Проблемы развития низкоорбитальной многофункциональной системы персональной спутниковой связи "Гонец-Д1М"

Космическая деятельность занимает одну из ключевых позиций в геополитике России и является одним из важнейших факторов, определяющих ее статус как страны высоких технологий, играет все более возрастающую роль в обеспечении национальной безопасности, в том числе безопасности жизнедеятельности населения, в экономическом, научном и социальном развитии, в укреплении оборонной мощи [1].

Анализ тенденций развития зарубежных и отечественных космических комплексов (КК) и систем связи и телекоммуникации показал, что в настоящее время на первый план выходят сетевые информационные технологии и их применение в составе орбитальных группировок (ОГ) космических аппаратов (КА), которые рассматриваются уже как совокупности космических информационных узлов (КИУ) сетевой архитектуры, обладающие определёнными информационными и вычислительными ресурсами. Сами КА и их составные части позиционируются уже не как аппаратные решения, а как прикладные процессы [2].

Сетевые информационные технологии обеспечивают достижение потенциальных возможностей космических средств по глобальности и оперативности доступа к информации о любых пространственных объектах в космическом и воздушном пространстве, на суше и море. Открываются новые возможности по организации связи и предоставлению телекоммуникационных услуг широкому кругу пользователей, решению задач координатно-временного и навигационного обеспечения, а также задач фундаментальной и прикладной науки, геофизики, геодезии, картографии и пр.

Для России в существующих геополитических условиях (ограничения по территориальному размещению наземных средств и наличие глобальных интересов в мире) создание подобной сетевой архитектуры возможно только при широком использовании космических средств, при этом глобальность и оперативность могут обеспечить только низкоорбитальные космические комплексы и системы связи [3].

Таким образом, в конце 80-х – начале 90-х гг. была положена идея о создании первой отечественной системы спутниковой связи «Гонец» на базе малых низкоорбитальных космических аппаратов. Построение системы спутниковой связи на базе низкоорбитальных КА определило ряд преимуществ, по сравнению с системой на основе геостационарных КА:

• -    относительно малые высоты снижают требования по энергетике к бортовой аппаратуре, что значительно снижает габариты и вес КА;

• -    абонентские терминалы (АТ) создаются на основе малогабаритных ненаправленных антенн с общей массой от 0,3 до 3 кг;

• -    абонентские терминалы размещаются у пользователей, что даёт им прямой доступ к услугам спутниковых систем связи, обеспечивая возможность глобальной персональной связи.

Космическая система «Гонец» прошла сложный путь развития, который начался с запуска 13 июля 1992 г. двух космических аппаратов «Гонец-Д». Успешная демонстрация возможностей предположенной к созданию системы связи положила начало для её дальнейшего развития.

На российском рынке оказания услуг связи и передачи данных создаваемая отечественная система «Гонец» будет конкурировать с зарубежными системами персональной спутниковой связи «Globalstar», «Iridium», «Inmarsat» и «Turaya», получившими разрешение на оказание услуг связи на территории России – в части предоставления телефонии и передачи данных, с системой «Orbcomm» – в части передачи телеметрической информации вне территории Российской Федерации. Высокий статус систем-конкурентов значительно повышает значимость создания отечественной конкурентоспособной системы связи и передачи данных [4].

Основным назначением системы «Гонец» является предоставление услуг персональной связи и передачи данных подвижным и стационарным абонентам, расположенным в любой точке Земного шара, с преимущественным обслуживанием правительственных учреждений и государственных структур России [5].

Система «Гонец» предоставляет следующие услуги связи и передачи данных:

• -    радиотелефонную связь подвижным и стационарным пользователям, находящимся в зоне радиовидимости одного КА;

• -    обмен сообщениями между наземными средствами пользователей (НСП);

• -    циркулярную передачу сообщений группе наземных средств;

• -    передачу аварийных сообщений от АТ на региональную станцию (РС) или центр управления связным комплексом системы (ЦУСК) «Гонец»;

• -    определение местоположения подвижных пользователей;

• -    автоматизированный сбор данных с датчиков контроля состояния любых объектов, в том числе необслуживаемых, сбор данных о местоположении объектов;

• -    взаимодействие средств потребителей системы «Гонец» с сетью общего пользования, сетью Интернет и другими наземными сетями.

Основными областями применения системы «Гонец» являются:

• -    связь в удалённых регионах с неразвитой инфраструктурой (районы Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока, сельские и труднодоступные регионы и т. п.);

• -    связь в чрезвычайных ситуациях (землетрясения, наводнения, экологические и промышленные катастрофы);

• -    глобальные ведомственные и корпоративные сети передачи данных;

• -    контроль состояния и местоположения подвижных транспортных средств и грузов;

• -    экологический, промышленный и научный мониторинг.

На рис. 1 представлен состав системы «Гонец-Д1М».

Рис. 1. Структурный состав системы «Гонец-Д1М»

Космический комплекс предназначен для развёртывания, поддержания и управления орбитальной группировкой космических аппаратов «Гонец-М» и «Гонец-М1».

Связной комплекс совместно с космическим комплексом предназначен для передачи цифровой информации в пакетном режиме и обеспечения радиотелефонной связи подвижных и стационарных абонентов.

Центр управления системой предназначен для планирования, организации, контроля эксплуатации системы и управления ОГ КА «Гонец-М» и «Гонец-М1».

Наземные средства потребителей предназначены для реализации заданного вида услуг связи в различных условиях эксплуатации и доступа к наземным ресурсам.

Построение ОГ КА оптимизировано для обслуживания России и стран СНГ при времени ожидания до 15 минут и угле места не менее 10о. На рис. 2 показана модель полной орбитальной группировка системы «Гонец-Д1М» из 12 КА «Гонец-М», построенная с помощью специализированного программного обеспечения (Satellite Tool Kit v.6).

На рис. 3 представлены зоны радиовидимости и трассы орбитальной группировки КА «Гонец-М» в штатной комплектации.

В качестве определяющих при выборе оптимального орбитального построения группировки КА низкоорбитальной системы связи, как правило, используется системная характеристика – время ожидания связи с вероятностью: 0,9; 0,8; 0,7. Зависимость времени ожидания от значения широты обслуживания представлена в табл. 1.

Принципы построения системы «Гонец-Д1М», в том числе энергетические характеристики радиолиний и частотный план системы позволяют обслуживать клиентов существующей абонентской сети системы «Гонец-Д1» в диапазоне 0,2/0,3 ГГц, а также абонентов вновь создаваемой сети связи «Гонец-Д1М» в диапазоне 0,3/0,4 ГГц с повышенной пропускной способностью.

Потребительские характеристики системы «Гонец-Д1М», состоящей из 12 КА «Гонец-М» приведены в табл. 2.

С целью дальнейшего сокращения времени ожидания связи в системе и повышения уровня надёжности заданного времени ожидания, при условии сохранения типа используемых орбит, необходимо увеличение количества КА в ОГ и уточнение их размещения по орбитальным плоскостям при условии блочного выведения КА на орбиту.

Разрабатываемая система «Гонец-Д1М» третьего этапа строится на базе КА «Гонец-М1», основные характеристики которого приведены в табл. 3.

ОГ состоит из 24 КА «Гонец-М1» по шесть КА в каждой плоскости на высоте 1500 км с углом наклонения орбиты 82,5о. На рис. 4 показана орбитальная группировка из 24 КА «Гонец-М1» [5].

На рис. 5 представлены трассы орбитальной группировки КА «Гонец-М» в штатной комплектации.

Данное построение орбитальной группировки значительно улучшает параметр времени ожидания от значения широты обслуживания, приведённое в табл. 4.

Рис. 2. 3D-модель орбитальной группировки системы «Гонец-Д1М» из 12 КА «Гонец-М»

Рис. 3. Орбитальная группировка КА «Гонец-М» в штатной комплектации

Таблица 1

Время ожидания сеанса связи для системы из 4 плоскостей по 3 КА в каждой

Широта, град.	Время ожидания сеанса связи, мин.
	Вероятность = 0,9	Вероятность = 0,8	Вероятность = 0,7
0	25,04	19,98	13,54
20	19,47	14,97	8,85
40	17,79	12,04	6,08
50	15,00	8,19	2,17
60	5,64	1,78	0,0
70	3,45	0,0	0,0
80	0,64	0,0	0,0

Примечание : I I – широты территории России.

Таблица 2

Параметр	Значение
Метод доступа в канал	по расписанию и по требованию
Перерыв в связи для РФ, мин. До	15
Время доставки сообщений, мин. До	30
Дуплексные ТЛФ каналы в зоне обслуживания КА	5
Точность определения координат абонента по ГЛОНАСС/GPS, м	10
Точность определения координат абонента средствами МСПСС «Гонец-Д1М»	1000 м
Скорость передачи информации в радиолинии, кбит/с: Земля-КА КА-Земля (РС, АТ) КА-КА	9,6 64 нет
Пропускная способность одного КА, Мбит/сутки до	270
Срок активного существования КА, лет	5
Число терминалов, обслуживаемых в течение 1 мин при размерности сообщений 10 Кбит, шт.	300
Общее число абонентов в системе, тыс. шт.	200

Таблица 3

Параметр	Значение
Пропускная способность КА, Мбит/сутки до	5000
Объем бортового ЗУ, Мбайт	64
Срок активного существования, лет	10
Скорость передачи информации, Кбит/с	9,6-1024
Количество радиотелефонных каналов, шт.	50

Таблица 4

Время ожидания сеанса связи для системы из 4 плоскостей по 6 КА в каждой

Широта, град.	Время ожидания сеанса связи, мин.
	Вероятность = 0,9	Вероятность = 0,8	Вероятность = 0,7
0	7,44	2,8	0,67
20	7,95	3,3	0,89
40	1,23	0,0	0,0
50	0,0	0,0	0,0
60	0,0	0,0	0,0
70	0,0	0,0	0,0
80	0,0	0,0	0,0

Примечание :       – широты территории России.

Потребительские характеристики МСПСС «Гонец-Д1М» с КА «Гонец-М»

Основные характеристики КА «Гонец-М1»

Рис. 4. 3D-модель орбитальной группировки системы «Гонец-Д1М» из 24 КА «Гонец-М1»

Рис. 5. Орбитальная группировка КА «Гонец-М1» в штатной комплектации

Также на показатель времени ожидания сеанса связи системы «Гонец-Д1М» влияет наземная инфраструктура. Региональные станции, в количестве 4-х штук, размещаемые с учётом их радиовидимостей, в г. Москве, г. Железногорске Красноярского края, п. Тикси Республики Саха, г. Южно-Сахалинске, с использованием фидерной линии, позволяют обеспечить 100 % покрытие территории России, включая территориальные воды, а также бо́ льшую часть Европы и Азии. На рис. 6 представлено размещение РС системы «Гонец-Д1М» на территории России [6].

Неотъемлемой частью любой системы связи является абонентское оборудование – абонентский терминал (АТ), с помощью которого пользователь, находящийся в любой точке Земного шара, будет иметь возможность пользования услугами связи, предоставляемыми данной системой. Малогабаритный терминал системы «Гонец-Д1М» является универсальным, но не привязан жёстко к определённым условиям эксплуатации. Абоненту присваивается единый сетевой номер, по которому он может зарегистрироваться на любой из региональных станций или непосредственно на КА (как удалённый пользователь). Связь обеспечивается с помощью малогабаритной антенны, устанавливаемой на подоконнике, на крыше дома, в автомобиле пользователя или в любом подходящем для этого месте [7].

АТ имеет ряд существующих и перспективных модификаций, отличающихся предоставляемыми услугами, а также местами их установки (стационарные помещения подвижные объекты, необслуживаемые датчики контроля).

В статье рассмотрена актуальная задача создания отечественной низкоорбитальной спутниковой системы связи. Проведен анализ характеристик составных частей системы и определены основные направления её дальнейшего развития. Создание национальной системы персональной спутниковой связи на базе низкоорбитальных КА является приоритетным направлением государства для решения широкого круга задач обороны и безопасности, социально-экономического развития России и науки.

Рис. 6. Размещение РС системы «Гонец-Д1М» на территории России