Авторы:
С.Е.Жуков, заместитель директора НТЦ НСКСС ФГУП НИИР; serjuk@niir.ru
А.Г.Шадрин, доцент кафедры ВКА им. А.Ф. Можайского, к.т.н.; ag_shadrin@mail.ru
Н.В.Нездоровин, старший преподаватель кафедры ВКА им. А.Ф. Можайского, к.т.н.
Относительно полноценно в любой точке Арктического региона сегодня действует, как известно, только одна коммерческая система спутниковой связи (ССС) — Iridium (США). Эта система персональной связи с очень ограниченными по пропускной способности возможностями использует 66 активных космических аппаратов (КА) на низких круговых орбитах (LEO) с наклонением 86,4°. После модернизации до Iridium-NEXT заявленная скорость передач и информации системы достигнет 1,4Мбит/с. Организация связи осуществляется в L-диапазоне частот, что не позволяет реализовывать высокоскоростные линии связи.
Проблемы организации спутниковой связи в Арктике
Дл оценки возможностей ССС принято использовать понятие гарантированной зоны радиовидимости (ГЗРВ) — это совокупность точек на поверхности Земли, в каждой из которых обеспечивается наблюдение не менее N КА на углах места не ниже требуемого Р (процент времени) в течение года. ГЗРВ определяется баллистической структурой ССС. Применительно к сценарию обслуживания АЗ параметры ГЗРВ можно уточнить: достаточно наблюдения хотя бы одного КА в течение всего года на возможно больших углах места. За прошедшее десятилетие проблема обеспечения связью потребителей в Арктической зоне РФ рассматривалась как на уровне государственных стратегий [1] и программ, например в рамках проекта «Арктика» [2], так и в обсуждениях научной общественности [1−8]. В [6] приводятся данные на начало 2013 г. по потребителям (по численности населения) и способности существующих ССС обеспечить потребителей связью в портах Северного морского пути (СМП).В табл. 1 приведены данные и условия видимости геостационарных спутников российской орбитальной группировки КА в портах СМП.Рис 1. показывает малые углы места (менее 7°) снижают энергетику спутникового канала, для компенсации энергетических потерь необходимы крупноапертурные антенны на абонентских станциях. Использование компактных абонентских станций в этих условиях практически невозможно.
2. Малые углы места увеличивают вероятность перекрытия прямой видимости на спутник при движении по АЗ, а значит, приводят к необходимости оперативного переключения абонентской станции на другой доступный спутник. В этом случае для обеспечения непрерывности связи потребуются две антенные системы.
3. При приближении к береговой линии, а также при заходе в порты направление на ГСО с высокой степенью вероятности будет перекрыто рельефом территории и местными предметами,
В указанных территориях КА на соответствующих позициях в точках стояния ГСО «видны» на очень малых углах места: 0,64° и 2,24° соответственно. Объекты (метеостанциии, погранзаставы) в таких зонах могут использовать спутниковую связь только через КА, выведенные на высокоэллиптическую орбиту (ВЭО), типа «Молния» и «Тундра». ни различаются главным образом тем, что при использовании орбиты «Молния» (рис. 2) формируются два апогейных узла, смещенных по долготе на 180°, а у «Тундры» апогейный узел один [9].
Малые углы места создают серьезные проблемы:
• рост затуханий на спутниковых линиях вследствие прохождения большого слоя атмосферы (особенно существенно в диапазонах выше 10ГГц) приводит к ослаблению сигнала на входе как абонентской земной станции (ЗС), так и КА; деградация добротности приемной системы ЗС вследствие влияния шума Земли снижает отношение сигнал/шум (ОСШ) на участке «вниз»;
• работа на границе, а иногда и за границей зоны обслуживания геостационарного спутника ухудшает ОСШ;
• перекрытие прямой видимости на спутник местными предметами и складками рельефа вызывает перерывы связи и/или заставляет переходить на другой спутник (при этом может потребоваться две антенны на ЗС).
Российская орбитальная группировка (ОГ) КА на ГСО представлена прежде всего спутниками серии «Экспресс» (12 КА) и «Ямал» (4 КА) (табл. 2). На геостационарных КА в настоящее время могут использоваться транспондеры С-, Ku и Ka-диапазонов. Подчеркнем, что развертывание сети в Ku/Ka диапазоне в условиях малых углов места нецелесообразно ввиду значительных потерь на трассе, особенно в диапазоне частот 40 ГГц. При высоких запросах к надежности канала (0,999) необходимо будет дополнительно компенсировать энергетические потери более чем в 60 дБ, что потребует использования крупноапертурных антенных систем. Для организации сети связи в АЗ ФГУП «Космическая связь» предоставляет в аренду спутниковые каналы в С- и Ku-диапазонах КА серии «Экспресс-АМ» (рис. 5 и 6).
Автоматизированная ССС спецназначения «Приморка-М»
В настоящее время МО РФ развернуло ССС «Приморка-М» для организации каналов передачи информации. Земные станции спутниковой связи (ЗССС) системы «Приморец» размещены на территории России, используют выделенный частотный ресурс национальной группировки КА на ГСО и ВЭО.
В ССС «Приморка-М» имеются не только постоянные цифровые каналы передачи пакетной информации (до 512 кбит/с), но и временные, создаваемые по требованию пользователей (до 16 Мбит/с). Передача информации между центральной и каждой периферийной стационарной станцией может осуществляться по двум спутниковым каналам на двух независимых несущих частотах, расположенных в разных стволах ретранслятора.
В составе оборудования станций имеется блок обмена видеоинформацией, посредством которого она эффективно кодируется и передается в цифровом формате в диапазоне скоростей от 32 до 2048 кбит/с. В потоке со скоростью 1500Мбит/с, за счет уникального вида кодирования, удается передавать стандартный сигнал телевидения (PAL или SECAM), а также звуковое стерео-сопровождение с сохранением основных параметров вещания. Все станции ССС «Приморка-М» имеют стык Е1 для подключения к цифровой АТС.
ВССС «Приморка-М» реализовано горячее резервирование узлов тракта приема передачи, что обеспечивает очень высокую надежность и степень готовности каналов к передаче информации (подтверждено 0,9994). Применение современных методов помехоустойчивого кодирования и видов модуляции позволило гарантировать достоверность передачи цифровой информации не более 10−7 (подтверждено 10−9) при нормированном варианте ОСШ Eb/No менее 8 дБ.
Все оборудование станций охвачено автоматизированной системой управления, позволяющей диагностировать и изменять настройки не только с рабочего места оператора каждой станции, но и дистанционно — из единого центра управления ССС «Приморка-М», создавая таким образом возможность работы станций без присутствия постоянного обслуживающего персонала. Центральные и узловые станции «Приморец Ц» и «Приморец У», сопряженные с крупными узлами связи МО РФ, должны обеспечивать «приземление» каналов связи от периферийных станций Арктической зоны. В ССС применяется широкая номенклатура периферийных станций, что позволяет решать любые задачи потребителей информации.
Эксплуатируемое на открытом воздухе оборудование станции (полноповоротная антенная система (АС) и приемопередающее оборудование (ППО)) может работать при температуре окружающего воздуха от минус 50 до плюс 50 °C.
Приведенные аргументы позволяют констатировать, что ССС «Приморка-М» в значительной степени готова для развертывания и применения в Арктической зоне РФ.
Перспективы использования ССС «Приморка-М» в Арктике
Рассмотрим возможности применения ССС «Приморка-М» для организации внутренней сети (информационного контура) спутниковой связи емкостью до 10 Мбит/с в прямом канале (от ЦС) и емкостью 2−4 Мбит/с в обратном канале (от абонентской ЗС) с использованием КА на ГСО и на ВЭО в Арктической зоне РФ (см. рис. 3).
Следует отметить, что малые углы места излучения требуют применения С-диапазона частот. Использование иных диапазонов приведет к повышенному затуханию сигнала и снижению достоверности передачи информации, что в целом при передаче пакетного трафика (TCP/IP) резко снижает производительность канала передачи данных из-за необходимости перезапроса искаженных пакетов.
На рис. 7 показана зона радиопокрытия КА «Ямал-401» (С-диапазон, 90°в.д.) ОАО «Газпром космические системы». Объекты АЗ в таких местах, как остров Котельный (архипелаг Новосибирские острова), остров Врангеля, мыс Шмидта (Чукотский АО), «видны» только от восточного спутника «Экспресс-АМ5» (140°в.д.) и «не видны» в Мурманске и Северодвинске. Следовательно, организация спутниковой связи «в один скачок»,
Надежность на участках «вверх» и «вниз» для ЦЗС принята равной 99,99%, абонентской линии — 99,9%. Предполагалось, что требуемое значение отношения Eb/No должно быть не хуже 8 дБ. Параметры антенно-фидерных устройств (АФУ) ЗС и приемопередающих трактов КА приведены на рис. 9−10.Режим работы транспондера БРТК КА — многосигнальный c прямой ретрансляцией.
Заключение. Опыт разработки систем спутниковой связи, полученный ФГУП НИИР в процессе создания ССС «Приморка- М», свидетельствует о возможности применения таких систем для организации высокоскоростных каналов передачи данных в интересах спецпотребителей, в том числе в Арктической зоне. Распределение ресурса в сети спутниковой связи может быть выполнено на основе разделения каналов по времени с использованием механизмов терминала заказа канального ресурса, реализованных в АСУ «Приморка-М».
Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:
1. Для организации спутниковой связи в Арктической зоне целесообразно использовать разработанные ФГУП НИИР изделия из состава системы спутниковой связи «Приморка-М», которая имеет все необходимые стандартные стыки для подключения аппаратуры связи, включая Ethernet.
2. В качестве периферийных ЗССС рекомендуется задействовать «Приморец К» контейнерного исполнения с полноповоротной антенной системой диаметром 2,4 м, доукомплектовав ее радиопрозрачным укрытием диаметром 3,5 м, или ЗССС «Приморец П» с полноповоротной АС (3,7 м).
3. Для обеспечения связью потребителей, размещенных в восточной зоне Арктики, необходимо использовать промежуточную ретрансляционную ЗССС «Приморец Р» или узловые ЗССС «Приморец У», размещаемые на крупных узлах связи на двух объектах в зоне покрытия следующих КА на ГСО: «Экспресс-АМ5» в точке стояния 140°в.д; «Ямал-401» («Ямал-300», 90°в.д.).
4. Для одновременной работы узловых ЗССС с КА на ВЭО и ГСО целесообразно доукомплектовать «Приморец У» дополнительным антенным постом с полноповоротной АС.
5. Для обеспечения высокоскоростных потоков информации (более 10 Мбит/с) следует на периферийных ЗССС применить антенные посты с АС диаметром не менее 3,7 м.
6. Использование КА на ВЭО является резервным способом организации спутниковой связи, при условии что возможности работы через КА на ГСО: это позволяет повысить надежность связи в случае возникновения проблем с ретранслятором КА. Однако ряд арктических объектов могут работать только через КА на ВЭО. Поэтому стабильность и качество связи зависят от способности станции работать в режиме автосопровождения КА на ВЭО.
7. Применение терминала заказа канального ресурса из состава АСУССС «Приморка-М» на одном или нескольких центрах управления связью позволяет комплексно управлять всеми средствами спутниковой связи информационного контура. Иными словами, ССС «Приморка-М» обеспечивает безбумажное предоставление канального ресурса по требованию заказчиков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года. — Режим доступа: www. minregion.ru/upload/02_dtp/101 001_str.doc 3х.
2. Шалагинов А. Проекты многофункциональных спутниковых систем для арктических регионов России // Технологии и средства связи. — 2013. — № 6(2); Спецвыпуск «Спутниковая связь и вещание-2014».
3. Носенко Ю.И., Севастьянов Н.Н., Дядюченко В.Н. и др. Многоцелевая космическая система «Арктика», перспективы ее создания: Доклад на 7-й Всеросс. открытой ежегодной конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». — М.: ИКИ РАН, 2009.
4. Гриценко А.А. Новые российские проекты в области спутниковой связи для подвижных абонентов, в том числе в Арктике // Доклад на IX Междунар. форуме «Профессиональная радиосвязь, спутниковая связь и навигация (PMR-2015)» — М., 2015.
5. Гриценко А.А., Юрьев Р.Н. Подвижная спутниковая связь в России и Арктике — выбор орбитальной группировки // Инфосфера. — 2015. — № 66.
6. Анпилогов В. О проблемах спутниковой связи и вещания в Арктике // Технологии и средства связи. — 2013. — № 6(2); Спецвыпуск «Спутниковая связь и вещание-2014».
7. Шемякин А.С., Датьев И.О. Связь в северных регионах Российской Федерации // Труды Кольского научного центра РАН. — 2014. — № 5(24); Информационные технологии. — 2014. — Вып. 5.
8. Датьев И.О. Развитие инфотелекоммуникационных систем арктических территорий // Труды Кольского научного центра РАН. — 2014. — № 5(24); Информационные технологии. — 2014. — Вып. 5.
9. Акимов А.А., Гриценко А.А., Степанов А.А., Чазов В.В. Особенности построения и эксплуатации орбитальных группировок систем спутниковой связи // Спецвыпуск «Спутниковая связь и вещание-2016».
10. Гриценко А.А. САПР «Альбатрос» в задачах оперативного планирования гибридных сетей радиосвязи // Обороннопромышленный потенциал. — 2015. — № 2.
11. Гриценко А.А. Программный комплекс поддержки принятия решений на этапах разработки, развертывания и эксплуатации спутниковых средств // Новый оборонный заказ. Стратегии. — 2013. — № 3.