ВЫСОТНАЯ СЕТЬ ДОСТУПА К МОБИЛЬНОМУ ИНТЕРНЕТУ В МАЛОНАСЕЛЕННЫХ И ТРУДНОДОСТУПНЫХ РЕГИОНАХ РОССИИ С РАЗМЕЩЕНИЕМ БАЗОВЫХ СТАНЦИЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ НА СТРАТОСФЕРНЫХ ДИРИЖАБЛЯХ

HIGH-ALTITUDE MOBILE INTERNET ACCESS NETWORK IN SPARSELY POPULATED AND HARD-TO-REACH REGIONS OF RUSSIA WITH THE PLACEMENT OF BASE TRANSCTIVER STATIONS ON STRATOSPHERIC AIRSHIPS

Pavel Fedorov

Postgraduate student of the Institute of Engineering and Digital Technologies National Research University Belgorod State University, General Director of Ground Support Systems and Innovative Technologies, Ltd,

Russia, Obninsk

АННОТАЦИЯ

Скоростной ВОЛС-интернет приходит в порты Севморпути, в то время как континентальные районы Сибири, Дальнего Востока и Российской Арктики пользуются дорогостоящим космическим интернетом. Мобильная связь в труднодоступных районах остро необходима как одно из главных условий притока населения на развивающиеся территории.

Задачу решает высотная сеть «Доступ» радиорелейной связи с базированием радиоэлектронной аппаратуры на стратосферных дирижаблях.

Кратко описаны конструкция и принципы полета дирижабля-носителя; конструкция и работа полезной нагрузки и автоматизированной системы управления; представлена схема расстановки ретрансляторов; — все это в сравнении с наиболее функционально близкой системой связи стратосферных носителей Loon, Google^*_X, США.

Отмечены главные инновации проекта «Доступ»: реализация принципа управляемого полета воздухоплавательных аппаратов без движителей; работа адаптивных цифровых антенных систем в сетях с базированием приборов связи на подвижных носителях; использование технического полотна СВМПЭ применительно к оболочкам дирижаблей.

Заявлена перспектива проекта стратосферной связи на дирижаблях-носителях: создание пространственного «интерфейса» взаимодействия космической лазерной сети и наземного ВОЛС–интернета.

ABSTRACT

High-speed fiber-optic Internet is coming to the ports of the Northern Sea Route, while the continental regions of Siberia and the Russian Arctic use expensive space Internet. Mobile communications in hard-to-reach areas are urgently needed as one of the main conditions for the influx of population to developing territories.

The problem is solved by the high-altitude network DOSTUP of radio relay communications with the basing of electronic equipment on stratospheric airships.

The design and flight principles of the carrier airship, the design and operation of the payload and automated control system; the layout of the repeaters are briefly described — all this in comparison with the most functionally similar communication system on stratospheric carriers Loon Google ^*_X, USA.

The main innovations of the DOSTUP project are noted: the implementation of the principle of controlled flight of aircraft without means of motion; the operation of adaptive digital antenna systems in a network with the basing of communication devices on mobile carriers; the use of new materials in relation to the shells of airships.

A global perspective has been announced for a stratospheric communications project with equipment based on aeronautical carriers: the creation of an interface for interaction between a space laser network and a terrestrial fiber-optic Internet.

Ключевые слова: воздухоплавательные носители; стратосферные дирижабли; высотные платформы; ВОЛС; лазерный луч; проект доступ; удаленные, труднодоступные, малонаселенные территории Арктики и Сибири.

Keywords: aeronautical carriers; stratospheric airships; high-altitude platforms; fiber-optic communication lines; laser beam; access project; remote, hard-to-reach, sparsely populated territories of the Arctic and Siberia; interaction interface.

Одно из главных условий развития Арктики и Сибири — это стабильная связь, уверенный доступ всех пользователей к скоростному интернету.

В порты Северного морского пути поэтапно приходит волоконно–оптический кабель глобальной сети — интернет большой мощности.

В то же время абоненты труднодоступных континентальных районов продолжают пользоваться дорогой космической связью: прокладка ВОЛС–кабеля на сотни километров вглубь континента технически затруднена и в ближайшее время исключающе нецелесообразна экономически.

Доступ к широкополосному интернету во внутренних регионах остро необходим. Надежная связь обеспечит эффективную работу производственных предприятий и горнодобывающих комплексов; внедрение новых технологий в медицине и образовательных учреждениях; развитие фирм обслуживания и досуга, — все это качественно повысит уровень жизни, создаст условия притока трудовых ресурсов в удаленные регионы.

Проект «Доступ» для малонаселенных регионов со стоимостью интернета на уровне цен Европейской части России предложен ООО СНОиИТ, Обнинск.

«Доступ» — сеть радиорелейной связи с размещением аппаратуры ретрансляторов и базовых станций мобильной связи на высотных дирижаблях.

АНАЛОГ ПРОЕКТА «ДОСТУП» — СИСТЕМА СВЯЗИ LOON

Разработку предприятия СНОиИТ можно рассматривать как антитезу проекту Loon⁴ — сети мобильной связи корпорации Google^*_X, США.

Испытания американского проекта проводились в 2012–21 годах.

Базовые станции Loon устанавливались на воздушных шарах — дрейфующих стратостатах с высотой полета ок. 18 000 м.

Перемещение стратостатов происходило за счет сноса платформ. Выбор воздушного потока для движения в заданном направлении осуществлялся поиском по вертикали, — изменением высоты полета стратостата–носителя.

Управление полетом группы стратостатов-носителей велось наземной автоматизированной информационной системой (АИС).

АИС получала информацию с высотных платформ: высота, скорость, направление перемещения стратостата; скорость воздушного потока, температура, давление... — и решала задачу равномерной расстановки носителей бортовых базовых станций в потоке (в движении сноса) над районом покрытия.

В зависимости от площади над заданной территорией пролетали десятки или сотни стратостатов. Бортовые базовые станции (БС) в полете, выполняемом по схеме «птичья стая», находились на равных расстояниях друг от друга.

Платформы пересекали зону покрытия и приземлялись в установленных местах. Мобильные группы подбирали севшие комплексы и доставляли их в места технического обслуживания и повторных стартов.

Во время землетрясения в Пуэрто-Рико с помощью системы Loon был обеспечен доступ к интернету на площади в 11 000 кв км. В 2019 году реализован пилотный коммерческий проект в Кении, где в предместьях Найроби связь обеспечили несколько сотен высотных платформ.

Проект Loon закрыт в 2021 г. в связи с коммерческой несостоятельностью.

Причина — нестабильное обеспечение упорядоченного полета платформ. Задача управления дрейфом стратостатов–носителей в атмосферных потоках для равноудаленной расстановки БС оказалась невыполнимой. АИС хорошо справилась со своевременным формированием управляющих команд, чему разработчики уделили особое внимание, но природа не дала возможности расставить носители по расчетным местам. По команде АИС стратостат начинал маневр изменения высоты, но время поиска воздушного эшелона оказывалось чрезмерным. Или в интервале высот спуска-подъема просто не оказывалось высотного потока нужного направления. Платформы сбивались с курса и пролетали над районом поодиночке или произвольными группами. В итоге равномерно е распределение БС по площади покрытия не обеспечивалось.

Результат анализа системы Loon предприятием СНОиИТ определил главное условие управляемости воздухоплавательными аппаратами без движителей: это начало эффективного горизонтального смещения носителем по команде АИС в гарантированно короткое время.

В итоге разработчиками выбрана схема фиксированной расстановки высотных платформ с удержанием позиций над расчетными точками — узлами связи, равномерно распределенными по территории покрытия.

Носитель проекта «Доступ» выполнен на основе схемы концепт–дирижабля «Неофрон»³, СНОиИТ (2015). Разработка «Высотная локационная платформа «Неофрон» на конкурсе АО «ЦНИИмаш» (2016) заняла позицию среди первых 10 участников. Проект «Доступ» был рассмотрен Минцифры и Минобороны РФ (2021). Произведена экспертиза проекта — РНИИРС, г. Ростов-на-Дону (2021). Проект носителя «Доступ» защищен как ВКР гендиректора предприятия СНОиИТ Федорова П.А. в ИАТЭ НИЯУ МИФИ, Обнинск (2023).

Рисунок 1. Чукотский АО

Описание проекта (НИОКР) «Доступ» предложено Минвостокразвития РФ на примере Чукотского АО (площадь ок. 720 кв. км; население ок. 50 тыс. чел.), Рисунок 1.

Система доступа к интернету состоит из фиксированного количества стратосферных платформ, сохраняющих рабочие позиции в областях вблизи заданных точек территории покрытия (над БС поселков и хозяйственных объектов) на высоте 18 – 24 тыс м. Воздухоплавательные платформы образуют высотную сеть радиорелейной связи прямой видимости на территории покрытия.

Платформы, размещенные на позициях вблизи портов Северного морского пути привязаны к узлам ВОЛС-кабеля широкополосного, «большого» интернета, как показано на Рисунке 2.

Рисунок 2. Узел в порту Севморпути на ВОЛС и ближайшая высотная платформа

«Раздача» сигнала по территории континентальной Чукотки происходит по радиорелейной сети при расстоянии между платформами 200 – 350 км.

Каждая платформа ведет обмен информационным потоком с БС поселка, завода, горнодобывающего предприятия, прииска, как показано на Рисунке 3 (или — напрямую с абонентами стоянок старателей или оленеводов в зонах, где нет наземных БС как показано на Рисунке 4.).

БС принимает и усиливает сигнал, и «раздает» абонентам; «собирает» и «поднимает» сигнал на платформы.

Рисунок 3. Распространение сигнала по сети с усилением на базовых станциях

Таким образом, пользователи на «континенте» получают доступ к ресурсу «большого» интернета через радиорелейную связь, значительно превосходящую по частоте (мощности) модемы (тарелки) спутниковой связи.

Это значительно более эффективный и экономически выгодный способ распространения интернета, нежели получение сигнала от тех же ВОЛС-узлов в портах Севморпути по спутниковым каналам.

Рисунок 4. «Раздача» мобильной связи с бортовой БС в удаленном поселке

Приемо–передающие антенные системы высотных платформ разрабатываются на основе адаптивных цифровых антенных решеток (АЦАР)¹.

Принцип АЦАР разработан Институтом инженерных и цифровых НИУ БелГУ при техническом участии предприятия СНОиИТ. В настоящее время ИИЦТ при участии АО «Авиаавтоматика» изготовлен локатор заднего обзора, действующий на основе АЦАР по заказу АО «Вертолеты России».

Антенны платформ «Доступ» построены в форме многогранников. Бортовые процессоры активизируют приемно-передающие модули (ППМ) антенных решеток на плоскостях антенн и направляют лучи на антенные системы наземных БС и ППМ соседних платформ. Антенная система платформы генерирует до пяти лучей одновременно. Направление луча связи осуществляется коррекцией фазовращателями. Энергия боковых «лепестков» диаграммы направленности используются для питания соседних секторов антенной системы (квазиоптическое возбуждение излучателей), что обеспечивает высокую мощность системы в целом.

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА (АИС)

АИС проекта «Доступ» выполняет следующие функции:

— управление пилотированием платформ по маршрутам выхода в расчетные точки и при возврате на аэродром, движением при удержании платформами рабочих позиций, маневрами носителя при выполнении полетных и посадочных процедур в нестандартных ситуациях;

— управление информационными потоками (маршрутизация) связи

— определение координат и высоты движения платформ;

а) с использованием системы ГЛОНАСС и GPS;

б) по сигналам наземных БС с известными координатами;

в) по направлениям на спутники и другим наземным ориентирам;

— взаимодействие системы с военными и гражданскими сетями связи;

АИС останется работоспособной при масштабировании проекта:

— при покрытия новых территорий и увеличении числа абонентов сети;

— с расширением качества и спектра услуг связи и интернета.

ДИРИЖАБЛЬ–НОСИТЕЛЬ. КОНСТРУКЦИЯ ПЛАТФОРМЫ «ДОСТУП»

Стратосферный носитель дирижабль «Доступ» спроектирован на основе многофункциональной платформы «НЕОФРОН» — концептуальной разработки комплекса ретрансляции, сканирования земной поверхности и радиотелескопа для приема реликтового излучения дальнего космоса с высотой стояния, дрейфа и перемещения на высотах до 30 тыс. м.

В отличие от концепта дирижабль выполняет одну функцию: носитель радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) ретрансляции и мобильной связи.

Платформа «Доступ» способна к маневрам и длительному перемещению на скорости ок. 100 км в час на за счет собственных систем и предназначена для автономной работы на высоте 18000 — 24 000 м.

Задачами носителя являются взлет и вывод платформы в расчетные координаты для приема-передачи сигнала интернета и мобильной связи, автоматическое сохранение рабочей позиции над наземными БС и отдельными группами пользователей; возврат на аэродром.

Температура воздуха на высоте 18 – 24 тыс м постоянна и равна ~ –55°C.

В едином корпусе аппаратуры и механизмов платформы скомпонованы:

— полезная нагрузка (ПН) — РЭА радиорелейной связи и БС;

— процессор управления полетом и работой системой связи;

— электродвигатель привода бортовой механизации;

— аккумулятор, компрессор, генератор и другие устройства.

Выбор позиции термозащитного корпуса при монтаже внутри оболочки возвращает центр тяжести платформы, смещенный при установке внешних антенных блоков вне дирижабля, в геометрический центр (ЦТ) носителя.

Кожух корпуса имеет грани с панелями генерации энергии и три степени свободы вращения (+/- ~> 90°).

Повороты кожуха относительно осей независимы от ориентации корпуса внутри кожуха, не вызывают смещения ЦТ платформы и служат для ориентации граней относительно направлений на источники изучения.

Корпус ПН в кожухе имеет независимую от кожуха степень свободы — вращение относительно продольной оси носителя — (+/- ~> 90°).

Поворот корпуса не изменяет ориентации кожуха. Поворот смещает ЦТ корпуса (и всего аппарата) относительно продольной вертикальной плоскости и создает угол крена носителя (+/- ~> 45°).

Корпус в кожухе имеет свободу продольного смещения (+/-~>3 м) по продольной оси 0Z для изменения тангажа дирижабля в пределах 0° — - ~>75° с целью ориентации солнечных батарей и для изменения тангажа в полете.

СПОСОБ УПРАВЛЯЕМОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПЛАТФОРМЫ

Тангаж и крен в сочетании со «сбросом» подъемной силы обусловливают пикирование дирижабля или движение его по нисходящей спирали. Эти режимы движения — способ удержания платформы в рабочей зоне, то есть, — сохранение позиции высотного ретранслятора с бортовой БС в области устойчивой связи.

В нижней точке центральной оси рабочей зоны дирижабль увеличивает подъемную силу и выходит в наивысшую точку полета, — приобретает максимальную потенциальную энергию. При сносе платформы возврат в нижнюю точку центра рабочей области осуществляется управляемым пикированием (снижением по спирали). На аэродинамическом профиле оболочки при пикировании возникает усилие, которое регулируется кренами дирижабля и обеспечивает направление полета носителя по азимуту.

Скороподъёмность дирижабля (приобретение энергетического потенциала) и управляемый спуск носителя (сила на оболочке) — источники энергии и управляемости полетом платформы.

Подъем и спуск происходит без расходования рабочего газа носителя.

В режиме пассивного полета (покой, снос в пределах рабочей зоны) солнечные батареи направлены солнце для пополнения энергии аккумуляторов для гарантированно бесперебойной работы систем платформы.

ЭНЕРГЕТИКА ВЫСОТНОЙ ПЛАТФОРМЫ «ДОСТУП»:

• силовая установка управления механизацией единого блока – 1 000 Вт;
• аппаратура радиорелейной связи – 300 Вт;
• аппаратура GPS/ГЛОНАСС – 100 Вт;
• бортовой контроллер – 300 Вт;
• система обогрева аккумуляторной батареи – 300 Вт.

Потребляемая мощность платформы – 2 кВт.

РАБОЧИЙ ЦИКЛ ВЫСОТНОЙ ПЛАТФОРМЫ «ДОСТУП»

Сборка носителей, монтаж блоков управления и полезной нагрузки, тестирование, заправка гелием (водородом), взлет и посадка носителей производится на аэродромах, — открытых равнинных местах, выбираемых вблизи железнодорожных и водных транспортных артерий.

При взлете и подъеме на рабочую высоту платформа в попутных потоках и за счет собственного хода в течение нескольких часов занимает расчетную позицию и включится в систему связи высотной сети.

Отработавшая платформа берет курс на аэродром и производит штатную посадку посредством закачки воздушного балласта.

При экстренной посадке стравливается рабочий газ, и платформа совершает жесткое приземление. При аварийной ситуации предусмотрено падение аппаратного блока — парашютирование внутри оболочки. Возможно приводнение платформы. В аппаратном блоке предусмотрен аварийный передатчик мощностью 1 Вт с автономным питанием. Группа подбора определит место приземления и осуществит доставку платформы на аэродром.

Аэродромы базирования имеют все необходимое оснащение:

— технико-эксплуатационная часть, помещение АИС и жилые помещения;

— автомобили аэродромного обеспечения и техника доставки носителей;

— ангар-гараж и склады топлива, рабочего газа и других материалов.

СРАВНЕНИЕ ПРОЕКТОВ «ДОСТУП» И LOON

Необходимое количество стратостатов Loon для установки стабильной связи на территории Чукотского АО составит минимально 500 единиц.

Система «Доступ» обеспечит уверенную связь на площади Чукотки пятьюдесятью платформами с учетом ротации, резерва и плановых потерь.

Вес платформы «Доступ» в полтора раза выше, чем аэростата Loon. Использование комплектующих с небольшим числом импортных компонентов обеспечивают платформе стоимость не выше, чем стоимость модуля Loon.

Сеть Loon требует дополнительного оборудования абонентов. «Доступ» обеспечивает связь через наземные БС и напрямую на гаджеты абонентов.

При расширении площади покрытия развитие сети «Доступ» происходит простым добавлением платформ. Новые модули занимают позиции и автоматически «прописываются» в сети высотных ретрансляторов и БС.

МАТЕРИАЛ ОБОЛОЧКИ ДИРИЖАБЛЯ

Тонкий и прочный материал кардинально снижает размеры и вес воздухоплавательного аппарата. Аэродинамичная форма «крыло» носителя «Доступ» придает форму с сохранением прочности и надежности конструкции без выхода за габаритны размеров дирижабля традиционной формы.

На российском рынке технических полотен, пригодных для производства современных оболочек воздухоплавательных аппаратов не представлено.

В носителях Loon использован сверхвысокомолекулярный полиэтилена — СВМПЭ (ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE). Заводы по производству материала находятся в основном в КНР. В 2015 году там произведен запуск высотного дирижабля с оболочкой из СВМПЭ-материала.

Технология «филамент–нить» значительно сложнее производства изготовления объемных СВМПЭ–изделий (бронезащита, футеровка...) При серийном изготовлении оболочек целесообразно открытие российского производство технического полотна СВМПЭ. Технология потребует организации предприятия с формированием первичной структуры нити СВМПЭ — филамента. Производство напрямую зависит от объемов. Рентабельный объем производства обеспечит использование СВМПЭ-материала для изготовления изделий хозяйственного и оборонного применения: тентов, пневмоангаров, проч. Производство будет экономически оправдано качеством изделий и кардинальным уменьшением их размеров и веса (например, стандартная армейская палатка может быть уложена в небольшой рюкзак).

ДРУГИЕ ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВА ПРОЕКТА «ДОСТУП»

Платформы могут служить носителями высотных систем радиолокации наземных, надводных и воздушных объектов гражданского назначения. При полете на высоте до 24 000 м малозаметные платформы малой эффективной отражающей поверхностью могут быть использованы в военных целях.

Наиболее эффективная передача информации в глобальной сети — волоконно-оптические линии связи. ВОЛС–кабели с частотой передачи порядка единиц терабит в секунду связывают регионы и континенты и обеспечивают территории практически неограниченным ресурсом информации. ВОЛС–паутину называют скоростным, широкополосным и «большим» интернетом.

До последнего времени Чукотка была единственным регионом России, где не было ВОЛС–интернета. В настоящее время кабель подведен только к Анадырю. Другие чукотские порты, как и большинство портов Севморпути «большого» интернета не имеют. Природные условия внутренних территорий Чукотки исключают прокладку кабеля в обозримом будущем, и населенные пункты и объекты горнодобывающей промышленности, также как и отдельные прииски и стоянки оленеводов пользуются индивидуальными модемами («тарелками») дорогостоящего спутникового интернета.

Спутниковые группировки образуют сеть космического интернета. Спутники-носители в орбитальном «общении» используют лазерную связь, имеющую потенциал передачи информации не меньший, чем у ВОЛС-связи.

Для связи с наземным интернетом эффективная лазерная связь неприменима: оптический луч затухает в атмосфере; его распространение в воздушной среде ограничено. На пути к земле космический луч утратит свойства эффективного носителя информации уже на высоте около 15 000 м.

Проект (НИОКР) «Доступ», как описано выше, обеспечит эти территории экономически выгодным и эффективным интернетом и мобильной связью. В нашем случае источником интернета высотной системы связи выступают наземные ВОЛС–узлы, к которым «привязаны» ближайшие платформы сети.

С таким же успехом сеть «Доступ» может «брать» интернет из космоса. В силу работы дирижаблей-носителей на высоте свыше 15 000 м платформы гарантированно примут полноценный информационный поток.

Отсюда вырисовывается принципиально важная перспектива в развитии высотной сети радиорелейной радиосвязи (РРС) и распространении мобильного интернета на больших территориях, таких как Арктика, Сибирь и Дальний Восток.

Высотная система РРС с базированием РЭА на стратосферных дирижаблях выступит своего рода интерфейсом между космическим лазерным и наземным ВОЛС–интернетом. Лазерный луч «доставит» в высотную сеть мощный лазерный сигнал, а РРС «раздаст» информационный поток по наземным базовым станциям.

Оба вида связи: и с космосом, и с землей, естественно, — дуплексные.

Вторая ступень проекта «Доступ» — «Доступ – интерфейс», безусловно явится принципиальным, качественным прорывом в развитии сети интернет, в частности, и радиосвязи в целом.

Список литературы:

1. Zhukov A.O., Zhilyakov E.G., Oleynik I.I., Orishchuk S.G., Fedorov P.A., Kartsan I.N. Sub-band detection of small-sized objects during airspace sensing with ultra-short radio pulses. APITECH III 2021, IOP Publishing, Journal of Physics: Conference Series, 2094 (2021) 022013, doi:10.1088/1742-6596/2094/2/022013.
2. Zhukov A.O., Zhilyakov E.G., Oleynik I.I., Orishchuk S.G., Fedorov P.A., Kartsan I.N. Information technologies for creating spatiotemporal modems multiposition active-passive radar systems. APITECH III 2021, IOP Publishing, Journal of Physics: Conference Series, 2094 (2021) 022005, doi:10.1088/1742-6596/2094/2/022005.
3.  [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://snoiit.ru/ (дата обращения: 26.07.2024)
4. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: «https://x.company/projects/loon/» (дата обращения: 26.07.2024)

^*По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации – прим. ред.)