Хабрахабр

Битва гиперсозвездий

Последние года 3 на давно сложившемся рынке спутниковой связи можно наблюдать приличный хайп вокруг проектов низкоорбитальных (НОО) спутниковых гиперсозвездий — телекоммуникационных систем, состоящих из многих тысяч спутников, дорогих и амбициозных проектов. Мне кажется интересно углубится в технические и экономические подробности этих проектов и поговорить об их перспективах.

image

При этом один единственный спутник виден сразу с ~35% площади Земли, а трех хватает чтобы охватить всю поверхность кроме приполярных районов.
Геостационарные спутники связи сегодня — это весьма тяжелые машины, весом до 4 тонн (на рабочей орбите) обеспечивающие каналы связи шириной до нескольких сотен гигабит. Спутниковая связь сегодня и последние лет 30 — это прежде всего геостационарные спутники-ретрансляторы, расположенные, соответственно, на геостационарной орбите, где спутник примерно неподвижен относительно наземного наблюдателя и является эквивалентом обычного радиоретранслятора, расположенного на вышке высотой 35000 километров. Такой облик этих спутников сложился, с одной стороны, из гигантской площади засвета радиосигналом со спутника (много ли радиовышек может похвастаться доступом к 5 миллиардами потенциальных клиентов?), и с другой стороны — весом оборудования, которое способно выжать максимум пропускной способности из доступного радиоспектра.

image

Обратите внимание на «мятые» поверхности отражателей антенн — это сделано специально, что бы сформировать контурную диаграмму направленности на Земле (отсюда и требуется юстировка) и не залезть своим излучением в контуры работы других спутников ГСО. Юстировка диаграмм направленности антенн геостационарного спутника Eutelsat 8 West B. Координация пространственно-спектральных характеристик — сегодня весьма непростая задача в спутниковых проектах, и низкоорбитальные системы не исключение.

Спутниковая связь работает на частотах от 1,5 до 60 гигагерц, однако в этой широченной радиореке спутникам доступно не так и много. Обратите внимание на слова “доступный радиоспектр”. Во-вторых выше 20 ГГц на работе радиоканала начинают сказываться дождь, град, облачность. Во-первых в диапазоне от 1,5 до 10 ГГц много наземных потребителей радиоспектра — характерный пример — это wi-fi вокруг центральных 2,4 и 5,5 ГГц. В итоге активно используемые дипазоны спутниковой связи (обозначаемые буквами S, C, Ku, Ka) — это всего 6 ГГц полосы, за которую идет смертельная битва множества операторов. В-третьих доступную полосу приходится делить как минимум на два, чтобы организовать канал “Земля-Спутник”.

Ведь еще 15 лет назад основным контентом, который доставляли абонентам спутники связи было телевидение, и один и тот же радиосигнал мог доставить ТВ-контент сразу десяткам миллионов абонентов. Изначально, впрочем, 6 ГГц было вполне достаточно. Однако с приходом 2000х рынок все больше и больше стал крениться в сторону цифровой двухсторонней связи, где потребность в пропускной способности линейно растет с количеством абонентов.

image

Фактически сборка современных спутников сводится к ручной установке компонентов систем спутника на силовые панели и ручной трассировке десятков кабелей и трубопроводов, которые их соединяют, а так же к большому объему функциональных испытаний получившегося комплекса. Сборка навигационного спутника Galileo. В этом плане спутники больше похожи на прецизионное промышленное оборудование, чем на, скажем, самолеты.

Но этот сдвиг потребностей сдвинул и оптимальность ГСО-машин в сторону других решений. ГСО спутники на изменение рынка ответили пространственным переиспользованием частот — спутник излучает множество относительно узких лучиков, в которых попадаются одинаковые частоты (по принципу сотовых сетей).

Идея состоит в замене одного тяжеленного квазинеподвижного спутника роем летающих на низкой орбите. От высоколетающих ГСО-спутников перейдем к низкоорбитальным. Идея довольно очевидная, но до 90х годов не находящая применения, в силу баланса про и контра.

В чем плюсы низкоорбитальных спутников перед ГСО-спутниками?

  • Низкая орбита гораздо ниже… да. На деле это дает очень значительное снижение потерь энергии в радиоканале (до 4 порядков), что позволяет использовать маленькие антенны и маломощные передатчики, как на земле, так и на спутнике
  • Низкая орбита также означает низкую задержку сигнала — пауза в ответах собеседника при телефонии через ГСО довольно заметна (пинг 250 мс в одну сторону)
  • Структура “много спутников” позволяет переиспользовать частотный ресурс на каждом (слегка упрощая ситуацию), и получить теоретически значительно бОльшую общую пропускную способность на том же спектре и обслуживать гораздо больше абонентов.

Но одними плюсами дело не ограничивается, понятно:

  • Низкоорбитальная система подразумевает поддержание в работе большой спутниковой группировки, множества наземных станций сопряжения с сетями связи — в общем капитальные расходы на развертывания значительно больше.
  • Спутники перемещаются над головами абонентов, а значит нужно использовать либо ненаправленные антенны, либо весьма продвинутые следящие системы, что практически полностью нивелирует преимущество по хорошей энергетике
  • Для предоставления в реальности, а не на бумаге большой системной пропускной способности с многократным переиспользованием спектра нужны крайне навороченные спутники с развитыми антенными системами, высокоскоростными цифровыми коммутаторами, скоростной межспутниковой связью со слежением — ничего этого в готовом виде в начале 1990х не существовало.

Не смотря на неочевидный баланс плюсов и минусов, реализовывать новую идею спутниковой связи в 1990х бросилось несколько операторов. Самый известный проект тех времен назывался Teledesic и подразумевал 840 аппаратов на орбите высотой 700 км с задачей доставки интернета наземным абонентам. Teledesic собрал порядка миллиарда долларов, однако не преуспел. С момента задумки проекта в 1990 году до запуска первого опытного спутника в 1998 наземные операторы успели отвоевать значительную часть рынка, на который нацелился Teledesic, финансовые модели показывали неокупаемость затрат в 9 миллиардов долларов (~20 млрд в сегодняших долларах) поэтому проект был обанкрочен не дойдя до развертывания.

image

Видно, что при равномерном расположении группировки на приполярных орбитах с ростом широты возникает многократное перекрытие рабочих зон спутников. Моделирование спутниковой группировки Teledesic (в сокращенной до 288 аппаратов версии). Это не такая простая проблема, как кажется, и требует либо отключать часть спутников от работы на широтах выше 45, либо иметь множество сложного оборудования на борту спутника для переконфигурации рабочих зон при приближении спутников к полюсам.

У Teledesic быстро появились два соперника — проекты Iridium и Globalstar, которые ориентировались на более привычный тогда рынок спутниковой телефонной связи, в общем-то почти недоступной ГСО-операторам (телефонная связь прямо с геостационара требовала либо большой антенны на земле, либо невероятно большой антенне на спутнике)

Каждый спутник весил 680 кг, но обладал довольно скромными по сегодняшним меркам возможностями по одновременной работе всего с ~1500 абонентами. Проект Иридиум имел глобальное покрытие за счет группировки из 72 спутников (6х11 плоскостей + резерв по 1 спутнику на плоскость) на 700-км орбитах. Орбиты спутников имели среднюю для НОО-группировок высоту в 780 км.

image

Три 48-лучевые абонентские антенны по бокам спутника подарили нам феномен "вспышек Иридиум". Спутник Iridium первого поколения. На основании спутника видны 5 поворотных антенн Ka-диапазона, обеспечивающих межспутниковую связь и связь с наземными телепортами.

Это оборудование, в целом, и определяло вес спутников. Спутники Иридиум имели развитое оборудование межспутниковой связи, позволявшее маршрутизировать звонки на наземные станции связи или абонент- спутниковая сеть-абонент.

Практически сразу после развертывания группировки компания обанкротилась, и знали бы о ней сейчас только специалисты, если бы не Пентагон, решивший, что система очень полезна для военных целей: обанкротившаяся Иридиум была выкуплена подрядчиками Пентагона, которые стали эксплуатировать систему на деньги от военных, списав часть капитальных затрат.

Спутников было всего 48, весом по 550 кг, с высотой орбиты 1400 км, распределенных по 6 штук в 8 плоскостях. Конкурентом Иридиума был Globalstar — развернутая на год позже система, изначально создававшаяся по более экономичным канонам. Впрочем, Globastar умел работать только как ретранслятор от абонента до наземной станции сопряжения, так что на северном полюсе толку от него было бы не много. Такое количество аппаратов на таких орбитах не позволяло покрыть всю поверхность Земли, и связь работала только до ~70 широты.

image

Решение выкинуть из обслуживания полярные области с одной стороны сэкономило много денег, с другой — лишило globalstar клиентов, занимающихся работой, исследованиями и путешествиями возле полюсов — надо заметить, довольно значительной части всех клиентов спутниковой телефонии. Созвездие «Globalstar».

image

Странные черные и оранжевые штуки — это приемные и передающие антенны каналов «Абонент-Спутник» и «Телепорт-Спутник». Спутники Globastar устанавливаются на диспенсер для вывода на орбиту.

Такая менее затратная модель позволила Globalstar продержаться дольше, хотя в итоге через банкротство прошел и он.

“Гонец” вырос из военно-шпионских спутниковых систем и подразумевал возможность передачи небольших пакетов данных или голосовых сообщений оффлайн (т.е. Наконец, в 1990х было создано еще 2 низкоорбитальные (НОО) группировки, наверное малоизвестных — отечественная “Гонец” и американская Orbcomm. По сути это дальнейшее упрощение от Globastar, и честно говоря, я за свою жизнь ни разу не слышал об использовании этой системы в коммерческих целях. спутники использовались как летающие почтовые ящики).

Аналогично всем остальным компаниям, Orbcomm прошла через банкротство, однако в силу изначально минимальных вложений в систему (нет наземных телепортов, самые легкие спутники, низкие требования к непрерывности покрытия etc) компания выправилась и здравствует и поныне вместе с 3 другими перечисленными выше проектами. Компания Orbcomm по сути реализовала тот же подход “спутников — оффлайн почтовых ящиков”, и в 1998 развернула 36 спутников для оказания M2M услуг (сбор данных с удаленного оборудования).

image

Проект Orbcomm одним из первых воспользовался уменьшением размеров электроники и спутников в целом, используя для работы аппараты весом всего в 40 кг.

Следующие 10 лет инвесторы бежали от новых предложений по этой тематике, как черти от ладана. Таким образом, печальный опыт 1990х привел к выводу, что НОО группировки связи возможны, но экономически несостоятельны. Однако все плохое быстро забывается, и вот, к началу 2010х мир увидел новый всплеск «низкоорбиталов», ищущих инвестиции.

Во-первых интернет из забавной некоммерческой штуковины в 1990х превратился в один из мощнейших каналов потребления, и весьма востребован везде, но при этом все еще остаются локации, куда не дотянули свою оптику наземные операторы. Этот рассвет подкрепляется некоторыми логичными утверждениями. Во-вторых, развитие как спутникового, так и телекоммуникационного оборудования с 1990х зашло довольно далеко, и задачи создания динамического многолучевого рабочего поля “спутник-земля”, роутинга данных, межспутниковой скоростной лазерной связи сегодня возможно решить в КА весом 150-200 кг, вместо 1000 кг 20 лет назад.

В 1990х было безумием предлагать абонентам оборудование с АФАР (активные фазированные антенные решетки), что позволило бы отслеживать главным лучом приемной антенны спутники в небе. Наконец, и наземное абонентское оборудование тоже весьма продвинулось в своих возможностях. Антенны с двухстепенным механическим приводом тоже не дешевы и не подходили для массовых решений, а меж тем радиофизика широкополосных каналов требовала антенн с хорошим усилением (т.е. Не существовало технологий, позволяющих выпускать такие антенны за хоть сколько-то приемлемые деньги. направленных).

Сегодня же решения по спутниковой связи, использующие АФАР с динамическим лучом постепенно проникают на рынок спутниковой связи — пока в основном в обеспечении интернетом кораблей и самолетов, и уже в довольно недалекой в перспективе такие антенны могут стать массовыми.

image

За счет GPS и MEMS-гироскопов антенна знает свое положение в пространстве и формирует луч максимального усиления, направленный точно на спутник компенсируя перемещение и крены техники. АФАР антенны для системы O3b (о ней ниже), устанавливаемые на самолеты и корабли.

Этот проект не похож на остальные, но не упомянуть его было бы неправильно. Первой ласточкой нового витка развития телекоммуникационных спутниковых группировок стал проект O3b, стартовавший в 2007 году. Группировка из 8 спутников в начале и 16 в полной конфигурации вращается по одной и той же орбите высотой 8100 км над поверхностью, т.е. Стартовавший в тот момент, когда боль от финансовых потерь на Iridium и Globalstar еще не забылась, проект ориентировался не на конечных пользователей, а на доставку интернета на а) круизные лайнеры б) небольшие острова в) самолеты — и все это в относительно приэкваториальной зоне, до 45 широты. Каждый спутник имеет 12 антенн с двухстепенным управлянием, и может создавать 10 клиентских лучей диаметром примерно по 700 км и пропускной способностью 1,6 Гбит на луч. примерно ¼ высоты от геостационарной орбиты. Оставшиеся 2 антенны смотрят на точки сопряжения с глобальной сетью (связисты называют такие точки телепортами).

image
Спутник O3b массой 700 кг.

Видны 12 комплектов радиооптики с двухстепенными приводами для организации клиентских лучей. image
Спутники O3b на диспенсере.

Проект успешно собрал деньги на запуск, и в марте 2019 года завершил развертывание полной группировки из 16 спутников, потратив на реализацию скромные ~1,5 млрд долларов.

image

Отличное нишевое решение, видимо. Принцип построения группировки O3b.

Итак, встречайте — система из 1600 спутников “OneWeb”. Интересно, что идеологом и создателем O3b был человек по имени Greg Wyler, впоследствии начавший совершенно новый спутниковый проект, который и положил начало буму гипергруппировок.

Число необходимых спутников WordVu поражает — оно сравнимо со всеми остальными активными спутниками на орбите Земли. Основанная им в 2012 году (под именем WorldVu) компания предусматривала вывод более 2000 спутников (число меняется со временем) на низкую околоземную орбиту.

При попытке быстро собрать и запустить 2000 спутников возникнет невероятное количество сложностей. И дело не только в числе как таковом. Космос жесток. На сегодняшний день спутники собирают как швейцарские часы — это ювелирный ручной труд с невероятным объемом контроля и “фишек”, что бы только не дай бог не оставить органику на теплоизоляции или повредить электронику статическим разрядом. И вот, предлагается конвееризировать не только сборку спутников, но и множества необходимых компонентов космического качества (электроники, разъемов, химических и электрореактивных двигателей etc).

image

Спутник OneWeb, контракт на производство которых получил Airbus реализует возможности Teledesic при вшестеро меньшем весе и втрое меньшей цене.

Предположим, что вы решили создать систему, раздающую интернет всего из сотни аппаратов, а не 2000. Однако, у такого амбициозного плана есть логика. И если над океанами с редкими яхтами-клиентами это как раз здорово, то над густонаселенными странами — наоборот. Тогда вы столкнетесь с тем, что на ограниченную пропускную способность каждого будет неизбежно приходиться несколько миллионов квадратных километров. Много ли клиентов способна обслужить такая группировка? На Китай, Европу, всю Юго-Восточную Азию в вашей 100-спутниковой системе будет приходится по 2 спутника, а на Южную Америку — аж 3. Достаточно ли этого для окупаемости? Нет. Нужно наращивать количество спутников. Тоже нет. Если вывести 2000-4000 спутников, и создать схему лучей абонент-спутник, сопоставимую с ранними GSM сетями по количеству ячеек, бизнес-модели срастаются, и даже, скажем, пригороды в Американских агломерациях вполне становятся подходящими местами для поиска клиентуры.

А на развертывание нужно потратить много миллиардов долларов, и чем больше спутников предполагается в полной сети, тем больше миллиардов надо. Проблема, впрочем, в том, что финансовые модели — это прекрасно, но реальную рентабельность и востребованность этих космических проектов можно понять, только развернув сеть.

Рекламное видео OneWeb, где в том числе мелькают кадры сборки первой партии спутников. Пока нельзя сказать, что технология конвеерной сборки где-то видна, хотя часть операций механизирована.

И пока этот путь выглядит сложным — не так давно проект принял решение о сокращении общего количества разворачиваемых спутников до 1600, а начального этапа с 900 до 600 спутников. Сейчас OneWeb (купленный крупнейшим ГСО оператором Intelsat) пытается пройти по узкой тропинке между пропастями недостаточной пропускной способности сети и слишком большими начальными вложениями, на которые невозможно найти инвесторов. Тревожные признаки. При этом проект будет больше ориентироваться на клиентов в виде самолетов и кораблей (где уже работает масса других спутниковых операторов), а не на массу обычных людей.

Первые 6 спутников OneWeb запущены в феврале 2018 ракетой Союз-2.1Б с космодрома Куру. Похоже, что полное развертывание системы мы увидим не раньше 2021 года.

Тем не менее, проект OneWeb пока развивается, собирает деньги (всего инвесторы вложили уже порядка 3 млрд долларов, достаточных на первые 600 развернутых спутников), и у него есть конкуренты: проекты гипергрупировок SpaceX Starlink и Amazon Kuiper и проекты группировок поскромнее Telesat Leo и LeoSat (LEO = low earth orbit, отсюда такая приверженность к этому слову в названиях).

Планируется использовать высоты в 550 км (40 орбитальных плоскостей по 66 аппаратов), 330 км (здесь будет основная масса спутников в 7500 штук) и 1150 км (еще порядка 3000 аппаратов). SpaceX Starlink на данный момент предусматривает развертывание 1584 спутников на начальном этапе и до 12000 (!!!) в полной конфигурации. слабо освоенный комплектующими V диапазон — 50+ ГГц), но на первом этапе — традиционного Ku (10-20 ГГц) с пропускной способность в несколько гигабит на спутник. В плане радиосвязи тоже предусматривает использование сразу множества диапазонов (в т.ч. Предусматривается межспутниковая лазерная связь на скоростях в несколько сот гигабит.

image

Впрочем на сегодня далеко не все подробности еще известны. Спутники Starlink оказываются еще более прогрессивными, чем OneWeb, с новаторскими криптоновыми электрореактивными двигателями, индустриальной электроникой и опорой на орбитальный резерв вместо надежности и т.п.

Перспективы проекта все еще туманны (в т.ч. Короче, проект Starlink невероятно амбициозен и для окупаемости вынужден будет побороться за клиента с наземными кабельными операторами. плане сбора необходимых средств на развертывание минимальной операционной группировки), но произошедшее на прошлой неделе развертывание сразу 60 спутников одним пуском (против 6 у OneWeb, напомню) заставляет сердце биться чаще.

Симуляция орбитальной группировки Starlink после выведения первых 264 спутников.

И симуляция связи через Starlink в полностью развернутой группировке из 1584 спутников.

Пока про проект мало что известно, кроме традиционных слов про “не подключенные к интернету 3 миллиарда человек” (как будто проблема в технических сложностях, а не отсутствии у этих 3 млрд денег на интернет). Другой не менее амбициозный игрок — Amazon, подавший заявку на развертывание 3236 спутников в рамках проекта Kuiper. Отсюда можно ожидать, что проект Kuiper имеет больше шансов на реализацию. Но как минимум видна возможная синергия для одного из крупнейших интернет-магазинов мира в пропускании трафика от спутниковой группировки через себя.

Кроме сверхсложных проектов OneWeb, Starlink, Kuiper было еще несколько телодвижений от Boeing и Samsung, но вроде эти компании не решились лезть в столь рискованные инвестиции.

Оба этих проекта направлены на конкуренцию с наземными оптоволоконными магистралями. Наконец, коротко о чуть менее амбициозных и чуть более нишевых Telesat Leo и LeoSat. Оба проекта предполагают выведение ~110 спутников, при этом Telesat Leo элегантно решает проблему лишней пропускной способности спутников на высокой широте при равномерном заполнении наклонных орбит — путем создания двух типов группировки: на орбитах ~45 градусов и полярной орбите. Их задача — взять довольно широкополосный трафик от бизнес-клиента и пронести его по спутниковой группировки до телепорта где-нибудь в другой части земного шара. Оба эти проекта пока занимаются сбором денег, при этом предприятие Telesat (крупный спутниковый оператор ГСО-спутников) выглядит более перспективным.

Симуляция связи через систему Telesat LEO

Операторы пусковых услуг так же с удовольствием ждут невероятного роста заказов (в т.ч. Подводя итог, хочу отметить, что новому буму пока рады в основном производители спутников и спутниковых комплектующих, получающих невероятные заказы. Сможет ли новая реальность с переносом сетей связи в космос закрепиться? Роскосмос, которому OneWeb в разных формах заказал пуск на 21 “Союз-2”). Однако, если это случится, то человечество явно получит заметный буст в освоении космоса и снижение затрат на производство космической техники и вывод полезных нагрузок. Кто знает.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть