Спутниковые системы персональной связи

возможность построения наземных сотовых систем существует не везде, и альтернативным вариантом — особенно для предоставления телекоммуникационных услуг в труднодоступных районах — является применение спутниковых систем персональной связи (ССПС). Идея построения ССПС состоит в использовании методов сотовой связи, но с размещением ретрансляторов базовых станций в космическом пространстве. В результате зона обслуживания одной станции многократно увеличивается, и появляется возможность создания на базе искусственных спутников Земли (ИСЗ) – космических аппаратов (КА) глобальной системы, обеспечивающей пользователя связью в любой точке планеты. Сочетание наземных и спутниковых систем связи обеспечивают возможность приема и передачи информации в любом регионе Земли.

Спутник находится на устойчивой орбите, если радиальное ускорение, возникающее в результате гравитационного притяжения, равно радиальному ускорению, получаемому спутником из-за искривленной траектории. При этом сила тяжести уравновешивается центробежной силой и наступает равновесное состояние невесомости. Орбиты могут проходить в любом направлении вокруг земной поверхности, если плоскость орбиты проходит через центр Земли. Низколетящие спутники с полярной орбитой и периодом обращения »1,5 ч будут поворачиваться за один период обращения на 22,5⁰. Такая орбита позволяет сканировать всю поверхность Земли за 16 оборотов. Эти орбиты применяются в основном для целей космической разведки и очень ограниченно для телекоммуникаций из-за короткого периода связи и необходимости отслеживания движения ИСЗ в широких пределах.

Спутниковая навигация

GPS (GlobalPositioningSystem) - глобальная система местоопределения (навигации). Толчок к развитию навигации с использованием космических аппаратов дал запуск в СССР первого искусственного спутника Земли (ИСЗ). В любом подобном действии американцы видели угрозу для своей страны. Была поставлена задача следить за советским ИСЗ. Сигнал со спутника принимали на наземном пункте с известными координатами. Появился интерес к обратной задаче: расчет координат приемника на основе принятых со спутника сигналов. В 1964 г. (лаборатория прикладной физики университета Джона Гопкинса) для военных целей была создана спутниковая радионавигационная система первого поколения Transit. Ее целью было обеспечение навигации баллистических ракет Поларис, запускаемых с подводных лодок. Данная система могла обеспечить точное определение координат лишь для стационарных или медленно движущихся объектов. Благодаря высокоточным атомным часам появилась возможность использовать для навигации несколько синхронизированных передатчиков, пересылающих закодированные сигналы. Чтобы рассчитать координаты приемника, необходимо было лишь измерить соответствующие временные задержки сигналов. В то время ВВС США разрабатывали идею использования для целей навигации широкополосных модулированных псевдослучайными шумовыми кодами сигналов. В 1973 году ВМС и ВВС США объединились в общую Навигационную технологическую программу; появилась программа Navstar GPS.

Система глобального позицирования GPS NAVSTAR разработана фирмой Rockwell, к 1993 году система была выведена на проектную мощность. GPS NAVSTAR состоит из космического сегмента (24 искусственных спутника земли, или ИСЗ, на околоземных орбитах), наземного сегмента (станции слежения) и аппаратуры потребителя (GPS-приемники). Орбиты ИСЗ NAVSTAR расположены таким образом, что, имея GPS-приемник, почти на всей территории Земли (~ до 80-х градусов широт) и в течение всех 24 часов можно определить собственное местоположение. GPS-приемники характеризуются крайне малыми габаритами (одноплатные монокристальные схемы, низкопрофильные пассивные ВЧ- антенны), низким энергопотреблением (~1Вт) и невысокой стоимостью (300 - 700 долл.). Для передачи данных от ИСЗ используется шумоподобный сигнал малой мощности. В основу определения координат положен метод триангуляции. Используя специальный алгоритм, GPS-приемник выбирает несколько ИСЗ, пригодных для вычисления своего местоположения в двух- или трехмерной системе координат. Измеряя задержку сигналов, GPS-приемник вычисляет расстояния до каждого из ИСЗ и решает геометрическую задачу, определяя собственное положение как точку пересечения сфер с соответствующими радиусами. Для режима 2D-навигации достаточно устойчивого приема сигналов от 3 ИСЗ; ошибка обычно не превышает 100 метров.

Схематическое изображение спутников GPS-NAVSTAR

Типичный GPS-приемник выполняет решение раз в секунду, имеет интерфейс для связи с внешними устройствами, и работает по стандартному протоколу (NMEA-0183). Чаще всего получаемая от GPS-приемника информация содержит данные о местоположении (координаты в какой-либо геометрической проекции), скорость, курс и время. Наиболее распространенная схема диспетчерской системы представляет собой систему локальной радиосвязи для передачи данных ПО - ДП и программное обеспечение ДП, предназначенное для оперативного отображения обстановки. В некоторых GPS используется принцип "селективного доступа", когда все функции системы предоставляются только избранным государственным службам, для остальных пользователей доступны либо часть функций, либо при ограничении доступа ухудшается точность определения местоположения (до сотен метров). Используется также режим "регионального снижения точности" и режим "снижения точности" для гражданских потребителей во время региональных конфликтов или на период угрозы террористических действий. В настоящее время GPS- приемники доступны и относительно дешевы (от 100$).

Сфера применения GPS огромна. GPS используется для навигации судов в туманную погоду, отслеживания транспортировки ценных грузов, точной посадки самолетов, поиска затонувших кораблей и отслеживания опасных айсбергов. Интересна идея использования GPS в качестве источника точного времени при проведении разного рода научных экспериментов. Нельзя недооценить важность GPS и для спасательных служб. GPS полезна для управления автомобильными системами навигации. Имея в автомобиле соответствующее оборудование, вы можете путешествовать по незнакомой местности. Введите координаты назначения, и система сама подскажет, где вам необходимо совершить поворот. GPS- оборудование, установленное на инкассаторской машине, позволит следить за ней на всем пути ее следования. Биологи могут регистрировать ареалы расселения диких животных, маршруты их миграций, численность популяций. В городском хозяйстве GPS может применяться для контроля транспортных потоков, для съемки информации о расположении канализационных или газовых трубопроводов. Археологи и историки могут использовать GPS для поиска и регистрации раскопок исторических мест. Уже сейчас цена неплохого GPS-приемника для многих стала приемлемой.

Ошибки GPS. Задачей дальнометрии является определение расстояние до объекта по временной задержке распространения радиосигнала от него. Используется всем известная со школьной скамьи формула x = V•t (расстояние равно скорости, умноженной на время). Каждый спутник передает радиосигналы с заданной частотой. Для гражданских целей используется частота f₁=1575.42 МГц; для военных - частота f₂=1227,60 МГц. Передаваемый сигнал модулируется псевдослучайным кодом (PRN). Получив сигнал, GPS-приемник определяет временную задержку и, умножая эту цифру на скорость света, вычисляет расстояние до спутника. Чтобы расстояние было вычислено точно, необходима идеальная синхронизация часов на спутнике и в приемнике, что достигается за счет применения атомных часов, находящихся на борту спутника. Устанавливать такие часы в GPS-приемник невозможно. Поэтому для получения точных координат применяют некоторую избыточность в данных. Например, для определения координат используют данные от четырех или более спутников. Получив сигналы от нескольких спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих окружностей и, если такую точку не находит, то компьютер в приемнике начинает корректировать время методом последовательных итераций до тех пор, пока не сведет все измерения к одной точке. Таким образом, чем больше спутников, тем точнее измерение. Стандартные гражданские GPS-приемники могут принимать сигналы от двенадцати спутников одновременно. При этом спутники выведены на орбиту таким образом, чтобы по крайней мере четыре из них приемник "видел". Кроме навигационных сигналов спутники передают на приемник служебную информацию.

Устройства связи и передачи информации. Общие положения, Виды сигналов, среда передачи.
Основные параметры сигналов и каналов связи. Информац объем сигнала и канал. Услов согласов
Структурные схемы линий связи. Основные режимы связи.
Основные типы линий связи. Параметры линий связи. "Длинные" ли­нии связи.
Режимы работы (согласования) линий связи.
Пропускная способность каналов связи. Соотношения Шеннона и Найквиста.
Кодирование и модуляция. Общие положения.
Дискретизация и квантование.
Непрерывная и дискретная модуляция. Общие сведения.
Типы аналоговой модуляции.
Импульсная модуляция сигналов.
Декодирование и демодуляция. Общие положения.
Передача аналоговых сигналов в цифровой форме. Интерполяция.
Физическое кодирование. Характеристика кодов NRZ, AMI.
Физическое кодирование. Код Манчестер, бифазный код.
Логическое кодирование. Применение избыточных кодов. Скремблирование.
Исправление ошибок. Код Хемминга (7,4). Исправление ошибок мето­дом чередования.
Интерфейсы. Общие понятия. Классификация интерфейсов по струк­туре соединения ФБ.
Полносвязный и последовательн (линия) типы интерфейсов. Струк­турн схема, параметры
Топология "Шина". Структурная схема, параметры, особенности.
Топология "Кольцо". Структурная схема, параметры, особенности.
Топология "Звезда". Структурная схема, параметры, особенности
Классификация интерфейсов по способу передачи.
Интерфейсы с синхронной и асинхронной передачей данных
Основные способы передачи данных. Обмен в режиме прерывании программы.
Программно-управляемая передача данных.
Режим прямого доступа к памяти.
Частотное уплотнение в информационных сетях.
Временное уплотнение в информационных сетях.
Системы связи с разделением каналов по коду.
Форматы информационных пакетов. Сети с коммутацией пакетов.
Управление обменом в информационных сетях. Методы с детермини­рованным доступом.
Управление обменом в информационных сетях. Методы со случайным доступом.
Управление обменом в сетях типа "звезда".
Управление обменом в сетях типа "шина". Критерий одновременности событий.
Управление обменом в сетях типа "кольцо".
Основные параметры интерфейсных интегральных схем. Типы выход­ных каскадов.
Защита от импульсных перегрузок. Схемотехника защиты входных цепей интерфейсных ИС
Шинные формирователи. Порты ввода-вывода.
Параллельный и последовательный интерфейсы. Общие сведения.
Стандартные интерфейсы устройств связи и передачи информации. Интерфейс VME.
Стандартные интерфейсы. Интерфейс Multibus.
Стандартные интерфейсы. Интерфейс Futurebus.
Шина сопряжения стандарта GPIB.
Последовательные интерфейсы. Интерфейсы типа RS-xxx.
Последовательный интерфейс RS-232.
Последовательные интерфейсы RS-422 и RS-485.
Последовательная шина I2С.
Последовательный интерфейс SPI.
Универсальная последовательная шина USB.
Однопроводная шина 1-Wire. Паразитное питание.
Интерфейс CAN. Побитовый арбитраж.
Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Энергетический баланс канала связи с ВОЛС.
Локальные вычислительные сети. Общие понятия. Компоненты ло­кальной сети.
Топологии локальных вычислительных сетей.
Способы повышения надежности систем связи. Кластерные системы.
Типовой состав оборудования локальной сети.
Спутниковые системы передачи информации. Принцип работы CPS.