logo
ИСТ / AIC_Lectures

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 случайному вращению. 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 течение десяти лет).

Телеметрическое оборудование спутника используется для передачи на Землю информации о его положении. В случае необходимости коррекции положения, на спутник передаются соответствующие команды, при 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.

Рис. 5.2. Схема работы AVL-системы с использованием спутников Inmarsat

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 и 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 канал 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 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), телекомандного оборудования, сети передачи данных «Глобалстар», делового офиса «Глобалстар» и центров управления поставщиками услуг (ЦУПУ).

Рис. 5.3. Структурная схема взаимодействия элементов наземного сегмента спутниковой системы связи

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 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:

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.

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