4.4. Мобильная спутниковая связь

Системы мобильной спутниковой связи представляют срав­нительно новый, очень мощный, гибкий и быстро развивающийся' вид мобильной связи. Использование спутников в системах связи началось фактически сразу же после запуска первых ИСЗ в 1957... 1958 гг., и до настоящего времени связь остается одной из основных областей их практического применения наряду с гло­бальной навигацией и разнообразными исследованиями Земли из космоса - от военной разведки до прогноза погоды и мониторинга природных ресурсов. Предложения об использовании спутников для связи высказывались и раньше. Например, Артур Кларк, в то время секретарь Британского межпланетного общества, в 1945 г. опубликовал статью с изложением идеи всемирной системы связи, использующей три спутника на геостационарной орбите [93]. Без сомнения, у всех на слуху названия серий спутников «Космос», «Горизонт», «Молния». Сегодня число таких названий составляет несколько десятков, и основные из них, относящиеся к связи, мы постараемся кратко охарактеризовать.

В зависимости от назначения спутниковые системы связи могут быть военными, гражданскими государственными (напри­мер, системы телевизионного вещания) или коммерческими, ста­ционарными (фиксированными) или подвижными; связь может осуществляться в реальном времени или с задержкой, например с накоплением и последующим «сбросом» информации.

По типам используемых орбит ИСЗ спутниковые системы связи классифицируются следующим образом** :

*> Орбита ИСЗ в общем случае представляет собой эллипс, один из фокусов ко­торого совпадает с центром Земли Ближайшая к Земле точка орбиты называется перигеем, наиболее удаленная - апогеем Частным случаем эллипса является окруж­ность (круговая орбита) Наклонением орбиты называется двугранный угол, образуе-

- высокоорбитальные, или геостационарные (GEO - Geosta­tionary Earth Orbit) - с круговыми экваториальными орбитами высотой около 40 тыс. км; при этом период обращения спутника вокруг Земли равен 24 ч, т.е. спутник оказывается неподвижным относительно Земли: он постоянно «висит» над одной и той же точкой экватора,

- среднеорбитальные (МЕО - Medium Earth Orbit) - с круговы­ми орбитами высотой порядка 10 тыс. км,

- низкоорбитальные (LEO - Low Earth Orbit) - с круговыми ор­битами высотой 700. .2000 км,

- высокоэллиптические (НЕО - Highly Elliptical Orbit) - с вытя­нутыми эллиптическими орбитами, имеющими радиус пери­гея порядка тысячи километров и радиус апогея порядка од­ного или нескольких десятков тысяч километров. Среднеорбитальные и низкоорбитальные системы иногда

объединяют под общим названием низкоорбитальных; по типу ис­пользуемых ИСЗ их разделяют также на большие (масса ИСЗ в пределах 500. .2000 кг) и малые (50...100 кг).

Приведем некоторые примеры, не затрагивая систем воен­ного назначения [93, 52, 77, 47, 39, 30, 90,16 и др.].

Прежде всего, следует отметить большую группу систем стационарной (фиксированной) связи, использующих спутники на геостационарных или высокоэллиптических орбитах. Сюда отно­сятся всемирная система INTELSAT, а также несколько региональ­ных систем - европейская EUTELSAT, средневосточная ARABSAT и ряд других (все на геостационарных ИСЗ). В России (ранее в СССР) к этой же группе принадлежат системы на базе группиро­вок высокоэллиптических спутников «Молния» и геостационарных «Радуга», «Горизонт», «Стационар», «Луч», «Экспресс», «Экран», «Галс». На основе последних были реализованы национальная система спутниковой связи и вещания «Орбита» и международная система спутниковой связи «Интерспутник». Крупнейшим операто­ром спутниковой связи в России является Государственное пред­приятие «Космическая связь» (ГПКС). Оно владеет пятью Центрами космической связи (телепортами), через которые осуществляется выход на спутники перечисленных выше группировок. ГПКС вы­полняет функции международного оператора спутниковой связи и является официальным представителем России в «Интелсате» и «Евтелсате». К этой же группе можно отнести интенсивно разви­вающиеся системы VSAT (Very Small Aperture Terminals - термина­лы с очень малой апертурой антенны), предназначенные для биз­нес-связи и отличающиеся сравнительно портативными термина­лами с антеннами диаметром порядка 1...2 м, но требующие ис-

мый плоскостью орбиты и плоскостью экватора Земли Орбита с нулевым наклонени­ем называется экваториальной, ее плоскость совпадает с плоскостью экватора, орби­та с наклонением 90 градусов - полярная, движущийся по ней спутник проходит точно над полюсами Промежуточные орбиты называют наклонными, их наклонение лежит в пределах от 0 до 90 градусов Орбиты с большим наклонением, порядка 70 градусов и более, иногда называют приполярными.пользования высоконаправленных многолучевых антенн на борту ИСЗ.

Вторую группу в нашей условной классификации составляют системы мобильной связи на базе геостационарных и высокоэл­липтических ИСЗ. Здесь прежде всего необходимо упомянуть сис­тему INMARSAT (International Maritime Satellite Organization - Меж­дународная организация морской спутниковой связи), функциони­рующую с 1981 г. и использующую геостационарные спутники. Эта система помимо передачи сигналов аварийного оповещения обес­печивает мобильную связь, в основном на море, и имеет ряд мо­дификаций, в том числе:

- Inmarsat-A - телефонная и телексная связь; параболические антенны диаметром порядка 1 м, направляемые на ИСЗ; пе­редача речи - с аналоговой частотной модуляцией;

- Inmarsat-C - с 1991 г. - цифровая симплексная система пе­редачи данных с накоплением и последующим «сбросом»;

- Inmarsat-M - с 1992 г. - цифровая система с портативными терминалами (масса около 10 кг, включая антенну), только телефонная связь;

- Inmarsat Aero-H - с 1991 г. - цифровая система телефонной связи для использования в воздушной навигации;

, - Inmarsat-B - с 1993 г. - цифровая система, по назначению аналогичная Inmarsat-A, но более совершенная и сравни­тельно малогабаритная.

Россия (ранее СССР) активно участвовала в создании и ис­пользовании системы INMARSAT: был разработан комплекс спут­никовой связи «Волна», включая сеть судовых станций «Волна-С», которые выходили на связь с абонентами на территории страны через соответствующие каналы ИСЗ «Горизонт». К этой же группе принадлежат североамериканская система OmmTRACKS (передача данных и определение местоположения), западноевропейская EU-TELTRACKS (те же функции), австралийская Mobilesat (фиксированная и мобильная связь, передача речи, данных и фак­са), российская «Сокол» - все на геостационарных ИСЗ, а также разрабатываемая в России система «Марафон» с высокоэллип­тическими спутниками «Маяк», предназначенная в первую очередь для связи в высоких широтах.

К третьей группе мы отнесем системы подвижной связи на базе больших низкоорбитальных (LEO) и среднеорбитальных (МЕО) спутников с круговыми (реже - эллиптическими) орбитами. Разработка таких систем, рассчитанных на широкое коммерческое применение с использованием портативных (ручных) терминалов с ненаправленной антенной, не требующих, следовательно, слеже­ния за ИСЗ, началась в самом конце 80-х годов, и ни одна из сис­тем пока не запущена, но масштабы и степень продвинутое™ ра­бот не оставляют сомнения в том, что по крайней мере некоторые из систем будут доведены до этапа эксплуатации, как и было за­думано. Возможность реализации таких систем в значительной мере обязана развитию технологии, в частности совершенствова­нию элементной базы и миниатюризации электронных устройств. Из числа систем этой группы можно отметить проекты США IRID- ! IUM, GLOBALSTAR, ODYSSEY, INMARSAT-P (все с круговыми орби­тами), ELLIPSO (с эллиптическими орбитами), ARIES (с полярными орбитами), TELEDESIC (в системе предполагается использовать очень большое число спутников - 840), а также российские «Коскон», «Паллада», «Сигнал». В большинстве своем эти системы предусматривают также определение местоположения мобильных терминалов. В силу ряда причин системы этой группы представ­ляют значительный практический интерес, и на некоторых из них мы подробнее остановимся ниже. В частности, благодаря мень­шим высотам орбит они энергетически выгоднее, чем геостацио­нарные и высокоэллиптические. По той же причине задержка сиг­нала в них в большинстве случаев не превышает 100 мс, что впол­не приемлемо для организации двусторонней телефонной связи в реальном времени. Для сравнения: в геостационарных системах задержка достигает 250...270 мс, что считается недопустимым, так как приводит к заметному дискомфорту при телефонной связи.

Наконец, четвертая группа объединяет системы на основе малых низкоорбитальных (LEO) ИСЗ, предназначенные для работы в режиме электронной почты вне реального времени при малых скоростях передачи информации, т.е. для передачи данных с на­коплением и последующим «сбросом», с задержкой во времени до нескольких часов. К этой группе относятся проекты США ORBCOM, STARNET, LEOSAT, итальянский проект TEMICON и российские «Гонец», «Курьер». Эти системы во многих случаях также обес­печивают определение местоположения абонентов.

Таким образом, как это видно из приведенных примеров, спутниковая связь вообще и подвижная спутниковая связь в частности - достаточно самостоятельные и весьма обширные об­ласти, со своей историей, своими техническими проблемами и достижениями, с большим числом участвующих в ее развитии и использовании национальных и международных компаний и орга­низаций. Более или менее полное описание систем подвижной спутниковой связи далеко выходит за пределы возможностей на­стоящего издания, и требует отдельной книги или даже нескольких книг. Поэтому мы ограничимся в дополнение к уже приведенному обзору несколько более подробным описанием четырех систем -IRIDIUM, GLOBALSTAR, ODYSSEY, INMARSAT-P (ICO) [173, 84, 7, 129 и др.]. Выбор именно этих систем, место которых среди дру­гих систем спутниковой связи ясно из предшествующего изложе­ния, обусловлено продвинутостью их разработки и известной кор-релированностью с системами сотовой связи, как по некоторым техническим особенностям построения, так и по возможностям применения, и ниже мы постараемся пояснить это подробнее.

В табл. 4.1 представлена сводка основных характеристик указанных четырех систем. Из данных таблицы видно, что все четыре системы используют ИСЗ на круговых орбитах, но две из них, IRIDIUM и GLOBALSTAR, - на низких орбитах 780 и 1400 км, адве, ODYSSEY и ICO, - на средних 10350 км. Соответственно, су­щественно отличается и число используемых спутников: 48...66 -на низких орбитах и 10...12 - на средних, причем вторые значительно больше и тяжелее первых.

Таблица 4.1. Сводка характеристик четырех систем мобильной спутниковой связи

Система

IRIDIUM

GLOBALSTAR

ODYSSEY

ICO

(INMARSAT-P)

Компания

Motorola

Loral/Qualcomm

TRW

ICO Global

Тип орбиты ИСЗ

Круговая (LEO)

Круговая (LEO)

Круговая (MEO)

Круговая (MEO)

Высота орбиты, км

780

1400

10350

10350

Наклонение орбиты, град

86

52

50

45

Число орбит/общее число ИСЗ

6/66

8/48

3/12

г/ю

Масса ИСЗ, кг

700

450

2000

2000

Наличие связи между ИСЗ системы (частотный диапа­зон)

Есть (23,18...23,38 ГГц)

Нет

Нет

Нет

Преобразование сигналов на борту ИСЗ

С обработкой сигналов

Прямая ретранс­ляция

Прямая ретрансляция

Прямая ретрансляция

Число наземных узловых станций

12

150

7

12

Частотные диапазоны, МГц. фидерные линии связи

- Земля - спутник

- спутник - Земля пользовательские линии связи

- Земля - спутник

- спутник - Земля

29100...29300 19400... 19600

1616...1626,5 1616 .1626,5

5091 5220 6875,95...7052,9

1610 ...1626,5 2483,5 . 2500

29100 ..29400 19300...19600

1610,0...1626,5 2483,5...2500,0

5150 .5250 6975...7075

1980...2010 2170.. 2200

Тип множественного досту­па

TDMA/FDMA

CDMA

CDMA

TDMA

Область обслуживания по широте

Без ограничений

70 гр. ю. ш. -70 гр. с. ш.

Без ограничений

Без ограничений

Абонентский терминал: мощность передатчика,

Вт масса, г

примерная стоимость, долл.

9

700 2000

0,4 350 700

0,5

9

500...700

1

750 500...1000

Ориентировочный тариф­ный план:

ежемесячная абонент­ская плата, долл. оплата одной минуты эфирного времени, долл.

50 2

9

0,47

20 0,6...1,0

9

1...2

Срок ввода в эксплуата­цию, г.

1998

1998 (частично)

2001 (с 6 ИСЗ)

1999/2000

Стоимость системы, млрд. долл.

3,5

2,5

3,2

2,6

Используемый тип множественного доступа - TDMA и CDMA, по две системы, - не связан с высотой орбиты. Все четыре систе­мы в общем соизмеримы по стоимости, срокам создания и ряду других показателей, но в то же время существенно различаются по принципам построения и многим техническим характеристикам. На этих различиях мы сейчас и остановимся и попутно рассмотрим основные принципы построения систем такого типа.

Система IRIDIUM начала разрабатываться компанией Motorola (США) в 1989 г.; в 1993 г. был организован международ­ный консорциум с участием ряда других компаний. Система назва­на по имени элемента иридия, атом которого имеет электронную оболочку из 77 электронов, так как первоначально в системе IRIDIUM предполагалось иметь 77 спутников, но позднее это число было изменено на 66. Как и три другие рассматриваемые системы, IRIDIUM предоставляет мобильным абонентам услуги передачи речи, факса, данных, персонального радиовызова и определения местоположения. Связь осуществляется с ручного абонентского терминала с ненаправленной антенной, который напоминает тер­миналы сотовых систем, но больше последних по размеру, массе, стоимости и потребляемой мощности. Для связи абонентского терминала со спутником служит пользовательская линия связи {user link), в отличие от фидерных '(магистральных) линий связи (feeder links), используемых для связи ИСЗ с наземными станция­ми управления и узловыми (шлюзовыми, региональными, базовы­ми) станциями (gateways); через последние обеспечивается выход в наземные стационарные сети - выделенные сети, сети общего пользования (PSTN), цифровые сети с интеграцией услуг (ISDN). Особенностью пользовательских линий связи системы IRIDIUM яв­ляется то, что в обоих направлениях (Земля - спутник и спутник -Земля) в них используется одна и та же полоса частот с разнесе­нием информации прямого и обратного каналов во времени - дуп­лексная связь с временным разделением (Time Division Duplex, TDD). При этом в канале Земля - спутник используется метод множественного доступа с разделением по частоте (FDMA), а в канале спутник - Земля - с разделением во времени (TDMA).

Уникальной особенностью системы IRIDIUM является на­личие прямых линий связи между спутниками системы: каждый спутник может одновременно связаться с четырьмя другими спут­никами - двумя на той же орбите (соответственно по одному «впереди» и «сзади» относительно рассматриваемого) и по одному на двух смежных орбитах. Это позволяет организовать связь меж­ду двумя мобильными абонентами напрямую через систему спут­ников, без промежуточных выходов в наземные сети связи, но приводит к соответствующему усложнению аппаратуры на борту ИСЗ, которой приходится, в частности, производить обработку пе­редаваемых сигналов. Еще одной уникальной особенностью сис­темы является использование спутников на приполярных орбитах, что позволяет обеспечить связью всю без исключения поверхность Земли. Три другие системы используют орбиты с наклонениями

45...50 град. В результате низкоорбитальная система GLOBALSTAR в полярных районах связь не обеспечивает, а среднеорбитальные ODYSSEY и ICO обеспечивают, но при меньших углах места.

Антенная система пользовательской линии связи на борту ИСЗ формирует систему пространственных лучей, направленных на Землю - всего 48 лучей, покрывающих зону, обслуживаемую одним спутником, диаметром около 4500 км. В смежных лучах ис­пользуются разные рабочие частоты, а для разнесенных по угло­вым направлениям лучей значения частот повторяются, т.е. для рационального использования частотного ресурса применяется тот же принцип повторного использования частот, что и в сотовой связи. При движении спутника неподвижный абонент на поверхно­сти Земли находится в пределах «следа» (footprint) одного луча примерно в течение двух минут. Поэтому в необходимых случаях производится передача обслуживания абонента из одного луча в другой или даже от одного ИСЗ системы к другому без прерыва­ния сеанса связи, аналогично тому, как это делается в системах сотовой связи.

Вывод на орбиту спутников системы IRIDIUM был начат в мае - июне 1997 г. и должен быть завершен в 1998 г., так чтобы к концу 1998 г. начать полномасштабную эксплуатацию системы. Планируемая емкость системы в первые годы ее эксплуатации -около 1 миллиона абонентов.

Система GLOBALSTAR разрабатывается с 1991 г. междуна­родным консорциумом, в качестве ведущих в котором обычно вы­деляют компании Loral и Qualcomm (США). 48 спутников системы располагаются на шести круговых орбитах высотой 1400 км с на­клонением 52 град.; при этом для любой точки территории США обеспечивается возможность одновременного наблюдения двух спутников. Для сравнения: система IRIDIUM рассчитана на одно-спутниковое покрытие обслуживаемых территорий. Спутники сис­темы GLOBALSTAR легче и проще по устройству, чем в системе IRIDIUM, и на борту не предусмотрено обработки сигналов; ИСЗ выполняют роль ретрансляторов с преобразованием частоты. Число лучей в многолучевой связке, формируемой антенной сис­темой пользовательской линии связи на борту спутника, равно 16; диаметр соответствующей зоны обслуживания на поверхности земли около 6000 км. Поскольку прямая связь между спутниками системы отсутствует, наземные узловые станции участвуют и в организации связи между подвижными абонентами, за ис­ключением тех ситуаций, когда оба абонента, устанавливающие связь друг с другом, оказываются в зоне действия одного и того же ИСЗ системы. Соответственно на узловые станции здесь ло­жится существенно большая нагрузка, чем в системе IRIDIUM, и число узловых станций в системе GLOBALSTAR значительно боль­ше. Использование метода множественного доступа с кодовым разделением сигналов (CDMA) в исполнении компании Qualcomm обусловливает заметную корреляцию в построении каналов связи и методах обработки сигналов со стандартом IS-95 сотовой связи

 (функции Уолша, «короткая» и «длинная» псевдослучайные после­довательности, пилот-сигнал, каналы синхронизации, вызова и трафика, использование одной и той же полосы частот во всех лучах многолучевой связки и т.п.). Хотя разработка системы GLOBALSTAR была начата примерно одновременно с системой IRIDIUM и первая проще (или, во всяком случае, дешевле) второй, ввод ее в эксплуатацию, по-видимому, будет осуществлен на год или два позднее.

Система ODYSSEY, разрабатываемая компанией TRW (США), использует 12 спутников на средневысотных круговых орбитах с наклонением 50 град. Как и в системе GLOBALSTAR, спутники здесь являются только ретрансляторами с преобразованием частоты, и связь организуется через наземные узловые станции. Число последних, однако, значительно меньше, чем в системе GLOBALSTAR, так как большая высота орбит ИСЗ позволяет об­служивать с одного спутника значительно большие территории. Многолучевая связка антенной системы пользовательской линии связи на борту ИСЗ состоит из 19 лучей. Отличительная особен­ность системы ODYSSEY - квазистатическое расположение следов лучей на поверхности Земли. Во-первых, лучи устанавливаются преимущественно в направлении суши и наиболее активно ис­пользуемых участков акватории океана. Во-вторых, по мере дви­жения ИСЗ по орбите ориентация лучей корректируется таким об­разом, чтобы сотовая структура, образуемая следами лучей на поверхности Земли, оставалась неподвижной, и только при уходе спутника за радиогоризонт (раз в 1...2 ч) производится пере­ключение зон обслуживания на другой спутник. В результате пе­редача обслуживания, в том виде как это приходится осуществлять в низкоорбитальных системах IRIDIUM и GLOBALSTAR, произво­дится достаточно редко. Ввод в эксплуатацию системы ODYSSEY планируется еще позднее, чем ввод системы GLOBALSTAR. Отме­тим, что корректный перевод названия ODYSSEY на русский язык -ОДИССЕЯ, хотя его произношение по-английски близко к «Одиссей», с главным ударением на первом слоге.

Система ICO, первоначально носившая название Inmarsat-P, начала разрабатываться позднее остальных - в 1994 г. по инициа­тиве консорциума INMARSAT. В 1995 г. для реализации проекта была создана дочерняя компания ICO Global Communications со штаб-квартирой в Лондоне. Название ICO является сокращением от Intermediate Circular Orbit - промежуточная круговая орбита. В первоначальных вариантах проекта рассматривались и другие ва­рианты орбит. В системе ICO используется 10 спутников на двух средневысотных круговых орбитах с наклонением 45 град. Спутни­ки, как и в системах GLOBALSTAR и ODYSSEY, выполняют функции ретрансляции без обработки сигналов, и для организации связи используются наземные узловые станции, число которых, как и в системе ODYSSEY, сравнительно невелико. Несмотря на относи­тельно поздний старт, разработка системы ведется очень интен­сивно, в чем помогает, по-видимому, опыт работы с системой

INMARSAT. Первые запуски спутников системы ICO планируются на 1998 г., ввод системы в эксплуатацию - частично в 1999 г. и полностью в 2000 г.

Таким образом, системы мобильной спутниковой связи ста­новятся реальностью. Имеются все основания полагать, что на ру­беже тысячелетий мобильная спутниковая связь станет если и не столь же распространенной, как сотовая связь сегодня, то, во вся­ком случае, не менее известной и практически всюду доступной. В настоящее время представляются актуальными следующие облас­ти применения мобильной спутниковой связи:

- расширение сотовых сетей (cellular extension): использова­ние спутниковой связи вместо сотовой в тех районах, где последней пока нет или ее развертывание нецелесообразно, например, из-за низкой плотности населения;

- дополнение сотовых сетей (cellular complement): использо­вание спутниковой связи в дополнение к существующей со­товой, например, для обеспечения роминга при несовмес­тимости стандартов или в каких-либо чрезвычайных ситуа­циях;

, - стационарная беспроводная связь (fixed wireless), например, в малонаселенных районах при отсутствии проводной связи. Тем самым спутниковая связь не выступает в качестве кон­курента сотовой, а достаточно органично сочетается с последней. Практически во всех системах мобильной спутниковой связи пре­дусматривается довольно высокая степень интеграции с сотовой связью; в частности, помимо абонентских терминалов, предна­значенных для спутниковых систем, предполагается создание двухрежимных терминалов, предназначенных для работы как в спутниковой системе, так и в каком-либо из сотовых стандартов. К возможностям сочетания различных видов мобильной связи, в том числе спутниковой, мы еще вернемся в разделе 6, где рассмотрим и некоторые дополнительные аспекты этой проблемы.