В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
В России особое внимание к малым спутникам началось в конце 1980-х – начале 1990-х гг. [1–3]. В первую очередь повышенное внимание было связано с тем, что появилась возможность запуска малых спутников с использованием конверсионных межконтинентальных баллистических ракет, которые по договору с США должны быть сняты с боевого дежурства. Предполагалось, что можно очень быстро и с минимальными финансовыми вложениями адаптировать боевые ракеты для запуска коммерческих спутников и снизить стоимость их запуска до минимума. Но в реальности все оказалось намного сложнее и дольше по времени (например, один тип баллистической ракеты из серии РС-18 был доработан для коммерческого применения и получил название РН "Рокот").
Однако идея создания малых спутников (как геостационарных, так и тем более негеостационарных) начала жить своей жизнью. Сегодня эта идея оформилась как общепризнанный тренд в мировой космической индустрии.
Классификация малых спутников относительно условная. В табл. 1 представлены данные с учетом разных источников. За основу принята классификация NASA [4]. В данном обзоре рассматриваются вопросы использования малых негеостационарных спутников массой от 10 до 1000 кг включительно для целей связи.
Сегодня существенным стимулом для развития систем на основе малых спутников является прогнозируемое снижение стоимости запуска 1 кг на низкие орбиты (рис. 1).
Наноспутники (1–10 кг) и микроспутники (11–100 кг, в ряде публикаций 11–50 кг) используются для решения различных задач, но все эти задачи сегодня нельзя назвать коммерчески ориентированными. Единственным направлением, которое в перспективе в какой-то мере является коммерческим, связано с телекоммуникационными задачами.
Эти задачи в основном предусматривают организацию многоспутниковых систем для передачи данных по типу электронной почты. Объем индустрии в этой области (выделено красным цветом на рис. 2) от общего объема рынка, связанного с нано- и микроспутниками, относительно небольшой. Стоимость создания спутников – в пределах $ 0,3–2 млн. Сроки изготовления не превышают 1–1,5 года (соответственно, корректность долгосрочных прогнозов очень низкая, поскольку проекты могут быстро возникать и так же быстро уходить в никуда).
По данным SpaceWorks число спутников, которые запускались в период 2010–2013 г., составило от 21 до 36 спутников в год. В период до 2020 г. годовой запуск нано- и микроспутников достигнет 121–188. Однако спутники, ориентированные на задачи телекоммуникаций (рис. 2), составят относительно небольшую долю (без учета военных спутников, например TacSat, SMDS-ONE).
Основная задача, которая будет решаться с использованием нано- и микроспутников, – сбор данных с движущихся и стационарных объектов, т.е. решение задач в рамках рынка М2М. Но в перспективе возможно расширение их функций в связи с развитием общего философского тренда IoT (Internet of Things).
Родоначальником направления нано- и микроспутников является Surrey Satellite Technologiy Ltd. (SSTL). Начало развития этого направления относят к 2000 г. По состоянию на 2014 г. производством спутников занимается много компаний. Следует выделить компанию Clyde Space Limited (http://www.clyde-space.com/), которая представляет многочисленные комплектующие для создания нано- и микроспутников.
Судя по сообщениям аналитических агентств (NSR, Euroconsult и т.п.), услуги, предоставляемые с использованием нано- и микроспутников, наиболее активно будут востребованы в Азиатско-Тихоокеанском регионе и в Северной Америке для решения задач автоматической идентификации объектов (Automatic Identification System, AIS).
Одна из основных проблем – срок службы спутников ограничен, но есть данные, что он может достигать 5–7 лет. Однако в основном – не более 2 лет.
В России созданием таких спутников занимается частная компания "Даурия Аэроспейс", которая в 2013–2014 г. запустила спутники Perseus-M и DX1, предназначенные для задач AIS. Финансирование работ осуществляется Роскосмосом из частных средств собственника компании.
Сведений о коммерческой составляющей проекта еще нет, хотя ряд государственных организаций проявил свою заинтересованность.
Итог анализа телекоммуникационных проектов на основе нано- и микроспутников кратко сводится к следующему. Проекты создания нано- и микроспутников для телекоммуникационных приложений имеют пренебрежимо малую долю в объеме рынка спутниковой индустрии и не имеют прямой коммерческой составляющей. Финансирование работ осуществляется из государственных бюджетов. Коммерческое развитие этого сегмента не прогнозируется.
Основное развитие индустрии нано- и микроспутников будет связано с некоммерческими задачами в области науки и военных задач на земле и космосе.
Негеостационарные спутники с массой от 100 кг до 1000 кг достаточно широко и относительно давно используются для целей связи. Первые коммерческие системы на основе таких спутников – Iridium и Globalstar. Разработка этих систем относится к началу 1990-х гг. В те годы наблюдалась эйфория, связанная с созданием низкоорбитальных систем для целей персональной связи, но в ряде публикаций уже высказывались сомнения по поводу их эффективности [6–8]. Например, предполагалось, что число подписчиков будет исчисляться десятками миллионов в ближайшие 5–7 лет.
Только в России разрабатывалось не менее 10 проектов (до настоящего времени в России продолжаются работы, финансируемые из бюджета Роскосмоса, по созданию системы "Гонец", которая обеспечивает передачу данных, но коммерческого результата нет и в 2015 г.).
Однако достаточно быстро стало ясно, что низкоорбитальные системы связи не имеют выраженной коммерческой эффективности [9–10]. Причем наблюдался значительный рост требуемых инвестиций [8–9] в процессе развертывания многоспутниковой группировки и создания сети наземных станций сопряжения (рис. 3). Подавляющее большинство проектов было закрыто уже к началу 2000-х гг.
На рис. 3 начальные значения 1992 г. соответствуют заявляемой в проекте стоимости системы. В 2002 г. публиковались данные о совокупных затратах, которые были произведены для обеспечения штатной эксплуатации системы, т.е. фактические затраты. Данные рис. 3 можно использовать для оценки коэффициента риска, который показывает увеличение стоимости проекта низкоорбитальной системы связи от его начала до штатной эксплуатации системы. Основываясь на данных рис. 3, коэффициент риска Кr = 1,78– 3,17, т.е. в среднем можно принять округленное значение Kr = 2,5.
В начале 2000 г. после очевидного фиаско (в основном по экономическим параметрам) низкоорбитальных систем персональной связи и передачи данных была сформулирована идея создания сверхинформативных низкоорбитальных систем [11–13]. Идея базировалась на взрывном росте трафика Интернета и числа пользователей сети Интернет.
В самом конце 1990-х – начале 2000-х гг. было зарегистрировано множество таких проектов [14]. В большинстве из них в качестве космического сегмента предлагалось использовать многоспутниковые группировки малых космических аппаратов. Наиболее заметные из этих проектов – системы Teledesic и Skybridge. Эти проекты уже предполагали использование не L/S-диапазона, а диапазона Ku/Ka и даже Q/V. Переход в эти диапазоны был сопряжен с необходимостью обеспечить скорости спутниковых каналов для сети Интернет, соизмеримые со скоростями, предоставляемыми в наземных каналах. Однако и в этом случае достаточно быстро стало очевидно, что достичь заявленных скоростей каналов проблематично, но главное – цена наземных терминалов оказалась столь высокой, что сводила на нет все достоинства системы. В результате ни один из объявленных проектов не дошел до стадии практической реализации (максимум, что было достигнуто – запущено два экспериментальных спутника Teledesic).
Примерно в 2013–2014 гг. появлилась информация о начале реализации новых низкоорбитальных сверхинформативных многоспутниковых систем в Ku- и Ka-диапазонах. К сожалению, информация научно-технического характера по новым системам LEO-HTS практически недоступна. В информационных сообщениях приводятся только общие данные, которые собранны в табл. 2. Судя по сообщениям, наиболее активно в 2014–2015 г. начали продвигаться в части привлечения инвестиций системы OneWeb и SpaceX (название условное). Однако в середине 2015 г. появились сообщения, что ЕКА поддержит не только проект OneWeb, но и проект LeoOne (https://artes.esa.int/news/esa-announces-dedicated-support-develop-ment-megaconstellations). Кроме того, компания Samsung объявила о начале работ над проектом, предполагающим создание спутниковой группировки из 4600 малых спутников (http://www.digitaltrends.com/com-puting/samsungs-space-internet-could-provide-the-whole-world-with-afford-able-internet/). В основу идеологии построения космического сегмента Samsung заложил идею о том, что задержка в спутниковых каналах многоспутниковой группировки при наличии межспутниковых связей может быть меньше, чем в наземных ВОЛС.
Компания Yaliny (с российским участием) объявила о создании системы из 135 малых низкоорбитальных спутников.
Основной аргумент разработчиков всех систем типа LEO-HTS при обосновании их актуальности: необходимость в спутниковых каналах с малой задержкой сигналов для создания сотовых сетей 3G/4G в регионах, удаленных от ВОЛС, и резервирование ВОЛС.
Техническая аргументация для обоснования их экономической эффективности в основном базируется на двух предположениях:
В совокупности представителями компаний разработчиков систем LEO-HTS утверждается, что низкоорбитальные многоспутниковые системы практически не имеют конкуренции со стороны спутниковых систем, поэтому успех в перспективе гарантирован.
Для объективности, то еть количественного сравнения эффективности различных систем примем значение себестоимости единицы передачи информации. Например, в [15] качестве такой единицы принято значение САРЕХ при создании системы, деленное на общую пропускную способность в Гбит/c. В результате системы LEO-HTS не имеют конкуренции по этому параметру (примерно $ 0,25 млн за Гбит/с). Признать такой подход объективным нет оснований, поскольку дополнительно, как минимум, следует учитывать срок активного существования спутника [16]. В данном случае в качестве сравнительной единицы примем затраты на поток Мбит/c, отнесенные к месяцу. Это дает представление о границе (без учета OPEX) предельно минимальной себестоимости единицы передачи информации, которую уже можно соотнести и с тарифной сеткой. В результате эффективность выражается простым соотношением:
Э = C/ (Ri*N*Tlife) (1)
Для проектируемых систем формулу (1) целесообразно уточнить путем введения коэффициента риска Kr:
Э = (C*Kr)/ (Ri*N*Tlife) (2)
В табл. 2 сведены все сведения для оценки эффективности системы в соответствии с формулами (1) и (2) для проектируемых систем. Очевидно, что заявленные сегодня системы OneWeb и тем более SpaceX на порядок более эффективны предыдущего поколения подобных систем.
Для оценки их конкурентоспособности (по сравнению с иными спутниковыми системами) аналогичные данные представлены в табл. 3 для действующих и проектируемых систем на основе HTS. Для проектируемых систем HTS коэффициент риска можно принять 1, поскольку цены на наземное оборудование центральных станций имеют тенденцию к снижению (в ближайшие 3–4 года снижение на 15% минимум по прогнозам проекта BATS).
Сравнение данных табл. 2 и 3 показывает, что проектируемые системы OneWeb и SpaceX, относящиеся к типу LEO-HTS, практически идентичны по технико-экономической эффективности с учетом CAPEX проектируемым системам HTS.
Однако достоверных значений OPEX для систем LEO-HTS и HTS, к сожалению, получить не удалось. Но можно предположить, что OPEX систем LEO-HTS будет всегда выше. Это обусловлено необходимостью управлять многоспутниковой группировкой LEO-HTS. Кроме того, следует учитывать вопросы, связанные с реализацией наземного сегмента систем LEO-HTS и HTS (табл. 4).
Дополнительно следует анализировать снижение эффективности многолучевых спутников LEO-HTS в зависимости от углового разноса обслуживаемых земных станций (это отдельная тема для исследований).
В качестве одного из аргументов для обоснования эффективности систем LEO-HTS утверждается, что стоимость абонентского терминала будет доведена до $ 100–300 (SpaceX), $200 (OneWeb), т.е. идентична стоимости абонентского терминала в системах HTS. Причем в качестве антенной системы предполагается использовать цифровые АФАР. Подобные антенны в перспективе планируется применять и для систем HTS (известны заявления Intelsat, Inmarsat).
В известных проектах особую надежду возлагают на компании Kymeta и Phasor. Причем по заявлению компании Kymeta АФАР будет реализована на основе метаматериала [17, 18]. Компания Phasor таких заявлений не публиковала.
Для оценки реальности достижения высоких технических и экономических показателей АФАР для задач спутниковой связи в Ku/Ka-диапазонах следует ответить на ряд вопросов, которые частично сформулированы в табл. 5. Дополнительно следует отметить, что новое понятие "метаматериал" зачастую введено в качестве рекламного хода. Подобные материалы известны с 1950-х гг., ранее назывались "искусственный диэлектрик" [17]. Сегодня это материалы на основе искусственного диэлектрика с электрически управляемой средой.
Особая опасность применения фазированных антенных решеток в качестве антенн наземных терминалов для работы в системах LEO-HTS сопряжена с необходимостью соблюдения условий ЭМС с системами, реализованными на геостационарных спутниках. Аналогичная проблема существует при использовании фазированных антенных решеток на подвижных средствах при работе со спутниками HTS.
Сравнение известных сегодня параметров будущих систем LEO-HTS с параметрами современных систем HTS показывает, что эффективность LEO-HTS без учета затрат на их эксплуатацию несколько лучше. Сравнение LEO-HTS с проектируемыми системами HTS показывает, что их эффективность можно считать примерно идентичной.
Однако общая проблема систем LEO-HTS в части минимизации стоимости наземного абонентского сегмента пока остается нерешенной. n
Литература
Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2015
Посещений: 8779
Автор
| |||
В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
