Базовые станции в стратосфере: беспилотники как элемент общей коммуникационной экосистемы
Мысль об использовании самолетов, аэростатов и дирижаблей для ретрансляции радиосигнала пришла в голову людям сразу, как только возникло желание еще выше поднять радиопередатчик. Тогда говорить о создании сколько-нибудь устойчивой сети было нереально, и все ограничилось отдельными экспериментами. Идея вернулась почти через сто лет на новом уровне развития техники и технологий: не так давно в Airbus объявили о предоставлении услуг связи через стратосферный беспилотник Zephyr.
HAPS займут нишу между спутниковыми и сотовыми сетями

Стратосферные беспилотные летательные аппараты, используемые для связи или мониторинга земной поверхности были выделены в отдельный класс — HAPS, High Altitude Platform System, но есть и другая, не менее распространенная расшифровка — High-altitude Pseudo Satellites. Уже само название подчеркивает, что эти аппараты делают то же, что и спутники, но немного иначе. HAPS, по мнению апологетов этой технологии, имеет несколько очевидных преимуществ:

  • они дешевле космических аппаратов;
  • они многоразовые;
  • их можно обслуживать, ремонтировать и модернизировать;
  • с их помощью можно оперативно охватить связью некую локальную область; после чего переместить в другое место.

При этом утверждается, что HAPS — не конкуренты спутникам и наземным технологиям: они гармонично занимают ту нишу, в которой использование иных технологий связи невыгодно.

Аналитическая компания Northern Sky Research прогнозирует, что к 2029 году рынок HAPS достигнет $4 млрд, заявив, что на разных стадиях разработки находится около 40 проектов.
Альянсы и объединения
Для продвижения технологии игроки вступают в различные союзы и организации.

В начале 2020 года группа телекоммуникационных, технологических, авиационных и аэрокосмических компаний объявила о создании HAPS Alliance для продвижения использования стратосферных летательных аппаратов для устранения цифрового разрыва. В Альянс вошли: Airbus Defence and Space, Softbank Corp., HAPSMobile, Loon, AeroVironment, Airbus Defence and Space, Bharti Airtel Limited, China Telecom Corporation, Deutsche Telekom, Ericsson, Intelsat, Nokia Corporation, SoftBank Corp. и Telefonica. Основной фокус деятельности — разработка общих спецификаций, стандартизация, изучение функциональной совместимости сетей HAPS, выделение спектра для HAPS, включение технологии в стандарты 3GPP.

В январе Airbus, Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT), NTT Docomo и SKY Perfect JSAT Corporation подписали соглашение о возможной совместной работе над будущими услугами связи на основе станций HAPS. Основная цель — изучить возможность совместимости HAPS Zephyr с сетями NTT и JSAT, отработать приложения (в первую очередь для связи с подвижными объектами) и технологии и запустить коммерческие услуги.

В марте GSMA в сотрудничестве с Альянсом HAPS выпустила документ «Системы высотных платформ: башни в небе, версия 2.0» (High Altitude Platform Systems: Towers in the Skies Version 2.0) о применении технологии HAPS для развития мобильных сетей в разных регионах.
Zephyr

В середине июля 2022 года Airbus объявил о запуске бизнеса по предоставлению услуг связи на базе платформы HAPS Zephyr, создав для этого дочернюю компанию HAPS Services Business. Zephyr был разработан в начале 2000-х годов компанией QinetiQ, а затем продан EADS Astrium, которая после ряда реорганизаций сейчас работает как Airbus Defense and Space. Серийный выпуск Zephyr начался в 2018 году, первым заказчиком стали британские военные.

Недавно Zephyr побил свой же рекорд того года, продержавшись в воздухе 26 дней без дозаправки. Но гораздо важнее, что в конце 2021 года этот HAPS 18 дней не просто летал, а успешно обеспечивал передачу данных на разные устройства. В диапазоне 2 ГГц осуществлялась высокоскоростная связь, в диапазоне 450 МГц — низкоскоростная. Зона охвата связи составила 140 км.
Google и Facebook от HAPS отказались

Тему использования беспилотников для охвата связью удаленных регионов не могли обойти стороной и крупные компании, такие как Google и Facebook, заинтересованные в подключении неподключенных.

Google развивал свой проект Loon, где в качестве ретрансляторов выступали воздушные шары. Были даже развернуты первые коммерческие сети в Кении и Мозамбике; воздушные шары обеспечили связь после стихийных бедствий в Пуэрто-Рико в 2017 году и Перу в 2019 году. Но в начале 2021 года, после десяти лет работы, проект был свернут. Причиной называлось отсутствие жизнеспособного бизнес-кейса. Эксперты в свою очередь считали, что Google выбрал неудачную технологию — воздушные шары практически неуправляемы, поэтому их требуется достаточно много для гарантированного охвата какой-либо определенной области.

Google работал и с дронами, но тоже неудачно. В 2014 году он купил разработчика дронов Titan Aerospace, в 2015 году беспилотник совершил один испытательный полет, а в 2017 году проект был закрыт.

Facebook в 2014 году купил производителя дронов Ascenta и начал работу над летающим крылом Aquila, использующим солнечную энергию. Aquila совершил два испытательных полета, но в 2018 году Facebook от дронов отказался.
SoftBank и HAPS Mobile

Высокую активность в развитии HAPS проявляет японская финансовая структура SoftBank, известная своими инвестициями в новые технологии. Его дочерняя компания HAPS Mobile (она также частично принадлежит американской компании AeroVironment, производящей военные беспилотники) намерена в 2023 году начать коммерческую эксплуатацию своей HAPS SunGlider. Компания провела несколько успешных испытательных полетов беспилотника и демонстрацию работы LTE. Некоторые испытания HAPS Mobile проводила совместно с Loon, а после закрытия проекта SoftBank приобрел у Loon около 200 патентов.

В сентябре 2020 года AeroVironment продемонстрировала мобильную широкополосную связь через Sunglider, связав видеозвонками через обычные смартфоны Токио, Нью-Мексико и Калифорнию. В испытании использовалась полезная нагрузка LTE, разработанная совместно Loon и HAPSMobile.
Другие проекты

  • Deutsche Telekom, Stratospheric Platforms Limited (SPL) и Cambridge Consultants провели серию тестов работы услуг LTE через беспилотник.

Что интересно, в отличие от многих HAPS, SPL использует не солнечные батареи, а водородные элементы. Позднее SPL и DT в Саудовской Аравии протестировали уже 5G. Коммуникационный регулятор страны считает, что HAPS окажут существенную помощь в подключении к цифровым услугам всего населения страны.

  • В 2017 году НПО им. Лавочкина испытывала высотный беспилотник-псевдоспутник ЛА-252.
Он должен был работать на высотах 15-22 км и мог использоваться в качестве ретранслятора.

  • Компания BAE испытала в Австралии свой аппарат Persistent High Altitude Solar Aircraft (Phasa-35) в феврале 2020 года.
Коммерческое использование планируется в 2023-24 гг. Самолет был разработан британской компанией Prismatic, которую BAE Systems приобрела в 2019 году.

  • Неудача Loon пока не отвратила разработчиков от аппаратов легче воздуха, и несколько компаний продолжают заниматься разработкой HAPS на основе дирижаблей.
Thales Alenia Space трудится над Stratobus: компания провела демонстрационный полет своего дирижабля Stratobus в сентябре 2021 года. Испытание включало в себя повреждение оболочки на высоте 20 км с последующим управляемым спуском дирижабля на землю. Sceye в июне 2022 года провела испытания своего дирижабля, результаты которых позволят «расширить доступ к Интернету для удаленных жителей, отследить выбросы парниковых газов вплоть до отдельных источников и обнаружить стихийные бедствия по мере возникновения». Технология Sceye обеспечивает дальность действия 140 км. Эту разработку планируется использовать для предоставления высокоскоростного интернет-доступа в области проживания народа навахо в штате Нью-Мексико.

Свою конструкцию разрабатывает и Lockheed Martin. В этой области работает израильская фирма Atlas LTA, компания Flying Whales во Франции и Stratosyst в Чехии. Китай также вел подобные проекты.

  • UAVOS, разработчик HAPS ApusDuo, в августе 2021 года объявил об успешном запуске своей стратосферной платформы и полете на высоте 16 500 м с полезной нагрузкой 6 кг.
В итоге планируется создать аппарат с продолжительностью автономного полета до года.

  • Управление гражданской авиации Сингапура (CAAS) и компания Sitaonair намерены дополнить существующие системы связи с самолетами — наземную и спутниковую — связью через беспилотники.

  • Hindustan Aeronautics Limited (HAL) и стартап NewSpace Research and Technologies (NRT) разрабатывают по заказу Министерства обороны Индии высотный псевдоспутник связи и наблюдения.

Уже в третьем квартале 2022 года должен взлететь прототип, а вся реализация проекта займет четыре года.
Частоты для HAPS

Три всемирные конференции радиосвязи (ВКР-97, ВКР-2000 и ВКР-12) определили спектр для HAPS в диапазонах частот 47/48 ГГц, 2 ГГц, 27/31 ГГц и 6 ГГц. Поздние исследования МСЭ-R, проведенные до ВКР-19, показали, что разрешенных частот не хватает для реализации услуг ШПД при помощи HAPS. К тому же в некоторых регионах HASP не могли использовать все отведенные МСЭ диапазоны. Поэтому на ВКР-19 государства – члены МСЭ определили дополнительные полосы частот, в которых системы HAPS могут работать при определенных технических условиях.

ВКР‑19 приняла решение, что HAPS могут работать в 31 ГГц–31,3 ГГц и 38–39,5 ГГц в глобальном масштабе и в 21,4–22 ГГц и 24,25–27,5 ГГц для фиксированной связи в Районе 2.

Когда HAPS работает как базовая станция подвижной связи, можно использовать полосу спектра подвижной связи 2 ГГц, но применение других полос спектра подвижной связи — 700–900 МГц, 1,7 ГГц и 2,5 ГГц — запрещено. SoftBank и HAPSMobile предложили пустить в эти диапазоны HAPS на глобальной основе, утверждая, что это серьезно ускорит ликвидацию цифрового разрыва во всем мире.

Сейчас МСЭ-R проводит исследования возможности работы HAPS как базовой станции IMT в диапазоне ниже 2,7 ГГц, результат будет обсуждаться на ВКР-23.
SoftBank и HAPSMobile разработали методику расчета зоны охвата HAPS и характеристики луча и предложили ее МСЭ как основу для дальнейшей работы по регуляторике технологии.

Также операторы HAPS заинтересованы в том, чтобы работать в существующих спутниковых диапазонах, т.к. в этом случае пользователь может использовать стандартное оборудование. В некоторых странах HAPS разрешено работать в спутниковом диапазоне, не создавая помех спутниковым системам. В некоторых странах HAPS планируют работать в диапазонах своих партнеров-сотовых операторов.

SoftBank обратился к австралийским регуляторам с просьбой учесть интересы HAPS и роль технологии в подключении удаленных областей, рассматривая вопрос перераспределения диапазона 28 ГГц в пользу сетей 5G. В мае 2022 года Softbank организовал совместное предприятие с австралийским оператором Lendlease с целью развития коммуникационных сетей с использованием беспилотников HAPSMobile.
В HAPS вкладываются ощутимые средства, сотовые операторы проявляют заинтересованность этой технологией, и уже к началу следующего года мы должны увидеть первые коммерческие сети, работающие через стратосферные беспилотники. Скоро нам предстоит увидеть еще один виток конкуренции, который наверняка отразится не только на бизнесе, но и на регуляторике. Например, пока не был высказан (но наверняка возникнет в ближайшее время) такой аргумент в пользу HAPS: их использование позволит избежать засорения околоземной орбиты огромным количеством проектируемых низкоорбитальных систем.
01/09/2022 АНАЛИТИКА