ВАРИАТИВНОСТЬ КАЧЕСТВА ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ С МОРСКИМ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН В СИСТЕМЕ INMARSAT

ЭКОНОМИКА
УДК 621.396.946
ВАРИАТИВНОСТЬ КАЧЕСТВА ОБМЕНА ИНФОРМАЦИЕЙ С МОРСКИМ
ОБЪЕКТОМ ЧЕРЕЗ СПУТНИКИ С АДАПТИВНОЙ ДИАГРАММОЙ
НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕНН В СИСТЕМЕ INMARSAT
Росторгуева Н.Ю., к.т.н., ст. преподаватель, ГМУ им адм. Ф.Ф.Ушакова, e-mail: rostorgueva.nata@mail.ru
Юсупов Л.Н., к.т.н., доцент, ГМУ им адм. Ф.Ф.Ушакова, e-mail: leonid.radio@mail.ru
В статье рассмотрены особенности радиосвязи через спутники INMARSAT, формирующие глобальный и региональные лучи диаграммы
направленности антенны. Построены зависимости изменения достоверности информации в канале радиосвязи в зависимости от пропускной
способности и мощности излучения. Сделаны выводы и даны рекомендации для практической радиосвязи через такие спутники.
Ключевые слова: радиосвязь; спутники; зона обслуживания; диаграмма направленности; пропускная способность.
VARIABILITY IN THE QUALITY OF INFORMATION EXCHANGE FROM
OFFSHORE FACILITIES VIA SATELLITE WITH ADAPTIVE RADIATION PATTERN
OF ANTENNAS IN THE INMARSAT SYSTEM
Rostorgueva N., Ph.D., head lecturer, Admiral Ushakov State Maritime University
Yusupov L., Ph.D., the assistant professor, Admiral Ushakov State Maritime University
The paper describes the features of satellite radio INMARSAT, the emerging global and regional beams of the antenna. The dependencies
change data within the radio channel based on the bandwidth and output power. The conclusions and recommendations for practical radio via
such satellites.
Keywords: radio, satellites, service area, the radiation pattern, bandwidth.
Безопасность мореплавания является важнейшим условием эксплуатации морских судов. Для её обеспечения принимается комплекс
организационно-технических решений, в первую очередь, Комитета по безопасности ИМО, Морского регистра судоходства и Международного союза электросвязи, касающиеся радиосредств. Важное место в системе мер занимают вопросы высокоточных навигационных
измерений и надежности обсервации [1]. Помимо спутниковых навигационных систем на флоте широко используются и другие космические радиотехнические комплексы, предназначенные как для телеметрии, так и обмена речевой информацией в целях безопасности
мореплавания.
Системы радиосвязи, использующие искусственные спутники Земли (ИСЗ), широко вошли в повседневную практику не только профессионального радиообмена, например, для мониторинга состояния судна [2], но и частного обмена информацией. Существуют различные
спутниковые системы, предоставляющие широкий набор услуг радиосвязи: INMARSAT, GLOBALSTAR, THURAYA, ICO, IRIDIUM,
ORBCOMM и ряд других. Учитывая, что удельный вес системы INMARSAT гораздо выше остальных, а также то, что она создавалась, в
первую очередь, как морская и функционирует официально в рамках Международной морской организации (ИМО), рассмотрим особенности её функционирования.
На сегодняшний день спутниковая группировка INMARSAT представлена как новыми спутниками 4-го поколения, запуск которых
начался с 2005 года и рассчитанных по данным ФГУП «Морсвязьспутник» на эксплуатацию до 2023 года, так и спутниками предыдущего
3-го поколения, срок эксплуатации которых заканчивается к 2018 году, а услуги, предоставляемые ими, будут доступны до 2016 года.
Следует отметить важную особенность: начиная с 3-го поколения, антенны спутников имеют сложную диаграмму направленности, формирующую глобальный, зональные и региональные (спутники 4-го поколения) лучи. Остановимся на зональных лучах концентрирующихся
в районах наибольшей активности пользователей для обеспечения бесперебойной работы системы и позволяющих создавать абонентские
терминалы меньшего размера.
Каждый спутник третьего поколения может формировать диаграмму направленности антенны, имеющую один глобальный и до 7
зональных лучей. Количество задействованных лучей напрямую зависит от интенсивности использования связи. По мере повышения
интенсивности поступающих из определенного района вызовов, спутник может перераспределять энергию между своими зональными
лучами или выделять несколько дополнительных лучей на работу с этим регионом, увеличивая пропускную способность за счет ее
уменьшения в другом луче, динамически меняя, таким образом, информационную и энергетическую нагрузку. Технология зональных
лучей позволяет значительно уменьшить массу и габариты пользовательских спутниковых терминалов, не ухудшая при этом качества их
работы. Максимальное значение эффективной изотропной излучаемой мощности в обслуживаемой области зонального луча для каждого
спутника может достигать 48 дБВт [3].
В этой связи представляет интерес провести анализ влияния перераспределения энергетического ресурса радиопередающего оборудования спутников третьего поколения и различной пропускной способности канала связи на качество обмена информацией, оцениваемое
помехоустойчивостью радиоканала.
Весь спектр сервиса, предоставляемого системой INMARSAT, подразделяется на ряд стандартов, иногда называемых, сетью или услугой.
Каждый стандарт рассчитан на определенную группу пользователей. Для морской отрасли разработан и успешно применяется стандарт
INMARSAT FLEET ставший мощным интегрированным в морское радиооборудование средством, позволяющим удовлетворить самые
разные потребности в связи. Система предназначена для диспетчерской работы и судоходного менеджмента, диагностики и телемедицины
на борту в режиме видео “хранение-отправка”, удаленного обмена и аналитической обработки информации, обмена конфиденциальной
информации специальных служб и проведения закрытых видеоконференций. Используя одни и те же спутники, стандарты различаются
частотно-модуляционными параметрами.
Разберем поставленную задачу на примере INMARSAT FLEET F77, как основной услуги системы FLEET. Для передачи информации
этот стандарт (как и некоторые другие) использует 4-х позиционную квадратурную фазовую модуляцию (4QPSK; Quadrature Phase Shift
Keying) в классе излучения 20K0G1D и 16-позиционную квадратурно-амплитудную модуляцию (16QAM; Quadrature Amplitude Modulation),
класс излучения 40K0G1D. При фазовой модуляции помехоустойчивость выше, чем при амплитудной, поскольку вдоль трассы распространения радиоволн амплитуда радиосигнала подвергается сильному изменению как быстро меняющимися внешними процессами, так
и медленными. Это замечание особенно существенно, поскольку протяженность трассы между двумя наземными объектами радиосвязи
посредством INMARSAT составляет более 70 тысяч километров. Поэтому остановимся на анализе помехоустойчивости канала связи с
применением QPSK модуляции.
TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №4 2014 | 3
ЭКОНОМИКА
Рассмотрим модель связи посредством одного зонального луча спутника INMARSAT 3-го поколения, с динамически перераспределяемой мощностью излучения радиопередатчиком спутника между зональными лучами и исследуем, как изменяется помехоустойчивость
для разной пропускной способности радиоканала. Для простоты ограничимся односторонней радиосвязью. На рисунке 1 приведена схема
исследуемой модели канала связи.
Рис.1. Схема взаимодействия объектов модели
Будем считать, что подвижный земной объект – это судно, за которым осуществляется радионаблюдение, а стационарный – наземная служба радиомониторинга. Предполагается, что на судне имеется система датчиков, осуществляющих контроль технических параметров агрегатов самого судна, груза или иных средств по решению соответствующей Администрации. Телеметрическая
информация передается с помощью судовой станции системы INMARSAT в службу радиомониторинга. Радиопередача может быть
осуществлена в автоматическом режиме непрерывно, через фиксированные промежутки времени, либо по запросу с береговой
станции указанной выше службы (двунаправленный канал связи).
Реализация поставленной задачи основана на составлении уравнения радиопередачи от источника информации до точки её приема
с учетом отношения сигнал/шум на входе приемных устройств канала связи и решения этого уравнения относительно исследуемых
параметров [4, 5]. В обобщенном виде в соответствии с рис.1, уравнение радиопередачи от передатчика 1 до приемника 2 (канал
связи «вверх») имеет следующий вид:
Р2 =
P1 ⋅ G1 ⋅ G2 ⋅ p1 ⋅ p2
L0 ⋅ L
,
(1)
где: P1 – мощность излучения радиопередатчика;
P2 – мощность сигнала в точке антенны радиоприемника;
G1 – коэффициент усиления антенны радиопередатчика;
G2 – коэффициент усиления антенны радиоприемника;
p1 и p2 – коэффициенты передачи, учитывающие потери в фидерах передатчика и приемника, соответственно;
L0 – ослабление мощности передатчика вдоль трассы распространения радиоволн (РРВ) без потерь;
L – дополнительное ослабление мощности передатчика вдоль трассы РРВ с потерями.
Аналогичное уравнение только с соответствующими индексами может быть записано для канала связи «вниз», где радиопередатчик находится на ИСЗ (2), а радиоприемник – на стационарном объекте 3. Эти уравнения идеализированы, поскольку не учитывают
шумовые параметры среды РРВ и используемого радиоэлектронного оборудования, которые совместно с энергетическими снижают
качество передачи информации в канале радиосвязи.
Количественным параметром оценки качества канала связи является достоверность передачи информации, равная отношению
правильно принятых бит цифрового сигнала к общему количеству переданных в единицу времени. Отмеченные выше негативные
факторы приводят к появлению ошибок радиоприема с вероятностью Рош, связанной с результирующим отношением сигнал/помеха
(q) по напряжению следующей зависимостью:
q = arcF (1 − P ош )
,
(2)
где F(1-Pош) – интеграл ошибок. Таким образом, задача сводится к расчету отношения сигнал/помеха в спутниковом канале связи.
Отношение мощностей полезного сигнала и каждого из источников помех в сумме и определяют искомый параметр [5]:
1
1
1
1
= 2+ 2+
2
2
q
q3
q2
q2 инт
где:
q2
q3
,
(3)
2
- отношение сигнал/шум по мощности на входе приемника 3;
2
– отношение сигнал/шум по мощности на входе приемника ИСЗ;
q2 инт
2
– отношение сигнал/шум по мощности на выходе передатчика ИСЗ, обусловленное интермодуляцией входных сигналов
при многостанционном доступе современных спутниковых каналов связи.
Исходя из принципа функционирования канала связи для реализации заданной достоверности приема информации необходимо,
чтобы соотношение сигнал/помеха у приемных устройств, имеющихся в канале, была выше, чем результирующее подобное отношение. В этой связи из соображений важности передаваемой информации вводятся коэффициент запаса a на линии «вверх» и
коэффициент b на линии «вниз» [5]:
4 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №4 2014 |
ЭКОНОМИКА
a=
q
q2 Σ
2
2
b=
q2
и
q3
q2
,
(4)
2
где 2 Σ – отношение сигнал/помеха на входе приемника ИСЗ, определяемое собственными шумами и помехами интерференционного происхождения, причем
a=
b
b −1
b=
a
a −1 .
и
(5)
Для уменьшения интерференционных искажений в многостанционном канале связи снижают излучаемую мощность до 63% от
максимальной и, если количество точек доступа более двадцати, то подсчитано, что
q2 Σ =
2
2 2
q2
3
.
(6)
В формулах (3…6) числителем является выражение (1), модифицируемое для направлений «земля-спутник» и «спутник-земля».
Источники помех, входящие в формулы (3…6), взаимно независимы и их мощности аддитивно суммируются. Основной вклад в
напряжение помехи вносят тепловые шумы радиооборудования:
PШ = k ⋅ T ⋅ N ⋅ ∆f
,
(7)
где: k – постоянная Больцмана;
Т – температура;
N – коэффициент шума входных каскадов;
D f – полоса пропускания радиоприемного устройства.
Необходимая полоса пропускания радиоприемника определяется видом модуляции, которым, как отмечено выше, является
4QPSK. В этом случае
∆f =
(1,1...1,3) ⋅ R
log 2 M
,
(8)
где: R – скорость передачи информации;
М – позиционность манипуляции сигнала.
Анализируемый режим работы 20K0G1D (фазовая манипуляция; один канал цифровой информации без поднесущей; передача
данных, телеметрия, телеуправление) обеспечивается необходимой полосой частот D f=20 кГц.
Для количественной оценки качества радиосвязи в канале INMARSAT I-3 приняты следующие модели, условия и параметры.
1. Обе наземные станции находятся в зоне радиовидимости одного зонального луча диаграммы направленности спутника
INMARSAT I-3. Поскольку эти спутники формируют семь зональных лучей, покрывая ими ту же территорию, что и глобальный луч,
рассчитана площадь земной поверхности одного зонального луча, диаметр этого «радиопятна», ширина соответствующей диаграммы
направленности антенны и её коэффициент усиления GИСЗ, равный 28 дБ.
2. Поскольку спутники INMARSAT I-3 адаптивно изменяют мощность излучения в каждом зональном луче в зависимости от
загруженности канала, то исследуется влияние на достоверность принимаемой информации изменение мощности излучения радиопередатчиком спутника во всём диапазоне его значений с шагом 1 дБВт при различном числе точек доступа, количество которых в
современных системах связи может достигать нескольких тысяч.
3. Трассы РРВ 1 (протяженность r1) и РРВ 2 (протяженность r2) одинаковы по своим геометрическим, физическим и электродинамическим параметрам. Дополнительное затухание на обеих трассах равно 6 дБ [5].
4. Анализируется 4-х позиционная квадратурная фазовая манипуляция 4QPSK, режим работы – 20K0G1D, ширина полосы про-
D f=20 кГц.
5. Длины волн l на трассе РРВ «вверх» и l
пускания –
на трассе «вниз» равны друг другу: l 1= l 2=0,19 м.
1
2
6. Шумовая температура наземных антенн – 300К.
7. Коэффициент шума входных каскадов N=1.
8. Коэффициенты усиления антенн G наземного оборудования одинаковы и равны 21 дБ [6].
9. Известно, что любая направленная антенна имеет амплитудную диаграмму направленности, спадающую от центра к границе
её ширины. В работе не учитывается неточность ориентации фокальной оси наземной параболической антенны на максимум диаграммы направленности антенны спутника.
Итак, используя уравнения радиопередачи на трассах РРВ «вверх» и «вниз» с учетом замечаний относительно помех и получено
уравнение, позволяющее оценить достоверность D информации в канале INMARSAT I-3:
,
(9)
где: РИСЗ – мощность, излучаемая радиопередатчиком ИСЗ;
р1 и р2 – коэффициенты передачи антенно-фидерных трактов ИСЗ и наземных средств, соответственно;
N – число точек доступа;
b=1,2 – коэффициент запаса отношения сигнал/помеха (5).
На рис.2 представлены графики изменения достоверности информации спутникового канала с адаптируемой диаграммой направленности зонального луча фиксированной ширины в зависимости от эквивалентной изотропной мощности излучения и его
различной пропускной способности.
Поскольку количество точек доступа в современных спутниковых каналах связи исчисляется тысячами, на рис.3 показана более общая
трёхмерная картина зависимости достоверности информации в канале связи от непрерывно изменяющихся пропускной способности и
мощности излучения в произвольных их сочетаниях.
Анализ результатов работы позволяет сделать следующий вывод. В реальной обстановке может возникнуть ситуация, когда в разных
TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №4 2014 | 5
ЭКОНОМИКА
Рис. 2. Достоверность информации как функция мощности излучения ИСЗ и пропускной способности (1…657 каналов) спутниковой
связи INMARSAT I-3
зональных лучах будет иметься крайне неодинаковое количество точек доступа в канал связи. При этом в соответствии с заложенным
алгоритмом существенная часть мощности излучения радиопередатчика спутника будет перераспределена в луч с большим количеством
абонентов, обеспечивая требуемую ситуацией пропускную способность. Но поскольку энергетический потенциал спутниковой станции
ограничен, это вызовет уменьшение мощности излучения в зональном луче с меньшим количеством абонентов.
Рис.3. Взаимосвязь достоверности информации, мощности излучения и пропускной способности спутникового канала связи
INMARSAT I-3
Как видно из рисунков 2 и 3, такое перераспределение мощности излучения неизбежно приведёт к снижению достоверности информации, передаваемой этим каналом, другими словами, к появлению ошибок. Поэтому при появлении ошибок, сомнений в качестве
радиообмена, следует воспользоваться альтернативными видами радиосвязи.
Литература:
1. Авдонькин Д.С., Юсупов Л.Н. Стохастизм навигационных измерений в системах ДГЛОНАСС и DGPS как фактор выбора периода
обсервации. Транспортное дело России. Москва, №2, 2010.
2. М.Б. Солодовников, В.П. Томсон. Технические средства мониторинга транспортных средств. Санкт-Петербург. 2006
3. http://www.inmarsat.ru
4. Дж. Спилкер. Цифровая спутниковая радиосвязь. М. Связь, 1979.
5. Спутниковая радиосвязь и вещание. Справочник. Под ред. Л.Я. Кантора. М. Радио и связь. 1988.
6. Решение ГКРЧ № 10-08-08 от 23 августа 2010 г. Приложение №2.
6 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA | №4 2014 |