В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
В статье представлены работы, выполняемые предприятием "Космическая связь" по заказу космических аппаратов и созданию систем спутниковой связи Ка-диапазона.
The article outlines the works carried out by Russian Satellite Communications Company in the domain of spacecrafts procurement and establishing the satellite communications systems in Ка-band
Евгений 
БорисРазвитие фиксированной спутниковой связи за полвека ее существования шло по пути освоения все более высоких диапазонов частот – от дециметровых волн в первых спутниковых системах ("Орбита", Syncom), С-диапазона в 70-х – начале 80-х гг. ХХ в., позднее Ku-диапазона, а в последние 10–15 лет в связи с практически полной исчерпанностью орбитально-частотного ресурса в традиционных полосах частот все большее внимание привлекает верхний участок К-диапазона – Ка-диапазон, в котором оказалось возможным реализовать многолучевые спутники с повторным использованием частот – так называемые High Throughput Satellites (HTS) (спутники с высокой пропускной способностью). В Ка-диапазоне для фиксированной спутниковой службы Регламентом радиосвязи выделен достаточно широкий участок спектра в 3,5 ГГц: 27,5–31,0 ГГц на линии Земля – космос и 17,7–21,2 ГГц на линии космос – Земля.
Кроме широкой полосы частот, Ка-диапазон имеет и другие положительные свойства. Более короткие волны позволяют формировать бортовыми антеннами ограниченного размера узкие лучи шириной в доли градуса, что, в свою очередь, обеспечивает высокие энергетические параметры радиолинии и дает возможность применять земные станции с ультрамалыми диаметрами антенн – 1 м и менее. Применение бортовых многолучевых антенн позволяет за счет пространственного разнесения и поляризационного разделения многократно (четыре и более раз) использовать каждый участок выделенной полосы частот. Суммарный частотный ресурс аппарата Ка-диапазона может в 10–15 раз превышать ресурс такого же по классу аппарата традиционных С- и Ku-диапазонов, соразмерно снижается и себестоимость частотного ресурса для оператора.
К недостаткам использования Ка-диапазона можно отнести повышенное затухание радиоволн в атмосферных осадках на частотах выше 18 ГГц, особенно при малых углах места, что затрудняет достижение высоких коэффициентов готовности радиолинии, а также технологические трудности продвижения мощных твердотельных устройств в область сантиметровых волн. Последнее обстоятельство является временным и быстро преодолевается.
Появление космических аппаратов Ка-диапазона позволило существенно расширить область применения фиксированной спутниковой связи. Если в первые годы своего существования она использовалась преимущественно для организации дальней магистральной (трансокеанской, трансконтинентальной) связи, затем межзоновой, внутризоновой, корпоративной (сети VSAT) связи, то теперь стало технически возможно и коммерчески целесообразно перенести спутниковую связь на уровень доступа, создавая на основе аппаратов Ка-диапазона сети массового широкополосного доступа (ШПД) к различным информационным ресурсам, в первую очередь к ресурсам Интернета.
Государственное предприятие "Космическая связь" (ГП КС) также принимает активное участие в освоении новых диапазонов. Первым из заказанных ГП КС космических аппаратов (КА), на котором были установлены стволы Ка-диапазона, стал "Экспресс-АМ4" – спутник тяжелого класса с 62 стволами на борту для орбитальной позиции 80 град. в.д. Он имел два широкополосных ствола с рабочей полосой 112 МГц, подключаемых по входу и выходу в любой комбинации к двум перенацеливаемым приемопередающим антеннам с размерами луча ДН 1,5х1,5 град. Полезная нагрузка Ка-диапазона на этом аппарате задумывалась как экспериментальная, на ней предполагалось отрабатывать системные и технологические решения в новом диапазоне. К сожалению, при запуске в августе 2011 г. спутник не вышел на расчетную орбиту и позднее был затоплен в океане. Сразу же был заказан его полный аналог "Экспресс-АМ4R", запуск которого запланирован на май 2014 г.
В 2009 г. ГП КС подписало контракт на изготовление и поставку двух КА – "Экспресс-АМ5" и "Экспресс-АМ6", первых тяжелых аппаратов отечественного производства. На каждом борту установлено по 12 стволов Ка-диапазона (десять для прямых каналов и два – для обратных), подключенных к 10 фиксированным лучам 0,7х0,7 град., нацеленным на наиболее густонаселенные территории РФ (рис. 1).
КА "Экспресс-АМ5" выведен на орбиту в декабре 2013 г., запуск второго аппарата запланирован на июль 2014-го. Технические характеристики стволов приведены в таблице.
Отметим, что в бортовых ретрансляторах Ка-диапазона утрачивают свое первоначальное значение понятия "ствол" или "транспондер" как отдельный "приемопередающий тракт, в котором радиосиналы проходят через общие усилительные элементы (общий передатчик) в некоторой выделенной стволу полосе частот" [1]. В современных HTS-спутниках один широкополосный передатчик может подключаться сразу к нескольким лучам, работающим каждый в более узкой полосе частот, также и приемник может объединять сигналы, поступающие из нескольких лучей. Уместнее для обозначения пути прохождения сигнала от центральной станции к абонентскому терминалу и обратно использовать термин "канал связи".
Указанные в таблице значения ЭИИМ и добротности бортового ретранслятора позволяют использовать в сети абонентские терминалы с антеннами диаметром 0,8–1,0 м и мощностью передатчика 2–4 Вт. Впервые в отечественной практике на КА "Экспресс-АМ5/6" применены многолучевые антенны и повторное использование частот при пространственном разделении. В лучах 2 и 7, 1 и 9 частоты полностью совпадают, но за счет пространственного разноса лучей взаимные помехи незначительны. Полезную нагрузку Ка-диапазона на этих спутниках можно рассматривать как первый шаг к построению HTS.
Стволы Ка-диапазона всех трех КА "Экспресс-АМ4R/5/6" планируется использовать для организации отечественной спутниковой системы высокоскоростного доступа (ССВД). Суммарная пропускная способность ССВД составит около 10 Гбит/с, планируемое число пользователей – более 100 тыс. домохозяйств (технически система может обеспечить подключение 200–400 тыс. абонентов).
Подъем сигналов на спутники будет осуществляться из центров космической связи (ЦКС) ГП КС. Для "Экспресс-АМ5" будут использоваться луч № 2 и ЦКС "Дубна", для "Экспресс-АМ6" – луч № 3 и ЦКС "Хабаровск", для "Экспресс-АМ4R" – ЦКС "Железногорск".
На рис. 2 показана территория Российской Федерации, охватываемая ССВД, на рис. 3 – схема организации наземной сети.
Каждая станция с антенной диаметром 6,3 м и передатчиком 500 Вт на каждой из поляризаций в состоянии загрузить до 6 стволов.
Таким образом, для загрузки 10 стволов для прямых каналов установлены по две такие станции на каждом из двух ЦКС, еще по одной станции – в качестве резерва.
В системном проекте создания Российской спутниковой системы высокоскоростного доступа (РСС-ВСД), выполненном группой предприятий отрасли по заказу ГП КС в 2010 г., предполагалось использовать систему доступа на базе КА "Экспресс-АМ4/5/6" в качестве первого этапа развития РСС-ВСД. На втором этапе предполагалось создание двух специализированных спутников КА-диапазона с многолучевыми антеннами (в совокупности более 70 лучей), размещаемых в западной и восточной частях дуги геостационарной орбиты и покрывающих всю российскую территорию с охватом 2 млн пользователей. Реализация системы второго этапа была поручена ОАО "РТКомм.РУ", позднее бюджетное финансирование работ было приостановлено. Отметим, что создание ССВД осуществляется в основном за счет собственных средств ГП КС.
В ожидании запуска собственных спутников ГП КС совместно с европейской компанией Eutelsat реализует на территории РФ проект по оказанию услуг широкополосного доступа в Интернет с использованием емкости Ка-диапазона тяжелого спутника Ka-Sat в позиции 9 град. в.д., запущенного в декабре 2010 г. Несколько лучей этого спутника захватывают территорию РФ (рис. 4) и позволяют предоставлять услуги ШПД жителям Московской, Ленинградской, Калининградской и еще 8 областей европейской части РФ. ГП КС построило необходимую инфраструктуру и ввело сеть связи в Ка-диапазоне в коммерческую эксплуатацию в сентябре 2012 г. При этом услуги связи в этой сети, кроме ГП КС, предоставляют 5 компаний-дистрибьюторов.
Доступ в Интернет осуществляется с помощью абонентских терминалов SurfBeam производства компании ViaSat. Терминал включает (рис. 5):
ГП КС предоставляет несколько линеек продуктов, нацеленных на различные категории пользователей – от каналов 512/2048 и 2048/4096 кбит/с для частных пользователей до 10/10 Мбит/с для корпоративных клиентов. К концу I квартала 2014 г. в сети работало более 4 тыс. абонентов, объем ежемесячного трафика превышает 14 Тбайт.
Опыт создания и эксплуатации сети ШПД через Ka-Sat будет использован в ходе развертывания аналогичных сетей на базе спутников с транспондерами Ка-диапазона КА "Экспресс-АМ4R/5/6" и "Экспресс-АМУ1". Ввод в эксплуатацию спутников "Экспресс-АМ4R/5" запланирован на 2014 г., а "Экспресс-АМ6" и "Экспресс-АМУ1" – на 2015 г.
Полезная нагрузка Ка-диапазона спутника "Экспресс-АМУ1" в полной мере может быть отнесена к технологии HTS. Многолучевая антенна формирует 18 узких лучей размером 0,6х0,6 град., нацеленных на густонаселенные территории европейской части РФ (рис. 6). В соответствии с плотностью населения 6 лучей (показаны красным цветом на рис. 6) используют полосу частот 315/220 МГц (прямой/обратный канал соответственно), 12 лучей (показаны синим цветом) – полосу 155/110 МГц. Суммарный частотный ресурс аппарата составляет 6,4 ГГц. Если предположить, что передача сигналов будет осуществляться в стандарте DVB-S2 (8PSK 2/3), общая пропускная способность всех стволов достигнет 11 Гбит/с. Центральная станция системы будет располагаться в ЦКС "Дубна", недалеко от Москвы.
Интересной конструктивной особенностью аппарата является построение многолучевой антенны. Все 18 лучей формируются на одном зеркале, в качестве облучающей системы используется фазированная решетка из большого числа близкорасположенных облучателей (так называемый "кластер облучателей"), причем каждый луч формируется не одним, а группой соседних облучателей. На рис. 7 показан пример конструкции такого устройства [2]. "Экспресс-АМУ1" – первый коммерческий спутник связи, на котором применяется такой принцип формирования лучей. Подобная, но значительно более простая облучающая система использовалась в 1990-х гг. на спутниках серии Eutelsat II.
Кроме организации ШПД, частоты Ка-диапазона находят практическое применение и в других системах спутниковой связи. Например, на КА "Экспресс-АМ5/6" для наиболее полной реализации частотного ресурса Ku-диапазона используется перекрестное частотное планирование, при котором подъем сигналов части стволов осуществляется в Ка-диапазоне, а на линии вниз эти сигналы излучаются в Ku-диапазоне.
Отдельного внимания заслуживает перспектива использования нового диапазона для передачи видеорепортажей. Мобильная самонаводящаяся антенна диаметром 75 см позволяет уже через несколько минут после прибытия организовать видеорепортаж, скорость передачи в прямом и обратном каналах составляет 10/10 Мбит/с, система приоритезации трафика обеспечивает высокую надежность передачи данных и позволяет вести репортажи в HD-качестве. В мае 2013 г. работа репортажной станции телеканала РБК через спутник Ka-Sat демонстрировалась на выставке "Связь-Экспокомм".
Еще одно возможное применение спутника Ка-диапазона – подача высокоскоростного трафика данных в узких лучах на северные российские города (Норильск, Салехард, Новый Уренгой, Якутск, Магадан и др.), куда в силу сложных природных условий трудно или невозможно проложить волоконно-оптические линии связи, либо в качестве резерва для таких линий. В работах [3, 4] показано, что при углах места 10 град. легко достигается коэффициент готовности радиолинии Кг = 0,995. В [4] рассмотрен один из примеров построения такой системы. Технически система легко реализуема, необходимо только подтвердить наличие потенциального спроса на такую услугу от операторов наземной связи.
Международным союзом электросвязи для радиовещательной спутниковой службы выделены полосы частот в К-диапазоне (24,6– 25,2 ГГц на линии вверх, 21,4–22,0 ГГц на линии вниз). Первоначально они предназначались для вещания в стандарте высокой четкости, но развитие техники сжатия изображений сделало возможным многопрограммное вещание в формате HD в ранее выделенных полосах частот. По-видимому, новые полосы будут в основном использоваться для регионального телерадиовещания, для расширения частотного ресурса в таких "горячих" точках ГО, как 13, 19,2 и 36 град. в.д. и др., а также для организации интерактивного телевизионного вещания. В ГП КС начата предварительная проработка возможного облика таких КА.
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #2, 2014
Посещений: 8477
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
