В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Валентин Анпилогов
Заместитель генерального директора "Висат-Тел",
член редакционного совета журнала "Технологии и средства связи"
Тема "Спутники связи и вещания нового поколения" уже была представлена в каталоге "Спутниковая связь и вещания-2006". Однако она не только не потеряла своей актуальности, но и стала еще более значимой. В данном материале обобщены самые современные тенденции в этой области, а в приложении (см. стр. 103 настоящего спецвыпуска) приведены конкретные и достаточно подробные характеристики уже действующих спутников нового поколения (или практически готовых к запуску). Актуальность данной тематики связана еще и с тем, что российская спутниковая группировка нуждается сегодня в модернизации и развитии на новых принципах и с учетом мировых тенденций.
Спутниковая связь и вещание в СССР и России ведут свое начало с создания в 1960-е гг. высокоэллиптических спутников серии "Молния" – интересно, что некоторые из них функционируют до настоящего времени. Вместе с тем реальное развитие спутниковой связи гражданского назначения в СССР (а затем и в России) сопровождалось проблемами, в центре которых всегда стояли вопросы финансирования. С начала 1980-х и до 1990-х практические работы в области создания спутников связи, а затем и их финансирование были сведены к минимуму. Лишь в последнее десятилетие минувшего века началось создание российского космического аппарата (КА) "Экспресс", предназначенного для замены спутников серии "Горизонт", которые сократились до минимума на завершающей стадии к середине 1990-х гг.
Таблица 1. Спутники
российской спутниковой группировки по состоянию и планам (2008 г.)
После запуска первых "Экспрессов" и отказов ретрансляционных стволов Ku-диапазона, вызванных воздействием новых двигателей коррекции на КА серии "Экспресс", было принято решение о закупке зарубежной полезной нагрузки для последующих, вновь производимых и за пускаемых спутников. Таким образом, Россия в середине 1990-х гг. фактически отказалась от собственной разработки полезной нагрузки для спутников связи гражданского назначения.
В конце 1990-х гг. в отрасли сложилась критическая ситуация. Спутники, действующие в составе российской группировки, уже совершенно не отвечали мировому уровню развития техники спутниковой связи, а большинство из них работало за пределами расчетного срока службы. Возникла реальная угроза потери и спутников и орбитальных позиций, закрепленных за Россией. Обстоятельства принципиально изменились только после принятия Правительством РФ Постановления № 87 от 01.02.2000 г. по обновлению национальной спутниковой группировки и привлечению для этой цели финансовых средств в объеме, адекватном мировому уровню цен. Уже в 2000-2002 гг. на орбиту были выведены пять спутников связи и вещания, два из которых относились к новой серии "Экспресс-А". Кроме того, в 2000 г. начал работать первый спутник "Ямал-100", созданный ОАО "Газком" вне госбюджетного финансирования. Компания "Газком" стала первым коммерческим оператором в России, имеющим свой собственный спутниковый ресурс.
В совокупности все принятые меры по экстренному обновлению российской спутниковой группировки смягчили критическую ситуацию, особенно в области вещания, но не привели к принципиальным изменениям в лучшую сторону. В связи с этим была принята программа создания в 2003-2005 гг. пяти новых спутников серии "Экспресс-АМ" (ФГУП "Космическая связь"). Было также предусмотрено наращивание орбитальной группировки ОАО "Газком" за счет запуска спутников новой серии "Ямал-200".В результате к концу 2005 г. российская группировка спутников связи гражданского назначения существенно обновилась (по сравнению с 2000 г.).
В 2005 г. была утверждена Федеральная космическая программа России до 2015 г., в рамках которой ГПКС планирует вывести на орбиту 15 спутников. В 2008 г. запущен спутник "Экспресс-АМЗЗ" взамен утраченного "Экспресс-АМН" в орбитальной позиции 96,5Е. Намечен запуск спутника "Экспресс-АМ44" для замены спутника "Экспресс-А" в орбитальной позиции 14W. Ведутся работы по созданию двух малых космических аппаратов "Экспресс-МД", которые восполнят ресурс, не используемый спутниками "Экспресс-АМ" и обеспечат системное резервирование группировки. В 2010 г. запланирован запуск спутника "Экспресс-АМ4" в орбитальную позицию 80Е. В отличие от предыдущих спутников серии "Экспресс-АМ", новый аппарат предполагает большую мощность энергообеспечения (до 15 кВт), должен иметь два ствола в новом для РФ Ка-диапазоне и формировать рабочие зоны на территории России с использованием двух лучей. После 2011-2012 гг. планируется создать два новых спутника "Экспресс АМ5" (140Е) и "Экспресс АМ6" (53Е), которые наряду с L-, С-, Ки-диапазона-ми будут иметь и стволы Ка-диапазона, подключенные к многолучевой антенне (конкурс на создание этих спутников объявлен ГПКС в конце 2008 г.). В 2011 г. планируется замена действующего спутника "Бонум 1" и перевод загрузки стволов спутника Еutelsat-W4 на российский спутник "Экспресс AT".
Таблица 2. Действующие
спутники связи нового поколения с интеграцией связи и вещания
Параллельно ОАО "Газком" наметил запуск двух спутников "Ямал 300" в 2009 г. в орбитальные позиции 90Е и 55Е, также принято решение о разработке спутника "Ямал 400". Эти модели в основном повторяют идеологию спутника "Ямал 200" (прозрачные стволы, наличие линеаризаторов, применение контурных антенн) с увеличением ЭИИМ примерно на 2 дБ. Федеральная космическая программа в качестве одной из основных задач предусматривает обеспечение к 2015 г. полного орбитального резервирования российской государственной спутниковой группировки. Предлагается дополнить российскую спутниковую группировку гражданского назначения ее высокоэллиптическими спутниками вещания серии "Экспресс РВ", но это решение требует дополнительных обоснований, так как коммерческая составляющая неочевидна. Однако следует объективно оценивать ситуацию на рынке спутниковой связи. Дело в том, что качественные характеристики отечественной спутниковой группировки по-прежнему далеки от современного мирового уровня. Они не рассчитаны на развитие наземных спутниковых сетей на основе современных и, тем более, перспективных технологии связи и вещания. Проблема усугубляется еще и чрезвычайно быстрыми темпами развития технологий спутниковой связи и вещания, которые имели место в период 1995-2005 гг.
Среди ключевых революционных технологий следует выделить появление на рынке технологий компрессии MPEG-2, а затем MPEG-4; внедрение стандарта DVB-S, а затем DVB-S2; активное продвижение интерактивных VSAT-сетей. Пока нет оснований говорить о возможном появлении на рынке других подобных революционных технологий в период до 2015-2017 гг.
Подавляющее большинство зарубежных спутников связи и вещания в настоящее время реализованы по традиционной технологии с прямой ретрансляцией сигнала и использованием контурных лучей для упрощения международной координации (выигрыша по усилению контурные антенны, как правило, не обеспечивают, дают только проигрыш в массе по отношению к обычной параболической антенне оптимизированной для рабочей зоны близкой к эллипсу). Основной тенденцией до середины 1990-х гг. следует считать увеличение массы и энерговооруженности спутников. Тем не менее в последние годы все большее внимание уделяется малым и средним геостационарным спутникам, так как они обладают рядом преимуществ: оперативность создания, относительно низкая стоимость создания и запуска, проще частотное обеспечение и международная координация, ниже риски и цена страховки.
Учитывая технологические прорывы в области связи и вещания, ведущие зарубежные страны (а точнее, международные компании при поддержке правительств) уже в 1990-х гг. разработали целый ряд проектов по созданию экспериментальных спутников связи и вещания для отработки новых бортовых технологий, адекватных революционным технологиям наземных сетей. Некоторые из этих проектов были доведены до практической реализации. Первым таким проектом можно считать спутник США ACTS, который был построен в начале 1990-х гг. (запущен в 1993 г.) для отработки и сопоставления эффективности различных спо собов коммутации и обработки информации на борту с применением многолучевых антенн с быстрой коммутацией лучей. Сегодня на основе этих исследований создан спутник Spaceway 3.
Большую поддержку развитию перспективных спутниковых технологий оказывает Европейское космическое агентство (ESA). Так, при поддержке ESA разработано и продолжает совершенствоваться оборудование мультиплексирования SkyPlex для продвижения технологий ТВ- и РВ-вещания, создан бортовой процессор AmerHis для спутника Amazonas 1 в интересах развития технологий связи. Более совершенная версия этого бортового процессора будет использоваться на новом спутнике Amazonas 2, запуск которого запланирован на 2009 г.
В Японии на государственном уровне осуществляется поддержка новых космических технологий. Так, в 2008 г. запущен экспериментальный спутник Kizuna.
Правительство Канады обеспечивает финансирование инновационных проектов. Для спутника Anik F2 разработан коммутационный процессор SpaceMux и коммутационное оборудование Beam*Link. Оборудование Веam*Link в дальнейшем планируется использовать на двух новых спутниках ViaSat-1 и 2, которые разрабатывает компания ViaSat (запуски в 2010-2011 г.).
Таблица 3. Спутники
вещания нового поколения с интеграцией вещания и связи
В 2009 г. компания Intelsat планирует запуск спутника
Intelsat 14, оснащенного коммутационным оборудованием IRIS (Internet Routing in
Space) от компании Cisco.
Общая картина развития спутниковых технологий складывается
на основе данных, представленных в табл. 2 и 3. В них указан ряд спутников,
реализация которых доведена до практического результата (проектов в 1990-х гг.
было не менее сотни). Эти данные подтверждают, что идет активный процесс
отработки новых технологических решений по реализации полезной нагрузки
спутников связи и вещания. Сведения по ряду перспективных спутников связи и
вещания нового поколения, из числа представленных в табл. 2 и 3, приведены
далее в приложении (см. стр. 103). Следует отметить, что в табл. 2 указаны
спутники, ориентированные на организацию наземных спутниковых сетей связи, но
это не исключает возможность их применения для решения задач вещания. А в табл.
3 представлены спутники, которые создавались именно для решения задач вещания,
но в то же время они могут быть использованы для организации наземных сетей
спутниковой связи.
Анализ зарубежных технических материалов показывает, что в качестве ключевых технологий для перспективных спутников связи определено три направления:
Технология 1:
• применение
многолучевых антенных систем;
• применение
коммутационных матриц.
Технология 2:
• применение
многолучевых антенных систем;
• применение
связных высокопроизводительных процессоров.
Технология 3:
• применение
многолучевых антенных систем, в том числе с быстрокоммутируемыми лучами;
• применение
связных высокопроизводительных процессоров.
Каждое из этих направлений предусматривает в первую очередь решение задач связи, но рассматривает и возможность организации ТВ- и РВ-вещания. В качестве перспективной целевой технологии именно спутникового вещания следует выделить технологию мультиплексирования на борту (SkyPlex). Эта технология может применяться и в интересах организации наземных сетей связи, но ее эффективность в этом случае невелика.
Напомним, что в настоящее время все российские спутники, как и большинство зарубежных спутников, имеют полезную нагрузку с прямой ретрансляцией сигналов, традиционной для спутников связи и вещания, которые создавались в XX веке. Основное достоинство таких ретрансляторов - универсальность спутника. Новые технологии не отвергают традиционное решение, они призваны разумно его дополнить. В результате часть стволов полезной нагрузки перспективных спутников коммерческого назначения обычно выполняется по традиционной схеме с прямой ретрансляцией информации, а часть стволов – с обработкой и/или коммутацией на борту. Этим достигается и преемственность решений, и дальнейшее развитие технологий связи и вещания.
Применение многолучевых антенных систем уже достаточно широко апробировано на практике. В сочетании с обработкой информации на борту многолучевая технология дает не только принципиальное повышение энергетического потенциала и пропускной способности спутника, но и позволяет получить новое качество спутниковых сетей, которое заключается в возможности организации VSAT-сетей любой топологии без строительства центральных станций.
Рис 1. Упрощенная
схема ретрансляционной аппаратуры с перераспределением связей между лучами (технология
1)
Нажмите на картинку для увеличения
Следует отметить, что применение многолучевой технологии в сочетании с коммутацией каналов между лучами при их прямой ретрансляции (например, спутник IPStar) приводит к необходимости создания множества идентичных центральных станций (к каждой приписано N лучей), взаимосвязанных между собой по наземным магистральным каналам связи. Таким образом, часто используемый тезис об универсальности ретрансляционной аппаратуры, относящейся к типу прямой ретрансляции сигнала при использовании многолучевой технологии, несостоятелен. Очевидно, что достижение нового качества предопределяет дополнительные финансовые затраты на создание спутника. Стоимость его на орбите спутника нового поколения заметно увеличивается (для экспериментальных спутников и спутников нового поколения примерно в 1,5-2 раза) и составляет порядка $400-600 млн. с учетом полного комплекса разработки и создания системы, то есть наземного сегмента. Для снижения стоимости спутника иногда используют обработку только для части стволов. Кроме того, важной чертой новых спутников является то, что конкретизация их параметров выполняется на основе характеристик наземного сетевого оборудования, которое и предоставляет услугу связи и вещания конечному пользователю. Проектирование полезной нагрузки спутника производится в непосредственной взаимосвязи с проектированием абонентского сегмента (не только в части энергетики, но и в части правил организации информационных потоков). На рис. 1 и 2 представлены примеры типового построения ретрансляционной аппаратуры спутников нового поколения.
Рис. 1 соответствует технологии с коммутацией каналов (технология 1), а рис. 2 – технологии с обработкой сигналов и коммутацией пакетов или кадров (технология 2 и 3).
Рис. 2. Схема
ретрансляционного комплекса с полной регенерацией сигналов и коммутацией
(технологии 2 и 3)
Типовые энергетические параметры земных станций, применяемых уже сегодня в составе сетей спутниковой связи и вещания, и эквивалентные скорости каналов, достаточные для реализации практически всех информационных приложений с учетом достижений в развитии методов модуляции и кодирования, приведены в табл. 4.
Таблица 4. Примерные
параметры абонентского сегмента спутников связи и вещания нового поколения для
частотного диапазона Ku
Эти данные, конечно, подлежат дальнейшему обсуждению и уточнению, но их вполне хватает для оценки облика бортовой аппаратуры перспективных спутников связи и вещания.
Требуемые энергетические параметры спутника в значительной
степени зависят от заданной надежности (коэффициента готовности) каналов связи.
В табл. 4 указаны примерные значения энергетических запасов, которые базируются
на анализе данных различных компаний и нормативных материалов Intelsat и
Eutelsat для спутниковых каналов связи. Используя в качестве исходных
параметров табл. 4, можно определить желаемые границы базовых энергетических
параметров спутника. В результате такого анализа получается, что на границе
основной рабочей зоны спутника в Ku-диапазоне должны быть обеспечены следующие
значения:
• G/T более
6-7 дБ/К;
• ЭИИМ более
50-52 дБВт (в насыщении) и 46-48 дБВт (в линейном режиме)
Для диапазона Ка эти значения должны быть заметно выше (на
5-8 дБ) в соответствии с климатическими условиями рабочей зоны. В части
организации информационного обмена в наземных сетях спутниковой связи сегодня
доминируют два стандарта:
• DVB-S(S2)/DVB-RCS – поддерживается ESA;
• DVB-S(S2)/IpOS
– поддерживается компанией HNS (стандартизировано и в Европе).
Соответственно эти стандарты приняты при реализации
обработки на борту для европейского спутника Amazonas и американского Spaceway
3. Для спутников, ориентированных на вещание, однозначно принимается DVB-S/S2.
Следует сделать важное примечание: несмотря на наличие стандарта, например DVB-RCS (EN 301 790), применение такого оборудования разных компаний-производителей не совместимо. При этом для приемного оборудования систем вещания, отвечающего DVB-S/S2, взаимная совместимость оборудования достигнута.
Возникает вопрос: реально ли обеспечить столь высокие значения ЭИИМ и особенно G/T (табл. 4) для рабочей зоны, охватывающей Россию и сопредельные государства, и какие схемотехнические построения наиболее эффективны для решения этой задачи? В качестве примера удобнее всего рассматривать спутник в орбитальной позиции 80° в.д. (дуга 80-90° в.д. оптимальна для формирования рабочей зоны, максимально охватывающей Россию). На рис. 3 представлена спутниковая проекция территории России в картинной плоскости: ее площадь в угловой мере составляет примерно Sk = (αxβ) =15°х°. Применение контурной антенны, которая позволяет оптимизировать угловую площадь рабочей зоны, то есть сократить ее до αxβ =15°х° даст, очевидно, выигрыш не более чем на 3 дБ по отношению к обычной параболической антенне (исключительно за счет уменьшения угловой зоны, то есть площади обслуживания на Земле). Однако за это придется заплатить значительным (в несколько раз) увеличением габаритов и массы антенной системы.
Рис. 3. Границы
территории России в спутниковой проекции (размерность осей в градусах)
Следует отметить ошибочность существующего мнения о том, что контурная антенна дает больший коэффициент усиления, чем обычная параболическая антенна. В большей части рабочей зоны всегда будет проигрыш по усилению, и применение традиционных контурных антенн с равномерным усилением в рабочей зоне в данном случае (для повышения энергетики) не позволяет достичь желаемого результата. Учитывая это обстоятельство, компания Intelsat при формировании российского луча на спутнике IS-15 применила антенны типа контурных, но с повышенной неравномерностью усиления в рабочей зоне для формирования локальных максимумов (см. приложение). Аналогичное решение объявлено для спутников "Ямал-300".
Так как для обслуживания территории России необходимо сформировать очень широкую зону, необходим разумный компромисс, предусматривающий минимизацию числа лучей, исходя, например, из требуемого значения minG/T = +6 дБ/К на границе их пересечения (Ku-диапазон). Поскольку эквивалентную шумовую температуру бортового приемника можно оценить величиной 500 К (с учетом шумов Земли), то от бортовой антенны по приему требуется значение G = 36 дБ в максимуме (по передаче 33 дБ). Следовательно, угловая площадь локальной зоны для каждого луча должна быть примерно не более 5°х°. Таким образом, для охвата всей видимой территории России (из точки 80° в.д.) достаточно четырех лучей 5°x°.
Рис. 4. Границы
территории России в спутниковой проекции (размерность осей в градусах) и пример
формирования диаграммы направленности 4-лучевой антенны.
В качестве примера на рис. 4 приведено распределение границ локальных рабочих зон, формируемых 4-лучевой антенной. Данное распределение и форма лучей не являются оптимальными и лишь иллюстрируют один из возможных вариантов в нулевом приближении. Для получения точного результата необходима многопараметрическая оптимизация с учетом физических ограничений при реализации многолучевой антенны (например, пересечение смежных лучей можно обеспечить по уровню не более минус 4-5 дБ) и формы поперечного сечения луча (оптимальной формой является эллипс с соотношением осей примерно от 1/2 до 2/3, где большая ось должна быть ориентирована в направлении запад – восток с наклоном примерно 7-10°). Может оказаться, что выгоднее использовать четыре отдельные приемопередающие антенны, и это позволяет снять ограничение по уровню пересечения лучей.
Таблица 5. Энергетические
параметры спутника Ku-диапазона (80° в.д., рабочая зона охватывает территорию
России и сопредельные страны при минимальном числе лучей и использовании многолучевой
приемопередающей антенны)
В табл. 5 приведены примерные значения достижимых энергетических показателей при использовании 4-лу-чевой антенны для спутника в орбитальной позиции 80° в.д. Аналогичные оценки можно привести и для российских орбитальных позиций 53Е и 140Е, в которых потенциально может быть использован Ка-диапазон частот.
Рис. 4б. Пример
формирования рабочей зоны с использованием четырехлучевой приемопередающей
антенны (зона видимости ограничена углом места 5 град.)
На рис. 5 приведены рабочие зоны, формируемые обычной однолучевой антенной. Как следует из этих данных, достичь в Ка-диапазоне требуемых высоких значений ЭИИМ и G/T в этом случае проблематично (необходимы запасы на погоду до 5-8 дБ и более в зависимости от климатической зоны и заданного коэффициента готовности канала).
Рис. 5. Пример формирования
рабочих зон на основе однолучевой технологии для орбитальных позиций 140Е и 53Е
(внутренний контур 2 х 6 град. по уровню -3 дБ, последующие контуры по уровням
-4 и -6 дБ, коэффициент усиления в максимумах не менее 33,5 дБ, достижимый ЭИИМ
и G/T на границах РФ не менее 49 дБВт и 3 дБ/K)
Рис. 6. Пример
формирования рабочих зон на основе многолучевой технологии для орбитальных позиций
140Е и 53Е (лучи 1,17 х 2,9 град. по контуру -3 дБ, коэффициент усиления в
максимумах не менее 39,0 дБ, достижимый ЭИИМ и G/T на границах РФ не
менее 56 дБВт и 9 дБ/K)
Единственное решение – использовать многолучевую технологию (в специальных случаях можно ограничиться переходом в режиме насыщения ствола). Возможный вариант распределения лучей в рабочей зоне России и СНГ показан на рис. 6. В данном случае предполагается условие минимального числа лучей при их унификации для орбитальных позиций 140Е и 53Е. Из данных рис. 6 следует, что энергетические показатели уже достаточны для использования Ка-диапазона. Открытыми остается вопрос выбора технологии организации связи между лучами. Этот выбор зависит от решения системной задачи, то есть комплексного подхода к организации наземного и космического сегментов в интересах конечной задачи.
Анализ тенденций развития спутниковой связи и вещания
показывает, что идет постепенное расширение использования новых
телекоммуникационных технологий при сохранении преемственности с уже
развернутыми наземными сетями спутниковой связи и вещания.
В качестве основного направления развития можно выделить использование многолучевой технологии в сочетании с обработкой и/или коммутацией сигналов на борту. Частотный ресурс геостационарной орбиты в С и Ku-диапазонах близок к насыщению и идет активное освоение Ка-диапазона, особенно при использовании новых телекоммуникационных технологий.
Ряд новых телекоммуникационных технологий уже апробированы и используются в коммерческих целях, но общей картины, раскрывающей коммерческие успехи, еще нет. Кроме того, в каждом регионе и стране свои внутренние особые условия, поэтому даже уже имеющиеся данные нельзя однозначно переносить на условия России. Это, например, касается технологии SkyPlex, которая не пользуется коммерческим успехом в европейских странах с развитыми ВОЛС, или наоборот переносить успехи многолучевой системы IPStar, которая работает в зоне с плотностью населения, в десятки и сотни раз превышающей плотность населения в регионах России.
Опубликовано: Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание"-2009
Посещений: 19519
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
