Дослідження технічних характеристик та алгоритмів роботи супутникової мобільної системи зв’язку стандарту ICO

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

1

ФРК3.091.011.013 ЛР2

 Розроб.

Налужний О.В.

 

 Перевір.

Химич Г.П.

 

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Затверд.

 

 

Система зв’язку ICAO

Літ.

Аркушів

10

ТНТУ гр.РТ-51

Змн.

Арк.

№ докум.

Підпис

Дата

Арк.

 

ФРК3.091.011.013 ЛР2

Зміст

1. Історія створення системи - історія компанії ICO    2
2. Частотне забезпечення         3
3. Космічний сегмент         3
4. Наземний сегмент і організація зв'язку      5
5. Термінали користувача         6
6. Послуги системи IСО         7
7. Порівнянн характеристик систем зв’язку      8

Перелік використаних джерел       10

 

1. Історія створення системи - історія компанії ICO

У 1989 р. в рамках компанії Inmarsat була утворена спеціальна група, що отримала назву "Проект XXI століття". Завданням групи було вивчення можливостей мобільного супутникового зв'язку для подальшої розробки малогабаритного персонального супутникового терміналу. Ще до початку проектування системи був проведений ряд досліджень з метою прогнозування потреб клієнтів, пошуку шляхів їх задоволення і вибору послуг, на які передбачається найбільший попит.

На  підставі результатів цих досліджень було прийнято рішення побудувати систему ICO на базі супутників, розташованих на середньовисотних орбітах. На думку розробників, таке рішення значно знизить рівень технічного ризику, так як припускає використання відпрацьованих, а отже, перевірених технологій. Крім того, управляти середньовисотними орбітальними угрупованнями простіше, ніж низькоорбітальними. Завдяки збільшенню робочих кутів видимості і числа КА, що одночасно знаходяться в зоні обслуговування, система забезпечить більш високі характеристики обслуговування. При цьому зона обслуговування розшириться, а термін служби КА зросте до 12 років. У той же час вибір середньовисотних орбітальної угруповання, на відміну від геостаціонарній, дозволить отримати прийнятну затримку при проведенні сеансів зв'язку.

Надалі  з'ясувалося, що в рамках системи Inmarsat недоцільно реалізовувати концепцію  використання глобальної супутникової мережі для мобільного персонального зв'язку. По-перше, довелося б перетворити Inmarsat зі змішаної державно-комерційної структури в чисто комерційну організацію. По-друге, треба було б змінити профіль організації, переорієнтувавши її на надання послуг для широкої категорії неспеціалізованих користувачів. У січні 1995 р. була створена нова компанія IСО Global Communications (штаб-квартира в Лондоні) - приватна фірма-оператор послуг рухомого персонального зв'язку.

 

 

2. Частотне забезпечення

Система ICO використовує для зв'язку L-і C-діапазони частот, підтримуючи цифрову обробку сигналу на борту супутника. В якості базової технології визначено метод багатостанційного доступу з тимчасовим поділом каналів (TDMA).

При визначенні оптимальних смуг частот для абонентських ліній зв'язку були розглянуті кілька варіантів. Бралися до уваги наступні міркування. Діапазон 1,5 / 1,6 ГГц, широко використовуваний для рухомих супутникових служб (РСС), очевидно, виявиться надмірно перевантаженим, що сильно обмежить потенціал служб ICO. Діапазон 1,6 / 2,4 ГГц, виділений службі РСС на Всесвітній адміністративної конференції з радіозв'язку (WARC-92), загрожує серйозними проблемами координації з іншими службами, які застосовують цей діапазон, наприклад для фіксованого наземного зв'язку; крім того, США мають намір використовувати його для національних систем.

Нарешті, були обрані наступні діапазони: "термінал-супутник" - діапазон 1980-2010 МГц, "супутник-термінал" - 2170-2200 МГц.

Для організації зв'язку між КА і вузловими  станціями призначені фідерні лінії. Для їх роботи Всесвітня конференція по радіозв'язку WRC-95 рекомендувала діапазон 5/7 ГГц ("вузлова станція-супутник" діапазон 5150-5250 МГц, "супутник-вузлова станція" - 6975-7075 МГц).

 

3. Космічний сегмент

Система ICO складається з космічного, наземного  і користувальницького сегментів. Космічний сегмент буде включати в себе 12 КА (10 робітників і 2 резервних), запущених на кругову орбіту висотою 10 355 км над поверхнею Землі. Початкова маса супутника - 2750 кг, розрахунковий період експлуатації - 12 років. Супутники передбачається розмістити в двох ортогональних площинах, по 6 КА в кожній. Кут нахилу орбіти до площини екватора складає 450.

Таке орбітальне угруповання забезпечить глобальний охоплення поверхні Землі, в тому числі полярних районів. Внаслідок перекриття зон охоплення в межах видимості кожної точки зони обслуговування будуть одночасно перебувати два-чотири КА. Один супутник зможе обслуговувати приблизно 25% поверхні Землі (рис. 1).

Рисунок 1 - Діаграма миттєвої зони покриття поверхні Землі системою ICO при використанні 10 КА

 

Тривалість  обслуговування абонентів визначається наступними величинами:

• часом прольоту одного супутника над зоною обслуговування;
• середнім часом, що витрачається на перемикання абонента з заходящого за горизонт КА на висхідний КА;
• тривалістю встановлення з'єднання, що визначається схемою організації зв'язку.

Середня тривалість обслуговування абонентів  складе 50 хв; максимальний час перебування  одного КА в зоні радіовидимості може досягати 1,5-2 год.

В системі ICO застосовані, головним чином, уже відомі і перевірені технічні рішення. Для виготовлення супутників планується використовувати супутникову платформу НS-601 корпорації Hughes Sрасе and Communications (США), що застосовується для створення великогабаритних супутників на геостаціонарній орбіті. У конструкцію передбачається внести ряд змін, зокрема переробити програму орієнтації бортових антен і панелей сонячних батарей, встановити спрощені рухові установки.

Щоб виключити взаємовплив трактів  прийому та передачі, на КА застосовуються роздільні антени для кожного діапазону частот. Антена L-діапазону буде мати діаметр 2 м. Використання багатопроменевої діаграмоутворюючої схеми забезпечує багаторазове призначення частот. Згідно з проектом, в системі ICO для прийому/передачі служать 163 роздільних променя (запас з енергетики складе 8-10 дБ); зона обслуговування одного КА - приблизно 7 тис.км. Супутники до встановлених на них ретрансляторами С-і S-діапазонів зможуть одночасно підтримувати 4500 телефонних каналів.

В системі ICO не передбачена бортова  обробка сигналу в повному  обсязі. Однак управління призначенням частот і маршрутизація сигналу здійснюються за допомогою бортового процесора.

Застосування  арсенід-галієвих батарей забезпечить  в кінці експлуатації споживану  потужність 8700 Вт У попередній список ракетоносіїв, які будуть виробляти запуск супутників системи ICO, потрапили Atlas IIA, Delta III, "Протон" і "Зеніт" (для запуску з морських майданчиків

 

4. Наземний сегмент і організація зв'язку

До  складу наземного сегмента входять  центр управління супутникової угрупованням SCC (Satellite Control Centre), центр управління наземної мережею (Network Management Centre) і  наземна мережа ICONET (ICO network).

NMS, центр управління наземної мережею  ICONET, передбачається розмістити в Японії, а центр SCC - в Лондоні. У функції останнього будуть входити підтримку орбітального угрупування в працездатному стані, збір телеметричних даних про окремі підсистемах КА, контроль робочих параметрів і ін Служби SCC несуть відповідальність за запуск КА, управління і перерозподіл частот між променями КА.

Супутникові канали підключаються до існуючих мереж  зв'язку через власну мережу ICONET, яка на першому етапі впровадження буде складатися з 12 наземних станцій - так званих супутникових вузлів доступу SAN (Satellite Access Node). Вузли SAN служать "шлюзами" між супутниками IСО і абонентами наземних мереж загального користування. Магістральні канали з високою пропускною здатністю пов'язують вузли між собою.

Фактично, вузол SAN повинен забезпечити первинний  інтерфейс з супутниками ICO, необхідний для маршрутизації трафіку та надання даних про місцезнаходження абонентів. Він оснащений п'ятьма антенами супутникового зв'язку діаметром 8 м, комутаційним обладнанням та обчислювальними засобами, необхідними для створення баз даних і управління мережею. В даний час до розробки супутникових вузлів доступу SAN та обладнання центру управління мережею приступили компанії NEC (Японія), Hughes Network Systems (США) і Ericsson (Швеція).

Зв'язок між абонентами (як і в існуючій системі Inmarsat) організується тільки через вузли SAN; безпосередній зв'язок абонентів не підтримується. Радіотелефонний термінал ICO працює в двох режимах - через КА системи ICO або наземні базові станції стільникового зв'язку - і сумісний з основними стандартами. Для зв'язку з рухомими об'єктами намічено застосовувати спеціальні термінали.

 

5. Термінали користувача

В супутниковій мережі ICO в якості базового буде використовуватися портативний дворежимний термінал, поєднаний зі стільниковим телефоном стандарту GSM (або CDMA, D-AMPS, PDC). Передбачається також розробка однорежимного радіотелефонного терміналу, що працює тільки через КА системи ICO. Основні характеристики базового терміналу: маса - менше 750 г, об'єм - близько 500 см3, вартість - 750-1500 дол.

Портативний радіотелефонний термінал ICO буде відповідати  всім вимогам безпеки, пов'язаних з роботою в ВЧ-діапазоні. Середня потужність передавача не перевищить 0,25 Вт (для порівняння: потужність стільникових радіотелефонів дорівнює 0,25-0,6 Вт).

На  основі технології, яка використовується в базовому терміналі, можуть бути створені різні модифікації абонентських терміналів. Це, наприклад, термінал тільки для передачі даних, термінали в автомобільному, морському і повітряному виконанні, напівстаціонарні ("сільський таксофон") і стаціонарні, а також не обслуговуються (SCADA unit) термінали. Компанія ICO уклала угоду на розробки 3 млн портативних терміналів з трьома провідними компаніями - Panasonic, NEC і Mitsubishi. Їх виготовлення повинно розпочатися найближчим часом.

 

6. Послуги системи IСО

Користувачам  будуть надані такі види послуг: двосторонній мовний зв'язок, передача факсимільних повідомлень групи 3, передача даних зі швидкістю 2,4 кбіт / с. Якість мовного зв'язку відповідає стандарту GSM для стільникових мереж. Передбачаються і пейджинговий зв'язок з глибоким проникненням (тобто з великим запасом по енергетиці каналу), а також додаткові послуги - мовного виклику, зв'язок з оплатою по кредитній картці, відображення номера абонента на вбудованому в термінал індикаторі, визначення місця розташування абонента. При відсутності КА в межах прямої видимості плануються оповіщення абонентів про виклик, про наявність повідомлення електронної пошти і відображення на дисплеї номера абонента.

П'ять основних областей застосування системи ICO:

• розширення спектру послуг для абонентів супутникового зв'язку в районах, вже охоплених стільниковими мережами;
• рухома зв'язок загального користування через портативні радіотелефонні термінали в районах, не охоплених стільниковим зв'язком або використовують несумісні стандарти;
• спеціалізована рухома зв'язок для вантажних перевезень, а також забезпечення автомобільної, морської та повітряної зв'язку;
• полуфіксованний зв'язок для корпоративних користувачів нафто-і газодобувної промисловості, малого бізнесу (склади, великі магазини тощо);
• зв'язок для державних структур.

Пропускна здатність системи складе 1 млн  абонентів при середній тривалості розмов 60 хв / міс. Для порівняння: за прогнозами фахівців, у системі Iridium при тих же умовах число користувачів дорівнюватиме 600-800 тис., а в Globalstar - 1 млн.

Розробка  та виготовлення 12 КА оцінюються в 1,3 млрд дол., А їх запуск обійдеться в 900 млн  дол. Згідно з розрахунками фахівців ICO, ціна абонентської апаратури складе 750-1500 дол., А вартість хвилини розмови близько - 2 дол.

 

7.Порівняння характеристик систем зв’язку

У число найбільш великих проектів створення систем глобальної персональної радіотелефонного зв'язку входять Odyssey, ICO, низькоорбітальні системи Iridium і Globalstar (табл. 1). Надаючи користувачам практично той самий набір телекомунікаційних послуг (мова, дані, пейджинг, короткі повідомлення, визначення місця розташування), конкуруючі системи істотно різняться за своїми характеристиками і наземним структурам. Так, для забезпечення глобального зв'язку в системах Odyssey / ICO потрібні всього 7-12 вузлових станцій, а для обслуговування користувачів Globalstar - в 20 разів більше. Структура наземного сегмента мережі Iridium дещо простіше, ніж в Globalstar

 

Таблиця 1 – Порівняльні характеристики систем зв’язку 

Показник	Odyssey	ICO	Iridium	Globalstar
Тип орбіти	MEO	MEO	LEO	LEO
Число КА	12	12	66	48
Висота орбіти, км	10354	10355	780	1400
Нахил орбіти, град	50	45	86	52
Маса КА, кг	2500	2750	690	450
Споживана потужність, Вт	4600	8700	1000	1200
Число променів	61	163	48	16
Термін експлуатації КА, років	15	12	5	7,5
Метод багатостанційного доступу	CDMA	TDMA	TDMA	CDMA / FDMA
Число вузлових станцій	7	12	25	150-210
Число каналів КА, еквівалентних 4,8 кбіт / с	3000	4500	Від 600	1300
Вартість проекту, млр дол.	2,5	2,8	Від 3,5	2,0
Вартість дворежимного терміналу, дол.	350	750	3000	750
Тариф, дол. / Хв	0,75	2	3	0,35-3