Au cours des 3 dernières années, sur le marché des communications par satellite de longue date, on peut observer un battage médiatique décent autour des constellations d'hyperstars de satellites à orbite basse (NOO) - des systèmes de télécommunications composés de plusieurs milliers de satellites, des projets coûteux et ambitieux. Il me semble intéressant de me plonger dans les détails techniques et économiques de ces projets et de parler de leurs perspectives.
Les communications par satellite d'aujourd'hui et des 30 dernières années sont principalement des satellites relais géostationnaires situés, respectivement, sur une orbite géostationnaire, où le satellite est approximativement stationnaire par rapport à l'observateur au sol et équivaut à un relais radio conventionnel situé sur une tour d'une hauteur de 35000 kilomètres. De plus, un seul satellite est visible immédiatement à partir de ~ 35% de la surface de la Terre, et trois suffisent pour couvrir toute la surface sauf les régions polaires.
Les satellites de communication géostationnaires sont aujourd'hui des machines très lourdes pesant jusqu'à 4 tonnes (en orbite active) fournissant des canaux de communication pouvant atteindre plusieurs centaines de gigabits de large. Cette apparition de ces satellites s'est développée, d'une part, à partir de la gigantesque zone de couverture du signal radio du satellite (combien de tours radio peuvent avoir accès à 5 milliards de clients potentiels?), Et, d'autre part, le poids des équipements qui peuvent tirer la bande passante maximale du spectre radio disponible.
Alignement des diagrammes d'antenne du satellite géostationnaire Eutelsat 8 West B . La coordination des caractéristiques spectrales spatiales est aujourd'hui une tâche très difficile dans les projets de satellites, et les systèmes à orbite basse ne font pas exception.Faites attention aux mots «spectre radio disponible». Les communications par satellite fonctionnent à des fréquences de 1,5 à 60 gigahertz, mais il n'y a pas beaucoup de satellites disponibles dans cette large gamme radio. Premièrement, dans la plage de 1,5 à 10 GHz, il existe de nombreux consommateurs terrestres du spectre radioélectrique - un exemple typique est le wi-fi autour des 2,4 et 5,5 GHz centraux. Deuxièmement, au-dessus de 20 GHz, la pluie, la grêle et la nébulosité commencent à affecter le fonctionnement du canal radio. Troisièmement, la bande disponible doit être divisée par au moins deux pour organiser le canal Terre-Satellite. En conséquence, les gammes de communication par satellite activement utilisées (désignées par les lettres S, C, Ku, Ka) ne sont que dans la bande des 6 GHz, pour laquelle il y a une bataille mortelle de nombreux opérateurs.
Au départ, cependant, 6 GHz était tout à fait suffisant. Après tout, il y a 15 ans, le principal contenu diffusé aux abonnés par les satellites de communication était la télévision, et le même signal radio pouvait transmettre du contenu télévisé à des dizaines de millions d'abonnés à la fois. Cependant, avec l'avènement des années 2000, le marché a de plus en plus commencé à basculer vers la communication bidirectionnelle numérique, où la demande de bande passante croît de façon linéaire avec le nombre d'abonnés.
L'assemblage du satellite de navigation Galileo. En fait, l'assemblage de satellites modernes se réduit à l'installation manuelle des composants du système satellite sur les panneaux de puissance et au traçage manuel de dizaines de câbles et de pipelines qui les relient, ainsi qu'à un grand nombre de tests fonctionnels du complexe résultant. À cet égard, les satellites ressemblent davantage à des équipements industriels de précision qu'à, disons, des avions.Les satellites OSG ont répondu à un changement du marché par la réutilisation spatiale des fréquences - le satellite émet beaucoup de faisceaux relativement étroits dans lesquels les mêmes fréquences se rencontrent (sur le principe des réseaux cellulaires). Mais ce changement de besoins a également déplacé l'optimalité des machines OSG vers d'autres solutions.
Des satellites OSG de haut vol, passons aux satellites à orbite basse. L'idée est de remplacer un satellite lourd quasi stationnaire par un essaim de vol en orbite basse. L'idée est assez évidente, mais jusqu'à ce que les années 90 ne soient pas utilisées, en raison de l'équilibre du pour et du contre.
Quels sont les avantages des satellites à orbite basse par rapport aux satellites OSG?
- L'orbite basse est beaucoup plus basse ... oui. En fait, cela donne une réduction très importante des pertes d'énergie dans le canal radio (jusqu'à 4 ordres de grandeur), ce qui permet l'utilisation de petites antennes et d'émetteurs de faible puissance, à la fois au sol et sur le satellite
- Une orbite basse signifie également un retard de signal faible - la pause dans les réponses de l'interlocuteur lorsque la téléphonie via GSO est assez perceptible (ping 250 ms dans un sens)
- La structure «plusieurs satellites» permet de réutiliser la ressource fréquence sur chacun (simplifiant légèrement la situation), et théoriquement d'obtenir un débit global beaucoup plus important sur le même spectre et de desservir beaucoup plus d'abonnés.
Mais l'entreprise ne se limite pas aux seuls avantages, il est clair:
- Un système à orbite basse implique la maintenance d'une grande constellation de satellites et d'une multitude de stations au sol pour s'interfacer avec les réseaux de communication - en général, les dépenses d'investissement pour les déploiements sont beaucoup plus importantes.
- Les satellites se déplacent au-dessus des têtes des abonnés, ce qui signifie que vous devez utiliser des antennes omnidirectionnelles ou des systèmes de suivi très avancés, ce qui élimine presque complètement l'avantage d'une bonne énergie
- Pour fournir en réalité, et non sur papier, une large bande passante système avec une réutilisation multiple du spectre, des satellites extrêmement sophistiqués sont nécessaires avec des systèmes d'antennes avancés, des commutateurs numériques à grande vitesse, des communications inter-satellites à grande vitesse avec suivi - rien de tout cela n'existait dans sa forme finale au début des années 1990.
Malgré l'équilibre évident des avantages et des inconvénients, plusieurs opérateurs se sont précipités pour réaliser la nouvelle idée des communications par satellite dans les années 1990. Le projet le plus célèbre de l'époque s'appelait
Teledesic et
concernait 840 appareils en orbite à une altitude de 700 km avec pour mission de fournir Internet aux abonnés terrestres. Teledesic a levé environ un milliard de dollars, mais n'a pas réussi. Depuis la conception du projet en 1990 jusqu'au lancement du premier satellite expérimental en 1998, les opérateurs au sol ont réussi à conquérir une partie importante du marché que Teledesic visait, les modèles financiers ont montré un recouvrement des coûts de 9 milliards de dollars (~ 20 milliards en dollars d'aujourd'hui), de sorte que le projet était en faillite avant avant le déploiement.
Simulation de la constellation de satellites Teledesic (en version réduite à 288 appareils). On peut voir qu'avec une disposition uniforme de la constellation dans les orbites circumpolaires avec une latitude croissante, il se produit un chevauchement multiple des zones de travail des satellites. Ce n'est pas un problème aussi simple, comme il semble, et nécessite soit de déconnecter une partie des satellites du travail à des latitudes supérieures à 45, soit de disposer de nombreux équipements sophistiqués à bord du satellite pour reconfigurer les zones de travail lorsque les satellites approchent des pôles.Teledesic a rapidement eu deux concurrents - les projets Iridium et Globalstar, qui se concentraient sur le marché de la téléphonie par satellite alors plus familier, qui était généralement presque inaccessible aux opérateurs OSG (la téléphonie directe depuis la station géostationnaire nécessitait soit une grande antenne au sol, soit une antenne incroyablement grande sur satellite)
Le projet Iridium avait une couverture mondiale grâce à une constellation de 72 satellites (avions 6x11 + réserve de 1 satellite par avion) sur des orbites de 700 km. Chaque satellite pesait 680 kg, mais il possédait des capacités assez modestes par rapport aux normes actuelles pour fonctionner simultanément avec seulement ~ 1 500 abonnés. Les orbites des satellites avaient une hauteur moyenne de 780 km pour les groupes NOO.
Satellite Iridium de première génération. Trois antennes d'abonné à 48 faisceaux sur les côtés du satellite nous ont donné le phénomène de « fusées éclairantes Iridium ». Basé sur le satellite, 5 antennes rotatives en bande Ka sont visibles, assurant des communications inter-satellites et des communications avec les téléporteurs terrestres.Les satellites Iridium avaient mis au point un équipement de communication inter-satellites, qui permettait d'acheminer les appels vers des stations de communication au sol ou un abonné de réseau d'abonné par satellite. Cet équipement, en général, a déterminé le poids des satellites.
Presque immédiatement après le déploiement du groupe, la société a fait faillite, et seuls les experts le sauraient sans le Pentagone, qui a décidé que le système était très utile à des fins militaires: l'Iridium en faillite a été racheté par des entrepreneurs du Pentagone qui ont commencé à utiliser le système pour l'argent de l'armée, en annulant une partie les coûts en capital.
Le concurrent d'Iridium était Globalstar - un système déployé un an plus tard, initialement créé selon des canons plus économiques. Il n'y avait que 48 satellites, pesant 550 kg, avec une hauteur d'orbite de 1 400 km, répartis sur 6 pièces dans 8 avions. Un tel nombre de véhicules sur de telles orbites ne permettait pas de couvrir toute la surface de la Terre, et la communication ne fonctionnait que jusqu'à ~ 70 latitudes. Cependant, Globastar ne pouvait fonctionner qu'en tant que répéteur de l'abonné à la passerelle au sol, de sorte qu'il serait peu utile au pôle Nord.
Constellation "Globalstar". La décision de mettre les régions polaires hors service d'une part a permis d'économiser beaucoup d'argent, d'autre part - elle a privé Globalstar de ses clients travaillant, recherchant et voyageant à proximité des pôles - il convient de noter qu'une part assez importante de tous les clients de la téléphonie par satellite.
Des satellites Globastar sont installés sur le distributeur pour orbiter. D'étranges pièces noires et oranges sont les antennes de réception et d'émission des canaux Subscriber-Sputnik et Teleport-Sputnik.Un tel modèle moins cher a permis à Globalstar de durer plus longtemps, bien qu'il ait finalement fait faillite.
Enfin, dans les années 90, 2 autres groupes à orbite basse (NOO) ont été créés, probablement peu connus - le «Messenger» domestique et l'American Orbcomm. Le «messager» est né de systèmes de satellites d'espionnage militaire et impliquait la possibilité de transmettre de petits paquets de données ou des messages vocaux hors ligne (c'est-à-dire que les satellites étaient utilisés comme boîtes aux lettres volantes). En fait, c'est une simplification supplémentaire de Globastar, et pour être honnête, je n'ai jamais entendu parler de ma vie de l'utilisation de ce système à des fins commerciales.
Orbcomm a essentiellement mis en œuvre la même approche de «boîte aux lettres satellite hors ligne» et a déployé en 1998 36 satellites pour fournir des services M2M (collecte de données à partir d'équipements distants). Comme toutes les autres sociétés, Orbcomm a fait faillite, mais en raison des investissements initialement minimes dans le système (il n'y a pas de téléporteurs terrestres, les satellites les plus légers, les faibles exigences pour la continuité de la couverture, etc.), la société s'est redressée et est toujours en vie aujourd'hui, ainsi que 3 autres projets énumérés ci-dessus.
Le projet Orbcomm a été l'un des premiers à profiter de la réduction de la taille de l'électronique et des satellites en général, en utilisant des appareils ne pesant que 40 kg pour fonctionner.
Ainsi, la triste expérience des années 90 a conduit à la conclusion que les groupes de communication de l'UNO sont possibles, mais économiquement insalubres. Au cours des 10 prochaines années, les investisseurs ont fui de nouvelles propositions sur ce sujet, comme l'enfer de l'encens. Cependant, toutes les mauvaises choses sont vite oubliées, et maintenant, au début des années 2010, le monde a vu une nouvelle vague de «basses orbitales» à la recherche d'investissements.
Cette aube est soutenue par quelques déclarations logiques. Premièrement, Internet d'un drôle de gadget à but non lucratif dans les années 1990 est devenu l'un des canaux de consommation les plus puissants et est très populaire partout, mais en même temps, il existe encore des endroits où les opérateurs au sol n'ont pas atteint leur optique. Deuxièmement, le développement des équipements satellitaires et de télécommunications depuis les années 1990 est allé assez loin, et les tâches de création d'un champ de travail dynamique satellite-sol multifaisceaux, de routage de données, de communications laser à haute vitesse inter-satellites peuvent désormais être résolues dans un vaisseau spatial pesant 150-200 kg. 1000 kg il y a 20 ans.
Enfin, l'équipement d'abonné au sol a également fait de grands progrès dans ses capacités. Dans les années 1990, il était fou de proposer aux abonnés des équipements AFAR (antennes à réseau actif) qui permettraient de suivre les satellites dans le ciel avec le faisceau principal de l'antenne réceptrice. Il n'y avait pas de technologies pour produire de telles antennes pour au moins un prix raisonnable. Les antennes avec un entraînement mécanique à deux étages ne sont pas non plus bon marché et n'étaient pas adaptées aux solutions de masse, mais en attendant, la radiophysique des canaux à large bande nécessitait des antennes avec une bonne amplification (c'est-à-dire directionnelle).
Aujourd'hui, les solutions de communication par satellite utilisant AFAR avec un faisceau dynamique pénètrent progressivement le marché des communications par satellite - jusqu'à présent principalement en fournissant des navires et des avions à Internet, et dans un avenir pas trop lointain, de telles antennes pourraient se généraliser.
Antennes AFAR pour le système O3b (voir ci-dessous), installées sur les avions et les navires. Grâce aux gyroscopes GPS et MEMS, l'antenne connaît sa position dans l'espace et forme un faisceau de gain maximum, dirigé précisément vers le satellite, compensant le mouvement et le roulis de l'équipement.Le premier signe d'un nouveau cycle de développement des constellations de satellites de télécommunications a été le projet O3b, qui a débuté en 2007. Ce projet n'est pas comme les autres, mais sans oublier qu'il serait faux. Lancé à une époque où la douleur des pertes financières sur Iridium et Globalstar n'était pas encore oubliée, le projet n'était pas axé sur les utilisateurs finaux, mais sur la fourniture d'Internet à a) les paquebots de croisière b) les petites îles c) les avions - tout cela dans une zone équatoriale relativement proche, jusqu'à 45 degrés de latitude. La constellation de 8 satellites au départ et 16 en pleine configuration tourne sur la même orbite à 8100 km au-dessus de la surface, soit environ ¼ d'altitude par rapport à l'orbite géostationnaire. Chaque satellite dispose de 12 antennes à commande à deux étages et peut créer 10 faisceaux clients d'un diamètre d'environ 700 km et d'une bande passante de 1,6 Gbit par faisceau. Les 2 antennes restantes regardent les points d'interface avec le réseau mondial (les signaleurs appellent ces points téléporteurs).
Satellite O3b de 700 kg.
Satellites O3b sur le distributeur. 12 jeux de radio-optique avec commandes à deux étages pour organiser les faisceaux clients sont visibles.Le projet a réussi à collecter des fonds pour le lancement et, en mars 2019, a achevé le déploiement d'une constellation complète de 16 satellites, dépensant un modeste ~ 1,5 milliard de dollars pour la mise en œuvre.
Le principe de construction du groupement O3b. Grande solution de niche, apparemment.Fait intéressant, l'idéologue et créateur d'O3b était un homme du nom de Greg Wyler, qui a ensuite lancé un tout nouveau projet de satellite, qui a marqué le début d'un boom des hypergroupes. Alors, bienvenue - un système de 1600 satellites «OneWeb».
Fondée en 2012 (sous le nom de WorldVu), la société envisage le lancement de plus de 2 000 satellites (le nombre évolue dans le temps) en orbite terrestre basse. Le nombre de satellites nécessaires WordVu est incroyable - il est comparable à tous les autres satellites actifs en orbite autour de la Terre.
Et la question n'est pas seulement dans le nombre en tant que tel. Lorsque vous essayez d'assembler et de lancer rapidement 2 000 satellites, une difficulté incroyable se pose. À ce jour, les satellites sont assemblés comme une montre suisse - c'est un travail manuel de bijoux avec une quantité incroyable de contrôle et de "puces", de sorte que, Dieu nous en préserve, laisse les matières organiques pour l'isolation thermique ou endommage l'électronique par décharge statique. L'espace est cruel. Ainsi, il est proposé de véhiculer non seulement l'assemblage de satellites, mais aussi les nombreux composants nécessaires à la qualité de l'espace (électronique, connecteurs,
moteurs chimiques et
électroréactifs, etc.).
Le satellite OneWeb, dont Airbus a signé le contrat de production, met en œuvre les capacités de Teledesic avec six fois moins de poids et trois fois moins de prix.Cependant, un plan aussi ambitieux a une logique. Supposons que vous décidiez de créer un système qui ne distribue Internet que d'une centaine d'appareils, et non 2000. Vous rencontrerez alors le fait que la bande passante limitée de chacun représentera inévitablement plusieurs millions de kilomètres carrés. Et si au-dessus des océans avec des yachts clients rares, c'est tout simplement génial, alors dans des pays densément peuplés - au contraire. Dans votre système à 100 satellites, il y aura 2 satellites pour la Chine, l'Europe, toute l'Asie du Sud-Est et jusqu'à 3 pour l'Amérique du Sud. Combien de clients un tel groupe peut-il desservir? Non. Est-ce suffisant pour récupérer? Non non plus. Il est nécessaire d'augmenter le nombre de satellites. Si vous lancez des satellites 2000-4000 et créez un modèle de faisceau abonné-satellite comparable aux premiers réseaux GSM par le nombre de cellules, les modèles commerciaux se développent ensemble, et même, disons, les banlieues de la région métropolitaine américaine sont des endroits tout à fait appropriés pour trouver une clientèle.
Le problème, cependant, est que les modèles financiers sont merveilleux, mais la rentabilité et la demande réelles de ces projets spatiaux ne peuvent être comprises qu'en déployant un réseau. Mais plusieurs milliards de dollars doivent être dépensés pour le déploiement, et plus il y a de satellites attendus dans un réseau complet, plus il faut de milliards.
Vidéo publicitaire OneWeb, où les images de montage du premier lot de satellites clignotent également. Il n'est pas encore possible de dire que la technologie d'assemblage des convoyeurs est visible quelque part, bien qu'une partie des opérations soit mécanisée.Aujourd'hui, OneWeb (racheté par Intelsat, le plus grand opérateur OSG) tente de suivre un chemin étroit entre les abîmes d'une bande passante réseau insuffisante et des investissements initiaux trop importants que les investisseurs ne peuvent pas trouver. Et bien que cette voie semble compliquée - il n'y a pas si longtemps, le projet a décidé de réduire le nombre total de satellites déployés à 1600, et la phase initiale de 900 à 600 satellites.
Dans le même temps, le projet se concentrera davantage sur les clients sous forme d'avions et de navires (où beaucoup d'autres opérateurs de satellites travaillent déjà), plutôt que sur beaucoup de gens ordinaires. Signes troublants.Les 6 premiers satellites OneWeb ont été lancés en février 2018 par la fusée Soyouz-2.1B du cosmodrome de Kourou. Il semble que nous ne verrons pas le déploiement complet du système avant 2021.Néanmoins, le projet OneWeb est toujours en développement, collectant de l'argent (les investisseurs ont déjà investi environ 3 milliards de dollars, assez pour les 600 premiers satellites déployés), et il a des concurrents: les projets d'hypergroupes SpaceX Starlink et Amazon Kuiper et les regroupements plus modestes que Telesat Leo et LeoSat (LEO = orbite terrestre basse, d'où l'engagement de ce mot dans les noms).SpaceX Starlink prévoit actuellement le déploiement de 1584 satellites au stade initial et jusqu'à 12000 (!!!) en configuration complète. Il est prévu d'utiliser des altitudes de 550 km (40 plans orbitaux de 66 chacun), 330 km (la masse principale de satellites sera de 7 500 ici) et 1 150 km (environ 3 000 de plus). En termes de communications radio, il prévoit également l'utilisation de plusieurs bandes à la fois (y compris la gamme V, qui est mal maîtrisée par les composants, à 50+ GHz), mais à la première étape, la bande passante traditionnelle Ku (10-20 GHz) de plusieurs gigabits par satellite. La communication laser intersatellites est assurée à des vitesses de plusieurs centaines de gigabits.
Les satellites Starlink sont encore plus avancés que OneWeb, avec des moteurs réactifs électriques krypton innovants, de l'électronique industrielle et une dépendance à la réserve orbitale au lieu de la fiabilité, etc. Cependant, aujourd'hui, on ignore encore tous les détails.En bref, le projet Starlink est incroyablement ambitieux et devra rivaliser pour un client avec les câblo-opérateurs terrestres pour le remboursement. Les perspectives du projet sont encore vagues (y compris le plan pour lever les fonds nécessaires au déploiement d'un groupe d'exploitation minimum), mais le déploiement de 60 satellites qui a eu lieu la semaine dernière en une seule fois (contre 6 avec OneWeb, je vous le rappelle) fait battre mon cœur plus vite.Simulation de la constellation orbitale Starlink après le lancement des 264 premiers satellites.
Et simulation de communication via Starlink dans une constellation entièrement déployée de 1584 satellites.Un autre acteur non moins ambitieux est Amazon, qui a demandé le déploiement de 3236 satellites dans le cadre du projet Kuiper. Jusqu'à présent, on sait peu de choses sur le projet, à l'exception des mots traditionnels sur «3 milliards de personnes non connectées à Internet» (comme si le problème était en difficulté technique, et non pas l'absence de ces 3 milliards d'argent sur Internet). Mais au moins une synergie possible est visible pour l'un des plus grands magasins en ligne au monde dans la transmission du trafic d'une constellation de satellites à travers elle-même. De là, nous pouvons nous attendre à ce que le projet Kuiper ait de meilleures chances de mise en œuvre.En plus des projets très complexes OneWeb, Starlink, Kuiper, il y a eu plusieurs autres gestes de Boeing et Samsung, mais il semble que ces entreprises n'aient pas osé se lancer dans des investissements aussi risqués.Enfin, brièvement sur les Telesat Leo et LeoSat un peu moins ambitieux et légèrement plus spécialisés. Ces deux projets visent à concurrencer les dorsales à fibres optiques terrestres. Leur tâche consiste à prendre le trafic à large bande d'un client professionnel et à le transporter via la constellation de satellites vers un téléport quelque part dans une autre partie du globe. Les deux projets impliquent le lancement de ~ 110 satellites, tandis que Télésat Leo résout avec élégance le problème de la bande passante satellite en excès à haute latitude avec un remplissage uniforme des orbites inclinées - en créant deux types de constellation: en orbite ~ 45 degrés et en orbite polaire. Ces deux projets génèrent toujours des fonds, tandis que Télésat (un grand opérateur de satellites OSG) semble plus prometteur.Simulation de la communication via le système Telesat LEOPour résumer, je tiens à noter que les fabricants de satellites et de composants satellites recevant des commandes incroyables sont toujours satisfaits du nouveau boom. Les opérateurs de services de lancement attendent également avec impatience une augmentation incroyable des commandes (y compris Roscosmos, à qui OneWeb sous diverses formes a commandé le lancement au 21 Soyouz-2). Une nouvelle réalité pourra-t-elle prendre pied avec le transfert des réseaux de communication dans l'espace? Qui sait. Cependant, si cela se produit, l'humanité recevra clairement un coup de pouce notable dans l'exploration spatiale et une réduction du coût de fabrication de la technologie spatiale et le retrait des charges utiles.