Мини-спутники собираются в стаи

Еще 10 лет назад большие надежды возлагались на систему глобальной связи Iridium – 66 основных спутников и 9 резервных. Иллюстрация с сайта www.iridium.com

В начале космической эры и даже каких-то 20–30 лет назад никто не предполагал, что космическая система может состоять из сотен и даже тысяч спутников. Оправданно ли создание таких гигантских многоспутниковых группировок?

Космическая услуга по требованию

Объективно перед современной космической техникой стоят три нерешенные проблемы: высокая себестоимость ракетно-космической техники, длительный производственный цикл изготовления и сложность обеспечения высокой надежности.

Первые две проблемы в принципе решают малоразмерные космические аппараты. Однако проблема надежности остается: даже у наиболее совершенных образцов современных малых спутников прогнозируемый срок активного функционирования не превышает 5–7 лет. Именно по этой причине, плюс открывающиеся возможности существенного повышения соотношения качество/эффективность целевого функционирования, получают все большее развитие многоспутниковые группировки космических аппаратов (КА).

Необходимость большого количества спутников в группировке диктуется возрастающими требованиями к эффективности целевого функционирования космических систем: в идеале любая космическая услуга должна быть предоставлена в любое время, в любом месте, с требуемым качеством, за умеренную плату. Именно по этой причине возникли глобальные навигационные спутниковые системы, глобальные системы связи, глобальные системы наблюдения, состоящие из десятков КА.

Однако глобальность таких систем часто лишь декларируется и до реализации концепции «космическая услуга по требованию» по-прежнему далеко: космические системы связи и навигации не имеют глобального покрытия, велико время задержки приема-передачи сигнала, нельзя оперативно получить изображение требуемого района земной поверхности, довольно дороги оконечные устройства потребителей и т.д.

Многоспутниковые системы позволяют в основном снять эти проблемы.

Задача снижения стоимости спутниковой группировки и конкуренция на рынках космических услуг определяют размерность КА – чем меньше, тем лучше. Конечно, с учетом имеющихся технологических возможностей достижения заданной эффективности, ограничивающих минимальную размерность спутника. Для развертывания и поддержания орбитальной группировки из сотен, а в перспективе и тысяч спутников, целесообразно выпускать их серийно: чем больше серия, тем ниже стоимость единицы продукции.

Выход из строя и прекращение активного функционирования одного или нескольких спутников лишь незначительно снизит эффективность, но не приведет к ее отказу.

Наконец, большое число спутников в группировке, размещенных на различных орбитах, позволяет получить ранее недостижимые характеристики оперативности, глобальности и др.

Teledesic жалко!

Идея многоспутниковых низкоорбитальных систем широкополосной связи и передачи данных возникла еще в 1990-е годы. Одной из первых таких систем должна была стать глобальная спутниковая сеть Teledesic, которая могла бы охватить до 95% поверхности Земли. Для реализации этого амбициозного телекоммуникационного проекта в июне 1990 года была основана компания Teledesic. В число основных инвесторов вошли создатель Microsoft Билл Гейтс, один из «отцов-основателей» телекоммуникационной индустрии Крэйг Мак-Коу и саудовский принц Алвалид бен Талал.

В рамках проекта Teledesic первоначально планировалось задействовать до 840 низкоорбитальных спутников, однако позже эта цифра снизилась до 288. При этом каждый спутник должен был обмениваться данными по каналам межспутниковой связи ISL (Intersatellite Links) с восемью своими ближайшими соседями. Приблизительная схема работы сети: сигнал от пользователя через наземный терминал поступает на спутник, затем, пройдя по цепочке спутников, он снова передается на наземный терминал, ближайший к точке назначения, откуда и транслируется к конечному пользователю. Для подключения к другим сетям предполагалось создать специальную систему шлюзов.

Демонстрационный спутник системы массой 120 кг – Teledesic T1 – был выведен на орбиту высотой 580–535 км с наклонением 97,7° при помощи ракеты-носителя Pegas-XL в феврале 1998 года. В 2002 году планировалось ввести систему Teledesic в эксплуатацию. Расходы на развертывание системы оценивались в 9 млрд долл.

Однако 30 сентября 2002 года Крэйг Мак-Коу заявил сотрудникам Teledesic: «В сложившейся ситуации на телекоммуникационном и фондовых рынках мы сэкономим деньги инвесторов, если приостановим свою деятельность. На данный момент мы не знаем условий, при которых эта компания смогла бы приносить прибыль. Вероятно, в будущем такая возможность появится».

Нужно сказать, что Teledesic стала не первой обанкротившейся компанией подобного профиля. За два года до этого, 10 марта 2000 года, на сайте компании Motorola появился релиз о прекращении обслуживания телефонов глобальной системы Iridium – 66 основных спутников и 9 резервных. Таким образом был инициирован процесс банкротства ее дочерней компании. А 15 февраля 2002 года добровольные ходатайства о банкротстве подали Globalstar (48 основных спутников и 4 резервных) и три его дочерние компании.

Следует заметить, что КА первых версий низкоорбитальных многоспутниковых систем связи Iridium и Globalstar были менее совершенными по сравнению со спутниками Teledesic: отсутствовала межспутниковая связь, масса КА составляла: 680 кг – Iridium, и 450 кг – Globalstar. Предназначались они в основном для телефонной связи.

Система Globalstar не была, строго говоря, глобальной из-за низкого наклонения орбиты (52°) и отсутствия покрытия в Южной и Юго-Восточной Азии, а также на большей части Африки. Iridium являлась глобальной, но стоимость звонков на телефоны Iridium была очень высокой – до 14 долл. за минуту.

В дальнейшем при поддержке государства и Министерства обороны США были образованы компании Iridium Satellite LLC и Globalstar Inc, работающие и поныне.

Мода на космическое мини

Почему же потерпела крах первая попытка создания низкоорбитальных многоспутниковых систем связи? Основная причина неудач – чрезвычайно низкие продажи, не обеспечивающие выход на окупаемость даже в перспективе. Причиной провала продаж эксперты называли необоснованно высокие тарифы, превышавшие в несколько раз тарифы уже существовавшей к тому времени спутниковой телефонии Inmarsat, неверные оценки объема рынка и недооценку распространения сотовой связи.

В наше время идею многоспутниковых систем связывают прежде всего с возросшими требованиями к глобальности, скорости и объемам информационного обмена. Результатом требований времени явилось возрождение идеи многоспутниковых систем передачи данных, состоящих из сотен и даже тысяч КА на низкой орбите высотой от 500 до 1600 км. В различных странах мира сейчас создаются или прорабатываются вопросы создания примерно 20 таких систем.

Лидирует британская многоспутниковая низкоорбитальная система OneWeb, которая, как ожидается, с помощью современных технологий мобильной спутниковой связи сумеет обеспечить широкополосный доступ в интернет для пользователей всего мира. Развертывание OneWeb началось в феврале 2019 года.

Проект, стартовавший в 2014 году, поначалу был отдельным направлением внутри компании Google. В тот момент считалось достаточным инвестировать около миллиарда долларов и вывести на орбиту 180 КА. Чуть позднее Грегом Уайлером – иногда его называют Илоном Маском в индустрии спутниковой связи – была основана компания World Vu Satellites Ltd, названная впоследствии OneWeb. Основными инвесторами проекта стали производитель чипов Qualcomm Inc. и холдинг Ричарда Бренсона Virgin Group. Компания OneWeb зарегистрирована на острове Джерси, Великобритания, хотя все предприятия OneWeb функционируют в США.

Идею многоспутниковых систем связывают с возросшими требованиями к скорости и объемам информационного обмена. Иллюстрация Pixabay

Вообще говоря, для глобального и непрерывного покрытия территории Земли, включая приполярные области, было бы достаточно от 24 до 96 спутников. Упомянутые 720 спутников нужны для формирования многолучевой заявленной зоны обслуживания абонентов с требуемой скоростью передачи данных без использования межспутниковой связи.

Среди других, менее продвинутых проектов и предпроектных проработок многоспутниковых низкоорбитальных систем передачи данных необходимо назвать системы LeoSal, Boeing NGSO, StarLink (все – США), Telesat LEO (Канада), LinkSure Swarm (Китай). Количество КА в перечисленных многоспутниковых системах может составить от 45 (Telesat LEO) до 3200 (StarLink).

КА всех перспективных многоспутниковых систем, как правило, будут относиться к категории мини- или микроспутников массой не более 300 кг.

Planet присмотритза планетой

На данный момент существует единственная многоспутниковая система дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) – космическая система компании Planet (Сан-Франциско, Калифорния, США): более 140 спутников Flock, 13 спутников SkySat и 5 спутников RapidEye. Компания, основанная 29 декабря 2010 года инженерами, ранее работавшими в NASA, поставила своей целью использование наноспутников формфактора CubeSat для получения качественных изображений земной поверхности.

После успешной демонстрации разработанных технологий – спутники-демонстраторы Dove-1 и Dove-2 были запущены в апреле 2013 года – летом 2013 года компания была переименована в Planet Labs Inc и с тех пор смогла привлечь более 200 млн долл. инвестиций. С начала 2014 года компания приступила к развертыванию орбитальной группировки из наноспутников Flock первого поколения. Эволюция КА происходила очень быстро: создание нового поколения спутников занимало несколько месяцев.

Успешное привлечение инвестиций позволило стартапу совершать серьезные приобретения. В июле 2015 года была приобретена фирма BlackBridge, которая владеет группировкой КА ДЗЗ RapidEye, а 3 февраля 2017 года руководство Google заявило, что продает Planet свое подразделение Terra Bella – создателей спутников SkySat.

Подход к производству КА в Planet напоминает работу создателей портативной электроники (смартфонов, планшетов) или программного обеспечения. Вместо резервирования систем спутника и качественной наземной отработки было принято решение изготавливать сразу много спутников, от резервирования бортовых систем отказаться, а испытания проводить непосредственно в космосе. Поиск оптимальной конструкции происходил за счет быстрого внедрения новых решений и их проверки на орбите. Именно такой подход позволил компании быть на шаг впереди рынка.

Другая важная особенность философии конструирования спутников в Planet – широкое использование «земных» решений, в первую очередь из автомобильной и электронной промышленности. Так, для анализа тепловых режимов наноспутника использовалось то же программное обеспечение, что и для аналогичных расчетов дизелей Ford. А проектирование электроники КА производилось в том же программном пакете, что и игровая консоль Playstation. Даже испытания проводились в лабораториях, специализирующихся на испытаниях игровых консолей.

По критерию цена/качество были забракованы все возможные компоненты космического назначения. Применялась только общепромышленная элементная компонентная база и по мере необходимости – ПЛИСы (программируемые логические интегральные схемы).

Масса наноспутников типа Dove/Flock (CubeSat 3U) составляет всего 5–6 кг. Срок активного существования – 3 года. Съемочная аппаратура позволяет получать изображения поверхности Земли в четырех спектральных каналах с разрешением 3–5 м с шириной полосы захвата 20 км. Причем съемка производится постоянно при полете над сушей с частотой один раз в секунду.

Двигательная установка на борту наноспутников Flock отсутствует. Поэтому поддержание положения на орбите осуществляется за счет изменения его ориентации и, как следствие, миделева сечения (наибольшее по площади сечение движущегося тела плоскостью, перпендикулярной направлению движения) и силы атмосферного торможения. Так, разведение по фазе 28 наноспутников заняло всего 35 дней.

Чтобы выполнить требования нормативных документов по ограничению образования космического мусора, спутники запускаются на солнечно-синхронную орбиту высотой не более 600 км. В этом случае срок баллистического существования спутника, прекратившего активное функционирование, не будет превышать требуемых международными нормами 25 лет.

Спутники ДЗЗ RapidEye (разработка канадской компании MacDonald Dettwiler совместно с британской Surrey Satellite Technology) и SkySat (стартап компании Skybox Imaging, позднее – Terra Bella), дополняющие орбитальную группировку спутников Flock, по классификации американского Federal Aviation Administration относятся к микроспутникам и имеют массу 110–160 кг. RapidEye и SkySat дополняют Flock как в части получения изображений и видео метрового разрешения, так и в части наблюдений в инфракрасном диапазоне спектра.

Таким образом, компании Planet удалось решить задачу ежедневного получения изображений всей поверхности Земли с разрешением не хуже 5 м. Такая частота обновления информации позволяет осуществлять глобальное наблюдение в режиме реального времени.

Помимо самой большой в мире орбитальной группировки компанией была создана мощная наземная инфраструктура. На 12 площадках трех континентов развернуты наземные станции с 36 приемными антеннами диаметром 4,5–8 м), обеспечивающими как управление спутниками, так и прием изображений. В штатном режиме функционирования система будет обеспечивать ежедневный прием и обработку 6 терабайт данных.

Интересно, что операции по управлению полетом всей орбитальной группировки удалось автоматизировать до такой степени, что дежурных смен просто нет, а команда центра управления полетами – 5 человек – работает с понедельника по пятницу с 9 до 17 часов.

В результате анализа снимков высокопериодичной последовательности, полученных компанией Planet, были, в частности, выявлены испытания ядерного оружия Северной Кореей в тоннелях под горой Мантап – фиксировались оползни, вызванные взрывами; систематическое сжигание деревень мусульманских рохинья в Мьянме и другие политически важные события.

Выводы, проблемы и прогнозы

На практике высокая эффективность функционирования многоспутниковых систем была подтверждена лишь для задач ДЗЗ (многоспутниковая система наблюдения компании Planet). Однако это было достигнуто «в лоб» – то есть за счет очень большого количества получаемых изображений земной поверхности, передаваемых на наземные станции приема, – 36 приемных антенн на трех континентах.

Что касается использования многоспутниковых систем для решения задачи широкополосной передачи данных, то о практических результатах пока говорить преждевременно. Неудачи первых низкоорбитальных систем спутниковой связи и передачи данных (Teledesic, Iridium, Globalstar) были обусловлены прежде всего экономическими факторами. Большое количество спутников в системе определяет уровень начальных инвестиций – не менее 3 млрд долл. Но скорее всего инвестиции в создание орбитальных группировок связи и передачи данных и наземное оборудование для их функционирования будут превышены в несколько раз. Именно так и произошло при создании более простых систем Iridium и Globalstar: конечные инвестиции превзошли плановые в 6–7 раз.

Компания OneWeb Satellites, как следует из анализа выступлений в прессе руководителей оператора, а также новостных сообщений, в настоящее время уже испытывает определенные трудности.

Во-первых, компании все еще не удается обеспечить должное кредитное финансирование. Ряд потенциальных инвесторов вообще не видят широкого потребительского интереса к услугам системы OneWeb.

Во-вторых, цена абонентского терминала, исходя из современных технологических возможностей мировой радиотехнической промышленности, остается очень высокой, значительно выше, чем заявляют инвесторы проекта OneWeb и иных ему подобных: не ниже 770 долл.

Кроме того, при функционировании многоспутниковых группировок низкоорбитальных КА связи и передачи данных будут создаваться помехи для земных станций практически всех геостационарных систем связи и вещания, работающих в Кu-диапазоне частот (сантиметровый диапазон частот длин волн, используемых в спутниковом телевидении).

Компания OneWeb предложила ряд инженерных решений проблемы электромагнитной совместимости с геостационарными системами спутниковой связи и вещания, таких, например, как временное выключение лучей. Но операторов геостационарных систем эти предложения не удовлетворили. Оказалось, что помеха, создаваемая даже одним спутником OneWeb, делает невозможным прием информации от спутников связи на высокоэллиптических орбитах. Наконец, на территориях выше 60 градусов северной широты (60 градусов южной широты) соседние спутники низкоорбитальной группировки связи и передачи данных будут конфликтовать друг с другом. Придется либо отключать излучение отдельных соседствующих аппаратов, либо проводить сложное частотное распределение.

Реальное развертывание заявленных многоспутниковых группировок может привести к коллапсу спутниковых систем связи из-за их взаимного деструктивного воздействия. Видимо, необходим новый алгоритм выделения полос радиочастот и допуска многоспутниковых низкоорбитальных систем для их развертывания на околоземных орбитах с учетом электромагнитной совместимости.

Очевидно, что по мере увеличения количества КА на орбите будет обостряться проблема космического мусора. В пределе по мере роста загрязнения околоземного космического пространства (ОКП) может наступить так называемый каскадный эффект – эффект Кесслера, по имени впервые описавшего такой сценарий консультанта NASA Дональда Кесслера. Он возникает, когда в результате цепной реакции «саморазмножения» фрагментов космического мусора любое выведение КА на орбиту будет заканчиваться столкновением с техногенным обломком. Для того чтобы оттянуть момент наступления каскадного эффекта, был принят ряд национальных и международных нормативных документов, ограничивающих темпы засорения ОКП.

Согласно этим документам требуется, чтобы срок баллистического существования КА, прекративших активное функционирование на низких орбитах (то есть на орбитах высотой менее 2000 км), не превышал 25 лет. В противном случае они должны быть уведены на орбиту с таким сроком существования или в плотные слои атмосферы с последующим затоплением.

Со стороны Federal Communications Commission предъявляются еще более жесткие требования к ограничению засорения ОКП: в случае развертывания системы OneWeb любой отказавший КА должен войти в плотные слои атмосферы в течение шести месяцев.

В связи с проблемой космического мусора следует отметить два обстоятельства:

– действующие нормы ограничения загрязнения ОКП принимались без учета возможного развертывания на низких орбитах многоспутниковых группировок КА;

– по мнению ряда ученых, каскадный эффект в отношении некоторых видов космического мусора уже начался в областях низких орбит, например малоразмерной фракции мусора на высотах 900–1000 и 1500 км.

Таким образом, на сегодняшний день нет уверенности в том, что развертывание многоспутниковых группировок не приведет к фатальным последствиям, обусловленным резким скачком плотности загрязнения ОКП фрагментами космического мусора.

Использование для управления многоспутниковой группировкой существующих средств наземного комплекса практически невозможно ввиду слишком большой численности космических аппаратов. Возникает качественно новая задача управления орбитальной группировкой как единой системой взаимосвязанных элементов, а не как совокупностью отдельно взятых объектов. Для решения этой задачи целесообразно использовать возможности межспутниковой связи, алгоритмы так называемого роевого управления и мультиагентные технологии. Однако в настоящее время проблемы группового управления в космосе прорабатываются лишь теоретически.