» » Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Статистика по использованию сети Интернет и ее проникновению в повседневную жизнь достаточно подробна. Изучив эти данные, можно с уверенностью говорить о том, что человечество недостаточно хорошо обеспечено сетевой инфраструктурой. Отбросим вопрос о том, какие большие территории России не имеют сотового покрытия. Полагаю, каждый кто ехал на поезде в другой город хорошо представляет, какие в нем зияют «дыры», а ведь российский мобильный интернет считается одним из лучших в мире.

В тексте, посвященном тому, как работает оптическое волокно, я упоминал новые экспериментальные способы передачи данных с помощью света. Такие проекты могут послужить благу каждого человека на планете, вне зависимости от того, где он находится. Не важно речь о стране тотальной информатизации, вроде Японии или о индийских трущобах.

Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Куда показательнее глобальные цифры. Известный портал Internet World Stats регулярно обновляет неутешительные данные. Лишь в последние годы число людей, имеющих хоть какой-то доступ к глобальной сети, перевалило за половину населения планеты. По статистике, лучшие показатели у Северной Америки и европейской части Евразии. Худшие, как не сложно догадаться, в Африке. Всего чуть больше 30% населения этого континента выходят в глобальную сеть.

Локации, жители, которых не имеют стабильного доступа к интернету объединяет многое: сложные условия жизни, удручающая экономическая и политическая ситуации, бедность и нищета. Спутниковый интернет, в таких условиях, несмотря на все заявления Илона Маска, не выглядит, как панацея. Он дорог и будет оставаться таковым еще очень долгое время.

Наземная же инфраструктура проникает в неблагополучные районы планеты очень медленно, не в последнюю очередь потому, что провода охотно принимают в пунктах сбора металлолома. Однако, принципиальное решение описанной проблемы нашлось, и наступила очередь за его практической реализацией. Если разместить базовые станции на земле не получается, а поднимать их в космос слишком дорого, то как на счет атмосферы?

Стратостаты Google Loon


Еще до того, как Google был реорганизован и превратился в Alphabet Inc, в одном из самых загадочных и закрытых его подразделений — лаборатории «X», где занимаются прорывными технологиями, группа инженеров высказала идею. Она могла бы показаться безумной, если бы такого рода предложения в этих стенах не рождались каждый день.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

«А давайте запустим сотовые вышки в воздух на гигантских аэростатах!»,— не ручаюсь за точность цитаты, но это прозвучало как-то так. По крайней мере суть Project Loon фраза передает точно. Проект заключается в том, чтобы создать беспроводные сети над самыми удаленными уголками планеты, запустив над этими территориями сотни шаров-ретрансляторов сигнала. Для этого не понадобятся ни электрические сети, ни какая-либо дорогая инфраструктура. К тому же, до воздушных шаров не дотянется ни один вандал.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

В лаборатории «X» с 2013 года так и эдак рассматривали эту идею, пока не изготовили заполненные гелием стратостаты, несущие на борту солнечные панели, аккумуляторы, набор антенн, а также парашют для экстренной посадки.

Двенадцатиметровые шары Project Loon (именно такое имя получила инициатива) созданы, чтобы подняться на 25 километров над землей в слой атмосферы, где никогда не утихает ветер и ничто не может помешать их полету. Ни самолеты, ни птицы так высоко не поднимаются. Разве что за исключением «черного дрозда».
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Подобно парусным кораблям, стратостаты должны перемещаться силой ветра, ловко лавируя между воздушными потоками, набирая и сбрасывая высоту. Для этого шарам Project Loon необходим балласт. В его роли выступает обыкновенный воздух. Шар закачивает его из атмосферы в отдельный резервуар, когда необходимо снизиться и, напротив, выпускает, чтобы набрать высоту.

Пока шар Project Loon парит в атмосфере, бортовые антенны находят абонентов на земле, принимают их запросы, связываются с соседними шарами, по цепочке передают данные до базовой станции, установленной где-нибудь в обжитых местах, и отсылают обратно полученные данные. Так, по расчетам инженеров Google, база Project Loon в самом населенном городе Африки — Йоханнесбурге, при достаточном числе шаров, способна обеспечить стабильной связью большую часть континента.

Высотные воздушные течения обладают сложной структурой, и критики проекта полагали, что Google не справится с управлением своим полупассивным воздушным флотом, не сможет удержать его над территорией, нуждающейся в связи. Риск того, что ветер рассеет группировку аэростатов действительно существует, однако программисты компании натренировали управлять полетом стратостатов нейронную сеть, непрерывно следящую за погодой и вносящую корректировки в поведение воздушных шаров.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Существовали и другие поводы для беспокойства. Так, запуск одного шара Project Loon по началу занимал у команды из нескольких десятков человек целый день, но вскоре инженеры приспособили для этого строительный кран, прикрепив к нему щиты для защиты от ветра и сократили расчетное время запуска до 30 минут.

Аэростат Project Loon по началу возвращался на землю через 30−40 часов, однако сейчас, с оптимизацией энергопотребления и нахождением оптимального баланса между массой батарей и их емкостью, стратостат без проблем и присмотра витает в атмосфере не менее трех месяцев.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Упорный труд выходцев из лаборатории «X» уже приносит пользу. Так, после наводнения в Перу, произошедшего весной 2017 года, стратостаты Google помогли развернуть систему временной сотовой связи в наиболее пострадавших от бедствия районах страны.

Вдохновленные успехом, создатели Project Loon быстро отреагировали и на другое бедствие —октябрьский ураган в Пуэрто-Рико. Тут стоит заметить, что стартовая площадка, склады, лаборатории и мастерские проекта находятся в континентальной части США. Раньше шары тестировались и в других странах, например, в Исландии. Однако, на момент окончания урагана, единственное место, откуда команда Project Loon могла бы развернуть беспроводную сеть находилось в Неваде.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Таким образом, до разрушенных и полузатопленных районов Пуэрто-Рико аэростаты Project Loon добрались самостоятельно, преодолев по воздуху более 5000 километров.

Компания Google испытала новую технологию и, одновременно с этим, получила масштабную рекламную компанию. Около 100 000 жителей острова получили бесплатный доступ к интернету. Пускай не очень быстрый и без возможности совершать звонки, но сигнал появился даже в тех районах Пуэрто-Рико, где о связи никто не мечтал и до урагана. Причем, ограничения были обусловлены не недостатками технологии Project Loon, а качеством уцелевшей наземной инфраструктуры, которую парящие ретрансляторы использовали в качестве базовых станций.

Лазерные беспилотники Facebook


Каким бы прорывным не казался замысел лаборатории «X», под руководством Марка Цукерберга создают нечто, потенциально способное затмить даже его. Стратостаты Google при всей своей фантастичности опираются на отработанные и хорошо известные технологии. По-настоящему новое и прорывное в них лишь программное обеспечение. Прибыли Facebook же идут на разработку беспилотных летательных аппаратов нового класса, сверхлегких автоматических планеров с лазерами на борту.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

В материале, посвященном оптическому волокну, я уже писал о том, что ничто не может соперничать со светом в скорости передачи информации. Более того, по представлениям современной физики, ничего более быстрого не существует в принципе. Но, до сих пор световые потоки приходилось запирать в кварцевых жилах, заставлять их двигаться по проводам от абонента к абоненту.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Вместе с тем, теоретически можно обходиться одними лазерами, чей сфокусированный луч распространяется по прямой на большие расстояния без какой-либо необходимости в световодах из кварцевого стекла. В этих исследованиях удалось добиться определенных успехов, но области в которой передача информации по лазерному лучу была бы практически востребована, не находилось. До недавнего времени.

Компания Facebook, конкурируя с Google в гонке за интернетом будущего и новыми абонентами, заинтересовалась лазерными телекоммуникациями и решила использовать их в своем проекте раздачи интернета с летательных аппаратов.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Технология, известная как атмосферная оптическая линия связи — Free Space Optics —подразумевает создание пары приемник-передатчик, где безопасный инфракрасный лазер будет транслировать закодированную в световом луче информацию абонентской станции, удаленной от него на многие километры. По понятным причинам, такой способ передачи данных работает только в зоне прямой видимости, что ограничивало возможности его развития и потенциального использования. Однако, так было до тех пор, пока инженеры Цукерберга не взялись за дело и не решили поднять передатчики в воздух.

Представьте себе пассажирский самолет Boeing 737. Полностью заправленный, такой аэробус весит от 36 до 44 тонн в зависимости от модели и имеет размах крыльев чуть больше 34 метров. А теперь, посмотрите на планер под названием Aquila.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Ему не нужно нести с собой ни пассажиров, ни топлива, только аккумуляторы и телекоммуникационное оборудование. При том же размахе крыльев, его масса около 450 килограмм. Для испытаний техники выносят Aquila на взлетную полосу буквально на руках.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Взлетев, такой планер первым делом тратит почти всю свою энергию на то, чтобы подняться в стратосферу, приблизительно на ту же высоту, что и стратостаты Google, только он не подчиняется воздушным течениям. Aquila зарядит солнечные батареи над облаками, где солнечные лучи отдадут ему больше энергии, и, как только начнет смеркаться, отключит двигатели и начнет медленно планировать к земле над заданным районом. К рассвету в батареях еще останется достаточно заряда, чтобы повторить маневр и подняться за новой порцией энергии.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Все это время беспилотник Facebook будет непрерывно обмениваться данными с другими подобными аппаратами и с землей по лазерному каналу. Как и аэростаты Google, БПЛА Aquila создаются, чтобы передавать интернет по цепочке туда, где он востребован. По крайней мере в теории.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Многие специалисты относятся к этой идее скептически, потому, что лазерные лучи требуется постоянно перенацеливать и корректировать. На земле это не легкая задача, а в полете, на высоте десятков километров ее выполнение представляется чуть ли не невозможным. Кроме того, нужно иметь в виду, что дальность работы Free Space Optics зависит от погодных условий, например, в тумане она быстро падает.

Еще больше масла в огонь скепсиса подлила авария одного из прототипов Aquila, повредившего крыло во время посадки. Надзорные ведомства США расследовали происшествие больше года и пришли к выводу, что в аварии виноват сильный ветер, сбивший легкий планер с посадочной траектории, а ведь в стратосфере воздушные течения куда более мощные.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Сейчас Facebook отстает от Google, и тем не менее, в компании верят, что, запустив Aquila, у них получится переиграть более простой и практичный Project Loon. Хотя бы за счет скорости передачи данных. В различных источниках цифры разнятся, но все они сходятся на том, что атмосферная оптическая линия связи способна поддерживать чрезвычайно широкое сетевое соединение, от десятка до нескольких десятков мегабит в секунду.
Как работают телекоммуникационные атмосферные спутники

Описанные летательные аппараты, которые совсем скоро должны будут в автономном режиме курсировать по атмосфере, принято называть атмосферными спутниками. Уже мало кто сомневается в перспективах подобных систем, однако чья реализация парящих телекоммуникационных сетей окажется удачнее, вопрос открытый. Нам остается следить за развитием событий. Но кто бы не вышел из противостояния победителем, Project Loon, Aquila или какой-нибудь дерзкий стартап, в конечном счете важно то, что доступ к Мировой информационной сети получат сотни тысяч людей, которые совсем недавно не могли на него рассчитывать. Интернет, какие бы дикие слухи и глупые мемы по нему не распространялись, остается мощнейшим катализатором, увеличивающим качество жизни в местах, где он общедоступен и дешев.

Все картинки которые были использованы в этой статье

Комментарии

Добавить комментарий

b
i
u
s
|
left
center
right
|
emo
url
leech
color
|
hide
quote
translit
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив

Личные сообщения

Ваши переписки