Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Эффективность низкоорбитальных систем спутниковой связи на основе малых космических аппаратовThe efficiency of low-orbit satellite communications systems based on the small spacecraft

Представлены параметры, характеризующие эффективность систем связи, реализованных на основе низкоорбитальных спутников. Предложен простой экспресс-метод сравнения их эффективности между собой и с конкурирующими спутниковыми системами типа HTS. Оценка эффективности и конкурентоспособности основана на сопоставлении себестоимости передачи единицы информации. Показано, что этот параметр существенно улучшился за последние 20 лет. Например, проектируемые сегодня низкоорбитальные системы типа LEO-HTS имеют, в ряде случаев, на порядок более высокую эффективность, чем предыдущая генерация подобных систем в 2000-х гг. Их эффективность сопоставима со спутниками HTS 3 поколения (типа Viasat-2), но все же не выше эффективности спутниковых систем HTS, планируемых к 2020 г. Однако анализ проблем реализации перспективных систем LEO-HTS показывает, что по состоянию на ближайшие годы пока нет технических решений для создания дешевых антенн для абонентских терминалов. В прошлом именно этот факт принципиально сказывался на продвижении проектов низкоорбитальных систем (Teledesic, SkyBridge), поэтому пока нет оснований возлагать особые надежды на бурное развитие низкоорбитальных систем связи.

Presented parameters determining the efficiency of communication systems onthe basis of low-orbit satellites. A simple rapid method of comparing their performance with each other and competing satellite systems such as HTS. Evaluating the effectiveness and competitiveness based on a comparison of the cost for transmission a unit information. It is shown that this option is significantly improved over the last twenty years to LEO-HTS. For example, projected today LEO systems such as LEO-HTS, in some cases by an order have a higher efficiency than the previous generation of such systemsin the 2000-s. Their efficiency is comparable with satellites HTS 3rd generation (such as Viasat-2), but not higher than the efficiency of satellite systems HTS, planned for 2020. However, analysis of the problems of realization of future systems LEO-HTS, shows that as of the next few years is no technical solutions to create cheap antennas for subscriber terminals. In the past, this fact fundamentally affect the realization of projects of low-orbit systems (Teledesic, SkyBridge), so there is no reason to place special hopes on the rapid development of low-orbit communications systems.

Валентин Анпилогов
Заместитель генерального директора ЗАО "ВИСАТ-ТЕЛ", к.т.н., доцент
Vlentin Anpilogov
Deputy General Director JSC "VISAT-TEL", Ph.D, assistant professor
Ключевые слова:
низкоорбитальные системы спутниковой связи, малые спутники связи, эффективность спутниковых систем, системы HTS, LEO-HTS
Keywords:
low-orbit satellite communications system, small satellites, the effectiveness of satellite systems, system HTS, LEO-HTS

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).

Нано и микроспутники

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.

Мини- и малые спутники

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:

  1. масса спутников сегодня по сравнению с системами 2000-х гг. снижена в 2–3 раза, а их производство приблизится к серийному, т.е. цена развертывания космической группировки может быть минимизирована,
  2. в наземных станциях могут быть использованы относительно дешевые антенные системы типа цифровых АФАР, реализуемых на основе мета-материала.

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.

Эффективность и конкурентоспособность

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)

  • С – заявленная стоимость системы (CAPEX), с учетом создания космического и земного сегментов, $;
  • Ri – емкость спутника (прямые + обратные каналы), Мбит/с;
  • N – число активных спутников в составе космической группировки;
  • Tlife – месяцы заявленной жизни спутника.

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).

ФАР и АФАР для земных станций

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.

Итог

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

  1. Анпилогов В.Р. Малые спутники на ГСО. Обзор и анализ российских проектов // Технологии и средства связи. – 2000. № 6.
  2. Ефремов А.Г., Витер В.В. и др. Малые спутники в сетях связи и вещания // Технологии и средства связи. – 2000. № 1.
  3. Прохоров Ю.В., Петухов А.П., Киселев В.А., Зарубин В.К. Спутниковая система "Диалог" на базе малых космических геостационарных аппаратов: Тезисы доклада. Материалы 4-й Международной конференции "Спутниковая связь-2000". Москва, сентябрь, 2000 г.
  4. Small Spacecraft Technology State of the Art // Mission Design Division Staff Ames Research Center. Moffett Field,Californi,. NASA/TP–2014–216648/REV1. [online] Доступ через https://www.nasa.gov/sites/default/files/files/ Small_Spacecraft_Technology_State_of_the_Art_2014.pdf.
  5. Пусковые услуги, маркетинговые исследования рынка спутниковой связи и вещания 2014/2015, под редакцией Анпилогова В.Р. [online] Доступ через http://www.vsat-tel.ru/market/market8.pdf.
  6. Бородич С.В. О применении систем спутниковой связи со спутниками на низких орбитах // Электросвязь. – 1995. № 9. С. 19–24.
  7. 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.
  8. Анпилогов В.Р. Системы персональной спутниковой связи на основе не геостационарных ИСЗ // Век качества. – 2001. № 1.
  9. Анпилогов В.Р. Еще раз об эффективности спутниковых систем // Век качества. – 2005. № 2.
  10. Крылов А.М. Анализ создания и развития низкоорбитальных систем спутниковой связи // Технологии и средства связи. – 2010. № 6-2. Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание-2011".
  11. Анпилогов В.Р. Сверхинформативные системы спутниковой связи XXI века // Технологии и средства связи. – 1998. № 6.
  12. Анпилогов В.Р.. Система спутниковой связи и передачи данных TELEDESIC – глобальные планы // Broadcasting. – 2001. № 4.
  13. Система связи на основе негеостационарных спутников Ка-диапазона // Технологии и средства связи. – 2009. № 6-2. Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание и вещание-2010". Обзор под редакцией Анпилогова В.Р. С. 42–43.
  14. MEO/LEO Constellations: U.S. Laws, Policies, and Regulations on Orbital Debris Mitigation, American Institute of Aeronautics and Astronautics. – 1999, AIAA SP-016-2-1999. [online] Доступ через (http://www.spacewx.com/Docs/AIAA-730-653.pdf).
  15. B. Prokosh, LEO HTS: The Silver Bullet to Bridge the Digital Divide? // Satellite Executive Briefing. March 2015. P. 26–27.
  16. Анпилогов В.Р., Тырин П.М., Эйдус А.Г. Характерные особенности развития спутниковой связи и вещания // Технологии и средства связи. – 2014. № 6-2. Специальный выпуск "Спутниковая связь и вещание-2015". С. 36–40.
  17. Анпилогов В. О фазированных антенных решетках Ka-диапазона на основе метаматериала // Технологии и средства связи. – 2013. № 5. С. 66–67.
  18. Слюсарь В. Перспективные технологии антенных решеток мобильных терминалов спутниковой связи // Технологии и средства связи. – 2014. № 4. С. 64–68.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2015
Посещений: 8700

  Автор

Анпилогов Валентин Романович

Анпилогов Валентин Романович

Зам.ген.директора ЗАО "Висат-Теп"

Всего статей:  56

В рубрику "Спутниковая связь" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций