Применение системы спутниковой связи специального назначения в Арктической зоне

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, т. е. организация связи окажется невозможной. В то же время список потенциальных потребителей услуг связи в АЗ России охватывает практически все ведомства (Минобороны, Минтранс, Минрегионразвития, МЧС), местные органы власти и различные коммерческие компании. Известно, что ССС с КА на геостационарной орбите не обеспечивают ГЗРВ для всей зоны Арктики, например остров Земля Александры (архипелаг Земля Франца-Иосифа) и остров Средний (архипелаг Новая Земля).

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», т. е. через один КА, невозможна. Для обеспечения связи с абонентскими (периферийными) ЗССС необходимо использовать ретрансляционную ЗССС «Приморец Р» (на три направления) с антенной системой для работы с КА на ГСО и ВЭО, а также линии привязки к цифровым каналам Единой сети электросвязи России.

Расчет энергетики радиолиний в C-диапазоне, выполненный с использованием программного комплекса «Альбатрос-Бюджет» [10, 11], показал (рис. 8), что в С-диапазоне технически реализуется сеть ЗС, включающая центральную ЗССС (ЦЗС) с антенной диаметром не менее 5 м и мощностью излучения на несущую 6 Вт, а также периферийную абонентскую ЗС (АЗС) с антенной диаметром не менее 2,4 м и мощностью передатчика 1 Вт. В сети будет обеспечена скорость передачи информации 2 Мбит/с в прямом направлении и 512 кбит/с — в обратном.

На абонентских линиях учитывались дополнительные потери в 3 дБ — при положении станции на границе зоны покрытия луча. Для фидерных линий, где бортовая антенна наводится на ЦЗС, ошибки наведения бортовой антенны не принимались во внимание. Помехи от других космических сетей по входу земных станций, а также помехи от других ЗС по входу бортового ретрансляционного телекоммуникационного комплекса (БРТК) КА считались незначительными и не влияющими на результаты расчета.

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.