Thuraya - арабский феномен

Столь необычное название региональная система спутниковой связи с КА на геостационарной орбите, создаваемая по заказу Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭ), заслужила благодаря уникальной бортовой антенной системе, которая способна «посылать» на земную поверхность большое число «узких» лучей (свыше 250) с изменяемой интенсивностью и конфигурацией областей «освещенности». Излучаемая мощность может гибко перераспределяться между лучами (допускается сосредоточить в любом из них до 20% общей мощности), что обеспечивает гибкое адаптивное изменение пропускной способности ретрансляторов в зависимости от реальной нагрузки в той или иной зоне обслуживания.

Региональная или глобальная

Прежде чем рассмотреть особенности Thuraya, кратко остановимся на причинах создания подобного рода систем.

В глобальных системах с КА на низких орбитах Iridium и Globalstar впервые была реализована идея персональной связи с помощью терминала типа «телефонная трубка». Сегодня огромное число спутников, подобно пчелиному рою, непрерывно кружатся над Землей, «опутывая» ее лучами своих антенн. Низкие орбиты обладают значительным преимуществом (по сравнению с геостационарной) в отношении энергетических характеристик, однако проигрывают по продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Нельзя не упомянуть и еще об одном достоинстве низких орбит: они обеспечивают высокую комфортность связи за счет меньших задержек при распространении сигналов.

Однако первый опыт эксплуатации Iridium и Globalstar показал, что желающих выложить за «телефонную трубку» 1500 долл. и далее регулярно платить по 1,5—2 долл. за минуту разговора в мире не так уж и много. В то же время, по оценкам специалистов, чтобы окупить затраты на создание глобальной системы общей стоимостью 4—5 млрд долл., число ее абонентов должно быть не менее 400—500 тыс.

Дороговизна таких систем имеет глубокие технологические корни: чрезвычайно высока сложность (а значит, и стоимость) их космических и наземных сегментов; кроме того, для глобального охвата нужно немало спутников и наземных станций сопряжения. Немаловажно и то, что для быстрой замены вышедших из строя КА необходимо «держать» в каждой из орбитальных плоскостей как минимум по одному резервному спутнику. Чтобы КА в процессе своего движения не «разбежались» по орбите, требуется их периодическое фазирование, т.е. возвращение в заданную точку орбиты с помощью включения корректирующих двигателей. В противном случае вызванное различными дестабилизирующими факторами изменение положения на орбите вызовет появление на земле «мертвых зон», в которых отсутствует прием. Все это обуславливает высокие эксплуатационные расходы на развертывание орбитальной группировки (ОГ) и ее поддержание в работоспособном состоянии, что, в конечном счете, увеличивает и стоимость услуг.

Но никакие технические трудности не останавливают энтузиастов мобильной спутниковой связи. Они продолжают изыскивать новые пути. Наиболее привлекательны с экономической точки зрения региональные системы с 1—2 КА, расположенными на геостационарной орбите, которые обходятся в 2—5 раз дешевле, чем глобальные. Инвесторов соблазняет и то, что для развертывания региональной сети на начальном этапе требуется минимум оснащения — всего один спутник и один комплект наземного оборудования для контроля и управления работой системы связи.

В настоящее время известны несколько проектов таких систем, среди которых — AceS, «Зеркало-КР» и Thuraya. Опытная эксплуатация ACeS, предназначенной для обслуживания Азиатско-Тихоокеанского региона, уже началась. Близок к завершению и еще один проект — внедрения системы Thuraya с зоной покрытия, включающей 99 стран Европы, Северной и Центральной Африки, Среднего Востока, Центральной Азии и Индии. На покрываемой территории (рис. 1), простирающейся по долготе от 20? з.д. до 100? в.д. и по широте от 20? ю.ш. до 60? с.ш., проживает около 40% мирового населения.

Зона покрытия КА Thuraya 1 (точка стояния 44? в.д.)

Архитектура Thuraya

Система Thuraya структурно разделена на три основных сегмента: космический, пользовательский и наземный сегмент управления (рис. 2). Орбитальная группировка состоит из 1—2 КА, находящихся на геостационарной орбите.

На первом этапе развертывания Thuraya будет работать через один геостационарный КА (Thuraya 1), который планируется вывести в точку стояния 44? в.д. Запуск на орбиту запланирован на II квартал 2000 г. Опытная эксплуатация системы начнется в конце 2000 г. Разработку Thuraya до стадии сдачи «под ключ» (2001 г.) осуществляет компания Hughes Space and Communication (США). В контракт входят создание двух КА, наземного сегмента в минимальном объеме (одна станция управления и сопряжения) и запуск первого из спутников. Точная дата запуска второго спутника Thuraya 2 (25? в.д.) пока не определена.

В состав пользовательского сегмента включены (по результатам оценки потребностей основных групп абонентов данной системы) несколько типов терминалов — портативные, мобильные (возимые), полуфиксированные (Semi-Fixed) и морские.

Абонентские и фидерные линии работают в тех же диапазонах частот, что и в системах Inmarsat и ACeS. Связь организуется в L-диапазоне (ширина полосы 24 МГц) — по абонентским линиям и в C-диапазоне — по фидерным.

Управление работой системы будет осуществляться с центральной земной станции (построена в г. Шардже), называемой в проекте Thuraya первичной станцией сопряжения (PGW, Primary Gateway). В состав PGW входят несколько специализированных земных станций с вынесенными антенными постами. Центр управления и контроля за работоспособностью спутника (SOC) станет обеспечивать обработку телеметрической информации, поступающей с КА по фидерным линиям, и контролировать правильность функционирования всех его подсистем. Для оценки характеристик распространения сигналов в L-диапазоне по линии «вверх» в состав первичной станции сопряжения введена земная станция-радиомаяк (Uplink Beacon Station, UBS).

В наземный сегмент включены также региональные станции сопряжения (СС), работающие в С-диапазоне (их установка контрактом с Hughes не предусмотрена). На первом этапе эксплуатации система Thuraya будет обслуживать абонентов только с помощью первичной станции сопряжения. В дальнейшем, по мере увеличения нагрузки (т.е. числа пользователей), планируется установить независимые региональные СС в разных странах, что позволит сделать тарифную политику более гибкой (за счет сокращения объема международного трафика).

Космический аппарат

Известно, что геостационарный КА может обеспечить услуги персональной связи лишь в том случае, если формируемые им на поверхности Земли зоны обслуживания будут примерно такими же, как зоны, образуемые низкоорбитальными спутниками. Принципиально новыми для мировой практики стали технологии, которые сделали возможным развертывание в космосе многолучевых антенн с рефлекторами больших размеров — диаметром 12 м и более.

Внешний вид КА Thuraya

Для Thuraya компания Hughes разработала уникальную антенную систему с диаметром рефлектора 12,25 м (рис. 3), обеспечивающую формирование 250—300 лучей, узких даже по сравнению с теми, которые образуются аналогичными системами, в том числе AСeS. Это стало возможным благодаря применению на борту цифровой диаграммообразующей схемы, которая также позволяет изменять конфигурацию лучей в зоне покрытия и включать в излучаемый поток дополнительные лучи. Высокая спектральная эффективность достигается за счет 30-кратного повторного использования рабочих частот.

Пропускная способность на один КА (L-диапазон) составляет 13 750 симплексных каналов, что несколько больше, чем в системе ACeS (11 тыс. каналов). По заявлению авторов проекта, полностью развернутая система Thuraya сможет обслуживать не менее 1750 тыс. абонентов.

Бортовой ретранслятор Thuraya обеспечивает организацию прямой связи между мобильными абонентами, работающими через разные лучи. Это очень важно, так как позволяет избежать «двойного скачка» (когда групповой поток сбрасывается вниз, перекоммутируется на земных станциях сопряжения и снова возвращается на борт КА). Связь мобильных абонентов с абонентами сетей общего пользования осуществляется в режиме «прозрачной» ретрансляции, т.е. вся обработка информации выполняется на земной станции. Фактически, происходит групповой перенос спектра частот из L- в С-диапазон частот и обратно.

Высокая энергетическая эффективность ретранслятора Thuraya (запас в абонентской линии достигает 10 дБ) обеспечивается за счет использования не только «узких» лучей, но и высокоэффективной системы электропитания. Ее солнечные батареи дают выходную мощность, равную 13 кВт.

Услуги и терминалы

Персональная связь в системе Thuraya организуется по уже опробованной схеме. В тех районах, где имеются сотовые зоны покрытия, связь обеспечивается наземными сетями, а за их пределами — в спутниковом режиме. В отличие от низкоорбитальных систем Iridium и Globalstar, которые вынуждены поддерживать сопряжение с большим числом разнотипных стандартов, используемых в разных регионах мира (GSM, AMPS, TDMA, CDMA, PDC), региональная связь осуществляется в двух режимах — GSM/Thuraya.

Предполагается, что система будет поддерживать весь спектр стандартных GSM-услуг, включая передачу речи, данных и факсимильных сообщений со скоростью от 2,4 до 9,6 кбит/с. Планируется также предоставлять услуги по определению местоположения (в последние годы это одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений связи) при помощи GPS-приемников с точностью не менее 100 м.

Терминал Thuraya является двухрежимным и совместим с GSM-системами. Качество речи соответствует средней экспертной оценке 3,4 по шкале MOS (Mean Opinion Score). Во всех режимах связи используются стандартные алгоритмы шифрования, применяемые при GSM-связи.

Терминалы типа «телефонная трубка» производства Hughes (а) и Ascom (б).

Базовое абонентское устройство — портативный терминал типа «телефонная трубка» — оснащено антенной, выполненной в виде четырехзаходной спирали. Для его питания используются ионно-литиевые батареи емкостью 650/1200 мАч. Максимальное время разговора в режиме спутниковой связи составляет 2,4 ч (батарея на 650 мАч) или 4 ч (1200 мАч), а в режиме ожидания — 34,1 ч (650 мАч) или 63 ч (1200 мАч). Абонентские устройства для системы Thuraya разработаны двумя производителями оборудования спутниковой связи — Acsom и Hughes Network Systems (рис. 4); по дизайну они практически не отличаются от обычных сотовых GSM-телефонов.

Мобильный терминал, по сути, состоит из портативного терминала и набора дополнительных средств, обеспечивающих его работу в движении. Максимальная излучаемая мощность передатчика — 2 Вт, т.е. она сопоставима с мощностью мобильных GSM-терминалов. Полуфиксированный терминал («таксофон») также будет создан на базе портативного терминала и оснащен средствами для его установки.

Российские горизонты

В последние годы отечественные операторы все чаще прибегают к услугам зарубежных систем. В сетях фиксированной спутниковой связи это обусловлено недостатком пропускной способности отечественных КА. Что же касается персональной спутниковой связи, то, из-за отсутствия конкурентоспособных отечественных систем, иной возможности предоставлять подобного рода услуги у нас пока нет.

Непременными условиями «допуска» зарубежных систем на отечественный рынок являются создание на российской территории национальных станций сопряжения и обеспечение их взаимодействия с существующими сетями общего пользования. В настоящее время российские операторы связи не спешат с принятием решения об использовании Thuraya, хотя большая часть территории стран СНГ попадает в основную зону покрытия системы (см. рис. 1).

По всей видимости, ситуация прояснится к концу 2000 г., когда будут обнародованы окончательные тарифы и система начнет предоставлять реальные услуги. Однако маловероятно, что цены Thuraya будут ниже, чем 1 долл./мин, т.е. ниже тарифов региональной системы AсeS, действующих в Азиатско-Тихоокеанском регионе. И хотя в Thuraya пропускная способность одного КА в 1,25 раза больше, чем в ACeS, суммарная стоимость этого проекта выше на 100 тыс. долл.

Вряд ли следует ожидать радикальных перемен в России в случае использования зарубежных региональных систем Thuraya и AсeS. Одна из причин состоит в том, что они не в полной мере учитывают особенности телекоммуникационной инфраструктуры России и не позволят обслуживать одновременно всю территорию нашей страны — от Калининграда до Камчатки (для данных целей необходимы как минимум два КА, «западный» и «восточный»). Кроме того, что весьма важно, РФ выдвигает определенные требования к системам связи: любая из них должна полностью контролироваться и управляться с российской территории, чтобы обеспечивать обслуживание как коммерческих, так и государственных пользователей.

По инициативе НПО «Кросна» в России уже началась разработка проекта региональной системы персональной связи «Зеркало-КР», ориентированной как на частных, так и государственных пользователей. Система будет использовать геостационарный КА с многолучевыми антеннами L-/S-диапазонов диаметром около 12 м, формирующими 30—40 «узких» лучей.

Очевидно, что в наших экономических условиях главные преимущества региональной системы, по сравнению с глобальной, — существенно меньшие сложность и стоимость разработки. Немаловажен и фактор времени: сегодня можно создать региональную систему с одним геостационарным КА примерно за три года (что подтверждает опыт построения Thuraya). Вместе с тем региональные системы мобильной связи наиболее эффективны лишь на низких и средних широтах, где геостационарный КА виден с земных станций под сравнительно большими углами радиовидимости. В России эти углы существенно меньше, чем, например, в Индонезии или ОАЭ, а следовательно, энергетический запас линии связи будет ниже. Кроме того, система с КА на геостационарной орбите принципиально не сможет обслуживать мобильных абонентов, находящихся в районах, которые расположены выше 70—750 с.ш. На этих широтах самыми эффективными являются системы с КА на низких и средних орбитах.

ОБ АВТОРЕ

Леонид Невдяев (leonn@networld.ru) — ведущий научный сотрудник НИИТП.

Как все начиналось