К вопросу о перспективах развития спутниковой сети связи на территории Российской федерации на период до 2020 года

23 декабря 2011 г, 11:32

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

К вопросу о перспективах развития спутниковой сети связи на территории Российской Федерации на период до 2020 года

Система спутниковой связи и вещания РФ играет южную роль в выполнении государственных задач по обеспечению качественной цифровой связью всего населения России. Долгосрочное развитие системы спутниковой связи (ССС) должно осуществляться с учетом достоинств и недостатков, существующих ССС а также ориентироваться на вопросы связанные: с гонкой вооружений в космосе, с проблемой засорения космических орбит и с космическими системами двойного назначения.

Климов ДА,

МТУ С И

Актуальность развития системы спутниковой связи в России не вызывает сомнения. Несмотря на бурный рост кабельных сетей, охват ими всей территории Российской федерации не является экономически целесообразным Территории с низкой плотностью населения (районы крайнего севера, дальневосточный регион) с экономической (и не только) точки зрения эффективней обеспечить современной цифровой связью с использованием спутниковых систем, так как они обладают радом преимуществ перед кабельными системами (например, мобильность связи, глобальность). При этом кроме вопросов обеспечения связи, с помощью спутниковых систем можно и нужно решать задачи национальной безопасности (контроль и мониторинг территории, объектов, животных и т.п.) связанные с оперативным реагированием на чрезвычайные ситуации (последние события лета 2010 г. — лесные пожары).

Система спутниковой связи и вешания Российской Федерации играет важную роль в выполнении государственных задач по обеспечению качественной цифровой связью всего населения России. При этом система спутниковой связи и вещания России активно используется для обеспечения потребностей государственных пользователей, для социально-экономическою развития страны, для обеспечения потребностей бизнеса, для обеспечения международного сотрудничества, при реализации приоритетных национальных проектов.

Судьба спутниковой связи в России способна повлиять на развитие многих отраслей промышленности, экономику страны и, конечно же, на условия жизни населения. Любая неверная оценка того или иного фактора при развертывании или эксплуатации систем спутниковой связи может иметь негативные последствия.

К главным проблемам, сдерживающим развитие и эффективность использования системы спутниковой связи и вещания следует отнести следующие:

• недостаточное финансирование развития орбитальной группировки. Спутниковая связь в настоящее время и на ближайшую перспективу остается дотируемой подотраслью российских телекоммуникаций, требующей для своего развития различных форм государственной поддержки и целевого бюджетного финансирования. В то же время мировой опыт свидетельствует, что в условиях рыночных отношений современные системы спутниковой связи обладают достаточной коммерческой эффективностью и соответствующим потенциалом для саморазвития;

• нерешенность в законодательном порядке вопросов доступа потенциальных инвесторов к освоению на временной основе неза-

действованного орбитально-частотного ресурса, а также вопросов закрепления в собственность космических аппаратов или их части в качестве возмещения вложенных инвестиций;

• усложненные процедуры получения разрешительных документов на развертывание и ввод в эксплуатацию земных станций и сетей спутниковой связи, требующих больших затрат времени и финансовых ресурсов,

• размещение заказов на производство и поставку космических аппаратов связи без проведения конкурсных отборов;

• использование емкости зарубежных систем спутниковой связи для работы значительной части (до 30%) спутниковых сетей связи, развернутых на территории Российской Федерац ии;

• отсутствие системного подхода при проектировании спутниковых систем связи;

• отсутствие комплексных решений по интегрированному использованию спутниковых систем с разными орбитами (геостационарные, низкие, средние, эллиптические орбиты).

В настоящее время развитие рынка спутниковой связи уже немыслимо без взаимосвязи с наземными сетями. Те или иные изменения в инфраструктуре последних существенно влияют как на характеристики, так и на услуги спутниковых систем. Так, внедрение волоконно-оптических сетей значительно снизило актуальность магистральных линий спутниковой связи и во многих странах даже частично вытеснило их с рынка. Реакцией на этот процесс стало предложение таких новых услуг, как непосредственное спутниковое вещание, связь через УБАТ- и 11БАТ-терминалы. Конечно, эти услуги появились благодаря значительным изменениям в технологии производства космических аппаратов (КА), направленным на увеличение их пропускной способности и энерговооруженности. Уже очевидны и последующие шаги в этом направлении. В первую очередь необходима модернизация ретрансляционных комплексов. Значительное усложнение КА: потребуются широкополосные спутники с ретрансляторами с обработкой информации, оснащенные бортовыми многолучевыми узконаправленными антеннами с межлучевой коммутацией сигналов, что позволит переложить часть основных сетевых функций с наземного сегмента системы но космический. Далее переход в более высокочастотные диапазоны 20-30 и 40-50 ГГц. Такие спутники обеспечат абонентам возможности доступа в 1Шегпе1 и передачи мультимедийной информации в интерактивном режиме.

Свидетельством современных синергетических процессов между системами спутниковой и наземной связи является все более широкое применение так называемых гибридных систем Сейчос для заказчика важно одно — чтобы его данные были доставлены потребителю своевременно, без потерь и с минимумом затрат. Как эти донные будут передаваться, по спутниковым или наземным линиям связи, его совершенно не волнует. Поэтому для владельцев спугни-

90

Т-Сотт, #9-2011

ковых и наземных сетей связи открываются огромные просторы для кооперации.

Анализ показывает, что современный рынок услуг спутниковой связи достаточно динамичен, в том числе подвержен существенным колебаниям цен, кризисам перепроизводства и резким изменениям оценок операторов в перспективах востребованности тех или иных услуг спутниковой связи. Все это требует от перспективных космических аппаратов универсальности, адаптируемости к разным зонам обслуживания при одновременно невысоких ценовых характеристиках транспондеров, а от программы развития спутниковой группировки — способности быстрой реакции на изменившиеся условия.

Исходя из вышесказанного, для организации в РФ национальной спутниковой системы связи необходимо использовать не только геостационарные спутники, но и спутники, находящиеся на низких и эллиптических орбитах. При этом разработка такой системы требует комплексного подхода, учитывающего не только особенности построения космического сегмента, но и реализацию наземного сегмента, состоящего из земных станций спутниковой связи и абонентских устройств. Также нужно учитывать и использовать недостатки и достоинства каждого типа спутниковых систем

Геостационарные спутники

• основными достоинствами геостационарных спутников являются: возможность непрерывной круглосуточной связи в глобальной зоне обслуживания и практически полное отсутствие сдвига частоты, обусловленного доплеровским эффектом

• геостационарные спутники являются широковещательными средствами связи. Передача сообщения через спутник на несколько тысяч станций, находящихся в пределах пятна вещания транспондера, стоит столько же, сколько и передача сообщения на одну станцию. Для некоторых приложений такое свойство чрезвычайно полезно. И хотя широковещание может быть симулировано в системах, использующих линии связи 1'точка-точка“, широковещание со спутника значительно дешевле.

Одна ко такие системы имеют ряд недостатков, главный из которых — задержка сигнала.

• Спутники на геостационарных орбитах оптимальны для систем радио- и телевизионного вещания, где задержки в 250мс (в каждом направлении) не сказываются на качественных характеристиках сигналов. Системы радиотелефонной связи более чувствительны к задержкам, а поскольку суммарная задержка в системах данного класса составляет около 600 мс (с учетом времени обработки и коммутации в наземных сетях), даже современная техника эхоподавления не всегда позволяет обеспечить связь высокого качества. В случае "двойного скачка" (ретрансляции через наземную станцию-шлюз) задержка становится неприемлемой уже более чем для 20% пользователей. Для сравнения, задержка в наземных микроволновых линиях составляет около 3 мкс/км а в коаксиальных и оптоволоконных кабелях — около 5 мкс/км (электромагнитные волны распространяются в воздухе быстрее, чем в твердых материалах).

• Архитектура геостационарных систем ограничивает возможность повторного использования выделенных полос частот, а, следовательно, их спектральную эффективность. Зона охвата геостационарных КА не включает в себя высокоширотные районы (выше 76,50соц. и ю.ш.), т е. действительно глобальное обслуживание не гарантируется. Следует также отметил», что геостационарные КА могут обеспечить услуги персональной связи лишь в том случае, если формируемые ими но поверхности Земли зоны обслуживания примерно одинаковы с зонами, образуемыми низкоорбитальными спутниками.

• Бурное развитие спутниковой связи, особенно в последнее

десятилетие, привело к тому, что на геостационарной орбите стало очень "тесно" и возникли проблемы с размещением новых КА Дело в том, что в соответствии с существующими международными нормами орбитальный разнос между геостационарными КА должен составлять не менее 10. Это означает, что на орбите можно разместить не более 360 спутников Что же касается сокращения углового разноса между точками стояния КА на орбите, то на современном уровне развития техники это невозможно из-за взаимных помех.

Низкоорбитальные спутники

Спутники на низких орбитах обладают значительными преимуществами перед другими КА по энергетическим характеристикам, но проигрывают им в продолжительности сеансов связи и времени активного существования КА. Если период обращения спутника составляет 100 мин, то в среднем 30% времени он находится на теневой стороне Земли. Аккумуляторные бортовые батареи испытывают приблизительно 5 тыс. циклов зарядки/разрядки в гад вследствие чего срок их службы, как правило, не превышает 5-8 лет.

Выбор диапазона высот от 700 до 2 тыс. км для низкоорбитальных систем неслучаен. С одной стороны, на орбитах высотой менее 700 км плотность атмосферы относительно высока, что вызывает колебания эксцентриситета и деградацию орбиты (постепенное снижение высоты апогея). Кроме того, уменьшение высоты орбиты привадит к увеличению числа штатных маневров для сохранения заданной орбиты, а следовательно, к повышению расхода топлива. С другой стороны, на орбитах выше 1,5 тыс км, где располагается первый радиационный пояс Ван-Аллена, длительная работа электронной бортовой аппаратуры практически невозможна, если не использовать специальных методов защиты от радиационного излучения. Применение же этих методов ведет к существенному усложнению бортовой аппаратуры и увеличению массы КА. Однако чем меньше высота орбиты, тем меньше мгновенная зона обслуживания, а следовательно, для глобального охвата требуется значительно большее количество спутников Если низкоорбитальная система должна обеспечить глобальную связь с непрерывным обслуживанием, то необходимо, чтобы в орбитальную группировку входило не менее 48 КА Период обращения спутника на этих орбитах составляет от 90 мин до 2 ч, а максимальное время пребывания КА в зоне радиовидимости не превышает 10-15 мин.

Эллиптические

Основными параметрами, характеризующими тип эллиптической орбиты, являются период обращения спутника вокруг Земли и эксцентриситет (показатель эллиптичности орбиты). В настоящее время используются несколько типов эллиптических орбит с большим эксцентриситетом. Эти орбиты являются синхронными, т.е. спутник, выведенный на такую орбиту, вращается со скоростью Земли и имеет период обращения, кратный времени суток.

Для спутников на эллиптической орбите характерно то, что их скорость в апогее значительно меньше, чем в перигее. Следовательно, КА будет находиться в зоне видимости определенного региона в течение более длительного времени, чем спутник, орбита которого является круговой.

Так, выведенный но эллиптическую орбиту спутник (апогей 40 тыс. км, перигей 460 км, наклонение 63,50) обеспечивает сеансы связи продолжительностью 8-10 ч, причем система всего из трех спутников поддерживает глобальную крутосуточную связь. Эллиптические орбиты с более низким апогеем, например апогей 7840 км, перигей 520 км или апогей 26 737 км, перигей 1000 км. предназначены для обеспечения региональной связи.

КА с более низким апогеем выигрывают у спутников на высоко-

T-Comm, #9-2011

91

эллиптических орбитах по энергетическим характеристикам, проигрывая им в продолжительности сеансов. Дня обеспечения непрерывной круглосуточной связи с использованием синхронно-солнечных орбит потребуется не менее 8 КА (расположенных в двух орбитальных плоскостях по четыре спутника в каждой плоскости). Они позволят обслуживать абонентов при углах радиовидимости КА не менее

250.

Системы с КА на эллиптических орбитах также не лишены "природных" ограничений. Постоянство местоположения КА на эллиптической орбите обеспечивается только при двух значениях наклонения плоскости орбиты к экватору — 63,40 и 116,60. Это объясняется воздействием неоднородностей гравитационного поля Земли, из-за которого большая ось эллиптической орбиты испытывает вращательный момент, что приводит к колебаниям широты подспутниковой точки в апогее. Другой фактор, влияющий на выбор параметров эллиптических орбит, связан с необходимостью учитывать опасные воздействия радиационных поясов Ван-Аллена, которые неизбежно пересекает КА во время своего движения по орбите.

Учитывая вышесказанное, национальная система спутниковой связи должна использовать послойное размещение спутников. При этом разные слои такой системы должны оптимально использоваться для той или иной услуги связи. Например, обеспечение спутниковой телефонной связью требует минимальной задержки сигнала, что обеспечивается использованием низкоорбитальных спутников, но зона видимости этих спутников мала (т.е. сигнал необходимо часто передавать от спутника к спутнику), что можно компенсировать связью низкоорбитальных спутников с геостационарными, ведь геостационарный спутник "видит11 значительное количество "низколетов" и может одновременно со всеми иметь связь.

При организации национальной системы спутниковой связи нельзя забывать о следующих вопросах:

1. Гонка вооружений в космосе. Дисбаланс вооружений на земле привадит к гонке вооружений в космосе. Создание национальной системы ПРО США ПРО на ТВД с вынесением их элементов в космос и на удаленные территории союзников не способствует поддержанию мира. Политические перспективы имеет только глобальная система ПРО, направленная против террористов, создаваемая за счет сопряжения национальных элементов ПРО всех заинтересованных стран Европы, Америки и даже Азии. Только в этом случае можно будет развивать меры доверия, и предотвращать акции отдельных субъектов, стремящихся к дестабилизации международной обстановки. Т.е. создаваемая система должна решать вопросы мониторинга и контроля всех систем ПРО.

2. Проблема засорения космических орбит является наиболее актуальной и объединяющей интересы всех стран мира без исключения. В результате слабо контролируемой деятельности запускаю-

щих государств растет количество космического мусора на орбитах. Это может привести к параличу космической деятельности через 20-30 лет. Неконтролируемые испытания средств вооруженной борьбы в космосе приводят к зосорению орбит, наиболее часто используемых коммерческими спутниками. Это значительно повышает риски непреднамеренного уничтожения и сто№*остъ страхования космических аппаратов снижает рентабельность космических программ Национальная спутниковая система должна иметь систему росчето и мониторинга спутниковых орбит.

3. Космические системы двойного назначения. Системы военного контроля космического пространства и земной поверхности из космоса развиваются поэтапно. Сначала создаются средства мониторинга или разведки. Затем наращивается космические группировки связи и навигации. Все эти группировки заявляются как коммерческие или имеющие двойное назначение. Так, в частности, в 2005 г. страны мира вывели на околоземные орбиты 76 новых спутников и только 13 из них были официально объявлены военными. Когда указанные группировки достигают качества, позволяющего функционировать в непрерывном режиме, они сопрягаются с боевыми системами.

Создание космжеской группировки кщет относительно медленно и доступно мониторингу. Сопряжение группировки с оружием можно провести очень быстро и практически незаметно. Поэтому численный состав группировок связи, навигации и дистанционного зондирования земной поверхности должен иметь разумные ограничения. Таким образом, создаваемая система должна обладать возможностью поддержки функций спецназначения.

Первым этапом развития национальной спутниковой системы связи должно стать проведение отраслевыми научно-исследовательскими организациями комплексных НИР по уточнению задач, роли и места системы спутниковой связи в России и определению долгосрочных перспектив и направлений развития спутниковых технологий для решения указанных задач.

В рамках подобных НИР необходимо учитывать следующее:

• Низкоорбитальная спутниковая группировка должна быть развернута в течение 2-3 лет (что потребует более легкой, по сравнению с существующими, платформы, чтобы можно было выводить на орбиту одним запуском как можно больше КА).

• Необходимо разработать принципиально новые алгоритмы и методы передачи информации как на линии КА-Земля, так и на линии КА-КА.

• Необходимо исследовать принципы передачи информации в другом частотном диапазоне (отличном от используемого в настоящее время в низкоорбитальных спутниковых системах), удовлетворяющего требованиям по пропускной способности создаваемой системы и требованиям по бортовой и наземной энергетике.

92

Т-Сотт, #9-2011