SpaceX уже выбивается в лидеры индустрии, но сталкивается с «земными» проблемами — регуляцией властей и конкуренцией со стороны других компаний.
В октябре 2021 года SpaceX в бета-тесте системы Starlink принимали участие больше 900 тысяч человек — они остались довольны качеством связи, несмотря на поначалу скептичное отношении к интернету через спутник.
Компания Илона Маска не единственная осваивает низкую орбиту, а журналисты говорят о новой гонке технологий. Но все преследуют разные цели — одни хотят дать доступ в интернет бизнесу, а другие — рядовым пользователям, и всех хотят регулировать власти.
Спутниковый интернет доступен людям почти 20 лет, но раньше технология была нишевой из-за дорогих запусков ракет. Теперь, когда миллиардеры вкладывают деньги в собственные космические компании, на орбиту ежегодно выходят тысячи летательных аппаратов.
Спутниковая связь появилась до эпохи интернета
Передавать данные через спутник человечество научилось ещё в 1960-ых. Аппараты NASA проекта Syncom транслировали телевизионную картинку с Олимпийский игр в Токио, а позже обеспечивали связь высшего командования американской армии во время войны во Вьетнаме.
В апреле 1965 года американский Intelsat I стал первым коммерческим аппаратом через который работала телефонная связь, телевидение и факс. Пробыв на орбите больше четырёх лет, вместо запланированных 18 месяцев, Intelsat I показал, что одно устройство в космосе может обеспечить качественную и быструю связь из космоса между Америкой и Европой.
Intelsat I находился на геостационарной орбите. Это означает, что спутник размещён над экватором и его угловая скорость движения равна скорости вращения Земли. Он как бы зафиксирован над одной точкой и наземные тарелки настраиваются точно на него. Высота такой орбиты — 35786 километров.
К 1970-ым спутников становилось больше — и СССР, и США запускали аппараты для бытовой, коммерческой и военной связи. Технологии развивались и новые аппараты регулярно увеличивали зону покрытия. В 1990-ых появились технологии малых наземных станций (VSAT), которые уже можно было разместить в офисе или небольшом посёлке. Вскоре ТВ-приёмники получали сигнал напрямую из космоса благодаря освоению новых диапазонов частот радиоволн.
Новые спутники передавали информацию быстрее и надёжнее — возникла индустрия индивидуальной спутниковой телефонной связи. В это же время активно развивался интернет, который требовал прокладки физических сетей. В Европе и США возникла идея передавать сигнал через спутник, как это уже делалось для телефонии и телевидения.
В конце 2000-ых несколько телекоммуникационных компаний в мире предлагали спутниковый интернет бизнесу и частным клиентам. Комплект оборудования стоил от 199 до 650 долларов, а минимальный ежемесячный платёж — больше 40 долларов. Это примерно в два раза дороже коммутируемого доступа через модем (dial-up), но и в несколько раз быстрее. Модемы выдавали около 35-40 кбит/с против 150-200 кбит/с спутникового интернета.
Существует два вида спутникового интернета: асинхронный и синхронный. Первый способ подразумевает, что помимо тарелки у клиента есть дополнительно передающее устройство. Так как объём исходящего трафика обычно во много раз меньше, то для отправки запросов подойдёт медленный (9600 бит/с) и дешёвый канал связи.
При синхронном способе подключения тарелка и принимает, и отправляет запросы. Средняя скорость соединения может быть 2-3 Мбит/с, но для прохождения радиосигналом всего пути от спутника и обратно потребуется около 500 миллисекунд. Для проводных соединений показатель задержки обычно равен 3-5 миллисекундам.
Расцвет и застой спутникового интернета
В начале 2000-ых спутниковый асинхронный интернет завоёвывал рынок: пользователи платили отдельно за входящий и исходящий трафик, но получали контент на скорости в 2-3 раза больше. Типичный набор оборудования состоял из небольшой тарелки, терминала (или специальной платы) для соединения со спутником и модема для отправки запросов.
Оборудование требовало точной настройки. Операторы предупреждали о метеозависимости спутникового интернета и невозможности играть в онлайн-игры из-за высоких показателей задержки. Впрочем, это не сказывалось на веб-сёрфинге, а скачивались файлы быстрее, чем при работе через модем. Пользователи с энтузиазмом покупали комплекты и делились впечатлениями от использования.
Оно работает! Мне ещё надо изучить Internet Explorer и Outlook Express. Netscape частично работает. Столько ещё предстоит узнать. Я всё ещё изучаю характеристики системы. Одна из них — как можно передвигать антенну, чтобы она работала без изменений.
Сэм Пенни
пользователь спутникового интернета в 2001 году
Объём трафика постоянно рос — в интернете появлялась новая музыка, фильмы и онлайн-игры. Проводной интернет, в основном по технологии xDSL (позволяла не занимать телефонный канал в отличии от dial-up), приходил в небольшие города. Из оборудования необходим был только делитель канала и модем, не требующий частой настройки, а тарифы становились доступнее с каждым годом.
Пользователи спутникового интернета были недовольны ограничениями по времени соединения — многим не хватало стандартных 25 часов в неделю, учитывая время, когда интернет работал с перебоями из-за плохой погоды или случайного смещения тарелки.
Провайдеры боролись с задержками, но безуспешно. Ни софт, ни оборудование не могли компенсировать проходимое сигналом расстояние, поэтому компании задумали сократить расстояние до космических объектов. Для этого спутники можно выводить на низкую околоземную орбиту, потеряв достоинства геостационарной.
Высота от 160 до 2000 километров над поверхностью Земли пригодна для размещения небольших спутников весом до тысячи килограммов. Для устойчивой связи их потребуется несколько десятков или сотен, но вывод аппаратов на орбиту дешевле, а задержки связи сокращаются из-за меньшей высоты полёта.
В 1998 году компания Iridium вывела в космос более 60 устройств, передающих сигнал для телефонной связи. От задумки до реализации прошло больше 10 лет и технология проиграла GSM — минута разговора стоила минимум шесть долларов, а аппараты архаичного дизайна за две тысяч долларов не нравились покупателям. Cистема позже нашла клиентов, пройдя банкротство, смену владельцев и переосмысление стратегии развития.
Спутники Iridium первого поколения запомнились вспышками в небе — антенны спутников отражают солнечный свет на несколько секунд, что выглядит как «падающая звезда» Фото Карла Милнера
Компания Motorola в это же время задумала вывести на низкую околоземную орбиту 63 спутника для стабильного интернета. На высоте около 1400 километров космическая радиация меньше влияет на устройства, уменьшается время задержки, а подобные запуски гораздо дешевле. Впрочем, проект Celestri всё равно получался чрезвычайно дорогим — почти 13 миллиардов долларов.
Motorola вышла из проекта, вложив деньги в Teledesic. Компания планировала вывести на орбиту высотой примерно 700 километров больше 800 спутников, но позже скорректировала планы — 288 спутников на высоте 1400 километров. Компания, в которую инвестировали Билл Гейтс и Boeing, так и не построила рабочих спутников, а в 2003 году отказалась от использования выделенного ей диапазона частот.
Краткий обзор планируемых в то время низкоорбитальных спутниковых систем мобильной связи
Teledesic
Teledesic - широкополосной низкоорбитальной спутниковой коммуникационной системе - выделены две полосы по 500 МГц в Ка-диапазоне (20-30 ГГц). Up-link: 28,6-29,1 ГГц; down-link: 18,8-19,3 ГГц.
Система состоит из 288 спутников на 12 орбитах. Все эти спутники, связанные в единую сеть, должны организовать систему "космического Интернета" (Internet in the sky). В пределах зоны радиусом 100 км система сможет поддерживать скорость 500 Мбит/с на и от пользователя. Большинство пользовательских терминалов способны поддерживать скорость 64 Мбит/с в обоих направлениях. Базовым режимом, то есть наиболее массовым, по оценкам экспертов компании, будет режим c up-link скоростью 2 Мбит/с и down-link скоростью 64 Мбит/с.
Celestri
Особенность этой системы заключается в совместном использовании низкоорбитальных и геостационарных спутников. Спутники, находящиеся на низких орбитах, будут осуществлять региональную трансляцию, геостационарные спутники — глобальную. Эта система является "второй серией", которую решила продемонстрировать компания Motorolla вслед за уже широко известным Iridium'ом. Если Iridium осуществляет телефонную и пейджинговую связь, то система Celestri должна предоставить своим пользователям полный набор мультимедийных услуг.
Низкоорбитальная группировка будет состоять из 63 спутников, расположенных на 7 орбитах. Высота орбиты - 1400 км, наклонение - 48°, период обращения - 1,9 часа. Каждый спутник будет общаться с пользователями со скоростью 80 Гбит/с. Минимальный срок службы каждого аппарата - 8 лет. Частотный диапазон: Up-link 28,6-29,1 и 29,5-30,0 ГГц; Down-link 18,8-19,3 и 19,7-20,2 ГГц; скорость межспутниковой связи 4,5 Гбит/с.
Геостационарная группировка состоит из девяти спутников, каждый из которых будет формировать 4 широких луча и 84 узких. Скорость связи в каждом луче - 2,8 Гбит/с. Набор пользовательской аппаратуры предусматривает терминалы со скоростями от 64 Кбит/с до 155 Мбит/с. Стоимость самого дешевого комплекта оборудования не должна превышать 750 долларов.
Ellipso
Ellipso является гибридной системой, включающей 17 спутников в двух группировках: средне- и низко-орбитальной.
Создатели системы поставили себе задачу минимизировать стоимость одной минуту, для чего они пошли по пути достижения максимальной эффективности системы минимальными средствами. То есть сделали так, чтобы спутники обслуживали заселенные области, а время пролета над малонаселенными областями было минимизировано.
Спутниковая группировка разделена на две половины: Ellipso-Boreal и Ellipso-Concordia. Первая предназначена для обслуживания Северного полушария, вторая - южного. В системе Ellipso-Boreal - 10 спутников, выведенных на эллиптические орбиты (апогей - 7846 км, перигей - 520 км, наклонение - 116,5°, период обращения - 3 часа). Апогей орбиты находится в северном полушарии, таким образом, большую часть периода спутник обслуживает северное полушарие. Система Ellipso-Concordia состоит из шести спутников, находящихся на круговых экваториальных орбитах высотой 8040 км. Эта система будет обслуживать южное полушарие, причем только до 47° ю.ш. Все территории, находящиеся южнее, по замыслу создателей, не заселены и в мобильной связи не нуждаются. Кстати, на эту орбитальную схему создателями получен патент. По их словам, данное расположение орбит повышает эффективность системы чуть ли не на 20 % по сравнению с системой, расположенной на круговых орбитах.
Globalstar
Система состоит из 56 спутников на восьми орбитах. При этом шесть спутников на каждой орбите являются рабочими, а по одному - резервными. Высота орбиты - 1414 км, наклонение - 52°. Масса каждого спутника - 450 кг, минимальный срок службы - 7,5 лет.
Особенность Globalstar заключается в том, что при запросе пользователя сначала будет сделана попытка соединить пользователя через местную сотовую сеть. При невозможности сделать это, сигнал будет отправлен на спутник, с которого - на узловую станцию (Gateway), и далее - в местные коммуникационные сети. Таким образом, Globalstar является не альтернативой традиционным методам связи, а только дополнением. В проект всех остальных систем тоже заложена совместимость с наземными сетями, однако, "врастание" в такой сильной степени характерно только для Globalstar.
Рабочие частоты Globalstar:
1610-1621,35 МГц - Up-link - связь пользователь-спутник
2483,5-2500 МГц - down-link - связь спутник-пользователь
5091-5250 МГц - feeder up-link - связь gateway-спутник
6875-7055 МГц - feeder down-link - связь спутник-gateway
Sky Bridge
Спутниковая группировка Sky Bridge включает 64 спутника на низких орбитах, обеспечивая пользователей всем "джентльменским набором" мультимедийных услуг: передача данных, корпоративная связь, выход в Интернет, игры. Каждый спутник формирует 45 лучей, каждый из которых обслуживает область радиусом 350 км. Масса спутника - 800 кг, минимальный срок службы - 8 лет. Пользовательский терминал обеспечивает скорость 64 Мбит/с на линии "спутник-Земля" и 2 Мбит/с на линии "Земля-спутник". Предполагается создать около 200 узловых трансляционных станций, обеспечивающих связь Sky Bridge c местными коммуникационными сетями. Эти же станции будут обеспечивать переключение пользователя со спутника, выходящего из зоны видимости.
Как сейчас работает спутниковый интернет
С начала 2000-ых провайдеры по всему миру предлагают синхронный и асинхронный доступ в интернет. В России тарелки до сих пор используют для приёма в отдалённых частях города или населённых пунктах, где нет проводного соединения.
Большинство устройств принадлежит ФГУП «Космическая связь». Семейство геостационарных спутников «Экспресс» делит рынок с группировкой коммерческих спутников «Ямал» компании «Газпром космические системы». Построены аппараты совместно с франко-итальянской Thales Alenia Space, которая поставляет аппаратуру связи.
«Ямал 401» во время испытаний. Одна из задач аппарата — предоставление синхронного интернета через локальных операторов связи Фото «Газпром космические системы»
Операторы предлагают комплекты оборудования стоимостью от 30 тысяч рублей и абонентской платой с лимитированным трафиком от 5 до 10 гигабайт примерно за 1000 рублей. На сайтах отзывов сообщения пользователей похожи на обзоры спутникового интернета начала 2000-ых — люди жалуются на задержки в 600 миллисекунд и просадки скорости до 512 Кбит/с.
Спутниковый интернет активно развивается в Африке, где стабильная связь есть только у 18% населения Фото Hughes Network Systems
Крупнейшие игроки в Европе и США — те же самые компании, что продвигали спутники двадцать лет назад. Hughes Network Systems и Viasat Inc. были пионерами спутниковой передачи данных, но заработали состояние на передаче ТВ-сигнала. В США по-прежнему больше 8 миллионов человек пользуются спутниковым синхронным интернетом. В России абонентов спутникового интернета около 127 тысяч.
Телекоммуникационные компании приспосабливаются к проникновению проводного интернета — многие спутниковые провайдеры обратили внимание на интернет вещей. «Умным» устройствам не нужен быстрый интернет, а задержки не влияют на нормальную работу. Во многих промышленных решениях отказоустойчивость важнее скорости передачи данных.
Большинство компаний, предоставляющих спутниковый интернет, работают с геостационарными спутниками. Именно поэтому в разных странах условия и стоимость работы спутникового интернета одинаковы. Решить проблемы задержек по-прежнему невозможно из-за расстояния, на котором находятся спутники.
Одной из причин провала первых проектов размещения спутников на низкой околоземной орбите была стоимость запусков. Полёты частных космических компаний обходятся дешевле партнёрства с государственными структурами и их число растёт. Владельцы телекоммуникационных компаний рассчитывают, что сотрудничество с частными аэрокосмическими фирмами поможет развивать спутниковую связь, включая интернет.
Актуальные проекты спутникового интернета на низкой орбите
Iridium Communications: спутники первого поколения сведены с орбиты, но концепция низкой орбиты сохранена. Американская компания предлагает телефонную связь и интернет на скорости 704 Кбит/с.
Viasat Inc.: один из мировых лидеров спутниковой связи (через спутники на геостационарной орбите) несколько лет работает над проектом малых спутников, планируя запустить почти три сотни к 2026. Некоторые ключевые топ-менеджеры сомневаются в необходимости таких программ, предлагая сосредоточиться на традиционном для компании бизнесе.
Telesat: компания планирует к 2024 отправить группировку из 298 спутников на низкую околоземную орбиту. Финансируют проект власти Канады и частные инвесторы. Компания предложит как традиционные решения на высоких орбитах, так и скоростной проект Lightspeed.
Project Kuiper: компания Джеффа Безоса работает над собственными спутниками и планирует запустить прототипы на орбиту в 2022 году. В программе больше 3000 спутников, но сроки зависят от аэрокосмического проекта Blue Origin.
OneWeb: британская компания к осени 2021 года отправила на орбиту больше 320 спутников. Группировка работает на высоте 1200 километров, а с 2020 года запускают спутники в космос российские ракеты. Продукт британцев заточен под бизнес, а не под частных клиентов.
SpaceX Starlink: проект доступного каждому спутникового интернета существует с 2015 года и вывела больше 1000 аппаратов на орбиту. Компания Илона Маска добилась разрешения на вывод 12 тысяч спутников, что позволит покрыть весь земной шар единой сетью связи.
О выводе спутников на низкую орбиту сообщали Китай и Россия. В Азии одновременно существуют несколько программ доступа в интернет через спутники, но наиболее перспективной считается инфраструктура для промышленности и интернета вещей.
Скиф. Система «Скиф» не является конкурентом указанным системам, обращающимся по более низким орбитам и создающимся по концепции удешевления абонентского оборудования. «Скиф» проектировался как некий аналог европейской спутниковой системы O3b, предназначенной для телекоммуникаций и передачи данных из удаленных мест и использующей 20 спутников на приэкваториальной орбите. Группировка «Скиф» будет обращаться по приполярным орбитам, ее охват будет шире, хотя наземное оборудование (терминалы и управляющие станции) несколько сложнее. Необходимо помнить, что основная задача «Скифа» – обеспечить связь между шлюзовыми станциями, расположенными в местностях, где никакой связи, даже телефонной, нет, а оптоволокно прокладывать дорого. Например, это полярные станции и северные поселки.
Мегафон 1440. О создании «МегаФон 1440» сотовый оператор объявил в октябре 2020 года. . В ноябре этого года «МегаФон 1440» получил радиочастоты в диапазонах Ka (26,5–40 ГГц) и Ku (12–18 ГГц) в России.
Марафон IoT (орбита около 1200 километров). Спутники связи для интернета-вещей.
Большинство проектов спутникового интернета не затронут жизнь рядовых пользователей интернета. Многие из них строятся под нужды промышленности, судоходства или правительственной связи. Среди них выделяется Starlink, который изначально задумывали для обеспечения интернетом населения, а не компаний.
Россия пока больше зарабатывает на выводе спутников на околоземную орбиту — несколько десятков аппаратов OneWeb отправились в космос с Байконура и космодрома «Восточный» Фото «Роскосмос»
Что строит Маск и какие проблемы ему предстоит решить
У SpaceX простая задумка: вывести тысячи спутников весом 260 килограммов на низкой околоземную орбиту и покрыть всю планету единой сетью. На 550 километрах от поверхности Земли образуется «оболочка» (Shell), которая позволит пользователям беспрерывно взаимодействовать с одним из спутников.
Транслируется интернет на спутник с одной из наземных станций, где есть проводное соединение с магистральным наземным провайдером. Компания планирует строить собственные опорные шлюзы по необходимости. Принимают сигнал пользователи с помощью комплекта фирменного оборудования (тарелка и терминал), которые продаются за 499 долларов (около 35700 рублей). Абонентская плата в месяц — 99 долларов (чуть больше 7000 рублей).
Установка комплекта Starlink не требует специальных навыков. SpaceX подчёркивает, что их устройства понятны и доступны каждому Фото The Verge
Пользователи довольны спутниковым интернетом Илона Маска — в США, Канаде, Новой Зеландии задержки составляют 20-40 миллисекунд, а скорость может достигать 400 Мбит/с при средних показателях в 50-150. Впрочем, на некоторых островных территориях регулярно случаются разрывы. Там SpaceX строит дополнительные наземные станции.
Одно из важных преимуществ Starlink — отказоустойчивость и простота настройки. Тарелка сама наводится на ближайший спутник с помощью встроенного электромотора. Пользователи отмечают, что теперь не надо платить несколько тысяч долларов за первоначальную настройку и вызывать мастера после сильного ветра или падения на тарелку снега.
За две фазы Маск планирует вывести на орбиту новые группировки спутников, которые образуют новые «оболочки». В сентябре 2021 года началось формирование второго слоя. Высота орбиты будет отличаться на десятки километров, но изменится угол наклона орбиты к экватору, что позволит покрыть новые территории.
Подготовка к пуску — 60 спутников Starlink загружены в ракету Falcon 9 Фото SpaceX
Пока о массовых проблемах Starlink известно мало. У некоторых пользователей перегревается тарелка, но компания работает над устранением проблемы, как и удешевлением набора до 250 долларов. Больше всего сложностей SpaceX ожидает в области регулирования интернета. Особенно остро — в развивающихся странах с сильной интернет-цензурой.
В США Федеральная комиссия по связи не только быстро пропускает запросы компании Маска на изменение программы, но и финансирует Starlink в целях покрытия интернетом отдалённых частей страны. Жалобы на SpaceX подавала Kuiper Systems Джеффа Безоса, работающая над собственным проектом спутников на низкой околоземной орбите, и Dish Networks, разворачивающая связь 5G в труднодоступных местах США.
Компанию обвинили в использовании неправильно лицензированного оборудования, обходе правил по выводу спутников на орбиту и замусоривании околоземной орбиты. Маска опосредовано обвинили в манипуляции общественным мнением через социальные сети и призвали к честной конкуренции. Регулятор отклонил все претензии компаний.
В твитере Илон Маск ответил основателю Dish Netwroks , что Starlink представляет угрозу только доходам его компании, а не окружающей среде и космосу
В Европе власти обеспокоены лицензированием деятельности и взаимодействием разных технологий связи. Регуляторы хотят создать условия, при которых спутники и наземный интернет будут дополнять друг друга для обеспечения надёжной связи всему населению ЕС.
В Индии и Пакистане в 2022 запретили принимать предзаказы на бета-версию Starlink до получения разрешения на частоты. Против внедрения выступает некоммерческая организация Broadband India Forum, в которую входят крупнейшие представители телекоммуникационной отрасли (Cisco, Google, AT&T и другие). Маска снова обвиняют в нарушении правил предоставления услуг и недобросовестной конкуренции. Тот же OneWeb уже получил разрешение.
В твитере глава SpaceX предлагает пригрозить кулаком в небо регуляторам стран, где не будет наземных станций, а значит интернет может приходить с точки без региональных ограничений. Строящиеся спутники оснастят системой лазерной связи, что уменьшит роль наземных шлюзов. Такая модель работы соответствует главной идее Starlink — одинаковый доступный интернет для каждого.
Starlink в РФ
StarLink не подавал заявки на получение частот. Нет и российской дочки, как в других странах.
Как власти могут препятствовать работе StarLink?
Власти могут предпринять попытку «глушить» подобную связь, но Starlink, как и многие другие системы спутниковой связи, используют специальный набор частот (Ku-диапазон). Вмешательство в передачу данных может привести к сбоям в работе других систем, включая сотовые телефоны и правительственные каналы связи.
Правительство рассматривает возможность штрафовать должностные лица и предприятия за использование спутникового интернета, работающего не по правилам. Пока неясно как будут выявляться факты нарушения законодательства и будет ли наказание для физических лиц.
OneWeb заявила о планах построить базовые станции в России, что отчасти означает согласие выполнять все требования местного законодательства. Пока из крупных провайдеров спутникового интернета только Iridium Communications выполнила все требования
законодательства, построив станцию сопряжения и подключившись к СОРМ.
Космический мусор
Помимо государственного регулирования, в работе спутников на низкой околоземной орбите существует общая проблема для всех проектов — космический мусор. Тысячи аппаратов летают вокруг Земли и пока столкновения случаются крайне редко, но рост количества спутников может спровоцировать массовые инциденты.
При самом печальном развитии событий, околоземная орбита станет практически непригодной для использования. Отключившиеся или сбившиеся с курса спутники будут бесконтрольно вращаться вокруг Земли и заблокируют полёты. Такое гипотетическое явление называют синдромом (эффектом) Кесслера.
NASA и «Роскосмос» отслеживают большую часть космического мусора и планируют очищать орбиту специальными роботизированными мусорщиками. Частным компаниями рекомендуется принудительно опускать отработавшие ресурс аппараты в плотные слои атмосферы Земли, где они будут сгорать.
Количество спутников напрямую зависит от количества пользователей. Премьер-министр Михаил Мишустин летом 2021 года заявил, что к 2030 году вся территория России будет обеспечена доступом в интернет через установку более тысячи базовых станций. Мишустин не уточнил о какой технологии шла речь, но сроки совпадают с реализацией проекта спутниковой связи «Сфера».
Россия несколько раз попадала в рейтинги стран с самой низкой оплатой за интернет. Провайдеры предлагают физическим лицам безлимитные тарифные планы от 350 рублей, что почти в 20 раз меньше предложения Starlink. По данным Deloitte россияне всё чаще отказываются и от проводного интернета в пользу мобильного, в том числе благодаря его стабильности и территории покрытия.
В отделённых районах действуют спутниковые провайдеры, работающие на геостационарных орбитах. Пользователей может привлечь гораздо более стабильный и скоростной интернет, если у них не возникнет проблем с получением оборудования на территории России.
Использованы материалы: https://siblec.ru/telekommunikatsii/mobilnye-sistemy-svyazi/... и tjornal