Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Многофункциональная система персональной спутниковой связи "Гонец-Д1М": состояние и перспективы развитияMultifunctional system for personal satellite communication Gonets-D1M: current state and prospects

Представлены сведения о низкоорбитальной спутниковой системе "Гонец Д1М" и ее подсистемах. Рассмотрены технические параметры космического и абонентского сегментов. Поясняются основные решения, принятые при реализации системы, полезной нагрузки спутника и абонентских терминалов.
Provides information about LEO satellite system "Gonets D1M" and its subsystems. Examine the technical parameters of the space segment and customer segment. Explains the main decisions taken in the implementation of systems, payloads and user terminals.
Андрей Жаров
Первый вице-президент – главный конструктор.
Andrey Zharov
1-st vice president – chief constructor
Ключевые слова:
спутниковые системы, низкоорбитальные системы
Keywords:
satellite system, LEO system

Низкоорбитальные спутниковые системы связи (НССС) целесообразно рассматривать как самостоятельный класс космических систем. В первую очередь привлекательность НССС связана с возможностью глобального обслуживания абонентов и/или глобального сбора данных. Кроме того, достигается высокая энергетика радиолиний, что позволяет использовать абонентские устройства со слабонаправленными и ненаправленными антеннами, то есть использовать малогабаритные абонентские терминалы (АТ). Существенным положительным фактором является и то, что задержка сигналов в таких системах минимальная.

Особый интерес к низкоорбитальным системам связи наблюдался в 1990-х гг. Количество проектов исчислялось десятками. Однако достоинства и коммерческие перспективы НССС были явно переоценены, поскольку мало кто мог предположить столь бурное развитие наземных сетей подвижной связи в конце 1990-х гг.

Несмотря на встречающуюся точку зрения, что все проекты создания НССС не оправдали возлагавшихся надежд [1], все подобные системы, которые были однажды полноценно развернуты, доказали свою востребованность и находятся сейчас в стадии создания следующих поколений: Orbcomm развертывает Orbcomm-2, Iridium – IridiumNext, Globalstar – Globalstar-2. Все это доказывает, что актуальность систем мобильной спутниковой связи отнюдь не уходит в прошлое, а имеет заслуженное будущее. Кроме непосредственно задач связи, НССС сегодня решают широкий круг смежных задач, связанных со сбором и передачей данных.


В настоящее время насчитывается около 17 космических систем, доведенных до практической реализации [1].

Следует отметить, что все эти системы функционируют благодаря государственной поддержке, поскольку зачастую их экономическая эффективность проявляется в смежных областях, то есть имеет место мультипликативный экономический эффект. Отечественная система “Гонец" относится к системам передачи данных и может выполнять функции систем сбора данных в глобальном масштабе.

Развитие проекта "Гонец"

Работы в рамках ОКР “Гонец-М" выполняются в соответствии с Федеральными космическими программами России (2001–2006 гг. и 2006–2015 гг.) с целью увеличения пропускной способности системы за счет расширения используемых полос частот, увеличения скоростей передачи информации в радиолинии “Земля – космос" до 9, 6 Кбит/с и в радиолинии “космос – Земля" до 76,8 Кбит/с путем создания орбитальной группировкой КА “Гонец-М" (12 КА) модернизированной системы “Гонец-Д1М" и проведения опытной эксплуатации КА “Гонец-Д1". По состоянию на декабрь 2013 г. в составе ОГ функционируют 6 КА “Гонец-М", которые проходят летные испытания и один КА “Гонец-Д1". В 2014 г. планируется запуск еще 6 КА, которые изготавливаются серийно. Поддержание ОГ КА “Гонец-М" в штатном составе планируется осуществлять до развертывания ОГ КА “Гонец-М1" путем запуска еще 9 серийных КА. Второй этап завершится с окончанием эксплуатации последнего КА “Гонец-М" в составе штатной ОГ. С 2009 г. развернуты работы по определению технического облика перспективного КА “Гонец-М1" и с этого времени можно говорить о начале 3-го этапа в развитии проекта “Гонец". На сегодняшний день окончательных решений по построению системы не принято.

Построение орбитальной группировки

Построение орбитальной группировки многофункциональной системы персональной спутниковой связи и передачи данных “Гонец-Д1М" должно обеспечивать непрерывную и глобальную связь для потребителей с компактной (не более 360 г и объемом не более 0,4 дм3), малоэнергоемкой (не более 10 Вт на излучение) и дешевой (до $1000) аппаратурой передачи данных. Следует отметить, что требование непрерывности является достаточно жестким, и чтобы его выполнить, приходится использовать значительное число КА в орбитальной группировке. Обычно непрерывность связи требуется с вероятностью P, близкой к единице, и в каком-то определенном районе земного шара. Требование малой энергоемкости связной аппаратуры означает, что высота орбит КА должна быть минимально возможной. Однако требование глобальности и непрерывности делает необходимым увеличение высоты и наклонения орбит КА. Таким образом, задача является многопараметрической и многокритериальной.


Выбор орбитальной структуры космической системы “Гонец" сводится к нахождению минимального числа КА, обеспечивающих однократное непрерывное (с вероятностью P) и глобальное покрытие, при следующих ограничениях (рис. 1, табл. 1):

  1. Заданные высоты всех КА равны 1500 км и у всех орбит одинаковые номинальные эксцентриситет и наклонение;
  2. Количество КА в каждой плоскости 3;
  3. Наклонение орбиты КА составляет 82,5 град. (для этого наклонения имеется освоенная трасса выведения для РН “Рокот" с космодрома Плесецк);
  4. Для поддержания пространственно-временных характеристик орбитальной группировки на протяжении всего срока активного существования КА “Гонец-М" каждый аппарат имеет запас “рабочего тела", достаточный для корректировки орбиты по командам с Земли в течение 5–7 лет.
  5. Принятое построение группировки при 12 низкоорбитальных КА “Гонец-М" по 3 КА в 4-х плоскостях должно обеспечить минимальное время ожидания связи при угле места ≥ 10 град. и вероятности P=0,9.


При выборе параметров орбит учитывалось и воздействие космических лучей [4].

Задачи системы и ее характеристики

Многофункциональная система персональной спутниковой связи (МСПСС) “Гонец-Д1М" предназначена для передачи данных и предоставления следующих услуг связи абонентам, находящимся в любой точке земного шара:

  • обмен сообщениями между наземными средствами потребителей (АТ-АТ);
  • определение местоположения подвижных пользователей;
  • автоматизированный сбор данных с датчиков контроля состояния любых объектов, в том числе необслуживаемых, сбор данных о местоположении объектов;
  • циркулярная передача сообщений группе наземных средств;
  • голосовая связь подвижных и стационарных пользователей, находящихся в одной зоне радиовидимости КА (АТ-АТ);
  • передача аварийных сообщений от АТ до диспетчерских центров потребителей (аварийное сообщение формируется автоматически в АТ при нажатии отдельно выведенной “тревожной кнопки" или срабатывания аварийного датчика и содержит данные о координатах АТ, времени события);
  • взаимодействие средств потребителей МСПСС “Гонец-Д1М" с сетью общего пользования, сетью Интернет и другими наземными сетями.

В МСПСС “Гонец-Д1М" реализована аутентификация абонентов в БРТК КА, а также криптографическая защита информации в каналах управления КА. Основные технические характеристики МСПСС “Гонец-Д1М" с орбитальной группировкой КА “Гонец-М" представлены в табл. 2.


Функциональный состав системы и взаимодействие подсистем

В состав МСПСС "Гонец-Д1М" в виде составных частей входят космический комплекс, связной комплекс, центр управления системой и наземные средства потребителей в виде абонентских терминалов (АТ). Связной комплекс осуществляет управление режимами функционирования КА в части обеспечения связи и передачи данных, маршрутизацию сообщений потребителей между регионами обслуживания и во внешние сети.

Для обеспечения обслуживания потребителей на территории Российской Федерации с использованием средств связного комплекса уже развернуты 4 региональные станции, функционирующие в диапазоне 0,2– 0,3 ГГц, – в Москве, Красноярском крае (Железногорск), Тикси, Южно-Сахалинске. В связи с вводом нового диапазона 0,3–0,4 ГГц разработана двухдиапазонная региональная станция, которая заменит ныне действующие региональные станции, а также будет поставлена в Мурманске, Норильске, Ростове-на-Дону. В системе используется многостанционный доступ с временным разделением, что, в свою очередь, требует синхронизации бортовых и наземных средств и формирования кадра многостанционного доступа с временным разделением (МДВР).

Синхронизация работы бортовых и наземных средств в кадре МДВР осуществляется по маркерному сигналу (МС), который в определенной зоне обслуживания передается всеми КА системы на одинаковых, специально выбранных частотах, и содержит специальную посылку (синхрослово) для формирования наземными средствами синхронного с БРТК кадра МДВР. МС различных КА разнесены во времени для исключения взаимовлияния в общих зонах радиовидимости.

Обслуживание абонентов (наземных средств потребителей) в диапазоне 0,2–0,3 ГГц и 0,3 – 0,4 ГГц может осуществляться в одном из 3 режимов:

  • персональном – с обменом пакетами сообщений непосредственно через БРТК КА без задействования наземных средств связного комплекса. Данный режим, как правило, используется для обслуживания государственных структур. В наземный связной комплекс поступает отчет от проведенном сеансе связи для учета в системе биллинга;
  • групповом – для абонентов, находящихся в совместной зоне радиовидимости. БРТК одновременно дает команду группе абонентов на передачу информации. В этом режиме, как правило, опрашиваются необслуживаемые абонентские терминалы;
  • с задействованием средств связного комплекса – пакеты сообщений, которыми обмениваются наземные средства потребителей, через бортовой ретранслятор космического аппарата передаются на региональную станцию, осуществляющую их маршрутизацию с целью минимизации времени их доставки.

В части предоставления услуг МСПСС “Гонец-Д1М" осуществляет взаимодействие только с сетью Интернет. Точка подключения – центр управления связным комплексом (ЦУСК). В настоящее время подключение не реализовано. Планируется при организации подключения обеспечить до 8 одновременно организуемых VPN-соединений с РС, а общее количество одновременно организуемых VPN-подключений потребителей для предоставления услуг не менее 100 (на начальном этапе). Обеспечивается доступ к серверам Web, FTP, E-mail. Предусмотрена фильтрация трафика, защита от сетевых атак и аутентификация подключаемых потребителей.

Определение местоположения АТ, сопряженного с приемником ГЛОНАСС может осуществляться практически с любой периодичностью. Перерывы в связи компенсируются возможностью терминала накапливать навигационную информацию о трассе движения абонента с последующей ее передачей в центр мониторинга при появлении космического аппарата в зоне радиовидимости АТ.

Полезная нагрузка КА "Гонец-М"

Общий вид спутника “Гонец-М" показан на рис. 2. В качестве полезной нагрузки используется бортовой радиотехнический комплекс (БРТК, рис. 3) “Садко", включающий в себя приемное и передающее устройства, бортовой вычислительный комплекс, комплекс радиоконтроля орбиты (РКО) и телеметрическую систему (ТС), комплекс ПО и служебный канал.


БРТК является ретрансляционным комплексом, состоящим из двух ретрансляторов. Один ретранслятор работает в диапазоне частот 259– 265 МГц (Д1) (всего16 литерных частот), другой – в диапазоне частот 312–315 МГц на прием и 387–390 МГц на передачу (Д2).

Ретранслятор диапазона Д1 работает в структуре сигналов и сообщений, принятой в системе “Гонец-Д1". Ретранслятор диапазона Д2 работает в структуре сигналов и сообщений, принятой в системе “Гонец-Д1М".


Оба ретранслятора работают на прием через общую антенну А1. Разделение по диапазонам осуществляется диплексером ДП. В каждом частотном канале имеется фильтр и малошумящий усилитель МШУ.

В ретрансляторе Д1 один приемный канал работает в режиме системы “Гонец-Д1", а три других – “холодный” резерв. Один передающий канал диапазона Д1 имеет “холодный” резерв.

В ретрансляторе Д2 тринадцать приемных каналов, которые могут включаться в зависимости от нагрузки БРТК. Минимально всегда включены два приемных канала. На передачу работают один или два канала в зависимости от нагрузки. Каждый передающий канал имеет “холодный” резерв. В обратном канале используется временное уплотнение сигналов.

На передачу ретрансляторы работают через две антенны – А2 и А3. К одной антенне через диплексер подключены выход первого полукомплекта передатчика диапазона Д1 и выходы двух полукомплектов передатчика диапазона Д2, резервированного по принципу “горячий/холодный".

К другой антенне подключены через диплексер выход второго полукомплекта передатчика диапазона Д1 (который является “холодным" резервом) и двух полукомплектов другого передатчика диапазона Д2, резервированного по принципу "горячий/холодный".

Все приемные тракты строятся идентично: после линейного усилительного тракта производится цифровая обработка сигнала: демодуляция, декодирование и разуплотнение. На цифровую обработку поступает сигнал частотой 455 кГц.

Передающие тракты также строятся идентично: формирование сигналов осуществляется цифровым модулятором.

Модуляторы и демодуляторы реализуются на базе сигнальных процессоров и входят в состав бортового вычислительного комплекса (БВК).

Объединение модемов осуществляется через общую шину. Функция аутентификации осуществляется программным способом, специальное ПО встраивается в ПО БРТК.

К общей шине подключен и процессор (образующий основной вычислительный модуль), осуществляющий управление и координацию работы других процессоров, реализующий функции коммутации пакетов и обеспечивающий связь с бортовым комплексом управления (БКУ), входящим в состав объекта. Бортовой вычислительный комплекс (БВК) образуется многопроцессорной системой (процессорами, объединенными общей шиной) и наряду с задачами управления и обработки выполняет функцию бортовой АТС, обеспечивая соединение абонентов.

Построение БРТК позволяет наращивать число одновременно подключаемых демодуляторов до максимального количества и дает возможность изменения структуры сообщений в радиоканалах, позволяет развивать функциональные возможности путем подключения дополнительных программно-аппаратных модулей без изменения общей структуры аппаратных и программных комплексов.

Абонентское оборудование

В настоящее время в МСПСС “Гонец-Д1М" в диапазоне Д1 используются выпускаемые серийно ОАО “Ижевский радиозавод" стационарные АТ-СН-4 и мобильные абонентские терминалы АТ-МН-4 (разработка 1990-х гг.). Для проведения летных испытаний КА “Гонец-М" в диапазоне Д2 ОАО “НИИ точных приборов" (Москва) разработал и изготовил 10 опытных образцов базовой модификации АТ (табл. 3). Для потенциальных пользователей в рамках ОКР “Гонец-М" ОАО “Спутниковая система “Гонец" (Москва) совместно с ООО “Геонавигатор" (Санкт Петербург) ведется разработка малогабаритных АТ в диапазоне Д2 (этап изготовления опытных образцов и проведения предварительных испытаний).


В диапазоне Д2 доступ к спутниковому каналу обеспечивается методом TDMA (Time Division Multiple Access) с использованием модифицированной GMSK-модуляции. Передача осуществляется в диапазоне 312–315 МГц, количество рабочих каналов – 240 с шагом сетки частот 12,5 КГц. Для приемного канала используется полоса частот 387–390 МГц, количество каналов – 240 с шагом сетки частот 12,5 КГц.

Использование методов кодирования информации (сверточный код и код Рида–Соломона) обеспечивает высокую помехозащищенность каналов и достоверность ее передачи. В малогабаритных АТ для диапазона Д2 во всех исполнениях используется ГЛОНАСС/GPS-приемники для синхронизации всех процессов приема и обработки сигналов и определения местоположения абонента. Кроме того, в них интегрирован GSM-модем для расширения пользовательских возможностей.

Конструктивно малогабаритные АТ для диапазона Д2 строятся на двух унифицированных ОЕМ-модулях: один модуль представляет плату приемопередатчика, второй модуль является контроллером, управляющим приемником ГЛОНАСС/GPS и приемопередатчиком GSM. Управление АТ осуществляется при помощи Web-интерфейса с персонального компьютера или другого устройства, оборудованного хотя бы одним из интерфейсов Wi-Fi, Ethernet или RS 485.

Прорабатываются различные варианты малогабаритных приемопередающих антенн, обладающих достаточной эффективностью для решения задач двустороннего взаимодействия “КА⇔АТ".

Планируется, что АТ будут изготавливаться в трех вариантах исполнения: стационарный, возимый и носимый, способных функционировать в обслуживаемом и необслуживаемом режимах. Предусматривается подключение до пяти пользователей, которые могут размещаться в разных частях помещения (например, судна и т.п.).


Комплект АТ должен состоять из трех блоков: антенны, блока прие-мопередачи (БПП) и комплекта зарядно-питающего. Основные технические характеристики АТ представлены в табл. 4.

Основания для развития системы

В соответствии с планами правительства, в частности “Стратегией развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 г.", территории Крайнего Севера Дальнего Востока подлежат активному развитию, которое немыслимо без обеспечения этих регионов телекоммуникационными услугами. С целью безопасности перевозки пассажиров, транспортировки грузов, в том числе и опасных, Минтрансом России изданы приказы № 20 от 26.01.2012 г. и № 285 от 31.07.2012 г., которые определяют необходимость оснащения транспортных средств оборудованием спутниковой навигации.

Решение обозначенных проблем осуществляется в рамках создания государственной автоматизированной информационной системы “ЭРА-ГЛОНАСС", используя каналы операторов сотовой связи. В частности, решая задачи покрытия трассы “Амур" [2], значительную помощь в решении проблем мониторинга на федеральной трассе может оказать система “Гонец". При потребности в мониторинге 1,3 млн автомобилей [3] и с учетом покрытия федеральных трасс на 75%, “Гонец" может внести свой вклад в реализацию постановлений правительства, взяв на себя задачи мониторинга транспортных средств и объектов транспортной инфраструктуры на территориях, не охваченных наземным радиопокрытием.

Развитие МСПСС “Гонец-Д1М" в среднесрочной перспективе основано на заключении в 2012 г. государственных контрактов на поставку 8 космических аппаратов в составе космических головных частей и средств выведения для развертывания в 2015 г. штатной орбитальной группировки КА “Гонец-М" (12 КА), а также планируемым к заключению государственным контрактом на поставку 7 КА “Гонец-М" после 2015 г. для поддержания штатного состава орбитальной группировки.

Выводы

Полученные на сегодняшний день технические характеристики МСПСС “Гонец-Д1М" с ОГ КА “Гонец-М" позволяют предоставлять услуги по передаче данных и крайне ограниченно, только в чрезвычайных ситуациях, услуги по передаче голосовой связи (до 2 каналов на 1 КА).

Учитывая возможности МСПСС “Гонец-Д1М" по обеспечению глобальности в предоставлении услуг по передаче данных, целесообразно рассмотреть вопрос о выходе на международный рынок услуг, в первую очередь для государств СНГ и стран-партнеров, для чего необходимо решить ряд организационных вопросов. Комплексное использование технологий ГЛОНАСС/GPS и технологии “Гонец" при оказании услуг потребителям значительно повысит эффективность их применения и создаст мультипликативный экономический эффект.

Литература

  1. Низкоорбитальная космическая система персональной спутниковой связи и передачи данных / Под ред. генерального конструктора многофункциональной космической системы персональной спутниковой связи и передачи данных, президента ОАО "Спутниковая система “Гонец" А.И.Галькевича. – Тамбов: ООО “Издательство Юлис", 2011. – 169 с.
  2. Воропаев А. Мониторинг транспорта: вчера, сегодня, завтра // АвтоТрансИнфо. – 2013. – №6. – С.15–22.
  3. Касьянов А.И. Безопасность на автотранспорте: ГЛОНАСС идет нам на помощь // Вестник ГЛО-НАСС. – 2013. – №1. – С. 42–46.
  4. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения: учеб. пособие / В.Е.Чеботарев, В.Е. Косенко. – Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2011. – 488 с.

Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2014
Посещений: 18188

  Автор

Андрей Жаров

Андрей Жаров

Первый вице-президент – главный конструктор.

Всего статей:  1

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций