Мы уже успели привыкнуть к тому, что широкополосные услуги доступа в Интернет и современные мультимедийные сервисы относятся к гражданскому сектору, однако в наши дни эти технологии начинают входить в жизнь армии и флота России. И здесь перед нашими военными специалистами возникают довольно сложные задачи, связанные с необходимостью создания комплексов спутниковой связи, способных обеспечивать кораблям и судам флота предоставление широкополосного доступа к сети Интернет и мультимедийным услугам с использованием отечественных космических группировок и сотовой сети стандарта GSM (3G/4G).
На сегодняшний день доступ абонентов на кораблях и судах России к широкополосным мультимедийным услугам осуществляется в основном за счет международных систем спутниковой связи, хотя если говорить прямо, то речь идет в первую очередь о двух американских глобальных системах – «Инмарсат» (Inmarsat) и «Интелсат» (Intelsat). Ключевые особенности систем спутниковой связи подробно описаны в прилагаемых к настоящей статье источниках [1-6].
Что же касается американской низкоорбитальной спутниковой системы Orbcomm и российской «Гонец», то они не располагают глобальным покрытием земного шара и используются только для периодической связи и пакетной передачи данных.
Комплексы спутниковой системы
Если говорить об имеющихся сегодня терминалах, то наиболее близким по решению технической проблемы является cтанция спутниковой связи контейнерного исполнения [7], состоящая из комплекса цифровой связи, спутниковой системы связи типа «Инмарсат», сети Интернет, программного обеспечения.
К сожалению, cтанция связи контейнерного исполнения не в состоянии обеспечивать предоставление широкополосного доступа к сети Интернет и мультимедийным услугам с использованием отечественных космических группировок и сотовой сети стандарта GSM (3G/4G).
Обеспечение возможности предоставления российским абонентам сети спутниковой связи широкополосных мультимедийных услуг осуществляется за счет того, что земная станция спутниковой связи Ku-диапазона построена по модульному принципу с использованием стандартных протоколов. В цифровой комплекс спутниковой системы связи входят: земная станция спутниковой связи Ku-диапазона, навигационная система GSM, маршрутизатор линии высокоскоростной передачи данных (ЛВПД), коммутатор Ethernet KDGL, автоматизированное место оператора, мультисвитч.
Модульный принцип построения станции
Земная станция спутниковой связи Ku-диапазона построена по модульному принципу с использованием стандартных протоколов, и в ней применен вариант антенной системы исполнения SOTM 0,6 м, предназначенной для обеспечения связи в движении (Satcom-On-The-Move) при работе станции через космические аппараты (КА), расположенные как на геостационарной орбите (здесь речь идет о российских КА серий «Ямал» и «Экспресс»), так и на высокоэллиптических орбитах типа «Молния» или «Тундра».
Станция спутниковой системы связи соединена с маршрутизатором Ethernet ЛВПД и мультисвитчем, который, в свою очередь, соединен с автоматизированным рабочим местом, причем маршрутизатор соединен с коммутатором Ethernet KDGL, к которому подключены IP-телефония, Ethernet (ЛВПД) и ВКС.
Станция «Инмарсат» по электромагнитному полю соединена со американским спутником «Инмарсат» или с российскими «Экспресс» или «Ямал», которые соединены сетью Интернет [8].
На рис. 1 представлена блок-схема цифрового комплекса спутниковой системы связи. Комплекс спутниковой системы связи включает в себя: комплекс цифровой связи (КЦС) 1, спутниковую систему «Инмарсат» 9, спутниковую систему «Экспресс»/«Ямал» 10, сеть Интернет 11.
В комплекс цифровой связи (КЦС) 1 входят: земная станция спутниковой связи Ku-диапазона 2, навигационная система ГЛОНАСС/GPS 3, маршрутизатор ЛВПД 4, коммутатор Ethernet KDGL 5, мультисвитч 6, автоматизированное рабочее место оператора 7, программное обеспечение 8.
Рис. 1. Блок-схема цифрового комплекса спутниковой системы связи
Комплекс цифровой связи
Земная станция спутниковой связи Ku-диапазона предназначена для организации видеоконференцсвязи, высокоскоростного доступа в сеть Интернет, IP-телефонии, а также для приема спутникового телевидения в Ku-диапазоне. При этом скорость передачи сообщений достигает 2 Мбит/с, что подтверждается соответствующими расчетами.
Станция построена по модульному принципу с использованием стандартных протоколов, что позволяет осуществлять ее модернизацию по частям, а значит, с меньшими затратами, обеспечением преемственности и унификации.
Навигационная система предназначена для осуществления приема сигналов ГЛОНАСС/GPS, формирования и выдачи потребителям (средствам связи кораблям, судам) навигационных параметров движения, привязанных ко времени.
Навигационная система КЦС строится методом комплексирования бесплатформенной инерциальной навигационной системы (БИНС-501) и угломерной системы, работающей на основе приема навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS.
Маршрутизатор ЛВПД обеспечивает:
- прием и передачу данных в виде IP-трафика, поступающего от абонента локальной сети 10/100 Fast Ethernet;
- подсоединение до семи внешних источников данных (каналов), подключенных по сети 10/100 Fast Ethernet, в том числе: наземной магистральной каналообразующей аппаратуры, модемов 3G/4G, станции спутниковой связи VSAT и другой каналообразующей аппаратуры, имеющей сходные параметры;
- ретрансляцию данных абонентов локальной сети через несколько выбранных каналов в режиме дублирования;
- получение данных через каналы, устранение искусственного дублирования информации и последующую ее пересылку абонентам локальной сети;
- передачу данных протоколов TCP, UDP, ICMP, а также других IP-протоколов.
Коммутатор Ethernet KDGL линии высокоскоростной передачи данных предназначен для коммутации необходимого числа ее каналов. Мультисвитч обеспечивает прием полезного сигнала не менее чем на шести оконечных устройствах.
Управление и контроль работы КЦС осуществляются с автоматизированного рабочего места оператора при помощи специально разработанной программы. Комплекс цифровой связи позволяет производить подключение нескольких источников Ethernet (не менее двух станций спутниковой связи, GSM-связи, других внешних источников Ethernet).
Пример расчета радиолинии
Для примера произведем типовой расчет радиолинии системы спутниковой связи.
Диапазон частот: на передачу — 14 500 МГц; на прием — 10 950 МГц. Эквивалентный диаметр антенны АЗС Ku-диапазона D = 0,6 м. Коэффициент усиления на передачу (на нижней частоте 14 500 МГц) Купрд азс = 36,8 дБ. Коэффициент усиления на прием (на нижней частоте 10 950 МГц) Купрм азс = 34,9 дБ. Коэффициент усиления на прием антенны БРК Купрм азс = 27 дБ. Расстояние до спутника R = 39 197 км. Отношение сигнал/шум на входе приемник БРК q = 14 дБ (обусловлено битовым энергетическим соотношением и видом модуляции). Суммарная шумовая температура Тш = 500 ºК, в которую входят:
- температура, обусловленная приемом космического радиоизлучения;
- температура, обусловленная излучением атмосферы с учетом дождя;
- температура, обусловленная приемом излучения земной поверхности через боковые лепестки диаграммы направленности антенны.
Для расчета мощности передатчика АЗС воспользуемся основным энергетическим соотношением
(1)
где — потери, обусловленные затуханием энергии сигнала при распространении в свободном пространстве;
Z = lf — длина волны линии «вверх»;
R — расстояние между передающей антенной ЗС и приемной антенной космического аппарата;
с = 3∙108 м/с — скорость света в вакууме;
Lдоп — потери, вызванные затуханием сигнала в дожде LД, а также включающие в себя поляризационные потери Lп и потери на неточность наведения LH (находятся из графиков, показанных на рис. 2);
LПр.фКА — потери в передающем фидерном тракте КА;
Рис. 2. Поляризационные потери и потери на неточность наведения
LПрд. ЗС — потери в передающем фидерном тракте ЗС;
Тш — эквивалентная шумовая температура приемного тракта, которая приводится к входу малошумящего блока и определяется собственной шумовой температурой малошумящего блока, эквивалентной шумовой температурой антенны и потерями в фидерном тракте.
Учитывая, что мощность на входе приемника космического аппарата неизвестна, ее можно выразить через мощность шума Рпр.ка = kTmq Д f >,
где q — требуемое отношение сигнал/шум;
Д f = 2 МГц — шумовая полоса частот;
k = 1,38∙10—23 Дж/К — постоянная Больцмана.
Согласно результатам расчетов по формуле (1) минимальная мощность передатчика АЗС должна составлять не менее 112 Вт.
Однако испытания станции спутниковой связи показали, что при излучаемой мощности передатчика 15 Вт пропускная способность антенной системы SOTM составила менее 5 Мбит/с (вероятность ошибки 6,92∙10—9) и менее 2,5 Мбит/с в режиме Carier in Carier (вероятность ошибки 5,39∙10—8).
Анализ полученных результатов показывает, что даже в условиях «ясного неба» при излучаемой мощности 30 Вт (ЭИИМ 52 дБВт) скорость передачи может достигать не более 10 Мбит/с. При требованиях к коэффициенту готовности Кг к началу связи не менее 0,995 (работы при осадках) и без превышения пороговых значений спектральной плотности мощности (СПМ) на ретрансляторе реальная достижимая скорость передачи в направлении центральной станции снизится не менее чем на 1 Мбит/с.
Заключение
Предложенный комплекс цифровой связи для обеспечения широкополосного доступа к мультимедийным услугам абонентов на российских кораблях и судах обладает всеми возможностями для использования не только уже имеющихся на сегодняшний день ресурсов космических аппаратов, расположенных на геостационарной орбите, но и перспективных российских спутников, которые, как ожидается, будут выведены на высокоэллиптические орбиты типа «Молния» или «Тундра».
В связи с этим особенно важно отметить, что использование ресурса новых космических аппаратов на ВЭО позволит обеспечивать доступ абонентов к мультимедийным услугам при нахождении российских кораблей и судов в арктических широтах.
Литература
- Кириллов В., Михеев П. Обзор зарубежных низкоорбитальных спутниковых систем связи. М.: ТЕЛЕ-Спутник, 1997, № 8 (22).
- Panagiotarakis N., Maglogiannis I., Kormentzasan G. Iridium и Overview of Major Satellite Systems. University of the Aegean Dept, of Information and Communication Systems. GR-83200, Karlovassi, 2009.
- Низкоорбитальная спутниковая система связи ORBCOMM: реальные и перспективные возможности для европейского региона (http://kunegin.narod.ru/ref3/niz/leo 16.htm).
- Низкоорбитальная система пакетной передачи данных и диспетчерской телефонной связи», МПК (2006/1) LI04B 7/185. Патент РФ № 65703.
- Low Earth Orbit Satellite Providing Navigation Signals. Патент US № 7579987, принадлежащий The Boeing Company, Int. Cl. GO IS 1/00 (2006.01).
- Данелян А. Низкоорбитальная спутниковая связь системы «Гонец» – проблемы и перспективы. М.: Мир связи, 2007.
- Станция спутниковой связи контейнерного исполнения. Патент РФ № 2455769, 2008.
- Катанович А.А., Цыванюк В.А. и др. Цифровой комплекс спутниковой системы связи. Заявка на изобретение № 216108050 от 04.03.2016 г.
