Космос // Сергей Пехтерев

Спутниковая связь и ее роль в телекоммуникациях

Facebook
Twitter
Google+
Pinterest
Vkontakte
Odnoklassniki
244 0
В чем заключается роль спутниковой связи в телекоммуникациях, основные понятия и ключевые технологии этой области. Как со спутниковой связью работают технологические компании и что они делают неправильно? С какими сложностями сталкиваются разработчики технологий в этой области и как их преодолевают, а главное — почему растет спрос на высокоскоростной широкополосный доступ в интернет в районах, где нет развитой оптической инфраструктуры?

А также поговорим о современных подходах к реализации глобальных спутниковых группировок на низкой орбите. В том числе о проекте космической связи StarLink — программе компании SpaceX, благодаря которой Илон Маск обещает обеспечить широкополосный доступ к глобальной сети по всему миру. 

Итак, начнем. Меня зовут Сергей Пехтерев, я специалист по спутниковой связи и работаю в этой сфере с 1993 года.

Недавно стало известно, что правительство выделит 30 миллиардов рублей на создание системы спутниковой связи в северных широтах с использованием аппаратов «Экспресс-РВ». К 2024 году в рамках этой программы планируется создать и запустить четыре таких спутника. Почему это важно? Давайте разбираться.

В этой статье речь пойдет о роли спутниковой связи в современных коммуникациях, передаче информации по спутниковым каналам и проектах низкоорбитальных систем связи. Приступим.

Какую роль спутниковая связь играет в современных коммуникациях?

Как и у многих технологий, по мере развития у спутниковой связи были периоды взлетов и падений. Первый взлет пришелся на 1970-е годы, когда удалось обеспечить спутниковое телевидение. С этим, кстати, связан подъем телекомпании CNN — одного из мощных технологических партнеров и пионеров спутниковой связи. Затем появилась возможность межконтинентальных телефонных каналов — вести телефонные переговоры теперь можно было не только там, где проложены кабели, а практически где угодно. Потом наступила эра передачи данных. И, наконец, интернета.

Надо отметить, что спутниковая связь — это передача данных. Она заменяла сначала медный провод, а теперь — волоконно-оптический. Но сегодня распространение волоконно-оптического кабеля, которое в последние 20 лет идет очень бурно, снизило роль спутниковой связи. ВОЛС практически вытеснил ее из крупных городов. В России, например, единственная столица субъекта федерации, не связанная «оптикой», — это город Анадырь. И то существует проект прокладки подводного кабеля Петропавловск-Камчатский — Анадырь. Почему так происходит?

У спутниковой связи есть один ключевой недостаток — спутниковая задержка. Дело в том, что практически вся спутниковая связь, начиная с 1960-х годов, работает через спутники на геостационарной орбите, на высоте 35 786 километров над Землей. Особенностью геостационарной орбиты является то, что скорость движения космического объекта на этой высоте совпадает со скоростью движения Земли. Это очень удобно — можно разместить спутник над нужной точкой экватора, направить луч на Россию, а на Земле поставить спутниковую тарелку и сориентировать ее антенну на этот спутник. Больше ничего не надо, всё работает, но с задержкой.

На высоте 35 786 километров и скорости света около 300 000 километров в секунду путь «передатчик — спутник — приемник» занимает где-то 700–800 миллисекунд. Для передачи телевизионного сигнала это не проблема, а для современных приложений, связанных с VPN-туннелями, сервисами передачи информации, удаленным рабочим столом и видеогеймингом такая задержка — практически смертный приговор.

В связи с этим сейчас разрабатываются проекты низкоорбитальных систем связи — Starlink, OneWeb, Telesat, Kuiper. Их задача — перевести спутники на высоту 500 и 1000 километров. В этом случае спутниковая задержка сравняется с задержкой в «оптике». Если всё получится и будет работать разумно — и по цене и по экономике, — тогда, безусловно, нас ждет очень мощный взлет значения спутниковой связи.

Как работают спутниковые системы связи?

Работает спутниковая система очень просто и участвуют в ней, по большому счету, три объекта: передающий терминал, терминал, который получает информацию, и спутник.

Терминал выполняет несколько функций. Во-первых, он получает информацию по IP протоколу, преобразует ее в некий радиосигнал, усиливает этот сигнал и с помощью антенны направляет его на спутник. Спутник, получив этот сигнал на одной частоте, преобразует его на другую частоту и отправляет вниз. Приемник ловит его своей антенной, усиливает в малошумящем приемнике на демодулятор, который соответственно демодулирует этот сигнал, и на выходе мы получаем тот же самый IP-поток.

Главное преимущество спутниковой связи — ее доступность практически везде. Кроме широт выше 75° (Арктика и Антарктика). Здесь геометрия такая — с этих широт просто не видно высоту 36 тысяч километров над экватором. Рекордом для спутниковой связи является остров Шпицберген.

Этим как раз и объясняется важность создания системы спутниковой связи в северных широтах с использованием «Экспресс-РВ». По плану, космические устройства будут работать на эллиптических орбитах «Тундра», что позволит предоставить Арктическому региону широкополосную связь без ограничений по широте. Также с помощью спутников будет осуществляться связь с ледоколами и судами на Северном морском пути.

На данный момент все российские спутники связи работают на геостационарной орбите — всего их 18. Есть еще проект «Гонец» — наследие советских времен. Это реинкарнация секретного советского проекта «Стрела», который был разработан в СССР для главного разведывательного управления для связи с советскими нелегалами за рубежом. Спутники «Гонца» находятся на высоте 800 километров и используются для предоставления услуг подвижной спутниковой связи, но они не работают онлайн, а по сути являются пейджерами, получают информацию от абонента, хранят ее какое-то время (вплоть до нескольких часов), а потом передают на наземный шлюз. Система очень устарела и оперирует килобайтами, а не гигабайтами.

В чем суть проектов низкоорбитальных систем спутниковой связи?

Прежде всего нужно вспомнить школьный курс геометрии и представить, как лампочка освещает шарик. Если поместить лампочку далеко, ее свет покроет практически всю видимую часть шарика, а если приблизить, выяснится, что лампочка может осветить только его небольшую часть.

Сейчас на геостационарной орбите находится примерно 200–300 космических аппаратов, и они покрывают весь мир своими сигналами. Но, если ориентироваться на высоты от 500 до 1000 километров, по аналогии с лампой, нужны сотни, если не тысячи спутников.

И здесь самое главное заключается в том, что на низкую орбиту нельзя запустить спутник, который будет неподвижно там висеть относительно антенны, направленной на него. Все спутники на низкой орбите постоянно движутся, поэтому, чтобы обеспечить непрерывную связь — а о другой сегодня не может быть и речи, — нужны огромные группировки. Задержка сигнала в таком случае будет примерно 25 миллисекунд, а на Земле не останется ни одного угла без интернета.

Но не всё так просто. Вот несколько основных проблем низкоорбитальных спутниковых группировок:

  • большой размер начальных инвестиций — не менее 3 миллиардов долларов;
  • небольшой срок жизни спутника из-за наличия на низкой орбите остатков атмосферы. Для примера, спутник на геостационарной орбите работает 15 лет, а на низкой — 5–7 лет;
  • необходимость координации используемых частот. Один из вариантов работы на низкой орбите: когда сигнал низкоорбитального спутника совпадает с линией сигнала от геостационарного, нужно либо отключать сигнал низкоорбитального спутника, либо отклонять его в сторону;
  • 70 % Земли занимают океаны, то есть 70 % емкости новых спутниковых систем практически не будет использоваться;
  • операторы новых группировок должны обеспечить чистоту в космосе, то есть гарантировать, что после окончания работы их спутники сгорят в атмосфере или достигнут поверхности Земли в виде мелких обломков, никого при этом не убив.

Какие сейчас существуют проекты низкоорбитальных систем спутниковой связи?

Несмотря на сложности, есть несколько проектов низкоорбитальных систем спутниковой связи. Когда я начал следить за этой темой, обсуждали четыре подобных плана, главным из которых считался OneWeb Грега Уайлера. Вторым был Telesat LEO канадского спутникового оператора Telesat с привлечением государственного участия Канады. Третьим — Starlink, на который тогда особо не обращали внимания, потому что за спиной компании SpaceX не стояло ничего выдающегося в области спутниковой связи. И четвертым — проект LeoSat. Недавно, кстати, еще появился проект Kuiper от Amazon.

Полтора года назад LEOsat умер. OneWeb запустил порядка 70 космических аппаратов, но из-за финансовых проблем обанкротился и сейчас фактически поменял акционеров. Telesat до сих пор находится в предпроектном состоянии — они выбирают, кто для них будет делать спутники. А Starlink далеко впереди всех.

На данном этапе компания развернула около 850 спутников связи, уже построила или, по крайней мере, подала заявки на размещение 30 наземных станций на территории США, разработала наземный терминал, а на днях объявила о начале публичного бета-тестирования своей системы спутникового интернета. Кроме того, Starlink начала создавать сеть дочерних компаний по всему миру, которые охотятся за лицензиями на услуги связи. Многие из них работали под названием TIBRO (слово orbit наоборот), но сейчас в разных странах их начинают переименовывать в Starlink.

Что касается бета-тестирования, то, согласно информации, которую компания разослала тестерам, судя по всему, под заголовком Better Than Nothing Beta, Starlink предупреждает, что на первой стадии тестирования скорость соединения составит от 50 до 150 мегабит в секунду, а задержка — от 20 до 40 миллисекунд. Также возможны моменты, когда доступа в сеть через оборудование Starlink не будет совсем. При этом для того, чтобы принять в участие в тестировании, нужно купить терминал за 499 долларов и ежемесячно платить за интернет 99 долларов.

Это интересно, потому что люди ведь будут работать на Starlink, испытывать ее систему. Но получается, чтобы поработать на Илона Маска, нужно заплатить. Тем не менее в сети уже появились восторженные отзывы от первых тестеров. Пользователям нравится дизайн терминала и роутера Starlink, а также впечатляют скорости — у кого-то интернет разогнался больше чем до 170 мегабит в секунду.

Что еще почитать о спутниковой связи?

    ПОДПИШИСЬ НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ
    ПОДПИШИСЬ
    НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ