Hylas-1 fa fare un passo avanti alla tecnologia europea di telecomunicazione

Con una massa di lancio di poco oltre 2.5 tonnellate e basato su una piattaforma indiana, Hylas-1 è, per quanto concerne i satelliti di telecomunicazioni, di piccola taglia, ma le nuove tecnologie in esso contenute gli permettono di portare Internet a centinaia di migliaia di utenti attraverso l'Europa, passando per lo spazio.

Questo "Satellite Altamente Adattabile" (Highly Adaptable Satellite) è il risultato di un accordo di cooperazione pubblico-privata tra l'ESA e l'operatore commerciale britannico Avanti Communications. Con questo accordo, ESA ha contribuito coprendo i costi di sviluppo e produzione delle nuove tecnologie del sistema di comunicazione di bordo, mentre Avanti ha finanziato il resto del satellite e gli altri elementi del sistema, come il centro di controllo, il centro delle operazioni, i servizi di lancio e l'assicurazione. Il risultato netto di questo accordo è che Avanti può beneficiare di un satellite ad alte prestazioni mentre le tecnologie avanzate europee raggiungono l'orbita in maniera molto più rapida di quanto non sarebbe altrimenti.

La Ricerca e Sviluppo nelle telecomunicazioni satellitari é sempre stata una delle priorità per ESA, che agisce attraverso il suo programma ARTES di Ricerca Avanzata nei Sistemi di Telecomunicazione (Advanced Research in Telecommunications Systems). Il settore delle telecomunicazioni satellitari è senz'altro il più maturo commercialmente e produce circa il 60% del fatturato complessivo dell'industria spaziale. Non è un'esagerazione dire che il continuo successo dell'Europa in questo mercato sia la base economica che sostiene il resto delle avventure spaziali.

Le telecomunicazioni offrono inoltre benefici sociali evidenti in una società moderna che ha sempre più bisogno di connettività per tutti i cittadini. In questa ottica i satelliti forniscono uno strumento flessibile per estendere la ricezione e la trasmissione globale delle reti di comunicazione, dalla radiodiffusione alla telefonia ed ora anche alla banda larga Internet.

Mettere in orbita la flessibilità

In un convenzionale carico utile a bordo di un satellite di telecomunicazione la frequenza di ricezione del transponder, la larghezza della banda, e la frequenza di trasmissione vengono tutte stabilite durante la fase di sviluppo, tipicamente parecchi anni prima che i satelliti vadano in orbita.

Durante il periodo di vita di un satellite, tuttavia, i requisiti operativi del carico utile, in particolare per i satelliti di banda larga, possono cambiare in conseguenza dell'evoluzione dei mercati sotto di loro. Considerando che la durata di vita dei moderni satelliti commerciali eccede i 15 anni, l'abilità di fornire prestazioni sempre in linea con la domanda dei mercati risulta altamente vantaggiosa.

"Hylas-1 permette ai suoi operatori di aggiustare e ridistribuire la larghezza della banda, la frequenza e la potenza di uscita dei suoi apparecchi di comunicazione tra i sui otto fasci di copertura generati dalle antenne di bordo" ha detto Andrea Cotellessa, Project Manager di Hylas-1.

"Questa è una capacità relativamente nuova, resa possibile dall'architettura del trasmettitore di bordo denominata Generic Flexible Payload (GFP, Carico Flessibile Generico), sviluppato da Astrium UK attraverso una serie di contratti ESA".

Il satellite ha due antenne separate, una su ciascuna delle due parti della sua struttura – una in banda Ku che genera un fascio a copertura globale europea per la trasmissione televisiva e altri servizi satellitari standard, e l'altra per la banda Ka, che produce otto fasci separati su specifiche aree dell'Europa per servizi a banda larga.

"L'operatore può così affinare quanta larghezza di banda e potenza mettere in ciascun segnale" ha spiegato Cotellessa. "Per un operatore è molto importante avere questa flessibilità, perché si è cosi in grado di adattarsi ai cambi che avvengono nella domanda di traffico dati – dimostrando così che il satellite è a 'prova di futuro' per quanto riguarda un mercato in rapida evoluzione".

"Nonostante Hylas-1 sia un satellite relativamente piccolo può supportare grandi numeri di utenti sparsi in diverse aree geografiche".

Sviluppare il GFP

Il concetto di GFP deve la sua esistenza a molti anni di cooperazione tra ESA ed Astrium nella ricerca della tecnologia dei ripetitori satellitari. "La principale linea di ricerca e sviluppo del Direttorato di Telecomunicazione e Applicazioni Integrate dell'ESA, attraverso il programma ARTES, è quella di guardare alle varie prossime generazioni di sistemi di telecomunicazione satellitare ed il nostro coinvolgimento con il concetto di GFP ha fatto parte proprio di questo".

Questo lavoro ha preso vita nel 2003, con il supporto di ESA ad un progetto di ricerca di Astrium per sviluppare una tecnologia modulare ibrida a microonde (MMH, Modular Microwave Hybrid Technology).

Normalmente, nei satelliti di telecomunicazione i ripetitori – ovvero i sistemi di bordo che in uscita ricevono e trasmettono i segnali da e verso terra – sono progettati e costruiti su base individuale, ottimizzati per ciascuna missione, e ció aggiunge tempi e costi considerevoli per la loro costruzione.

Al contrario, l'approccio MMHT cerca di applicare il principio della produzione di un ripetitore standard, creando una serie di blocchi di base con funzioni specifiche all'interno del ripetitore, come per esempio convertitori di frequenza, filtri o amplificatori. Realizzati con la tecnologia degli 'ibridi', che incorporano in cavità sigillate elettricamente i componenti attivi e passivi ad alta frequenza su schede multistrato ceramiche, questi blocchi possono poi essere combinati secondo i requisiti specifici di una particolare missione.

Un secondo stadio del progetto, che è iniziato l'anno successivo, ha prodotto moduli MMHT con delle integrazioni e delle funzionalità maggiori, noti come Hi-MMHT (High Integration), che contengono circa 2000 connessioni separate tra gli strati.

Le tecnologie e le capacità sviluppate con questi contratti sono state ora applicate allo sviluppo delle unità all'interno del ripetitore di Hylas-1 formato creando il primo esemplare di ripetitore basato sull'architettura Generic Flexible Payload o GFP.

Definire lo standard

A seconda dello scopo della loro missione, i satelliti di telecomunicazione operano in differenti porzioni dello spettro di radiofrequenza, come la banda C per la telefonia e distribuzione di Tv via cavo, la banda Ku per le trasmissioni televisive e le reti private VSAT, oppure la banda Ka per l'accesso alle reti a banda larga.

I ripetitori satellitari che sfruttano l'architettura GFP traducono la frequenza dei segnali ricevuti dal satellite ad una 'frequenza intermedia' (IF, intermediate frequency) standard sulla banda C, alla quale vengono eseguite le operazioni di interconnessione e filtraggio del segnale. Tale conversione di frequenza è eseguita da un dispositivo elettronico chiamato Agile Integrated Down-converter Assembly (AIDA), che è stata la prima unità ad essere sviluppata utilizzando la tecnologia Hi-MMHT.

Su Hylas-1, questo segnale è poi passato ad una matrice a stato solido chiamata Routing and Switching Equipment (RASE, unità per lo scambio e l'indirizzamento). in grado di collegare tra di loro i segnali in ricezione e trasmissione del satellite per indirizzare il trafffico dati dove necessario.

Il segnale passa poi attraverso un'unità in radiofrequenza che è il cuore dell'architettura GFP, il Single Channel Agile Converter Equipment o SCACE (convertitore agile a singolo canale).

Le unità di tipo SCACE permettono di impostare la larghezza di banda del canale – ad esempio, per rispondere ai diversi livelli di domanda all'interno di una particolare regione geografica, - e di selezionare la frequenza di trasmissione desiderata.

Qualificato per lo spazio

Un'ultima innovazione è anche la più visibile: l'antenna doppia, la più larga di Hylas-1, che è stata attentamente ottimizzata per le operazioni in banda Ka e che genera gli otto fasci di copertura selettiva dell'Europa e delle isole britanniche, responsabilità di EADS Casa Espacio in Spagna.

Questa antenna utilizza un processo di produzione che permette di includere uno strato metallizzato nella parte riflettente dell’antenna al fine di ottimizzare le prestazioni di ricezione e trasmissione del segnale. Una elevata accuratezza del profilo superficiale ad una grande stabilità dimensionale sotto i carichi termici previsti in orbita, per garantire la stabiltà della copertura generata dai fasci di antenna, sono altre caratteristiche che contraddistinguono questo elemento del satellite, richiedendo un importante sforzo progettuale e realizzativo.

"I vari componenti del sistema di comunicazione di bordo di Hylas-1 sono nati attraverso progetti co-finanziati dalle società in questione" ha detto Cotellessa. "L’ESA ne ha seguito tutte le fasi dello sviluppo fino al completamento del processo di qualifica per il volo spaziale".

"Ciò ha richiesto il superamento di un rigoroso programma di qualifica basato su una lunga serie di test molto esigenti, per garantire che la componentistica potesse operare durante tutta la missione in massima sicurezza".

"Solo alla fine di un tale processo abbiamo la certezza che la tecnologia è pronta per operare in orbita".

Gia prima che venga lanciato il 26 novembre su un razzo della famiglia Ariane 5, Hylas-1 ha dimostrato la sua importanza. Astrium sta gia offrendo la tecnologia GFP ai clienti commerciali di telecomunicazioni, mentre gli IOA-MPM voleranno con il progetto dell'ESA Small GEO, con l'obbiettivo di rendere una nuova piccola piattaforma europea disponibile per il mercato delle telecomunicazioni satellitari.

Infine, un altro satellite commerciale standard prodotto dall'industria spaziale europea, Ka-Sat di Eutelsat, presto seguirà le orme di Hylas-1 nella sua avanzata sull'emergente mercato dei sistemi satellitari per internet a larga banda.