Средства авиационной спутниковой связи

Спутниковые системы связи основаны на использовании ИСЗ в качестве ретрансляторов, что обеспечивает большие рабочие зоны системы, диаметр которых на земной поверхности достигает 10 тысяч километров.

Наибольшее распространение получили ИСЗ-ретрансляторы, находящиеся на геостационарных орбитах. Достоинством таких ИСЗ является их неподвижность относительно земной поверхности и, следовательно, простота наведения и быстрота установления связи. Однако охват земной поверхности зоной обслуживания ограничен в широтном направлении величиной ± 70°.

Для обеспечения связи в полярных и высокоширотных районах необходимо использовать ИСЗ-ретрансляторы, находящиеся на высоко эллиптических орбитах, (что требует большего их числа и затрудняет наведение на них наземных антенн).

Используемые для связи диапазоны волн 1,5/1,6 ГГц и 4/6 ГГц обеспечивают высокую пропускную способность системы, в том числе, канал передачи цифровых данных.

В настоящее время широко эксплуатируется Международная система спутниковой морской связи ИНМАРСАТ, которую предполагается использовать для обеспечения авиационной подвижной спутниковой связи. Созданная в 1979 году с целью удовлетворения потребностей в спутниковой связи на морских судах и безопасности мореплавания, ИНМАРСАТ в настоящее время управляет глобальной спутниковой группировкой, которая используется независимыми сервис-провайдерами для предоставления услуг голосовой, факсимильной телексной и мультимедийной связи для пользователей, находящихся в движении и в районах с отсутствием традиционных видов связи. Продолжая развивать и совершенствовать связь на море, ИНМАРСАТ расширил сферу своего влияния на наземный, автомобильный и авиационный рынки.

Спутники системы ИНМАРСАТ располагаются на геостационарной орбите на высоте 22 223 мили (35 786 км). Каждый спутник покрывает приблизительно третью часть Земли и стратегически расположен над одним из четырех океанов для обеспечения "глобальной всемирной паутины в небе.

Существует несколько вариантов станций связи, каждая из которых отличается друг от друга техническими характеристиками, стоимостью. Рассмотрим только модификации станций, применяемых в авиации.

Inmarsat-D/D+ (Инмарсат-Ди/Ди+). Обеспечивает низкоскоростную передачу данных при помощи терминалов, размером с CD-плеер. Оборудованный приемником GPS, терминал Ди+ является идеальным средством управления транспортными перевозками, передачи коротких сообщений водителю и дистанционного управления, и автономного снятия информации. (Прим. Еще не одобрен и не сертифицирован в РФ.)

Аего-С (Аэро-Си). Услуга по передаче низкоскоростных данных и сообщений о местоположении в авиации. Относительно дешевая услуга по передаче информации с/на борт самолета с одновременным позиционированием. Идеальное средство связи для самолетов, выполняющих рейсы в районах с отсутствием связи. Помимо отчетов о местоположении, Аэро-Си может быть использован для сообщений об изменении погоды и полетного задания, запросов на техническое обслуживание и дозаправку, а также как средство связи для экипажа и пассажиров.

Аего-Н (Аэро-эйЧ). Эксплуатируется с 1990 года, предоставляя услуги голосовой, факсимильной связи и передачи данных на воздушных судах. Обеспечивает связь членов экипажа и пассажиров с любым абонентом. Также используется органами управления воздушным движением,

Аего-I (Aэро-Ай}. Стандарт, обеспечивающий голосовую, факсимильную связь и передачу данных посредством спутников 3-го поколения для малой и средней авиации. Использование технологии зонального луча спутников Инмарсат-З позволило значительно уменьшить размеры, вес и стоимость оборудования.

Аего-L (Аэро-эЛ). Авиационный стандарт, обеспечивающий обмен данными в реальном масштабе времени со скоростью 600 бит/с. Соответствует требованиям по безопасности ИКАО и органов управления воздушным движением.

Aero mini-M (Aэpo мини-эМ). Разработан для небольших корпоративных самолетов и авиации общего назначения для обеспечения голосовой и факсимильной связи, а также передачи данных на скорости 2.4 Кбит/с. Внешняя антенна подключается к терминалу, весящему около 4.5 кг. Наиболее часто используется в районах, находящихся вне досягаемости ОВЧ-связи.

Система ИНМАРСАТ обслуживает три океанических района (Рис. 7.54). В состав системы входят:

- созвездие геостационарных ИСЗ типа "Mari sat", "Mare’s" и "Intelsat MCS" по одному рабочему и двум резервным на район обслуживания;

- береговые станции связи, сопряженные с наземными телефонными и телеграфными сетями. Одна из береговых станций в каждом из океанических районов выполняет роль координирующей станции сети:

- парк корабельных станций пользователя трех классов для обеспечения телефонной или телеграфной симплексной, или дуплексной связи.

Рис. 7.54. Зона покрытия спутниковой системы связи ИНМАРСАТ

За каждой береговой станцией закреплено по 22 телеграфных канала. Количество телефонных каналов зависит от типа ИСЗ, обслуживающего район и они не закрепляются за береговыми станциями.

Кроме того, каждая из береговых станций обладает двусторонним каналом синхронизации, при этом канал синхронизации координирующей станции является общим для всей системы района. Все станции района осуществляют постоянное прослушивание этого канала.

Канал синхронизации необходим для передачи сигналов запроса на соединение с корабельных станций на береговую и вызывных сигналов в обратном направлении. При поступлении запросного сигнала береговая станция назначает номер телеграфного канала и сообщает его координирующей станции, которая извещает пользователя о выбранном канале по общему каналу синхронизации. Номер телефонного канала назначается координирующей станцией по запросу береговой и сообщается по этому же каналу и пользователю и береговой станции. При получении этой информации корабельные и береговые станции настраивают свою аппаратуру на соответствующий канал и осуществляют обмен сообщениями.

Особенность использования системы ИНМАРСАТ для обеспечения авиационной подвижной связи заключается в значительно большей маневренности воздушного судна и жесткими требованиями по аэродинамики конструкции антенн. Это усложняет конструкцию антенн и ухудшает характеристики их направленности, что отрицательно сказывается на энергетическом потенциале радиолинии. Кроме того, частота проведения сеансов связи для целей УВД существенно выше, чем для обеспечения потребностей судовождения, что может привести к перегрузке канала связи.

Спутниковая система авиационной подвижной связи должна обеспечивать передачу цифровых данных и речевой информации.

Системы спутниковой связи (ССС) состоят из двух основных сегментов – космического и наземного.

В состав космического сегмента входят спутники-ретрансляторы, находящиеся на орбитах различной конфигурации и высоты в зависимости от назначения системы

Земной сегмент представляет собой сеть абонентских станций, устанавливаемых у пользователей, и центр управления сетью. На рис. 7.55 приведен внешний вид одного из типов станции спутниковой связи.

Рис. 7.55. Внешний вид станции спутниковой связи

Основные характеристики ССС:

- количество радиочастотных каналов или стволов

- мощность передатчика в каждом канале (стволе)

- количество и размеры зон обслуживания

Системы фиксированной спутниковой связи (СФСС) предназначены для связи с неподвижными земными станциями. СФСС строится на базе спутников-ретрансляторов, запускаемых на геостационарные орбиты.

Системы подвижной спутниковой связи (СПСС) предназначены для связи с подвижными станциями. Т.к. абонентские станции в такой системе должны быть компактными, требуется использование специализированных спутников. Наиболее известной является система ИНМАРСАТ.

Использование спутниковых систем для организации фиксированной и подвижной связи в гражданской авиации является перспективным направлением, внедряемым в рамках концепции CNS/ATM.

Aeronautical Mobile Satellite Service (AMSS – авиационная мобильная спутниковая связь) – система связи, основанная на спутниковой технологии. В этой системе используются спутники, синхронизированные с вращением Земли, находящиеся на геостационарной орбите на высоте 36000 км над экватором.

Воздушное судно, связное оборудование которого носит название "Aircraft Earth Station (AES)", передает сигнал на один из таких спутников. Спутник принимает сигнал с AES, а затем преобразует частоту, усиливает и передает тот же сигнал на землю, которое принимается связным наземным оборудованием, называемым "Ground Earth Station (GES)". В свою очередь, GES передает свой сигнал на спутник. Спутник принимает сигнал с GES, а затем преобразует частоту, усиливает и передает тот же сигнал на AES. Таков принцип связи, используемый в системе AMSS (рис. 7.56).

Рис.7.56. Принцип работы системы AMSS

Главное отличие от существующих систем связи, заключается в том, что геостационарный спутник перекрывает почти третью часть земной поверхности с использованием одной наземной антенны. То есть одна спутниковая система способна охватить связью множество FIR.

Другим отличием является то, что установление связи (речевая и передача данных) будет производится через компьютерные системы. Эти особенности относят систему AMSS к разряду сложных систем. Общий принцип работы системы AMSS представлен на рис. 7.57.

AMSS состоит из четырех компонентов:

- связное оборудование ВС AES;

- спутники;

- наземное оборудование связи GES;

- станция взаимодействия сети (network coordination station NCS).

Существует еще один компонент - командная станция телеметрии и отслеживания (ТТС), которая не включена в саму связь, но занимается контролем и управлением спутниками.

Концептуально система AMSS представлена на рис. 7.57.

Принцип связи в системе AMSS достаточно прост. Радиосигнал на частоте 1,6 ГГц, передается с AES на спутник, где принимается и преобразуется до 4 ГГц. После чего спутник пересылает этот сигнал на GES. Эта часть связи называется "обратным" каналом передачи данных.

Рис. 757. Принцип связи в AMSS

Подобным образом сигнал с частотой 6 ГГц передается с GES на спутник, где он принимается и преобразуется до частоты 1,5 ГГц. Далее измененный сигнал со спутника передается на AES. Данная часть связи носит название "прямой" канал передачи данных.

Двойную часть связи между GES и спутником называются фидерной линией (С-канал: 4/6 ГГц), а двойную часть связи между спутником и AES называют сервисной линией (L-канал: 1,6/1,5 ГГц).

Спутник не выполняет никакой интеллектуальной функции, он играет лишь роль транслятора и преобразователя частоты с L-канала на С-канал (обратный канал передачи данных) и с С-канала на L-канал (прямой канал передачи данных). В зависимости от различий в конструкции антенны на L-канале, различают два различных спутника:

- спутник глобального действия (перекрывает треть территории земной поверхности);

- спутник локального действия.

Связь в системе AMSS классифицируется на четыре категории:

- связь для обслуживания воздушного движения (ATS);

- связь аэронавигационного оперативного контроля (АОС);

- аэронавигационная административная связь (ААС);

- авиационная связь для пассажиров (АРС).

Две первые категории определены ИКАО, как относящиеся к обеспечению безопасности полетов.

В прошлом связь по категориям осуществлялась на различных частотах. Теперь в системе AMSS все четыре категории связи осуществляются на одной частоте, с использованием одной антенны и радиооборудования. Отчасти это связано с высокой ценой спутниковых систем и рядом ограничений на установку космического оборудования на воздушное судно.

Связь между землей и воздушным судном осуществляется на четырех каналах (P, R, T и С), имеющих разные физические характеристики и функции.

P-channel: мультиплексный разделенный по времени канал в пакетном режиме.

Этот канал используется в "прямом" направлении (земля - воздушное судно) для переноса коротких сообщений пользователя. Передача на P-channel происходит постоянно с GES. AES контролирует этот канал в течении всего полета и принимает сигналы, направленные к воздушному судну.

R-channel: канал случайного доступа.

Этот канал используется в "обратном" направлении (воздушное судно - земля) для передачи коротких сообщений пользователя, первоначальных сигналов транзакции и обычных запросных сигналов. AES передает сигнал в импульсном режиме. В обычных ситуациях, каналы P и R должны использоваться для обмена информацией и через них осуществляется связь на каналах Т и С.

T-channel: резервный мультиплексный распределенный по времени канал.

Этот канал используется в "обратном" направлении (воздушное судно - земля) для передачи длинных сообщений пользователя. Сообщение передается в пределах времени, назначенного GES.

C-cannel: канал передачи речевых сообщений.

Этот канал используется в "прямом" и "обратном" направлениях при двусторонней голосовой связи. Частоты (пара частот) для данного канала выбираются из имеющихся частот на GES.

Aircraft Earth Station (AES) состоит из антенного оборудования, малошумящего усилителя и блока частотной развязки (LNA/DIP), усилитель высокой мощности (HPA), разделитель, смеситель, радиочастотный блок (RFU), и блок спутниковых данных (SDU). Расположение этой системы на воздушном судне представлено на рис. 7.58.

Рис. 7.58. Расположение Aircraft Earth Station на ВС

В кабине экипажа устанавливается соответствующие оборудование, позволяющее пилоту осуществлять диалог с диспетчером УВД и определять свое местоположение. Эти станции обеспечивают фидерную связь между наземной и спутниковой сетью. Одна GES (обычно один спутник, плюс резерв) используется для полной сетевой спутниковой координации и называются Станцией Координации Сети (NCS). GES может обеспечивать любое обслуживание, тогда как NCS обычно осуществляет контроль за работой спутника. GES имеет смешанное антенное оборудование, C-band передатчик/приемник, L-band передатчик/приемник и оборудование контроля сети.

Связь на спутнике осуществляется многими элементами и подсистемами, которые часто разделены на функциональные части. Общая структура стабилизированного по трем осям спутника, представлена на рис. 7.59.

Рис. 7.59. Конструкция спутника связи

Виды информации, передаваемой по каналам спутниковой связи:

- передача речи, включая трансляцию радиосвязи и телефонную связь, с высоким приоритетом;

- передача данных, включая трансляцию радиолокационной и радиопеленгационной информации, трафик сети телеграфной связи, трафик ЛВС и прочий трафик технологической сети, в соответствии с установленными приоритетами.

Общие принципы организации спутникового доступа.В настоящее время существуют четыре основные технологии для сетей спутниковой связи. Это SCPC, DAMA, TDMA, TDM/TDMA (TDM/FTDMA). Все они имеют свои достоинства и недостатки, и ни одна из них не является универсальной. Основное различие между ними – способ использования ресурса спутникового ретранслятора. Для повышения эффективности работы во многих современных сетях успешно сочетаются несколько технологий одновременно.