CC BY
44
УДК 621.396.946
ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ СУДОВ В СЕВЕРНЫХ ШИРОТАХ С ПОМОЩЬЮ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ СВЯЗИ НА КРУГОВЫХ И ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ ОРБИТАХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ МОНИТОРИНГА
Ал. И. Кулинич
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский,683003
e-mail: [email protected]
Показано, что в связи с невозможностью передачи данных позиционирования с помощью спутниковой системы связи «Инмарсат» необходимо провести анализ возможности использования для целей мониторинга современных систем связи на круговых и эллиптических орбитах.
Ключевые слова: система «Инмарсат», судовая станция, терминал связи, спутниковая связь.
Data transmission of vessels positioning in northern latitudes by means of satellite communication systems in circular and elliptic orbits for the decision of monitoring problems. A.I. Kulinich (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
As it is impossible to transmit positioning data by means of satellite communication system INMARSAT it is necessary to make analysis to find out modern communication systems in circular and elliptic orbits. with the view of monitoring.
Key words: system INMARSAT, ship station, terminal of communication, satellite communication.
В ближайшие годы ожидается рост интенсивности грузопассажирского, нефтеналивного судоходства в Арктике и на трассе СМП. Возрастет также добыча биоресурсов с помощью рыбопромысловых судов. Поэтому актуальной является задача расширения зоны мониторинга судов на широтах более 70°.
Задача расширения зоны мониторинга усложняется из-за невозможности работы спутниковой системы связи «Инмарсат» на широтах более 70°. Практика работы со спутниковыми системами показала, что надежный прием сигналов спутников возможен, если спутники видны под углом места не менее 10°. Геостационарные спутники «Инмарсат» на широте 70° видны под углом места 10°, поэтому во всех руководствах по эксплуатации системы «Инмарсат» рабочая зона ограничена широтой 70°. Судовая аппаратура «Инмарсат-С», «Инмарсат^+» работает с ненаправленными антеннами, поэтому передача данных мониторинга на широтах более 70° не обеспечивается с
требуемой надежностью. На рис. 1 показано, что широта 70° является предельной, на которой могут работать эти терминалы [1].
В связи с невозможностью передачи данных позиционирования с помощью спутниковой системы связи «Инмарсат» необходимо провести анализ возможности использования для целей мониторинга современных систем связи на круговых и эллиптических орбитах.
Спутниковые системы связи с круговыми орбитами подразделяются на среднеширотные, рабочая зона которых от 70° ю. ш. до 70° с. ш., и глобальные, рабочая зона которых охватывает весь земной шар. Необходимое количество спутников и углы наклонения их орбит для среднеширотной спутниковой системы связи значительно меньше, чем для глобальной.
Низкоорбитальные спутниковые системы связи используют спутники, высота круговых орбит которых лежит в пределах 700-1500 км, высота круговых орбит спутников
квазисреднеорбитальных систем расположена на высоте около 10 000 км, в два раза меньшей, чем
у среднеорбитальных спутниковых радионавигационных систем.
85
80
70
60
50
В, град
в, град
5 10 15 20 25 30
Рис. 1. Зависимость угла места спутника от широты
Использование термина «квазисреднеорбитальный» связано с тем, что среднеорбитальными в радионавигации принято называть системы с высотой орбит спутников около 20 000 км. Поэтому для систем связи с высотой орбит спутников около 10 000 км применение данного термина оправдано [2].
Любая низкоорбитальная и квазисреднеорбитальная спутниковая система связи может быть преобразована в глобальную систему, если увеличить угол наклонения орбит спутников, число орбит, число спутников на орбитах и число узловых станций. Для того чтобы спутниковая система связи с круговыми орбитами была глобальной низкоорбитальной системе необходимо не менее 48 спутников, а квазисреднеорбитальной - 10-12. Также отличается необходимое количество узловых станций: для низкоорбитальной системы - около 200, для
квазисреднеорбитальной - 10-12. Однако анализ действующих спутниковых систем связи показывает, что многие из них не являются глобальными. Это связано с тем, что для уменьшения стоимости орбитальной группировки спутников в таких системах наклонение орбит спутников намеренно выбирается небольшим, в пределах 45-50°. Из-за малого угла наклонения орбит рабочая зона таких систем ограничена по широте места, как правило, этой широтой является 70°.
Важной характеристикой спутниковых систем связи является непрерывность связи. Для систем, работающих в режиме телефонии, непрерывность связи обязательна. Для работы в режиме передачи данных и мониторинга непрерывность связи не обязательна. В таких системах можно уменьшать число орбит и число спутников на орбитах. Появляются промежутки времени, когда связь отсутствует. Сообщения, переданные с терминалов, поступают к получателю не в реальном масштабе времени, а с задержкой путем промежуточной записи на борту спутника.
Для увеличения пропускной способности спутниковых систем связи используется метод многостанционного доступа: TDMA, FDMA, CDMA. Высокая скорость передачи данных достигается с помощью фазированных антенных решеток или зеркальных антенн, установленных на спутниках. В подспутниковой зоне видимости формируется не одна, а несколько зон с высокими энергетическими характеристиками. Возрастает пропускная способность системы за счет пространственной избирательности в зональных лучах, так как передаваемые в этих лучах сигналы ортогональны и не мешают друг другу.
В системе с непрерывной связью запрос данных мониторинга может производиться из центра мониторинга в любое время, в системах с прерывной связью данные мониторинга передаются по расписанию.
Для обеспечения мониторинга в северных широтах могут рассматриваться следующие существующие и перспективные спутниковые системы связи:
- низкоорбитальные спутниковые системы связи с круговыми орбитами: «Иридиум», «Глобалстар», «Орбкомм», Teledesic, Celestri, «Сигнал», «Ростелесат-Н», «Гонец-Д1»;
- квазисреднеорбитальные спутниковые системы связи с круговыми орбитами: «Одиссей», ICO;
- спутниковые системы связи со спутниками на эллиптических орбитах: «Молния», «Меридиан», Ellipso.
Из общего числа рассмотренных спутниковых систем целесообразно использовать те системы, которые обеспечивают работу на широтах более 70° и в которых предусмотрена служба «Опросный вызов и отчетные данные». В настоящее время системы «Гонец-Д1», «Орбкомм» способны работать в режиме «Опросный вызов и отчетные данные».
Спутниковая низкоорбитальная система связи и мониторинга «Гонец-Д1» создается с 2004 г. по заказу Федерального космического агентства в рамках Федеральной космической программы России. Система предназначена для передачи данных и мониторинга судов, непрерывность связи не обеспечивается.
При полном развертывании орбитальной группировки она будет состоять из 24 спутников. На начальном этапе в состав орбитальной группировки системы входит девять спутников, размещенных на двух взаимоперпендикулярных круговых орбитах; на одной орбите размещено три спутника, на второй - шесть, высота орбит - 1500 км, наклонение орбит - 82,5°, период обращения спутников вокруг Земли - 115 мин [3].
Наземный комплекс системы состоит из центра управления системой (ЦУС) и трех региональных станций. ЦУС расположен в Москве, региональные станции: в Москве, в Железногорске Красноярского края и в Южно-Сахалинске.
Так как диаметр подспутниковой зоны видимости спутника при угле места в = 5° примерно
равен радиусу Земли, то при расположении дополнительных региональных станций на побережье Северного Ледовитого океана рабочая зона системы будет перекрывать весь район Арктики.
В северных широтах более 70° для угла места 10° время ожидания связи с вероятностью 0,9 не превышает 28 мин и с вероятностью 0,7 - 9 мин [4]. При увеличении числа спутников в орбитальной группировке до 12 в северных широтах связь будет практически непрерывной.
При расположении абонентов (отправителя и получателя) в зоне обслуживания одной региональной станции время доставки информации составляет 1-2 мин.
Пропускная способность спутника - 15 Мбит/сут, скорость передачи информации -2,7 Кбит/с, диапазон используемых частот в направлениях терминал - спутник и спутник -терминал - 200-300 МГц [5].
Система способна одновременно обслуживать 4000-10 000 абонентов.
Для разных видов объектов разработана одна модификация приемо-передатчика, несколько модификаций антенн, аппаратура поставляется с кабелями. На рис. 2 приведен судовой комплект
Разрабатывается второе поколение системы «Гонец-Д1М». В состав системы будут входить 18 спутников и 5-7 региональных станций. Система будет обеспечивать связью и мониторингом около 200 000 объектов. Пропускная способность системы «Гонец-Д1М» будет 4,86 Гбит/сут
[5].
Спутниковая система «Орбкомм» (США, Канада) предназначена для двусторонней передачи данных, мониторинга судов, передачи сигналов тревоги, бедствия и безопасности, проведения поисковых и спасательных операций.
Система работает в режиме передачи данных, мониторинга, в режиме телефонии не работает.
При полном развертывании в космическую группировку системы входит 36 спутников. Высота круговых орбит спутников - 785 км, время оборота спутников вокруг Земли ~ 100 мин, диаметр подспутниковой зоны видимости ~ 5000 км. Ориентировочный вес спутника - 36,5 кг [5].
В орбитальной группировке спутников «Орбкомм» на четырех полярных орбитах расположено по одному спутнику, и с наклонением 45° на четырех орбитах расположено по восемь спутников.
«Орбкомм» обеспечивает определение местоположения судов как квазидоплеровским методом (погрешность местоположения составляет 375-1175 м), так и по сигналам GPS (погрешность местоположения ~ 10 м) [6].
Абонентская аппаратура работает на частотах:
- радионаправление «вверх»: 148-150 МГц;
- радионаправление «вниз»: 137-138 МГц.
Наземный сегмент «Орбкомм» состоит из узловых надземных станций (УНС) и центров управления системой (ЦУС). УНС предназначены для приема со спутников ретранслированных сообщений, переданных с абонентских терминалов, и для передачи их в ЦУС. Центр управления системой решает задачу маршрутизации сообщений и взаимодействия с сетями передачи данных. Такими сетями являются:
- телефонная сеть общего пользования (коммутируемые линии);
- выделенные некоммутируемые телефонные линии;
- каналы радиосвязи;
- сотовые сети различных стандартов;
Рис. 2. Состав судового комплекта аппаратуры спутниковой системы «Гонец-Д1»:
1 - приемо-передатчик; 2, 4, 5, 7 - кабели; 3 - антенна для подвижных и стационарных объектов; 6 - турникетная антенна; 8 - судовая антенна связи; 9 - судовая антенна связи с приемником GPS; 10 - блок питания
- сеть Интернет, телекоммуникационная сеть Х25 и др.
ЦУС выполняет также функцию расчета с абонентами, зарегистрированными на обслуживаемой территории.
УНС в России развернуты в Москве, Новосибирске, Хабаровске. Общее число УНС на территории России должно быть шесть. Все УНС работают автономно и не требуют обслуживания оперативным персоналом. ЦУС развернут в Москве.
Если терминал абонента и УНС находятся в зоне видимости спутника, то общее время доставки сообщения абоненту составляет 1-2 мин. На широте 50° средняя продолжительность сеанса связи составляет 10 мин, среднее время ожидания мало. На широтах более 50° перерывы между сеансами связи значительны. Наибольшее время ожидания наблюдается на широте 65° и составляет 81,9 мин. Это вызвано тем, что на этой широте абонент может работать только с одним из полярных спутников, так как все остальные спутники невидимы. При дальнейшем увеличении широты места время ожидания сеанса связи уменьшается и на широте 90° не превышает 15 мин
[6].
По размеру они схожи с сотовыми телефонами. В состав терминалов входит приемник GPS, позволяющий ориентироваться на маршруте следования, определять свои координаты и передавать свое местоположение любому адресату в любую точку земного шара.
Для решения задач мониторинга в северных широтах целесообразно использовать лишь одну систему спутниковой связи, руководствуясь при выборе этой системы стоимостью сбора данных с одного судна, точностью данных по местоположению, оперативностью опроса сети судов.
Литература
1. Болохов К.В. Системы спутниковой навигации. - М.: Эхо-Трендуз, 2002. - 315 с.
2. Судовая радионавигация. Радионавигационные устройства и системы: Учеб. для вузов / А.А. Дуров, В.С. Кан, И.Н. Мищенко, Ю.И. Никитенко, Ю.М. Устинов. - М., 1998. - 206 с.
3. Судовые радионавигационные приборы / А.А. Дуров, В.С. Кан, А.Н. Маринич, А.В. Припотнюк, Ю.М. Устинов. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2010. - 264 с.
4. Цифровые терминалы спутниковых систем связи. Справочное издание / А.А. Ильин, А.Н. Маринич, А.В. Припотнюк, Ю.М. Устинов. - СПб.: Деан, 2005. - 192 с.
5. Маринич А.Н., Припотнюк А.В., Устинов Ю.М. Современное судовое оборудования средств электронной навигации, ГМССБ и береговая единая система контроля и управления судоходством. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2007. - 261 с.
6. Резников В.Ю., Устинов Ю.М. Судовая радиосвязь. Справочник по организации и радиооборудованию ГМССБ. - СПб.: Судостроение, 2002. - 480 с.
