Kepler Communications: спутникам нужен свой собственный интернет
Десятилетиями астрономическая стоимость запуска полезной нагрузки в космос означала, что он доступен для освоения лишь правительствам стран и крупным корпорациям. Но достижения последних двух десятилетий в ракетостроении позволили значительно сократить затраты на запуск. Его стоимость упала с 54000 долларов (2000 г.) до 2720 долларов за килограмм (2018 г.). Это вызвало бум в спутниковой индустрии. Начиная с 2012-го года количество выводимых на низкую околоземную орбиту малых спутников ежегодно увеличивается на 30%.
Одна из самых больших проблем малых спутников – связь с землёй. Аппараты на низкой околоземной орбите делают один оборот вокруг нашей планеты примерно за 90 минут. Обычно у них имеется небольшое окно в 10 минут для связи с доступной наземной станцией. Если спутник не сможет связаться с этой станцией, то любые ценные данные, полученные им, могут быть доставлены на Землю с задержкой. В настоящее время спутниковая система сопровождения объектов и передачи данных NASA (TDRSS) является единственной сетью, которая способна перенаправлять сигналы со спутников на необходимые наземные станции. Однако услуги TDRSS недоступны для большинства компаний, сеть чрезмерно дорога в использовании и довольно стара (ей 25 лет). Она просто не способна обрабатывать весь трафик, создаваемый новыми спутниками. Получение данных со спутников – это одно из слабых мест, ограничивающее возможности орбитальных систем наблюдения.
Kepler Communications
Мина Митри основал компанию Kepler Communications в 2015-м году с целью устранить это слабое место. Цель состоит в замене TDRSS путём создания на низкой околоземной орбите группировки из множества малых спутников. Они образуют сеть, которая будет работать по принципу ячеистой топологии. Каждый из аппаратов имеет размер с буханку хлеба и будет выступать в роли интернет-маршрутизатора. Первый спутник, получивший прозвище KIPP (в честь робота из фильма “Интерстеллар”), был запущен на орбиту в январе 2018-го года.
К 2022-му году сеть Kepler Communications будет представлена 140 аппаратами, которые будут работать в семи орбитальных плоскостях. Компания, по сути, создаёт интернет-провайдера, который будет отвечать за связь спутников друг с другом или наземными станциями. Связь будет работать даже в том случае, если два спутника (или спутник и наземная станция) будут находиться на противоположных сторонах планеты. Клиентами Kepler Communications будут выступать компании, занимающиеся эксплуатацией спутников на орбите или использующие спутниковую связь, а также правительственные учреждения, такие как Министерство национальной обороны Канады, Европейское космическое агентство и NASA. Подобное не было бы возможным без существенного прогресса в технологиях малых спутников.
Находящийся на орбите кубсат Kepler Communications в представлении художника
Спутники Kepler представляют собой то, что принято называть кубсатами. Кубсаты были разработаны в начале 2000-х с целью снижения стоимости спутников путём упрощения и стандартизации их конструкции и процесса сборки. В то время большинство спутников представляло собой абсолютно уникальные аппараты, создаваемые командами высокоспециализированных инженеров “под ключ” с использованием разработанных на заказ методов изготовления и материалов. Кубсаты отличаются радикально. Они состоят из одного или нескольких стандартизированных блоков (кубов) размером 10х10х10 сантиметров. Одинаковый размер блоков позволяет производителям изготавливать “готовые” компоненты для этих спутников: аккумуляторы, солнечные батареи и бортовые компьютеры.
Благодаря существованию кубсатов такие компании как Kepler могут пройти все стадии разработки спутника – от рисунка на салфетке до готового к запуску продукта – за 12 месяцев. Программы же по разработке и запуску более крупных аппаратов могут занимать от трёх до семи лет.
Спутник Dove компании Planet
Рост количества кубсатов и одновременное снижение затрат на запуск привели к возникновению коммерческого рынка спутниковых услуг. Компании по всему миру создают группировки космических аппаратов, некоторые из которых исчисляются сотнями. Операторы вроде Planet предоставляют изображения поверхности нашей планеты в высоком разрешении, а такие компании, как Spire Global, ставят своей целью мониторинг погодных условий Земли.
Проблема
Каким же образом клиенты на Земле получают все те данные, что собирают для них спутники на орбите? Краткий ответ: да никак. Один кубсат, наблюдающий за поверхностью Земли, может собирать до 26 гигабайт данных в сутки. И он может отправить лишь небольшую часть этих данных на землю – в то самое 10-минутное окно связи с наземной станцией. Именно в это окно спутник старается передать как можно больше данных, чтобы станция могла ретранслировать их через наземную сеть в конечный пункт (например, центр обработки данных). Это ограничение касается всех компаний, собирающих какую-либо информацию о состоянии планеты. Текущая коммуникационная инфраструктура просто не в состоянии эффективно обработать такой поток данных.
Результатом всего этого становится тот факт, что спутниковые операторы зачастую собирают гораздо больше данных, чем могут отправить на землю. Они постоянно теряют ценную информацию, либо отправляют её с большой задержкой (в часы или даже дни).
Решения
Одним из свежих решений является использование наземных станций как услуги, что позволяет увеличить общее количество станций для каждого конкретного спутникового оператора. Исторически сложилось так, что государство или компания-производитель спутников отвечали и за развёртывание сети наземных станций. Что само по себе очень дорого. Чтобы понять почему, представьте себе ситуацию, в которой каждому владельцу мобильного телефона пришлось бы покупать собственные вышки связи и собственноручно управлять сетью только для того, чтобы сделать звонок. Намного проще создать сеть наземных станций, которые за определённую плату сможет использовать любой оператор, желающий наладить связь со своими спутниками. По этой схеме работает компания Джеффа Безоса Amazon со своим проектом Amazon Web Services.
Но тут есть подвох. Для того, чтобы спутник имел постоянную связь с наземными станциями, они должны быть расположены по всему миру. Для непрерывной связи потребуется несколько тысяч таких станций – по одной на каждые несколько сотен километров. И чем больше станций, тем лучше качество связи. Здесь-то и возникают трудности. Как быть с недоступными участками на суше? Как быть с огромными пространствами океанов, где может и имеются острова для установки станций, но нет возможности подключения этих островов к интернету?
Решение данной проблемы – выведение коммуникационной инфраструктуры на орбиту. Вместо того, чтобы создавать сеть наземных станций, можно создать орбитальную группировку кубсат-маршрутизаторов, которые будут иметь возможность подключить любой спутник к любой наземной станции независимо от их местоположения.
Количество запущенных малых спутников по годам. Кажется, в ближайшие четыре года оно возрастёт двукратно
Сеть Kepler
Основой каждого из пятикилограммовых спутников Kepler является программно-определяемая радиосистема (SDR) и собственная антенна. SDR существуют с 1990-х годов. По сути SDR заменяет аналоговые радиокомпоненты (такие как модуляторы и фильтры) программным обеспечением. В SDR Kepler этот софт реализован на основе программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA). Результат – радиоустройство, которое дешевле в разработке и проще в настройке. Использование SDR позволило уменьшить размеры космических аппаратов. С внедрением новых технологий упала и цена – маленькие спутники Kepler стоят в сотню раз дешевле традиционных спутников связи.
Чтобы понять то, как будет работать сеть Kepler, неплохо было бы вспомнить, как вообще работает спутниковая связь. А работает она по принципу bent-pipe (“изгиб трубы”). Представьте себе, что вы сломали пополам трубу. В месте излома поместите воображаемый спутник. На концах “бывшей” трубы расположите станции связи. Спутник будет иметь непрерывную линию связи с обеими станциями, даже если они расположены на разных континентах. Он выступает в качестве ретранслятора, передавая сигнал от одной точки к другой.
Схематичное представление о работе спутника
В сети Kepler проходящий над наземной станцией спутник будет получать от неё данные, которые она, в свою очередь, получила от других наземных станций. Спутник сохранит эти данные у себя и передаст их на необходимую станцию тогда, когда придёт время. Вся сеть будет состоять из пяти наземных станций – по одной на каждом из пяти континентов. К сожалению, подобный метод не позволяет поддерживать связь в режиме реального времени. Но это станет возможным по мере увеличения количества аппаратов в группировке.
Схематичное представление сети с использованием межспутниковой связи
А станет возможно это благодаря внедрению возможности передавать данные между спутниками. Также в сеть будут внедрены новые функции, такие как транскодирование (перевод данных в удобные клиентам форматы) и постановка в очередь (в соответствии с тем, какие данные требуются наиболее срочно).
Благодаря SDR в работу и взаимодействие спутников могут быть внесены большие изменения. Например, можно будет загрузить тестовый код в один из аппаратов. Если код пройдёт проверку, то его можно будет использовать и на других спутниках группировки. И не будет необходимости заменять или модифицировать какое-либо оборудование. SDR, подобно стандартизации кубсатов, позволяет сократить циклы разработки и привнести больше интересных идей.
В настоящее время Kepler находится в процессе развёртывания своей спутниковой группировки. Спутник KIPP работает уже более двух лет. К нему в декабре прошлого года присоединился другой спутник – CASE (назван в честь ещё одного робота из фильма “Интерстеллар”). Даже наличия этих двух аппаратов достаточно, чтобы начать предоставлять услуги клиентам вышеописанным способом. Это позволило Kepler Communications избежать участи некоторых других компаний, которым для начала предоставления услуг требовалась полностью развёрнутая сеть спутников.
Но создание группировки из 140 аппаратов – дело непростое. Спутники Kepler двигаются со скоростью 7 км/с относительно поверхности Земли. И когда два спутника двигаются так быстро, на связь между ними влияет явление под названием эффект Допплера (очень доступное объяснение этого явления предоставлено в первом материале из цикла про экзопланеты: обязательно ознакомьтесь, если ещё не читали — прим. переводчика).
Для решения этой проблемы в компании была создана особая сетевая архитектура, в которой соседствующие спутники будут связываться друг с другом только в том случае, если движутся в одну сторону (в этом случае их скорость относительно друг друга минимальна и эффект Допплера проявляется не так сильно, как в том случае, если бы они двигались навстречу друг другу). На спутниках KIPP и CASE уже установлено программное обеспечение для корректировки допплеровского сдвига, которое отслеживает изменения частоты волн.
Увеличение количества спутников повлечёт за собой необходимость улучшения маршрутизации данных. Зачем держать группировку из 30 аппаратов, в которой только 3 или 4 активно эксплуатируются? Решение проблемы маршрутизации состоит в том, что на спутниках будут запускать алгоритм на основе двухстрочного набора элементов (TLE). Он позволит точно определять местоположение каждого аппарата. Система определения местоположения GPS работает аналогичным образом. Зная местоположение каждого спутника, имеет смысл запустить алгоритм оптимизации, который поможет выбрать маршрут передачи данных с наименьшим временем транзита.
Заключение
Подобные проблемы не возникнут, если Kepler не удастся создать группировку из 140 спутников. Всё же на данном этапе развития кубсатов не существует налаженных цепочек поставок комплектующих (при том, что компоненты стандартизированы). Компания собирает аппараты, в основном, своими силами. Производственное предприятие Kepler Communications в Торонто может производить до десяти спутников в месяц. Многие процессы там автоматизированы (тестирование печатных плат, например).
Инженер работает над сборкой спутника KIPP
Практически готовый к запуск KIPP
Kepler создал несколько собственных наземных станций для связи со спутниками на орбите
Центр наблюдения за орбитальной группировкой Kepler
Ещё одной проблемой спутников Kepler являются солнечные батареи. Способность кубсата получать энергию ограничена площадью поверхности, на которую инженеры могут их установить. Определённое количество площади поверхности спутника также должно быть зарезервировано под антенны, которые на данный момент достигают теоретических пределов своей эффективности. Но у этих ограничений есть и свой плюс: они заставляют применять нестандартные подходы и решения в области программного обеспечения и развёртываемых конструкций.
В этом году на орбиту отправится ещё 10 спутников Kepler. Этого достаточно для того, чтобы начать испытания сети с кубсатами-маршрутизаторами. Если всё пойдёт по плану, то к концу 2021-го года на орбите будут работать уже 50 аппаратов, а к концу 2022-го – все 140.
Космос – это новый рубеж для бизнеса. Расширение его доступности как результат новой космической гонки предоставляет новым компаниям новые возможности. И создав интернет для спутников, Kepler проложит этим компаниям путь к успеху.
