Надувные "спутники связи"

Журнал "Радио", номер 12, 1999г.
Автор: А. Голышко, г. Москва

    К надувательству, ставшему, к сожалению, привычным явлением для нашей повседневной действительности, содержание статьи не имеет никакого отношения. Она посвящена работам по созданию экономически и технически обоснованных проектов высотных телекоммуникационных аппаратов легче воздуха, способных конкурировать с ИСЗ, и которые ведутся на протяжении длительного времени.
В предлагаемой статье рассказывается об одном из таких проектов, над которым сегодня работают специалисты ряда зарубежных компаний.

    Вечные проблемы. Вполне понятное желание каждого оператора связи заполучить как можно больше пользователей обычно наталкивается либо на недостаточное их число, либо на отсутствие каналов связи. Именно поэтому связисты так серьезно занялись беспроводными видами доступа, в чем весьма преуспели.

    Но проблема все равно осталась: объем передаваемой информации непрерывно увеличивается, при этом в трафик существенный вклад вносит Интернет. Стоит отметить, что сегодня ни одна система связи не имеет права не учитывать трафик пользователей Интернета. Однако в последнее время не наблюдается принципиального улучшения технико-экономических показателей существующих телекоммуникационных систем. Объясняется это не отсутствием эффективных способов обработки информации, а главным образом следующими обстоятельствами: ограниченным радиочастотным диапазоном, доступным коммерческим операторам; необходимостью создания высокоскоростной магистральной инфраструктуры для доставки информационных потоков к базовым станциям (спутникам); извечной проблемой: либо расширять зоны обслуживания (в этом отношении спутники вне конкуренции), либо увеличивать объем передаваемых информационных потоков. Специалисты связи ведут работы в каждом из указанных направлений. Сейчас часто говорят и пишут о создании широкополосных сотовых систем третьего поколения, о сверхширокополосных сотовых сетях LMDS/MVDS (так называемого "сотового телевидения"), об огромной "эскадрилье" низкоорбитальных спутников для высокоскоростного доступа в Интернет, называемой Teledesic и инициированной самим Биллом Гейтсом.

    Спутники и дирижабли. Часто для решения таких многопараметрических задач весьма полезно отвлечься от проторенных дорог и найти какое-нибудь нестандартное решение. Именно так и поступила примерно три года назад компания Sky Station International Inc. (США), которая объявила о проекте создания системы связи с помощью дирижаблей, размещаемых в стратосфере. Связь с другими наземными сетями общего пользования должна осуществляться через наземные станции сопряжения подобно тому, как это делается в спутниковой связи. Подобный подход, несомненно, содержит в себе не только положительные качества различных систем связи, но и использует совершенно нетрадиционное расположение приемопередающего оборудования.

    Глобальным коммерческим спутниковым проектам присущи очевидные недостатки в решении главной телекоммуникационной задачи, а именно - получения минимального отношения цена/услуга. Действительно, стоит ли расширять зону обслуживания почти на всю поверхность планеты, если большая часть потенциальных потребителей высокоскоростных информационных потоков сгруппирована весьма компактно.

    К сожалению, сегодня подтвердились и худшие ожидания в смысле коммерческого успеха проекта Иридиум, который был первой ласточкой среди систем глобальной подвижной персональной спутниковой связи. Отсутствие предполагаемого числа пользователей явилось следствием высокой стоимости услуг и абонентского оборудования, не говоря уже о крайне низкой скорости доступа в Интернет, а также наличия хорошо развитой наземной сотовой связи в населенных зонах. Пожалуй, именно эти причины привели в течение первой половины 1999 г. к падению курса акций этого консорциума чуть ли не в 10 раз.

    Зато проект Teledesic сразу же ориентировался на доведение скорости доступа в Интернет до 2 Мбит/с, что делало его вне конкуренции с Иридиумом, Глобалстаром и Одиссеем. Но и тут происходят какие-то подозрительные подвижки. Сначала планировалось запустить почти тысячу низкоорбитальных спутников, потом около 600, но, хорошо подсчитав, ограничились цифрой 288. Говорят, ожидается дальнейшее уменьшение числа спутников. Да и фактор времени выхода на рынок тоже немаловажен.

    Основные идеи. Надо иметь в виду, что более двухсот городов на Земле используют до 80 % всего телекоммуникационного трафика. Поэтому и родилась идея именно над ними разместить дирижабли с приемопередающим оборудованием. А спутники, число которых исчисляется тысячами и в ближайшие годы должно возрастать, "пусть отдыхают". Такова идея специалистов из Sky Station. дирижабле вить значительно больше оборудования связи, да и ремонт его при необходимости вполне доступен.

    Несущая конструкция летательного аппарата представляет собой стратостат, который по внешнему виду напоминает дирижабль благодаря своей каплевидной форме. Поэтому и в дальнейшем будем называть его дирижаблем. Длина этого аппарата примерно 150 м, а диаметр - 50 м. К дирижаблю подвешивается телекоммуникационная платформа с различным оборудованием. Общая масса аппарата составляет примерно 11 т, из которых непосредственно на оборудование связи приходится 10...15 %. Размещают такой дирижабль в районе крупных городов на высоте 21 км, где уже не летают самолеты и где не столь силен ветровой напор.

    В отличие от спутниковых систем здесь нет жестких требований к массе и количеству оборудования, не нужно производить, как это делается для запуска космических объектов, дорогостоящие ракетоносители, тем более, что из-за сравнительно небольшой высоты подвеса энергетические характеристики радиотракта оказываются весьма высокими. А самое главное, дирижабль может быть застабилизирован над конкретным объектом, тогда как геостационарные спутники необходимо располагать над линией экватора на колоссальной высоте, что приводит к большим энергетическим потерям радиосигнала в месте его приема. Что касается низкоорбитальных спутников, имеющих меньшие потери, то в силу того, что они все время перемещаются, их число должно быть достаточно большим.

    Рассматриваемые нами стратосферные системы связи смогут предоставить значительно больше каналов, в том числе и скоростных. Сама идея создания подобной системы связи витает в умах специалистов сравнительно давно; неоднократно, примерно раз в десятилетие, она принимала отчетливую форму, но затем постепенно уходила в тень из-за технической нереализуемости какой-либо составляющей проекта. Действительно, все не так просто. В проекте Sky Station предстоит еще решить много серьезных инженерных задач: например, как сделать дирижабль долговечным; как осуществлять снабжение его энергией; как застабилизировать в пространстве; как обеспечить высокие энергетические характеристики в радиотракте; как обеспечить связь, в том числе подвижную; где ремонтировать летательный аппарат и телекоммуникационное оборудование.

    Рассмотрим пути решения этих задач.

    Конструкция. О форме дирижабля мы уже говорили. Специальный каплевидный профиль обладает меньшим коэффициентом сопротивления воздушным течениям, но несимметричный объект плохо ведет себя в вихревом (турбулентном) потоке.

    Внутри дирижабля находится гелий. А вот его оболочка - весьма непростая многослойная высокотехнологичная конструкция, защищенная от повреждений различными известными способами. Ее изготовление - достаточно сложная задача. В частности, под внешней оболочкой расположена еще одна, внутренняя, а между ними специальными насосами под избыточным давлением регулярно накачивается воздух, который защищает дирижабль при возможных повреждениях внешней оболочки. Поверхность внешней оболочки, благодаря напылению специального покрытия, очень "скользкая" для воздушного потока, что снижает ветровое сопротивление летательного аппарата.

    Время жизни дирижабля оценивается в 10 - 12 лет (вполне сравнимо с временем жизни современных спутников). Чтобы осуществить его запуск, не требуется практически ничего, кроме наличия воздуха в атмосфере Земли. Для сборки и монтажа этих аппаратов нужны специальные ангары (как и для ракетоносителей), но нет необходимости в таком сложном хозяйстве, как космодромы.

    Одна из серьезных проблем - удержание гелия во внутренней оболочке. Гелий чрезвычайно текуч и имеет свойство со временем просачиваться сквозь преграды, поэтому сохранность его в оболочках на протяжении 10...12 лет отнюдь не очевидна.

    Еще о внешней оболочке. Она должна обеспечивать живучесть аппарата в течение многих лет с учетом того, что в верхних слоях атмосферы присутствует интенсивное космическое излучение, да и озон - среда агрессивная. С подобными трудностями не приходилось еще встречаться в практике создания летательных аппаратов легче воздуха.

    Энергетическая установка. Для получения электроэнергии используются солнечные батареи новой конструкции, элементы которых специальным образом напыляются непосредственно на внешнюю оболочку дирижабля. Разработана новейшая технология изготовления солнечных батарей с удельной мощностью 300 Вт/кг. Считается, что общая энергетика дирижабля составит 300 кВт, из которых только 10 % будет расходоваться на электропитание телекоммуникационного оборудования.

    Какие тут могут быть "подводные камни"? Например, что делать в верхних широтах Земли, где по полгода длится полярная ночь? Слава богу, многонаселенных городов в таких местах немного. Но хватит ли электроэнергии до утра, к примеру, на экваторе?

    Стабилизация. Это один из основополагающих вопросов. Для стабилизации дирижабля в заданной точке пространства в свое время были, например, предложения закрепить его с помощью тросов. Но идея эта, к счастью, не была реализована: и тросов соответствующих тогда не нашлось, и на самолетах летать, честно говоря, было бы страшно.

    Стабилизация в пространстве должна осуществляться с точностью 30...40 м. Считается, что ветры на рабочей высоте аппарата дуют в среднем со скоростью 10...20 м/с с порывами до 40 м/с. Расчеты специалистов Sky Station показывают, что дирижабль все же должен справится с такими ветрами с помощью двигателя. Первоначально было заявлено, что этот двигатель будет ионным. Но оказалось, что он не сможет обеспечить удержание аппарата в пространстве с необходимой точностью. В общем, ставка Sky Station на ионный двигатель себя не оправдала.

    А обеспечит ли заданную стабилизацию электродвигатель с пропеллером? Определенного ответа на такой вопрос пока нет - воздушные течения (особенно турбулентные) в нижней стратосфере, в частности, во время смены направления ветров весной и осенью, еще недостаточно изучены специалистами.

    Радиотракт. Для проекта Sky Station выбран ранее не задействованный миллиметровый диапазон 47,2...50,2 ГГц, в котором будет осуществляться связь со станциями сопряжения и с абонентскими терминалами. Этот диапазон, закрепленный, кстати, Международным союзом электросвязи (ITU) за системами стратосферной связи, открывает перед проектом Sky Station широкие перспективы и ставит его наравне с другими фундаментальными видами телекоммуникаций.

    Но какие будут потери в радиотракте в условиях грозовых и снежных туч на частотах 50 ГГц? Теоретические расчеты специалистов Sky Station показывают, что эти частоты приемлемы. Если же расчеты окажутся далекими от практики, придется пойти по известному кругу: увеличивать излучаемую мощность, а значит, и энергопотребление на борту. Это, в свою очередь, повлечет рост массы, что потребует повышения мощности двигателей и т. д. Все это приведет к пересмотру общей энергетики проекта.

    Телекоммуникационные решения. Дирижабль представляет собой огромный ретранслятор, по сравнению с которым возможности ИСЗ существенно скромнее. На дирижабле предусматривается размещение, кроме другого оборудования, мощных коммутаторов АТМ для организации IP- речевого видеотрафика. Рассматривается также возможность организации мобильной видеосвязи.

    Один дирижабль способен обслуживать территорию диаметром свыше 1000 км (по более поздним сообщениям - 600 км, но и этого более чем достаточно), создавая на ней до 2100 виртуальных сот (семь сегментов по 300 сот в каждом), аналогичных сотам мобильных радиосетей (см. рисунок). Зона обслуживания делится на три концентрических части (диаметром 40, 125 и 600 км), в которых на абонентских терминалах используются антенны с различными коэффициентами усиления (3, 23 и 32 дБ соответственно).

    Мощность бортовых передатчиков порядка 100 мВт на радиоканал при работе на две ближние зоны и 400 мВт - при работе на дальнюю зону. Антенна - фазированная решетка, коэффициент усиления которой составляет соответственно 33, 35 и 45 дБ для названных выше концентрических частей зоны обслуживания. В системе планируется применить GMSK-модуляцию для работы с радиоинтерфейсами TDMA/FDMA, а также QPSK-модуляцию, при работе с радиоинтерфейсами CDMA (все это технологии с многократным использованием частот). В результате, к примеру, подвешенный над Москвой дирижабль мог бы обслуживать до 10 млн абонентов!

    Мобильным абонентам будет доступна передача цифровой телефонии, факсимильных сообщений и электронной почты со скоростью 64 кбит/с. Причем число одновременно пользующихся оборудованием связи одного дирижабля составит 400 тысяч!

    Фиксированные пользователи получат еще и такие услуги, как видеоконференцсвязь со скоростью 256 кбит/c, доступ в Интернет со скоростями 1...12 Мбит/с. Информация к абонентам, подключенным к станциям сопряжения, будет поступать со скоростью 45 Мбит/с или 155 Мбит/c. Разумеется, разные виды информации будут передаваться по радиоканалам различной информационной емкости. Подобные показатели сегодня характерны для мощных волоконно-оптических линий связи.

    Разрабатывается специализированный абонентский терминал, который, как ожидается, будет стоить около 200 долл. США. Минутный тариф на передачу по каналу со скоростью 64 кбит/с планируется на уровне нескольких центов, т.е. намного меньше нынешних.

    Техническое обслуживание. Вряд ли ремонтные бригады станут подниматься к дирижаблям. Вероятнее всего, что для этой цели дирижабли придется опускать. Такая процедура потребует четкой координации действий с гражданской и военной авиацией. При этом, по-видимому, придется располагать резервным дирижаблем, чтобы не прерывать связь на время ремонта.

    Стоимость развертывания. Общая стоимость проекта оценивалась в 2,5 млрд долл. США на создание 250 стратосферных платформ, которые должны начать работу к 2005 г. Для решения аналогичных задач с помощью спутниковой связи потребуются в десятки раз большие инвестиции.

    Участники проекта. Сейчас участниками проекта являются Aerospatiale SNI (Франция) - профессиональный разработчик аппаратов легче воздуха, крупнейшая в Европе фирма по производству спутникового оборудования Alenia Spazio/ Finmeccanica (Италия), немецкая Dornier Satellitensysteme, COMSAT Laboratories (США), Thomson-CSF Communications (Франция) и ряд других. Окончательную сборку дирижабля и системную интеграцию должна производить американская компания Jet Propulsion Laboratory (JPL), которая обслуживала, например, полеты на Марс.

    Впервые о новом проекте было объявлено весной 1996 г. бывшим госсекретарем США и командующим НАТО генералом А. Хейгом, ныне президентом компании Sky Station.

    Перспективы. К моменту написания статьи автор пользовался сообщениями, датированными летом 1998 г. По каким причинам нет более свежей информации о работах над проектом, сказать трудно. Может быть, это объясняется экономическими сложностями, возникшими в минувшем году в ряде стран мира. Кроме того, следует иметь в виду, что осуществление проекта зависит от одновременной реализации сразу нескольких революционных разработок. Но будем надеяться, что дешевая и эффективная стратосферная связь успешно преодолеет возникающие трудности.







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.