Batalha dos Hyperstars

Nos últimos 3 anos, no mercado de comunicações via satélite há muito estabelecido, pode-se observar um hype decente em torno das constelações de hiper-estrelas de satélite de baixa órbita (DOE) - sistemas de telecomunicações que consistem em muitos milhares de satélites, projetos caros e ambiciosos. Parece-me interessante me aprofundar nos detalhes técnicos e econômicos desses projetos e falar sobre suas perspectivas.



As comunicações via satélite hoje e nos últimos 30 anos são principalmente satélites de relés geoestacionários localizados, respectivamente, em uma órbita geoestacionária, onde o satélite é aproximadamente estacionário em relação ao observador terrestre e é equivalente a um relé de rádio convencional localizado em uma torre com uma altura de 35.000 quilômetros. Além disso, um único satélite é visível imediatamente a partir de ~ 35% da área da Terra, e três são suficientes para cobrir toda a superfície, exceto as regiões polares.

Atualmente, os satélites de comunicação geoestacionária são máquinas muito pesadas, pesando até 4 toneladas (em órbita de trabalho), fornecendo canais de comunicação com várias centenas de gigabits de largura. Essa aparência desses satélites se desenvolveu, por um lado, a partir da área de cobertura gigantesca do sinal de rádio do satélite (quantas torres de rádio podem ter acesso a 5 bilhões de clientes em potencial?) E, por outro lado, o peso do equipamento que pode espremer a largura de banda máxima do espectro de rádio disponível.



Alinhamento dos padrões de antena do satélite geoestacionário Eutelsat 8 West B . Atualmente, a coordenação de características espectrais espaciais é uma tarefa muito difícil em projetos de satélites, e os sistemas de baixa órbita não são exceção.

Preste atenção às palavras "espectro de rádio disponível". As comunicações por satélite operam em frequências de 1,5 a 60 gigahertz, mas não há muitos satélites disponíveis nesta ampla faixa de rádio. Em primeiro lugar, na faixa de 1,5 a 10 GHz, existem muitos consumidores terrestres do espectro de rádio - um exemplo típico é o wi-fi em torno dos 2,4 e 5,5 GHz centrais. Em segundo lugar, acima de 20 GHz, chuva, granizo e nebulosidade começam a afetar a operação do canal de rádio. Em terceiro lugar, a banda disponível deve ser dividida por pelo menos dois para organizar o canal Terra-Satélite. Como resultado, os intervalos de comunicação por satélite usados ​​ativamente (indicados pelas letras S, C, Ku, Ka) são de apenas 6 GHz de banda, para os quais há uma batalha mortal de muitos operadores.

Inicialmente, no entanto, 6 GHz era suficiente. Afinal, há 15 anos, o principal conteúdo entregue aos assinantes pelos satélites de comunicação era a televisão, e o mesmo sinal de rádio poderia fornecer conteúdo de TV para dezenas de milhões de assinantes de uma só vez. No entanto, com o advento dos anos 2000, o mercado começou a inclinar-se cada vez mais para a comunicação digital bidirecional, onde a demanda por largura de banda está crescendo linearmente com o número de assinantes.



A montagem do satélite de navegação Galileo. De fato, a montagem de satélites modernos é reduzida à instalação manual de componentes do sistema de satélite em painéis de energia e ao rastreamento manual de dezenas de cabos e tubulações que os conectam, bem como a um grande volume de testes funcionais do complexo resultante. Nesse sentido, os satélites são mais parecidos com equipamentos industriais de precisão do que, digamos, aviões.

Os satélites da GSO responderam a uma mudança no mercado através da reutilização espacial de frequências - o satélite emite muitos feixes relativamente estreitos nos quais as mesmas frequências se cruzam (no princípio das redes celulares). Mas essa mudança de necessidades também mudou a otimização das máquinas GSO para outras soluções.

Dos satélites GSO de alto vôo, vamos para os de baixa órbita. A idéia é substituir um satélite quase estacionário pesado por um enxame de vôo em órbita baixa. A idéia é bastante óbvia, mas até a década de 90 não é usada, devido ao equilíbrio de pró e contra.

Quais são as vantagens dos satélites de baixa órbita sobre os satélites GSO?

• Órbita baixa é muito menor ... sim. De fato, isso proporciona uma redução muito significativa nas perdas de energia no canal de rádio (até 4 ordens de magnitude), o que permite o uso de pequenas antenas e transmissores de baixa potência, tanto em terra quanto no satélite
• Uma órbita baixa também significa um atraso de sinal baixo - a pausa nas respostas do interlocutor quando a telefonia via GSO é bastante perceptível (ping 250 ms em um sentido)
• A estrutura de "muitos satélites" permite reutilizar o recurso de frequência em cada um (simplificando levemente a situação) e, teoricamente, obter uma taxa de transferência geral muito maior no mesmo espectro e atender a muito mais assinantes.

Mas o negócio não se limita apenas a vantagens, é claro:

• Um sistema de órbita baixa implica a manutenção de uma grande constelação de satélites, uma infinidade de estações terrestres interagindo com redes de comunicação - em geral, os gastos de capital para implantações são muito maiores.
• Os satélites passam por cima dos assinantes, o que significa que você precisa usar antenas omnidirecionais ou sistemas de rastreamento muito avançados, o que elimina quase completamente a vantagem em boa energia
• Para fornecer, na realidade, e não no papel, uma grande largura de banda do sistema com reutilização múltipla do espectro, satélites extremamente sofisticados com sistemas de antena desenvolvidos, interruptores digitais de alta velocidade, comunicação inter-satélite de alta velocidade com rastreamento - eram necessários - nada disso existia em sua forma final no início dos anos 90.

Apesar do equilíbrio óbvio dos prós e contras, vários operadores correram para perceber a nova idéia de comunicações via satélite nos anos 90. O projeto mais famoso da época era chamado Teledesic e significava 840 dispositivos em órbita com uma altitude de 700 km, com a tarefa de fornecer Internet para assinantes terrestres. A Teledesic levantou cerca de um bilhão de dólares, mas não teve sucesso. Desde o momento em que o projeto foi concebido em 1990 até o lançamento do primeiro satélite experimental em 1998, os operadores terrestres conseguiram conquistar uma parte significativa do mercado que a Teledesic buscava, os modelos financeiros mostraram uma recuperação de custos de US $ 9 bilhões (~ 20 bilhões em dólares de hoje), então o projeto foi à falência antes antes da implantação.



Simulação da constelação de satélites Teledesic (em uma versão reduzida para 288 dispositivos). Pode-se observar que, com um arranjo uniforme da constelação nas órbitas circumpolares com latitude crescente, ocorre sobreposição múltipla das áreas de trabalho dos satélites. Este não é um problema tão simples, ao que parece, e requer desconectar parte dos satélites do trabalho em latitudes acima de 45, ou ter muitos equipamentos sofisticados a bordo do satélite para reconfigurar as áreas de trabalho quando os satélites se aproximam dos polos.

A Teledesic rapidamente conseguiu dois rivais - os projetos Iridium e Globalstar, que se concentravam no mercado de telefonia via satélite, então mais familiar, que geralmente era quase inacessível aos operadores de GSO (a telefonia diretamente da estação geoestacionária exigia uma antena grande no chão ou uma antena incrivelmente grande na satélite)

O projeto Iridium teve cobertura global devido a uma constelação de 72 satélites (planos 6x11 + reserva de 1 satélite por avião) em órbitas de 700 km. Cada satélite pesava 680 kg, mas possuía bastante modesto pelos recursos dos padrões atuais para trabalhar simultaneamente com apenas ~ 1.500 assinantes. As órbitas dos satélites tinham uma altura média de 780 km para os grupos NOO.



Satélite Iridium de primeira geração. Três antenas de assinantes de 48 feixes nas laterais do satélite nos deram o fenômeno de " Iridium flares ". Com base no satélite, são visíveis 5 antenas rotativas de banda Ka, fornecendo comunicações entre satélites e comunicação com teleportadores terrestres.

Os satélites Iridium haviam desenvolvido equipamentos de comunicação entre satélites, que permitiam o roteamento de chamadas para estações de comunicação terrestres ou para um assinante-satélite da rede. Este equipamento, em geral, determinou o peso dos satélites.

Quase imediatamente após a implantação do grupo, a empresa faliu, e apenas especialistas saberiam se não fosse o Pentágono, que decidiu que o sistema era muito útil para fins militares: o Iridium falido foi comprado por empreiteiros do Pentágono que começaram a operar o sistema por dinheiro das forças armadas, cancelando parte custos de capital.

O concorrente da Iridium era a Globalstar - um sistema implantado um ano depois, inicialmente criado de acordo com cânones mais econômicos. Havia apenas 48 satélites, pesando 550 kg, com uma altura de órbita de 1.400 km, distribuídos em 6 peças em 8 aviões. Um número tão grande de veículos nessas órbitas não permitia cobrir toda a superfície da Terra, e a comunicação funcionava apenas até ~ 70 latitudes. No entanto, a Globastar só conseguiu trabalhar como repetidora do assinante para o gateway de terra, de modo que haveria pouco uso no Polo Norte.



Constelação "Globalstar". A decisão de tirar as regiões polares de serviço, por um lado, economizou muito dinheiro, por outro - privou a globalstar de seus clientes trabalhando, pesquisando e viajando perto dos polos - deve-se notar que uma parte significativa de todos os clientes de telefonia por satélite.



Os satélites Globastar são instalados no dispensador para orbitar. Peças estranhas em preto e laranja são as antenas de recebimento e transmissão dos canais Subscriber-Sputnik e Teleport-Sputnik.

Um modelo tão barato permitiu à Globalstar durar mais tempo, embora no final ele tenha falido.

Finalmente, na década de 1990, foram criados mais 2 grupos de órbita baixa (NOO), provavelmente pouco conhecidos - o “Messenger” doméstico e o Orbcomm americano. O "mensageiro" surgiu de sistemas de espionagem militar e implicava a possibilidade de transmitir pequenos pacotes de dados ou mensagens de voz offline (ou seja, satélites eram usados ​​como caixas de correio voadoras). De fato, esta é uma simplificação adicional da Globastar e, para ser sincero, nunca ouvi falar na minha vida sobre o uso desse sistema para fins comerciais.

A Orbcomm implementou essencialmente a mesma abordagem de "caixa de correio offline por satélite" e, em 1998, implantou 36 satélites para fornecer serviços M2M (coleta de dados de equipamentos remotos). Como todas as outras empresas, a Orbcomm entrou em falência, mas devido aos investimentos inicialmente mínimos no sistema (não existem teleportadores terrestres, os satélites mais leves, os baixos requisitos de continuidade de cobertura etc.), a empresa se endireitou e ainda está viva hoje, juntamente com outros 3 projetos listados acima.



O projeto Orbcomm foi um dos primeiros a tirar proveito da redução no tamanho de eletrônicos e satélites em geral, usando dispositivos que pesavam apenas 40 kg para operação.

Assim, a triste experiência dos anos 90 levou à conclusão de que os grupos de comunicação da NOU são possíveis, mas economicamente insalubres. Nos dez anos seguintes, os investidores fugiram de novas propostas sobre esse assunto, como o inferno do incenso. No entanto, todas as coisas ruins são rapidamente esquecidas e, agora, no início dos anos 2010, o mundo viu uma nova onda de "orbitais baixos" buscando investimentos.

Este amanhecer é suportado por algumas declarações lógicas. Em primeiro lugar, a Internet de um dispositivo sem fins lucrativos engraçado nos anos 90 se transformou em um dos canais de consumo mais poderosos e é muito popular em todos os lugares, mas ao mesmo tempo ainda existem locais onde os operadores terrestres não alcançaram suas ópticas. Em segundo lugar, o desenvolvimento de equipamentos de satélite e de telecomunicações desde os anos 90 foi muito longe, e as tarefas de criar um campo de trabalho dinâmico de satélite para solo com feixes múltiplos, roteamento de dados e comunicações a laser de alta velocidade entre satélites agora podem ser resolvidas em uma espaçonave de 150 a 200 kg. 1000 kg há 20 anos.

Finalmente, o equipamento de assinante em terra também fez um grande progresso em suas capacidades. Nos anos 90, era louco oferecer equipamentos AFAR (antenas de fases ativas) aos assinantes, o que permitiria rastrear os satélites no céu com o feixe principal da antena receptora. Não havia tecnologias para produzir essas antenas por pelo menos algum dinheiro razoável. As antenas com acionamento mecânico de dois estágios também não são baratas e não são adequadas para soluções em massa, mas, enquanto isso, a física de rádio dos canais de banda larga exigia antenas com boa amplificação (ou seja, direcional).

Hoje, as soluções de comunicação via satélite que usam o AFAR com um feixe dinâmico estão gradualmente penetrando no mercado de comunicações via satélite - até agora principalmente no fornecimento de navios e aeronaves com a Internet e, em um futuro não muito distante, essas antenas podem se espalhar.



Antenas AFAR para o sistema O3b (abaixo), instaladas em aeronaves e navios. Devido aos giroscópios GPS e MEMS, a antena conhece sua posição no espaço e forma um feixe de ganho máximo, direcionado precisamente ao satélite, compensando o movimento e o rolo do equipamento.

O primeiro sinal de uma nova rodada de desenvolvimento de constelações de satélite de telecomunicações foi o projeto O3b, iniciado em 2007. Este projeto não é como os outros, mas sem mencionar que seria errado. Lançado em um momento em que a dor das perdas financeiras na Iridium e na Globalstar ainda não havia sido esquecida, o projeto não estava focado nos usuários finais, mas no fornecimento da Internet para a) navios de cruzeiro b) pequenas ilhas c) aviões - tudo isso em uma zona equatorial relativamente próxima, até 45 latitude. A constelação de 8 satélites no início e 16 em configuração completa gira na mesma órbita 8100 km acima da superfície, ou seja, aproximadamente ¼ de altitude a partir da órbita geoestacionária. Cada satélite possui 12 antenas com controle de dois estágios e pode criar 10 feixes de clientes com um diâmetro de aproximadamente 700 km e uma largura de banda de 1,6 Gbit por feixe. As 2 antenas restantes examinam os pontos de interface com a rede global (os sinalizadores chamam esses pontos de teleportadores).


Satélite O3b pesando 700 kg.


Satélites O3b no distribuidor. São visíveis 12 conjuntos de rádio óptica com unidades de dois estágios para organizar os feixes do cliente.

O projeto arrecadou com sucesso dinheiro para o lançamento e, em março de 2019, concluiu a implantação de uma constelação completa de 16 satélites, gastando um modesto ~ $ 1,5 bilhão em implementação.



O princípio de construção do agrupamento O3b. Grande solução de nicho, aparentemente.

Curiosamente, o ideólogo e criador do O3b era um homem chamado Greg Wyler, que posteriormente lançou um projeto de satélite completamente novo, que marcou o início de um boom de hipergrupos. Bem-vindo - um sistema de 1600 satélites “OneWeb”.

Fundada em 2012 (sob o nome WorldVu), a empresa previa o lançamento de mais de 2.000 satélites (o número muda ao longo do tempo) em baixa órbita terrestre. O número de satélites necessários WordVu é incrível - é comparável a todos os outros satélites ativos em órbita da Terra.

E o assunto não está apenas no número em si. Quando você tenta montar e lançar rapidamente 2.000 satélites, surgirá uma quantidade incrível de dificuldades. Até o momento, os satélites são montados como um relógio suíço - é um trabalho manual de joias com uma quantidade incrível de controle e "chips", para que, Deus permita, deixe produtos orgânicos para isolamento térmico ou danifique os eletrônicos por descarga estática. O espaço é cruel. E agora, propõe-se transmitir não apenas a montagem de satélites, mas também os muitos componentes necessários à qualidade do espaço (eletrônica, conectores, motores químicos e eletrorreativos, etc.).



O satélite OneWeb, cujo contrato de produção recebido pela Airbus, implementa as capacidades da Teledesic com seis vezes menos peso e três vezes menos preço.

No entanto, um plano tão ambicioso tem lógica. Suponha que você decida criar um sistema que distribua a Internet de apenas uma centena de dispositivos, e não de 2000. Em seguida, você encontrará o fato de que a largura de banda limitada de cada uma será inevitavelmente responsável por vários milhões de quilômetros quadrados. E se nos oceanos com iates raros clientes isso é ótimo, então nos países densamente povoados - pelo contrário. Haverá 2 satélites em cada um dos seus sistemas de 100 satélites na China, Europa, todo o Sudeste Asiático e até 3 na América do Sul. Quantos clientes esse grupo pode atender? Não. Isso é suficiente para pagar? Também não. É necessário aumentar o número de satélites. Se você pegar satélites de 2000 a 4000 e criar um padrão de feixe de assinante-satélite comparável às redes GSM iniciais pelo número de células, os modelos de negócios crescerão juntos e até, digamos, os subúrbios da área metropolitana americana são locais bastante adequados para encontrar uma clientela.

O problema, no entanto, é que os modelos financeiros são maravilhosos, mas a verdadeira lucratividade e demanda desses projetos espaciais podem ser entendidas apenas pela implantação de uma rede. Mas muitos bilhões de dólares precisam ser gastos na implantação e, quanto mais satélites forem esperados em uma rede completa, mais bilhões serão necessários.


Vídeo de publicidade OneWeb, em que os quadros de montagem do primeiro lote de satélites também piscam. Ainda não é possível dizer que a tecnologia de montagem do transportador é visível em algum lugar, embora parte das operações seja mecanizada.

Agora, o OneWeb (comprado pela Intelsat, a maior operadora de GSO) está tentando caminhar por um caminho estreito entre os abismos da largura de banda insuficiente da rede e os investimentos iniciais muito grandes que não podem ser encontrados pelos investidores. E embora esse caminho pareça complicado - não faz muito tempo, o projeto decidiu reduzir o número total de satélites implantados para 1600 e o estágio inicial de 900 para 600 satélites.Ao mesmo tempo, o projeto se concentrará mais nos clientes na forma de aviões e navios (onde muitos outros operadores de satélite já trabalham), e não na massa de pessoas comuns. Sinais preocupantes.


Os primeiros 6 satélites OneWeb foram lançados em fevereiro de 2018 pelo foguete Soyuz-2.1B do Kourou Cosmodrome. Parece que não veremos a implantação completa do sistema até 2021.

No entanto, o projeto OneWeb ainda está em desenvolvimento, coletando dinheiro (os investidores já investiram cerca de US $ 3 bilhões, o suficiente para os primeiros 600 satélites implantados) e possui concorrentes: projetos de hipergrupos SpaceX Starlink e Amazon Kuiper e agrupamentos mais modestos do que Telesat Leo e LeoSat (LEO = órbita terrestre baixa, daí o compromisso com esta palavra nos nomes).

O SpaceX Starlink atualmente fornece a implantação de 1584 satélites no estágio inicial e até 12.000 (!!!) na configuração completa. Está planejado usar altitudes de 550 km (40 planos orbitais de 66 cada), 330 km (a principal massa de satélites será 7.500 aqui) e 1.150 km (cerca de 3.000 mais). Em termos de radiocomunicação, ele também fornece o uso de muitas bandas ao mesmo tempo (incluindo a faixa V, que é pouco dominada pelos componentes, em mais de 50 GHz), mas, no primeiro estágio, a largura de banda tradicional do Ku (10-20 GHz) de vários gigabits por satélite. A comunicação entre satélites a laser é fornecida a velocidades de várias centenas de gigabits.



Os satélites Starlink são ainda mais avançados que o OneWeb, com motores reativos elétricos krypton inovadores, eletrônica industrial e dependência de reserva orbital em vez de confiabilidade, etc. No entanto, hoje longe de todos os detalhes ainda são conhecidos.

Em suma, o projeto Starlink é incrivelmente ambicioso e terá que competir por um cliente com operadoras de cabo terrestre pelo retorno. As perspectivas do projeto ainda são vagas (incluindo o plano de arrecadar os fundos necessários para a implantação de um grupo operacional mínimo), mas a implantação de 60 satélites que ocorreram na semana passada ao mesmo tempo com um lançamento (contra 6 no OneWeb, lembro) faz meu coração bater mais rápido.


Simulação da constelação orbital Starlink após o lançamento dos primeiros 264 satélites.


E simulação de comunicação via Starlink em uma constelação totalmente implantada de 1584 satélites.

Outro participante não menos ambicioso é a Amazon, que solicitou a implantação de 3236 satélites como parte do projeto Kuiper. Até agora, pouco se sabe sobre o projeto, exceto pelas palavras tradicionais sobre “3 bilhões de pessoas não conectadas à Internet” (como se o problema estivesse em dificuldades técnicas, e não na ausência desses 3 bilhões de dinheiro na Internet). Mas pelo menos uma sinergia possível é visível para uma das maiores lojas online do mundo na transmissão de tráfego de uma constelação de satélites por si mesma. A partir daqui, podemos esperar que o projeto Kuiper tenha mais chances de implementação.

Além dos projetos altamente complexos OneWeb, Starlink, Kuiper, houve vários outros gestos da Boeing e da Samsung, mas parece que essas empresas não se atreveram a realizar investimentos tão arriscados.

Finalmente, brevemente sobre o nicho Telesat Leo e LeoSat, um pouco menos ambicioso e um pouco mais. Ambos os projetos visam competir com os backbones de fibra óptica terrestre. Sua tarefa é pegar o tráfego de banda larga de um cliente comercial e transportá-lo via constelação de satélites para um teletransporte em algum lugar de outra parte do globo. Ambos os projetos envolvem o lançamento de ~ 110 satélites, enquanto o Telesat Leo resolve elegantemente o problema do excesso de largura de banda de satélite em alta latitude com preenchimento uniforme de órbitas inclinadas - criando dois tipos de constelação: em órbitas ~ 45 graus e em órbita polar. Ambos os projetos ainda estão arrecadando dinheiro, enquanto a Telesat (uma grande operadora de satélites dos satélites GSO) parece mais promissora.


Simulação de comunicação através do sistema Telesat LEO

Para resumir, quero observar que os fabricantes de satélites e componentes de satélite que recebem pedidos incríveis ainda estão satisfeitos com o novo boom. Os operadores de serviços de lançamento também estão ansiosos por um aumento incrível de pedidos (incluindo Roscosmos, para quem o OneWeb, de várias formas, encomendou o lançamento no 21 Soyuz-2). Será que uma nova realidade poderá ganhar posição com a transferência de redes de comunicação para o espaço? Quem sabe No entanto, se isso acontecer, a humanidade obviamente receberá um impulso notável na exploração espacial e uma redução no custo da fabricação de tecnologia espacial e a retirada de cargas úteis.