Массовый забег на низких орбитах

Портативные и карманные компьютеры, мобильные телефоны и пейджеры, дорожные офисные комплекты — сегодня человек не сидит на одном месте, он находится в постоянном движении. Наземные службы связи изо всех сил стараются поддерживать ритм и динамику современной жизни. Видя успехи таких еще вчера специфических услуг, как роуминг, корпорации, владеющие опытом реализации космической связи, не смогли устоять перед соблазном. Уже в конце 80-х годов многие из них приняли решение поучаствовать в дележе столь аппетитного пирога, каким являлся рынок мобильных коммуникаций. Однако существующие высокоорбитальные спутниковые системы уже давно перестали удовлетворять требованиям глобального бизнеса. Нужно было нечто новое и оригинальное. И оно появилось в виде колоссальных проектов больших и малых средне- и низкоорбитальных систем спутниковой связи — MEO (middle Earth orbit) и LEO (low Earth orbit).

Основное отличие больших систем от малых состоит в количестве активных ИСЗ (искусственных спутников Земли) и сложности их конструкции. Если аппараты, предназначенные для функционирования в рамках малых систем, зачастую являются простыми ретрансляторами, исполняющими роль соединения между пользователем и наземным коммутационным центром, то спутнику большой системы свойственно заниматься и более сложными задачами, такими как обработка факсов и пейджинговых сообщений, коммутация в рамках космического сегмента, отложенная передача данных.

Идея использования низких и средних орбит возникла с образованием первых интерактивных сетей, в которых требовалось обеспечить малое время прохождения сигнала от абонента через спутник к провайдеру информации (лаг). Однако вместе с уменьшением высоты орбиты на первый план выходят и другие проблемы. Во-первых, для низкоорбитальных (до 1,5 тыс. км) систем становится актуальным торможение спутников в земной атмосфере, которое на данных высотах приводит к сокращению срока службы сателлитов до пяти—семи лет. Во-вторых, площадь, обслуживаемая одним аппаратом, сужается, а скорость его движения относительно земной поверхности возрастает. Следовательно, время контакта абонента с одним спутником уменьшается до очень малой величины (для Teledesic в случае фиксированной диаграммы направленности антенны оно составляет около 2 мин) и процедура переключения с одного ИСЗ на другой делается проблемной, препятствующей полноценному использованию пропускной способности каналов и понижающей надежность соединения.

С другой стороны, запуск на низкую орбиту дешевле и проще вывода на геостационарную, нет необходимости в мощном передатчике и неудобных остронаправленных антеннах для пользовательских терминалов. Но и самих спутников зато теперь нужно во много раз больше. В поисках компромисса инженеры обратились к средним орбитам, и появилось несколько проектов, нацеленных на создание MEO-систем. Тем не менее интерактивность требует минимального лага, и среднеорбитальные комплексы с трудом удовлетворяют этому требованию.

Что было

Фактически начало соревнованию было положено в середине 90-х годов, хотя планы уже давно созревали в лабораториях. Так, в 1995 г. корпорации Orbital Communications и AMSC вывели по нескольку ИСЗ для проведения пробных испытаний. А затем процесс «орбитальной гонки» стал набирать обороты со скоростью неуправляемого товарного состава, несущегося с крутого откоса. Что же планировали сделать многочисленные свежеиспеченные космические концерны в начале пути? Давайте посмотрим, для чего выберем наиболее яркие и оригинальные примеры и далее внимательно изучим плоды их деятельности на сегодняшний день.

Orbcomm

Система Orbcomm — детище международного альянса инвесторов, в который входят Orbital Sciences Corp. (США), Teleglobe Inc. (Канада), Technology Resources Industries Berhad (Малайзия) и некоторые другие компании. Это 36 спутников весом 43 кг каждый на орбитах высотой 825 км. Мощность их передатчиков составляет 160 Вт, данные передаются в режиме off-line, т. е. с отложенной передачей. Создатели системы не предусмотрели средств межспутниковой связи, поэтому информация, полученная ИСЗ от наземного абонента, должна ожидать того момента, когда он окажется непосредственно в зоне видимости получателя. В качестве дополнительной услуги предполагалось организовать и передачу цифровой информации со скоростью 2400 или 4800 бит/c. Инженеры концерна спланировали практически стандартную систему наземных станций, включающую один сетевой центр контроля (NCC — Network Control Center), размещенный в США, и множество региональных коммутирующих контрольных центров (Gateway Control Center) с коммутирующими наземными станциями (Gateway Earth Station). Главной задачей этих центров являлось сопряжение космического сегмента системы с существующими наземными сетями коммуникаций.

Ориентирована Orbcomm в первую очередь на рынок систем спасения и аварийного поиска — отсюда дешевые портативные терминалы (ценой около 100 долл.). Предполагалось установить следующие тарифы: 3—4 долл. за минуту телефонного соединения и 0,25—1 долл. за 100 байт данных. Это была одна из наиболее недорогих и интересных услуг мобильной спутниковой связи. Намечалось к концу 1997 г. довести число ИСЗ до 28, а к 1999 г. записать в свой актив 2 млн. пользователей.

Ellipso

Это проект компании Ellipsat, дочернего предприятия Mobile Communications Holdings, среди инвесторов которого значатся такие влиятельные корпорации, как Harris и Westinghouse. Система насчитывает 16 спутников. Выбор орбитальной конфигурации представляет особый интерес. По убеждению специалистов Ellipsat, она обеспечивает самое эффективное решение из всех возможных. Предложено два основных типа орбит: Borealis и Concordia. Две эллиптические Borealis охватывают земной шар от северного до южного полюса, находясь под некоторым углом относительно меридианов и друг друга. Максимального удаления от земной поверхности они достигают над северным полюсом (7800 км). Таким образом, в северном полушарии начиная от 40-й параллели и далее одновременно наблюдается наибольшее число спутников. Кроме того, там же отмечается и самый длительный сеанс связи с одним аппаратом. Экваториальная область планеты находится в ведении семи ИСЗ на орбитах Concordia. В этом полушарии зоны обслуживания группировок перекрываются, создавая предельно высокую плотность соединений в районе 20—50-й параллелей.

Необычная конфигурация была выбрана исходя из географических и демографических особенностей Земли: большая часть населения сосредоточена в северном полушарии и вблизи экватора, а в южном почти вся суша занимает пространство севернее 50-й параллели. Сами по себе спутники представляют собой простейшие ретрансляторы, призванные обеспечить пользователю прозрачный обмен данными с ближайшей наземной станцией (GCS — Ground Control Station в терминологии инженеров Ellipsat). Всю работу по коммутации, трансляции и маршрутизации вызовов выполняют именно они. Вообще Ellipso имеет едва ли не самую сложную наземную структуру среди аналогичных систем. Она состоит из пяти элементов. Кроме вышеупомянутых GCS здесь есть еще ESO (Ellipso Swithing Offices), RNCC (Regional Network Control Centers), TT&CC (Tracking, Telemetry and Command Centers) и один SCC (System Coordination Center). ESO суть маршрутизаторы и коммутаторы, которые могут быть интегрированы в состав GCS или RNCC, а могут оставаться и обособленными элементами, обслуживая сразу несколько наземных станций контроля. Основная задача коммутирующих станций — организовать передачу данных между традиционными средствами коммуникаций и сетью Ellipso. Предполагалось передавать речь и данные со скоростью 4,8 кбит/с. Стоимость терминала планировалась где-то на отметке 700 долл., а временной тариф должен был составить 0,25—0,5 долл. за минуту.

ICO

В начале 1995 г. по инициативе международного консорциума Inmarsat образовалась компания ICO Global Communications, которой была поручена реализация среднеорбитальной спутниковой системы связи Inmarsat-P. Инвесторами данного предприятия пожелали стать British Telecom, Cable and Wireless (Великобритания), Comsat (США), Embratel (Бразилия), France Telecom, KDD (Япония), MTME (Польша), «Морсвязьспутник» (Россия) и многие другие телекоммуникационные корпорации. Оценочная стоимость проекта составила 2,6 млрд. долл. Inmarsat, имеющий на момент инициирования нового консорциума опыт создания и эксплуатации уже нескольких геостационарных спутниковых систем связи (Inmarsat A, B и C, Inmarsat AERO и т. д.), был более осторожен при выборе конфигурации, нежели его конкуренты. Космический сегмент системы располагает всего десятью спутниками со сроком эксплуатации в 12 лет, размещенными на промежуточных круговых орбитах высотой 10 354 км. Средняя продолжительность связи абонента с одним из спутников равна 50 мин, мощность передатчиков — 6,3 кВт. Базовый конструктив для ИСЗ заимствован у проверенной в эксплуатации платформы HS-601 корпорации Hughes Space&Communications. Мобильные терминалы отличаются небольшими размерами и высокой ценой (около 1000 долл.).

Основная нагрузка по обработке трафика возлагается на наземный сегмент, который образуют два центра контроля: спутников (SCC — Satellite Control Center) и наземной сети (NMC — Network Management Center), и собственно сеть ICONET. Сама ICONET состоит из сети узлов SAN (Satellite Access Node), которые должны сопрягать космический сегмент с традиционными средствами связи, такими как телефонная сеть или Internet. На первом этапе намечалось построить 12 таких узлов. При этом не были забыты и страны Восточной Европы: около 400 млн. долл. предполагалось инвестировать в российскую инфраструктуру поддержки ICO. Минута связи обходится пользователю в 2 долл. Поскольку трафик обязательно на своем пути проходит через наземные сети, к этой цене прибавится плата за их использование. По плану организаторов к 2000 г. будет насчитываться уже 4 млн. абонентов системы.

Odyssey

Международный проект Odyssey организован американской компанией TRW. Для его реализации был создан концерн Odyssey Telecommunication International, инвесторами которого, помимо «материнской» компании TRW Space&Technology Group, стали канадские фирмы Teleglobe, Spar Aerospace и французский электронный гигант Thomson. Всего 12 ИСЗ на орбитах высотой 10 354 км с передатчиками мощностью 2 кВт без средств межспутниковой связи. Зона обслуживания системы разделена на девять районов, каждый из которых покрывают два спутника, сменяя друг друга с интервалом в два часа. В течение десяти минут зоны действия обоих аппаратов перекрываются, но плавный перевод пользователя с одного спутника на другой не предусмотрен. Просто количество коммуникационных потоков постепенно уменьшается на заходящем спутнике и увеличивается на восходящем. Если вызывающий и вызываемый абоненты находятся в пределах одного района, то их взаимодействие осуществляется напрямую через спутник без участия наземных станций коммутации.

Система способна обслужить до 6 тыс. телефонных вызовов (каналы 4,8 кбит/с) в отдельно взятом районе. Многолучевые антенны ИСЗ позволяют покрыть земную поверхность фиксированной ячеистой структурой. Таким образом, например, уменьшая плотность лучей над удаленными водными акваториями и увеличивая ее над густонаселенными районами, можно более эффективно распределять пропускную способность спутников. Отправить Odyssey в свободное плавание предполагалось в начале 2000 г. Это должен быть комплекс из шести аппаратов, позволяющий вести обслуживание абонентов в основных регионах в течение 14 ч в сутки. К 2005 г. планировалось вывести еще шесть спутников, которые завершат космический сегмент системы. В проект намечалось вложить 2,5 млрд. долл. и взамен получить 2,3 млн. абонентов, оплачивающих время соединения по тарифу 65 центов за минуту.

SkyBridge

Мощная сеть для передачи данных в небесах — это предел мечтаний сразу нескольких конкурирующих финансовых группировок. В их числе и основатели проекта SkyBridge: Alcatel, Loral Space&Communications, Mitsubishi, Sharp, Toshiba и многие другие не менее известные и влиятельные корпорации. На сей раз инициатором выступила европейская корпорация Alcatel. Первые сообщения о Sativod (так назывался SkyBridge в младенческом возрасте) просочились в прессу в начале 1996 г. В то время это предложение, по мнению специалистов, являлось выгодным компромиссом между невероятно сложным и нереальным Teledesic и геостационарным Hughes Spaceway. Тогда в набросках будущей системы упоминалось 60 спутников. Однако европейцы не были столь самонадеянны, чтобы взяться за финансирование самостоятельно и лишь задавались целью привлечь для своих громких «прожектов» потенциальных инвесторов. Те не заставили себя долго ждать, и проект «родился» — теперь уже по-настоящему.

Была сделана первоначальная оценка стоимости — 3,5 млрд. долл. Согласно уточненному плану, на орбиты высотой 1469 км должны быть выведены 80 действующих аппаратов плюс запасные. Они делятся на две равные группы по 40 спутников, размещенных в 20 плоскостях. Структура космического сегмента максимально упрощена — никакой маршрутизации и обработки вызовов, спутники выполняют роль простых ретрансляторов между пользовательскими терминалами и наземными коммутирующими станциями. Общая пропускная способность системы составляет 144 Гбит/с. Антенны аппаратов обладают 18-лучевой диаграммой направленности. Обслуживаемая земная поверхность поделена на 200 ячеек-зон диаметром 700 км. Каждая ячейка обслуживается фиксированным количеством спутников и одной наземной станцией коммутации. Поскольку спутники движутся относительно поверхности Земли, пользователи одной зоны не могут работать длительное время с одними и теми же аппаратами. Предусмотрена процедура перевода активных соединений с заходящего спутника на восходящий. Она проста и осуществляется по принципу: «кто первый услышал». Это означает, что пользовательский терминал начинает работу с тем ИСЗ, который первым смог организовать двухсторонний канал связи с наземной станцией коммутации. Кроме того, терминалы могут отслеживать два спутника, обеспечивая полностью непрерывное соединение.

Частоты, которые удалось лицензировать для этого проекта (10,7 — 14,5 ГГц), опасно соседствуют с диапазоном, отведенным для работы систем регионального спутникового телевидения (10,9 — 11,7 ГГц). Поэтому особое внимание создатели SkyBridge уделили проблемам интерференции направленных лучей этой низкоорбитальной системы с излучением геостационарных спутников и беспроводных служб связи наземного базирования. Как только создаются условия интерференции для конкретного аппарата, обмен информацией с ним прекращается и нагрузка переводится на другой спутник. Поскольку геостационарные орбиты подразумевают фиксированное положение ИСЗ относительно земной поверхности, вполне возможно заранее определить так называемые нерабочие зоны (non-operating zone), при входе в которые аппараты будут прекращать обслуживание наземных пользователей. Нерабочая зона существует индивидуально для каждой ячейки, так как узкая диаграмма направленности применяемых в системе антенн позволяет спутнику, лучи которого интерферируют с излучением геостационарного ИСЗ в сторону данной ячейки, нормально обслуживать пользователей в других направлениях. Мощность используемых радиопередатчиков достаточно мала, чтобы соответствовать международному стандарту ITU Radio Regulation S.21, написанному еще для геостационарных систем связи и устанавливающему диапазон энергий, в пределах которого радиообмен со спутником не будет создавать помех для имеющихся наземных служб.

Коммутационные станции обмениваются информацией с помощью быстродействующих ATM-соединений, а также выполняют традиционные для них функции сопряжения с наземными сетями передачи данных. Управление системой возложено на один Satellite Control Center (SCC) и целую сеть TelemeTry and Command (TT&C) центров, а вместе они образуют единый Control Ground Segment (CGS).

Терминалы делятся на домашние (residental) и профессиональные (professional). Домашние можно установить на крыше своего дома, наподобие спутниковой антенны, и таким образом организовать связь с любой точкой мира на скорости 20 Мбит/с к терминалу и 2 Мбит/с к спутнику. Профессиональные терминалы значительно больше домашних, но должны обеспечивать максимальную пропускную способность в 100 Мбит/с для нисходящего и 10 Мбит/с для восходящих потоков данных. Задержка при прохождении данных (лаг) будет составлять около 30 мс. Предусмотрены интерфейсы для подключения компьютера, локальной сети, телефона или офисной АТС. Стоимость домашнего терминала была заявлена на уровне 700 долл.

Globalstar

Можно сказать, что Globalstar — плод совместных усилий американских корпораций Loral Aerospace и Quallcomm. Собрав довольно пеструю компанию инвесторов и подрядчиков, в состав которых вошли французская фирма Alcatel Espace, итальянская Alenia Spazio и южнокорейская Hyundai Electronics Industries, свежеиспеченный концерн ринулся в пучину глобальных спутниковых коммуникаций. Предполагалось вывести на орбиты высотой 1400 км 48 космических аппаратов, не обладающих способностями к межспутниковой связи, со сроком службы семь с половиной лет. Система спроектирована таким образом, что в зоне действия спутников находится только полоса земной поверхности между 72О северной и южной широт.

Главная задача Globalstar — обеспечить своим клиентам, находящимся в удалении от традиционных средств коммуникации, связь с ближайшей точкой входа в наземные сети связи. Намечалось построить 210 узловых станций сопряжения, в том числе и на территории России («ГлобалТел»). Система в состоянии предоставить до 65 тыс. одновременных соединений. Клиенту Globalstar, помимо «спутниковой» телефонии, могут быть доступны услуги пейджинга, факса, передачи данных со скоростью 9600 бит/с, определения своего местоположения. Планировалось использовать терминалы трех типов: портативные (носимые), мобильные (встраиваемые в транспортные средства) и стационарные (таксофоны). Первоначальная смета этого проекта составила почти 2 млрд. долл., стоимость портативного терминала — 700 долл., стационарного — около 1000, а поминутный тариф — менее 50 центов без учета услуг наземных сетей связи.

Iridium

Гремят фанфары, бьют барабаны — на сцене один из наиболее амбициозных (не считая высадки на Луну) космических проектов этого столетия. Iridium выводит на орбиту весьма крупная и влиятельная группировка под предводительством корпорации Motorola. К американскому гиганту коммуникаций присоединились крупные компании Lockheed Martin, Pacific Electric Wire&Cable, Vebacom и другие инвесторы. Членами концерна стали также китайская фирма China Great Wall Industry и российский Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева. Система включает в себя 66 спутников на шести круговых приполярных орбитах высотой 780 км, каждый из которых, обладая передатчиком мощностью 1,2 кВт, способен обслуживать до 3840 абонентских соединений. Кроме того, спутники имеют возможность обмениваться данными через межспутниковые каналы связи со скоростью 12,5 Мбит/с. В целом Iridium в состоянии обеспечить до 56 тыс. дуплексных телефонных соединений производительностью 4800 бит/с. Цифровые данные, факсы и пейджинговые сообщения можно получать и отправлять со скоростью 2400 бит/с. Время жизни спутника системы на орбите составляет пять лет. Начало коммерческой эксплуатации планировалось на конец 1998 г. Предполагалось обслуживать до 650 тыс. абонентов телефонной связи и 350 тыс. пейджерной. Цену терминала намечалось установить в пределах от 2500 до 3500 долл., а стоимость минуты соединения — 3 долл. Затраты на реализацию проекта оценивались в 3,37 млрд. долл. Как-то, говоря о сроках, директор по маркетингу компании Iridium Джон Виндолф изрек: «В 1998 г. мы будем единственными». По всей видимости, он считал такое положение дел явно выигрышным, однако, как вы сможете убедиться, читая вторую часть статьи, своей поспешностью и самоуверенностью они лишь оказали добрую услугу конкурентам.

Teledesic

Второй «проект века» — Teledesic. Microsoft уже не раз предпринимала попытки если не монополизировать, то хотя бы активно поучаствовать в разделе растущего как на дрожжах рынка глобальных коммуникаций. Провал Microsoft Network и успех Internet Explorer, неопределенность перспектив WebTV — все это вехи очередного вторжения программного гиганта в неизведанный край цифровых телекоммуникаций. В 1990 г. Крейг Маккоу, основатель корпорации McCaw Cellular Communications, занимающейся разработками в области беспроводной связи, и Вильям Х. Гейтс III, председатель исполнительного совета Microsoft, учредили корпорацию Teledesic. Так это звучит в официальном коммюнике, на самом деле все происходило несколько иначе.

Инициатором ее создания был Маккоу, а автором идеи — «безумный» радиоинженер Эд Так. Этот неугомонный Так находился в вечном движении: в период с 1950 по 1979 г. он организовал и поставил на ноги несколько коммуникационных компаний, каждую из которых продал затем какой-нибудь крупной корпорации, и в конце концов накопил достаточный капитал для основания собственного инвестиционного фонда. Спустя девять лет у него возникла мысль построить глобальную спутниковую систему, которая позволила бы осуществить «мечты идиотов» со всего света. Так любил повторять шутку о полярнике, который, определив свое местоположение с помощью GPS, сможет позвонить маме из дикого Заполярья и прокричать нечто вроде: «Привет, мам! Я на Северном полюсе». Случай свел вместе двух талантливых инвесторов (Маккоу и Така), и в результате родился Teledesic.

Этот проект был нацелен на создание глобальной сети из 840 спутников, расположенных на орбитах высотой 740 км. Сеть охватывает 95% земной поверхности. Схема работы, подготовленная учеными корпорации, по меньшей мере оригинальна. Зона обслуживания спутниковой системы поделена на фиксированные ячейки — квадраты со стороной 53 км, их положение на земной поверхности неизменно. В любой из таких ячеек может поддерживаться до 1800 голосовых каналов с пропускной способностью 16 кбит/с или 14 соединений класса E1 (до 2 Мбит/с каждое). Количество каналов различного типа можно по необходимости варьировать, а производительность отдельного соединения — плавно менять от начального значения 16 кбит/с до 2 Мбит/с. Более того, пропускная способность восходящего (uplink) и нисходящего (downlink) потоков регулируется асимметрично. Скорость передачи к терминалу можно довести до 28 Мбит/с. Цену терминала предполагалось установить на уровне 1000 долл.

Конечно, не все так просто — низкоорбитальные спутники на этих высотах очень быстро перемещаются относительно земной поверхности. Если бы инженеры системы выбрали принцип подвижных ячеек столь малого размера, то вследствие быстрого их скольжения процессы постоянного «перевода» активного клиента из одной ячейки в другую (handshaking) отнимали бы существенную часть ресурсов соединения. Однако специалисты корпорации Teledesic не зря провели четыре года, проектируя глобальную сеть. Они объединили девять ячеек в суперячейку, с которой и взаимодействует спутник. Каждой из элементарных ячеек аппарат уделяет определенный интервал времени для связи, в течение которого он передает ей и принимает от нее информацию. Цикл сканирования составляет 23 мс.

Для передачи данных от пользователя терминал занимает одну или несколько частот, а при приеме выбирает предназначенную ему информацию, читая заголовки 512 битовых пакетов, которые используются в сети спутниковой системы. По мере смещения спутника относительно фиксированной ячейки антенна аппарата изменяет свою направленность, компенсируя это смещение. Так происходит до тех пор, пока он находится достаточно высоко над горизонтом для абонентов в пределах обслуживаемой суперячейки. Далее спутник начинает заходить и переориентирует лучевую диаграмму своей антенны на другую суперячейку, которая только появляется в пределах видимости по направлению его движения. Так как ИСЗ на орбите несколько, манипуляции с ячейками похожи на движение сороконожки, прошедшей строевую подготовку и обутую в снегоступы. Чем шире шаг (ширина шага в данном случае зависит от высоты орбиты), тем продолжительнее время непрерывного обслуживания отдельной ячейки. Кроме того, каждой из ячеек присвоен неизменный набор активных частот и каналов, так что переназначение канала для пользователя будет скорее исключением, чем правилом.

Система может также обеспечить небольшое количество высокоскоростных соединений с пропускной способностью от 155 Мбит/с до 1,2 Гбит/с. Правда, для гигабитовых скоростей требуется уже особый вид терминалов — GygaLink. Такие услуги могут заинтересовать крупные организации и правительственные учреждения. Предусмотрена и межспутниковая связь, позволяющая выполнять полностью независимую от наземных служб коммутацию данных. Каждый аппарат связан 155-Мбит каналами, которые можно масштабировать путем объединения (вплоть до 1,2 Гбит/с), с восемью ближайшими соседями. То есть спутники образуют вполне самостоятельную орбитальную сеть, в которой даже обмен информацией происходит на основе пакетов фиксированных размеров. Причем для повышения эффективности ее функционирования был создан адаптивный алгоритм маршрутизации, который, учитывая текущую конфигурацию спутников и загруженность межспутниковых линий связи, выбирает оптимальный путь прохождения пакетов.

В ходе разработок инженеры Teledesic опирались на результаты исследований по американской оборонной программе Brilliand Pebbles, предусматривавшей создание сети из 1000 взаимодействующих низкоорбитальных ИСЗ. Стоимость проекта по предварительным оценкам должна была составить 9 млрд. долл. Предполагаемая дата запуска в эксплуатацию — 2002 г.