Рекорд Маска выявил неустранимую проблему спутникового Интернета Starlink
Компания SpaceX поставила в июле своеобразный рекорд: на ее мощностях было собрано 120 спутников системы глобального космического интернет-доступа Starlink. Пока это наибольшее количество космических аппаратов, которое когда-либо производилось на протяжении месяца. До сих пор самым быстрым серийным производством спутников отличилась компания Iridium, которая в середине 1990-х годов смогла наладить выпуск десятка спутников в месяц для использования в своей системе глобальной связи.
Однако даже такой прорыв компании Илона Маска в производстве может оказаться недостаточным, если принять в расчет требования к самой системы Starlink, объясняет обозреватель Федерального агентства новостей.
4000 спутников вместо 77
Starlink — это проект глобального спутникового Интернета, предложенный в 2015 компанией SpaceX. На протяжении пяти лет разработки проекта его дизайн неоднократно менялся, но в настоящий момент состав спутниковой группировки более-менее понятен.
SpaceX подал заявку на выведение в несколько этапов на орбиту 4409 аппаратов, которые призваны обеспечить ограниченный доступ в Интернет с лимитированной скоростью — зато практически в любой точке Земного шара, за исключением полярных районов. Такова, по замыслу Маска, первая фаза создания космического Интернета. Начальная группировка спутников первой фазы в количестве 1584 аппаратов будет выведена на орбиты с наклонением 53º и высотой 550 км, дав начальное покрытие планеты. Основная группировка в количестве 1600 спутников расположится на орбите высотой 1110 км и наклонением 53,8º. И еще 1225 спутников будут выведены на приполярные орбиты наклонением 70–81º и высотой 1130–1325 км, чтобы обеспечивать связь в высоких широтах.
Такой «зоопарк» орбит выбран SpaceX не случайно. Дело в том, что при конструировании спутников, в том числе с целью обеспечить их максимальную технологичность и простоту, компания Маска пошла на ряд упрощений. В частности, спутники системы Starlink и приемо-передающие терминалы сконструированы так, что наземные абоненты могут работать только со аппаратами, находящимися выше 40° над горизонтом. Это сразу определяет немалое количество спутников в системе — радиус круга видимости аппарата даже на орбите 1110 км над Землей составляет всего 1060 км в проекции на поверхность планеты.
Для сравнения, упомянутая система глобальной телефонной связи Iridium, созданная в 1990-е годы, обходилась лишь 77 спутниками, расположенными на орбите 784 км. Но за такую простоту спутниковой группировки приходилось платить неудобством абонентов. Для осуществления телефонного звонка приходилось выходить из помещения, так как сигнал Iridium часто шел от спутника, заслоненного конструкциями здания и находящегося низко над горизонтом или, наоборот, почти в зените. Впрочем, абонентов это устраивало, так как часто спутниковая телефонная связь была единственным каналом коммуникации в отдаленных или труднодоступных местах Земли.
В случае же Starlink изначальный расчет был несколько иным. Рыночная концепция развертывания этой сети предполагала, что ею будут пользоваться люди, которые мало разбираются в технических вопросах и хотели бы использовать спутниковый Интернет по принципу «воткнул и забыл». Поэтому число спутников пришлось поднять на два порядка, чтобы хотя бы один аппарат всегда «заглядывал» абоненту в окошко.
Для этих же целей часть спутников спустили на достаточно низкую орбиту 550 км. От ее высоты напрямую зависит размер приемных антенн и мощность передатчиков, причем как на самом спутнике, так и у абонента. Кроме того, Starlink будет использовать для связи коротковолновые Ku и Ka диапазоны, вместо диапазона L, который использовал Iridium. За счет этого можно обеспечить большую скорость передачи, тогда как в L-диапазоне удавалось передавать только очень сжатый голос и короткие смс-сообщения, а данные передавались со смехотворной скоростью 10 кбит/с. Однако антенны Ku и Ka диапазонов получаются достаточно громоздкими: для уверенного приема сигнала с орбиты 550 км их диаметр должен составлять не менее 0,5 метра. В случае же орбиты высотой 1100 км требования к наземным антеннам становятся и того больше.
Впрочем, уже в развертывании первой фазы Starlink наглядно видно, что в компании Маска отнюдь не надеются на условного «обывателя в домашних тапочках». Например, все приполярные спутники подняты на орбиты даже выше 1100 км, чтобы максимально продлить их срок жизни. Расчет тут прост: в приполярных районах не так хорошо с наземной связью, и проживающие там люди готовы не только поставить у себя во дворе полутораметровую антенну, но и за Интернет заплатить сполна — лишь бы он вообще у них был.
Главное — высота орбиты
Если вы не прогуливали в школе геометрию, то уже могли легко подсчитать, что при снижении орбиты вдвое, с 1100 до 550 км, радиус круга на земной поверхности при заданном угле возвышения спутника (40° над горизонтом) уменьшится тоже в два раза. А вот размер антенны упадет уже в квадратичной зависимости, то есть вчетверо — так устроены все взаимодействия в нашем мире, в том числе и электромагнитное.
То есть в рамках чистой геометрии математика Starlink достаточно проста: при снижении высоты орбиты спутников в два раза в системе надо иметь вчетверо больше аппаратов, но зато терминалы у абонентов и антенны у спутников будут тоже в четыре раза меньше, при заданной мощности сигнала. Картинка крайне упрощенная, но для нашего объяснения вполне пригодная.
Так почему же Маск не запустил аппараты на орбиту высотой, например, 225 км? Формально ведь это тоже космос — по правилам космическое пространство начинается на высоте 100 км.
Дело в том, что на такой низкой орбите космический аппарат «живет» лишь около недели. Дальше он начинает резко тормозиться за счет трения об остаточную атмосферу планеты, которая оказывает значимое влияние на орбитальную динамику даже на такой высоте. Поэтому столь низкую орбиту используют исключительно для начального выведения аппаратов, после чего те, уже с помощью собственных двигателей или разгонных блоков, стараются поскорее «убраться» с нее куда-нибудь повыше.
Однако даже на более высоких орбитах атмосфера Земли все равно тормозит аппараты. Например, орбита МКС составляет около 400 км, однако станции приходится несколько раз в год поднимать орбиту за счет своих двигателей, а одним из важных грузов для МКС является топливо для этой регулярной операции.
У спутников Starlink есть собственные двигатели, которые основаны на эффекте Холла и используют инертный газ криптон. Разгонный блок ракеты Falcon 9 выводит каждую партию спутников на так называемую парковочную орбиту высотой 380 км, после чего те поднимаются на более высокие орбиты уже с помощью своего топлива. Кстати, именно запасом топлива в баках определяется предельный срок службы спутника Starlink: по расчетам, он составит 8 лет. После этого «пустой», но еще, возможно, работоспособный спутник будет на остатках топлива сводиться с рабочей орбиты, чтобы сгореть в атмосфере.
Парковочная орбита высотой 380 км имеет и еще один смысл. Если спутник просто бросить на ней, то он просуществует чуть больше года, после чего сам, за счет медленного торможения об атмосферу, сойдет с орбиты и сгорит. Так и происходит на деле — практически в каждом запуске из 60 спутников Starlink уже на парковочной орбите выясняется, что 2–3 аппарата не выходят на связь, имеют неисправности или просто не могут включить свои двигатели. После этого такие спутники переходят в статус «пассивных» и сходят с орбиты естественным образом. Это, скорее всего, неизбежная плата за «конвейерный» способ производства аппаратов, хотя SpaceX не любит афишировать неисправности собственных спутников, объясняя их «тестированием системы».
Но самым интересным моментом является то, что вторая фаза развертывания Starlink предполагает еще более амбициозный план: в ходе нее на орбиты должны быть выведены 7518 аппаратов. В отличие от спутников первой фазы, орбиты этих аппаратов будут располагаться гораздо ниже, на высоте всего 335–345 километров. На такой высоте без коррекции орбиты спутник живет лишь около полугода, так что пока неясно, как можно поддерживать стабильность группировки из 7,5 тысяч аппаратов на столь низких орбитах.
Конечно, это позволит принимать сигнал Starlink чуть ли не на специальный смартфон с мощной (и громоздкой, в стиле «весла» Iridium) антенной. Но платить за такую роскошь надо будет тем, что ежемесячно с орбиты лишь за счет торможения об атмосферу будут сходить чуть ли не полтысячи аппаратов.
Может быть, в этом и состоит план Илона Маска? Ведь такой подход — это просто «золотое дно» для пусковой индустрии. Делать по 8, а то и по 16 запусков в месяц с тем, чтобы просто поддерживать стабильность спутниковой группировки, — это же как в сказку попасть, несмотря на неустранимую проблему с ее постоянной заменой. Правда, тогда получится, что многоразовые ракеты SpaceX выводят одноразовые спутники Starlink… Неожиданно, да?
А теперь вернемся к рекорду прошлого месяца. После всего сказанного рекордная планка в 120 собранных за месяц спутников выглядит уже не столь оптимистично. Даже для реализации первой фазы Starlink нужно учитывать, что через 8 лет каждый месяц будут выходить из строя около 50 аппаратов. А вторая фаза, с низкими орбитами, легко поднимет требование по ежемесячной сборке новых аппаратов до отметки 500–600 единиц.
Так рекорд Маска высветил глубинную проблему создания Starlink, решение которой еще предстоит найти.
Илон Маск объявил о запуске Starlink. Зачем миллиардеру проект спутникового интернета и как он изменит мир?
В начале недели Илон Маск объявил, что проект спутникового интернета Starlink официально стартует в октябре. Это означает, что бета-тест технологии закончился, и оборудование для работы сервиса поступит в широкую продажу. Ожидается расширение географии Starlink и появление в новых странах. Есть вероятность, что в недалеком будущем интернет от Илона Маска официально заработает и на территории СНГ — в частности, переговоры об этом ведут SpaceX и представители союза. «Лента.ру» рассказывает, что собой представляет спутниковый интернет — конкретно Starlink и концепция в целом, а также объясняет, как он изменит нашу жизнь.
Концепция космического интернета основана на обмене данными между тремя объектами. Стоящий в домохозяйстве терминал связывается со спутником, который передает данные наземной станции, затем сигнал устремляется в обратном направлении. В частности, спутники Starlink находятся на низкой околоземной орбите — это позволяет обеспечивать относительно низкую задержку сигнала. Они не закреплены за определенной областью, так как находятся в постоянном движении. Наземные терминалы вылавливают спутники в небе, работают с ними, пока они не скроются за горизонтом, а затем ищут новые. Есть и геостационарные спутники, которые движутся со скоростью вращения планеты, поэтому с Земли они кажутся неподвижными.
Согласно актуальным данным, четверо из десяти человек на планете не пользуются интернетом. За последние пару лет проникновение сетей замедлилось из-за пандемии коронавируса. Огромная часть населения планеты проживает в регионах, в которых нет возможности развернуть проводной интернет или организовать быстрый доступ. Во многих случаях создание интернет-инфраструктуры для конкретной области является очень дорогим предприятием — по экономическим причинам или из-за неудачного географического расположения. В этом случае альтернативы связи через спутники нет.
Постоянный доступ в интернет необходим корпорациям. Например, экономический потенциал Арктики крайне высок, однако на Северном полюсе нет возможности провести оптоволоконный кабель и постоянно обслуживать линию. Быстрый интернет нужен государственным организациям — полиции, скорой помощи, спасательным службам, военным предприятиям. Скорость имеет решающее значение в бизнесе. Небольшая задержка сигнала обойдется брокерам на фондовых биржах в миллионы долларов.
Наконец, постоянный доступ к сети необходим для развития интернета вещей, умных домов и городов. В ближайшие десятилетия, с появлением городов нового поколения, нагрузка на сеть будет высочайшей, и классический проводной интернет может не справиться.
Для функционирования проводного интернета необходим кабель, идущий от провайдера, и специальное сетевое оборудование — роутер или маршрутизатор. Концепция спутникового интернета крайне сложна, так как подразумевает постоянное перемещение небесных объектов и взаимодействие между ними. Однако конечный пользователь должен позаботиться лишь о наличии терминала или спутниковой тарелки для приема сигнала и роутера. Доступ в сеть предоставляется по подписке — как и в случае оптоволоконного соединения.
Традиционные провайдеры интернета обеспокоены развитием спутниковых систем. Однако бенефициар проекта Starlink Илон Маск уверен, что спутниковый интернет не конкурирует с проводным, а дополняет его. Сейчас на рынке есть несколько крупных компаний, которые активно предлагают свои услуги. Это Starlink от SpaceX, Athena от Facebook, Viasat, HughesNet и прочие. Некоторые компании — как Starlink — подключают обычных потребителей, бренды вроде OneWeb и Telesat ориентированы только на корпоративный сектор.
Преимущества глобального охвата впечатляют экспертов. Спутниковый интернет позволяет оперативно развернуть доступ в любой точке мира. Если для проводного доступа нужно тянуть дорогой оптоволоконный кабель, то здесь необходимо лишь установить тарелку для приема сигнала. Надежность интернета из космоса высока: в случае выхода из строя одного спутника его подстрахуют другие.
Важным недостатком такого типа связи является низкая по сравнению с проводным интернетом скорость и высокая задержка. Вероятно, в будущем эти проблемы решатся благодаря лазерной связи между спутниками и прочими нововведениями. Как оказалось, на качество соединения Starlink влияют не только жара, сильный дождь и снегопад, но даже обычные птицы.
Одним из недостатков космического интернета является его дороговизна. Например, стоимость доступа к HughesNet составляет от 60 до 150 долларов в месяц, при этом трафик ограничен 10-50 гигабайтами. Интернет от Starlink обойдется в 99 долларов в месяц, стоимость подключения от корпоративных провайдеров неизвестна и варьируется в зависимости от оператора. Также довольно дорого стоит оборудование: если в случае традиционного интернета нужно купить лишь роутер, то здесь придется приобретать полноценный терминал. Впрочем, с распространением спутниковой инфраструктуры и ростом конкуренции стоимость такого типа связи, вероятно, будет ниже стоимости проводного интернета.
Starlink: как сверхскоростной интернет покоряет космос
SpaceX запускает спутники на орбиту партиями по 60 штук с мая 2019 года, причем в марте 2021-го таких запусков было четыре. Каждый спутник весит 260 кг, а ступень для их запуска рассчитана на 100 миссий: каждый раз она возвращается на плавучую платформу Of Course I Still Love You («Конечно, я все еще люблю тебя») в Атлантическом океане, в 630 км от мыса Канаверал.
Все это — в рамках миссии Starlink 22, очередной амбициозной затеи Маска.
Зачем это нужно
Идея состоит в том, чтобы окутать сетью из небольших телеком-спутников всю планету на низкой околоземной орбите — в 500-2000 км от поверхности. Один спутник покрывает небольшую территорию, например, размером с Аляску. Поэтому их запускают группами для покрытия определенной территории. Успех какого-либо низкоорбитального проекта приведет к полному изменению телеком-инфраструктуры во всем мире.
Финансовым драйвером является потенциальный рынок — малоосвоенные территории с плохим интернет-покрытием, сложным ландшафтом или нахождением в океане. Например, только население Африки, по данным ООН, составляет 1,3 млрд или 16,7% населения Земли.
Технология производства возвращаемых ракет многократного использования кардинально изменит стоимость и возможность реализации сетки из тысяч интернет-спутников. Банкротство LeoSat и OneWeb оставляет на рынке единственного лидера — американскую компанию Илона Маска StarLink и, как известно, коммерческое производство ракет многократного использования также успешно стартовало под руководством Маска.
OneWeb — более успешный британский проект, запущенный в 2012 году экс-сотрудником Google Грегом Уайлером.
OneWeb успела выполнить три запуска: в 2019, 2020 и 2021 году. Последние два — совместно с Россией: с космодрома «Байконур», при помощи ракеты-носителя «Союз-СТ-Б». Однако Россия приостановила сотрудничество, и оставшиеся запуски пока под вопросом.
Как сейчас обстоят дела со спутниковым интернетом
Недорогой широкополосный интернет в труднодоступных местах за счет группировки спутников ━ ближайшая американская реальность. Проекты спутниковой связи существуют уже не один десяток лет. Согласно UCS Satellite Database, в начале 2020 года на орбите Земли насчитывалось более 2 600 активных спутников.
Новое поколение коммуникационных спутников на негеосинхронных орбитах (NGSO) — низкой околоземной орбите (LEO) и средней околоземной орбите (MEO) — активно запускалось в космос за последний год. Аналитики McKinsey прогнозируют производство и запуск спутников в беспрецедентных масштабах.
И даже в случае провала крупнейших телеком-проектов на низкой околоземной орбите в течение ближайших десяти лет будет запущено 50 тыс. активных спутников.
Как SpaceX планирует захватить мир
После банкротства OneWeb единственным активным и масштабным проектом является StarLink.
Каждый спутник весит 260 кг и имеет конструкцию из плоских панелей для максимально компактного размещения на ракете Falcon 9. Спутники оснащены четырьмя антеннами с фазированной решеткой и ионными двигателями на криптоне.
Анимация, созданная Дэном Олтрогге из Analytical Graphics, показывает 57 тыс. запланированных спутников, запускаемых на орбиту вокруг Земли с 2017 по 2029 год. Большинство запланированных спутников будут принадлежать компании Илона Маска StarLink. Каждая точка в анимации представляет один спутник.
Сколько стоит интернет от Starlink
По состоянию на конец марта 2021 года в мире насчитывают 10 тыс. пользователей Starlink. К 2027 году их число вырастет до 42 тыс.
Главные конкуренты StarLink
Iridium Communications
Компания SpaceX получила контракт на запуск всех спутников следующего поколения Iridium NEXT. Запуски проводились с использованием ракеты Falcon 9, и за 2017-19 годы количество модернизированных спутников на орбите достигло 75 штук.
В январе 2020 года спутниковый кластер Iridium Communications был сертифицирован для использования в Глобальной системе оповещения о бедствиях и обеспечения безопасности на море (GMDSS). Сертификация положила конец монополии американской компании Inmarsat с 1999 года.
GalaxySpace и правительство Китая
Амбиции создания флота спутников есть у китайской компании GalaxySpace. В январе 2020 года GalaxySpace запустила первый широкополосный интернет-спутник на низкой околоземной орбите со скоростью передачи трафика 24 Гбит/с, но только для китайских пользователей. Это первый частный спутниковый проект в стране, который оценивают в 8 млрд юаней ($1,2 млрд).
В сентябре 2020 года правительство Китая подало заявку в Международный союз электросвязи (ITU) на программу запуска 12 992 низкоорбитальных спутников. Всего, по последним прогнозам, в ближайшие годы планируется развернуть сеть до 100 тыс. спутников, а суммарные инвестиции в инфраструктуру составляют 100 млрд юаней ($15,4 млрд).
Однако одна из основных проблем частной космической отрасли в стране — в том, что компании не покрывают всей необходимой цепочки, в отличие от Starlink с ее разработкой, производством, запуском и дистрибуцией.
GalaxySpace стремится решить эту проблему: строит завод по производству 500 спутников в год, предоставляет услуги спутниковой связи и развивает сети 5G.
Amazon
Успех Илона Маска не дает спать спокойно и Amazon. В рамках проекта Джеффа Безоса, известного как Kuiper, планируется вывести на низкую околоземную (от 590 до 630 км) орбиту 3236 спутников. Они будут обеспечивать скорость трафика до 400 Мбит/с. Amazon заявляет, что развернет спутники в пять этапов, при этом услуги широкополосной связи начнутся после того, как на орбиту будет выведено 578 спутников. Однако пока это только планы, хотя у другого проекта Безоса — Blue Origin — есть собственная ракета многократного использования New Shepard.
Telesat и правительство Канады
Полноценное покрытие обещают во второй половине 2024-го. Ранее компания заявила о намерении увеличить количество спутников до 500, а их суммарная пропускная способность составит 15 Тбит/с. Для запуска задействуют ракеты Blue Origin и других компаний.
Как развивается спутниковый интернет в России
Помимо запусков спутников OneWeb, Россия еще в 2019 году планировала развивать сеть спутниковой связи совместно с Китаем. В рамках программы предполагалось сотрудничество спутниковой системы «Гонец» (дочерняя компания госкорпорации «Роскосмос») и Китайской корпорации аэрокосмической науки и промышленности (CASIC).
Проект Hongyun предполагает развертывание сети спутников на орбите высотой 1 000 км, чтобы сигнал был доступен из любой точки мира. Часть китайских спутников предполагалось запустить при помощи российских ракет-носителей «Союз» с самарского центра «Прогресс». Завершение программы намечено на 2025 год.
В июле 2020-го на целевую геопереходную орбиту (высота около 200 км) доставили спутники связи «Экспресс-80» и «Экспресс-103». Они построены на базе более ранних моделей в партнерстве с Thales Alenia Space. Спутники будут обеспечивать не только интернет, но и фиксированную и подвижную связь, а также цифровое ТВ.
С 2022 по 2024 годы российские власти планируют развернуть военные системы связи и разведки с помощью спутников. Они будут отслеживать ракетные пуски и малые космические аппараты других стран. Программу запустят в рамках создания Единой космической системы (ЕКС). В 2023 году, после запуска третьего этапа, начнется развертывание высокоорбитальной космической системы разведки.
Чем опасны спутники на орбите
Одна из проблем массовых запусков спутников — космический мусор на орбите. Он образуется из обломков устройств, которые вращаются на орбите. По данным Европейского космического агентства, всего на орбите Земли находится около 3200 сломанных спутников, которые летают с огромной скоростью. Это представляет опасность для других спутников, орбитальных станций и космических ракет. В SpaceX заявляют, что неисправные спутники должны сойти с орбиты или сгореть в атмосфере Земли. Правда, на это уйдет до пяти лет.
Есть и другие проблемы. В конце 2020 года Федеральная комиссия по связи США (FCC), по просьбе компании Viasat (американская медиагруппа, осуществляющая спутниковое вещание), начала проверку спутниковой сети Starlink на предмет возможной экологической угрозы.
Ракеты-носители, которые выводят спутники на орбиту, выбрасывают в атмосферу вредные химикаты, которые разрушают озоновый слой. Маск с обвинениями не согласился и заявил, что, скорее, «Starlink представляет опасность для доходов Viasat».
Наконец, и ракеты, и спутники усиливают световое загрязнение — световые помехи, которые мешают астрономам наблюдать за космическими объектами.