Александр ГОЛЫШКО, системный аналитик, ГК «Техносерв», к. т. н.
Виталий ШУБ, независимый эксперт, к. ф.-м. н.
К звездам! И звездочкам…
Успех – это умение двигаться от неудачи к неудаче, не теряя энтузиазма.
Уинстон Черчилль
Связь и вещание через космос часто не имеют альтернативы, когда на кону стоит соотношение цена/охват. Собственно, вся тематика гражданских спутников – это баланс бизнес-кейса и нефинансовых бенефитов, приобретаемых прогрессивным человечеством при движении вперед. В том числе и к звездам.
Как оно есть
Как и везде, на острие прогресса здесь – доступ в Интернет, обещающий достать даже самые труднодоступные места планеты. Но это лишь самый крупный тренд, а помимо него в гражданском сегменте имеются: голосовая связь, прямое телевещание, передача данных, дистанционное зондирование Земли, геопозиционирование, удаленная телеметрия для контроля и управления, а также космический сегмент сетей 5G и глобальная сеть IoT. Разумеется, не все из приведенного выше уже существует, но в планах, разумеется, присутствует.
По состоянию на первую половину 2018 г. на орбите Земли работало почти 1900 космических аппаратов (КА): США – 860 спутников, Китай – 250, Россия – 150, остальные страны – более 630.
Что касается космических аппаратов, то, как отмечают все специалисты (включая известных в Интернете «британских ученых»), идеальными из них были бы сверхлегкие, сверхдешевые, сверхнадежные и многофункциональные. Но, к сожалению, так не бывает.
Для сокращения временных задержек и увеличения емкости сети спутники превращаются в космические гиперсоты с организацией трафика либо через наземные станции сопряжения, либо по радио или с помощью лазерных (перспективных систем связи) линков (с или без иерархии на промежуточных и/или геостационарных орбитах).
Для покрытия всей земной поверхности малым количеством спутников используются высокоэллиптические орбиты (ВЭО), при этом минимальное требуемое количество бортов – три плюс один резервный.
Типовые ограничения применений гражданских спутников:
- пропускная способность космических линий связи;
- временные задержки сигнала;
- неспособность покрытия внутри зданий по линиям Земля – космос и космос – Земля;
- технология прямой видимости – радиотени и проблемы угла места.
Бизнес-кейс всех «космических» усилий по организации связи или вещания – дельта (маржа) между доходной и расходной частями проекта. При этом следует иметь в виду, что такой важнейший параметр, как фиксированная стоимость одного запуска (до появления многоразовых систем Falcon и New Shepard), составляет 70–150 млн долл., и принцип «один (несколько) спутников стоимостью несколько сот миллионов долларов – один пуск» традиционно ограничивает сферы применения спутниковых систем.
Создание систем многоразового запуска при возможном снижении стоимости пуска плюс использование более дешевых и легких миниспутников теоретически позволяет значительно улучшить бизнес-кейс проекта при условии нахождения высокодоходных и высокомаржинальных видов сервиса, являющихся уникальным конкурентным преимуществом (Unique See Point – USP) проекта.
В целом же перспективные применения новых спутниковых систем выглядят так:
- сверхвысокоточное геопозиционирование с погрешностью в единицы сантиметров (системы Galileo, BeiDou, GPS третьего поколения);
- телевещание в 8К и выше;
- мобильный и стационарный массовый широкополосный интернет-доступ на открытой местности, в том числе и комплементарный сетям 5G в оконечном, магистральном и опорном сегментах;
- системы управления в реальном времени беспилотными автомобилями и летательными аппаратами (дронами) непосредственно с низколетящих спутников с задержками в единицы миллисекунд;
- двусторонняя спутниковая связь (в/из зданий) при использовании низкочастотного диапазона (700 МГц и ниже);
- связь в высоких широтах;
- национальные и глобальные системы Интернета вещей (IoT).
Из самого свежего
Самые свежие космические события связаны с прибытием на МКС очередного экипажа и грузовика Dragon, с запуском ракетой Falcon-9 целых 60 миниатюрных космических аппаратов разных стран/операторов (с третичным использованием первой ступени многоразового комплекса, правда, на этот раз утопленной), начало спутникового прямого телевещания японцами в формате 8К. Быть может, к последнему событию приурочено начало производства и продаж в России первых телевизоров Samsung 8К. А еще наука приблизилась к разгадке, кто и когда сделал дыру в корабле «Союз».
На этом фоне то затихает, то продолжается обсуждение проектов глобального Интернета из космоса – OneWeb, Starlink и отечественного «ответа Чемберлену» под названием «Сфера». Проекты собираются целиком покрыть планету «стабильным» Интернетом, и сделавший это может получить всемирную интернет-аудиторию, «отвязанную» от мониторинга и регулирования какими-либо администрациями связи. Спутники будут передавать сигнал напрямую на станции и терминалы непосредственно пользователей, поэтому для работы потребуется минимум инфраструктуры и денег клиентов.
С одной стороны, в насыщенном информационными войнами современном мире это вызывает обоснованные опасения, с другой – «кто первый встал, того и тапки».
Суета вокруг Интернета
Все проекты спутникового Интернета громогласно стартовали под лозунгом «Интернет в каждый дом», но это вряд ли означает, что в каждом доме будет сразу по три Интернета от разных поставщиков.
OneWeb – это телекоммуникационная компания, основанная бывшим менеджером Google Грегом Уайлером в Великобритании. Изначально она планировала запустить сеть из 648 низкоорбитальных спутников, которые охватят всю территорию планеты и позволят предоставить услугу доступа в Интернет в местах, где его до сих пор не было, в частности в Африке. Позже количество спутников несколько раз корректировалось (называлось, к примеру, число 900). Проект привлек более 1,7 млрд долл. инвестиций от Airbus Group, Bharti Enterprises, Coca-Cola, Hughes Network Systems, Virgin Group, Qualcomm, а также SoftBank.
Как заявлял генеральный директор OneWeb Грег Вайлер, развертывание сети будет осуществляться в три этапа: на первом общая пропускная способность OneWeb составит 7 Тбит/с, на втором – 120 Тбит/с, на третьем – 1000 Тбит/с. Единственная проблема OneWeb сейчас – это способ запуска спутников и стоимость процедуры. Планируется использовать ракеты сразу трех видов: ракеты-носители «Союз», LauncherOne от компании Ричарда Брэнсона Virgin Orbit и New Glenn от Blue Origin. Пока были запущены только два тестовых спутника в феврале 2018 г., следующий запуск, запланированный на конец 2018 г., перенесен на I квартал 2019 г.
Starlink от компании SpaceX под руководством миллиардера Илона Маска планирует вывести на низкую околоземную орбиту около 12 тыс. спутников. Проект уже привлек инвестиции от Google в размере 1 млрд долл., столько же вложила инвестиционная компания Fidelity. Ранее SpaceX сообщала, что все спутники будут расположены на высоте примерно 1150 км, а вес каждого не будет превышать 400 кг.
Однако после подачи заявки в Федеральную комиссию по связи (FCC) США выяснилось, что SpaceX планирует разместить большую часть спутников на высоте всего 335 км. Для сравнения: орбиты геостационарных спутников располагаются на высоте около 40 тыс. км. На низкой орбите спутники смогут покрывать меньшую площадь – в семь с половиной раз меньше, чем с высоты 1150 км. SpaceX утверждает, что низкоорбитальные спутники будут поддерживать стабильное скоростное соединение в регионах с большой плотностью населения, а спутники повыше смогут распределять сигнал по остальным площадям. Таким образом, компания планирует передавать сигнал с минимальными задержками – 25–35 мс (сейчас типовое значение для спутниковой связи – 600 мс), а также поддерживать стабильную скорость соединения до 1 Гбит/с.
Спутники Starlink будут работать по принципу ячеистой сети и смогут разделять между собой участки поверхности, чтобы повысить пропускную способность даже с учетом разной высоты. Теоретически они даже смогут направлять антенны на участки с большим количеством одновременно задействованных устройств, оптимизируя сеть, как это предусмотрено в сетях сотовой связи 4G/5G. Полностью покрыть планету планируется до 2024 г.
Услышав бодрые заявления о подобном штурме высот космического Интернета и оценив риски, наши люди не остались в стороне и предложили свой переработанный вариант перспективной спутниковой системы «Эфир» под брендом «Сфера», который будет обеспечивать подвижную связь и оптическое наблюдение в масштабе реального времени в любой точке Земли.
Согласно озвученным по этому проекту данным общее количество спутников связи в группировке было увеличено в более чем два раза – до 640 низкоорбитальных малых КА для связи и дистанционного зондирования Земли. Эти спутники планируется запускать кластерами на «тяжелой» ракете «Ангара-5». Для ракеты-носителя уже построен стартовый комплекс на космодроме Плесецк, успешно прошел первый запуск. Все это должно было быть сделано до 2024 г., но сроки перенесли на 2028 г.
Специалисты отмечают, что себестоимость только самих спутников системы «Сфера» может легко уйти за 5 млрд долл., а вместе с разработкой, запусками и обслуживанием цена такой спутниковой группировки становится воистину «космической». Зато говорят, что с ее помощью можно, например, пересчитать все деревья в тайге, что, однако, можно считать не самым удачным рекламным приемом.
И с обратной стороны
А как обстоит дело с реальными проблемами у космического Интернета?
Отметим, что в последнее время их драйверы как-то попритихли. К примеру, помимо рекламных обещаний SpaceX ни разу не говорила о возможных проблемах. В 2016 г. один из энтузиастов подсчитал, что для поддержания работы сети компании придется запускать около 700 новых спутников в год, учитывая срок службы уже запущенных станций (пять-семь лет согласно документации). И это при том, что анализ проводился из расчета по запуску 4425 спутников, а не почти 12 тыс., как с недавних пор планирует SpaceX. Сие означает, что ракета-носитель Falcon 9 должна будет совершать по два полета в неделю просто для того, чтобы спутниковая система продолжала работать, а компания должна еще и производить в среднем по два спутника в день. Такая интенсивность теоретически понятна, но практически в десятки раз превосходит текущие реальные показатели и технические возможности.
Не так давно в The Wall Street Journal было написано, что к 2025 г. Илон Маск планирует иметь до 40 млн абонентов, которые будут генерировать до 30 млрд долл. выручки. Деньги, полученные от проекта Starlink, как заявлялось, будут направлены на развитие SpaceX и программу колонизации Марса. Не исключено также, что все это просто пиар с целью поправить дела на фондовом рынке.
Поскольку на этом месте кое-кто может бросить читать про космический Интернет, заметим, что чуть ранее покрыть всю Землю Интернетом с помощью стратостатов, поднятых на 25 км, планировали в Google (помнится, на рубеже тысячелетий этим собиралась заняться компания Sky Station, но так и не сумела разработать что-то хотя бы просто работающее). Однако спустя некоторое время компания отказалась от такой идеи и собралась запускать свои устройства только там, где это действительно нужно и наблюдается дефицит в обслуживании. В сентябре 2017 г. Google сделала это над Пуэрто-Рико после урагана, полностью уничтожившего инфраструктуру острова.
Встречаются публикации о том, что, мол, OneWeb собирается предоставлять бесплатный Интернет по всей планете, поскольку денег инвесторов хватит и на это. Однако, во-первых, в современном мире космических технологий 1,7 млрд долл. – не такие уж большие деньги, во-вторых, наиболее продвинутая аудитория потребителей знает, где может скрываться «бесплатный сыр». Например, в приставках для приема космического Интернета.
Трудно отрицать, что у подобных систем космического Интернета будут очевидные технические трудности с надежным покрытием и с обещанными скоростями передачи данных, о чем уже неоднократно говорилось в СМИ. Может быть, они пригодятся в качестве давно обещанного космического сегмента сетей 5G?
Хочется надеяться, что в первую очередь отечественные инженеры проработали эти вопросы и даже та же мобильная связь сможет заработать в контакте с космическим Интернетом благодаря уже известным разработкам с переносом емкости сотовой сети и рабочей частоты. Поживем – увидим.
Кстати, о мобильной связи. Похоже, что у всех упомянутых проектов есть один еще более серьезный вызов – востребованность. Вряд ли этот космический Интернет составит какую-либо серьезную конкуренцию наземным системам 4G/5G и FixBroadBand/Wi-Fi в густонаселенных районах. Но стоит ли «поливать миллиардами долларов» (да еще из трех источников сразу) остальную поверхность планеты, если, к примеру, у граждан там просто нет денег – положим, там идет война или просто живут люди, немного уставшие от инфокоммуникационного и всякого прочего «давления» XXI в.
К тому же те, кому такая связь действительно нужна – экстренным службам, военным, ученым и путешественникам, свои технические проблемы в этой части уже во многом решили. Или собираются их «окончательно» решить за счет систем «космического Интернета», как это сделал 20 лет назад Пентагон с весьма недешевой системой «Иридиум».
Что же касается бизнес-модели «Сферы», то в отличие от зарубежных конкурентов о ней вообще мало что известно. Неизвестны ни конфигурация системы, ни набор ее сервисов. Видимый на сегодня подход – объединить максимальное количество сервисов в одну систему, чтобы увеличить доходную базу, понятен. Также понятен и логичен ответ на полученный системный вызов «из космоса». Кроме того, известно, что это правительственный проект и его финансирование, скорее всего, будет из бюджета.
Но не елки же они будут считать из космоса? Впрочем, пусть даже и елки, но ведь цена решения, говорят, занимает от трети до половины Федеральной космической программы. Мы этого действительно хотим?
Перспективный космический сегмент
Что касается космической транспортной ИКТ-среды, то существует следующая классификация космических аппаратов (КА) по их весовым характеристикам:
- фемтоспутники – до 100 г;
- пикоспутники – до 1 кг;
- наноспутники – от 1 до 10 кг;
- микроспутники – от 10 до 100 кг;
- мини-спутники – от 100 до 500 кг;
- большие КА – более 1000 кг.
Причем большие КА, построенные в соответствии с концепцией «все в одном», создаются огромными корпорациями, имеют чрезвычайно высокую стоимость и требуют так много времени для разработки, что к моменту запуска многие технологические решения успевают устареть.
По контрасту, в шведской компании Angstrom Aerospace Corporation (АAC), проектирующей наноспутники, работает всего 24 человека.
Говорят, что сейчас идет создание «новой экономики» в космической индустрии за счет революционного и современного класса нано- и пикоспутников, которые радикально снижают стоимость космических полетов и увеличивают количество запусков.
Преимущества использования сверхмалых КА:
- мобильность, простота использования и универсальность;
- значительное снижение стоимости космических полетов;
- снижение риска больших финансовых потерь в случае аварии;
- значительное увеличение количества запусков;
- возможность быстрого запуска «по запросу»;
- возможность реализации концепции создания многоспутниковых орбитальных группировок с высокой живучестью, надежностью, обеспечивающих непрерывное глобальное покрытие Земли;
- простота управления.
Крупнейшими производителями малогабаритных КА являются компании США, Великобритании, Франции, Германии и Израиля.
Среда передачи
Использование радиодиапазона в космической связи имеет определенные ограничения как в физической, так и в регуляторной области, поэтому инженерная мысль постоянно работает в направлении того, как бы сделать в космосе что-нибудь сравнимое по пропускной способности с волоконно-оптической линией.
Конечно, первую скрипку здесь играют лазеры. Впервые лазерная связь в космосе была осуществлена 21 ноября 2002 г. Европейский спутник дистанционного зондирования Земли SPOT 4, находящийся на орбите высотой 832 км, установил контакт с экспериментальным космическим аппаратом Artemis, обращающимся на высоте 31 тыс. км, и передал снимки земной поверхности.
2 октября 2012 г. с российского сегмента МКС впервые по лазерному каналу была передана широкополосная информация на лазерный терминал наземного пункта станции оптических наблюдений «Архыз» на Северном Кавказе (филиал ОАО «НПК «СПП»). Была передана информация общим объемом 2,8 Гигабайт со скоростью 125 Мбит/с.
В настоящее время для МКС создается комплекс лазерной связи OSIRIS (Optical High Speed Infrared Link System), который будет смонтирован на платформе Bartolomeo. Создание этого внешнего модуля полезной нагрузки осуществляется в рамках коммерческого партнерства между Европейским космическим агентством (European Space Agency – ЕSA) и компанией Airbus. Ожидается, что платформа Bartolomeo будет состоять из ряда отсеков, предназначенных для научного оборудования, и различных технических средств. Платформа будет установлена на внешней стороне модуля Columbus. Система лазерной связи на базе Bartolomeo теоретически обеспечит прямой обмен данными на расстоянии около 1500 км со скоростью до 10 Гбит/с. Связь будет поддерживаться с несколькими наземными станциями.
Основная проблема подобной оптической связи с помощью лазеров – расхождение и ослабление луча лазера при прохождении воздушной оболочки Земли, которая к тому же содержит слои с разной плотностью. При прохождении границ раздела сред лазерный луч, испытывает преломление, рассеивание и ослабление. В атмосфере Земли таких границ несколько:
- на высоте около 2 км (активный погодный атмосферный слой);
- на высоте примерно 10 км;
- на высоте – 80–100 км, т. е. уже на границе космоса.
Для устранения турбулентности и уменьшения расходимости луча применяют так называемую адаптивную оптику.
Еще одно перспективное направление – коммерческие лазерные системы с квантовой криптографией, разработкой которых занимаются, в частности, в Китае.
Краткие выводы
Итак, в настоящее время наблюдается ренессанс, или «новый подход к снаряду», в сфере массированных орбитальных группировок, нацеленных в первую очередь на телекоммуникационные нужды для государственных, корпоративных и частных клиентов.
В плане радиочастотного регулирования линков с землей эти группировки очевидно должны быть тесно взаимоувязаны с существующими и планируемыми к развертыванию сетями сотовой связи – вплоть до 5G включительно.
Необходима разработка единых наземно-космических систем мобильной связи 5G, гармонизирующих использование всего пула частот для перспективных систем пятого поколения, включая линки «спутник – земля», «спутник – терминал IoT», «спутник – транспортное средство» (автомобиль, самолет, дрон), «спутник – внутридомовой абонент» (СРЕ, сотовый телефон).
Использование новых «тяжелых» и «сверхтяжелых» носителей, в том числе перспективных многоразовых типа Falcon и Falcon Heavy, позволяет существенно улучшить бизнес-кейс оператора такой орбитальной группировки за счет значительного или даже радикального снижения вклада стоимости запуска, приходящейся на один спутник.
Использование «легких» спутников вплоть до «нано» также позволяет (по уже известным прецедентам) снизить стоимость запуска одного спутника благодаря залповому запуску десятков или даже более спутников одним бортом.
Массированный запуск орбитальных группировок, состоящих из сотен легких спутников, помимо логистических проблем по их выводу на орбиту и поддержанию минимального стабильного состава/количества, создает еще одну большую проблему – беспрецедентное замусоривание околоземных орбит и необходимость их систематической расчистки.
Сложившаяся практика выработки НЗ топлива на борту спутников, предназначенного на увод их на орбиту уничтожения, в целях увеличения срока службы и повышения прибыльности должна быть прекращена тем или иным образом.
По инсайдерским данным, в настоящее время спутников стало так много, что в точках либрации (они же точки Лагранжа) на геостационарной орбите они находятся уже в недопустимой близости друг от друга. В дальнейшем это может привести к опасным и непредсказуемым последствиям.
