Globalstar: спутниковая система персональной связи

Одной из наиболее заметных тенденций в развитии телефонии в последнее десятилетие является быстрый рост числа абонентов сотовой связи. За 26 лет, прошедших от момента зарождения идеи до настоящего времени, число абонентов, пользующихся услугами сотовых систем, достигло 200 млн, а к 2001-2002 годам оно увеличится до 500-600 миллионов. Однако возможность эффективного построения наземных сотовых систем существует далеко не везде, и альтернативным вариантом тАФ особенно для предоставления телекоммуникационных услуг в труднодоступных и малонаселенных районах тАФ является применение спутниковых систем персональной связи (ССПС). Идея построения ССПС состоит в использовании методов сотовой связи, но с размещением ретрансляторов базовых станций в космическом пространстве. В результате зона обслуживания одной станции многократно увеличивается, и появляется возможность создания на базе искусственных спутников Земли (ИСЗ) глобальной системы, обеспечивающей пользователя связью в любой точке планеты. Сочетание наземных и спутниковых систем персональной связи и их интеграция обеспечат возможность приема и передачи речи, данных и факсимильных сообщений в любом регионе Земли с приемлемым уровнем цен на предоставляемые услуги.

КомпьютерПресс уже знакомил своих читателей (см. № 10тАЩ 1998 ) с первой и пока единственной спутниковой системой персональной связи Iridium, которая обеспечивает пользователя, где бы он ни находился, высоконадежной качественной телефонной связью с помощью аппарата, имеющего размеры и вес сегодняшних телефонов сотовых систем. Но технический прогресс не стоит на месте, и у уникальной ССПС в настоящее время зарождается серьезный конкурент. Речь идет о спутниковой системе связи Globalstar, рассмотрению основных характеристик которой и посвящена данная статья.

Globalstar тАФ это глобальная цифровая система персональной связи, основанная на использовании низкоорбитальных спутников. При разработке системы Globalstar был использован опыт создания сотовых систем связи с кодовым разделением каналов фирмы QUALCOMM/FONT>, Inc. Набор услуг системы Globalstar в целом аналогичен услугам ССПС Iridium и включает передачу речи, данных, факсимильных сообщений, сигналов персонального радиовызова (пейджинговых сообщений) и, кроме того, тАФ определение координат подвижных объектов. Следует отметить, что система предназначена для абонентов не только мобильной, но и обычной связи.

Так же, как в ССПС Iridium, прежде чем установить связь, мобильный терминал Globalstar должен будет сначала проверить возможность работы в наземной сотовой сети связи и лишь при невозможности этого будет устанавливаться соединение через спутник. В этом случае сигнал с абонентского терминала (телефонного аппарата пользователя) будет передаваться через спутник на ближайшую земную станцию сопряжения, которая соединит его с требуемым абонентом обычной телефонной сети, сотовой сети или с абонентом системы Globalstar. Принцип действия системы иллюстрируется на рис. 1. При этом максимальная задержка сигнала не должна превышать 150 мс, а время установления соединения тАФ 5 с. Мировой роуминг позволит дозвониться до абонента по одному и тому же номеру, вне зависимости от его географического местоположения.

При передаче речи исходный сигнал преобразуется в цифровую форму с помощью адаптивного вокодера c линейным предсказанием (CELP), создающего трафик от 1,2 до 9,6 Кбит/с (средняя скорость для данного алгоритма приблизительно равна 2,4 Кбит/с). Вокодеры, установленные на земных станциях, включают в свой состав эхоподавители. Качество передачи речи при этом, по средней оценке мнений (MOS) , эквивалентно цифровым сотовым системам. Цифровые данные передаются со скоростью до 9600 бит/с, что заметно выше, чем в ССПС Iridium (до 2400 бит/с). Вероятность ошибки при этом не превышает 10-6.

Предполагаемыми абонентами Globalstar станут люди, совершающие частые поездки и нуждающиеся в глобальной беспроводной коммуникационной системе.

Для реализации ССПС Globalstar в 1991 году компаниями Loral Aerospace Corporation (Нью-Йорк) и QUALCOMM Incorporated (Сан-Диего, шт. Калифорния) был создан консорциум Globalstar Limited Partnership. В него вошли также ведущие международные фирмы тАФ производители спутниковых систем и телекоммуникационного оборудования тАФ Elsag Baily (Италия), Alenia (Италия), Alcatel (Франция), Hyundai Electronics Industries (Южная Корея), DACOM (Южная Корея) и операторы связи тАФ France Telecom (Франция), AirTouch Communications (США), Vodafone Group (Великобритания). В работе по реализации проекта активное участие принимает группа Alliance. К изготовлению спутниковых платформ привлечена компания Space Systems/Loral (Пало Альто, шт. Калифорния). Парижская фирма Alcatel Espace изготавливает для каждого ИСЗ полезную нагрузку, в том числе остронаправленные антенны. Корпорация QUALCOMM отвечает за разработку абонентской аппаратуры и оборудования для наземных центров управления, которое обеспечит связь спутников с наземными сетями. Итальянской компанией Alenia в Риме еще в 1997 году было построено и официально введено в строй предприятие по сборке, комплектации и испытаниям космических аппаратов (КА). Компания Air Touch Communications будет предоставлять услуги спутниковой связи на территории США. Также в проекте участвуют фирмы Finmecanica/Elsag Bailey Company (Италия), DASA (Deutshe Aerospace AG/Daimler-Benz AG, Германия), Airospatial (Франция), China Telecom и др. Общая стоимость системы, включая космический и наземный сегменты, оценивается приблизительно в 2,6 млрд. долл. США. Годовые эксплуатационные расходы должны составить 227 млн. долларов.

Система Globalstar включает три основных сегмента: космический (космические аппараты), наземный (земные станции контроля, управления и сопряжения) и сегмент пользователя (терминальные устройства). Рассмотрим их более подробно.

В соответствии с проектом космический сегмент должен состоять из 48 основных ИСЗ и 4 резервных (что гораздо меньше, чем в ССПС Iridium), расположенных на 8 орбитах тАФ по 6 основных ИСЗ на каждой ( рис. 2). Орбиты тАФ наклонные, круговые с наклонением к экватору тАФ 52В° (в отличие от полярных орбит с наклонением 86В° в ССПС Iridium), что сужает ширину зоны обслуживания системы в целом. Период обращения ИСЗ на орбите равен 113 мин. Высота орбит составляет 1414 км (почти в два раза выше, чем высота орбит ИСЗ Iridium). Большая высота орбиты обусловливает, с одной стороны, большую зону обслуживания каждого ИСЗ и больший срок службы КА (7,5 лет), с другой, тАФ большее запаздывание и затухание сигнала, более дорогой вывод спутника на орбиту.

Космический сегмент построен так, чтобы обеспечить наилучшее обслуживание пользователей в средних широтах. Именно в средних широтах доступными являются не менее двух КА. Ширина всей зоны обслуживания ограничена 70 В° северной и южной широты ( рис. 3). Поэтому в Антарктиде, на Северном полюсе, в северных регионах России и Гренландии, в некоторых районах Северного морского пути пользование системой Globalstar невозможно. В ССПС Iridium подобной проблемы не возникает.

Одной из важных характеристик спутниковых систем персональной связи, влияющих на качество соединения и доступность системы, является минимальный угол возвышения ИСЗ над поверхностью Земли. При большом угле возвышения сигналы от спутника к Земле должны пройти через меньший слой земной атмосферы, влияющий на затухание сигнала, а всевозможные препятствия на Земле (горы, растительность, строения) будут оказывать меньшее воздействие. Требования к минимальному углу возвышения определяют число спутников в системе. Для полярных орбит число спутников выбирается исходя из необходимости покрытия экваториальных районов, так как пересечение орбит на полюсах приводит к существенному переполнению емкости системы в этих местах. В ССПС Iridium минимальный угол возвышения у экватора равен 8В°, а в системе Globalstar в экваториальных районах минимальный угол возвышения составляет 15-20В°, что способствует более качественному обслуживанию пользователей.

ИСЗ Globalstar представляет собой ретранслятор с преобразованием частот, который осуществляет прием сигналов в пределах зоны обслуживания, их преобразование и передачу на земную станцию. Все операции по обработке вызовов, их коммутации, преобразованию сигналов и разделению каналов производятся на Земле, где реализация данных функций обходится дешевле, аппаратура доступна для технического обслуживания и может быть со временем модернизирована. Отсутствие обработки сигнала на борту КА, а также отсутствие в системе Globalstar линий межспутниковой связи (в отличие от ССПС Iridium) делают КА проще и надежнее.

На спутниках Globalstar предусмотрена трехосная система стабилизации. Вес ИСЗ тАФ около 450 кг. Солнечные батареи имеют мощность 1100 Вт. Мощность передающей системы ИСЗ приблизительно равна одному киловатту. За счет оперативной регулировки потребляемой мощности бортового ретранслятора в каждом канале в соответствии с условиями приема минимизируются энергетические ресурсы ИСЗ. Общий вид ИСЗ изображен на рис. 4 и 5.

Для связи с земными станциями (фидерные линии связи) на спутниках устанавливаются по две рупорные антенны (для приема и передачи), работающие в С-диапазоне частот (5091-5250 МГц для линии тАЬвверхтАЭ Земля-ИСЗ и 6875-7055 МГц для линии тАЬвнизтАЭ ИСЗ-Земля). Этот диапазон за счет применения правой и левой круговой поляризации будет использоваться дважды.

Для линий связи ИСЗ с мобильными пользователями предусмотрена эксплуатация частот L-диапазона (1610-1626,5 МГц) для линии тАЬвверхтАЭ абонент-ИСЗ и S-диапазона (2483,5-2500 МГц) для линии тАЬвнизтАЭ ИСЗ-абонент. Антенны L- и S-диапазонов представляют собой активные фазированные антенные решетки (ФАР) с 16 лучами. Каждый луч (лепесток) имеет свою зону обслуживания на поверхности Земли площадью приблизительно 2,9 млн. км 2. Совокупность лучей образует зону обслуживания ИСЗ, близкую по форме к кругу диаметром 7600 км. Приемная антенна (L-диапазон) состоит из 61 элемента. Передающая ФАР (S-диапазон) возбуждается 91 печатным усилительным элементом мощностью 4 Вт каждый. Общая мощность ИСЗ в S-диапазоне достигает 400 Вт и может плавно перераспределяться между лучами.

Для уплотнения телефонных каналов в системе Globalstar будет использоваться комбинация методов многостанционного доступа с частотным и кодовым разделением каналов (МДЧР и МДКР). Общая полоса частот шириной 16,5 МГц, отведенная для связи в L- и S-диапазонах, разделена на 13 поддиапазонов шириной 1,25 МГц, в каждом из которых выполняется кодовое уплотнение сигналов от нескольких (порядка 50) абонентов. Для этого сигнал абонента преобразуется в широкополосный сигнал (1,25 МГц).

Широкополосные сигналы в отличие от узкополосных позволяют существенно снизить требования к развязке между соседними лучами многолучевой антенны. Такие сигналы обеспечивают мягкую перегрузку, то есть превышение номинальной загрузки не приводит к отказу, а лишь несколько снижает на короткое время качество передачи каждого сигнала, что обычно считается допустимым. Применение МДКР позволяет изящно решить проблему переключения абонента с заходящего спутника на восходящий. Как только происходит снижение уровня пилот-сигнала во время работы абонента в каком-либо луче, терминал по команде станции сопряжения автоматически переключается на двухканальный режим работы, в котором обеспечивается одновременный прием и когерентное сложение сигналов от двух разных лучей или от разных спутников. Через некоторое время поступает команда на отключение первого луча, и обмен информацией производится только через второй луч. Какое-то время сигнал от абонента принимается и передается одновременно с двух спутников, а земные станции обрабатывают суммарный сигнал, что делает процесс переключения спутников незаметным для пользователя. Такая технология тАФ возможность когерентного сложения сигналов от нескольких спутников в приемном устройстве пользователя тАФ позволяет также уменьшить влияние затенения от препятствий на поверхности Земли. К недостаткам МДКР следует отнести тот факт, что использование широкополосных сигналов усложняет оборудование пользовательских терминалов и увеличивает время вхождения в зону связи.

За счет МДКР, учета речевой активности и применения многолучевой антенны обеспечивается повторное использование частот, в результате чего каждый ИСЗ способен к одновременной ретрансляции около двух тысяч телефонных каналов. При этом на 1 миллион кмFONT>2 поверхности Земли ИСЗ Globalstar одновременно обеспечивает всего несколько десятков каналов связи, что еще раз подтверждает тот факт, что спутниковые системы персональной связи в отличие от наземных сотовых систем не ориентированы на использование в густонаселенных районах.

Наземный сегмент ССПС Globalstar включает земные станции сопряжения, а также центры управления и контроля орбитальной группировкой (Satellite Operations Control Center) и наземными средствами (Ground Operations Control Center). Центр управления и контроля орбитальной группировки на основе телеметрической информации контролирует текущее состояние ИСЗ и параметры их орбит, при необходимости выдает соответствующие команды. Центр управления и контроля наземных средств отвечает за планирование и распределение ресурсов системы, контроль за ее функционированием. Центры будут расположены на территории США и связаны между собой и с другими земными станциями системы с помощью специальной сети передачи данных GDN (Globalstar Data Network).

Поскольку система Globalstar в большей степени ориентирована на интеграцию с существующими наземными телекоммуникационными инфраструктурами, станции сопряжения являются в ней основными коммуникационными элементами. Фактически земные станции сопряжения являются шлюзами, на которые возложены функции обеспечения интерфейса с существующими и будущими телекоммуникационными системами, в частности с наземными телефонными сетями общего пользования и сотовыми системами связи в зоне обслуживания каждого ИСЗ. Все вызовы (местные и международные) должны обрабатываться и коммутироваться на станции сопряжения. В этом состоит так называемый региональный принцип построения связи тАУ обязателен выход каждого абонента на ближайшую станцию сопряжения и далее тАФ на существующую фиксированную сеть или на связь с другим абонентом. Таким образом, в организации любого соединения участвуют земные станции. Поскольку основную часть трафика в каждом регионе обычно составляют местные вызовы (более 80%), такое решение выглядит весьма рациональным, облегчает связь с абонентами сетей общего пользования, укорачивая трассу для основной массы соединений, а также позволяет сделать систему частью национальной сети каждой страны, что привлекает операторов связи, позволяя им получать дополнительные доходы.

С другой стороны, так как в системе задействовано большое число земных станций сопряжения, соединения становятся зависящими от состояния наземных сетей. Для глобального покрытия земной поверхности (в пределах 700 Roman">северной широты тАФ 700южной широты) с учетом национальных границ и минимизации наземного трафика, по оценкам разработчиков Globalstar, потребуется 150-210 станций сопряжения, в том числе 9 тАФ на территории России. Типовая станция сопряжения содержит 4 идентичные следящие параболические антенны с диаметром рефлектора 5,5 м с левой и правой круговой поляризацией ( рис. 6, 7) и стоит около 5,5 млн. долл. На стыке земной станции с наземными сетями общего пользования используется стандартный интерфейс Т-1/Е-1 и системы сигнализации R1, R2 и №7.

Сегмент пользователя системы Globalstar может включать один из трех основных типов терминалов: портативные (аналогичные сотовым тАФ см. рис. 8, 9), мобильные (устанавливаемые в автомобилях или других транспортных средствах тАФ см. рис. 10) и стационарные (телефонные аппараты, таксофоны тАФ см. рис. 11). Последовательный порт ввода/вывода данных позволит подключать к терминалам пользователя компьютер, факсимильный аппарат или другие внешние устройства и обеспечивать передачу данных или факсимильных сообщений. Предусматривается адаптивное управление мощностью передатчика терминала.

Портативные и мобильные аппараты оборудованы ненаправленными антеннами и могут функционировать также в наземной сотовой сети стандарта GSM, AMPS или IS-95. Фирмой QUALCOMM предполагается выпуск портативных и мобильных терминалов трех типов: трехрежимных (Globalstar/AMPS/IS-95), двухрежимных (Globalstar/GSM) и однорежимных (Globalstar). Терминалы Globalstar, работающие более чем в одном режиме, должны сначала проверить возможность работы в наземной сети персональной радиосвязи и, если это невозможно, попытаться установить соединение через спутник. При переходе таких терминалов от режима работы в сотовой сети связи в режим работы в системе Globalstar автоматическое переключение не предусматривается. Если абонент покинул зону действия сотовой сети, связь будет прервана и для ее восстановления необходимо будет вновь запросить соединение, но уже в ССПС Globalstar.

Вес портативного терминала тАФ около 350 г, размеры 190 х 60 х 30 мм, а его мощность не превышает 0,6 Вт. Заряда аккумулятора при работе в режиме системы Globalstar будет хватать на 8 часов дежурного приема и на 1 час разговора. В режиме наземной сотовой системы связи продолжительность его работы увеличится до 12 час дежурного приема и 2 час разговора (или даже больше); в данном режиме терминалы Globalstar должны в среднем потреблять энергии меньше, чем аналоговые сотовые телефоны, и, соответственно, продолжительность работы их аккумуляторов должна быть больше.

Мобильные терминалы отличаются от портативных дополнительным усилителем мощности и внешней антенной. Мощность мобильного терминала не превышает 3 Вт.

Стационарные аппараты Globalstar предоставят услуги связи в отдаленных районах, где нет ни сотовых систем, ни наземных коммуникаций. Такие терминалы предназначены для работы только в ССПС Globalstar. Они оборудованы усилителем и внешней антенной с усилением +7дБ и имеют эквивалентную изотропно-излучаемую мощность 3,2 Вт.

Компания Globalstar намерена предлагать услуги связи по более низким тарифам, чем те, что используются в настоящее время в системе Iridium. Предусматривается дифференцирование цен в зависимости от географического района и уровня сервисных услуг: 0,35; 0,53; 1; 3 долл. за 1 мин разговора. В среднем стоимость одноминутного соединения должна находиться в пределах 0,35-0,65 долл. США плюс плата за услуги местных (наземных) линий связи. Ожидаемая цена портативного терминального устройства производства фирмы QUALCOMM также гораздо меньше, чем спутникового телефона системы Iridium, и составляет около 700 долл. Компания Globalstar L.P. считает, что принятая ею структура ценообразования будет способствовать более быстрому распространению услуг и позволит ей создать широкий круг постоянных клиентов. Ожидается, что к 2002 году число абонентов ССПС Globalstar превысит 2,7 млн., а к 2012 году, по мнению разработчиков проекта, система сможет обслужить до 14 млн. пользователей.

Есть основания предполагать, что после ввода в строй системы Globalstar и устранения монопольного положения на рынке услуг спутниковой персональной связи ССПС Iridium цены на услуги и оборудование последней будут в значительной степени снижены.

Предполагается использование системы Globalstar и на российском рынке, так как он становится все более открытым для зарубежных поставщиков услуг. Кроме того, в России требования пользователей к уровню услуг в последнее время возросли, и появились потребители, способные оплачивать услуги ССПС. Планируемый рынок Globalstar в России составляет примерно 7,5 % от мирового. Проект российского сегмента ССПС Globalstar разработан институтом тАЬГипросвязьтАЭ по заказу тАЬАО РостелекомтАЭ. В соответствии с данным проектом в настоящее время на территории России уже строятся 3 станции сопряжения (в Москве, Новосибирске и Хабаровске), а к 2005 году предполагается соорудить 9 станций сопряжения, способных обслуживать 260 тыс. пользователей. Национальным оператором и эксклюзивным поставщиком услуг системы Globalstar в России является ЗАО тАЬГлобалТелтАЭ, которое учреждено компанией Globalstar Ltd. и тАЬАО РостелекомтАЭ в 1996 году.

В настоящее время консорциум Globalstar имеет соглашения с провайдерами услуг более чем в 100 странах. Коммерческую деятельность по предоставлению услуг связи планировалось начать с 1 квартала 1999 года. Первые 8 космических аппаратов были выведены на орбиту Земли еще в начале 1998 года с использованием ракет-носителей (РН) Delta II, но 9 сентября 1998 года попытка запуска 12 космических аппаратов Globalstar с помощью РН тАЬЗениттАЭ потерпела неудачу. В связи с этим начало коммерческой эксплуатации ССПС Globalstar было перенесено на III квартал 1999 года. В конце 1998-начале 1999 года предполагается провести 3 запуска спутников Globalstar с использованием РН тАЬСоюзтАЭ (по 4 ИСЗ в каждом запуске), а к маю 1999 года тАФ создать орбитальную группировку из 32 ИСЗ, достаточную для начала функционирования ССПС. Полную группировку ИСЗ из 48 основных и 4 резервных планируется создать к концу 1999 года. Всего предполагается осуществить 5 запусков РН тАЬСоюзтАЭ (по 4 КА), 6 запусков РН Delta II (по 4 КА) и 2 запуска РН тАЬЗениттАЭ.

После 2004 года, когда система выработает свой ресурс, компания Globalstar планирует замену существующей аппаратуры первого поколения на усовершенствованную аппаратуру системы Globalstar-II, которая обеспечит более высокую скорость передачи информации, улучшенное качество работы и большее число каналов.

Вместе с этим смотрят:

"Научный орден" Фрэнсиса Бэкона: зарождение научного общества нового типа

"Философия техники" П.К.Энгельмейера

Aerospace industry in the Russian province

Airbus Industries

AVR микроконтроллер AT90S2333 фирмы Atmel