В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Александр Крылов
Директор ЦКС "Сколково", филиала ГПКС
Борис Локшин
Технический директор ЦКС "Сколково''
Сегодня уже, пожалуй, никому не нужно доказывать преимущества спутникового вещания по сравнению с другими средствами доставки сигнала при обслуживании больших территорий с низкой плотностью населения, районов с гористым рельефом местности или при необходимости быстрого развертывания сети вещания. Вопросу создания космического сегмента для обеспечения спутникового вещания уделено значительное место и в Федеральной космической программе РФ на 2006—2015 годы (ФКП). В пяти из девяти пунктов раздела 3.1 этой программы в том или ином виде упоминается спутниковое телерадиовещание.
Хотелось бы обратить внимание читателей на восьмой пункт ФКП, в котором декларируется "Создание космического комплекса радио- и телевещания с КА на ВЭО. ОКР "Экспресс-РВ". Само по себе упоминание высокоэллиптической орбиты (ВЭО) не вызывает серьезных возражений. Исторически ВЭО была первой орбитой, на которую выводились спутники связи. Это объяснялось относительной простотой выведения их с космодромов, расположенных вне экватора, и с отсутствием необходимости коррекции положения космического аппарата (КА). Ценой такого упрощения КА было значительное усложнение земных передающих и приемных станций, связанное в первую очередь с необходимостью применения сложных полноповоротных антенн, отслеживающих направление на спутник на активном участке орбиты. Как только научились строить геостационарные спутники, "неподвижные" относительно земной поверхности, все спутниковое вещание и значительную часть трафика спутниковой связи стало возможным осуществлять через земные станции с неподвижными антеннами, и это преимущество геостационарной орбиты (ГСО) трудно переоценить. Второе важное достоинство ГСО, также вытекающее из фиксированного положения на ней космических аппаратов, это возможность повторного использования частот с очень высокой кратностью (в некоторых полосах частот минимально допустимый разнос между спутниками с повторяющимися частотами составляет сегодня 2°). Частотный ресурс используемых на ВЭО спутников типа "Молния" и "Тундра" значительно меньше, и его труднее реализовать. Очень важным обстоятельством является тот факт, что сети со спутниками на ВЭО не имеют (в рамках Международного союза электросвязи) никакой защиты от помех со стороны существующих и будущих геостационарных сетей. А если добавить сюда необходимость строительства и запуска как минимум трех-четырех КА на ВЭО вместо одного на ГСО со сравнимыми характеристиками, наличие, по крайней мере, двух передающих станций на каждую группировку спутников для обеспечения непрерывности передачи, необходимость периодического переключения передающих и приемных антенн с одного аппарата на другой, выключения аппаратуры спутника при прохождении плоскости ГСО, а также необходимость компенсации эффекта Допплера, то станет ясно, что ВЭО - это совсем не "подарок судьбы", и использовать ее стоит лишь тогда, когда другого выхода нет.
В этой связи представляются не вполне понятными ностальгические и весьма категоричные высказывания уважаемых в спутниковой отрасли некоторых специалистов [1]: "ВЭОЕ были совершенно незаслуженно забыты, хотя имеют для территории России совершенно уникальные особенности, позволяющие наиболее рациональным образом сформировать единое, универсальное телекоммуникационное пространство на гигантской территории... Системы и сети связи, ядром которых является орбитальная группировка из спутников-ретрансляторов на ВЭО, идеально подходят для формирования различных зон обслуживания на территории всей РФ".
Осмелимся утверждать, что ВЭО занимают сегодня в спутниковой связи именно то место, которое заслуживают. Единое телекоммуникационное пространство на территории России уже сформировано через наземные линии связи и геостационарные спутники, и предлагаемые как панацея системы связи со спутниками на ВЭО [2, 3] (даже будучи реализованными) не смогут существенно повлиять на общую картину.
Ситуация может заметно измениться в более отдаленной перспективе, когда ресурсы пропускной способности ГСО как уникального природного феномена будут полностью исчерпаны во всех выделенных полосах частот и дальнейшее развитие спутниковой связи станет возможным только на базе негеостационарных орбит. Можно предположить, что этого не произойдет, по крайней мере, в ближайшие 30-40 лет. А значит, следующие два-три поколения связных и особенно вещательных спутников будут преимущественно геостационарными.
В каких же случаях системы на ВЭО обладают сегодня неоспоримыми преимуществами перед геостационарными? По нашему мнению, их всего два:
Часто приводимый в публикациях в пользу систем на ВЭО аргумент более высокого угла места в высоких широтах не имеет решающего значения для большинства связных систем, особенно работающих в С-диапазоне. Возможно, этот параметр более актуален для систем непосредственного радиовещания на подвижные объекты.
Если посмотреть на карту Российской Федерации, то нетрудно увидеть, что вся материковая часть страны, включая полуостров Таймыр с мысом Челюскин, лежит южнее указанной границы 76-78° с.ш. и вполне может обслуживаться с геостационарных спутников. За пределами зоны обслуживания остаются архипелаги Северная Земля и Земля Франца-Иосифа, западная часть острова Шпицберген (российское поселение), а также обширные водные пространства Северного Ледовитого океана и воздушное пространство над ним. Это наиболее очевидные примеры применения систем с высокоэллиптическими спутниками.
Задача доставки сигнала "в один скачок" может встречаться в каких-то специальных приложениях или системах связи, например для нужд силовых структур. Трудно себе представить, чтобы эта задача была актуальной в общенациональной системе спутниковой связи. С точки зрения спутникового вещания, например, квазиглобальная зона обслуживания, охватывающая разом всю территорию России, это скорее недостаток, чем достоинство. Как известно, и распределение ТВ-программ, и частично непосредственное вещание сегодня организованы в России по пяти вещательным поясам. Вещатели готовят пять версий программ со временным сдвигом. Для обеспечения трансляции всех программ посредством одного аппарата на нем необходимо занять в пять раз больше стволов, а потому для других видов информации просто уже не хватит ресурса емкости. К тому же, чтобы обеспечить прием на антенны небольшого диаметра, мощность каждого ствола в глобальной зоне обслуживания должна быть в три-четыре раза больше, чем на геостационарном КА, так как в среднем зона обслуживания геостационарного КА непосредственного вещания в Ku-диапазоне составляет сегодня от 1/4 до 1/3 территории России. Это означает, что вместо типового усилителя мощностью 120-150 Вт потребуется усилитель мощностью 400-500 Вт и, как следствие, соответствующее возрастание мощности системы энергопитания КА. Понятно, что это тупиковый путь в спутниковом вещании.
Если вернуться к п. 8 ФКП, то возникает вопрос: относятся ли поставленные там задачи "цифрового радио- и телевещания с КА" к задачам, наилучшим образом решаемым со спутников на ВЭО? Наш ответ - нет, постараемся это обосновать.
Прежде всего, нужно устранить некоторую терминологическую путаницу, возникшую в последнее время при применении термина "спутниковое непосредственное вещание" к телевещанию и радиовещанию. В последнем случае правильнее было бы говорить о звуковом вещании, так как телевещание -это тоже разновидность вещания "на радиоволнах", но термин "радиовещание" уже закрепился за звуковым вещанием.
Под "спутниковым непосредственным телевещанием" обычно понимают доставку контента на стационарные абонентские приемники в рамках Радиовещательной спутниковой службы (РСС), в то время как "спутниковое непосредственное радиовещание" - это доставка звуковых программ на перевозимые и мобильные терминалы. В то же время широко практикуется вещание звуковых программ со спутника непосредственно на станционные абонентские терминалы наряду с телепрограммами. Но для этого вида вещания не нашлось общепринятого термина, хотя вещание на стационарные терминалы и на подвижные терминалы - два разных вида вещания, как, например, фиксированная спутниковая связь и подвижная спутниковая связь - два разных вида связи, относящиеся даже к разным службам.
С учетом формулировок, используемых в ФКП, предлагается ввести следующие термины:
В п. 8 ФКП поставлена задача организации вещания с ВЭО как на стационарные (фиксированные), так и на подвижные объекты.
Из перечисленных в ФКП трех диапазонов L, S и Ки для такого вида вещания подходит только Ku-диапазон в силу своей большой пропускной способности. Прием сигнала с КА на ВЭО в Ku-диапазоне на типовую абонентскую антенну диаметром 60 см детально исследован в [4]. Там показано, что при выборе оптимальной орбиты с наименьшей скоростью перемещения спутника в перигее относительно поверхности Земли (оптимальная орбита практически совпадает с орбитой типа "Молния") максимальное время, в течение которого спутник остается в пределах диаграммы направленности антенны (±1,5° по уровню минус 3 дБ), составляет 3,7 часа.
Таким образом, для непрерывного круглосуточного приема в системе должны функционировать не менее семи аппаратов. Если ограничиться мощностью ЛБВ каждого ствола в 120 Вт, то необходимо формировать на территории России, по крайней мере, три зоны обслуживания. Тогда общее число стволов на каждом аппарате составит приблизительно 60 (по 16 рабочих и 4 резервных комплекта ствольного оборудования в каждую зону), а суммарное энергопотребление - более 14 кВт. Нетрудно подсчитать, что затраты на создание и запуск на ВЭО семи тяжелых спутников, решающих только задачу непосредственного ТВ-вещания, составят более S2 млрд - это в пять-шесть раз больше, чем затраты на систему из трех геостационарных спутников, решающих ту же задачу. Также нетрудно доказать, что эти затраты не окупятся за весь срок жизни спутников.
Отметим, что предлагаемые для слежения за спутниками на ВЭО приемные антенные фазированные решетки и антенны на гироскопических платформах неприемлемы для индивидуального приема из-за их относительно высокой стоимости: $800-1200 против $8-10 для обычной параболической антенны.
Следует отметить, что, в отличие от непосредственного вещания на стационарные объекты, связанного с абсурдно высокими и неокупаемыми финансовыми затратами, вещание на подвижные объекты в некоторых ограниченных объемах может быть реализовано со спутников на ВЭО. Такое вещание может даже быть окупаемым (есть пример такой реализации за рубежом).
В настоящее время в мире действуют четыре реализованные системы спутникового непосредственного радиовещания на подвижные объекты (СНРВ-ПО), в том числе три геостационарных и одна со спутников на ВЭО (американская система Sirius Satellite Radio). В последней системе задействованы три спутника (плюс один запасной) с периодом обращения 24 часа (орбита типа "Тундра"), запущенных таким образом, что в зоне видимости с территории США всегда находятся два из них. Основным преимуществом ВЭО в данном случае считался более высокий угол места спутников - в среднем 60° по территории США по сравнению с 45° для ГСО, что снижает вероятность экранирования спутника наземными препятствиями. Это позволило значительно уменьшить число наземных ретрансляторов по сравнению с конкурирующей геостационарной системой.
Перемещение спутника относительно поверхности Земли за время сеанса не должно было играть в данном случае заметной роли, так как прием осуществлялся на практически ненаправленную антенну, установленную в большинстве случаев на автомобиле.
Однако опыт эксплуатации такой системы показал, что абоненты со стационарными терминалами часто жаловались на необходимость переориентации своих антенн со спутника на спутник, и в 2006 году был заказан пятый спутник для системы, но уже геостационарный. Этот факт можно в какой-то степени рассматривать как признание не оптимально выбранной концепции спутников на ВЭО.
Для реализации системы компании Sirius Satellite Radio была выделена полоса частот 12,5 МГц в S-диапазоне, который в большинстве стран мира распределен для Радиовещательной спутниковой службы. В этой полосе были организованы три частотных канала по 4,2 МГц: два для спутниковой трансляции и один для наземных эфирных ретрансляторов. Каждый спутник ведет передачу в одном стволе, транслируется примерно 130 музыкальных, новостных и спортивных программ, то к-шоу и т.п.
Стоимость подписки для абонентов системы была определена в $9,95 в месяц, что, по американским меркам, доступно любому автовладельцу. Тем не менее проект на протяжении нескольких лет после запуска в 2001 году не мог выйти из зоны финансового риска. Только к концу пятого года эксплуатации, когда число абонентов достигло 2 млн человек, вложенные инвестиции в объеме $1,45 млрд начали понемногу окупаться. В 2008 году произошло слияние проекта Sirius с другим американским проектом спутникового непосредственного радиовещания ХМ Radio, реализованным на геостационарных ИСЗ. Суммарное число абонентов обеих систем достигло 17 млн, и теперь они приносят устойчивый доход.
Поскольку основной спрос на услуги СНРВ ожидается среди автомобилистов, авторами была проведена попытка сравнения автомобильного движения в США и России (табл. 1).
Для компенсации малого коэффициента усиления ненаправленной абонентской антенны эквивалентная изотропно-излучаемая мощность спутника должна достигать значений 60 дБВт и более, что соответствует выходной мощности бортового передатчика примерно 4 кВт.
Если принять для России тот же процент подключений потенциальных клиентов, что и для США (17 /100 млн = 0,17), то получится приблизительно 2,5 млн ожидаемых абонентов. Однако необходимо ввести еще два понижающих коэффициента: один учитывает небольшую общую длину, неравномерность размещения трасс с интенсивным движением по территории России и приближенность их к крупным населенным пунктам, где есть эфирное звуковое вещание, а другой - невысокую активность российского населения в совершении междугородных поездок. Известно, что американцы много перемещаются по стране и делают это преимущественно на автомобиле. Этому способствуют большая протяженность и высокое качество автодорог, активная трудовая миграция и проживание значительной части активного населения в небольших городках и удаленных пригородах. В России, напротив, автомобильная активность жителей за пределами крупных городов относительно невысока. Полагая каждый из коэффициентов равным 0,5, получим потенциальную абонентскую базу в 600 тыс. абонентов.
Данная оценка получена с учетом предположения, что абонентская плата будет крайне низка и не повлияет на решение о подключении (как, например, $9,95 для США). Однако для России такая величина ежемесячной платы достаточно высока, и не все потенциальные клиенты готовы ее заплатить. Это предположение может подтвердить статистика роста числа абонентов в проектах "НТВ-Плюс" и "Триколор-ТВ". В первом случае при цене базового пакета -$20 число абонентов за 10 лет достигло 600 тыс., во втором проекте при абонентской плате 50 руб. в месяц (-$1,5) за 2 года число абонентов превысило 4 млн человек и продолжает расти. Можно предположить, что и в рассматриваемом случае только 20-25% потенциальных абонентов будут готовы ежемесячно платить сумму примерно $10, что составит годовой доход около $15-18 млн. Эта сумма практически инвариантна к величине абонентской платы - ее снижение даст прирост числа абонентов, но годовой доход сохранится на том же уровне.
Если предположить, что стоимости реализации системы в США и России не будут существенно отличаться (по опыту США это $1,0-1,5 млрд), то срок окупаемости капитальных затрат даже без учета эксплуатационных расходов превысит 50 лет! На деле же стоимость российского проекта может оказаться выше, так как на каждом спутнике нужно будет иметь вдвое больше мощных стволов для вещания на две зоны из-за того, что площадь территории России примерно вдвое больше площади континентальной части США, и более мощную энергетическую установку - до 18 кВт.
Напрашивается очевидный вывод, что система СНРВ в таком виде будет слишком дорогостоящей для России и неокупаемой в силу низкой платежеспособности ее населения. Целесообразнее направить часть этих огромных средств на более реальную цель - ци-фровизацию эфирного (ЧМ/ФМ) звукового вещания, о чем уже много лет пишут специалисты отрасли [5]. Сравнимый результат может быть получен при многократно меньших затратах. Сегодня существует много других, более первоочередных задач, чем амбициозный проект СНРВ.
Одной из серьезных проблем при попытке реализации подобного проекта станет отсутствие подходящего участка радиочастотного спектра. Этот вопрос был подробно исследован в [6]. Необходимо иметь несколько мегагерц в сравнительно низкочастотном дециметровом диапазоне волн, где нетрудно реализовать слабонаправленную антенну и можно было бы излучать сигналы с очень высокой плотностью потока мощности (ППМ) у поверхности Земли. Таким образом, будет исключена опасность причинения помех другим радиосредствам. В действующих в мире системах используются различные участки L- и S-диапазонов. Эти же диапазоны отмечены и в Федеральной космической программе. Однако в России S-диапазон не выделен Радиовещательной спутниковой службой. В L-диапазоне для спутникового непосредственного радиовещания имеется полоса частот 1480-1492 МГц, однако наземные ретрансляторы в этой полосе плохо совмещаются со средствами Минобороны РФ, так как для этого требуется территориальный разнос 100-700 км. Таким образом, при реализации системы СНРВ потребуется высвобождение подходящего участка спектра и введение его в Национальную таблицу распределения полос частот.
Успех обоих американских проектов СНРВ был достигнут не в последнюю очередь благодаря консолидации разных ветвей бизнеса. Ведущие автомобильные и вещательные компании выступили стратегическими инвесторами. Такие корпорации, как CNBC, CNN Classic Radio, ВВС, предоставили программы для вещания. Ведущие производители легковых и грузовых автомобилей согласились на предустановку приемного оборудования, за разработку которого взялись такие гиганты бытовой электроники, как Sony, Pioneer, Panasonic, Alpine и др. Трудно себе сегодня представить столь дружную работу в бизнес-сообществе России.
Суммируя вышеизложенное, приходим к выводу, что совместить обе функции спутникового вещания - непосредственное телевещание в Ки-ди-апазоне и непосредственное радиовещание на подвижные объекты в L-или S-диапазоне - на одной группировке спутников практически невозможно, так как каждый вид услуг требует применения в группе тяжелых космических аппаратов с высокой энерговооруженностью (14-18 кВт). В то же время во многих проектах спутниковых систем с высокоэллиптическими спутниками, разрабатываемых различными организациями для выполнения п. 8 ФКП ("Экспресс-РВ", "Арктика-МС", "Полярная Звезда", "НордМедиа-Стар" и др.), предлагается реализовать на спутниках среднего класса (2700-3200 кг, 10-12 кВт) не только эти, но и многие другие виды услуг, включая фиксированную спутниковую связь в С- и Ku-диапазонах, подвижную спутниковую связь, предоставление мультимедийных услуг и т.д. Для этого нужно установить на каждом аппарате дополнительно по 20-40 стволов в различных диапазонах.
В такой постановке задача представляется не реализуемой ни технически, ни экономически, что ставит под угрозу срыва создание национальной системы связи с высокоэллиптическими спутниками, действительно так необходимой стране для решения многих задач. Поэтому предлагается исключить в принципе из рассмотрения для систем с высокоэллиптическими спутниками задачи спутникового вещания как экономически неэффективные, и оставить для них те задачи, которые реализуются только или преимущественно со спутниками на ВЭО. К ним можно отнести:
Определение необходимых ресурсов в создаваемой системе должно вестись на основе учета реальных потребностей ведомств и организаций, подкрепленных определенными финансовыми обязательствами по дальнейшей аренде каналов и получению услуг. При таком подходе оптимальным решением может оказаться система из трех малых спутников с 12-16 стволами С-диапазона (и, возможно, стволом L-диапазона) на каждом, запускаемых малыми носителями с космодрома Плесецк. Однако более детальное рассмотрение характеристик такой "оптимальной"системы выходит за рамки данной статьи, целью которой было показать, что непосредственное теле- и радиовещание не относится к числу задач, эффективно решаемых с помощью спутников на высокоэллиптических орбитах. Насколько это удалось - судить читателям.
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #2, 2009
Посещений: 24397
Статьи по теме
Автор
| |||
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
