Подобные системы либо уже действуют, либо развертываются по крайней мере в пяти регионах мира: США (AMSC), Канаде (MSAT), Австралии (Aussat), Индонезии (ACeS), ОАЭ (Thuraya). Последняя из перечисленных недавно описывалась в нашем журнале (см. «Сети», 2000, № 7, с. 104). Проект аналогичной сети связи существует и в России — это региональная система «Зеркало-КР», разрабатываемая НПО «Кросна».

От «Марафона» к «Зеркалу»

Национальная система мобильной и в то же время персональной спутниковой связи, которая бы полностью контролировалась и управлялась с российской территории, чрезвычайно важна как для индивидуальных пользователей, так и для многих государственных структур и промышленных корпораций страны. Не случайно первые подобные проекты датируются 90-ми годами. Однако до сих пор из-за отсутствия средств и (как следствие) конкурентоспособных отечественных разработок мы вынуждены пользоваться услугами зарубежных систем спутниковой связи (ССС), таких как Inmarsat, Italsat, Globalstar, Euteltracs и др.

К желанной цели был близок проект СПСС «Марафон», работы по которому начались свыше 10 лет назад. Тогда же в России была организована одноименная ассоциация, подана в Международный Союз электросвязи заявка на частоты и точки стояния на геостационарной орбите (ГСО) и проведена их международная координация. В состав орбитальной группировки «Марафона» должны были входить пять КА «Аркос» (на ГСО) и четыре КА «Маяк», размещаемые на высокоэллиптической орбите (ВЭО) типа «Молния». Использование ВЭО позволило бы обеспечить связь на высоких широтах (севернее 70? с. ш.), где, как известно, связь с геостационарным КА неустойчивая или вообще отсутствует (не нужно объяснять, насколько важны для России эти регионы).

К сожалению, в настоящее время работы по данному проекту приостановлены, но главная беда заключается в том, что срок выделения заявленных частот заканчивается в 2002 г.

Основные концепции проектов «Зеркало-КР» и «Марафон» очень близки. Орбитальная группировка «Зеркала» также включает два типа КА — на геостационарной («Зеркало-Г») и высокоэллиптической («Зеркало-Э») орбитах. Для КА выбраны те же точки стояния на ГСО (только спутников будет не пять, как в «Марафоне», а три), и связь по абонентским и фидерным линиям планируется организовать в тех же диапазонах частот (C и L).

Однако между этими двумя проектами есть и принципиальные различия. Прежде всего, изменилось назначение системы — проект «Зеркало-КР» ориентирован на предоставление услуг не только мобильной, но и персональной связи. Гибридные многолучевые зеркальные антенны на борту КА обеспечат более высокую (на 12—15 дБ) энергетику в абонентских линиях, что позволит отказаться от терминалов стандарта Inmarsat (именно такие планировалось использовать в системе «Марафон»). Портативный терминал «Зеркало-КР» будет весить не более 0,5 кг. Другими важными отличиями «Зеркала» являются применение обработки сигналов на борту КА и возможность прямой связи между мобильными абонентами (в одном скачке) с применением внутрилучевого и межлучевого хэндовера.

Региональная система «Зеркало-КР» станет обслуживать российских пользователей (государственные структуры, коммерческие организации, физических лиц) в тех регионах страны, где создание наземных проводных или сотовых сетей экономически нецелесообразно. Базовые виды предоставляемых услуг: телефонная и факсимильная связь, передача данных, доступ к Internet. Скорость передачи информации — не более 9,6 кбит/с.

Развертывание сети персональной связи «Зеркало-КР» предполагает несколько этапов. На первом (1999—2003 гг.) создается региональная подсистема «Зеркало-Г1», обслуживаемая одним геостационарным КА (точка стояния 90,5? в. д.). Его 30 узких лучей охватят практически всю территорию РФ, кроме ее западно-европейской части, Чукотки и Камчатки (рис. 1). При необходимости включения в зону обслуживания более южных примыкающих к России территорий число лучей должно быть увеличено до 40.

Зоны обслуживания региональной CПCC «Зеркало-Г1» (точка стояния КА — 90,5? в. д., минимальный угол места — 60)

В случае успешной реализации первого этапа НПО «Кросна» начнет развертывать две следующие подсистемы — «Зеркало-Г2» на базе КА в точке стояния 13,50? з. д. и «Зеркало-Г3» с КА, размещенным в позиции 145,5? в. д. (2002—2006 гг.). Второй этап завершится созданием трехспутниковой группировки «Зеркало-КР», которая охватит связью практически всю Россию (за исключением ее высокоширотных северных районов) и территорию некоторых зарубежных стран. В этих районах связь предполагается обеспечить на третьем этапе развертывания системы (2005—2007 гг.), когда будут выведены на ВЭО четыре КА и создана региональная подсистема «Зеркало-Э».

На завершающем этапе произойдет объединение указанных подсистем в глобальную СПСС. Но от этого события нас, даже по самым оптимистическим прогнозам, отделяет не менее десятилетия. Пока же завершена лишь разработка эскизного проекта подсистемы «Зеркало-Г1» (что соответствует первому этапу в рамках «Зеркала-КР») и предстоит защита системного проекта. Каковы же характеристики системы связи, которую предполагает построить «Кросна»?

Космический аппарат

До недавнего времени считалось, что развитие персональной спутниковой связи с применением КА, находящихся на ГСО, сдерживается в основном отсутствием высокоэнергетических ретрансляторов с большой излучаемой мощностью. Однако сегодня такой проблемы, можно сказать, не существует. Зарубежный и отечественный опыт показывает, сколь огромными резервами для повышения энергетики радиолиний обладают многолучевые бортовые антенны, формирующие зону покрытия из большого числа узких лучей. Именно такое техническое решение положено в основу проекта «Зеркало-КР».

В подсистеме «Зеркало-Г1» будут использованы гибридные зеркальные антенны (ГЗА) с рефлекторами сложной формы (в виде секторов боковых поверхностей параболоида вращения). Силовой каркас рефлектора в развернутом положении представляет собой ферму из углепластиковых труб, которая обеспечивает поддержание формы отражающей сеточной поверхности с погрешностью не более 2% от длины волны излучения (рис. 2).

Общий вид КА «Зеркало-Г1»: а — в рабочем положении
б — при транспортировке

Излучатели ГЗА построены на базе многоэлементных антенных решеток (так называемых кластерных облучателей) и позволяют динамически перераспределять излучаемую мощность по группам лучей с учетом пропускной способности, которую нужно обеспечить в каждом конкретном луче. Кроме того, предполагается динамическое перераспределение излучаемой мощности не только между соседними лучами или группами лучей (как в других ССС), но и между удаленными друг от друга лучами. Для территории России, охватывающей несколько часовых поясов, возможность оптимального перераспределения мощности в соответствии с изменяющейся пиковой загрузкой позволит существенно повысить эффективность и реальную пропускную способность системы.

Повторное использование частот в системе «Зеркало-Г1» базируется на семичастотном плане, по которому данная процедура будет задействована лишь для лучей, отстоящих друг от друга не менее чем на две зоны, а кратность использования частотных полос, согласно оценкам, составит четыре или пять.

Бортовой ретрансляционный комплекс (БРТК) спутника «Зеркало-Г1» обеспечивает работу абонентских линий в L-диапазоне, а фидерных — в C-диапазоне частот (см. таблицу). В состав БРТК входят четыре ретранслятора: один регенеративного типа (L/L — 1,6/1,5) и три прозрачных, без обработки сигналов на борту (L/C — 1,6/4, C/L — 6/1,5, C/C — 6/4).

Регенеративный ретранслятор L/L-диапазона осуществляет на борту КА следующие операции обработки сигналов: демодуляцию 30 несущих частот (по одной в каждом из 30 лучей), их коммутацию и маршрутизацию. Только затем он переизлучает сигнал на новой несущей частоте L-диапазона. На каждой несущей частоте передается групповой TDMA-сигнал со скоростью 48 кбит/с; кадр разделен на восемь канальных интервалов. Таким образом, при связи абонентов в одном луче может быть организовано до четырех дуплексных каналов, а при межлучевой связи — до восьми.

Принцип работы такого ретранслятора с обработкой сигналов заключается в следующем. Преобразование группового сигнала каждого луча в цифровую форму происходит на промежуточной частоте и выполняется с помощью АЦП и цифрового сигнального процессора (ЦСП), который также демодулирует сигнал и разуплотняет каналы. Коммутация каналов реализована на базе аналогичных ЦСП. Передача сигнала осуществляется после модуляции и преобразования. Управление работой коммутатора и переконфигурирование каналов обеспечивается бортовым вычислительным комплексом. Таким индивидуальным преобразованием частоты каждого луча достигается предусмотренное в системе четырех-пятикратное повторное использование частот. Подобные ретрансляторы с обработкой на борту уже реализованы в спутниках Iridium, Thuraya и Garuda (система ACeS).

Прозрачные L/C-, C/L- и C/C-ретрансляторы не выполняют обработку информации. В них осуществляются лишь прием и частотное преобразование группового сигнала по всему спектру без демодуляции и фильтрации каналов.

При общей ширине полосы частот в абонентской линии 29 МГц и семичастотном плане максимально возможная полоса частот в каждом луче не должна превышать 4 МГц. Следовательно, для фидерной линии C-диапазона потребуется полоса шириной 120 МГц (при 30 лучах) или 160 МГц (при 40).

Электропитание бортовой аппаратуры обеспечивается солнечными батареями и буферным источником питания, в качестве которого разработчики намерены использовать никель-водородные аккумуляторные батареи. Энергоотдача солнечных батарей составляет около 8 тыс. Вт, а мощность, постоянно потребляемая полезной нагрузкой, — 6300 Вт, что равно примерно 79% от общего потребления (следует учесть: на борту КА размещена также корректирующая двигательная установка с энергопотреблением, достигающим в момент включения 1600 Вт).

Общая масса спутника составляет около 2,6 т, его вывод на орбиту может осуществляться ракетой-носителем «Протон».

Архитектура системы

СПСС «Зеркало-КР» по техническим возможностям, видам предоставляемых услуг и характеристикам связи аналогична глобальным системам Inmarsat и Globalstar, а по архитектуре, принципам организации связи и протоколам обмена данными наиболее близка к региональным системам ACeS и Thuraya.

Связь в системе «Зеркало» организована так же, как и в других СПСС. Двухрежимные абонентские терминалы прежде всего пытаются установить связь по наземным каналам сотовой связи и лишь за пределами зон их обслуживания работают через спутниковые каналы (рис. 3).

В состав наземного оборудования региональной системы «Зеркало-Г1» входят земные станции (ЗС) двух типов — центральная (ЦС) и региональные шлюзы (РС), а также абонентские терминалы (АТ). Оба типа ЗС оснащены приемопередающими параболическими антеннами диаметром 6 м (максимальная ЭИИМ — 65 дБВт, добротность G/T — не менее 25 дБ/К).

Связь между двумя мобильными пользователями (АТ2 и АТ3 на рис. 3) обеспечивается через ретранслятор с обработкой информации на борту (L/L), т. е. за один скачок. Абонентский терминал передает информацию в диапазоне частот 1,6 ГГц, а принимает в диапазоне 1,5 или 2,5 ГГц. Как следует из опыта эксплуатации других систем аналогичного назначения, связь «мобильный — мобильный» используется примерно в 5—10% сеансов. Поэтому в каждом луче для организации связи этого типа отведено 5% его пропускной способности (одна несущая частота). Все остальные несущие частоты обеспечивают информационный обмен между мобильными и стационарными пользователями. Этот тип связи поддерживается в системе c помощью двух других ретрансляторов: в первом из них сигнал из L-диапазона переносится в C-диапазон, а во втором осуществляется обратное преобразование — из C- в L-диапазон (на рис. 3 разными цветами выделены два направления связи: прямой канал АТ4—АТ1 — синим, а обратный АТ1—АТ4 — красным).

В задачи центральной станции входят управление работой сети в целом, организация взаимодействия с РС, сопряжение спутниковых каналов с телефонной сетью общего пользования (ТфОП) и выполнение функций биллинга.

Преимущество односпутниковой региональной системы состоит в том, что расширить наземный сегмент можно на любом этапе ее развертывания без нарушения его архитектуры и практически с минимальными доработками используемых протоколов. Именно поэтому все функции маршрутизации и биллинга разработчики «Зеркала» передали ЦС. Таким образом, на начальном этапе система начнет функционировать сразу после ввода в эксплуатацию ЦС, а региональные шлюзы будут наращиваться по мере необходимости.

Хотя с точки зрения организации связи достаточно одной ЦС, как показал опыт эксплуатации в нашей стране системы Iridium, сильная «зависимость» от ТфОП приводит к резкому возрастанию тарифов СПСС (достаточно вспомнить неудачную попытку введения гибкой дифференциации тарифов в зависимости от расстояния между абонентами). Поэтому, несмотря на то что рост числа шлюзов и увеличивает стоимость наземного сегмента, чем более «независима» система от ТфОП, тем ниже ее тарифы, а следовательно, тем привлекательнее она для пользователей.

Абонентские терминалы «Зеркало-КР» аналогичны терминалам для систем Globalstar, ACeS и Thuraya. Базовым устройством является двухмодовая «телефонная трубка», которая обеспечивает работу в двух режимах: непосредственно через спутник или через наземную сотовую сеть. Скорость передачи информации — не более 9,6 кбит/с. Предполагается применение абонентского оборудования четырех типов: персональная телефонная трубка (масса не более 500 г), мобильный терминал (устанавливаемый на транспортные средства — автомобили, суда, самолеты) и стационарные устройства — домашний телефон и таксофон. Планируется также создание терминала передачи данных, через который будут предоставляться услуги Internet, для чего разработчики намерены увеличить скорость передачи информации за счет объединения нескольких (от двух до восьми) канальных интервалов на одной несущей частоте.

Региональная система «Зеркало-Г1» рассчитана на обслуживание 400—500 тыс. абонентов. По оценкам специалистов НПО «Кросна», срок ее окупаемости составит около четырех лет. Общие затраты на создание системы оцениваются в 360 млн долл.

И хотя пока не т олько не существует «живой» спутник, но даже не утвержденн проект, разработчики предполагают, что ежемесячная абонентная плата составит не более 25 долл., а тариф не превысит 0,45 долл. за одну минуту.

ОБ АВТОРЕ

Леонид Невдяев (leonn@networld/ru) — независимый автор.


В зеркалах

В современных КА для геостационарных и высокоэллиптических орбит, пожалуй, одним из самых сложных устройств является зеркальная антенна больших размеров. Значимость этого элемента СПСС такова, что слово «зеркало» есть в названиях четырех проектов сетей связи, разрабатываемых в России за последние 10 лет. Чтобы помочь читателю сориентироваться среди всех этих «зеркал», приведем краткую справку.

Впервые идея создания региональной системы связи под названием «Зеркало» возникла в 1991—1992 гг. в российском НИИ Космического приборостроения. Проект СПСС на базе геостационарного КА (пропускная способность — 13 тыс. эквивалентных телефонных каналов по 64 кбит/с) предусматривал использование на борту нескольких многолучевых зеркальных антенн (которые должны были формировать восемь фиксированных лучей, направленных на поверхность Земли), а также двух перенацеливаемых однозеркальных антенн. Связь с помощью VSAT-станций планировалось организовать в Ku-диапазоне частот. Однако работы были приостановлены из-за отсутствия средств.

Спустя четыре года (в 1995—1996 гг.) возник новый проект, получивший название «Зеркало-2», в котором сохранилась первоначальная концепция, но было предусмотрено увеличение пропускной способности ретрансляторов почти в 2,5 раза (до 30 тыс. каналов по 64 кбит/с), что, по мнению разработчиков, позволяло существенно снизить срок окупаемости затрат (полная стоимость проекта оценивалась в 261 млн долл.). Существенные изменения претерпел и космический аппарат. Срок его активного существования был увеличен с 5—7 до 12—15 лет, мощность солнечных батарей возросла с 3 до 5 кВт. Бортовой антенный комплекс позволял сформировать 24 фиксированных и один перенацеливаемый луч. Однако и этот проект, несмотря на его хорошие технико-экономические показатели и малые сроки реализации (чуть более двух лет от начала финансирования до полного развертывания системы), до сих пор так и остался на бумаге.

В соответствии с проектом «Зеркало-КС», который разрабатывало предприятие «Комета», два КА разместятся на высокоэллиптической 24-часовой орбите типа «Тундра». В этой ССС планируется использовать 15-метровые зеркальные антенны, каждая из которых формирует на поверхности Земли до 80 лучей.

«Зеркало-КР» — самое новое. Проект разрабатывается НПО «Кросна» с 1999 г.; он предусматривает установку на спутниках гибридных зеркальных антенн.


Сравнительные характеристики КА «Аркос» (СПСС «Марафон») и КА «Зеркало-КР»
Показатель"Аркос""Зеркало-КР"
Число КА в ОГ (позиция)5 (160 и 13,5? з. д., 40; 90,5 и 145,5? в. д.)3 (90,5 и 145,5? в. д., 13,5? з. д.)
Точность удержания КА на орбите, ? ?(0,1-0,2)?0,1
Общая масса КА, кг25002600
Мощность системы электропитания, Вт24008000
Срок активного существования КА, лет8-1012
Диапазон частот абонентской линии, МГц:
"вверх"1631,5-1660,5 1631,5-1660,5
"вниз"1530-15591530-1559 или S (2,5)
Суммарная ширина полосы частот, МГц:
абонентская линия 2929
фидерная линия40120 (30 лучей), 160 (40 лучей)
Количество и тип лучей бортовой антенны (число составляющих)1 глобальный (17х17), 3 узких (5х6)30 узких (10х5)
ЭИИМ на границе зоны обслуживания для узкого луча, дБВт4153-55
G/T (тип луча), дБ/К-12,0 (глобальный), -1,4 (узкий) 15,0 (любой)
Пропускная способность на один КА (число эквивалентных телефонных каналов)1753500-4500

Проблемы геостационарной орбиты

Перегруженность геостационарной орбиты вызывает озабоченность. На ней уже расположено немало спутников, и размещение новых в заданных точках стояния представляет собой серьезную проблему (особенно если учесть жесткие требования к электромагнитной совместимости). Однако при организации персональной связи через геостационарный КА возникает ряд других сложностей, из которых, на мой взгляд, можно выделить три главные: реализация связи при малых углах места (углах радиовидимости КА) абонента, большие задержки при информационном обмене и необходимая энергетика линии. Остановимся на них подробнее.

Малые углы. Системы с КА на геостационарной орбите (как известно, она проходит строго над линией экватора) принципиально не могут обеспечить связь в приполярных и полярных районах Земли из-за низких углов места антенн земных станций. Зона обслуживания обычно ограничивается для мобильной связи параллелями 65—70? с. ш., а для фиксированной — 70—80? с. ш.

Минимальный угол места абонентской станции к горизонту является одной из важных характеристик системы. Чем он меньше, тем сильнее влияние зданий и рельефа местности, а следовательно, тем меньше реальная зона радиовидимости спутника. Для стационарных терминалов минимальный угол места обычно равен 5—10?, а для мобильных — 10—15?. Однако, как показывает практика, для мобильных станций хорошую устойчивую связь можно обеспечить только при углах места не менее 30—40? (таковы они в региональных системах ACeS и Thuraya).

Системы с геостационарными КА способны обслужить регионы, расположенные между 35 и 70? с. ш., т. е. вне зоны покрытия оказывается около трети российской территории (на севере). И хотя там проживает далеко не основная часть населения страны, услуги спутниковой связи для этих пользователей особенно актуальны. Что же касается мнения о низкой востребованности услуг в этих регионах из-за невысокой платежеспособности населения, то, на мой взгляд, оно не имеет никакого научного обоснования, так как спрос на эти услуги в северных регионах серьезно не изучался (по крайней мере, автору не известны подобные статистические отчеты).

Необходимо также отметить, что на тех широтах, где мобильная спутниковая связь через геостационарные КА малоэффективна, более целесообразно использовать стационарные терминалы с направленными антеннами, позволяющими существенно улучшить условия приема сигналов. Однако наиболее радикальное решение проблемы — использование в этих районах спутников, размещаемых на высокоэллиптических орбитах.

Большие задержки. Спутники на геостационарной орбите отлично работают в сетях радио- и телевизионного вещания, где задержка 270 мс в каждом направлении не сказывается на качественных характеристиках сигналов. Системы персональной радиотелефонной связи (см. рисунок) более чувствительны к столь длительным задержкам, которые реально (в одном направлении связи) могут составить около 320 мс (с учетом времени на обработку сигнала в кодере или декодере — 50 мс). Суммарная задержка при дуплексной связи в системах этого класса уже будет равна 640 мс, что приведет (даже при наличии современных средств эхоподавления) к затруднению общения абонентов. Очевидно, что в случае двойного скачка, т. е. при ретрансляции через наземную станцию сопряжения, длительность задержки вызывает серьезные трудности при передаче речи. (При использовании низких и средневысотных орбит данная проблема может возникнуть лишь в системах с межспутниковой ретрансляцией, когда сигнал многократно кодируется и декодируется.)

Энергетика. Главное требование к персональной связи — ее доступность в любом месте и в любое время (в помещениях и вне их, а также в движении). В наземных сотовых системах связи эта задача практически решена. Абонент СПСС хотел бы иметь те же самые возможности, иначе зачем ему «урезанная» персональная связь?

И хотя указанная проблема актуальна для всех систем персональной спутниковой связи, наибольшие трудности возникают при организации связи через геостационарный КА. Уровень сигнала передатчика, как известно, убывает пропорционально квадрату расстояния от него (1/R2). Чтобы создать на «открытой» (вне помещений) поверхности Земли те же условия приема (с одинаковым отношением сигнал/помеха), что и в сетях с КА на низких орбитах, необходимо сосредоточить сигналы в более узких лучах. Сегодня такая возможность стала реальностью, и связь с помощью обычных портативных терминалов «типа телефонной трубки» через геостационарные спутники можно «опробовать» в некоторых зарубежных региональных СПСС. Однако до конца проблема «глобальной» доступности пока не решена. Дабы спутниковая телефонная трубка работала изнутри зданий, необходимо повысить энергетику радиолинии как минимум еще на 25—30 дБ, что на современном технологическом уровне недостижимо.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями