Спутниковое вещание и связь: преимущества, недостатки, перспективы

Андрей Брыксенков, председатель Консорциума ЦРТП, член Полярной комиссии Русского географического общества

Игорь Дулькейт, старший научный сотрудник, Омский государственный технический университет

Валерий Михеев, ректор ФГБОУ ВО «Российский государственный гидрометеорологический университет», г. Санкт-Петербург

Начиная со второй половины прошлого века способность государства участвовать в различных космических программах является некой интегрированной оценкой его экономической мощи и уровня научно-технического развития. Это объясняется тем, что все космические программы довольно дорогостоящие и наукоемкие и только развитые государства могут себе их позволить. По структуре космических программ одно из важнейших мест занимает связь, на которую задействовано около половины всех космических аппаратов [1].

«РТРС переходит со штатной схемы с использованием космического аппарата (КА) «Экспресс-АМ33» на резервную, с использованием резервного канала подачи телепрограмм первого федерального мультиплекса, организованного через спутник «Ямал-401».

«Об отсутствии свободной емкости на спутниках «Экспресс-АТ1» и «Экспресс-АТ2» рассказала заместитель генерального директора по развитию бизнеса ГП КС…»

Новости подобного содержания периодически появляются в СМИ и чаще всего актуализируются сроком активного существования космического аппарата – интервалом времени, связанным со многими факторами, в течение которого спутник функционирует на орбите и выполняет задачи по своему предназначению с требуемым уровнем эффективности.

Есть внешние негативные факторы – потоки тяжелых заряженных частиц, радиационное поле Земли. Также крайне важна исправность элементной базы самого КА. Однако наиболее критическими факторами являются «усталость» солнечных батарей и случайный отказ блока.

Для успешного выполнения космических программ разработчикам необходимо найти решение многих проблем.

Рис. 1. Соотношение космических аппаратов различного назначения (где ссылка на рис. 1?)

Доступность и востребованность спутниковой связи

В последнее время системы спутниковой связи активно развиваются, что обусловлено в первую очередь снижением габаритно-массовых (рис. 2) [2], ценовых характеристик самих космических аппаратов и, как следствие, стоимости развертывания и эксплуатации наиболее дорогостоящей составляющей систем спутниковой связи, их орбитальной группировки. Перечисленные факторы делают современные системы спутниковой связи все более доступными, а увеличивающийся объем передаваемой информации определяет их возрастающую востребованность.

По характеру решаемых задач системы связи и вещания можно разделить на три основных сегмента, отличающихся как по объемам передаваемой информации, так и по способам ее передачи [3].

Рис. 2. Эволюция развития системы Inmarsat

Информационно-телекоммуникационные и телерадиовещательные системы общего пользования

В рамках этого сегмента информационно-телекоммуникационной системы решаются главным образом социальные задачи информационного обеспечения населения.

В первую очередь это спутниковое телерадиовещание, которое на сегодняшний день представлено достаточно большим количеством операторов. Эту задачу можно считать практически решенной [4].

Профессиональные информационно-телекоммуникационные системы

В этом случае решаются задачи информационного обеспечения технологических процессов, безопасности жизнедеятельности, а также вопросы охраны окружающей среды.

Наибольшую сложность представляет организация технологической связи на достаточно большие расстояния с мобильными объектами, для чего сегодня широко используются спутниковые системы связи, в частности Inmarsat и Iridium, а также менее распространенные Globalstar и Thuraya.

В России услуги спутниковой связи предоставляет предприятие «Космическая связь» (рис. 3).

Рис. 3. Орбитальная группировка космических аппаратов связи и вещания

Информационно-телекоммуникационные системы специального назначения

Основой российских спутниковых систем специального назначения являются спутниковые системы связи «Гонец» и «Родник» (рис. 4) [5].

Многофункциональная система персональной спутниковой связи и передачи данных с низкоорбитальными космическими аппаратами «Гонец-Д1М» создается в рамках мероприятий Федеральной космической программы России – потребителями ее услуг пока являются только государственные ведомства.

Рис. 4. Российская орбитальная группировка специального назначения

В рамках ОКР «Гонец-М» осуществляется разработка абонентского оборудования нового поколения, соответствующего стандартам и требованиям современного рынка услуг спутниковой связи. В 2015 г. ее орбитальная группировка достигла штатного состава: 12 космических аппаратов, расположенных на низкой орбите (около 1500 км). С принятием системы «Гонец-Д1М» в опытную эксплуатацию широкое распространение получат услуги отечественной спутниковой связи.

Однако российская орбитальная группировка специального назначения отстает от аналогичной группировки США (рис. 5) [6].

Рис. 5. Орбитальная группировка вооруженных сил США

Особенности геостационарной орбиты

В зависимости от решаемых задач в системах спутниковой связи используют различные орбиты КА [7], например для организации телерадиовещания, как правило, – геостационарные (Geosynchronous Orbit – GSO). Они же применяются и для связи. Наиболее известная сегодня и активно развивающаяся система связи – Inmarsat (см. рис. 2). Несомненное преимущество таких систем – большой охват поверхности Земли космическим аппаратом, в частности, для работы системы связи Inmarsat достаточно всего четырех спутников.

К недостаткам использования космических аппаратов на геостационарной орбите относятся следующие факторы [8].

1. Рабочая зона геостационарных космических аппаратов ограничена широтами примерно 70–75º град (рис. 6). Очевидно, что это болезненно для стран северного полушария, в частности, для России, на всей территории которой углы места геостационарных космических аппаратов невелики.

Рис. 6. Рабочие зоны спутников Inmarsat

1. Геостационарная орбита перегружена космическими аппаратами (рис. 7) во всем спектре радиочастот, включая Ka-диапазон. Осуществлять координацию новых спутниковых сетей – очень большая проблема.

Рис.7. Перегрузка геостационарной орбиты действующими системами

3. Находящийся на круговой геостационарной орбите спутник должен обращаться в направлении вращения Земли на высоте 35 786 км над уровнем моря, что приводит к существенной задержке сигналов, которая находится на границе допустимых требований, предъявляемых к наземным линиям связи, имеющим спутниковые участки. В перспективных сотовых сетях 4G/5G такая задержка не допускается. Кроме того, для ГСО требуется сравнительно большая мощность передатчиков как космических аппаратов, так и абонентских терминалов. Некоторое снижение мощности передатчиков возможно при использовании направленных антенн, однако это приводит к уменьшению зоны охвата, примером чего служит система спутниковой связи Thuraya (рис. 8), использующая направленные антенны на борту космического аппарата. Применение направленных антенн также значительно усложняет абонентские терминалы, особенно устанавливаемые на подвижные объекты.

Рис. 8. Зона покрытия спутниковой системы Thuraya

Возможности низкой орбиты

Устранение указанных выше недостатков возможно при использовании негеостационарных орбит для размещения космических аппаратов связи. Примером использования низколетящих космических аппаратов является система спутниковой связи Iridium (рис. 9). Космическая группировка спутниковой связи Iridium включает 66 основных и 6 запасных низкоорбитальных спутников (Low Earth Orbit – LEO) с высотой орбиты 780 км [9].

Проект Iridium NEXT призван обновить эту группировку спутников. Компания Iridium заключила соглашение с Thales Alenia Space для производства, сборки и тестирования 81 спутника Iridium NEXT, причем 75 из них будут запущены с помощью компании Илона Маска – SpaceX. Новые спутники включают в себя такую функцию, как передача данных, которая не была предусмотрена в оригинальном дизайне.

Существующая группировка Iridium продолжит свою работу до того момента, пока новая система не будет доведена до стадии операционной готовности в полном объеме. Как ожидается, прежние спутники останутся на вооружении до 2020-х гг. Система Iridium NEXT, располагающая повышенной пропускной способностью, будет обладать обратной совместимостью с существующей.

Однако чем ниже орбита спутника, тем меньше его зона охвата, тем большее количество космических аппаратов входит в космическую группировку, что усложняет и удорожает ее развертывание и обслуживание, а следовательно, делает дороже трафик.

В целях упрощения системы необходимо увеличивать высоту орбиты. Примером такого подхода является система Globalstar [10], содержащая 48 рабочих и 8 запасных низкоорбитальных спутников, находящихся на высоте 1410 км от поверхности Земли. Платой за упрощение является глобальность: система обеспечивает покрытие около 80% поверхности Земного шара, не охватывая полярные области и некоторые зоны центральной части океанов (рис. 10).

Рис. 9. Система спутниковой связи Iridium

Рис. 10. Зона покрытия системы спутниковой связи Globalstar

Спутники навигации

Промежуточное положение между рассмотренными системами занимают среднеорбитальные (Medium Earth Orbit – MEO) космические группировки. В этой нише находятся в основном спутники навигации (NavStar системы GPS – высота орбиты 20 200 км, система ГЛОНАСС – высота 19 100 км). В данном случае для обеспечения полной работы системы достаточно 24 космических аппаратов.

Решение проблемы связи в полярных областях

Для организации связи в полярных областях предполагается использование высокоорбитальных спутников (High Earth Orbit – HEO) на высокоэллиптических орбитах. К таким системам относится российская разработка системы связи на основе спутников «Экспресс-РВ».

Максимально нивелировать недостатки отдельных систем и максимально использовать их преимущества позволяют комбинированные системы, применяющие космические аппараты, находящиеся на разных орбитах. Одним из наиболее успешных проектов можно считать Международную спутниковую систему поиска аварийных судов и самолетов КОСПАС-SARSAT, в создании которой принимали участие Россия, Канада, Франция и США. Ее основу составляет космическая группировка, состоящая из низкоорбитальных и геостационарных спутников (рис. 11).

Рис. 11. Космический сегмент системы КОСПАС-SARSAT

Для обеспечения российской Арктики спутниковой связью также предполагается использование комбинированной системы из пяти космических аппаратов на геостационарной орбите и четырех спутников «Экспресс-РВ» на высокоэллиптических орбитах.

Сверхвысокоинформативные спутники

Другим направлением развития спутниковых систем является увеличение объемов и, как следствие, скорости передачи информации. Это направление начиналось с создания спутников с высокой пропускной способностью (High Throughput Satellites – HTS), а затем и систем данного класса, после чего аббревиатуру HTS стали расшифровывать как High Throughput System – системы с высокой пропускной способностью [11]. Это привело к значительному увеличению предложения спутникового ресурса: за последние три года предложение услуг традиционных систем спутниковой связи (Fixed Satellite Services – FSS) возросло на 14%, а спутников с высокой пропускной способностью (HTS) – на 100% [1].

Технологии HTS используются в системах спутниковой связи и вещания на основе многолучевых геостационарных сверхвысокоинформативных спутников [12], также разрабатываются системы LEO/MEO-HTS [12, 13]. Подобные системы сочетают в себе черты технологии HTS и достоинства низких орбит, кроме того, по заявлениям их создателей, себестоимость передачи единицы информации в них будет в разы ниже, чем при использовании геостационарных спутников.

Такие системы по своей природе являются глобальными. Актуальность использования многолучевых спутников типа HTS и на высоких эллиптических орбитах HEO-HTS в настоящее время неочевидна [12].

Основные тенденции на ближайшие годы

Всемирная (глобальная) экономика в постиндустриальной экономической системе породила глобальное информационное общество, одной из черт которого является запредельно высокая занятость радиочастотного спектра радиосигналами, что приводит к острейшему дефициту, фактически к экологической радиокатастрофе, в распределении полос радиоспектра и стимулирует поиск мер повышения эффективности его использования [14].

Цифровые методы управления, первоначально определенные в концепции сетецентрической войны (Network Warfare), сегодня принимают глобальный характер и перерастают в концепцию цифровой экономики. Все это вынуждает системы связи развиваться не только в рамках физических ограничений, но и в условиях искусственных ограничений на использование радиочастотного спектра со стороны государств и различных международных структур.

Между тем в ближайшие годы основные тенденции развития технологий спутниковой связи будут стимулироваться конкуренцией между геостационарными и негеостационарными мультиспутниковыми системами, а также с технологиями наземной радиосвязи. Это обусловлено тем, что создателям систем трудно преодолеть барьеры, определенные их исторически сложившимися технологическими возможностями.

С другой стороны, внедрение в связную аппаратуру новых цифровых технологий, таких как SDR-технологии – программируемого радио (Software-defined Radio) [15], стерли эти барьеры. Если раньше производители диктовали свои условия потребителю, исходя из своих технологических возможностей и соответствующих им технических характеристик систем связи, то сегодня технические ограничения на возможности аппаратуры связи практически сняты. По сути, единственным ограничением остается среда распространения сигналов, которая вводится в состав радиоинтерфейсной части системы связи при переходе к парадигме системы когнитивного радио (Cognitive Radio System – CRS) [14, 15, 16].

Таким образом, сегодня складывается ситуация, когда главная роль, по крайней мере на уровне профессиональных и информационно-телекоммуникационных систем специального назначения, в формировании облика системы связи переходит непосредственно к потребителю, который, во-первых, свободен от технологических барьеров, присущих разработчикам, во-вторых, определяя свои потребности, может увеличить количество передаваемой информации не только за счет наращивания количества и скорости передачи сообщений, но и путем повышения энтропии источника, т. е. информационной емкости самих сообщений, с учетом степени осведомленности потребителя. В этом случае информация передается сообщениями, информационная емкость которых используется наиболее полно.

«Росгидромет» и РГГМУ – возможности сотрудничества

«Росгидромет» является одним из крупнейших потребителей услуг систем связи и заинтересован не только в развитии каждой из них, но и в тесной интеграции систем связи, использующих различные технологии, так как его подразделениям приходится работать в разных условиях. В связи с этим он заинтересован не столько в конкуренции между различными системами связи, сколько в их объединении в единую систему, позволяющую оптимально, по критерию цена/качество, решать стоящие перед данным ведомством задачи в области связи.

Российский государственный гидрометеорологический университет (РГГМУ) готов взяться за проведение научных исследований в области формирования облика такой системы связи в соответствии с концепцией цифровой экономики.

Литература

1. Что поможет сателлитам? [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.rspectr.com/articles/405/chto-pomozhet-satellitam (дата обращения: 05.2018)
2. Березовский В.А. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы / Под ред. В.А. Березовского. М.: Радиотехника, 2011.
3. Брыксенков А.А., Дулькейт И.В., Чащин Е.А. Информационно-телекоммуникационные системы на Русском Севере, тенденции и перспективы развития // Россия молодая: передовые технологии – в промышленность. 2015. № 2. С. 14–20.
4. Анпилогов Валентин. Спутники связи и вещания нового поколения (обзор тенденций развития) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.tssonline.ru/articles2/sputnik/sputniki-svyazi-i-veschaniya-novogo-pokoleniya (дата обращения: 05.2018).
5. Кузнецов Владимир. Самое тяжелое позади // Военно-космическая оборона. 2004. № 2. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.vko.ru/strategiya/samoe-tyazheloe-pozadi (дата обращения: 05.2018).
6. Военные спутники Соединенных Штатов, Советского Союза, России [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://militaryarms.ru/novye-texnologii/voennye-sputniki/ (дата обращения: 05.2018)
7. Наблюдение искусственных спутников Земли [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.sat.belastro.net/index.php (дата обращения: 05.2018).
8. Степанов А. А. Особенности построения и эксплуатации орбитальных группировок систем спутниковой связи // Технологии и средства связи. Специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание». 2016. С. 72–87 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.tssonline.ru/articles2/bypub/sputnik-0-2016 (дата обращения: 05.2018).
9. Спутниковая связь «Иридиум» (Iridium). [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://wind-sail.ru/equpment/svyaz/sistema-mobilnoj-sputnikovoj-svjazi-iridium/ (дата обращения: 05.2018).
10. Глобальная спутниковая система связи Globalstar [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.stecs.ru/sat_globalstar.html (дата обращения: 05.2018).
11. Гриценко А.А. Спутниковые системы класса HTS // Cоnnect. 2017. № 4. С. 120–126.
12. Урличич Ю. Высокоинформативные системы связи и вещания HTS и LEO/MEO-HTS: бумажные проекты или прорывное направление космической индустрии // Специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание», 2017 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.tssonline.ru/articles2/sputnik/vysokoinformativnye-sistemy-svyazi-i-veschaniya-hts-i-leo-meo-hts-bumazhnye-proekty-ili-proryvnoe-napravlenie-kosmicheskoy-industrii (дата обращения: 05.2018).
13. Анпилогов В.Р. Тенденции развития спутниковых технологий и критерии оценки их технико-экономической эффективности // Технологии и средства связи. 2016. № 2 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.tssonline.ru/articles2/sputnik/tendentsii-razvitiya-sputnikovyh-tehnologiy-i-kriterii-otsenki-ih-tehniko-ekonomicheskoy-effektivnosti (дата обращения: 05.2018).
14. Челышев В. Д. «Умное радио» парадигмы структуризации физического уровня // Радиотехника, электроника и связь: Сб. докл. Междунар. науч.-технич. конф. «РЭиС 2011», 5–8 июля 2011 г. Омск: Радиотехника, 2011. С. 46–53.
15. Дулькейт И.В. Использование SDR технологий в морской радиосвязи // Омский научный вестник. Сер. Приборы машины и технологии. 2018. № 1 (157). С. 63–68.
16. Дулькейт И.В. Информационно-телекоммуникационные системы в глобализованном мире // Connect. 2017. № 5–6. С. 74–79.