км. Таким образом, задержка сигнала с учетом особенностей зоны обслуживания в одном направлении, включая линии вверх и вниз, составляет от 240 до 270 мс. В типичных линиях задержка составляет порядка 0,6 с. Влияние такой задержки при разговоре может в лучшем случае проявляться в затягивании пауз, а в худшем — сделать его практически невозможным из-за наличия эхо-сигналов на обоих концах линии.

Для уменьшения уровня эхо-сигналов приходиться использовать специальные устройства, так называемые эхо-подавители. При передаче цифровых данных в ССС возникающая задержка сигналов не позволяет использовать протоколы с коррекцией ошибок, в которых требуется производить обнаружение ошибки и выборочную повторную передачу блоков с обнаруженными ошибками. Задержка при распространении сигнала при связи ИСЗ на низких и средних орбитах намного меньше, что позволяет устранить ее последствия.

Вторым недостатком ГО является невозможность охватить удаленные северные и южные районы. Геостационарные спутники уже невидимы в районах, расположенных на широтах более 81 град. северной и южной широты. Вследствие возникновения аномалии при распространении сигнала под углами вблизи горизонта даже станции фиксированных служб с большими антеннами часто не могут работать при угле места менее 5 град. Зону устойчивой связи ССС ПО приходится ограничивать областью обслуживания по широте не выше 75 град.

Третьим недостатком ССС ГО является затенение, создаваемое высокими строениями в местах плотной застройки. Для обеспечения соответствующего качества обслуживания желательно иметь угол места антенны ЗС не менее 40 град. Такие углы места невозможно обеспечить с геостационарной орбиты даже для широт, удаленных от экватора более чем на 45 град.

Наметившаяся в последнее время тенденция к индивидуализации связи при сохранении глобального доступа к информации требует перехода от мобильных к «ручным»

ЗС. Однако существующие энергетические ограничения в космическом сегменте и допустимые нормы на уровень излучения ЗС, ограничения на ССС и габаритов в «ручных» ЗС, не позволяют обеспечивать типовой набор услуг связи на основе ССС ГО с глобальным лучом и требуют перехода к ССС НО.

1.5.3. Организация ССС на эллиптической орбите (ЭО) имеет свои достоинства и недостатки /10/. При движении по ЭО спутник зависает над выбранной зоной обслуживания в течение длительного времени.

Однако высота орбиты спутника в ССС ЭО не может быть выбрана свободно вследствие существования поясов радиации Ван Аллена, которые имеют вид двух торроидов с центром в геомагнитной оси Земли на высотах примерно от 1500 до 5000 км и от 13000 до 20000 км. В качестве примеров использования ИСЗ с ЭО можно отметить ИСЗ «Молния» с периодом обращения 12 ч, находясь в зоне апогея, на протяжении 8 ч имеет угол склонения над Европой более 50 град., и ИСЗ «Тундра» с периодом обращения 24 ч и более вытянутой орбитой на протяжении 12 ч. В таких условиях снижаются замирания от затенений антенны ЗС, присущие геостационарным системам при малых углах склонения, и не требуются сложные и дорогие самонаводящиеся антенные системы для высококачественной передачи речи. Достаточно иметь фиксированную, направленную в зенит антенну, которая к тому же менее восприимчива к помехам от наземных систем. Достоинством 24 часовой орбиты можно считать и то, что спутник, перемещаясь по ней, никогда не входит в тень. В этом случае не нужны аккумуляторные батареи большой емкости.

Связь через ИСЗ на высокоэллиптических орбитах лишена всего набора достоинств, которым обладает ССС ГО, но является подходящим способом организации радиосвязи государств, территория или некоторые объекты которых находятся в высоких широтах.

Корпорация «Эллипсат» завершает разработку ССС ПО, известную под названием «Эллипсо» для обеспечения передачи речевых сообщений, данных, факса и определения местонахождения. В этой ССС ПО планируется использовать комбинацию из ИСЗ на эллиптических наклонных орбитах и до 9 спутников на экваториальной круговой орбите с максимальной высотой 7800 км для обеспечения покрытия всего северного полушария и южного полушария до 50 град. южной широты. ИСЗ, находящиеся на эллиптической орбите большую часть времени периода обращения будут находиться над северным полушарием. Такая стратегия позволит создать лучшие сервисные возможности для земных областей с большим населением и потенциально большим рынком предоставления услуг.

Однако реализация технических преимуществ использования спутников с эллиптическими орбитами связана с большими затратами, так как для обеспечения круглосуточного функционирования системы недостаточно одного спутника, и, кроме того, периодически возникает необходимость переключения трафика с одного спутника на другой. Как недостаток нужно отметить и обязательность выполнения особых требований, предъявляемых к бортовым антеннам, поскольку для перекрытия определенной территории в течение активного периода ретрансляций в целях улучшения условий приема угол облучения поверхности земли должен быть переменным. В ССС ЭО в отличие от ССС ГО необходимо учитывать доплеровское смещение частоты сигнала.

В фидерных линиях оно достигает 10 кГц, в линиях связи с ЗС доходит до 14 кГц, что требует использования в ЗС устройств слежения за спутником и частотной автоподстройки.

1.5.4. Высокоорбитальные ССС (ИСЗ на геостационарных и высокоэллиптических орбитах) требуют использования громоздкого и дорогостоящего оборудования ЗС, которые часто недоступны массовому пользователю. Поэтому в последнее время во многих странах проводятся интенсивные работы по созданию ССС с использованием низкоорбитальных спутников-ретрансляторов (ССС НО).

К преимуществам ССС НО по сравнению с ИСЗ на геостационарных орбитах можно отнести следующие /3,4/:

– значительное уменьшение стоимости запуска ИСЗ, поскольку созвездие спутников формируется с помощью вывода на низкую орбиту контейнера, и спутники через определенные интервалы времени выбрасываются из него. При этом в качестве ракеты-носителя могут быть использованы межконтинентальные баллистические ракеты военного применения;

– увеличение пропускной способности космического сегмента за счет улучшения энергетического баланса в радиолиниях;

– повышение надежности системы за счет возможности размещения в космосе, значительно большего количества СР, чем в ССС ГО;

– снижение требований к техническим и эксплуатационным характеристикам антенн ЗС;

– малые расстояния между ИСЗ и ЗС обеспечивают возможность использования приемопередающих устройств с низкой энергетикой и позволяет создать миниатюрные ЗС, что существенно расширяет круг потенциальных абонентов;

– лучшее покрытие полярных областей;

ССС НО строятся с использованием ИСЗ на орбитах высотой 700…2000 км и временем обращения вокруг Земли 1…3 часа. ССС НО может представлять собой одиночную космическую станцию или состоять из множества ИСЗ, функционирующих как единая коммутационная среда с обеспечением связи по коммутируемым каналам на основе пакетной передачи данных и речи.

Такие системы содержат от нескольких десятков до нескольких сотен спутников и характеризуются относительно высокой степенью резервирования для требуемых областей покрытия. Так, космическая часть ССС, в состав которой входит до 60…70 СР, эквидистантно разнесенных по восходящим узлам орбит, способна покрыть всю площадь Земли. Время пролета спутника над абонентом может составлять 10…20 мин.

Так, при высоте орбит около 900 км, наклонение орбит 74 град., зоны радиовидимости абонентами над местным горизонтом 7 град. — радиус зоны обслуживания спутником составляет более 2500 км.

Для обеспечения передачи пакетных данных между подвижными абонентами, распределенными по всему миру, формируется несколько колец СР с углами наклонения от 50 до 60 град. Эти орбиты будут прецессировать вблизи экватора в пределах от до 30 град. Используя от 6 до 12 спутников на одно орбитальное кольцо, можно осуществить полное покрытие поверхности Земли. Таким способом обеспечивается глобальный доступ к сети.

ССС НО можно условно разбить на три класса. Первый класс — системы зоновой связи. В этих системах в СР осуществляется прямая ретрансляция радиосигналов. Две ЗС могут связаться между собой, когда ИСЗ находится в пределах их видимости.

Связь между абонентами осуществляется сеансами по расписанию или по факту приема пилот-сигнала. Системы второго класса — системы с запоминанием информации на ИСЗ и считыванием ее при пролете нужного корреспондента — можно отнести к системам типа электронной почты. Подобные системы применяются, если расстояние между абонентами превышает зону обслуживания одного ИСЗ. Радиосигналы от абонента принимаются на ИСЗ, где демодулируются и запоминаются в бортовом ЗУ.

По команде от бортовой ЭВМ эта информация считывается, когда ИСЗ входит в зону радиовидимости корреспондента. Недостатком такой системы является невозможность организации телефонной связи между абонентами. К числу ССС НО первого и второго класса относятся российские системы «Гонец» и «Курьер». Системы третьего класса — системы глобальной связи в реальном масштабе времени с использованием межспутниковой связи или наземных шлюзовых станций относятся к глобальным и универсальным ССС ПО. К числу ССС НО третьего класса относятся международные ССС «Иридиум» и «Глобалстар». Из перечисленных выше ССС ПО наибольший интерес представляют ССС ГО «Инмарсат» и ССС НО «Инмарсат-Р», «Иридиум», «Одиссей», «Глобалстар» и ССС ЭО «Полярная звезда», анализу которых будут посвящены последующие разделы данного учебного пособия.

2. СИСТЕМА СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ «ИНМАРСАТ»

2.1. Назначение и этапы развития системы спутниковой Международная ССС «Инмарсат» существует с 1982 г. и в настоящее время объединяет 67 стран. По первоначальному замыслу система предназначалась для обеспечения глобальной телефонной и телеграфной связи, передачи данных с целью повышения безопасности мореплавания и эффективности управления морскими судами.

ССС «Инмарсат» представляет собой систему геостационарных искусственных спутников Земли, служащих в качестве ретрансляторов (СР) сообщений между судами, оборудованными специальными станциями спутниковой связи (СС) и специальными береговыми станциями (БС) и сетями телефонной и телеграфной связи. В ССС «Инмарсат» судовые (СС) и береговые (БС) станции соответствуют земным (ЗС) и центральным земным (ЦЗС) станциям, рассмотренным в разделе 1. ССС «Инмарсат»

— полностью автоматизированная система, обеспечивающая высокие показатели надежности, оперативности и качества связи.

На первом этапе развития ССС «Инмарсат» с 1982 по 1990 г.г. использовались СР, установленные на ИСЗ первого поколения «Инмарсат-1», услуги связи обеспечивались в «Стандарте-А» с использованием методов цифровой и аналоговой обработки информации.

На втором этапе развития ССС «Инмарсат», начиная с 1991 г. после вывода второго поколения геостационарных ИСЗ «Инмарсат-2», используются СР, обладающие большим энергетическим потенциалом, и расширен перечень предоставляемых услуг связи за счет ввода таких стандартов системы, как «В», «С», «Аэро», «М».

Бурный рост категорий и числа абонентов, нуждающихся в услугах систем связи с подвижными объектами, потребовал дальнейшей перестройки ССС «Инмарсат» с целью повышения ее пропускной способности и широкого использования малогабаритных мобильных терминалов. Эти тенденции реализованы в рамках третьего этапа развития ССС «Инмарсат», когда после запуска в 1994-1995 гг. четырех геостационарных ИСЗ «Инмарсат-3», в СР дополнительно увеличены энергетический потенциал и пропускная способность системы.

В рамках дальнейшего развития ССС «Инмарсат» планируется в ближайшие годы с целью обеспечения услуг персональной спутниковой связи, навигации и пейджинга реализовать «Проект 21», который основан на использовании СР «Инмарсат-Р», размещаемых на созвездии низкоорбитальных ИСЗ, и переходе к портативным (ручным) терминалам.

Развитие ССС «Инмарсат» осуществляется гармонично на основе принципов преемственности и сохранения ранее введенных стандартов по услугам связи. С учетом вышесказанного в данном подразделе в качестве базового варианта при изложении материала по принципам построения ССС «Инмарсат» используется описание «Стандарта-А» /5/.

2.2. Система спутниковой связи «Инмарсат-А»

В систему «Инмарсат» входят космическая часть, состоящая из действующих и запасных геостационарных спутников с СР и командно-измерительного комплекса (КИК); парк судовых станций (СС); береговая часть, включающая в себя береговые станции (БС) и эксплуатационный контрольный центр (ЭКЦ).

Система «Инмарсат» обслуживает три больших области — Атлантический океанский район (АОР), Индийский океанский район (ИОР) и Тихоокеанский район (ТОР), над которыми находится по одному действующему и по два запасных ИСЗ. Границы обслуживания районов показаны на рис. 2.1. В пределах от 75 град. южной широты до 75 град. северной широты угол возвышения спутника составляет не менее 5 град., благодаря чему гарантируется надежная связь. Как видно из рис. 2.1, спутники «Инмарсат» охватывают также значительную часть Северного Ледовитого океана и морей Антарктиды.

В каждом океанском районе может находиться любое число СС и несколько БС, образующих сеть, причем одна из БС выполняет функции координирующей станции сети (КСС). Структурная схема одной из сетей «Инмарсат» показана на рис. 2.2.

В системе «Инмарсат» для автоматизации процессов связи по телефонным и телеграфным каналам трем районам (сетям), всем БС и СС присвоены номера — идентификаторы (ИД).

В ССС «Инмарсат-А» на первом этапе использовались спутники трех типов: Марисат, Марекс и Интелсат МСS.

Каждый ИСЗ имеет по два СР, один из которых принимает сигналы от СС в диапазоне 1,6 ГГц и передает БС в диапазоне 4 ГГц, другой принимает сигналы от БС в диапазоне 6 ГГц и передает СС в диапазоне 1,5 ГГц.

Управление ИСЗ осуществляется из центров, оборудованных командноизмерительными комплексами (КИК), которые регулируют работу всех подсистем спутников, корректируют при необходимости местонахождение спутников на орбите, их ориентацию в пространстве.

СС рассчитаны на круглосуточную работу. Антенна каждой СС в период работы автоматически удерживается в направлении на один из спутников СС «Инмарсат», и станции непрерывно ведут автоматический дежурный прием. В случае поступления от любой из БС сети вызова СС автоматически настраивается на указанный в вызове канал и вырабатывает сигнал судовому оператору. Переданное с берега сообщение может быть принято и без участия оператора. Работающая СС всегда готова к передаче запроса на установление с берегом двусторонней связи.

БС служат промежуточным звеном между ИСЗ ССС»Инмарсат» и береговыми абонентами, с которыми они могут соединяться по международным и национальным телефонным и телеграфным сетям, а также сетям передачи данных и интегрального обслуживания. БС должны удовлетворять специальным требованиям ССС «Инмарсат», согласно которым их функциями являются:

– прием и обработка сообщений сигнализации, передаваемых СС при установлении связи (запросов);

– формирование и передача сообщений сигнализации СС (вызовов);

– коммутация подключенных к БС телефонных и телеграфных каналов;

– ретрансляция телефонных и телеграфных сообщений в направлении судно-берег и обратно;

– ведение списка СС, допущенных к системе «Инмарсат»;

– учет времени занятия каналов и оформление счетов на оплату за предоставленные услуги судовым и береговым абонентам.

Зарубежные БС рассчитаны для обслуживания одного из океанских районов; БС «Одесса» и «Находка» обслуживают по два океанских района.

Связь между СС, находящейся в одном из океанских районов и любым береговым абонентом, может быть организована через каждую БС данной сети.

Если БС является координирующей, то она выполняет ряд дополнительных функций, к которым относятся: ретрансляция сообщений сигнализации, которыми обмениваются СС и БС при установлении связи; слежение за занятостью телефонных каналов сети и оперативное их распределение по запросам судовых и береговых абонентов;

учет СС, ведущих связь в текущее время; измерение частот, уровней и других параметров сигналов, излучаемых ИСЗ; запись передаваемых сообщений сигнализации для целей последующего их анализа; регулировка мощности излучения ИСЗ.

Эксплуатационный контрольный центр (ЭКЦ) выполняет следующие функции:

контроль характеристик космического сегмента; реализацию планов ввода в эксплуатацию новых технических средств и планов развития системы; испытания вводимых в эксплуатацию СС и БС; передачу всем СС, БС и КСС информации о состоянии системы.

В ССС «Инмарсат-А» имеется четыре типа радиолиний: фидерные линии: БС-ИСЗ (З-К); ИСЗ-БС (К-З); пользовательские (абонентские) каналы СС-ИСЗ (З-К); ИСЗ-СС (К-З).

Доступ СС к СР осуществляется в режиме частотного разделения (МДЧР) с выделением канала на одну несущую (ОКН) по запросу через береговую станцию (БС) в центре управления (координации) сетью (КСС).

В системе предусмотрено четыре зоны обслуживания, которые образованы с учетом реального трафика регионов планеты. Это атлантическая (западная и восточная), тихоокеанская зоны и зона Индийского океана. В каждой зоне находится по одной КСС, а общее количество БС составляет более 20. В зависимости от местонахождения абонентов и степени использования инфраструктуры наземных сетей связи в ССС «Инмарсат» используются «односкачковые» и «двухскачковые» линии связи.

Односкачковый вид связи реализуется при необходимости установления контакта СС с БС или БС с СС. В случае необходимости установления контакта двух СС или других типов подвижных ЗС приходится использовать двухскачковый вид связи с переприемом через БС. В ССС используется централизованный принцип управления доступом, что позволяет гибко управлять ресурсами системы.

В системе «Инмарсат» имеются каналы следующих типов: двусторонние каналы сигнализации, телеграфные каналы, телефонные каналы, служебные телеграфные и телефонные каналы, каналы для передачи пилот-сигналов.

Каналы сигнализации предназначены для передачи коротких формализованных сообщений — запросных, посылаемых СС и вызывных, посылаемых БС и КСС. За каждой БС и КСС закреплено по одному каналу сигнализации, причем канал, закрепленный за КСС, является общим для всей системы и на нем непрерывно ведут дежурный прием все БС и СС.

За каждой БС закреплено по 22 телеграфных канала, которые распределяются ею по запросам СС или береговых абонентов. Телеграфные каналы могут использоваться как в дуплексном, так и в симплексном режимах в направлении берег-судно.

Телефонные каналы, число которых зависит от типа ИСЗ, работающего в данной сети, распределяются КСС по запросам БС или СС. Телефонные каналы также могут использоваться как в дуплексном, так и в симплексном режимах в направлении берегсудно.

Служебные телеграфные и телефонные каналы служат для обмена служебной информацией между БС, КСС и ЭКЦ. В каждой сети имеется по одному двустороннему каналу для передачи пилот-сигналов, служащих для определения дрейфа частот обоих СР ИСЗ. По измеренной частоте принятых пилот-сигналов БС смещают частоты своих передатчиков и приемников таким образом, чтобы скомпенсировать дрейфы частот в ИСЗ.

Для установления связи по инициативе судна СС посылает по каналу сигнализации на БС запрос, который содержит тип требуемого канала и другие данные, необходимые для установления связи. Эти данные вводятся оператором в СС непосредственно перед установлением связи или заблаговременно.

Если запрашивается телексный канал, то вызываемая БС находит свободный канал и посылает КСС сообщение сигнализации с указанием номера выделенного канала.

Это сообщение КСС ретранслирует по общему каналу сигнализации вызывающей СС.

Приняв его, СС настраивает передатчик и приемник на выделенный канал и устанавливает с запрашиваемой БС соединение. Далее БС соединяет СС с сетью «Телекс», через которую СС вызывает нужного ей берегового абонента и ведет с ним связь по действующим в данной сети правилам. Все описанные выше процессы происходят автоматически.

Если судно запрашивает телефонный канал, то запрос, переданный им, поступает в КСС, которая выделяет свободный телефонный канал и транслирует его номер по общему каналу сигнализации запрашивающей СС и запрашиваемой БС. Обе станции, получив это сообщение сигнализации, автоматически настраивают свои передатчики и приемники на выделенный телефонный канал и устанавливают по нему соединение.

После этого СС подключается к телефонной сети, через которую вызывает берегового абонента и ведет с ним связь по действующим в данной сети правилам.

Аналогичным образом осуществляется соединение с СС по инициативе берегового абонента. Вызов судна по требованию БС производится по общему каналу сигнализации, на котором все СС ведут автоматический дежурный прием. Симплексные телефонные и телеграфные сообщения могут быть переданы на суда, которым они адресованы, в отсутствие судового оператора. Каждая СС системы «Инмарсат» может быть соединена с любым береговым абонентом сети «Телекс» или международной телефонной сети через любую БС данного океанского района. Предусмотрена также возможность связи между двумя судами.

Для работы каждой из трех сетей «Инмарсат-А» выделены определенные диапазоны частот.

Основные параметры, характеризующие энергетику радиолиний ССС «ИнмарсатА» для СР, установленных на ИСЗ первого поколения, приведены в табл. 2.1.

В пределах этих диапазонов для организации каналов всех типов на каждом участке радиолиний БС-ИСЗ, ИСЗ-СС, СС-ИСЗ и ИСЗ-БС могут использоваться 339 частот, номинальные значения которых кратны 25 кГц. Каждому номинальному значению f в системе «Инмарсат» присвоен номер N. Между ними установлено следующее соотношение:

где число a зависит от участка канала, для которого определяется частота. Для участков СС-СР и СР-СС оно имеет соответственно значения al=1636,5 МГц и a2=1535, МГц. Для участков БС-СР и СР-БС a зависит от типа используемого спутника.

Часть частот, используемых системой «Инмарсат», постоянно закреплена за БС.

Для каналов сигнализации и телеграфных каналов направления БС-СС всем КСС постоянно выделена общая пара частот с номером 110, обозначаемая TDM0, а каждой БС — своя пара частот, обозначаемая ТDМ1, TDM2, …, ТDМ7. Организация многостанционного доступа к этим каналам основана на использовании метода временного уплотнения (МДВУ) сигналов.

Для каналов сигнализации направления СС-БС используются общие для всей системы две пары частот с номерами 84 и 258, обозначаемые RA-1 и RA-2. Доступ к этим каналам свободный, т. е. сообщения сигнализации могут передаваться по ним в произвольные моменты времени. Частота с номером 258 служит для дублирования передач с целью повышения надежности сигнализации.

Для телеграфных каналов направления СС-БС за каждой БС закреплена одна пара частот — ТDМА1, TDМА2, …, ТDМА7. Метод многостанционного доступа к каналам — параллельный с временным разделением (ВР) сигналов.

Постоянно закрепленными являются также частоты для передачи пилот-сигнала и служебной связи между БС, имеющие соответственно номера 101 и 108 и обозначения AFC и OW.

Телефонные каналы и каналы для высокоскоростной передачи данных организованы по принципу «один канал — на одну несущую частоту» (ОКН). Номиналы частот для их работы назначаются оперативно КСС при каждом поступлении запроса на установление связи. Номера назначаемых частот берутся с таким расчетом, чтобы разнос между частотами был не менее 50 кГц для телефонной связи и не менее 150 кГц для высокоскоростной передачи данных, что необходимо для исключения взаимных помех.

В общих каналах связи типа КСС-СС, КСС-БС, БС-СС передача информации осуществляется на фиксированных частотах двухпозиционной фазовой манипуляцией ФМ-2 с канальной скоростью R=1200 бит/с с использованием временного уплотнения и кодирования на основе использования блочного кода Боуза-Чоудхури-Хоквингема (БЧХ (63, 57), где n=63 — общее число символов в блоке, а k=57 — число информационных символов в блоке).

Формат кадра общего канала связи ССС «Инмарсат-А» приводится на рис. 2.3, где использованы следующие обозначения: ЗБ — запасные биты; СинхрС — синхрослово; С — сигнализация; НСС — номер СС; ВС — вид сообщения; ТК — тип канала;

НК — номер канала; П — приоритетность; ИС — источник сообщения; НБС — номер БС; ПБ — проверочные биты.

Кадр длительностью Tк1=0,29 с состоит из 25 пакетов. Кадровая синхронизация передачи осуществляется пакетом СинхрС, состоящим из 20 бит. Вызывные сообщения сигнализации передаются:

– субпакетом С, состоящим из 63 бит и включающим в себя субпакет НСС, определяющий номер вызываемой СС или группы СС;

– субпакетом ВС, определяющим тип данного вызывного сообщения;

– субпакетом ТК, определяющим тип канала (например, телефон, телеграф, передача данных и т.п.);

– субпакетом НК, указывающим номер временного окна и частотной пары, выделяемой по команде КСС на данный сеанс СС и БС;

– субпакетом П, устанавливающим приоритетность сообщения;

– субпакетом ИС, определяющим класс ИС (например, является ли источником сообщения СС или БС);

– субпакетом НБС, определяющим номер БС, с которой устанавливается связь;

– субпакетом ПБ, служащим для защиты от ошибок.

Далее в кадре передаются 22 пакета, каждый из которых соответствует каналу с передачей информации, соответствующей двум телеграфным знакам.

В канале сигнализации типа СС-БС запросные сообщения передаются на фиксированной частоте четырехпозиционной фазовой манипуляцией ФМ-4 с канальной скоростью R=4800 бит/с с использованием временного уплотнения информации и кодирования на основе использования блочного кода БЧХ (63, 39).

Формат кадра сигнализации ССС «Инмарсат-А» приводится на рис. 2.4, где СН — синхронизация несущей частоты; ТС — тактовая синхронизация; СинхрС — синхрослово; ИП — информационное поле; ПБ — проверочные биты; НБС — номер БС; П — приоритетность; ВЗ — вид запроса; ТК — тип канла; НС — наземная станция;

НСС — номер СС; ОР — океанский регион.

Кадр длительностью Tк2=35,8 мс состоит из 5 пакетов. Начинается кадр с преамбулы, включающей в себя пакеты СН и ТС. Далее следует пакет кадровой синхронизации. Запрос передается в пакете ИП, который по своей структуре имеет сходство с пакетом С, рассмотренным выше.

В телеграфном канале типа СС-БС информация передается на выделенной частоте на основе использования ФМ-4 с R=4800 бит/с и временного разделения каналов с параллельным доступом, при котором на одной выделенной частоте параллельно могут вести передачи до 22 СС.

Формат кадра телеграфного канала типа СС-БС приводится на рис. 2.5, где СН — синхронизация несущей частоты; ТС — тактовая синхронизация; СинхрС — синхрослово; ИП — информационное поле; КП — канальная посылка; ЗП — защитный промежуток.

Кадр длительностью Tк3=1,74 с состоит из 22 временных сегментов, в каждом из которых передается канальная посылка длительностью Tкп=37,7 мс. Для исключения столкновения нескольких посылок в одном временном сегменте предусмотрены ЗП, учитывающие особенности размещения СС в зоне обслуживания ССС «Инмарсат-А».

Структура пакетов, обеспечивающих синхронизацию в телеграфном канале типа ССБС идентична со структурой в канале сигнализации СС-БС.

Для передачи информации в одном кадре используется 72 бита, составляющих телеграфных знаков.

Для организации телеграфного канала типа БС-СС используются ресурсы общего канала связи типа БС-СС с выделением для этих целей одного из 22 временных окон.

Для преобразования телеграфных сообщений в передаваемый сигнал и обратного преобразования принятого сигнала в телеграфное сообщение служит Международный телеграфный код № 2 (МТК-2). Выбор этого кода для системы «Инмарсат» обусловлен тем, что он используется в международной сети «Телекс», с которой взаимодействуют все БС.

В системе «Инмарсат» семиэлементные кодовые последовательности МТК-2, выдаваемые телеграфными аппаратами, преобразуются в шестиэлементные кодовые последовательности (рис. 2.6). Перед информационными посылками вместо стартовой и стоповой передается посылка сигнализации, которая служит для внутриполосной сигнализации. Цифра 0 в этой посылке означает, что следующие за ним 5 бит являются кодовой комбинацией телеграфного знака. Цифра 1 означает, что последующие 5 бит являются командой линейной сигнализации, причем в этом случае они могут быть только либо нулями, либо единицами.

На приемном конце шестиэлементные кодовые последовательности преобразуются в зависимости от значения первого элемента в сигналы линейной сигнализации либо в стартстопные семиэлементные кодовые последовательности МТК-2, по которым телеграфные аппараты воспроизводят принятые сообщения.

Для установления дуплексной телексной связи по запросу берегового абонента БС посылает на КСС сообщение вызова, которое ретранслируется ею по общему каналу ВУ судовой станции. Затем БС и СС автоматически обмениваются по назначенному каналу сигналами соединения и стандартными служебными последовательностями, принятыми в сети «Телекс». Далее следует передача в любом направлении одного или нескольких телексных сообщений, по окончании которых происходит обмен сигналами отбоя и уведомление КСС об окончании связи. Установление дуплексной телексной связи по инициативе судового абонента происходит аналогично, за исключением того, что первоначальный запрос на БС передает СС. Установление симплексного телексного соединения осуществляется без включения передатчика СС.

В телефонных каналах типа СС-БС и БС-СС передача речевой информации осуществляется с использованием частотной модуляции (ЧМ) на выделенной для конкретного сеанса паре частот, благодаря реализации доступа на основе МДЧР/ОКН с предоставлением канала по требованию.

Входными и выходными сигналами в телефонных каналах являются токи тональной частоты с границами спектра от 300 Гц до 3400 Гц.

Ширина спектра ЧМ-сигнала составляет порядка 30 кГц, а полоса пропускания одного канала телефонной связи выбирается равной fк=50 кГц.

Использование телефонных каналов возможно в двух режимах: с компандированием и без компандирования. В первом режиме телефонные каналы обычно работают для передачи речи, во втором — для передачи данных и факсимиле. Компандирование — это сжатие динамического диапазона уровней передаваемого сигнала, что улучшает отношение сигнал/шум. На приемном конце восстанавливается первоначальный сигнал путем экспандирования (расширения) его динамического диапазона. Сжатие и расширение динамического диапазона посредством устройств, называемых компрессором и экспандером, осуществляется с задержкой, равной примерно длительности слога. Поэтому данный вид компандирования называют слоговым.

Особенность телефонных каналов системы «Инмарсат» состоит в возможности появления отраженного сигнала (эхо), в результате которого говорящий абонент слышит свой голос с задержкой, равной времени прохождения сигнала к другому абоненту и обратно. Причиной возникновения эха является несовершенство устройств перехода четырехпроводной системы «Инмарсат» к двухпроводным телефонным линиям, с которыми может быть соединена БС или СС. Для устранения эха применяют эхозаградитель, который работает следующим образом. При передаче часть энергии, поступающая через дифференциальную систему ДС, ответвляется в усилитель-выпрямитель УД, который выдает напряжение на заграждающее устройство ЗУ, закрывающее цепь обратного направления. Такой же эхозаградитель может использоваться и на противоположном конце канала.

Для установления по инициативе берега дуплексной телефонной связи БС, получив запрос берегового абонента, посылает КСС запрос по форме, изображенной на рис.

2.3. Затем КСС назначает номер канала и сообщает его СС и БС по общему каналу ВУ по той же форме. После этого СС и БС настраиваются на назначенный канал и обмениваются сигналами дистанционного управления, набора номера и тональной сигнализации. Далее следует разговор (передача данных, факсимиле и т. д.), по окончании которого происходит обмен сигналами отбоя и уведомление КСС об окончании связи.

Установление дуплексной телефонной связи по инициативе судна происходит аналогично, отличие лишь в том, что первоначальный запрос на БС посылает не береговой абонент, а СС. Передача на судно симплексного телефонного сообщения осуществляется без включения передатчика СС и, следовательно, БС не получает подтверждения о приеме сообщения.

Некоторые модели СС системы «Инмарсат-А» имеют дополнительные устройства для передачи в направлении СС-БС двоичных данных с канальной скоростью R= Кбит/с. В канале высокоскоростной передачи данных используется выделенная для этого несущая, ФМ-4, временное уплотнение информации, сверточное кодирование с относительной скоростью 7/8 и скремблирование.

Форматы кадров в данном канале связи по своей структуре сходны с каналом сигнализации типа СС-БС.

В систематизированном виде основные характеристики ССС «Инмарсат-А» приведены в табл. 2.2.

Зона обслуживания Частотный диапазон СС (ЗС) Эффективно-излучаемая мощность ЗС (ЭИИМ), дБВт Скорость передачи информации при – передаче данных, бит/с 9600, 54000…64000 16000, 54000… Кодирование Вид модуляции в канале передачи речи/данных Общая масса комплекта СС (ЗС) Потребляемая СС (ЗС) мощность при – передаче, Вт Напряжение питания СС (ЗС) Климатические условия функционирования СС (ЗС) – температура окруж. среды, от —40°С до +55°С от —25°С до +55°С Стоимость за услуги связи – телефон, – телекс, – факс, – передача данных Интерфейсы СС (ЗС) Количество абонентов по прогнозу на 2000 г.

2.3. Система спутниковой связи «Инмарсат-В»

В результате совершенствования ССС «Инмарсат-А» («Стандарт-А») с 1993 года в эксплуатацию введена ССС «Инмарсат-В» («Стандарт-В»), которая предназначена для обеспечения таких же услуг связи, как и в ССС «Инмарсат-А», а именно: для телефонной, телексной, факсимильной связи, передачи данных и сообщений типа группового вызова. ССС «Инмарсат-В» реализована на основе СР, размещаемых на ИСЗ первого и второго поколений, и модернизированных СС (ЗС).

Структура ССС «Инмарсат-В» идентична структуре ССС «Инмарсат-А». Отличительной особенностью ССС «Инмарсат-В» является переход к цифровой обработке информации при обеспечении всех видов услуг связи. При выборе методов цифровой обработки для построения ССС «Инмарсат-В» преследовались такие цели, как повышение пропускной способности и надежности связи, унификация принципов построения и повышение уровня технологичности аппаратурной реализации. Увеличение пропускной способности ССС «Инмарсат-В» достигается за счет повышения эффективности использования мощности излучения СР и частотного ресурса пакетного режима работы с активацией канала передачи речевым сигналом.

При работе ССС «Инмарсат-В» со вторым поколением ИСЗ выделенные частотные диапазоны расширены по сравнению с ССС «Инмарсат-А».

Основные параметры, характеризующие энергетику радиолиний ССС «ИнмарсатВ», для СР установленных на ИСЗ второго поколения, приведены в табл. 2.3.

Повышение эффективности использования мощности излучения СР и частотного ресурса достигается благодаря применению четырехпозиционной фазовой манипуляции ФМ-4, адаптивного кодирования и декодирования по Витерби с прямым исправлением ошибок /11/. Данные меры обеспечивают экономию мощности излучения СР около 5 дБ, а также уменьшение частотного разноса каналов до 20 кГц при сохранении качества передачи речевых сигналов, эквивалентного качеству, получаемому в ССС «Инмарсат-А».

При переходе в ССС «Инмарсат-В» к использованию СР, установленных на спутниках второго поколения, пропускная способность возрастает в 2,5 раза и составляет порядка 750 телефонных каналов.

Для обеспечения всех перечисленных выше услуг связи необходимо использовать целый набор цифровых радиоканалов, структура взаимодействия и номенклатура которых представлены на рис. 2.7, где приняты следующие обозначения: 1 — радиоканал КСС-СС; 2 — радиоканал СС-КСС; 3 — радиоканал КСС-БС; 4 — радиоканал БСКСС; 5 — канал сигнализации СС-БС; 6 — канал сигнализации БС-СС; 7 — канал передачи данных СС-БС; 8 — канал передачи данных БС-СС; 9 — канал телефонной связи СС-БС; 10 — канал телефонной связи БС-СС.

БС через свои интерфейсы обеспечивает связь СС с абонентами различных наземных сетей: телефонной (ТФОП), передачи данных (СПД), интегрального обслуживания (ЦСИО) и «Телекса».

В результате унификации номенклатура радиоканалов может быть представлена классами:

– общие каналы, к которым относятся такие каналы, как 1 (КСС-СС), 3 (КСС-БС), 4 (БС-КСС), 6 (БС-СС);

– каналы сигнализации 2 (СС-КСС), 5 (СС-БС);

– каналы передачи данных, телекса и факса 7 (СС-БС), 8 (БС-СС);

– каналы телефонной связи 9 (СС-БС), 10 (БС-СС).

Общие каналы функционируют на фиксированных частотах и предназначены для передачи информации о состоянии и ресурсах КСС и БС, а также информации для управления связью и контроля качества ее обслуживания. Передача информации осуществляется двухпозиционной фазовой манипуляцией ФМ-2 с канальной скоростью R=6 Кбит/с, с использованием временного уплотнения, сверточного кодирования и относительной скоростью 1/2 и полосой пропускания радиоканала, равной 10 кГц.

Формат кадра общего канала связи ССС «Инмарсат-В» приводится на рис. 2.8, где СинхрС — синхрослово; ИП — информационное поле; НК — номер кадра в электронной доске объявлений КСС (БС); С — сигнализация; СИ — служебная информация; ИК — информационные каналы.

Длительность кадра Tк1 составляет 0,264 с. Пакет СС состоит из 32 бит и предназначен для обеспечения кадровой синхронизации. Пакет НК состоит из 8 бит и предназначен для уточнения просмотра позиций, приводимых на различных страницах электронной доски объявлений КСС (БС). Пакет С состоит из 96 бит и по своей структуре имеет сходство с пакетом С, детализированным на рис. 2.3.

Пакет СИ состоит из 96 бит, разбитых на 16 временных окон по 6 бит для передачи телеграфных знаков. Далее в ИП расположено 6 ИК по 96 бит каждый, в которых передается информация для управления связью конкретных СС и контроля ее качества.

Каналы сигнализации, так же, как и общие каналы, функционируют на фиксированных частотах и предназначены для запроса связи с соответствующими абонентами ССС «Инмарсат-В». Передача информации осуществляется на основе использования относительной четырехпозиционной фазовой манипуляции ОФМ-4 с канальной скоростью R=24 Кбит/с, а также временного разделения со случайным доступом или тактированной АЛОХОЙ, сверточного кодирования с относительной скоростью 1/2 и полосой пропускания радиоканала, равной 20 кГц.

Формат кадра канала сигнализации ССС «Инмарсат-В» приводится на рис. 2.9, где Пр — преамбула; СинхрС — синхрослово; ИП — информационное поле; ПБ — проверочные биты; ПД — поле данных; Т — телекс; Ин — идентификатор.

Кадр имеет длительность Tк2, равную 2,376 с, разбит на 16 временных сегментов, каждый из которых имеет интервал Tв1=148, 5 мс. Внутри каждого временного сегмента передается пакет длительностью Tп=86,3 мс, который по своему составу имеет сходство с сообщением запроса, приведенным на рис. 2.4 для ССС «Инмарсат-А».

Для организации телексной связи один из пакетов разбивается на два временных окна длительностью Tв2=74,25 мс, внутри которых располагаются пакеты длительностью Tт=33,2 мс. Каждый из данных пакетов имеет структуру, сходную с пакетами в других временных сегментах, и отличается только количеством бит отдельных составляющих.

Каналы передачи данных, телекса и факса функционируют на выделенных для конкретных сеансов связи несущих частотах и предназначены для обмена соответствующей информацией между абонентами ССС «Инмарсат-В».

Передача информации осуществляется на основе использования ОФМ-4 с канальной скоростью R=24 Кбит/с, сверточного кодирования с относительной скоростью 1/ при организации связи в ССС на основе многостанционного доступа с частотным разделением каналов, организацией одного канала на несущей и предоставлением каналов по требованию (МДЧР/ОКН/ОКТ) и полосой пропускания радиоканала, равной кГц.

Формат кадра канала передачи данных в ССС «Инмарсат-В» приводится на рис.

2.10, где Пр — преамбула; СинхрС — синхрослово; ИП — информационное поле;

ПКС — пакет кадровой синхронизации; С — сигнализация; ПОС — пакет окончания сеанса связи; ПД — пакет данных.

Кадр имеет длительность Tк3=80 мс и состоит из ИП и КС. ИП состоит из четырех пакетов, каждый из которых состоит из двух компонент: С и ПД. В начале каждого сеанса за счет передачи ПР осуществляется синхронизация по несущей и тактовой частотам. Для исключения явлений проскальзывания каждый кадр заканчивается ПКС.

Каналы телефонной связи имеют высокую степень унификации с каналами передачи данных. Наиболее существенное отличие состоит в уменьшении избыточности при кодировании и переходе к относительной скорости кодирования 3/4, что обусловлено более низкими требованиями к вероятности ошибочного решения на один бит при передаче речевой информации.

Формат кадра телефонного канала в ССС «Инмарсат-В» приведен на рис. 2.11, где Пр — преамбула; СинхрС — синхрослово; ИП — информационное поле; ПКС — пакет кадровой синхронизации; С — сигнализация; ПОС — пакет окончания сеанса связи; ПД — пакет данных.

В систематизированном виде основные характеристики ССС «Инмарсат-В» приведены в табл. 2.2.

2.4. Система спутниковой связи «Инмарсат-С»

С 1991 года функционирует ССС «Инмарсат-С», которая предназначена для обслуживания абонентов, размещающихся на малых судах, катерах, яхтах и т.п. различных наземных транспортных средствах вдали от регионов с развитой инфраструктурой связи.

Структура ССС «Инмарсат-С» идентична структуре ССС «Инмарсат-А». Отличительной особенностью ССС «Инмарсат-С» является использование облегченного, малогабаритного, относительно недорогого терминала (СС) с малой мощностью потребления электроэнергии. Создание такой СС приводит к необходимости снижения излучаемой мощности передатчика и использования ненаправленной антенны, что делает напряженным энергетический баланс в радиолинии СС-СР.

В ССС «Инмарсат-С» для обеспечения энергетического баланса всех радиолиний, при котором достигается необходимый уровень достоверности передаваемой информации, приходится накладывать существенные ограничения на полосу пропускания радиоканала, скорость передачи информации, а также принять такие меры, как кодирование с перемежением /11/ и многократной передачей информационных кадров по запросу БС в случае искажения информации во время сеанса связи.

Энергетические затруднения при реализации ССС «Инмарсат-С» сказываются на номенклатуре предоставляемых услуг связи, среди которых остаются:

– телексная связь для передачи сообщений с коммутацией, переприемом и накоплением через наземные сети коммутации пакетов и системы «Телекс» и «Электронная почта»;

– передача сообщений от «станции к станции», минуя наземные сети связи;

– опрос абонентских станций и формализованный сбор данных;

– передача сообщений группового вызова и электронных сообщений.

Основные параметры, характеризующие энергетику радиолиний ССС «ИнмарсатС», для СР, установленных на ИСЗ второго поколения, приведены в табл. 2.4.

Частотный диапазон ССС «Инмарсат-С» совпадает с частотным диапазоном ССС «Инмарсат-В». Для обеспечения услуг связи в ССС «Инмарсат-С» требуется набор цифровых радиоканалов, подобный набору каналов, используемому в ССС «Инмарсат-В». Отличия состоят в том, что в ССС «Инмарсат-С» отсутствуют телефонные каналы и каналы передачи данных, а интерфейсы обеспечивают стыки только с СПД и системой «Телекс». Общие каналы ССС «Инмарсат-С» по своему назначению и особенностям функционирования сходны с общими каналами ССС «Инмарсат-В». Общие каналы типа КСС-СС и БС-СС работают в диапазоне частот 1530…1548 МГц, а общие каналы межстанционной сигнализации БС-КСС и КСС-БС работают в диапазоне частот 3600…3623 МГц. Передача информации осуществляется на основе ФМ-2 с канальной скоростью R=1200 бит/с с использованием временного уплотнения, сверточного кодирования с относительной скоростью 1/2 перемежения и полосой пропускания радиоканала, равной 5 кГц.

Формат кадра общего канала связи ССС «Инмарсат-С» приводится на рис. 2.12, где ПКС — распределенная часть пакета кадровой синхронизации; СИ — служебная информация; ИП — информационное поле.

Длительность кадра Tк1 составляет 8,64 с. Каждый кадр состоит из 64 пакетов, в каждом из которых имеется 162 бита. Первые два пакета кадра являются опорными, поскольку в них передаются бюллетени, описывающие статистические эксплуатационные характеристики общего канала связи для КСС или БС. Остальные пакеты в кадре используются для передачи различной информации. В каналах сигнализации ССС «Инмарсат-С» передача информации осуществляется на основе ФМ-2 с канальной скоростью R=1200 бит/с с использованием таких режимов МДВР, как случайный доступ, тактированная АЛОХА с резервированием и без резервирования временных сегментов, сверточного кодирования с относительной скоростью 1/2 и полосой пропускания 5 кГц.

Формат кадра канала сигнализации ССС «Инмарсат-С» приводится на рис. 2.13, где СинхрС — синхрослово; ИП — информационное поле; ПБ — проверочные биты; ЗП — защитный промежуток.

Длительность кадра Tк2 составляет 8,64 с. Каждый кадр разбит на 28 временных сегментов. В каждом сегменте передается один субкадр, состоящий из 316 бит. Субкадры в соседних временных окнах разделены ЗП, длительность которых Tзп равна мс. Для функционирования каналов передачи данных в зависимости от величины текущего трафика выделяется различное количество несущих частот. При этом передача информации осуществляется на основе ФМ-2 с начальной скоростью R=1200 бит/с с использованием МДВР, сверточного кодирования с относительной скоростью 1/2 и полосой пропускания 5 кГц.

Формат кадра канала передачи данных ССС «Инмарсат-С» приводится на рис. 2.14, где СН — синхронизация несущей; ТС — тактовая синхронизация; СинхрС — синхрослово; ИП — информационное поле.

Длительность кадров в данном канале является переменной где N{0, 4}, Tск=1024 R=0,85 с. В кадре максимальной длины содержится 5120 бит.

Перед началом каждого кадра передается преамбула, состоящая из пакетов СН и ТС.

Максимальный размер сообщения за один сеанс связи длительностью где Tнс, Tкс — моменты начала и конца сеанса связи, не должны превышать 32 Кбайта.

В систематизированном виде основные характеристики ССС «Инмарсат-С» приведены в табл. 2.5.

Объекты размещения СС (ЗС) Частотный диапазон СС (ЗС) Тип антенны ЗС и ее размеры Эффективно-излучаемая мощность ЗС (ЭИИМ), дБВт Скорость передачи информации при Кодирование Вид модуляции в канале передачи речи/данных Общая масса комплекта СС (ЗС) Потребляемая СС (ЗС) мощность при – передаче, Вт Напряжение питания СС (ЗС) Климатические условия функционирования СС (ЗС) – температура окруж. среды, от —25°С до +55°С от —25°С до +50°С Стоимость за услуги связи Количество абонентов по прогнозу на 2000 г.

2.5. Система спутниковой связи «Инмарсат-М»

Система «Инмарсат-М» («Стандарт-М») разрабатывалась с целью обеспечения услуг прежде всего телефонной связи на основе использования компактных мобильных земных станций (ЗС) абонентами, размещающимися на морских и сухопутных подвижных объектах, а также индивидуальными пользователями. Система «Инмарсат-М»

введена в эксплуатацию в 1993 г. и в ней наряду с телефонной связью предусмотрены факсимильная связь и передача данных. Структура ССС «Инмарсат-М» идентична структуре ССС «Инмарсат-А».

Использование в «Стандарте-М» компактных мобильных ЗС потребовало целого комплекса мер для достижения необходимых для устойчивой связи энергетических характеристик радиолиний ЗС-СР и СР-ЗС. В системе «Инмарсат-М» используются СР, установленные на ИСЗ второго и третьего поколения, обладающих повышенным энергетическим потенциалом. С целью повышения характеристик помехоустойчивости системы «Инмарсат-М» потребовалось также уменьшение полосы пропускания одного радиоканала до 10 кГц. Принципы управления доступом и протоколы сигнализации в «Стандарте-М» сходны с принятыми в «Стандарте-В». Для обеспечения телефонной связи из-за двухкратного уменьшения полосы пропускания канала связи в «Стандарте-М» по сравнению со «Стандартом-В» возникла необходимость в использовании в связи с чем, появилась необходимость перехода от адаптивного кодирования к вокодерной обработке /10/.

Основные параметры, характеризующие энергетику радиолиний ССС «ИнмарсатМ», для СР, установленных на ИСЗ второго поколения, приведены в табл. 2.6. В связи с тем, что по оптимистическим прогнозам к 2000 г. количество абонентов ССС «Инмарсат-М» может составить порядка 600 тысяч, то при переходе к третьему поколению ИСЗ частотный диапазон дополнительно расширен.

Для обеспечения предоставляемых ССС «Инмарсат-М» услуг связи требуется набор цифровых каналов, номенклатура которых и структура взаимодействия аналогичны набору цифровых радиоканалов, используемому в ССС «Инмарсат-В».

Общий канал связи ССС «Инмарсат-М» идентичен общему каналу связи ССС «Инмарсат-В». Отличие между другими каналами в стандартах «В» и «М» обусловлены в основном скоростями передачи информации и форматами кадров. В канале сигнализации ССС «Инмарсат-М» передача информации осуществляется на основе использования ОФМ-4 с канальной скоростью в Кбит/с, полосой пропускания канала, равной 10 кГц, сверточным кодированием с относительной скоростью 3/4, с доступом на основе частотного разделения каналов, выделением одного канала на несущую и закреплением несущей за каналом сигнализации (МДЧР/ОКН) /10/.

Формат кадра канала сигнализации ССС «Инмарсат-М» приводится на рис. 2.15, где СН — синхронизация несущей; ТС — тактовая синхронизация; С — сигнализация; СИ — служебная информация; ПОС — пакет окончания сеанса связи.

Кадр имеет длительность Tк2=240 мс и состоит из четырех подкадров, каждый из которых имеет длительность Tпк=60 мс. Каждый подкадр содержит пакеты синхронизации по несущей и тактовым частотам, сигнализации и служебной информации, после чего начинается информационное поле, разбитое на три информационных пакета, в каждом из которых содержится по 128 бит. С целью увеличения пропускной способности и экономии ресурсов в ССС «Инмарсат-М» канал сигнализации может одновременно использоваться для передачи данных и телефонной связи.

Для обеспечения такой унификации каналы передачи данных и телефонной связи имеют одинаковую структуру, принцип действия и основные параметры с каналом сигнализации. Форматы кадров каналов передачи данных и телефонной связи ССС «Инмарсат-М» приведены на рис. 2.16 и 2.17. Сравнительный анализ форматов каналов сигнализации, передачи данных и телефонной связи показывает, что имеющиеся несущественные различия обусловлены спецификой передаваемой в каналах информации и могут быть учтены путем организации соответствующих режимов работы канала. В систематизированном виде основные характеристики ССС «Инмарсат-М»

приведены в табл. 2.5.

Рис. 2.16.

Рис. 2.17.

3. НИЗКООРБИТАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ

3.1. Многоспутниковая низкоорбитальная система связи Российская ССС «Гонец» предназначена для обеспечения передачи информации в цифровом виде между стационарными и подвижными абонентами и может быть использована для первоочередных задач информатизации в регионах, где в настоящее время отсутствует надежная связь.

ССС «Гонец» обеспечивает предоставление следующих услуг:

– передача любых данных в цифровой форме — телекс, текст, изображение, обмен информацией между базами данных, между компьютерами, сбор телеметрических данных от необслуживаемых датчиков, определение местоположения подвижных объектов;

– засекречивание пользовательской информации по отдельному требованию заказчика.

В ССС «Гонец» предусмотрено два режима работы:

– «электронная почта» с запоминанием, хранением в памяти спутника и последующей передачей пользователю (отправитель и получатель не находятся в зоне радиовидимости одного спутника) и в близком к реальному масштабу времени (отправитель и получатель находятся в зоне радиовидимости одного спутника);

– использование в комбинированных сетях спутниковой связи с помощью ИСЗ на геостационарной орбите. В этом случае время доставки информации приближается к реальному.

К областям применения ССС «Гонец» относятся:

– глобальная связь с абонентами, расположенными на территории со слаборазвитой инфраструктурой связи;

– передача экстренных сообщений и координация работ в районах стихийных бедствий;

– передача медицинской информации;

– сбор информации от необслуживаемых датчиков;

– обмен информацией между базами данных и связь типа «компьютеркомпьютер»;

– обмен научной и образовательной информацией;

– обмен деловой информацией.

Система связи «Гонец» предназначается как для использования внутри России, так и для предоставления услуг зарубежным пользователям.

Отличительными особенностями ССС «Гонец» являются /5/:

– возможность создания недорогой ССС;

– использование недорогих портативных ЗС, не требующих специальной подготовки для эксплуатации;

– быстрое развертывание системы в экстренных ситуациях;

– простая и дешевая эксплуатация системы;

– обеспечение глобальной связи, включая полярные области, и наличие большого числа пользователей;

– использование СР с обработкой информации на борту.

В состав ССС «Гонец» входит три сегмента:

– космический сегмент;

– сегмент земных станций (ЗС), обслуживающих различные категории абонентов;

– сегмент управления, состоящий из центра управления системой (ЦУС) и центров управления ретрансляцией сообщений (ЦУР).

Структура системы «Гонец» приведена на рис. 3.1.

Система связи «Гонец» строится на основе использования в космическом сегменте системы низкоорбитальных спутников-ретрансляторов, обеспечивающих полное, глобальное покрытие Земной поверхности (рис. 3.2), включая приполярные области. Это достигается использованием 6 «колец», в каждом из которых находится по 6 ИСЗ СР, а всего в космическом сегменте используется не менее 36 ИСЗ. Наклонение плоскости «кольца» орбиты — 83 град. Плоскости «колец» разнесены друг относительно друга на 30 градусов по долготе восходящего узла. Высота орбиты — 1500 км. Групповой вывод по 6 ИСЗ осуществляется ракетой-носителем «Циклон» за один пуск. Масса одного ИСЗ составляет 225 кг. Срок активного существования ИСЗ составляет 3-5 лет.

Каждый ИСЗ имеет два СР с обработкой и запоминанием сигналов в диапазонах 300/400 МГц и 1,5/1,6 ГГц. Параметры СР: мощность передатчика СР 2…10 Вт; шумовая температура приемника СР — 200 К, коэффициент усиления антенны СР 0… дБ, емкость бортового запоминающего устройства 8 Мбайт.

Выбор орбитальной структуры сделан исходя из равномерной интенсивности трафика по поверхности Земли (равномерное обслуживание по всей Земле), минимизации числа спутников, а наклон орбит — исходя из наличия трасс выведения. Для формирования «колец» ИСЗ целесообразным оказывается метод одновременного выведения нескольких ИСЗ одной ракетой-носителем, так как требует меньших затрат на создание орбитальной группировки и снижает загрузку стартового комплекса. Зона обслуживания, обеспечиваемая одним ИСЗ, представляет собой «пятно» на земной поверхности диаметром 4300 км.

СР каждого ИСЗ решают целевую задачу по ретрансляции информации между абонентами системы в регионах, задаваемых наземными средствами. Кроме того, СР решает задачи по ретрансляции информации, необходимой для работы системы связи, а также передает телеметрическую информацию, информацию для траекторных измерений и принимает командно-программную информацию для управления работой связных и служебных систем ИСЗ.

В системе связи используется несколько модификаций ЗС в зависимости от требований потребителей. В районах, которые не имеют наземных средств связи, необходимо обеспечить прямой доступ абонентов к каналам. Для решения этой задачи предназначены:

1) малогабаритные (портативные) абонентские терминалы (АТ-М);

2) стационарные абонентские терминалы (АТ-С);