Актуальность и перспективы использования гибких полезных нагрузок для спутников связи в РФ

Статья написана на основе исследования кандидата технических наук Бориса Локшина:

Локшин Б.А. Гибкие полезные нагрузки для российских спутников связи // Специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание — 2024». С. 99−103. Электронный ресурс: https://cs.groteck.ru/SATCOM_2024/100/. Дата обращения 8 июля 2024 г.

Спутниковое вещание и связь занимают одно из ключевых мест в сфере телекоммуникаций. Большинство существующих систем фиксированной связи работают с использованием космических аппаратов (КА), которые размещены на геостационарной орбите (ГСО). Это позволяет упростить конструкцию антенны наземной станции, которую достаточно один раз навести на нужный спутник.

В традиционных системах спутниковой связи используются ретрансляционные каналы с широким лучом. Они отличаются обширной зоной покрытия, которая может охватывать целые страны и континенты. Такие системы долго сохраняли высокую экономическую эффективность, привлекали инвестиции, что обеспечивало им динамичное развитие. Однако с 2015—2017 гг. на рынке спутниковой связи начались серьёзные изменения. В связи с появлением большого числа операторов, возник существенный избыток предложения. Это наложилось на экономический кризис во многих странах и развитие альтернативных методов передачи сигнала.

В результате спрос на спутниковую связь упал, что вынудило операторов уменьшать её стоимость. Соответственно, традиционные спутники, использующие каналы с широким сигналом, перестали приносить такую высокую прибыль. Это привело к активизации разработок новых решений, способных выдерживать конкуренцию с технологиями наземной связи.

Наиболее эффективным из таких решений представляется переход к использованию КА с многолучевой структурой. Сегодня такой переход видится практически неизбежным, учитывая нехватку свободных позиций на ГСО, что требует существенного наращивания пропускной способности.

Внедрение новых решений привело к улучшению ситуации на ГСО. По информации Northern Sky Research, с 2018 г. в мире наблюдается рост заказов на геостационарные спутники, хотя в период с 2015 по 2018 г. число заказов уменьшалось.

Использование HTS-спутников (спутников с высокой пропускной способностью) стало одним из направлений развития геостационарных КА. Такие спутники работают в многолучевой конфигурации с многократным повторным использованием частот. Они обладают значительной пропускной способностью, которая составляет сотни гигабит в секунду. При этом, в перспективе их пропускная способность будет достигать несколько терабит в секунду. Благодаря этому, они обладают более высокой экономической эффективностью по сравнению с КА с широкими лучами. При загрузке спутника на уровне 60−70% его экономическая эффективность сопоставима с наземными системами.

Разработка многолучевых спутников первоначально велась для обеспечения широкополосного доступа пользователям в интернет в Ка-диапазоне. Ка-диапазон был выбран, поскольку в нём шире полоса частот по сравнению с Ku-диапазоном и легче формируются узкие лучи (0,3−1,0 °). Сеть связи, как правило, строится по схеме «звезда». Она включает хаб (центральную станцию) и сеть абонентских станций VSAT.

Структура такой схемы обеспечивает удобный доступ к интернету и другим централизованным ресурсам. Однако между малыми абонентскими станциями связь может осуществляться только в режиме двойного скачка через хаб. В определённых случаях такой режим связи может не подходить. В традиционных сетях спутниковой связи схема «звезда» используется редко. Такие сети обычно строятся для обмена данными между всеми станциями.

Традиционные и HTS-сети отличаются и предметом аренды для пользователей. В первом случае, пользователь оплачивает выделенную ему часть полосы пропускания, которая рассчитывается в МГц. При использовании HTS-спутников в аренду передаётся часть пропускной способности, которая рассчитывается в единицах Мбит/с.

При своих плюсах, сети HTS имеют и ряд недостатков, которые не позволяют им полностью вытеснить традиционные системы спутниковой связи. В том числе, к недостаткам относятся следующие их особенности:

• Технология HTS обеспечивает высокую эффективность при построении сетей широкополосного абонентского доступа, но менее эффективна в ряде других сфер использования спутниковой связи.
• Сети HTS на данный момент представляют собой закрытые системы, поскольку хаб может работать только с совместимыми базовыми станциями. Обычно приходится использовать оборудование одного производителя.
• Спутники HTS в среднем в 2−3 раза дороже в производстве по сравнению с традиционными КА сопоставимой массы и энерговооруженности. Поэтому расходы на создание аппарата окупаются только при высоком уровне загрузки его ёмкости.

Распространению HTS-сетей в России препятствует ряд факторов. Прежде всего, это ограниченная существующая и перспективная потребность в ёмкости таких систем, которая существенно ниже требуемого для окупаемости спутника объёма трафика. Поэтому простая замена традиционного спутника на спутник HTS не будет рентабельным решением. Для такого КА потребуется построить новую сеть с хабом и большим количеством станций VSAT. Однако уровень платежеспособного спроса недостаточен для распространения систем, построенных по схеме «звезда». Так, если в США и Канаде индивидуальные абоненты используют несколько миллионов абонентских станций VSAT, то в России их число не превышает 50 тысяч.

Кроме того, для распространения HTS-сетей в России есть ряд дополнительных ограничений:

• огромная территория страны с неоднородной и малой плотностью населения;
• расположение основной части территории в северных широтах, которые тяжело достигаются с ГСО;
• малый объём бюджетного финансирования на развитие гражданской орбитальной группировки.

С учетом этих обстоятельств строительство больших HTS-спутников для России не представляется целесообразным. Они не будут полностью загружены, что не позволит добиться окупаемости. Экономическая эффективность использования таких систем достигается в странах с достаточным платежеспособным спросом и высокой плотностью населения.

Более обоснованным для России является строительство КА с универсальными транспондерами. Такие транспондеры могут работать с разными видами наземного оборудования в сетях разного типа. При этом, для улучшения экономических характеристик в этих спутниках, используются технологии, увеличивающие пропускную способность.

Например, 8-лучевой спутник этого типа, работающий в Ка- и Ku-диапазоне, по пропускной способности превосходит традиционный широколучевой спутник в 3−4 раза. При этом, его стоимость оказывается выше всего на 10−20%. Для устранения проблем со связностью абонентских станций, характерных для схемы звезда, и построения полносвязной наземной сети, в сеть бортового ретранслятора включается цифровой маршрутизатор.

Учитывая значительную территорию и малую плотность населения страны, в России ещё долго будет сохраняться актуальность традиционных сетей спутниковой связи с широкими лучами. Однако на спутниках последних поколений уже используются полезные нагрузки (ПН), предназначенные для эксплуатации со специализированными сетями связи. Благодаря этому повышается эффективность сетей VSAT.

Ещё одно ключевое направление развития геостационарных КА является технология создания гибких ПН с программируемыми энергетическими, пространственными, радиочастотными параметрами. Эта концепция предусматривает изменение характеристик полезной нагрузки программным способом в ходе эксплуатации КА. В том числе, может меняться частотный план, зона обслуживаниям, распределение излучаемой по каждому лучу мощности, параметры связности и другие критерии.

К элементам гибкой ПН условно можно причислить бортовые антенны с функцией механического перенацеливания, которые применяются уже достаточно давно. Такие антенны применяют в российских спутниках для обслуживания регионов, в которых нет покрытия фиксированными лучами. При использовании КА с такими антеннами связность достигается конструктивными методами — при помощи подключения требуемого количества транспондеров к каждому из лучей.

Концепция использования гибких ПН получила развитие, благодаря внедрению цифровых решений, к которым относятся антенны на цифровых активных фазированных решетках (ЦАФАР), системы с прыгающими лучами (beam hopping), многопортовые усилители, цифровые маршрутизаторы на базе «прозрачных» процессоров (DTP) и т. д. Выведение спутника с таким составом ПН возможно в любую точку ГСО. Ему можно задать зоны обслуживания нужной конфигурации. Он может работать с требуемыми энергетическими параметрами в нужных частотных полосах.

Несмотря на существенные преимущества технологии, она имеет и минусы:

• Высокая стоимость спутников — в среднем в 1,5−2 раза выше по сравнению с КА с широкими лучами.
• Возможность установки меньшего количества транспондеров при сопоставимой массе аппарата и энергетике.
• Неоднозначные перспективы экономической эффективности из-за сравнительно высокой стоимости спутника и ограниченного ресурса ёмкости — при выставлении невысокого тарифа услуги, КА может быть убыточным.

Примером использования технологии в России может служить гибкая ПН, которая была разработана в рамках научно-исследовательской работы ФГБУ НИИР. Зоны обслуживания формируются гибридно-зеркальной многолучевой антенной (ГЗА). Она создаёт несколько десятков лучей при помощи кластерного облучателя. В его конструкции каждый парциальный облучатель состоит из 7 рупоров, малошумящего усилителя, приёмника или передатчика. Цифровые потоки обрабатываются и маршрутизируются при помощи цифрового маршрутизатора. По оценкам разработчиков, использование такой ПН позволит добиться следующих эффектов:

• повышение гибкости резервирования КА;
• уменьшение сроков строительства спутника за счёт исключения стадии проектирования для следующих изделий;
• уменьшение расходов на производство — при серийном заказе и готовой техдокументации будет достигнуто снижение стоимости комплектующих.

Однако для фактического внедрения этой ПН необходимо предварительно получить подтверждение и отработать предусмотренные решения реализации её основных компонентов.

Рассмотрим возможность реализации и особенности гибкой ПН на базе перспективной орбитальной группировки ГП КС. Группировка будет включать 11 спутников, в том числе:

• 3 спутника тяжелого класса («Экспресс-АМУ5», «Экспресс-АМУ6», «Экспресс-40). Масса полезной нагрузки в пределах 1000−1200 кг, энерговооруженность — от 12 до 14 кВт.
• 2 спутника среднего класса («Экспресс-АМУ4», «Экспресс-АМУ8»). Масса полезной нагрузки составляет 600−800 кг, энерговооруженность 6−8 кВт. Планируемые сроки запуска — до 2030 г.
• 2 вещательных спутника («Экспресс-АТ3», «Экспресс-АТ4»).
• 4 спутника среднего класса с планируемыми сроками запуска после 2030 г.

Аппараты с гибкой ПН могут применяться в качестве основы для КА группировки при условии, что их стоимость и сроки создания будут приемлемы для производителя. Возможность использования аппаратов иностранного производства ограничена из-за того, что они ориентированы на работу в сетях «звезда», которые слабо развиты в РФ. Кроме того, европейские КА работают не более чем в 2 диапазонах, тогда как в для ГП КС предусматривается создание 3-диапазонных и 4-диапазонных спутников. Также серьёзным препятствием являются действующие санкции.

Стандартный срок производства КА тяжелого класса в России составляет 3−4 года. Учитывая, что сегодня отсутствует завершенная отечественная разработка гибкой ПН, использовать её для аппаратов первой группы не получится.

Спутники среднего класса «Экспресс-АМУ4», «Экспресс-АМУ8» будут расположены на ГСО в точках 11 градусов западной долготы и 14 градусов западной долготы соответственно. В этих точках возможно использование ограниченного ресурса частот, поэтому от этих аппаратов не будет требоваться значительная пропускная способность. Спутник с гибкой ПН, разработанный ФГБУ НИИР, исходя из результатов научно-исследовательской работы, будет требовать использования тяжёлой платформы. Это приведёт к росту стоимости аппарата без прироста дохода от его использования.

Поскольку аппарат «Экспресс-АМУ4» с 2022 года находится в процессе производства, для него рассматривать применение гибкой ПН нет смысла. Зато, для «Экспресс-АМУ8», который планируется к запуску в 2030 году, это вполне актуально.

В третью группу ГП КС входят вещательные спутники, которые транслируют на всю территорию обслуживания один и тот же контент, что не предусматривает использование многолучевой зоны. Соответственно, для этих аппаратов применение гибкой ПН не имеет смысла.

Таким образом, спутники из состава ГП КС, которые планируются к запуску до 2030 г, сильно различаются по классу (тяжёлый и средний), срокам готовности, возможности и целесообразности применения многолучевой конфигурации. Поэтому использование гибкой ПН для них не позволит сократить сроки производства и снизить стоимость.

Рассмотрим возможности резервирования. Спутники с гибкой ПН предлагается использовать в качестве резервных КА. Это решение позволяет поддерживать требуемый набор характеристик в каждой точке ГСО. Формирование зоны обслуживания осуществляется многолучевой ГЗА, которая создает 56 лучей по 2,2−2,5 градуса. Коммутатор может включать определённые лучи как на приём, так и на передачу.

Базой для формирования зон обслуживания выбрана конфигурация зон «Экспресс-АМУ4». Однако такой выбор представляется неоднозначным. Это связано с плохой видимостью позиции этого спутника с территории России. На ней формируются лучи, которые направлены на Европу, Африку, Северную и Южную Америку. При этом другие КА в составе группировки будут работать преимущественно на территорию РФ. Использование на них ПН с зоной покрытия, охватывающей практически всю видимую земную поверхность, нецелесообразно. На них может применяться намного более простая модель с уменьшенным количеством лучей.

Применение многолучевой антенны увеличивает объём бортового оборудования и повышает энергопотребление КА, поскольку спутник среднего класса может быть только 1-диапазонным, а для производства 3-диапазонного аппарата потребуется платформа тяжёлого класса. Однако 1-диапазонные КА уже достаточно давно не применяются из-за неудовлетворительной экономической эффективности. Все спутники ФСС сегодня многодиапазонные. Такие аппараты могут окупаться только при реализации всех частотных присвоений в соответствующей орбитальной позиции. Замещение всех орбитальных позиций КА тяжёлого класса также не представляется экономически эффективным решением, поскольку объём трафика, необходимый для окупаемости такого аппарата, достигается только в 2−3 позициях.

Резервирование сравнительно недорогим КА среднего класса возможно при определённых ограничениях. Среди таких ограничений можно назвать резервирование только зон обслуживания, находящихся на территории России, а также резервирование в 3 диапазонах — Ku, C, L.

Таким образом, использование гибкой ПН не даёт значительных преимуществ в отношении резервирования для группировки ГП КС по сравнению с альтернативными методами.

Стратегия развития группировки ГП КС должна разрабатываться с учётом следующих факторов:

• В России традиционно востребованы диапазоны частот С и Ku в широких лучах. Это связано с эксплуатацией многими операторами сетей с общероссийской зоной покрытия, в которых удобней работать в широких лучах.
• Операторы обычно предпочитают аренду одного слота для зонового трафика и для магистральных линий. Это решение упрощает создание наземных центральных станций.
• Использование «гибкого» ресурса может приводить к увеличению тарифа.

В ряде публикаций значительно завышается предполагаемый эффект от внедрения гибкой ПН, достигаемый благодаря росту пропускной способности. Нужно учитывать, что пропускная способность — это только один из факторов экономической эффективности КА. Не менее важен и уровень платежеспособного спроса на предоставляемый спутником ресурс.

Переход на использование многолучевых спутников, к которым относятся спутники с гибкой ПН, возможен только при комплексном переоборудовании наземной сети. Это потребует значительного финансирования и времени. Простая замена обычного спутника многолучевым приведёт к потере управления и прекращению работы сети.

Исходя из этого, имеет смысл создать экспериментальный спутник с цифровой гибкой ПН. Такой К А должен использоваться для отработки адаптации действующих сетей к многолучевому режиму. Это потребует значительных вложений, времени и компетенций.

Нужно учитывать консервативность внутрироссийского трафика, который обычно не испытывает сильных колебаний по направлениям и объёму. Поэтому в течение ближайших лет полноценное использование гибких ПН не представляется актуальным. Однако элементы этой технологии должны изучаться для возможного использования в перспективных проектах. Гибкая П Н может использоваться при создании спутников для крупнейших операторов глобального уровня, а также для продажи на международном рынке.

Планы развития ГП КС предусматривают создание после 2030 года спутников нового поколения 4 группы. При разработке этих аппаратов, возможно, получится реализовать плюсы гибкой ПН.