Что такое спутник и для чего они нам нужны? — Популярная наука — 7 канал Красноярск

Что такое спутник и для чего они нам нужны?


2 декабря 2020

Что такое спутник и для чего они нам нужны?

Вообще, сначала нужно определиться с тем, что такое спутник, что под ним подразумевает любой человек, который о нем говорит. Под спутником подразумевается беспилотный космический аппарат. То есть это тот космический аппарат, который ракетоносителем выводится на орбиту Земли. Орбиты Земли бывают разными и квалифицируются, главным образом, по высоте. Есть низкие орбиты, околоземные, их высоты от 200 км до 2000, средние околоземные орбиты, высота свыше 2000 км. И самая широко известная для обывателя — это геостационарная орбита. На геостационарной орбите у нас находятся связные или телекоммуникационные спутники, которые размещены ровно над экватором земли. И поскольку эти спутники делают оборот вокруг Земли ровно за сутки, для наземных наблюдателей они остаются неподвижными. Поэтому все связи, построенные на спутниках, размещенных на геостационарной орбите, не нуждаются в поворотных устройствах на антеннах базовых станций.

Спутники бывают различного назначения. Это и научно-исследовательские спутники, и спутники прикладного назначения, навигационные, например GPS, телекоммуникационные связные, спутники дистанционного зондирования земли, метеорологические спутники, военные спутники (разведывательные). Их масса. И различаются они не только по тому, на какой орбите находятся, но и с какой скоростью двигаются, какой они массы, какой у них конструктив. Это беспилотный космический аппарат. Хотя даже пилотируемые космические станции выводятся на орбиту по такому же принципу. И также находятся в космосе.

Как осуществляется прием и передача сигнала?

Спутниковую связь мы рассматриваем в следующих случаях… Зайду немного издалека, чтобы был понятен процесс приема и передачи сигнала. Спутниковая связь нужна тогда, когда у нас речь идет об обеспечение связью. А связь — это интернет, телефон, телевидение, то есть телекоммуникация. Чтобы обеспечить всю территорию земного шара, необходимо использование спутниковой связи. Потому что мы живем в городе Красноярске, где, при общей удаленности от больших городов, есть наземные станции, мобильные связи, вышки, оптоволокно, заведенное в каждую квартиру. Но, мы же понимаем, что даже если мы говорим о территории Российской Федерации, то более половины территории — это, либо очень удаленные районы, где невыгодно заводить эти наземные станции. Например, если рассматривать север края, Норильский промышленный район, там же были очень большие проблемы с обеспечением постоянного доступа в интернет. То, что нам сейчас доступно, у них было проблематично, как раз из-за удаленности территории в том числе. И они хотели завезти туда линии связи, но это крайне не рентабельно и очень невыгодно. Поэтому сейчас они развивают именно спутниковую связь и различные методики работы, построенные именно на спутниковой телекоммуникации. Поэтому, когда речь идет об обеспечении связи на всей территории земного шара, то спутниковая связь осуществляется следующим образом. У нас есть базовая станция на Земле, установлена антенна. Эта антенна на определенной частоте излучает сигнал, радиоволну, электромагнитную волну, направленную на космический аппарат, на спутник. На спутнике этот сигнал принимается и обрабатывается нужным образом. Происходит конвертирование и мультиплексирование. Потом он посредством той же антенны, если идет речь о приёмопередающей антенне или другой антенне, он передается обратно на базовую станцию. Таким образом, у нас есть базовый земной терминал спутниковой связи и сам спутник. И там, и там у нас антенны. И они взаимно ретранслируют друг другу ту информацию, которую необходимо передавать. Так осуществляется прием и передача сигнала. А остальные наземные станции, мобильные в том числе, там плюс-минус тот же самый процесс. Принцип действия приема и передачи, за некоторым исключением, один и тот же.

Сейчас основное требование сведено к тому, что необходимо минимизировать задержки, обусловленные тем, что наземный терминал и космический аппарат находятся далеко друг от друга. Это расстояние, к тому же скорость волны конечна, пока волна дойдет до спутника — это задержка. Мультиплексирование, конвертирование, обработка — это еще задержка. И тогда получается, что когда вы разговариваете, используя WhatsApp и другие мессенджеры, возникают голосовые задержки. Иногда достигают от 300 до 500 миллисекунд. Это существенно. И одна из задач сейчас: минимизировать эту задержку и сделать непрерывную приемопередачу, мгновенную. Одномоментную работу.

Что сейчас мешает создавать мгновенную передачу?

Мгновенную передачу мешают создавать конечные скорости, большое расстояние для преодоления сигнала от антенны, установленной на базовом наземном терминале до антенны, которая находится на спутнике. Также это обработка сигнала, мультиплексирование, конвертирование и усиление сигнала. Все эти функциональные узлы, через которые должен пройти приемный и передающий сигнал. Поэтому возникают задержки. Ну и плюс, помимо задержки сигнала, существует проблема того, что у нас плохая помехозащищённость. То есть плохое соотношение сигнала и шума. Также существует проблема зависимости приема и передачи сигнала от погоды. То есть дождь, снег и слякоть существенно увеличивают время прохождения, задержку и потерю сигнала. Магнитные бури и другие условия — ландшафт, через который сигнал будет проходить. Это все существенно влияет на то, как мы можем организовать непрерывную приемопередачу сигнала. Есть множество критериев, которые нужно улучшить, чтобы сократить время передачи сигнала.

Сейчас нам известны основные источники этих помех и задержки. И мы придумываем, как с этим бороться. Мы придумываем алгоритмы, которые более скоростные при обработке сигналов, мы придумываем различные шумоподавляющие функциональные узлы наших антенных устройств, мы придумываем различные устройства, которые это устраняют. Над этим сейчас ведется работа.

От чего зависит качество сигнала?

Качество сигнала, главным образом зависит у нас от того, что мы минимизируем эту задержку. То есть, когда мы минимизировали задержку, тогда у нас есть картинка. Мы видим, как нам подмигивает экран телефона, голос, и у нас все замечательно. К этому, в принципе, и стремятся. Чем минимальнее задержка, чем более пропускная способность каналов связи, тогда мы можем голосовые сообщения в одномоментном режиме, мы еще можем установить full hd видео в непрерывном режиме работы. И увеличивать потребности по объему данных и по скорости передачи. То есть, если мы минимизируем наши задержки и потери, все остальное, что мешает нам жить.

Возможно ли замаскировать спутниковую антенну под рекламный баннер?

Это разработка СФУ плоских отражательных антенных решеток. Что такое отражательная антенная решетка? Вот мы сейчас с вами говорили о наземных терминалах спутниковой связи. Если мы поедем по городу, то увидим параболы — зеркальные антенны, они имеют достаточно большой профиль и тяжелые. Они нам нужны, чтобы осуществлять приемопередачу между нами наземными наблюдателями, и антенной, которая установлена у нас на спутнике. В некоторых случаях, когда речь идет о наших рефлекторах — зеркальных антеннах. Помимо того, что они тяжелые, выпуклые и не привлекательные, они могут устанавливаться на стационарных объектах, когда наземный объект стоит на земле. Когда речь идет о том, что нужно антенну поставить на мобильный объект, например, транспортное средство, и осуществлять в движении приемопередачу сигнала, где неповоротливое зеркало работает с небольшим быстродействием. Мы еще и скорость на этом транспортном средстве не можем разогнать, потому что, представьте зеркало 2 метра в диаметре у вас на машине, если вы увеличиваете скорость на автомобиле, то у вас крыша с этим зеркалом отлетает. Поэтому острая необходимость состоит в том, чтобы разработать аналог зеркальных антенн, а именно это разработка плоских отражательных антенных решеток СФУ. Эта такая плоскость, может быть, даже баннер или тоненькая ткань в один сантиметр или даже меньше и вот на такой плоской поверхности у нас расположено много маленьких излучающих элементов. Они расположены также как зеркало и излучают эту волну на спутник, только зеркало у нас большое, а здесь у нас баннер. То есть в место того, чтобы вешать на стенку такое зеркало с вынесенным облучателем, который является важной системы работы, мы просто клеим баннер. Наш облучатель маскируем под осветительный прибор и у нас прекрасная картина, рекламирующая что-то, работает как спутниковая антенна. Это у нас достаточно известная разработка, мы развиваем ее и сейчас, и на нее имеется очень большой спрос как в городах с развитой инфраструктурой, потому что даже в центре города нельзя установить такие большие зеркала в большом количестве, поэтому есть аналог в виде баннера. В удаленных районах нужны метровые зеркала, в Красноярске это от 0,6 до 1 м 20 см, там огромная машина несколько солдат, которые собирают рефлектор. В этом случае, для того, чтобы собрать наземный терминал спутниковой связи и начинать ретрансляцию со спутником туда обратно, а здесь развернул и красота, не нужны ни солдаты, ни большие машины. Это очень интересно. У нас есть разработка в виде баннера, в виде просто плоскости, которые являются аналогами отражательных антенных решеток. Зеркальные антенны у нас используются для спутниковой связи. В удаленной деревне, в тундре или тайге, даже частный потребитель может купить себе «ресивер», антенну и у него свой Интернет, своя связь, независимо от провайдера или кого-то еще. То есть это актуально для всех, для обычного пользователя, для военных, геологов и пограничников

Мы сейчас почти добились того, что у нас отражательные характеристики антенных решёток почти идентичны зеркальным антеннам. Это очень хороший результат, он соответствует мировому уровню исследованию этой проблематики. Это нужно всем. Кто использует у нас спутниковую связь, тот может быть заинтересован в этом.

Как обеспечить связь на транспортном средстве в любой точке мира?

Когда мы говорили о том, что основная масса связных спутников, то есть те спутники, которые обеспечивают нам связь в любой точке, они находятся ровно над экватором. Для нас они висят неподвижно на этой орбите. Когда нам нужно стационарно, то есть возле дома установить анкету: на крыше, на стенке — приходишь, включаешь и всё. Но когда, едешь на транспорте, то спутниковая антенна должна быть строго сонаправлена антенне, которая обеспечивает эту связь. Когда она стоит стационарно, вопросов нет. А тут, когда она на транспортном средстве или на любом другом мобильном устройстве, нам нужно, чтобы она поворачивалась, чтобы следила за этим спутником, не теряла его. И вот тут у нас начинаются большие проблемы, потому что широка и необъятна наша родина. У нас очень много северных территорий. И если у нас еще тут на мобильных средствах возможно использование плоских антенн, имеющихся сейчас на рынке (мы выяснили, что на транспортном средстве надо использовать плоскую антенну, большую не поставишь), и когда плоскую антенну используешь в наших географических широтах, еще как-то можно использовать. Они подходят нам, осуществляют необходимую приёмопередачу, хотя там проблемы со скоростями, но самый главный недостаток, что стоят они ужасно дорого, около нескольких десятков тысяч долларов. А на севере они перестают вообще работать. Вот о чем мы говорили, физический принцип, на котором построены эти плоские антенны, не предполагает того, что они подлежат эксплуатации на географических широтах, которые у нас там 70-80 градусов, там они не работают. И зеркало туда не поставить, потому что оно большое. Вот тогда надо разрабатывать уже другие антенны, которые будут осуществлять слежение за спутником по всей полусфере. Которые будут небольшими по своим размерам, чтобы их можно было спокойно использовать. И которые будут не такими дорогими, как сейчас. Поэтому там тоже у нас тоже есть ряд исследований в СФУ по разработке сканирующих антенн, сканирование — это слежение за спутниками (так называется процесс). И борьба с этими ограничениями в виде физики процессов, которые обусловливают невозможность работы того типа антенны или того типа антенны. Вот здесь нужно находить то, чем мы может пожертвовать: характеристикой или размерами. И у нас вот так происходит, это еще одна сфера, в которой сейчас происходят очень большие изменения. Там много разработок, и у нас в СФУ тоже они ведутся, мы уже закончили работу по гранту, как раз про развитие сканирующих антенных систем. Именно для того чтобы везде (на любой машине, в любой точке земли) у нас тоже была связь.

У нас разные направления, но у нас и большой коллектив. У нас вообще все вот эти разработки — это лаборатория антенных устройств СВЧ под руководством несменяемого Саламатова Юрия Петровича, это наш наставник, идейный вдохновитель. И у нас коллектив насчитывает, наверное, около пятнадцати человек, причем это все молодые люди, до 40 лет (плюс-минус). То есть это молодой интересный коллектив. И у нас несколько сфер, помимо спутниковой сферы. Я просто говорю о спутниковой связи, потому что я ей занимаюсь. У нас есть и навигационщики, которые занимаются навигацией, антеннами для навигации, сверхширокополосными антеннами, определенными локационными антеннами для военных. То есть у нас достаточно широкий спектр, и мы стараемся соответствовать мировому уровню стандартов в антенной тематике.

В чем преимущества широкополосного интернета?

Преимущества сверхширокополосного интернета, для чего он вам нужен, когда провайдер вам его предлагает. Я вам сейчас скажу, а вы уже решайте надо вам оно или нет. Сверхширокополосность заключается в том, что полоса пропускания канала связи увеличивается, причем увеличивается во много раз, полоса сверхширокополосного канала более 500 МГц. Что дает это увеличение пропускной способности канала? Это дает следующее: вы можете увеличивать скорость передачи данных, а главным образом, скорость беспроводной передачи данных. Если у вас дома стоит беспроводной роутер, то у вас скорость беспроводной передачи данных может достигать более полутора-двух гигабит, это хорошие цифры. Вы можете организовать сразу несколько сетей, используя этот сверхширокополосный интернет, у вас будет повышенная помехоустойчивость. Уменьшается стоимость и сложность реализации сети, скорее всего, это больше уже не для потребителя, а для разработчика. Поэтому, исходя из своих потребностей, вы и решайте, надо оно вам или не надо. Раз увеличивается скорость передачи данных, то увеличиваются и объемы передаваемой информации. Большие объемы информации нужны для сложных онлайн-игр или фильмов в Full HD, 4k и так далее. Если это вам надо, или нужна организация нескольких сетей, то берите, не надо, не берите.

Что такое 5G?

Кто-то придумал это, мы очень долго смеялись. Это прямо как сказать, что COVID и все остальные несчастия Земли вообще происходят из-за вышек 5g. На самом деле, это не так.

Чем отличаются сети 5g от 4g? Они отличаются, безусловно, мощностью передачи сигнала. Не так, конечно, что ворона подлетает к этой вышке и падает замертво обожжённая. Там излучение сигнала происходит на других частотах, поэтому никак не влияет ни на человека, ни на животных. Когда повышаются поколения, то есть сменяются поколения сетей связи, они отличаются и рабочими полосами частот (становятся выше), увеличивается пропускная способность каналов, скорость передачи, мощность передачи.

Мощность передачи увеличивается — это значит увеличивается дальность связи.

Увеличивается своими характеристиками. Мощностными характеристиками, частотными характеристиками. Принцип действия тот же. Сейчас в Китае активно разрабатывается данная система, мы тоже подключаемся. Но как-то наши мобильные операторы еще пока исследуют вопрос. При переходе на новое поколение будет возникать ряд трудностей именно для операторов связи. Надо будет менять базовые станции и много-много чего еще. Сейчас надо понять, насколько это необходимо, насколько это рентабельно и насколько это будет давать улучшение и преимущество при использовании. На самом деле, разница не такая уж и значительная, потому что принцип действия один и тот же, только количественные характеристики другие.

Но от этого не умирают, сразу скажу. Все хорошо.


Для чего Space X под руководством Илона Маска запускает новые спутники Starlink?

Надо сразу начать с идеи Илона Маска. Нельзя, конечно, называть только его, потому что в Space X работает большой коллектив. Последние два десятилетия коммерческие организации стали широко осуществлять запуск спутников. Если раньше это были научно-исследовательские спутники, государственные спутники, то последние два и даже, скорее, три десятилетия эту область осваивают коммерческие организации. Space X запускает свои спутники, разработанные ими же, на ракетоносителе Falcon 9 на низкие околоземные орбиты — это те орбиты, которые находятся на высоте от 300 км над поверхностью Земли. Это не геостационарная орбита, это ниже. Для чего они это делают? Они планируют запустить группировку спутников, их должно быть достаточно много, для того, чтобы наш Земной шарик был окутан ими на низко-околоземных орбитах. Сейчас порядка 800 с чем-то запущенно, а их должно быть намного больше — десятки тысяч. Это необходимо для того, чтобы человек купивший у Space X наземный терминал (он будет небольшого размера, с антеннами и ресивером) смог принимать и передавать сигналы в любой точке Земли. Он может быть в лесах Амазонки, на Северном полюсе и при этом смотреть что-нибудь в Интернете, слушать, использовать все коммуникационные инструменты. Сейчас, насколько мне известно, тестовые испытания прошли уже в США и Канаде. Они успешны. Это не просто доступ в Интернет. Это доступ с высоким разрешением, доступ с высокой скоростью, с высокой полосой пропускания.

Раньше такая идея использовалась, главным образом, военными. У нас на таких же низких орбитах используется система «Гонец». Но там скорость передачи примерно 10 килобит. «Стрелять туда» — это максимум, что вы сможете передать через приемный или передающий сигнал. А здесь будет осуществляться сверхширокополосный доступ. Это полноценный Интернет с минимальными задержками. И самое главное, имея наземный терминал, ты можешь находиться везде. И даже если правительство страны решит — не быть интернету, у тебя есть наземный терминал Space X. Это очень амбициозная идея, которую компания успешно реализует. Хотя у них есть конкуренты в Америке — это Telesat, но Space X обходит их по основополагающим моментам. Очень интересно за этим наблюдать.