Аппаратура передачи данных гидрофизической информации с помощью системы спутниковой связи
Учитывая возможности использования ненаправленных антенн и приемопередатчиков малой мощности, для подвижной связи автономных гидрофизических станции наибольший интерес представляют низкоорбитальные системы.
Представлены некоторые вопросы проектирования, создания, развертывания и применения отечественной низкоорбитальной системы - системы спутниковой связи (ССС) «Гонец», предназначенной для передачи данных и предоставления услуг связи абонентам, расположенным в любой точке земного шара.
Основными областями применения ССС являются: передача текстовых сообщений; мониторинг состояния и местоположения подвижных объектов; экологический, промышленный и научный мониторинг.
Услуги и области использования системы "Гонец-Д1" ориентированы в основном на региональное (групповое) обслуживание, т.е. основной объем графика, составляют сообщения между пользователями, находящимися внутри определенного региона. Протяженность региона составляет около 4000 км. Связью в регионе управляет региональная станция. В одном регионе может располагаться одна или несколько региональных станций, которые обслуживают свои ведомственные сети
Региональная станция в выделенное для ее работы время организовывает групповой сеанс связи. При этом становится возможной оперативная связь между абонентами данного региона. Региональная станция может организовать обслуживание определенных групп абонентов, например, сбор информации с измерительных систем, сбор информации о местоположении транспортных средств. По принципу региональной связи может быть организована связь между морскими судами, при этом региональная станция этой сети размещается на берегу или на одном из судов.
Предлагаемая полезная модель аппаратуры передачи данных (АПД) предназначена для передачи информации между выносной частью (ВЧ) (автономными гидрофизическими станциями (АТС)) и стационарной (береговой/бортовой) частью гидрофизического комплекса (ГФК). АПД входит в состав оборудования устанавливаемой на АТС. Передача данных осуществляется посредством абонентского терминала (AT) низкоорбитальной спутниковой системы связи «Гонец».
Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств гидрофизических исследований, при реализации автономных систем сбора и передачи гидрофизической и экологической информации.
Для проведения долговременных наблюдений в океане использовались гидрофизические комплексы (ГФК) в составе автономных станции, в том числе буйковых станций, результаты измерений которых передавались на береговой стационар с помощью радиопередающих систем.
Известна, автономная станция для зондирования параметров водной среды принятая в качестве прототипа [Вольфсон Л.М., Прошкин С.Г., Юрченко В.А. Автономная позиционная станция для зондирования водной среды по глубине, способ определения параметров водной среды этой станцией и способ передачи ею измеренных параметров, патент №2096247, МПК В63В 22/06, 1997], содержащая контейнер с комплектом измерительных модулей, аппаратурой передачи данных гидрофизической информации, выполненной с аппаратурой радиосвязи, бортовой системой управления и системой электропитания. В состав аппаратуры передачи данных входят: узлы, и блоки где производятся различные преобразования сигналов предназначенных для дальнейшей передачи по радиоканалу, блок приема-передачи, антенно-фидерное устройство.
Недостатком применяемой здесь системы обычной радиосвязи является ограниченность дальности радиосвязи (до сотни километров), определяемая мощностью используемого передатчика, которая ограничена емкостью источника питания автономной станции, а также чувствительностью приемника. Качественное увеличение дальности радиосвязи автономных гидрофизических станции (АГС) в настоящее время связано с внедрением системы спутниковой связи (ССС).
Системы мобильной спутниковой связи появились немногим более 20 лет назад, т.е. намного позднее, чем системы обычной радиосвязи. Причиной тому ряд факторов, в первую очередь низкая энерговооруженность подвижных объектов и более сложные условия эксплуатации (влияние рельефа местности, ограничения по весу приемо-передающих устройств и размерам антенных систем). Первоначально мобильные земные станции разрабатывались для использования в специализированных системах (морских, воздушных, автомобильных и железнодорожных), построенных на базе геостационарных космических аппаратов (КА). Для передачи информации применялись аналоговые методы модуляции. В настоящее время в мире насчитывается более 30 национальных и международных (региональных и глобальных) проектов, основанных на использовании низких, средних и высоких (геостационарных) орбит. Наиболее известны Globalstar, Iridium, Orbkomm, ICO, Odyssey, Ellipso, Гонец, Сигнал.
Качественный скачок в развитии спутниковой связи произошел после появления первых проектов цифровых спутниковых систем на базе КА, функционирующих на средних и низких орбитах. Это позволяло использовать сравнительно дешевые малогабаритные терминалы и небольшие антенны.
Учитывая возможности использования ненаправленных антенн и приемопередатчиков малой мощности, для подвижной связи автономных гидрофизических станции наибольший интерес представляют низкоорбитальные системы.
Известна, космическая система «КУРС» [Селиванов А., Рогальский В., Дедов Н. Космическая система сбора природоресурсных данных с наземных платформ и определения их местоположения «КУРС». «СТА», 3/97], предназначенная для сбора метеорологических и экологической данных с платформ с одновременным определением их местоположения.
Основным недостатком системы «КУРС» является малый размер передаваемого сообщения (максимальный размер 240 бит), малое количество КА (до 2) и в связи с этим не известен алгоритм оперативной доставки информации до абонента, а также принцип построения аппаратуры передачи данных. Как видно из содержания работы основным предназначением системы «КУРС» является определение местоположения, что в настоящее время с появлением космической навигационной системы «ГЛОНАСС» не является актуальным. Испытания системы «КУРС» проводились с использованием различных типов радиомаяков, объем передаваемой информации составлял 144 бит в течение отдельного сеанса, что явно недостаточно для передачи гидрофизической информации с автономных станции.
Ниже представлена отечественная низкоорбитальная система, принятая в качестве прототипа - система спутниковой связи (ССС) «Гонец-Д1» [Малашенко А.Е., Погорянский А.Г., Чучелимов В.И. Многофункциональная система персональной спутниковой связи «Гонец»., Морские исследования и технологии изучения природы Мирового океана, вып.1, Южно-Сахалинск, 2005 г.], предназначенной для передачи данных и предоставления услуг связи абонентам, расположенным в любой точке земного шара.
Основными областями применения ССС являются: передача текстовых сообщений; мониторинг состояния и местоположения подвижных объектов; экологический, промышленный и научный мониторинг.
Услуги и области использования системы «Гонец-Д1», далее система «Гонец», ориентированы в основном на региональное (групповое) обслуживание, т.е. основной объем трафика, составляют сообщения между пользователями, находящимися внутри определенного региона. Протяженность региона составляет около 4000 км. Связью в регионе управляет региональная станция. В одном регионе может располагаться одна или несколько региональных станций, которые обслуживают свои ведомственные сети (фиг.1).
Здесь: 1 - группировка спутников «Гонец»; 2 - региональная станция; 3 - абонентские терминалы; 4 - телефоны общего пользования.
Региональная станция в выделенное для ее работы время организовывает групповой сеанс связи. При этом становится возможной оперативная связь между абонентами данного региона. Региональная станция может организовать обслуживание определенных групп абонентов, например, сбор информации с измерительных систем, сбор информации о местоположении транспортных средств. По принципу региональной связи может быть организована связь между морскими судами, при этом региональная станция этой сети размещается на берегу или на одном из судов.
Наряду с ориентацией системы на региональное обслуживание даже один спутник системы обеспечивает глобальность обслуживания, т.е. передачу сообщений от одного абонента к другому при их расположении в разных регионах земного шара
При невысоких требованиях к оперативности (до нескольких часов) доставка осуществляется в режиме "электронная почта". Переданное на спутник сообщение запоминается и передается получателю, когда он появится в зоне радиовидимости этого спутника.
Срочная доставка по межрегиональным маршрутам может производиться с использованием каналов других систем связи. В этом случае сообщение, доставленное спутником на региональную станцию, может передаваться далее по телефонным сетям общего пользования, выделенным сетям передачи данных, через станции, фиксированной спутниковой связи.
Абонентский терминал (AT) представляет собой портативную приемопередающую станцию с антенно-фидерным устройством. AT обеспечивает прямой доступ к спутниковым каналам, т.е. непосредственно общается со спутниками, находящимися в зоне радиовидимости. Связь со спутником устанавливается автоматически без участия оператора. Основной составной частью AT является блок приема - передачи (БПП), который по интерфейсному кабелю может быть соединен с внешним информационным устройством (ВУ). Для соединения антенн с БПП используются кабели снижения. Электропитание БПП обеспечивается с помощью кабеля питания от источника постоянного тока напряжением 12 В. Модуль сопряжения (МС) между AT и ВУ обеспечивает передачу и прием сообщений между AT и ВУ.
Блок приема-передачи представляет собой спутниковый радиомодем и обеспечивает обмен информацией с ВИС, преобразование информации в принятые в системе «Гонец-Д1» форматы и обратно, а также поддержку радиоинтерфейса с бортовым ретрансляционным комплексом КА «Гонец-Д1».
В зависимости от вида обслуживания, предусмотренного в системе "Гонец-Д1", терминал работает с КА в одном из двух режимов: персональном или групповом. В режиме персонального обслуживания сеанс связи с КА организуется терминалом. Выполняемые в сеансе работы определяются планом сеанса. План типового сеанса определяет программное обеспечение (ПО) терминала и может изменяться при вводе терминала в систему. В одном минутном интервале с КА работает один терминал. В режиме группового
обслуживания сеанс связи с КА организуется региональной станцией. Терминалы, обслуживаемые в групповом сеансе, работают по жесткой программе, определенной при вводе терминала в систему. В одном минутном интервале с КА могут работать на передачу до 46 терминалов при объеме передаваемых сообщений до 1 кбит. Один и тот же терминал может работать в персональном и групповом режиме в зависимости от признака обслуживания, включенного региональной станцией в маркерный сигнал КА.
В общем случае порядок работы AT следующий:
подготовленное для передачи информационное сообщение подвергается сжатию, помехоустойчивому кодированию, преобразованию в форматы, принятые в системе «Гонец-Д1» и ставится в очередь на передачу;
при появлении КА «Гонец-Д1» в зоне радиовидимости AT и проведении региональной станцией (PC) запланированного для него сеанса связи это сообщение передается на борт КА с получением квитанции о достоверной записи. При недостоверной записи процедура передачи повторяется до получения положительной квитанции;
в этом же сеансе связи адресат, при его нахождении с отправителем в зоне обслуживания одной и той же PC, должен получить предназначенное ему сообщение. Принятая информация декодируется, восстанавливается из форматов системы «Гонец-Д1», разархивируется и передается в ВУ;
определение координат местоположения AT с заданной периодичностью и их передача осуществляется автоматически после его включения;
при получении сообщений формируется и передается отправителю квитанционное сообщение, подтверждающее достоверный прием информации.
Таким образом ССС «Гонец-Д1» в зоне радиовидимости обеспечивает определение места AT, проведение сеансов связи между адресатом и отправителем, но для проведения сеансов связи между автономными гидрофизическими станциями и береговым стационаром требуется специальная аппаратура - аппаратура передачи гидрофизической информации.
Рассмотрим способ передачи с автономных гидрофизических станции, действующих на поверхности моря, гидрофизической информации с использованием низкоорбитальной спутниковой связи «Гонец», который позволяет увеличить дальность действия радиосвязи до 4000 км.
Для передачи информации с действующих на поверхности моря автономных гидрофизических станции (АГС) на стационар и для управления АГС с помощью спутниковой системы связи «Гонец-Д1» необходима специальная аппаратура передачи данных (АПД).
Предлагаемая полезная модель аппаратуры передачи данных (АПД) предназначена для передачи информации между выносной частью (ВЧ) (автономными гидрофизическими станциями (АГС)) и стационарной (береговой/бортовой) частью гидрофизического комплекса (ГФК). АПД входит в состав оборудования, которое установлено на АГС. В ее состав (фиг.2) входят абонентный терминал (AT), модуль передачи данных (МПД)
модуль сопряжения (МС) и внешнее информационное устройство (ВУ). Передача данных осуществляется посредством абонентского терминала (AT) низкоорбитальной спутниковой системы связи «Гонец». AT, МС и ВУ как было выше рассмотрено входят в состав штатного оборудования ССС «Гонец-Д1». Для управления АГС и съема гидрофизической информации с АГС при помощи ССС «Гонец-Д1» используется модуль передачи данных (МПД), который позволяет использовать МС и ВУ в автономных станциях. Это позволяет широко использовать ССС «Гонец-Д1» в морских экспериментальных исследованиях с применением АГС.
АПД используется в составе автономной гидрофизической станции (АГС) и должен обеспечивать ее функционирование в рабочих режимах. Задачей АПД является управление и контроль работой АГС, а также доведение и сохранение в архив информации передаваемой по спутниковому каналу передачи данных. Задачей МС является автоматическое преобразование протоколов обмена между AT и ВУ.
Структурная схема передачи данных между управляющим абонентским терминалом (УAT) с одной стороны и ВУ с другой стороны представлена на фиг.2.
Здесь: 1 - спутниковый канал связи; 2 - УAT; 3 - космический аппарат (в данном случае низкоорбитальный спутник системы «Гонец-Д1»); 4 - АТ; 5 - ВУ; 6 - МС; 7 - МПД; 8 - АПД.
Структурная схема МПД, т.е. структурная схема взаимодействия МС и ВУ, реализованная аппаратно представлена на фиг.3.
Здесь: 5 - ВУ; 6 - МС; 7 - МПД; 9 - режим ожидания (РО); 10 - запрос на обслуживание (ЗО); 11 - квитанция на ЗО; 12 - информационное сообщение (ИС); 13 - квитанция на ИС; 14 - приказ (ПР); 15 - квитанция ПР.
Алгоритм функционирования МПД (т.е. взаимодействия МС и ВУ) представлен на фиг.4.
Рассмотрим алгоритм работы МПД, который позволяет МС и ВУ использовать в автономных станциях. Внешнее устройство (ВУ) находится в режиме ожидания (РО) (9) запроса на обслуживание (ЗО) (10) от модуля сопряжения (МС) (6). Если ВУ (5) сформировал информационное сообщение (ИС) (12), которое ему нужно передать в модуль сопряжения (МС) (6), то сначала ВУ (5) должен проверить, не выдает ли МС (6) запрос на обслуживание (ЗО) (10) для передачи приказа (ПР) (14). Если МС (6) молчит тогда, ВУ (5) формирует свой запрос на обслуживание (ЗО) (10) на что МС (6), по получении ЗО (10) от ВУ (5), должен сформировать квитанцию на запрос об обслуживании (КЗО) (11) и отправить ее ВУ (5) при этом сам должен перейти в режим ожидания приема ИС (12). Если ВУ (5) получил КЗО (11), он начинает передачу ИС (12), если нет, ВУ (5) снова отправляет ЗО (10) МС (6) до тех пор, пока не получит КЗО (11). Когда МС (6) примет ИС (12) от ВУ (5) и проверит ИС (12) на целостность, он сформирует и отправит ВУ (5) квитанцию на информационное сообщение (КИС) (13), если ВУ (5) получит КИС (13), то ИС (12) считается переданным и ВУ (5)
переходит в РО (9), в противном случае ему снова придется, проходит все этапы, начиная с ЗО (10).
Теперь рассмотрим вариант, если ВУ (5) проверяя, нет ли ЗО (10) от МС (6), обнаруживает, что ЗО (10) от МС (6) есть. В этом случае ВУ (5) должен будет отложить передачу своего ИС (12) и сформировав положительную квитанцию на запрос об обслуживании (КЗО) (11) отправить ее МС (6), при этом сам должен будет перейти в режим ожидания (9) приема приказа (ПР) (14). Нужно отметить, что МС (6) будет реагировать на ЗО (10) от ВУ (5) таким же образом и при получении ЗО (10) отправит КЗО (11) ВУ (5) и перейдет в режим ожидания ИС (12). Если МС (6) получил КЗО (11), он начинает передачу ПР (14), если нет, МС (6) снова отправляет ЗО (10) ВУ (5) до тех пор, пока не получит КЗО (11). Когда ВУ (5) примет ПР (14) от МС (6) и проверит ПР (14) на целостность, он сформирует и отправит МС (6) квитанцию на приказ (КПР) (15), если МС (6) получит КПР (15), то ПР (14) считается переданным и МС (6) переходит в РО (9), в противном случае ему снова придется, проходить все этапы, начиная с ЗО (10).
Также нужно отметить, что в процессе обмена сообщениями между ВУ (5) и МС (6) им потребуется некоторое время задержки (Тз) необходимое для анализа сообщений (ЗО (10), ПР (14), ИС (12)) при их получении и формирования ответных квитанций о получении (КЗО (11), КПР (15), КИС (13)). Время реакции будет состоять из времени переключения (Тпр ) между приемом и отправкой данных занимающее несколько миллисекунд и времени реакции системы (Трс), которое пока трудно подсчитать, так как оно сильно зависит от выбранной алгоритмической реализации. Тем не менее, нужно понимать, что чем меньше будет Tз тем быстрее и с большей эффективностью будет проходить обмен данными. Время задержки (Тз=Тпр+Т рс) очень важный параметр, так как он характеризует время, по истечении которого система решает, что отправленное ею сообщение не дошло до получателя.
Еще один важный момент, который следует отметить, нумерация отправляемых сообщений от ВУ (5) к МС (6) и от МС (6) к ВУ (5). Предлагается ввести раздельную нумерацию сообщений в ВУ (5) и в МС (6), так как в противном случае системам придется тратить лишний ресурс на отслеживание уникальности очередного номера, что в данном протоколе обмена затруднено. Так как система четко может и должна разделять принимаемые и отправляемые сообщения, поэтому даже совпадающие сообщения по нумерации буду отличаться по типу и направлению передачи. Поэтому сообщения ЗО (10) и ИС (12) формируемые ВУ (5) нумеруются от 0 до 255 с шагом один (1 байт) имеют направление передачи в МС (6) и никогда не повторяются, при достижении максимального значения счет начинается с нуля, а сообщения ЗО (10) и ПР (14) формируемые МС (6) нумеруются от 0 до 255 с шагом один (1 байт) имеют направление передачи в
ВУ (5) и никогда не повторяются, при достижении максимального значения счет начинается с нуля. Так как все квитанции (КЗО (11), КПР (15), КИС (13)) выдаются на конкретное сообщение (ЗО (10), ПР (14), ИС (12)) то и номер они имеют того же сообщения, которое они квитируют. Это значит, что все квитанции являются именными. При этом квитанция, всегда имеет, положительное логическое значение, что свидетельствует о корректно понимании сообщения (ЗО (10), ПР (14), ИС (12)), а если сообщение понято некорректно, то оно считается не принятым и квитанция не выдается.
Таким образом, МПД организует процесс приема-передачи информации по спутниковому каналу связи между автономной гидрофизической станцией (АГС) на поверхности моря и управляющим абонентным терминалом (УAT) на стационаре или на обеспечивающем судне.
Аппаратура передачи данных гидрофизической информации с помощью системы спутниковой связи «Гонец-Д1», содержащая абонентный терминал (AT), модуль сопряжения (МС), внешнее информационное устройство (ВУ), отличающаяся тем, что применяется модуль передачи данных (МПД), позволяющий использовать МС и ВУ в АГС.
