Спутниковый Интернет – очарование низких орбит
ПредисловиеРазвитие низкоорбитальных систем спутникового Интернета является, наверное, самой злободневной темой для спутниковой связи, которая сегодня переживает один из острейших периодов своей трансформации. В прошлые десятилетия большинство услуг этой сферы было прочно связано со спутниками, базировавшимися на геостационарной орбите (ГСО) – уникальной по своим характеристикам круговой линии, расположенной в плоскости экватора Земли на расстоянии 35 786 км, где каждый спутник, вращаясь с угловой скоростью равной угловой скорости нашей планеты, постоянно находится над одной и той же частью земной поверхности.
Использование спутников на этой орбите дает ряд неоспоримых преимуществ:
– с одной точки на орбите можно обслуживать территории целых государств в режиме 24/7;
– средний срок службы спутника на геостационарной орбите достигает 10-20 лет и зависит исключительно от надежности его аппаратуры и запасов топлива для периодической коррекции орбиты (удержания спутника в точке);
– для работы со спутником на ГСО наземные станции связи и пользовательские антенны не нуждаются в системах слежения за спутником (автосопровождением), т.к. постоянно «видят» его в одном и том же месте на «небосводе».
Указанные особенности делают системы связи на ГСО исключительно интересными для оказания услуг спутникового телевидения и радиовещания, а также организации магистральных каналов связи и передачи данных. Долгий срок службы всех элементов системы, простота и дешевизна абонентских комплектов длительное время позволяли ГСО удерживать пальму первенства в этом секторе услуг. К примеру, разместив на ГСО спутник непосредственного телевизионного вещания (СНТВ) с зоной обслуживания всей центральной части России, вы даете возможность любому жителю этой территории получить внушительный пакет ТВ-каналов, купив и установив недорогой комплект оборудования. Соответственно, битвы на полях Международного союза электросвязи (МСЭ) за приобретение и сохранение каждой точки на геостационарной орбите (т.н. орбитальной позиции), включающее в себя право использовать в ней те или иные радиочастоты под определенные виды услуг, длительное время были одной из главных забот операторов спутниковых систем связи.
Вы спросите: «Ну а при чем же тут Интернет? Где он тут вообще?» Вот в нем-то как раз вся и загвоздка!
Интернет как технология, позволяющая передачу больших потоков разнородных цифровых данных, стал ключевым фактором ускоренного развития оптоволоконных и целого ряда беспроводных (в первую очередь сотовых) технологий. Любой спутник связи является для Интернета всего лишь каналом распространения – «трубой», по которой текут потоки цифровых данных Интернета. Эти «трубы» могут быть «широкими», «узкими», «длинными», «гладкими», «шершавыми», обладать разной «герметичностью», содержать различного вида «переходники», «разветвители» и «преобразователи», но главная их суть неизменна – доставить цифровой поток Интернета от источника к потребителю в целости и сохранности, в нужное время и без потерь. Цена и качество каждой из этих «труб» и определяет их востребованность для «монтажа» в общую «водопроводную» систему Интернета. Если данный вид «трубы» не обеспечивает необходимую пропускную способность, недостаточно «герметичен» или слишком дорог, то он остается лежать на складе.
Примерно так и произошло с традиционными спутниками на ГСО – их «трубы» оказались хоть и гладкими, но слишком длинными, узкими и дорогими по сравнению с другими вариантами. Они по-прежнему остаются привлекательными для услуг СНТВ, но неконкурентоспособны по отношению к каналам оптоволоконной или мобильной связи. «Труба» спутника на ГСО длинной в 72 000 км (2х36 000 км – расстояние, которое должен пройти сигнал от источника сигнала до спутника на орбите и обратно к потребителю, длина канала), даже при том, что она одна из самых «гладких» – скорость распространения радиосигналов в пространстве равна скорости света, что позволяет «цифровой жидкости» течь максимально быстро, – дает задержку почти в половину секунды, что для достаточно большого числа интернет-приложений неприемлемо (управление транспортом, беспилотниками, игровыми программами и т.д.). К этому еще добавились ограниченные и, в силу этого, весьма дорогие полосы частот на традиционных ГСО-спутниках, шириной от 27 до 108 МГц на один частотный канал (ствол), через эти «узкие» (в сравнении с возможностями других технологий) каналы можно было организовать потоки Интернета со скоростью не более 200 Мбит/с в стволе, а пропускная способность всего спутника ограничивалась единицами Гигабит /с. Даже с учетом коэффициентов загруженности и разновременного использования канала различными клиентами, общее число абонентов такого спутникового Интернета могло достигать максимум 20-30 тысяч на спутник, со стоимостью ежемесячной подписки от 2000 рублей за канал и с негарантированной скоростью до 20 Мбит/с. Надо сказать, что в странах со значительно более дорогой, чем в России, мобильной связью (например, в США) такой спутниковый Интернет сумел получить развитие, но в России, как и в большинстве других государств мира, он оказался неконкурентоспособен. Для сравнения, число абонентов одного спутника СНТВ может достигать нескольких миллионов пользователей.
Таким образом, традиционные спутники на ГСО оказались не приспособлены к «прокачке» через себя больших потоков данных Интернета и приложений, приносящих старым и новым отраслям и направлениям услуг все большие деньги. Наметилась тенденция стагнации рынка спутниковой связи, что подтолкнуло его участников к активному поиску вариантов выживания. И к концу первого десятилетия текущего века сформировался запрос на новые спутниковые технологии, лишенные недостатков предыдущих поколений.
И вот тут, для многих неожиданно, вышли на передний план проекты орбитальных спутниковых группировок на низких орбитах. Почему неожиданно? Да потому что примеры попыток создания подобных группировок уже имели место в течение десятилетий, но практически все закончились неудачно. Взять, к примеру, нашумевший случай с банкротством системы мобильной связи «Иридиум», в которой тоже предусмотрена организация каналов Интернета (в самой последней модификации Iridium Next со скоростью всего лишь до 1,7 Мбит/с).
Все эти проекты были либо свернуты, либо прошли через «очистительную» процедуру банкротства, означающую потерю первоначальными инвесторами огромных денег. Поэтому на начальном этапе возрождения проектов на низких орбитах против голосов горстки энтузиастов зазвучал внушительный хор скептиков: системы из тысяч спутников никогда не окупятся, потому что:
– группировки спутников слишком велики, сложны и дороги в управлении;
– спутники не могут быть дешевыми, а для этих систем нужны тысячи аппаратов;
– вы разоритесь на их запусках: нужны сотни ракет;
– вы не сможете скоординировать их работу с другими системами: они будут создавать помехи;
– эти системы с глобальным охватом поверхности Земли, они в основном будут расходовать энергию на «нагрев мирового океана»;
– вас не пустят на локальные рынки целых стран и регионов по политическим и прочим другим причинам;
– и т.д. и т.п.
Нужно сказать, здравого смысла в этих замечаниях было, да и остается, немало – пока ни одна из низкоорбитальных группировок на окупаемость не вышла, интрига в самом разгаре!
Однако со временем голоса скептиков стали тише, более того, ряд скептиков быстро «перековался» и начал сам активно поддерживать эти проекты. По одной простой причине: всем нужны развитие и деньги, а на прежних технологиях, как уже было написано выше, «въехать в рай Интернета» у спутниковых операторов никак не получалось, им оставалось только смотреть, как Интернет растекается по оптоволокну, сотовым и Wi-Fi-сетям и т.д.
Наземная инфраструктура связи и раньше была слабым местом спутниковых операторов. Спутник всегда приходил первым, т.к. ему не нужно ничего, кроме электричества, которое можно обеспечить генераторами, солнечными батареями и т.д. По существу, появление спутникового покрытия давало толчок развитию новых мест, способствовало их заселению, развитию бизнеса, организации местного производства, давало связь и обеспечивало каналы продаж на «большую землю». Но как только новый «объект» разрастался до внушительных размеров, которые делали рентабельным прокладку до него того же оптоволокна, – «на обетованное место» приходили наземные линии связи и мгновенно «убивали» каналы спутникового оператора более дешевыми тарифами. Естественно, без всякого «спасибо». В лучшем случае спутниковые каналы сохранялись в качестве резервных на случай аварий.
В не лучшем положении оказались и инвесторы, которые специализировались на спутниковых проектах: нет проектов – некуда вкладывать! Нужно менять многолетнюю квалификацию и уходить в другие сегменты, вступать в борьбу с хорошо окопавшимися там конкурентами.
Таким образом, брошенные зерна многотысячных спутниковых проектов на низких и других негеостационарных орбитах (НГСО), обещающие огромные вложения и невероятные барыши, упали на благодатную почву: они сулили страждущим столь желанное для них будущее развитие и новые горизонты бизнеса. Трудно объяснить чем-либо иным желание инвесторов вливать огромное количество средств в проекты, которые зачастую не могли представить даже детализированных бизнес-планов. Энтузиастами этих проектов в большинстве своем стали специалисты, еще вчера трудившиеся в операторских компаниях, радевших за спутники на ГСО. Теперь они столь же активно агитировали за новые прорывные технологии на НГСО.
Рисунок 6. Бум заявок, подаваемых в МСЕ на координацию НГСО-систем с уже работающими системами на ГСО.
Чем же так привлекательны системы спутникового Интернета на низких, средних и других НГСО по сравнению с прежними решениями на ГСО?
Во-первых, степень заполнения спутниками ГСО близка к своему пределу, ГСО – это всего лишь круговая линия, на которой невозможно разместить бесконечное число спутников. Интерференция с соседними аппаратами в большинстве случаев начинает ощущаться при угловом расстоянии около 1 градуса, а этих градусов у круга всего 360. Несмотря на то, что уже давно активно используются методы установки спутников в коллокации (несколько спутников висят «гирляндой» в одной и той же орбитальной позиции, но во избежание интерференции работают в разных диапазонах частот и поляризациях), диапазоны частот для их работы тоже ограничены. Соответственно, освоение новых орбит открывает новый простор «для творчества», хотя он тоже сопряжен с процессами частотной координации новых систем со старыми, в частности, одним из решений является требование выключения низкоорбитальных спутников при пересечении ими зон работы геостационарных систем из-за угрозы интерференции сигналов. Это требование усложняет и без того непростую математику управления НГСО-группировкой, состоящей из сотен и тысяч космических аппаратов. Тем не менее, НГСО – это целый пласт для новых миллиардных проектов, которые ни при каких условиях нельзя реализовать на ГСО.
Во-вторых, следует помнить, что главными конкурентами спутникового Интернета являются наземные проводные и беспроводные сети, в которых временные задержки меньше на один-два порядка (десятки и единицы миллисекунд по сравнению с почти 500 млс в сетях с ГСО). Переход на НГСО позволяет снизить задержки на порядок, что для многих интернет-приложений имеет принципиальное значение.
В-третьих, за счет перемещения НГСО-спутников по орбите их работа с наземным терминалом осуществляется, когда спутник «пролетает над головой». За какой бы естественной преградой (дерево, гора и т.п.) на открытой местности ни находился абонентский терминал, в большинстве случаев он видит нужное для получения информации количество спутников. Тогда как для спутника на ГСО необходимо подбирать подходящее для терминала место, с которого он увидит геостационарный аппарат.
В-четвертых, немалую роль в продвижении проектов на НГСО сыграло развитие спутниковых технологий, совершивших за последние два десятка лет революционный скачок по целому ряду направлений.
Этому способствовали:
– развитие электроники и программного обеспечения для создания программно управляемых полезных нагрузок космических аппаратов с программно-электронными системами формирования и управления лучами и многолучевыми системами;
– развитие технологий многократного использования радиочастот, которые активно стали применяться как на спутниках, так и в наземных системах связи;
– развитие технологий повторного использования компонентов и систем запуска спутников на орбиту (произошло удешевление запусков космических аппаратов за счет применения многоразовых элементов и блоков);
– развитие технологий массового (поточного, конвейерного) производства однотипных малых и средних спутников из унифицированных блоков и систем;
– расширение спектра ракетоносителей и технологий массового (пакетного) выведения спутников на орбиту;
– развитие технологий «плоских антенн» (антенных фазированных решеток) с программно-электронным управлением для работы наземных терминалов связи с космическими аппаратами связи на различных орбитах;
– развитие технологий межспутниковых радио- и оптических линий.
Этот технологический рывок сделал физически возможной реализацию многоспутниковых проектов на НГСО.
Однако интрига выбора между геостационарными и негеостационарными системами сохраняется.
Дело в том, что технологический скачок коснулся всех спутниковых систем, не только негеостационарных. Геостационарные системы тоже получили новые варианты развития, существенно укрепляющие их позиции на рынке, и при этом сохранили характерные для них преимущества, такие как простота и относительная дешевизна абонентских терминалов, значительно более простая система управления спутниками и трафиком, длительные сроки эксплуатации аппаратов на орбите. Геостационарную орбиту начали заполнять спутники высокой производительности (High throughput satellites, HTS), которые вместо нескольких Гбит/с, как это было ранее, получили пропускную способность в несколько сотен Гбит/с и даже Тбит/с за счет применения технологий многократного использования частот, к которым также добавляются гибкие полезные нагрузки, позволяющие эффективно управлять трафиком во всей системе и перераспределять мощность в зонах обслуживания, подстраивая конфигурацию сети под нужды заказчиков
Рисунок 8. Трансформация спутников на ГСО из «традиционных» в спутники высокой и сверхвысокой пропускной способности (HTS и VHTS).
Из наиболее продвинутых в этом плане сегодня можно выделить спутник VHTSViaSat-3 одноименной компании-оператора ViaSat, пропускная способность которого достигает 1 Тбит/с.
Рисунок 10. Спутник сверхвысокой пропускной способности (VHTS) ViaSat-3 и многолучевая зона глобального покрытия Земли, формируемая системой из трех таких аппаратов.
При этом сравнивать пропускную способность системы из трех VHTS-спутников ViaSat-3 и, к примеру, всей системы из четырех тысяч спутников StarLink, где для каждого спутника заявляется пропускная способность примерно в 20 Гбит/с, а тем более оценивать их экономическую составляющую – дело довольно сложное. В организации канала Интернета StarLink участвует целая группа N пролетающих мимо абонента спутников, тогда как в системе ViaSat-3 это один и тот же канал, т.е. пропускную способность StarLink надо делить на N – и это не единственный нюанс! 70% территории Земли покрыто океанами, где кроме одиночных кораблей нет потребителей, а значит, пролетающие над ними спутники НГСО будут просто «греть воду». Срок службы спутников на низкой орбите составляет в среднем около пяти лет, что в 3-4 раза меньше, чем у спутников на ГСО, следовательно, систему надо постоянно обновлять. Кроме того, система управления трафиком требует строительства гораздо большего числа шлюзовых станций, сложной математики. Значительно усложняются и сами абонентские терминалы – они должны быть следящими, вовремя переключаться на спутники низкоорбитальной системы и иметь соответствующую математику и служебную информацию. Мало того, существуют политические, нормативные и другие барьеры, которые приводят к тому, что услуги этих систем могут и вовсе оказаться невостребованными в целом ряде государств. А поскольку системы эти фактически строятся и модернизуются буквально на ходу, однозначно оценить перспективы этого направления сейчас невозможно. Добавляют интриги и разработки спутникового 5G последних лет, обещающие дать Интернет непосредственно со спутника на смартфон. Увлекательнейший сериал о соревновании разных видов спутникового Интернета продолжается, смотрите новые серии!