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.
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. 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. Такой облик этих спутников сложился с одной стороны из весьма большого потенциального охвата радиосигналом со спутника (много ли радиовышек может похвастаться 5 миллиардами потенциальных клиентов?), с другой стороны весом оборудования, которое способно выжать максимум пропускной способности из доступного радиоспектра.
Юстировка диаграмм направленности антенн геостационарного спутника Eutelsat 8 West B. 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. Координация пространственно-спектральных характеристик - сегодня весьма непростая задача в спутниковых проектах, и низкоорбитальные системы не исключение.
Обратите внимание на слова “доступный радиоспектр”. Спутниковая связь работает в диапазоне от 1,5 до 60 гигагерц, однако в этой широченной реке спутникам доступно не так и много. Во-первых в диапазоне от 1,5 до 10 ГГц много наземных потребителей радиоспектра - например wi-fi вокруг 2,4 и 5,5 ГГц. Во-вторых выше 20 ГГц на радиоканале начинают сказываться дождь, град, облачность. В-третих доступную полосу приходится делить как минимум на два, чтобы организовать канал “Земля-Спутник”. В итоге активно используемые дипазоны спутниковой связи (S, C, Ku, Ka) - это всего 6 ГГц полосы, за которую идет смертельная битва множества операторов.
Изначально, впрочем, 6 ГГц было вполне достаточно. Ведь еще 15 лет назад основным контентом, который доставляли абонентам спутники связи было телевидение, и один и тот же спутник в одном канале мог доставить радиосигнал сразу десяткам миллионов абонентов. Однако с приходом 2000х рынок все больше и больше стал крениться в сторону цифровой двухсторонней связи, где для 10 млн абонентов нужно в 10 млн раз больше пропускной способности, чем для одного.
Сборка навигационного спутника Galileo. Фактически сборка современных спутников сводится к ручной установки компонентов систем спутника на силовые панели и ручной трассировке десятков кабелей и трубопроводов, которые их соединяют, а так же большого объема функциональных испытаний получившегося комплекса. В этом плане спутники больше похожи на прецизионное промышленное оборудование, чем на, скажем, самолеты.
Компромисс между потребностями рынка и возможностями физики достигается за счет пространственного разделения источников и использования направленных антенн, как “сверху”, так и “снизу”.
Однако, давайте от высоколетающих ГСО-спутников перейдем к низкоорбитальным. Идея состоит в замене одного тяжеленного квазинеподвижного спутника роем летающих на низкой орбите. 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.
Тем не менее, 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.
Моделирование спутниковой группировки Teledesic (сокращенной до 288 аппаратов версии). Видно, что при равномерном расположении на приполярных орбитах с ростом широты возникает многократное перекрытие рабочих зон спутников. 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.
Другие два проекта спутниковых группировок - Iridium и Globalstar ориентировались на более привычный тогда рынок спутниковой телефонной связи, в общем-то почти недоступной ГСО-операторам (телефонная связь требовала либо большой антенны на земле, либо невероятно большой антенне на спутнике)
Проект Иридиум имел глобальное покрытие за счет группировки из 72 спутников (6х11 плоскостей + резерв по 1 спутнику на плоскость) на 700-км орбитах. Каждый спутник весил 680 кг, но обладал довольно скромными по сегодняшним меркам возможностями по одновременной работе всего с ~1500 абонентами. Орбиты спутников имел среднюю для НОО-группировок высоту в 780 км.
Спутник Iridium первого поколения. Три 48-лучевые абонентские антенны по бокам спутника подарили нам феномен "вспышек Иридиум". На основании спутника видны 5 поворотных антенн Ka-диапазона, обеспечивающих межспутниковую связь и связь с наземными телепортами.
Спутники имели развитое оборудование межспутниковой связи, позволявшее маршрутизировать звонки на наземные станции связи или абонент- спутниковая сеть-абонент. Это оборудование, в целом, и определяло вес спутников.
Практически сразу после старта 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.
Конкурентом Иридиума был Globalstar - чуть более поздняя система, изначально создававшаяся по более экономичным канонам. Спутников было всего 48, весом по 550 кг, с высотой орбиты 1400 км, распределенных по 6 штук в 8 плоскостях. Такое количество не позволяло покрыть всю поверхность Земли, и связь работала только до ~70 широты. Впрочем, Globastar умел работать только как ретранслятор от абонента до наземной станции сопряжения, так что на северном полюсе толку от него было не много.
Созвездие "Globalstar". 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.
Спутники Globastar устанавливаются на диспенсер для выводы на орбиту. Странные черные и оранжевые штуки - это приемные и передающие антенны каналов "Абонент-Спутник" и "Телепорт-Спутник".
Такая менее затратная модель позволила Globalstar продержаться дольше, хотя в итоге через банкротство прошел и он.
Наконец, в 1990х было создано еще 2 НОО группировки, наверное малоизвестных - отечественная “Гонец” и американская Orbcomm. “Гонец” вырос из военно-шпионских спутниковых систем и подразумевал возможность передачи небольших пакетов данных или голосовых сообщений оффлайн (т.е. спутники использовались как почтовые ящики). 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.
Orbcomm по сути реализует тот же подход “спутников - оффлайн почтовых ящиков”, и в 1998 закончила выведение группировки из 36 спутников для оказания M2M услуг (сбор данных с удаленного оборудования). 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, как и два оператора спутниковой телефонной связи.
Проект Orbcomm одним из первых воспользовался уменьшением размеров электроники и спутников в целом, используя для работы аппараты весом всего в 40 кг.
Таким образом, печальный опыт 1990х привел к выводу, что НОО группировки связи возможны, но экономически несостоятельны. Следующие 10 лет инвесторы бежали от новых предложений по этой тематике, как черти от ладана. Однако все плохое быстро забывается, и вот, к началу 2010х мир увидел новый рассвет идей.
Этот рассвет подкрепляется некоторыми логичными утверждениями. 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 ниши, куда не дотянули свою оптику наземные операторы. 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.
Наконец, и наземное абонентское оборудование тоже стало гораздо продвинутее. В 1990х было безумием предлагать абонентам оборудование с АФАР (активные фазированные антенные решетки), что позволило бы отслеживать главным лучом приемной антенны спутники в небе. Не существовало технологий, позволяющих выпускать такие антенны за хоть сколько-то приемлемые деньги. Антенны с двухстепенным механическим приводом тоже не дешевы и не похоже на массо используемое решение.
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.
АФАР антенны для системы O3b, устанавливаемые на самолеты и корабли. За счет GPS и MEMS-гироскопов антенна направляет луч максимального усиления точно на спутник компенсируя перемещение и крены техники.
Первой ласточкой нового витка развития телекоммуникационных спутниковых группировок стал проект O3b, стартовавший в 2007 году. Этот проект не похож на остальные, но не упомянуть его было бы неправильно. 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. 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. примерно ¼ высоты от геостационарной орбиты. 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. Оставшиеся 2 антенны смотрят на точки сопряжения с глобальной сетью (связисты называют такие точки телепортами).
Спутник O3b массой 700 кг.
Спутники O3b на диспенсере. Видны 12 комплектов радиооптики с двухстепенными приводами для организации клиентских лучей.
Проект оказался довольно успешен финансово, и буквально на прошлой неделе завершил развертывание полной группировки из 16 спутников, потратив на весь проект скромные ~1,5 млрд долларов.
Принцип построения группировки O3b. Отличное нишевое решение, видимо.
Интересно, что идеологом и создателем O3b был человек по имени Greg Wyler, впоследствии начавший совершенно новый спутниковый проект, который и положил начало буму гипергруппировок. Итак, встречайте - система из 1600 спутников “OneWeb”.
Основанная им в 2012 году (под именем WorldVu) компания предусматривала вывод более 2000 спутников (число меняется со временем) на низкую околоземную орбиту. Число необходимых спутников WordVu поражает - оно сравнимо со всеми остальными активными спутниками на орбите Земли.
И дело не только в числе как таковом. При попытке быстро собрать и запустить 2000 спутников возникнет невероятное количество сложностей. 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. Космос жесток. И вот, предлагается конвееризировать не только сборку спутников, но и множества необходимых компонентов космического качества (электроники, разъемов, химических и электрореактивных двигателей etc).
Спутник OneWeb, контракт на производство которых получил Airbus реализует возможности Teledesic при вшестеро меньшем весе и втрое меньшей цене.
Однако, у такого амбициозного плана есть логика. Предположим, что вы решили создать систему, раздающую интернет всего из сотни аппаратов, а не 2000. Тогда вы столкнетесь с тем, что на ограниченную пропускную способность каждого будет неизбежно приходится несколько миллионов квадратных километров. И если над океанами с редкими яхтами-клиентами это как раз здорово, то над густонаселенными странами - наоборот. На Китай, Европу, всю Юго-Восточную Азию в вашей 100-спутниковой системе будет приходится по 2 спутника, а на Южную Америку - аж 3. Много ли клиентов способна обслужить такая группировка? Нет. Достаточно ли этого для окупаемости? Тоже нет. Нужно наращивать количество спутников. 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.
Проблема, впрочем, в том, что финансовые модели - это прекрасно, но реальную рентабельность и востребованность этих космических проектов можно понять, только развернув сеть. А на развертывание нужно потратить много миллиардов долларов, и чем больше спутников предполагается в полной сети, тем больше миллиардов надо.
Click to viewРекламное 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.
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. 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. 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. Тревожные признаки.
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).
SpaceX Starlink на данный момент предусматривает развертывание 1584 спутников на начальном этапе и до 12000 (!!!) в полной конфигурации. 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). В плане радиосвязи тоже предусматривает использование сразу множества диапазонов (в т.ч. слабо освоенный комплектующими V диапазон - 50+ ГГц), но на первом этапе - традиционного Ku (10-20 ГГц) с пропускной способность в несколько гигабит на спутник. Предусматривается межспутниковая лазерная связь на скоростях в несколько сот гигабит.
Спутники Starlink (на фото два опытных образца, запущенных в 2018 должны быть еще более продвинутыми в некотором смысле и еще более легкими, чем OneWeb. При этом ставка делается на использование индустриальной электроники и большой орбитальный резерв.
Короче, проект Starlink невероятно амбициозен и для окупаемости вынужден будет побороться за клиента с наземными кабельными операторами. Перспективы его туманны (в т.ч. плане сбора необходимых средств на развертывание минимальной операционной группировки) , хотя первый массовый вывод спутников должен состояться уже в мае 2019 года (а первые опытные спутники были запущены еще в январе 2018).
Симуляция орбитальной группировки Starlink после выведения первых 264 спутников.
И симуляция связи через Starlink в полностью развернутой группировке из 1584 спутников.
Другой не менее амбициозный игрок - Amazon, подавший заявку на развертывание 3236 спутников в рамках проекта Kuiper. 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). Но как минимум видна возможная синергия для одного из крупнейших интернет-магазинов мира в пропускании трафика от спутниковой группировки через себя. Отсюда можно ожидать, что проект Kuiper имеет больше шансов на реализацию.
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.
Наконец, коротко от Telesat Leo и LeoSat. Оба этих проекта направлены на конкуренцию с наземными оптоволоконными магистралями. 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 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. 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
Подводя итог, хочу отметить, что новому буму пока рады в основном производители спутников и спутниковых комплектующих, получающих невероятные заказы. Операторы пусковых услуг так же с удовольствием ждут невероятного роста заказов (в т.ч. Роскосмос, которому OneWeb в разных формах заказал пуск на 21 “Союз-2”). Сможет ли новая реальность с переносом сетей связи в космос закрепиться? Кто знает. Однако, если это случится, то человечество явно получит заметный буст в освоении космоса и снижение затрат на производство космической техники и вывод полезных нагрузок.