Ewolucja systemów zarządzania ładunkiem użytecznym dla satelitów komunikacyjnych: nowe wyzwania

W ciągu ostatnich kilku lat na rynku telekomunikacji satelitarnej przeżywamy postępującą w szalonym tempie rewolucję. Wynika to głównie ze zmiany paradygmatu spowodowanej rozwojem satelitów ze zdefiniowanymi za pomocą programu, a nawet w pełni cyfrowymi ładunkami użytkowymi. Te nowe satelity pozwalają nam świadczyć usługi i zaspokajać potrzeby, o których wcześniej nawet nie śniliśmy. W skrócie można powiedzieć, że stoimy w obliczu istnej ewolucji w zakresie ładunków użytecznych, tradycyjnie rozumianych jako sprzęt zaprojektowany ad hoc do celów realizacji konkretnej misji, w kierunku opartych na oprogramowaniu rozwiązań o ogólnym i podlegającym możliwości ponownej konfiguracji charakterze.

Ale jak dotarliśmy do tego punktu? Jeszcze kilka lat temu satelity komunikacyjne przewoziły ładunki użyteczne oparte na komponentach analogowych, takich jak odbiorniki, przetwornice częstotliwości lub wzmacniacze, które były ze sobą wzajemnie połączone przełącznikami i tworzyły złożone obwody oparte na pierścieniach redundancyjnych. W związku z tym niewielki podzbiór tych komponentów przeznaczony był do pracy z jednostkami zapasowymi, a zatem w przypadku awarii jednostek nominalnych konieczne było dokonanie ponownej konfiguracji obwodu, aby móc korzystać z tychże jednostek nadmiarowych. Znalezienie prawidłowej alternatywnej łączności - od anten typu upstream do downstream, gdy zawiodła zarówno pierwsza, jak i druga opcja zdefiniowana fabrycznie przez producenta - było zadaniem, które należało wykonać ręcznie, co czasami okazywało się niezwykle żmudne i pracochłonne. Ponadto, podczas pierwszej próby tego ręcznego wyszukiwania, część usług ulegała przerwaniu, co wiązało się z dalszymi konsekwencjami. Z tego względu, w 2007 roku, firma GMV rozważyła możliwość zautomatyzowania tego typu operacji, minimalizując tym sposobem przerwy w dostarczaniu usług. Pierwszym krokiem poczynionym w tym obszarze było zatem wdrożenie narzędzia wyposażonego w algorytmy opracowane w Prologu, zdolne do znalezienia wszystkich tych alternatywnych połączeń w ciągu zaledwie kilku sekund. Wprowadzenie rzeczonego narzędzia oznaczało istny przełom w zakresie działań prowadzonych przez naszych klientów.

Z biegiem czasu opracowano technologie, które umożliwiły ewolucję tradycyjnych ładunków użytecznych w kierunku wersji oferujących coraz większą możliwość ponownego zdefiniowania parametrów w celu dostosowania się do coraz mniej przewidywalnego zapotrzebowania. Pierwsze projekty nie były opłacalne, gdyż technologie nie osiągnęły jeszcze wówczas wystarczającej dojrzałości. Niemniej już w 2021 roku operator Eutelsat wystrzelił Quantum - pierwszego komercyjnego satelitę w pełni sterowanego przez oprogramowanie i zdolnego zapewnić użytkownikom końcowym kontrolę nad ich ładunkiem użytkowym, jako zwykłą usługę (payload-as-a-service). Satelita ten posiada wbudowaną antenę wyposażoną w liczne elementy promieniujące, zasilane przez złożoną sieć, którą można sterować za pomocą oprogramowania. Dlatego zasięg jego wiązek można modyfikować z wysokim stopniem elastyczności, co pozwala mu na obsługę określonych regionów, wraz z efektywną kontrolą zużywanej mocy. Dzięki bliskiej współpracy z Eutelsat, firmie GMV udało się wdrożyć narzędzie wykazujące zdolność do pełnego wykorzystania możliwości oferowanych przez ładunek użyteczny satelity Quantum.

W tym kontekście logiczna ewolucja w kierunku praktycznie nieograniczonej elastyczności przebiega przez cyfryzację ładunków użytecznych i operatorzy nie mają co do tego najmniejszych wątpliwości. Dlatego z kolei producenci satelitów włączają do swoich portfolio satelity cyfrowe. W tych nowych satelitach pewne tradycyjnie komponenty analogowe zastępowane są transparentnym procesorem cyfrowym. Dlatego konieczne jest, aby sygnały analogowe zostały poddane odpowiedniej cyfryzacji na pokładzie, stwarzając procesorowi niewyobrażalne możliwości łączności. Ponadto, gdy sygnały zostaną już poddane digitalizacji, można przeprowadzić dodatkowe procesy przetwarzania, zarówno w celu regeneracji samych sygnałów, jak i geolokalizacji lub łagodzenia występujących zakłóceń.

Główną propozycją wartości, jaką oferują cyfrowe ładunki użyteczne, jest to, że dają nam możliwość wykorzystania pełnego potencjału satelitów w wielu rozmaitych misjach o zupełnie różnych wymaganiach i na żądanie, co dotychczas było niespotykane w kontekście komunikacji satelitarnej. Co więcej, mając na uwadze najnowsze postępy w zakresie technologii komunikacyjnych, takich jak 5G czy 6G, użytkownicy coraz częściej domagają się korzystania z coraz większej ilości usług w czasie rzeczywistym, przy dynamicznie zmieniających się wymaganiach, i oczekują ich niezawodności w trybie 24 godzin na dobę. Dlatego logiczne jest myślenie, że optymalne zarządzanie wszystkimi tymi zasobami w sposób ręczny jest nieosiągalne. Z uwagi na powyższe, systemy odpowiedzialne za zarządzanie tymi ładunkami, a także zasobami, muszą współistnieć z technologiami, takimi jak sztuczna inteligencja czy uczenie maszynowe, aby móc ewoluować w kierunku nienadzorowanych lub automatycznych operacji.

Można zatem powiedzieć, że satelity cyfrowe to bez wątpienia nasza przyszłość. Z tego względu w firmie GMV stawiamy na rozwój tych właśnie systemów, współpracując z klientami, uczestnicząc w projektach badawczo-rozwojowych oraz przystępując z radością do wyścigu o przywództwo w zakresie oprogramowania, które będzie w stanie zmaksymalizować pojemność tychże satelitów. W tym kontekście narodził się projekt ATRIA (AI-Powered Ground Segment Control for Flexible Payloads) - europejski projekt realizowany w ramach programu Horyzont 2020 i kierowany przez spółkę GMV. Polega on na modernizacji obecnych systemów kontroli ładunku użytecznego, poprzez ich wyposażenie w moduły oparte na algorytmach Sztucznej Inteligencji, opracowane na podstawie danych operacyjnych lub pochodzących z systemów zewnętrznych. Celem systemu jest rozwiązywanie w optymalny sposób problemów, takich jak różnorodność i trasowanie bramek lub przewidywanie popytu i analiza istniejących pomiędzy nimi powiązań.

Wspomniane powyżej problemy skłaniają do refleksji nad tym, jak można optymalnie gospodarować zasobami, zarówno w segmencie kosmicznym, jak i terenowym. Rząd wielkości liczby usług, które może świadczyć satelita cyfrowy, znacznie przewyższa liczbę usług, jakie jest w stanie oferować satelita tradycyjny. Wiąże się to z potrzebą zmiany paradygmatu w alokacji zasobów, ewoluując w kierunku podejścia, według którego zasoby mogą być uwalniane, gdy nie są stale eksploatowane, tak aby różne usługi – i operatorzy – mieli do ​​nich dostęp, ale nie w tym samym czasie. W ten sposób dążyłoby się do bardziej efektywnego wykorzystania zasobów, zapewniając zdolność do wdrażania większej liczby usług.

Reasumując, w obliczu horyzontu, który nieubłaganie otwiera się wraz z pojawieniem się nowych satelitów cyfrowych, jasnym staje się fakt, iż narzędzia odpowiedzialne za zarządzanie zasobami i ładunkami użytecznymi muszą ewoluować w kierunku systemów typu end-to-end, wzbogaconych o sztuczną inteligencję i opartych na automatycznych operacjach.

Autor: Leticia Alonso