Новый виток проектирования низкоорбитальных высокоскоростных систем

В статье представлен обзор проектов низкоорбитальных высокоскоростных систем связи и передачи данных по состоянию на 2014 г. Анализируются их проектные технико-экономические параметры. Показано, что сегодня активность создания низкоорбитальных систем, с одной стороны, стимулируется прогнозами высокой востребованности транспортных каналов для сотовых сетей, с другой – подогревается желанием увеличить объем рынка пусковых услуг.

            Зарождение низкоорбитальных систем спутниковой связи и передачи данных тесно связано с военными системами и задачами (как и любых других спутниковых систем). Следует отметить, что понятие «низкоорбитальная система» не имеет четкого определения. В данном случае подразумеваются системы, космическая группировка которых реализована на орбитах 200–1500 км над уровнем земли. На этих высотах уже практически отсутствует влияние остаточной атмосферы и минимизировано воздействие внутреннего радиационного пояса Земли.

            Совершенствование спутниковых технологий в начале 1990-х гг. дало надежду, что подобные системы можно адаптировать для коммерческих задач на быстро растущем массовом рынке телекоммуникаций. За прошедшие 25 лет низкоорбитальные коммерческие системы связи и передачи данных прошли несколько этапов развития. Обзор проектов этих систем и результатов их реализации показывает, что можно выделить три основных этапа.

Этапы развития

К первому этапу следует отнести активное создание низкоорбитальных систем в первой половине 1990-х гг. для рынка ПСС в диапазонах L и S. Однако из нескольких десятков проектов до практической реализации дошли только две системы – Iridium и Globalstar. К этому этапу можно отнеси и специализированную низкоорбитальную систему Orbcomm, ориентированную на передачу данных в сегменте M2M в метровом диапазоне. Но все эти системы до настоящего времени остаются коммерчески несостоятельными. Основная причина – высокая себестоимость единицы передачи информации по отношению к альтернативным наземным системам. По сути, низкоорбитальные системы ПСС проиграли технологическое соревнование с наземными сотовыми сетями еще в момент их создания. Причем стоимость системы к моменту эксплуатации принципиально отличалась от проектных значений (табл. 1). Здесь следует напомнить, что чем ниже орбита, тем больше спутников требуется для глобального обслуживания абонентов. При этом гарантированный срок активного существования низкоорбитального спутника относительно непродолжителен (до семи лет). Соответственно, нужно непрерывно обновлять спутниковую группировку. В результате эксплуатационные расходы очень высоки.

Таблица 1. Рост САРЕХ систем Iridium и Globalstar [1–3]

Система CAPEX, млрд долл.
1992 г. 1994 г. 1996 г. 2002 г.
Iridium 3,2 3,6 4,6 5,7
Globalstar 1,2 1,6 2,6 3,8

Примечание. OPEX системы Iridium 0,5–1,0 млрд долл. в год [3].

Второй этап активности в области проектирования низкоорбитальных систем наблюдался в конце 1990-х – начале 2000-х гг. Этот этап уже был обусловлен стремлением занять нишу на рынке спутникового ШПД. Проектируемые системы были ориентированы на рынок не ПСС, а ФСС в диапазоне Ku и Ka. Судя по проектным данным, пропускная способность каждого спутника составляла нескольких Гбит/с, а космическая группировка любой системы достигала сотен спутников. В табл. 2 представлены проекты высокоскоростных низкоорбитальных систем [4]. Наиболее известны проекты Teledesic и SkyBridge. Например, в исходных проектных данных системы Teledesic космический сегмент предполагалось создать из 940 спутников (активных 840), затем число спутников сократилось до 324.

            Тогда еще не существовало устоявшегося понятия HTS. В современном обозначении эти системы можно классифицировать как LEO-HTS. Реализация проектов намечалась на начало 2000-х гг. Однако ни один из заявленных проектов не дошел до стадии практической реализации. Cегодня проблематично найти даже упоминание о них на просторах Интернета. Максимум, что удалось – запустить технологические спутники системы Teledesic. Причина, как и на первом этапе, – высокая себестоимость передачи единицы информации по сравнению с альтернативными наемными системами ШПД и даже по сравнению с традиционными спутниковыми системами ФСС на ГСО. В отличие от систем ПСС в L- и S-диапазонах здесь добавились проблемы высокой цены наземных абонентских терминалов, которые в Ku- или Ka-диапазонах должны отслеживать низкоорбитальные спутники.

Таблица 2. Параметры высокоскоростных низкоорбитальных систем второго этапа

Система Teledesic SkyBrige Celestri M-Star GS-40 VBS Leo One USA
Заявитель Teledesic Corp. Alcatel Telecom Motorola Inc. Globalstar L.P. Teledesic Inc. LeoOne USA Corp.
Число спутников 288* 64 63(LEO) и 9(GEO) 72 80 72 48
САС, лет 10 8 10 10 Н. д. 7 Н. д.
Масса спутника, кг 800 800 3100 1004 сухая 992

сухая566 сухая125Число лучей спутника6445260 прием

432 передача32304028ДиапазонKaKu/KaKaQ/VQ/VQ/VQ/VМежспутниковая линия:

диапазон, ГГц

скорость, Гбит/c

 

60

1,5Нет

 

40–50

4,5

 

60

0,52Нет

 

Оптика

1,0НетПропускная способность спутника, Гбит/с13,31,08,93,71,04,07,2Проектная цена системы, млрд.$9,05,112,96,4Н. д.1,951,6

* 324 спутника с учетом резервных спутников.

Начало третьего этапа относится к 2011–2013 гг. Сегодня опубликован ряд материалов о предварительных проектных параметрах новых низкоорбитальных высокоскоростных систем. Такие системы уже получили устоявшееся обозначение LEO-HTS (по аналогии с MEO-HTS (известна единственная среднеорбитальная система O3b) и HTS). В отличие от систем второго этапа масса спутника снижена примерно в семь раз (т. е. это микроспутники), а основной целевой функцией объявлена организация транспортных каналов для наземных сотовых сетей нового поколения (в том числе для организации локальных зон обслуживания), но не исключается и прямой доступ абонентов сети Интернет, т. е. спутниковый ШПД. В качестве основного технического аргумента выдвигается очевидное преимущество низкоорбитальных систем по отношению к геостационарным системам HTS – низкая задержка распространения сигнала. Все проектируемые системы предполагают многолучевое формирование глобальной рабочей зоны (лучи широкие) в Ka- или Ku-диапазоне (WorldVu). В табл. 3 представлены сведения о трех проектах, поддержанных финансово [5–7], предварительные параметры которых относительно известны. Но есть и другие подобные проекты, которые пока не приобрели завершенного проектного вида. Например, китайский миллиардер Wang Jing планирует начать финансирование многоспутникового проекта, который разрабатывает его компания Xinwei Telecom Enterprise Group.

            Даже в России несколько лет обсуждался на уровне Роскосмоса вполне серьезно проект «Космонет» (http://www.federalspace.ru/14836/) как новый виток развития системы «Гонец». Этот проект был одобрен научно-техническим советом Роскосмоса. В Интернете можно найти многочисленные сообщения типа «Космонет» – наше будущее». Но в 2013 г. – начале 2014 г. ряд ведущих организаций российской космической отрасли и Минкомсвязи все же дали отрицательные заключения относительно целесообразности создания системы «Космонет» (http://www.kommersant.ru/doc/2446564).

            Получит ли развитие третий этап или следует ожидать четвертого? Следует отметить, что активность проектирования низкоорбитальных систем совпадает с 11-летними пиками периодической активности Солнца…

            Пока недостаточно технической информации для прогнозов, тем не менее предварительный анализ сложившейся ситуации возможен.

Таблица 3. Высокоскоростные системы LEO-HTS третьего этапа

Название системы Головная Компания Инвесторы Проектное значение CAPEX системы Космический сегмент Примечание
COMMStellation Microsat Systems Canada, Inc. Косвенные инвестиции от космических агентств и военных ведомств 1 млрд долл. (проект 2011 г.) 72 активных спутника (+ 12 спутников в резерве) в шести орбитальных плоскостях, высота орбиты 1000 км. Масса спутника 250 кг, САС до десяти лет, емкость спутника 8,8 Гбит/c. Развертывание группировки с 2018 г. (шесть запусков по 14 спутников). По проекту предполагалось развертывание группировки в IV кв. 2014 г. Для глобального обслуживания в системе предусмотрено 35 станций сопряжения по всему миру

WorldVu*World Satellite Ltd. (US)Virgin Group

Qualcommm2 млрд долл. с увеличением до 3 млрд долл.400 активных спутников в 20 орбитальных плоскостях, высота орбиты 800 км (50% спутников) и 950 км (50%). Всего 648 спутников. Масса спутника 125 кг, емкость 9,1 Гбит/c. Предполагается развертывание группировки с 2018–2019 г.Проектные значения непрерывно уточняются. По последним сведениям, возможно уменьшение числа спутников за счет увеличения высоты орбиты до 1200 км. В 2015 г. у системы появилось и другое название – OneWebНе определено на январь 2015 г.SpaceXGoogle10 млрд долл. с увеличением до 15 млрд долл.4000 спутников на орбитах высотой 1000 км. Масса спутника 113 кг, САС до пяти лет, емкость 14 Гбит/с. Предполагается развертывание группировки с 2019 г.Планируется в качестве антенн абонентских терминалов использовать ФАР, причем цена терминала планируется в пределах 100–300 долл.

Прогресс или мыльный пузырь?

            Анализ развития высокоскоростных низкоорбитальных систем второго и третьего этапов показывает, что ни одна их таких систем не дошла до штатной эксплуатации. Более того, даже известные системы Iridium, Globalstar и Orbcomm нельзя отнести к коммерчески успешным проектам. Их финансовое состояние и сегодня поддерживается за счет госбюджетов, в основном США. Естественно возникает вопрос: почему продолжают появляться новые проекты низкоорбитальных систем? Однозначный ответ дать невозможно, поскольку в обосновании проектов причудливым образом переплетаются различные технические положения и финансовые интересы.

            К техническим положениям, которые можно считать источниками, стимулирующими разработку новых высокоскоростных низкоорбитальных систем, следует отнести совершенствование спутниковых технологий. В первую очередь тех, которые позволяют снизить массу спутника до уровня микроспутника при обеспечении высокой пропускной способности. Кроме того, особые надежды возлагаются на снижение стоимости абонентского сегмента. Например, оптимистически заявляется компанией SpaceX об использовании ФАР Ka-диапазона.

            Косвенно к техническим аспектам можно отнести и активное развитие технологий сотовой связи, что потребует создания более высокоскоростных транспортных каналов (backhaul). Прогнозируется, что к 2020 г. пропускная способность каналов backhaul должна увеличиться для сотовых сетей вне мегаполисов в 6–10 раз [8]. Аналогичные прогнозы дают все маркетинговые компании. Например, маркетинговая компания NSR прогнозирует, что с 2014 г. по 2023 г. потребуется использовать спутниковые каналы для почти 100 тыс. базовых станций сотовой связи 3G/4G. Спутниковые каналы могут занять эту нишу [9]. Следует отметить, что при этом обычно не упоминается о требовании высокого коэффициента готовности канала 99,97%, которое выполнить в Ka-диапазоне проблематично (не упоминается и об иных проблемах, свойственных низкоорбитальным системам, таких как переход между спутниками и их отслеживание, компенсация доплеровских сдвигов частот, электромагнитная совместимость систем и т. д.).

            Однако основной движущей силой являются финансовые интересы, которые можно подразделить на коммерческие, основанные на объективном росте рынка телекоммуникаций в сегментах Backhaul и B2C, и интересы поддержки инвестиций для развития смежного бизнеса. В данном случае такой бизнес связан с рынком пусковых услуг. Так, следует особое внимание уделить заявлениям и действиям компании SpaceX, По информации от руководителя компании (Илон Маск), затраты на разработку новой ракеты с нуля составили 390 млн долл., что является безусловным рекордом. Однако, по оценкам NASA, эти затраты достигают 1,695–3,877 млрд долл. (NAFCOM Cost Estimates, NASA, august 2011), что, видимо, ближе к истине. Сегодня компания SpaceX активно демпингует [10] на рынке пусковых услуг, предлагая для запусков низкоорбитальных и геостационарных спутников новое семейство РН Falcon 9 по ценам ниже как минимум на 30%, чем цены, сложившиеся на рынке. Основная техническая идея в новой ракете – возвращаемая на землю (морскую платформу) первая ступень (пока попытки безуспешны). Кроме того, значительное снижение цены ракеты достигается за счет оптимизации процесса производства и его серийности.

Стоимость запуска 1 кг массы полезной нагрузки может снизиться в разы уже в ближайшие пять лет. Соответственно, для обеспечения непрерывности производства РН и компенсации снижения цены запуска компании SpaceX необходимо иметь большой портфель заказов на годы вперед. Можно предположить, что это одна из основных причин, побудившая компанию SpaceX приступить к разработке своего многоспутникового проекта. Действительно, количество спутников на ГСО, необходимых для запуска, ограничено в среднем примерно 23 спутниками в год. Телекоммуникационных проектов низкоорбитальных спутников, кроме следующих поколений уже действующих систем, нет. Активный процесс создания разнообразных наноспутников CubeSat слабо увеличивает объем рынка пусковых услуг. Компания SpaceX логично пришла к выводу, что если рынка нет, его нужно создать. Тем более что такая активность поможет получать очередные инвестиции, в том числе от государства.

Краткие итоги

            Действующие низкоорбитальные системы не являются коммерчески эффективными, что доказано всей их историей – от разработки по настоящее время. Новые высокоскоростные низкоорбитальные системы пока существуют только на бумаге. Оценивать новые проекты как коммерчески состоятельные в перспективе сегодня нет оснований.

            Однако не следует забывать, что экономическая эффективность любой космической системы должна оцениваться не только в виде прямого коммерческого эффекта, но и с учетом мультипликативного эффекта, который, по данным организации FAA (США), приводит к тому, что X инвестиций в космическую отрасль добавляет 6X в общей экономике страны (это справедливо для любой страны, развивающей собственную космическую индустрию). Но это не означает, что прямого коммерческого эффекта может и не быть.

Литература

1. Анпилогов В.Р. Эффективность и стоимость универсальных систем подвижной спутниковой связи в «золотых» L- и S-диапазонах частот // Технологии и средства связи. 1999. № 2. С.78–81.

2. Анпилогов В.Р. Системы персональной спутниковой связи на основе не геостационарных ИСЗ // Век качества. 2001. № 1. С.8–10.

3. Technical Success and Economic Failure. Engineering Systems Learning Center (ESLC) //

Massachusetts Institute of Technology, 14.10.2003.

4. Анпилогов В.Р. Система спутниковой связи и передачи данных TELEDESIC – глобальные планы // Broadcasting. 2001. № 4.

5. Caleb H. Qualcomm, Virgin Group Join OneWeb on Ambitious 648 SmallSat Constellation,

Via Satellite , January 15,2015 (электронная версия).

6. Svitak A. SpaceX, OneWeb Unveil Rival Broadband Constellation Plans Aviation Week & Space Technology Jan 21, 2015 (электронное издание).

7. Selding P. SpaceX To Build 4000 Broadband Satellites in Seattle – SpaceNews, January 19, 2015 (электронная версия).

8. Allen J., Chevalier F. Mobile backhaul market: Phase 1 report, 27.02.2014, (www.analysysmason.com).

9. Tweedie E. Satellite Operators Going After Mobile Backhaul Market // Satellite Execucutive Brifing, 2011, № 3, v. 4, p. 1–6.

10. Caceres M. The SpaceX effect // Aerospace America, December 2014, p. 5–7.

Поделиться:
Спецпроект

Напряженный трафик или Современные требования к инфраструктуре ЦОД

Подробнее
Спецпроект

Специальный проект "Групповой спутниковый канал для территориально-распределенной сети связи"

Подробнее

Подпишитесь
на нашу рассылку