Спутниковая связь против экологических катастроф? Решение дешевле и проще чем вы думаете
В одной из прошлых своих статей я делал обзор микроконтроллеров, а сегодня речь пойдёт о модуле, который поможет им спасти мир. Ну, во всяком случае, от экологических катастроф. Хитроумные датчики на основе микроконтроллеров способны сегодня на многое. Они умеют контролировать уровень воды, определять степень её загрязнения, распознавать подозрительный шум в турбинах, оценивать малейшие отклонения ориентации и даже опасный уровень напряжения в конструкциях зданий и сооружений… На основе результатов их работы можно с большой вероятностью предсказать нарастающую опасность возникновения экологической катастрофы. Есть, однако, серьёзная проблема — катастрофы имеют обыкновение происходить неожиданно и зарождаться в отдалённых безлюдных местах, порой не охваченных даже сотовой связью. Передать сигнал тревоги в таких условиях бывает совсем не просто. На помощь в таких случаях приходит спутниковая связь. «Но ведь это очень сложно и дорого» — скажете вы.
Года три назад я считал так же, пока не столкнулся в ходе одного из своих проектов с элегантным и недорогим решением проблемы. Оказывается уже давно существует достаточно доступный модуль, на основе которого можно создать автономный спутниковый передатчик. Одного комплекта батареек будет достаточно для поддержания устройства в работоспособном состоянии в течении длительного периода времени — от нескольких месяцев до нескольких лет.
Если есть желание познакомиться с темой поближе и не жалко потратить десяток минут своего драгоценного времени — милости прошу под кат.
Сегодня повествование пойдёт о весьма удивительной истории создания симплексного спутникового модема STX3 и особенностях процесса передачи сигнала, которые позволяют ему экономить электроэнергию и гарантировать доставку сообщений из любой точки земного шара с очень высокой вероятностью. Чтобы читать было веселее, расскажу и правдивую байку о том, как находчивость инженеров, приспособивших вышедшие из строя спутники для передачи сигналов, позволила снизить как цену модема, так и его обслуживания.
Globalstar. Основание
Больше шансов выиграть у того, кто не отчаивается, столкнувшись с неожиданной проблемой, а пытается обратить её влияние себе на пользу
Так совпало, что в далёком 1991 году, когда мы были заняты революционными преобразованиями, на другой стороне земного шара назревала революция совсем другого рода — в области телекоммуникаций. Сотовая связь в то время уже существовала, более того, телефоны, предназначенные для работы в её сетях, стали меньше и легче кирпича, но область покрытия её услугами была настолько мала, что не давала существенных преимуществ перед телефонами спец.связи или радиотелефонами, работающими в коротковолновом диапазоне. В Москве мобильник, в то время, был скорее символом престижа, чем полезным аксессуаром.
Мало кто мог себе представить картину сегодняшних дней, когда не просто голосовая связь, а даже беспроводной интернет доступен почти в каждой отдалённой деревне. На этом фоне перспективы спутниковой телефонии выглядели очень заманчиво и широкое её внедрение сдерживала только необходимость огромных вложений.
Однако, для крупных корпораций и это не было большой проблемой и две из них — Loral Corporation и Qualcomm решили рискнуть. В результате объединения их усилий в 1991 году родилось совместное предприятие, получившее название Globalstar.
Оно занялось разработкой технологий космической связи и поиском инвесторов, готовых вложиться в перспективное направление. Желающих было не мало и уже через три года (24 марта 1994 года) удалось собрать консорциум из восьми компаний. Список отцов сооснователей выглядит очень солидно — Alcatel, AirTouch, Deutsche Aerospace, Hyundai и Vodafone. Стоит ли удивляться, что Globalstar LP (limited partnership), получило прописку в США, а участники рискнули вложить в мероприятие совсем немалые по тем временам деньги — $ 1,8 млрд долларов. На эту сумму Globalstar пообещал ввести в эксплуатацию систему глобальной спутниковой связи уже в 1998 году.
Globalstar. Первый звоночек
На деле, в феврале 1998 года, были запущены лишь первые спутники, кстати, с помощью российских ракетоносителей. В сентябре того же года была произведёна попытка расширить группировку, но российская Советская Космическая Машина дала редкий по тем временам сбой и очередные 12 спутников были утеряны в результате неудачного запуска.
Да, это были годы, когда Россия правила бал на рынке космических коммерческих запусков, но деградация уже началась. Положа руку на сердце, ракетоносители правильнее было бы назвать Советскими, поскольку их разработка и, что ещё более важно, налаживание серийного производства было произведено во времена СССР. В конце девяностых неудачные запуски были большой редкостью, возможно потому, что тогда Роскосмосом руководили профессионалы, а не «эффективные менеджеры» с автоваза и даже не филологи. В конструкторских бюро и сборочном производстве ещё работали специалисты старой закалки. Мифического Дядю Колю, который доподлинно знал в какое место и с какой силой надо пнуть железного коня, чтобы датчик положения встал на своё законное место, ещё не заменил поп с ладаном и кадилом, а дети считали «космонавтами» людей летающих в космос, а не… Однако вложения в новые разработки уже были сведены до минимума, карьера инженера в космической отрасли перестала быть привлекательной для молодёжи, а старые кадры работали практически на голом энтузиазме — принципы не позволяли перейти на более хлебное место — торговать на рынке или переквалифицироваться в менеджеры по оптовой продаже женских колготок.
Достичь полноценной эксплуатации системы в 98 году так и не удалось, но в ноябре таки был произведён первый международный звонок, с использованием уже запущенных спутников. Этот факт воодушевил инвесторов настолько, что они согласились выделить серьёзные дополнительные средства на продолжение проекта. Денег хватило не только на создание новой дюжины спутников взамен утраченных, но и на восемь дополнительных, для резерва. Таким образом, через год после первого звонка, группировку удалось довести до 44 спутников и система наконец смогла заработать, пусть и в режиме ограниченного доступа, обслуживая первых двести абонентов.
В феврале 2000 года количество орбитальных спутников достигло запланированной цифры в 48 единиц и началась полноценная коммерческая эксплуатация.
Globalstar. По пути Иридиума (банкротство)
Это была победа, но она оказалась пирровой. Основные проблемы у консорциума были те же, что и у подавшего годом ранее на банкротство конкурента, детища Motorola — компании Iridium Inc. Банкротство стало прямым следствием низкого уровня продаж услуг спутниковой связи, что исключало возможность выхода на окупаемость даже в отдалённой перспективе. Главными причинами провала продаж стали необоснованно высокие тарифы, превышавшие в несколько раз тарифы уже существовавшей к тому времени спутниковой телефонии от Inmarsat, неверные оценки объёма рынка и главное — недооценка масштабов распространения сотовой связи. В случае Глобалстара, на это наложились расходы с потерей спутников и затраты на создания их резерва на случай повторной неудачи.
Стоимость звонков не позволяла окупить даже текущие расходы, к примеру, минута звонка из Европы в Бразилию в то время составляла 1 доллар 79 центов.
Как результат, в феврале 2002 года Глобалстар вынужден был пойти по пути Iridium и вместе с тремя дочерними компаниями подать добровольное ходатайство о банкротстве, в полном соответствии с главой 11 Кодекса США. Тут следует отметить, что банкротство в США радикально отличается от банкротства в России.
В России банкротство зачастую ассоциируется с насильственным отъёмом собственности, сопровождаемым такими неизбежными атрибутами, как силовой захват офиса, представление в стиле «маски шоу», многомесячное (часто даже многолетнее) пребывание бывшего собственника в местах предварительного заключения, срочный вывод капитала за рубеж, распил и вывоз на металлолом всего, что плохо лежит, сдача помещений в аренду под офисы и т.п. В США это, прежде всего, списание долгов с последующей продажей новому собственнику по символической стоимости, но с определёнными условиями в виде обременения. Поскольку для инвесторов это крайне невыгодно, для таких действий приходится получать разрешение и сделать это бывает ой как не просто, но игра стоит свеч. Новый собственник, получивший компанию в управление без обременительных долгов, имеет возможность быстро вывести её на самоокупаемость и запустить процесс роста. Закрытие предприятия или радикальная смена профиля является скорее исключением, чем правилом.
Болезненный процесс реструктуризации длился целых два года и закончился в 2004.
Высший пилотаж. Извлечение прибыли из неисправного оборудования
Компания наконец снова смогла приступить к активной деятельности, но столкнулась с очередными серьёзными проблемами, на этот раз техническими. От клиентов пошёл быстро возрастающий поток жалоб на ухудшающееся качество связи. Итоги анализа ситуации техническими специалистами были неутешительны.
Выяснилось, что приёмники сигналов, поступающих от абонентов на спутник, работают нормально, а вот передатчики, отправляющие сигналы абоненту, деградируют гораздо быстрее, чем ожидалось. То ли при их разработке не учли в полной мере фактор воздействия космического излучения, то ли неправильно рассчитали тепловой режим, но так или иначе, уровень и качество сигнала стало заметно снижаться. Чтобы справится с этой проблемой компания была вынуждена начать разработку спутников нового поколения, а в качестве пожарной меры, в 2007 году Глобалстар запустил все восемь пылящихся в резерве запасных спутников первого поколения в космос. Разработка спутников нового поколения была завершена к 2010 году, после чего был запущен их поэтапный вывод на орбиту. До 2013 года удалось запустить все 24 спутника второго поколения, что позволило восстановить работу системы сервиса в полном объёме.
Однако перед руководством встал вопрос — как быть со старыми спутниками? С передачей сигналов дела у них складывались совсем скверно, но на малой скорости отправлять данные они были ещё способны, а приёмники вообще работали отлично. Жалко было топить их в океане или наоборот выводить в качестве космического мусора на более высокую орбиту.
Мозговой штурм помог решить проблему очень изящным способом. Сначала были выпущены дуплексные модемы с уменьшенной максимальной скоростью обмена данными до 1200 бод и ниже. Для многих применений этого было достаточно и с учётом того что, как сами модемы, так и поддерживающие их тарифные планы, можно было продавать по демпинговым ценам, спрос на них оказался достаточно высок. Воодушевлённые успехом, инженеры пошли дальше в поисках решения, позволяющего максимально задействовать потенциал частично вышедших из строя спутников.
Вскоре было найдено невероятно красивое решение, поражающее своим минимализмом — в новой серии модемов функция приёма отсутствовала напрочь, а передача одного сообщения ограничена посылкой длиной всего в 9 байт! Так появился SPOT.
SPOT
Для производства и распространения нового изделия была зарегистрирована отдельная торговая марка SPOT. По сути, он работает по принципу, чрезвычайно популярных в 90 годах прошлого столетия и даже начала двухтысячных, но сейчас уже порядком подзабытых, GSM пейджеров, только с некоторыми нюансами, обусловленными особенностями применения спутниковой связи.
Главными его особенностями стали следующие:
- Устройство не имеет канала приёма данных вообще. Оно является так называемым симплексным модемом, способным только отсылать сигналы в космос
- Сигналы передаются очень короткими пакетами размером всего в 9 байт!
- Для того, чтобы гарантировать доставку сигнала до пользователя с высокой вероятностью, используется повторная передача данных через определённые интервалы времени
Что же это дало?
- Благодаря отсутствию приёмника удалось упростить схемотехнику устройства, но главное, существенно снизить его энергопотребление — постоянно работающий приёмник слабого сигнала классического спутникового телефона является главным потребителем энергии
- Короткие сообщения занимают очень мало времени и не создают большого трафика. Это значит, что «одновременно» данные могут передавать большое количество устройств
- Повторение сообщений через заданные интервалы времени позволяет доставить сигнал даже в условиях существенных импульсных помех и неудачного расположения спутника в момент старта передачи
Таким образом, стало возможным организовать передачу данных с вероятностью успешной доставки до получателя выше 99%. При этом, по сути, уже неисправные спутники, стали способны обслуживать огромное количество абонентов. Группировка из 24 новых и большого количества доживающих свой срок старых спутников обеспечивала весьма плотное покрытие земной поверхности.
В сотрудничестве с новым партнёром Axonn LLC, Глобалстару удалось быстро разработать и наладить производство дешёвых симплексных спутниковых модемов. Позже появилась разновидность содержащая в одном корпусе ещё и GPS модуль. На основе этого чипсета создали малогабаритное устройство для путешественников и людей экстремальных профессий, способное передать сигнал бедствия из любой точки земного шара.
На момент начала моей разработки было доступно два симплексных модема. STX3, о котором сегодня пойдёт речь, лежит на моей руке справа.
STX3. Мал да удал
STX3 — чрезвычайно компактное, для спутникового трансивера, устройство. Он стоит того, чтобы поговорить о нём подробнее. Первое, что удивило меня, когда он попал ко мне в руки — малые габариты. На рисунке они указаны в дюймах.
Модем имеет два входа питания. Один для цифровой части, напряжение питания которой может находиться в пределах от 3 до 5 Вольт, при типичный токе потребления в активном режиме менее 3 миллиампер и менее 50 микроампер в режиме ожидания.
Аналоговая часть ВЧ передатчика имеет отдельный вход, на который можно подавать напряжение в диапазоне от двух до пяти Вольт.
Ток потребления в режиме покоя — микроамперы, а в момент передачи высокочастотного сигнала на спутник, при напряжении питания 5 вольт, может достигать 500 мА, но исходя из моей практики, обычно находится в районе трёхсот. Один сеанс передачи пакета данных из 9 бит продолжается примерно 200 миллисекунд. Нетрудно подсчитать, что мощность, потребляемая за время одной посылки данных в космос от батарейки, меньше чем среднее потребление в режиме сна, при условии, что передача данных осуществляется не чаще раза в час.
Заглянем в даташит, чтобы понять каким образом сигнал доходит до адресата. Модем отправляет сообщение в аналоговом формате. Он понятия не имеет сколько спутников находятся в его зоне действия и находится ли вообще хотя бы один.
Сообщение принимает один или несколько спутников и ретранслируют его на спутниковый шлюз. Благодаря тому, что вместе с информацией в каждом сообщении дополнительно посылается его идентификатор и серийный номер модема, аппаратура шлюза удаляет дубли сообщений и перенаправляет полезную информацию на наземную станцию, откуда по сети интернет она приходит либо на электронную почту либо на сервер конечного клиента.
Разбираемся с пакетами, сообщениями и режимами их отправки
Давайте разбираться как отправляются данные, это пожалуй самый сложный и запутанным момент в работе с модемом.
Одной командой можно передать сообщение размером от 1 до 144 байт. Но физически модем отправляет сообщение пакетами, максимальная длина каждого из которых не превышает девяти байт. Для наглядности снова обратимся к даташиту.
Хотите отправить 2 байта — модем упакует их в один пакет из 9 байт, хотите 15 или 18 тоже в два. Максимальное количество пакетов, отправляемое в ходе передачи одного сообщения 144/9=16. Количество пакетов важно знать, если хотите минимизировать расходы времени передачи, а соответственно и ресурс батарей. Мне, в своё время, пришлось немало потрудиться чтобы упаковать в 9 байт данные модуля GPS о местоположении и служебную информацию.
Процесс передачи одного пакета данных в даташите именуется как Birst.
Не имея обратной связи модем не может определить успешно ли прошла передача. Возможно в зоне приёма, в момент отправки данных, нет ни одного спутника и именно в этот момент времени, по вашему каналу на спутник уже начал передачу другой, расположенный по соседству модем… Для того, чтобы повысить вероятность того, что ваше сообщение попадёт к адресату, используются повторные отправки.
Режим отправки настраивается с командой SETUP, имеющей достаточно большую функциональность. В ней задаётся количество повторов, которое может варьироваться в широких пределах — от одного до 30. По умолчанию модем настроен на три повтора. Кроме того, вы можете регулировать время между повторами, причём модем имеет механизм «отстройки» на случай, если два модема начали передачу одновременно и с одинаковым интервалом.
Отправка пакетов модемом производится через псевдослучайные интервалы, а в сетапе вы задаёте минимальное и максимальное время интервала между посылками.
Минимальное время между посылками можно изменять в пределах от 5 до 300 секунд
Максимальное время от 10 до 600 секунд.
При этом максимальное время должно быть хотя бы на пять секунд больше минимального. Если это условие не выполняется, то в реальности максимальное время устанавливается модемом на 5 секунд больше минимального.
Чуть не забыл упомянуть, что время между посылками можно задавать с дискретностью в 5 секунд.
В этой главе осталось прояснить только один момент — ситуацию, когда отправляется сообщение, состоящее из нескольких пакетов. Если посмотреть на рисунок сверху, то создаётся впечатление, что 9 байтные пакеты в пределах одного сообщения отправляются один за другим, практически без пауз. На практике я столкнулся с совсем другой историей. Между передачей 9 байтовых пакетов существует пауза и она равна установленному значению в сетапе. В результате посылка одного сообщения из нескольких пакетов растягивалась на какое-то уж совсем неприличное время.
Вместо послесловия
На сегодня пожалуй достаточно информации. Если статья вызовет интерес, в следующей расскажу о том, как мы создавали свою платформу для сбора данных по BLE интерфейсу и отправки их через спутник. Подробнее остановлюсь на Hardware части проекта и возможных областях применения.
Пока же прошу, дочитавших до конца, принять участие в традиционном для моих статей опросе.
