Однако первой коммерческой системой спутниковой связи (ССС), в которой было реализовано кодовое разделение каналов, стала Omnitracs, предоставляющая услуги транспортным и судовым компаниям с 1988 г.

Идея создания узко специализированной ССС, ориентированной только на решение задач контроля за грузоперевозками, зародилась 15 лет назад, еще в 1985 г. В то время началась коммерциализация военных космических технологий в США, и компания Qualcomm постаралась использовать редкую возможность заложить в коммерческую систему самые передовые военные технологии, такие как кодовое разделение каналов (CDMA) и псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ) в широкой полосе частот (36 МГц). Для этой системы была специально создана высоконадежная следящая антенна Кu-диапазона с механическим управлением.

Спутниковая система связи и контроля за движением транспортных средств Euteltracs (Eutelsat Transport Ranging and Communications Services) была развернута несколько позже, в 1991 г., и фактически представляет собой европейскую версию Omnitracs. Архитектура, виды услуг, принципы работы и протоколы обмена данными у обеих систем идентичны. Основное различие – в обслуживаемых регионах: Omnitracs покрывает всю континентальную часть США, а Euteltracs предназначена для обслуживания территории европейских стран, Северной Африки и Ближнего Востока.

Изначально орбитальная группировка Euteltracs состояла из двух КА: связного Eutelsat I-F4 (25,5б? в.д.) и навигационного Eutelsat II-F4 (7б? в.д.). Зона обслуживания этой ССС простиралась от Северного Ледовитого океана до Африки и от Атлантики до Урала. После 17 июня 2000 г., когда началась коммерческая эксплуатация спутника SESAT (36б? в.д.), зона действия Euteltracs расширилась на Восток и охватила практически всю Сибирь (рис. 1).

Зона обслуживания Euteltracs

а) Через спутник SESAT

b)Через спутник W3

В нашей стране услуги Euteltracs обеспечивает компания «Комбеллга». Она планирует использовать для российских потребителей геостационарные КА серии «Коминком», которые будут выведены в точки стояния 76б? в.д. (навигационный КА) и 85б? в.д. (связной КА). Если планы «Комбеллги» осуществятся, то практически на всей территории России можно будет организовать спутниковую связь для грузоперевозок.

Сетевая инфраструктура

В состав системы Euteltracs входят два спутниковых ретранслятора (связной и навигационный), центральная станция (HUB), Европейский центр сетевого управления (NMC), парк мобильных терминалов и диспетчерские пункты автопредприятий и судовых компаний. Архитектура системы строго централизованна. Сетевой трафик региона замыкается на HUB, связанный с единым центром управления Euteltracs в Рамбуйе (пригород Парижа).

Центральная станция имеет две антенны: первичную (связную) и вспомогательную (навигационную). С помощью первой передается и принимается весь трафик региона. Вторая служит для передачи сигнала радиомаяка, синхронизированного с информационным сигналом. Центр сетевого управления осуществляет маршрутизацию информации, поступающей как от HUB, так и от пользователей системы – компаний-операторов. Именно NMC обеспечивает аутентификацию абонентов, защиту от несанкционированного доступа, автоматическое обновление информации о местоположении подвижных абонентов, а также идентификацию сообщений посредством контроля их номеров в прямом и обратном каналах.

Центр управления связан арендуемыми международными линиями с региональными или национальными сервис-провайдерами, а к ним, в свою очередь, тоже через наземные каналы подключены диспетчерские пункты автопредприятий или офисы компаний-грузоперевозчиков (рис. 2). Оборудование диспетчерских пунктов предельно минимизировано, в него не входят дорогие связные приемники и передатчики. В России связь диспетчерских пунктов с региональным центром системы, находящимся в Москве (ЗАО «Комбеллга»), осуществляется по обычным телефонным каналам с использованием модема или по сетям передачи данных («Роспак», «Роснет» и др.).

Технические возможности

На связном КА Euteltracs предусмотрено два спутниковых ретранслятора с вертикальной линейной поляризацией. Один из них передает данные со скоростью 5–15 кбит/с от центральной станции к мобильным терминалам (прямой канал), а второй используется для приема сигналов (обратный канал).

В прямом канале реализован метод временного разделения каналов (TDM), обеспечивающий передачу на одной несущей частоте до 25 симплексных каналов со скоростью каждого 4,96 кбит/c (модуляция BPSK) или 14,88 кбит/с (QPSK). В передатчике используется метод линейной частотной модуляции с частотой сканирования 33,07 Гц, с помощью которого спектр исходного сигнала расширяется по полосе до 2 МГц. Такое решение не только повышает конфиденциальность передачи информации, но и улучшает электромагнитную совместимость Euteltracs с системами фиксированной спутниковой связи, работающими в том же диапазоне частот.

Скорость обмена данными по обратному каналу относительно невелика (от 55 до 165 бит/с), что обюясняется необходимостью обеспечения запаса по энергетике в зонах с пониженным качеством обслуживания. Улучшение условий приема достигается за счет трехкратного повторения информационных символов. В обратном канале использована 32-позиционная частотная манипуляция (32-ary FSK), при которой поток разбивается на пакеты по 5 бит, каждый из которых кодируется сверточным кодом (R=1/3, K=7). На выходе частотного модулятора ширина сигнала равна 6,35 кГц, а разнос между соседними частотами составляет 198,4 Гц.

В общей полосе ствола величиной 36 МГц можно организовать до 90 частотных каналов шириной по 400 кГц каждый с разносом между соседними 400 кГц. Период повторения составляет 15,12 мс (скорость 1X) или 5,04 мс (3X). Заданное качество обслуживания гарантируется при величине отношения энергии сигнала к спектральной плотности шума (Eb/N0) не менее 10 дБ.

Для расширения спектра в обратном канале используются методы (рис. 3) прямой последовательности (DS, Direct Sequence) и псевдослучайной перестройки рабочей частоты (последняя применяется в полосе 5 МГц, если количество абонентов не превышает 1 тыс., и по всей ширине ствола – при большем числе абонентов). Такое сочетание методов формирования сигналов позволяет обслуживать в зоне покрытия значительное число пользователей, не создавая помех для служб ФСС. Теоретически, система с двуствольным ретранслятором способна поддерживать работу до 100 тыс. абонентов. Наращивание пропускной способности при сохранении качества связи должно осуществляться за счет введения дополнительных стволов спутниковых ретрансляторов.

Организация связи

Процедура «вхождения в связь» для абонентов Euteltracs организована следующим образом. После включения питания мобильный терминал автоматически переводится в режим дежурного приема, в котором выполняется поиск сигнала с помощью следящей антенны. Собственно прием начинается после «захвата» сигнала КА. В процессе движения антенна постоянно отслеживает местоположение связного и навигационного спутников.

Передача сообщений осуществляется в полудуплексном режиме, т.е. сеансы приема и передачи данных чередуются. Такая организация связи обеспечивает непрерывное слежение за сигналом в линии «Земля–спутник». При пропадании принимаемого сигнала терминал прекращает передачу и переходит в режим дежурного приема (чтобы не создавать помех). Связь не имеет ограничений по времени суток и местоположению абонента в зоне обслуживания Euteltracs.

Процедура управления связью строго регламентирована. Абонент передает сообщения в диспетчерский центр, который отсылает ему подтверждение о получении (если информация адресована группе абонентов, то такое подтверждение не требуется) и формирует из сообщений очередь для передачи на КА. Когда абонентский терминал принимает сообщение, он высылает квитанции о получении и прочтении. Каждое из сообщений сопровождается данными о местоположении абонента. Диспетчер ведет наблюдение за передвижением пользователей с помощью монитора по карте автодорог, где отображается местонахождение обюектов связи.

Чтобы исключить влияние неблагоприятных условий передачи, влияющих на надежность и своевременность доставки сообщений (автотранспортное средство может оказаться в туннеле, под мостом), в Euteltracs предусмотрено подтверждение доставки. При его отсутствии система автоматически повторяет сообщение с заданной периодичностью, пока автомобиль не окажется в зоне связи и подтверждение не будет получено. Время повторения устанавливается диспетчером. Если после семи попыток установления связи (четырех в первые 5 мин и трех в последующие 18 ч, – они передаются с интервалом в 6 ч) транспортное средство не обнаруживается в зоне связи, диспетчер получает извещение, что сообщение не вручено.

Кроме того, используется и более точная навигация абонента. Каждое переданное сообщение сопровождается двумя квитанциями (вместе с ними приходят координаты абонента и информация о времени получения сообщения), которые получает диспетчер. В первой из них, квитанции о доставке, содержатся сведения о том, когда и в какой точке маршрута (определяемой обычно с точностью до 100 м) сообщение поступило на транспортное средство. Вторая уведомляет о том, когда сообщение было прочитано пользователем и где он находился в этот момент.

Система обеспечивает передачу разных типов сообщений – индивидуальных, групповых и нескольких видов системных (аварийных, экстренных, приоритетных). В чрезвычайной ситуации абонент может передать экстренный сигнал (путем нажатия кнопки тревоги, Panic Button), вместе с которым в диспетчерский центр направляются данные о его точном местонахождении и времени отправки. Передача такого сигнала всегда дублируется по «горячей» линии связи, соединяющей центр связи в Рамбуйе с национальными поставщиками услуг.

Гарантированное время доставки составляет 2 мин, однако реально свыше 90% всех сообщений транспортируются не более чем за 30 с. Для повышения оперативности связи водители и диспетчеры пользуются макросообщениями, хранящимися в энергонезависимом ЗУ (его обюем рассчитан на 63 макросообщения). Каждый индивидуальный пользователь и любая группа могут иметь собственные наборы макросообщений.

Безопасность связи

Для системы Euteltracs характерно обеспечение высокой конфиденциальности информационного обмена. За каждым транспортным средством закреплен свой индивидуальный код, и сообщение получает только адресат. Использование широкополосных шумоподобных сигналов с уровнем излучаемой мощности ниже уровня шума, а также остронаправленных антенн делает перехват сигналов крайне трудной задачей. Поэтому наибольшую озабоченность у потенциальных пользователей Euteltracs вызывает обязательная транспортировка коммерческой (по сути) информации через единый центр сетевого управления, расположенный в Рамбуйе.

Есть несколько путей решения этой проблемы. Поскольку в системе Euteltracs происходит обмен только текстовыми сообщениями, то их достаточно просто зашифровать; применение индивидуальных кодов и паролей практически исключает возможность перехвата информации или посылки ложного сообщения на транспортное средство.

Правила безопасности системы требуют, чтобы данные передавались только после регистрации абонента. Регистрационное сообщение, включающее в себя учетный номер пользователя и пароль, поступает в центр управления и сравнивается с хранящимися в абонентском файле регистрационными данными. После трех неудачных попыток установления связи абонент автоматически отключается, причем все эти попытки регистрируются и их статистика отслеживается операторами, обслуживающими систему. Прием сообщений разрешен лишь после идентификации пользователя.

К мерам обеспечения безопасности можно отнести и процедуры контроля за временем, которое абонент проводит в пути (отслеживается с помощью дополнительного бортового компьютера автомобиля и тахометра). Следует отметить, что в странах Европейского союза эти процедуры жестко регламентируются; нарушение регламента влечет за собой значительные штрафы и другие наказания, вплоть до лишения компании-перевозчика лицензии.

На базе системы Euteltracs в диспетчерском пункте можно создать систему контроля за состоянием транспортного средства и перевозимого груза. Тогда при отклонении от заданного маршрута или возникновении проблем с перевозимым грузом эта система способна автоматически (или по команде диспетчера) включить сирену и аварийную сигнализацию, принудительно ограничить скорость движения или (в чрезвычайной ситуации) блокировать терминал.

Речь или данные ?

Использование при перевозке грузов режима текстовых сообщений имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной передачей речи. Кроме конфиденциальности этот режим автоматически обеспечивает документирование всей передаваемой и принимаемой информации. Не менее важен и тот факт, что абонент-водитель получает данные об изменениях маршрута с точными названиями городов и пограничных пунктов, которые в случае голосовой связи не всегда правильно воспроизводятся.

Передача текстового сообщения не требует обязательного присутствия абонента или диспетчера в момент передачи (в отличие от голосовой связи). Даже при отключении терминала оно обязательно поступит к адресату.

На диспетчерском пункте компьютер принимает и хранит всю поступающую информацию, но даже если он выключен, эти сведения не пропадают, а сохраняются в другом устройстве – компьютере регионального оператора. При включении компьютера и установлении модемной связи с региональным центром диспетчер получает всю поступившую для него информацию. Электронные карты местности, на которые могут быть нанесены изображения всех машин данного хозяйства, позволяют ему оперативно отслеживать маршруты движения автотранспорта.

Хотелось бы особо заметить, что такая организация связи обеспечивает (при необходимости) контроль за транспортными средствами и в нерабочее время. Например, его можно осуществлять с домашних компьютеров сотрудников автопредприятий или судовых компаний, подключенных через модем к телефонной линии. В ближайшее время в Euteltracs планируется внедрить новое ПО, которое будет поддерживать доступ к системе через Internet.

Абонентское оборудование

На транспортном средстве устанавливается абонентский комплект, состоящий из трех базовых блоков – наружного (он защищен радиопрозрачным колпаком), внутреннего модуля связи и клавиатуры с дисплеем.

В состав наружного блока входят следящая антенна с механическим управлением, входные каскады приемника и выходные каскады передатчика. Конструкция наружного блока позволяет устанавливать его на любых транспортных средствах и эксплуатировать при изменении температуры окружающей среды от -30 до +6б?С.

Сигнал излучается остронаправленной антенной с коэффициентом усиления 19 дБи. Ширина диаграммы направленности (ДН) по уровню 3 дБ составляет 6б? в азимутальной плоскости и 50б? по углу места (ДН управляется только по азимуту). Уровень боковых лепестков антенны не превышает 12 дБ относительно коэффициента усиления по оси диаграммы направленности. Выходная мощность передатчика – 1 Вт.

Терминал оснащен ЗУ для хранения сообщений. Максимальная длина каждого из них ограничена 1900 знаками (6 бит на символ ASCII) или, в соответствии с максимальным обюемом ЗУ, 1425 байтами. Микропроцессоры терминала обеспечивают все функции обработки сигналов, вхождения в связь и демодуляции. Предусмотрен также режим проверки работоспособности и поиска неисправностей.

Блок приемопередатчика может размещаться в любом месте салона автомобиля, так как управление работой терминала осуществляется с помощью клавиатуры и встроенного дисплея. Клавиатура (раскладка QWERTY) имеет дополнительно несколько перепрограммируемых функциональных клавиш и оснащена средствами индикации времени ожидания сообщения, синхронизации с КА и выходной мощности.

Небольшая выходная мощность и сравнительно низкое энергопотребление (до 35 Вт) терминала позволяют ему длительное время работать от аккумуляторных батарей, даже при выключенном двигателе. Кроме того, сразу же после остановки двигателя терминал автоматически переключается в энергосберегающий режим, в котором происходит его периодическое включение/выключение, благодаря чему связь можно поддерживать в течение нескольких суток без риска «посадить» аккумулятор.

Мобильный терминал экологически безопасен. По уровню излучаемой им мощности он схож с трубками сотовой связи, а ширина его луча существенно меньше, да и направлен он вверх.

Тарифы

Известно, что сервис спутниковой связи нельзя назвать дешевым, особенно услуги передачи речи. Транспортировка текстовых сообщений несколько выгоднее, так как пользователь платит только за обюем отправленной информации, а не за все время связи. Кроме того, на передачу короткого сообщения затрачивается существенно меньше ресурсов, чем в случае использования голосовой связи, а применяемые в Euteltracs «макросы» (стандартные сообщения типа бланка) позволяют еще больше сократить обюем трафика.

Цена за один комплект автомобильного терминала сегодня составляет 2900–3100 долл. (она зависит от обюема поставки). Заметим, что за 6 лет эксплуатации в России Euteltracs стоимость оборудования снизилась более чем в два раза, однако и сейчас этот показатель нельзя назвать низким, тем более для нашей страны.

В абонентскую плату, которая составляет около 80 долл./мес., включены все расходы по пересылке данных по сетям общего пользования, а также стоимость передачи до 50 сообщений (максимальный обюем – 1 тыс. знаков). Подтверждения о получении сообщений диспетчером доставляются бесплатно. При оплате трафика учитывается не только число сообщений, но и обюем информации.

* * *

В последние годы темпы развития телекоммуникационных технологий стали настолько стремительными, а конкуренция такой жесткой, что время «жизни» практически любой системы мобильной связи, как правило, не превышает десяти лет. Если даже аппаратура функционирует надежно, она устаревает морально и требует модернизации или замены.

Европейская система Euteltracs является исключением. Вот уже 12 лет она успешно эксплуатируется на рынке грузоперевозок, уверенно удерживая свои позиции. Этой ССС пользуются ведущие «перевозчики» мира, в том числе российские транспортные и судоходные компании (суда речные и класса «река – море»), банки и некоторые другие потребители. К ее услугам только в Германии прибегают более 8 тыс. транспортных средств, а в России – около 600.

Обслуживание грузовых перевозок – весьма привлекательный сегмент рынка спутниковой связи, на котором Euteltracs смогла составить серьезную конкуренцию таким ССС, как Argos и Inmarsat-С.

ОБ АВТОРЕ

Леонид Невдяев (leonn@networld.ru) – независимый автор.


Частотный план

Система Euteltracs работает в Ku-диапазоне частот, выделенном на первичной основе для фиксированной спутниковой службы. Передача информации происходит в диапазоне 14,0–14,5 ГГц, а прием – в полосе 10,95–12,75 ГГц, которая разделена на три поддиапазона (10,95–11,2, 11,45–11,7 и 12,5–12,75 ГГц). Шаг сетки частот равен 1 кГц при точности установки не хуже 100 Гц. Передача сигналов позиционирования (радиомаяка) HUB и их прием после переретрансляции навигационным КА Euteltracs также осуществляются на указанных частотах.

Частотный план системы имеет трехуровневую структуру, что гарантирует высокую надежность доступа пользователей к системе. Первичный (primary) план составляют частоты, на которых устанавливается связь с абонентами, работающими в штатном режиме. Такие частоты назначаются каждому мобильному терминалу перед началом эксплуатации; их значения вместе с персональным адресом абонента хранятся в энергонезависимой памяти.

Вторичный (secondary) план предусмотрен для резервирования первичных частот, используемых при возникновении неисправностей в одном из рабочих стволов ретранслятора. Частотный план третьего уровня (third plan) задействуется при полном отказе спутника; в нем указаны ресурсы, зарезервированные на другом КА. При том или ином отказе мобильный терминал автоматически переводится на резервные частоты прямого и обратного каналов в соответствии с вторичным или третичным частотным планом. Значения этих частот периодически рассылаются на мобильные терминалы центром управления.

Процедура перехода на резервные частоты такова. После включения питания мобильный терминал предпринимает попытку установить связь на рабочих частотах прямого канала, указанных в первичном плане. Если в течение установленного контрольного времени это ему не удается, то поиск продолжается на резервных частотах, определенных во вторичном или третичном планах.


Характеристики прямого и обратного каналов КА Euteltracs
ПоказательПрямой канал (HUB - мобильный терминал)Обратный канал (мобильный терминал-HUB)
Метод доступаFDMA/TDMDS-СDMA + ППРЧ
Скорость передачи, бит/с4960 (1Х) и 14 880 (3Х)55,11 (1Х) и 165,33 (3Х)
Число канальных интервалов в кадре TDM25-
Вид модуляцииQPSK (15 кбит/с), BPSK (5 кбит/c)32-позиционная частотная манипуляция (32-ary FSK)
Метод кодированияКод Goley, R=1/2 (BPSK); сверт. код, R=3/4 (QPSK)Сверт. код R=1/3, K=7
ЭИИМ, дБВтН/д19*
Отношение G/T, дБ/К-8,8Н/д
Шумовая температура терминала, К373Н/д
Коэффициент усиления антенны терминала, дБН/д>18,5
Ширина диаграммы направленности антенны мобильного терминала, б?7 по азимуту, 60 по углу места7 по азимуту, 50 по углу места
Требуемое отношение Eb/N0, дБ 12 (QPSK), 11 (BPSK)10 (32-ary FSK)
Максимальная спектральная плотность мощности, дБВт/Гц- 20 -41**
Примечания. * 17–20,5 на частоте 14 ГГц. ** В технической документации значение максимальной спектральной плотности мощности в обратном канале указано для полосы 40 кГц. Н/д – нет данных.

Определение местонахождения

Для получения оперативной информации о транспортных средствах в системе Euteltracs предусмотрена процедура автоматического определения их местонахождения, которая выполняется ежечасно (дополнительно – при каждом выключении двигателя). Информация автоматически заносится в компьютер диспетчера (представляется в табличной форме или отображается непосредственно на электронной карте).

Абонентские терминалы используют один из трех методов определения местонахождения – независимое позиционирование от внешних систем (Qualcomm Automatic Satellite Position Reporting, QASPR), применение систем навигации LORAN-C или GPS.

Базовый метод Euteltracs – QASPR. Он основан на передаче с HUB (через КА RANGER) немодулированной несущей (выполняет роль сигнала радиомаяка) в диапазоне частот 14,0– 14,5 ГГц. Излучаемый через вспомогательную антенну, этот сигнал синхронизирован по фазе с информационным потоком прямого канала. В навигационном КА он трансформируется в диапазон приема (10,95– 12,75 ГГц) и переизлучается с использованием линейной частотной модуляции, занимая в эфире полосу частот шириной 2 МГц.

GPS-приемники применяются вне зон покрытия навигационного КА. Использование навигационного приемника LORAN-С (с дополнительной навигационной антенной) возможно лишь в районах действия передатчиков LORAN, т.е. только в Северной Америке.

Согласно QASPR, определение координат обюекта производится триангуляционным методом (с помощью связного и навигационного КА и мобильного терминала). При этом информационные сигналы передаются центральной станцией через связной КА, а навигационные – через второй спутник.

Точность определения координат в системе Euteltracs

До начала сеанса связи мобильный терминал автоматически переориентирует свою антенну на навигационный спутник. Встроенный в терминал процессор вычисляет разницу времени прихода сигналов от двух КА (н?t) и передает ее по обратному каналу на HUB. Определение местонахождения осуществляется по трем параметрам: н?t, общему времени прохождения сигнала (от HUB до абонента и обратно) и координатам земной поверхности (по модели).

В настоящее время накоплен большой статистический материал, по которому в Euteltracs можно оценить точность определения местонахождения для различных рельефов местности, широтных районов (от 25 до 70б? с.ш.) и значений углов разнесения (3, 6 и 9б?). Координаты контролировались путем сопоставления вычисленных навигационных данных с параметрами, определенными с помощью контрольного GPS-приемника и мелкомасштабной карты. Анализ данных показывает, что основным фактором, влияющим на точность, является угловое разнесение между навигационным и связным КА. Так, если его величина составляет 9б?, то среднеквадратичная погрешность определения координат равна 100 м (см. рисунок).


Эффективность прежде всего

Опыт работы как зарубежных, так и российских транспортных предприятий показывает, что в современных условиях средства, вложенные в систему связи и управления, могут приносить большую прибыль, чем простое наращивание парка транспортных средств. Одно из основных условий эффективности работы – оперативный контроль за передвижением транспорта и возможность оперативной связи диспетчера и водителей.

Российский оператор Euteltracs, компания «Комбеллга», провел опрос предприятий, которые постоянно пользуются услугами этой сети. Его результаты показали, что с помощью Euteltracs эффективность использования грузового транспорта возрастает на 15–20%, а время рейса сокращается на 8,5%. Система позволяет оказывать своевременную помощь водителю при возникновении нештатных ситуаций (при контактах с отправителем/грузополучателем, на погранпереходах, при поломках и различных конфликтах). Немаловажную роль играет возможность исключения несанкционированных простоев и изменений маршрута (так называемых «левых» километров).


Тарифы Euteltracs
Тип расчетовСтоимость, долл.
По числу сообщений с числом знаков:
до 50Бесплатно
51-1000,14
101-2000,12
более 2010,1
По числу знаков за месяц:
ло 1000Бесплатно
1001-30000,0045
3001-15 0000,0035
более 150010,002

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями