Сравнение систем космической связи
Друзья, как вы уже знаете, мы на всех парах готовим новый гик-проект — «Сервер в облаках 2.0», или «Космический ЦОД». В двух словах: 12 апреля мы запустим самопальный сервачок на стратостате на высоту около 30 км, будем передавать на него данные через систему космической связи, а с сервера транслировать данные на Землю по радиосвязи.
И сегодня хотим рассказать о трёх системах космической связи, которые протестируем в своём проекте — Iridium, GlobalStar и «Гонец». Для этого мы смонтируем приёмную аппаратуру рядом с нашим заоблачным сервером.
Краткая история
Все три описываемые системы создавались и развёртывались примерно в одно и то же время, в 1990-х. Американская Iridium из них не только самая старая по задумке (работы начаты в 1990-м), но ещё и самая масштабная — изначально планировалось запустить 77 спутников, что соответствует атомному числу иридия, однако сегодня на орбите трудятся 66 спутников (+ 9 резервных). Коммерческая эксплуатация системы началась в 1998-м. Всего за год компания успела разориться, а в 2000-м её активы были выкуплены компанией, действовавшей в интересах Минобороны США. В 2001-м снова начинается коммерческая эксплуатация, в 2009 собственник Iridium снова поменялся. С тех пор эта сеть спутниковой связи вполне себе живёт и здравствует.
GlobalStar тоже была основана в США, хотя в проекте участвуют корпорации из Франции, Англии, Германии и Южной Кореи. Развёртывать спутниковую группировку начали в 1998-м, а в 2000-м GlobalStar запустили в коммерческую эксплуатацию. Здесь тоже не обошлось без банкротства, сеть в начале 2000-х поменяла владельца. Сегодня на орбите трудится 48 спутников GlobalStar (+ 4 резервных).
Российская система «Гонец» — проект изначально не частный, а государственный. Разрабатывать её начали ещё в 1989-м, а запуски первых спутников начались в 1996-м. Изначально планировалось, что группировка будет состоять из 24 спутников, однако сегодня в эксплуатации находится только 12. На ближайшие годы запланирован запуск ещё пары десятков спутников, в том числе на замену устаревающим.
Характеристики и возможности
Iridium
Сейчас скорость передачи данных в идеале достигает у Iridium 352 Кбит/с, а к концу года планируют довести до 704/352 Кбит/с (приём и передача). Но реальные значения, конечно, ниже. При общении голосом качество звука не слишком хорошее, наблюдаются искажения.
В Iridium поддерживается непосредственная связь между спутниками, поэтому формально система может обходиться без многочисленных шлюзовых станций в разных странах для передачи данных в интернет и наземную телефонную сеть, в отличие от GlobalStar, и вместо этого весь трафик через спутниковую сеть передавать на головную шлюзовую станцию, расположенную в США. Однако, вероятно, для надёжности связи, шлюзовые станции всё же строят, правда, не так много.
Телефоны для Iridium одни из самых дорогих на рынке, хотя и отличаются богатой комплектацией и возможностями. Доступны и сотовые модемы, и сотовые устройства для текстового общения (гораздо дешевле голосовой связи). Для передачи данных через Iridium кроме самого телефона нужен компьютер, на который устанавливается фирменное ПО Iridium Data Kit. Услуги связи у этой спутниковой сети стоят выше, чем у конкурентов. Например, годовой ваучер на 250 минут внутри РФ — 28 700 руб., двухмесячный ваучер на 150 минут по всему миру — 17 400 руб. В постоплатных тарифах одна минута разговора от 58 руб., SMS — 22 руб., + абонентская плата от 12 000 руб (менее полугода) и от 3100 руб. (более полугода). И кроме того, компания пока ни с кем не заключает роуминговые соглашения, поэтому SIM-карты GSM-операторов в устройствах Iridium использовать не получится, только «родные».
GlobalStar
Красным показаны спутники Iridium, синим — GlobalStar:
Покрытие связью у GlobalStar скромнее — до 70 o северной и южной широты, то есть приполярные области этой сетью не охватываются. Впрочем, по отзывам, покрытие и на других широтах бывает нестабильно. Хотя если спутник находится в прямой видимости, то проблем со связью у вас не будет. Скорость передачи данных у GlobalStar ниже, чем у Iridium, зато качество звука при голосовой связи сравнимо с разговором по сотовому телефону.
Формально сеть поддерживает стандарты CDMA и GSM, но на практике не все шлюзовые станции работают с GSM, хотя для нашей страны это не актуально. В большинстве стран можно вставлять SIM-карты «обычных» сотовых операторов в телефоны, совместимые с GlobalStar. Устройства для GlobalStar заметно дешевле, чем для Iridium. В продаже есть телефоны разной степени продвинутости, гаджет для текстового общения с механической клавиатурой, хотспоты, трекеры для установки на транспорт или персонального ношения, и многое другое. Абонентская плата отсутствует, а услуги связи стоят меньше, чем у Iridium: например, пакет для звонков по РФ на полгода и 250 минут — 9 800 руб., в постоплатных тарифах минута от 44 руб., SMS — 4 руб., доступ в интернет — от 13 руб.
«Гонец»
На территории России построено 3 шлюзовые станции (и одна планируется), которые связывают спутниковую группировку с интернетом.
Любопытно, что «Гонец» не конкурирует с другими системами в сфере голосовой связи. Вместо этого российский проект специализируется на передаче текстовых сообщений. Для этого нужно приобрести абонентское устройство и антенну, и подключить к ним смартфон, ноутбук или настольный компьютер. Короче, мечта интроверта — всё общение только в чатике и никаких вам неожиданных звонков.
Также «Гонец» предлагает услуги М2М-связи для автоматического мониторинга состояния и снятия телеметрии различных объектов, стационарных и подвижных.
И плюс дополнительные услуги вроде ретрансляции геокоординат транспорта и рассылки оповещений.
Услуги связи в сети оплачиваются на основе абонентской платы — по сути это предоплачиваемые месячные пакеты килобайтов трафика. Например, при нулевой абонентской плате берут по 26 руб. за каждый килобайт переданных данных, и есть целый ряд пакетов от 470 руб. (30 Кб) до 8 650 руб. (2 000 Кб). Плюс по 10 руб за каждое исходящее сообщение на сотовые сети РФ. Каждый килобайт сверх лимита оплачивается отдельно, от 11 до 26 руб.
Что нам выбрать?
Хотелки у нас такие: оснастить «заоблачный» сервер трекером для отслеживания местоположения, и модулем для обмена данными через спутник. Теоретически, эти фичи могут предложить все три сети. Мы уже приобрели модемы Iridium и GlobalStar, а устройство от «Гонца» едет к нам. Мы обязательно расскажем подробнее о нашей системе связи в одной из будущих публикаций.
А пока приглашаем вас принять участие в нашем эксперименте, угадать точку приземления зонда и выиграть главный приз — поездку на Байконур.
История iRidium mobile: от торговли компьютерами к мировому производителю софта для умных домов
Первый факт о компании iRidium mobile: она из Нижнего Тагила. Опустим фольклорную знаменитость этого города — в основном он известен, конечно, благодаря своим металлургическим производствам (легендарный «Уралвагонзавод» тоже оттуда). И это металлургическое окружение сыграло определённую роль в будущем компании iRidium, но об этом позже.
Нижний Тагил: танкоград, родина принципиально новой ОС Дениса Попова и дом iRidium mobile
2006 год. Интернет в каждую школу
История компании началась в 2006 году, когда Сергей Королёв, её основатель, ещё занимался продажей компьютеров. Уральцы могут вспомнить торговую сеть «Квадрат». В «Квадрате» существовало подразделение, занимавшееся развитием кабельных сетей. К примеру, оно занималось проведением интернета в школы Нижнего Тагила по программе «Интернет в каждую школу» в рамках нацпроекта «Образование», который стартовал как раз в 2006 году. Таким образом в «Квадрате» сформировалась команда людей, умевших настраивать системы охраны, пожарной безопасности, видеонаблюдения, локальные сети и т.д. — подразделение получило нащвание «Квадрат-сервис».
Вместе с тем к Королёву пришло понимание, что компьютерная торговля как бизнес обречена: конкуренция с крупными сетями его убьёт. Забегая вперёд: так и вышло, когда пришёл DNS — «Квадрата» уже пару лет как нет. Но тогда время у компании ещё было. Умение работать с сетями и системами автоматизации привело команду к теме умных домов. Решение было принято — и в компании появилось подразделение «Квадрат — умный дом». Так один нацпроект и предвидение основателя компании подтолкнули продавца компьютеров стать интегратором.
«Квадрат» активно занялся продвижением нового направления. Как и другие интеграторы, «Умный дом» начал с того, что пошёл к студиям, занимающимся дизайном интерьеров. Представители «Квадрат-сервиса» были настолько энергичны и уверены в перспективах умных домов, что сумели заразить своим энтузиазмом даже Марата Гилязетдинова, программиста с 15-летним на тот момент стажем, чья жена как раз работала в одной из таких дизайн-студий. Но только придя устраиваться к ним на работу, Марат узнал, что в «Квадрате» до сих пор нет ни одного программиста. Так он там и остался, став первым и на следующие два года единственным разработчиком софта для нужд интегратора.
2009 год. Кризис — и новый поворот
Новый поворот в истории компании, превративший её из обычного интегратора в производителя софта, которым пользуются тысячи интеграторов по всему миру, случился в 2009 году. Как и в предыдущем случае, его предопределило сочетание ряда факторов.
AMX MVP 8400
За вторую подсказку, куда следует двигаться проекту, следует благодарить Стива Джобса, представившего в январе 2007 года первый iPhone. До Нижнего Тагила он доехал только год спустя, в феврале 2008 года, когда Сергею Королёву подарили его на день рождения. Сенсорный экран высокого качества, лёгкость управления и продуманный, со множеством отличных решений интерфейс произвели тогда огромное впечатление на сотрудников «Квадрата» — и Марата в том числе.
Было решено: компании нужна своя версия протокола AMX, позволявшая управлять контроллерами компании с других устройств. И первым таким устройством и должен был стать iPhone.
Разработка протокола началась в марте 2008. Тогда же впервые возникло название iRidium (Иридий): тут-то и сказалось металлургическое окружение, которое невозможно было не замечать, работая в Нижнем Тагиле. Уже ведущий к тому времени программист Марат имел привычку называть свои проекты именами металлов — в других своих работах он уже использовал имена Аурум, Аргентум и даже Тантал (тот проект умер). Ощущение, что новый проект превзойдёт их все, было сразу. Поэтому и имя Марат выбрал соответствующее: Иридий находится выше в периодической таблице и превосходит все эти материалы по плотности. До поры до времени «Иридий» оставался внутренним названием, ставшим брендом только в 2010 году — но об этом позже.
В июле 2008 Apple под давлением со стороны разработчиков, которые уже начали взламывать устройство, чтобы можно было разрабатывать и устанавливать на iPhone собственные программы, выпустила SDK для iOS. В январе 2009 в «Квадрате» приобрели лицензию на разработку под iOS, и занялись созданием своей версии протокола, которая бы позволила управлять контроллерами AMX с других устройств, «прикидываясь» управляющими панелями той же марки.
Чтобы сделать это, Марату пришлось расковырять изначально закрытый протокол AMX — и в марте 2009 года прототип был уже готов. Первым объектом, на котором «Квадрат» применил свою версию управляющего протокола AMX, стал демостенд в Екатеринбурге, имитирующий однокомнатную квартиру с управлением светом, подогревом, камином, датчиками движения и камерой на входе.
AMX-овский интерфейс на родном пульте и конвертированный AMX-интерфейс на iPhone 3G
iPhone 3G, AMX и Samsung на Windows mobile
Тогда это решение планировалось использовать просто как конкурентное преимущество в интеграторском бизнесе, но вмешался третий фактор: кризис 2008 года. К весне 2009-го рынок умных домов схлопнулся — стало не до роскоши. «Иридиуму» тогда так и не удалось найти ни одного клиента в Екатеринбурге.
Такая вот причудливая линия судьбы: дороговизна решений AMX подтолкнула к решению разработать собственную версию управляющего контроллерами протокола, изобретение iPhone подарило идею разрабатывать под него, а кризис окончательно вытолкнул компанию с поляны интеграторов, подтолкнув к решению уйти в продажу собственной реализации AMX-овской протокола другим интеграторам. А осенью того же года в iRidium добавилась реализация другого популярного и востребованного в Европе протокола KNX.
Екатеринбургские инсталляторы не были этому сильно рады. Один из них так расстроился, что даже сказал «Квадрату»: «Вы убиваете наш бизнес». Дело в том, что при оптовой закупке AMX давал скидку до 60%, позволяя интеграторам отлично зарабатывать на железе.
Но всё обошлось: тот интегратор не только не умер, но и с прошлого года сам начал покупать решения iRidium.
Что по этому поводу думают в AMX?
Если коротко — AMX не возражают. Подобный протокол ни в России, ни в Европе не является объектом интеллектуальной собственности — в отличие от США. Но и в США производитель мог бы в худшем случае только запретить торговать им на территории некоторых штатов. Тем не менее, попытки рассказать AMX о своей разработке предпринимались — но безуспешно, американцы игнорировали все попытки русских разработчиков выйти на связь. Можно даже сказать, что им это было просто не интересно, т.к. они зарабатывали в основном на железе (помним цену каждого пульта, да).
Но всё изменилось с появлением iPad.
2010 год: выход на мировой рынок
Очередному, третьему уже повороту, в судьбе компании вновь сопутствовало сочетание факторов.
В конце 2009 года iRidium привёз своё решение на выставку в Москве. Реакция рынка была разочаровывающе осторожной: во-первых, интеграторы пока плохо знали и мало доверяли айфону. Во-вторых, их смущал возраст компании. Надо сказать, что инсталляционный бизнес в сфере умных домов не по-детски суров: бывало, что компании, взявшиеся за какой-то проект, но не потянувшие, например, программирование, просто сбегали с объектов.
В общем, когда через пару месяцев Стив Джобс представил миру iPad, Королёв решил: идём на Берлин Франкфурт принимать участие в европейской выставке Light & Building. И привезём на неё версию протокола для iPad. Операция получила название «Полёт на Луну».
В этот раз год никто не ждал. Выставка должна было пройти в апреле 2010 года. И уже в январе, сразу как появился iPad, в iRidium скачали его SDK и занялись созданием версии протокола под планшет — даже не дожидаясь, когда они смогут его заполучить физически. В компанию даже пригласили репетитора по английскому, чтобы было легче читать документацию. Разумеется, это был риск: приложение могло просто «не завестись».
Параллельно, через друзей в Америке, в iRidium заказали три айпада. Причём, учитывая цейтнот, их доставку заказали сразу во Франкфурт. Получалось, что планшеты приедут прямо перед выставкой в — так что у ребят был только один выстрел: либо приложение заработает, либо нет. Времени что-то существенно изменить в случае проблем уже бы практически не осталось.
Но всё получилось. Приложение для iPad, получившее название iRidium HD, произвело во Франкфурте фурор. Айпад тогда ещё не все вживую-то видели, а какие-то странные русские привезли сразу три штуки, ходят с ними по выставке и показывают всем уже работающий продукт собственной разработки.
Основатель iRidium Сергей Королёв и директор по продажам Никита Камаев во Франкфурте
Разработанное в эмуляторе, приложение iRidium HD запустилось на iPad с первой попытки
С этого момента «Иридиуму» начали писать из-за рубежа. Пошли и просьбы разработать что-то эксклюзивное. Например, пришёл британец, который попросил разработать программу для управления AMX-контроллерами с iPad и iPhone для компании, занимавшаяся арендой яхт. Он договорился с верфью, которая добавила контроллеры, чтобы клиент мог во время плавания управлять со своего смартфона или планшета бытовыми вещами вроде света и музыки. При этом разработанное приложение позволяло ограничивать доступ к умным системам строго на тот период, на который была арендована яхта. Примерно тогда же в портфолио iRidium появилась и квартира в Бурж-Халифе.
iRidium 2.0
В какой-то момент iRidium перерос возможности стандартного протокола AMX, упёршись в ограничения его архитектуры. Упёрлись в эти ограничения и сами разработчики AMX, вынужденные разрабатывать программные костыли. Система явственно вырождалась — и из этого болота нужно было вырываться.
В августе 2010 года iRidium принялся за разработку собственной архитектуры.
В 2011 появились прототипы iRidium V2.0 для Android, Mac, iOS и Blackberry (последний в итоге не пошёл из-за низкого спроса на сам смартфон). Тесты прототипа начались апреле 2012, но официальным релизом был объявлен ноябрь 2012, когда приложение приняли в App Store. Впрочем, к тому времени им уже пользовалось достаточное количество интеграторов.
Помимо мультиплатформенности, «двойка» включает в себя более 40 протоколов; в ней появилось своё API — iRidium Driver Development Kit, которое позволяет написать свой драйвер на языке Javascript под любое устройство и редактор iRidium GUI Editor, дающий возможность создать красивый управляющий интерфейс.
Важным внутренним улучшением версии 2.0 стало единое ядро: первая версия iRidium была написана под одни платформы на Objective-c, под другие — на С++. Вторая же версия уже была целиком на С++. Это позволяло очень быстро вносить изменения в клиенты под разные платформы: если раньше изменения, внесённые в клиенте, например, на С++, на клиент для другой платформы на Objective-с могли переноситься неделями, то после перехода на единое ядро перенос реализованных изменений с одной платформы на другую (например, с iOS на Android) занимал уже считанные часы.
Тем временем.
Сегодня в компании работает уже 12 программистов. Все они из Нижнего Тагила, и работают в тагильском офисе компании. Первыми Марат Гилязетдинов пригласил к себе в команду троих опытных тагильских программистов, которых хорошо знал лично. Во второй волне пошли программисты с непрофильным высшим образованием вроде обработки металлов, физики, электропривода, наводчиков и т.д. Благодаря отлаженному механизму передачи знаний от человека к человеку, сотрудники растут внутри компании, составляя в итоге сильную профессиональную команду.
Работы в компании много, включая задачи для начинающих: тестирование продукта, написание драйверов, внутренней логики, кастомизация интерфейсов на встроенном языке на базе JavaScript. Идеальный карьерный путь в iRidium лежит через все стадии, начиная с бета-теста — что открывает отличные возможности для студентов. Чтобы их привлекать, разработчик сотрудничает с местным вузами: Уральским федеральным университетом и Горным техникумом, приглашая студентов на стажировку и читая лекции в самих учебных заведениях. Помогают в iRidium и интеграторам, создавая для них новые драйвера в качестве программистского факультатива.
Но главный проект, над которым сейчас трудятся программисты — разработка iRidium 3.0. Впрочем, об этом мы расскажем уже в другой раз. Подписывайтесь на наш блог!
Спасибо за внимание 
с
Iridium: принимаем и декодируем сигналы группировки спутников у себя дома
В предыдущей части мы рассмотрели прием сигналов спутников Inmarsat. Сейчас мы рассмотрим не менее интересную систему — спутниковую систему связи Iridium, принять сигналы которой также может у себя дома любой желающий.
Покрытие сети Iridium, фото из Википедии
Для тех, кому интересно как это работает, продолжение под катом.
Примечание: ничего секретного в приведенных ниже данных нет, описанные в статье декодеры лежат на github уже не один год. Частоты и сигналы также доступны любому желающему, кто готов потратить 35$ на антенну и высунуть её в форточку. Тем не менее, система связи Iridium является действующей, поэтому некоторые данные не выкладываются из юридических соображений. Данный материал предназначен исключительно для ознакомления, публикация или хранение принятых сообщений могут быть не разрешены по законодательству тех или иных стран.
Железо
Тут ничего нового нет, все было описано в предыдущей статье. Я использовал антенну «Active L-Band 1525-1637 Patch Antenna», купить которую можно за 35$, и приемник SDRPlay, вместо которого можно использовать RTL SDR V3, стоимостью также около 35$. Таким образом, все обойдется в сумму дешевле 100$, что вполне доступно.
Весь комплект для приема выглядит так (коробок спичек для масштаба):
Далее, открываем окно (стекло глушит радиоволны этого диапазона), направляем антенну в небо, и можно принимать сигнал. Важно не забыть включить в настройках приемника bias-tee, т.к. антенна является активной и без подачи питания работать не будет. Если все было сделано правильно, на частоте примерно 1.6ГГц мы должны увидеть такую картинку:
Кстати, если посмотреть спектр с большей детализацией, то хорошо виден наклон линий из-за эффекта Допплера — спутники движутся по орбите, и частота меняется.
Интересно отметить два довольно принципиальных отличия Iridium и Inmarsat.
Во-первых, в Inmarsat используются геостационарные спутники, летящие в космосе на геостационарной орбите высотой 35786км. В отличие от этого, в Iridium используется другой подход — более 60 спутников летают на низких орбитах (871км), покрывая всю территорию Земли (фото на КДПВ). Это позволяет использовать более компактные и ненаправленные антенны, также такая система лучше работает на северных территориях, где прием геостационарных спутников ограничен. Кстати, количество спутников Iridium было рассчитано так, что в любой момент времени абонент может использовать несколько видимых в небе спутников.
И во-вторых, в Iridium используется принципиально другая схема передачи данных — вместо постоянных дата-линков на постоянной частоте используются короткие burst-пакеты, которые можно видеть на картинке.
На этом мы закончим «теоретическую» часть, если все работает, то пора переходить к софту.
С софтом для декодирования есть одна «небольшая» сложность — он написан под Linux. Возможно, есть секретный способ скомпилировать Gnu Radio проекты под Windows, но у меня ни разу, кроме огромного числа ошибок, так ничего на выходе и не получилось. С Linux все просто и работает «из коробки», но я исхожу из того, что у большинства читателей все же установлен Windows. Так что мы пойдем обходным путем — запишем сигналы в HDSDR, а декодер для их обработки запустим из под Ubuntu в Windows 10. Благо что 10ка штатно предоставляет такую возможность.
Шаг-1. Компиляция gr-iridium
Для начала необходимо загрузить в App Store Ubuntu и установить туда GNU Radio.
Собственно компиляция декодера gr-iridium особых сложностей не представляет:
Процесс выглядит примерно так:
Для работы декодера необходим модуль gr-osmosdr. Его компиляция делается по такому же принципу, с одной лишь разницей — нам необходимо отключить ненужные на этом шаге приемники, иначе получим ошибки компиляции.
Последним шагом нам необходимо установить Iridium Toolkit:
Теперь все готово, и мы можем записать и обработать сигналы Iridium.
Шаг-2. Запись сигналов
Тут все просто — открываем HDSDR, выбираем участок где сигналов побольше, делаем IQ-запись. Сигналы в Iridium идут не постоянно, а «пакетами», так что возможно придется немного подождать. Недостаток лишь один — большой объем записи, одна минута с шириной полосы 2МГц занимает порядка 500Мбайт.
Еще раз повторюсь, что под «нормальной» Linux это не нужно, и можно запустить gr-iridium сразу с SDR-приемником без промежуточной записи, но в Windows это не сработало — lsusb не видит подключенных устройств.
Останавливаем запись в HDSDR, переключаемся в Ubuntu в папку /mnt/c/Users/XXX/Documents/HDSDR и вводим команду:
Здесь HDSDR_20200112_110653Z_1619XXXkHz_RF.wav это записанный нами файл, 1619XXXXXX — центральная частота записи и 2000000 — ширина полосы записанного wav-файла. Если все было сделано правильно, должен появиться примерно такой лог:
Если пакетов не видно, идти дальше бесполезно, нужно выяснять в чем ошибка. Если записи видны, повторяем команду еще раз, сохраняем результаты в файл и обрабатываем файл с помощью iridium-parser.py:
Теперь мы можем извлечь информацию из сохраненного файла output.parsed. «Достать» оттуда можно различные данные, например текстовые или даже голосовые сообщения. Из юридических соображений я делать это здесь не буду, желающие могут подробнее прочитать описание на странице проекта. Там есть интересные моменты, например в Iridium могут передаваться не только текстовые или голосовые, но и GSM-данные, т.е. Iridium-терминал может предоставлять услуги GSM-связи в тех местах, где обычного покрытия нет — спутник и терминал тут вероятно, работают лишь как «удлиннитель» для стандартных GSM-пакетов.
Можно к примеру, продемонстрировать, как из записанных данных получить координаты летящего спутника:
Координаты несложно импортировать в Google Maps и увидеть, что во время записи спутник пролетал где-то над Осло (красная линия):
Про другие функции Iridium Toolkit можно почитать на странице github.
Заключение
Как можно видеть, процесс приема сигналов со спутников не так уж сложен, и с точки зрения изучения систем связи, достаточно интересен.
Для желающих изучить Iridium более подробно, пара видео (на английском):
