«Космический интернет» придется создавать на новых принципах

Илон Маск наконец-то дал понять, когда будет запущен в эксплуатацию один из самых масштабных его проектов – программа спутникового интернета Starlink. Между тем, похоже, что на пути этой амбициозной программы встали неожиданные технические ограничения. О чем идет речь, как будет выглядеть новый космический интернет – и что на эту тему создается в России?

«В следующем месяце». Такими словами инженер и предприниматель Илон Маск ответил на вопрос одного из пользователей соцсети «Твиттер» о том, когда именно наконец произойдет официальный запуск сети спутникового интернета Starlink. Иначе говоря, уже в октябре жители планеты смогут официально подключиться к интернету через космос (хотя и не все, о чем ниже).

Однако уже сейчас можно сказать, что компания SpaceX столкнулась с неожиданной проблемой, которая может притормозить развитие спутникового интернета.

Проклятие пригородов

Одной из главных так и не решенных проблем США вплоть до последнего времени является обеспечение населения страны дешевым доступом к широкополосному интернету. Шутка ли – абонентская плата за доступ к мировой паутине в США может достигать сотни долларов в месяц.

Причины такой отсталости Соединенных Штатов в вопросе цифровых коммуникаций известны. Большая часть населения Америки живет в так называемом suburbia – огромном пригороде, который простирается на добрую сотню километров вокруг каждого мегаполиса, практически смыкаясь с другими пригородами соседних городских агломераций.

В такой ситуации прокладка наземных линий связи становится очень дорогим удовольствием – ведь практически к каждому такому частному домовладению необходимо проложить отдельную, собственную линию связи. При этом жители крупных городов США привыкли к «хорошему интернету», но, выезжая за пределы города, в свои протяженные «спальники», они часто сталкивались с непропорциональным падением качества связи и ростом цены доступа к сети.

Решить задачу наличия широкополосного интернета в США взялся Илон Маск – путем создания спутниковой группировки Starlink, разработка которой началась в 2015 году.

Первоначально в рамках ее развертывания был запланирован вывод четырех тысяч спутников. На сегодняшний день компания Маска SpaceX подала заявку на увеличение количества спутников до 42 тысяч, из которых на данный момент запущено и находится на орбите 1657 аппаратов. На этом этапе компания взяла временную паузу в запусках своей спутниковой группировки. Но это далеко до запланированных 42 тысяч аппаратов! В чем причина такой остановки?

Вопрос в том, что сегодня, как и 70 лет тому назад, на заре космической эры, стандарты космической связи основаны на все тех же радиоволнах. Следовать традициям Королева и Вернера фон Брауна хорошо – но не в этом случае. Поскольку радиоволны имеют ряд недостатков, главный из которых – это пропускная способность самого канала связи.

Вверх по частоте

Как мы знаем из физики, объем передаваемых данных в канале напрямую зависит от частоты, которую мы используем. Чем выше несущая частота сигнала, тем больший объем требуемой информации мы можем в нем передать. В то время, когда существовала необходимость передавать лишь звуковую дорожку, достаточно было метровых волн, на которых построена большая часть радиовещания. Когда появилась «картинка» для передачи, как в случае телевизионного сигнала, мы перешли на стандарт дециметровых волн – метровых волн уже просто «не хватало» даже для первых, несовершенных телевизоров с «мыльной» картинкой.

Далее с ростом передаваемого объема информации худо-бедно справились, задействовав кабельные линии – так как большинство пользователей были «привязаны» к своим устройствам с фиксированным доступом в мировую сеть. Впоследствии медный кабель был заменен оптико-волоконным, что, опять-таки за счет увеличения несущей частоты сигнала, позволило передавать больший объем информации: легко смотреть фильмы и передачи онлайн, общаться по видеосвязи и прочее.

Но в современном мире мы давно уже перешли на мобильные средства связи. Сегодня мобильная связь нужна для тех же больниц, школ и прочей инфраструктуры не только в крупных городах. Школьники давно привыкли искать ответы в процессе обучения в «Яндексе» и других поисковых системах.

Много людей в современном мире учатся онлайн, получая знания, ранее недоступные в глубинке. Врачи небольших больниц имеют возможность получить консультации у высококвалифицированных специалистов для принятия быстрого и взвешенного решения.

Множество и множество таких решений предлагает нам современная спутниковая связь, причем не имеет значения, говорим мы о России или о США. Поэтому вопрос скорости и качества такой мобильной связи, а также ее доступности в любой точке Земли становится одним из главных при переходе к новому, информационному укладу.

Хьюстон, нас не слышно!

Эту задачу призваны решить спутниковые группировки SpaceX Маска и британская OneWeb. И если Маск в первую очередь работает над обеспечением связью США и Канады, то OneWeb заявила о намерении работать по всему миру. Последняя запустила 40 спутников на сегодняшний день. Да, у компании есть сложности в работе в России: до сих пор не получены лицензии и разрешения от Государственной комиссии по радиочастотам, но это никак не решит проблему, с которой уже столкнулась SpaceX: пропускная способность канала связи.

Конечно, атмосфера нашей планеты для радиоволн практически прозрачна, оборудование для приема и передачи несложное, но вот частота радиоволн, даже сантиметрового и миллиметрового диапазона, в котором, например, работает связь 5G, очень низкая в сравнении с видимым спектром и даже инфракрасными лучами. А это уже критически важно. Поскольку в одном радиоканале возможно передать не более 1 Гб информации в секунду.

Если бы спутник был только один, то это было бы вполне допустимым. Но таких спутников, напомним, планируется запустить тысячи и десятки тысяч.

При условии, что аппаратов десять, мы имеем уже канал в 100 Мб в секунду на каждый спутник, что уже на порядок скромнее. А если таких аппаратов сотни, как у OneWeb, или даже тысячи, как у Starlink… В этом случае аппараты начинают просто мешать друг другу, занимая один и тот же канал связи. В итоге при использовании радиосвязи даже сантиметрового или миллиметрового диапазона возникает проблема «космического шума». И эта проблема имеет не меньший вес, чем проблема «космического мусора».

Передавать данные можно и по узкому лучу, но следует учесть, что радиоволны фокусируются плохо. Да и работа «космического интернета» подразумевает передачу информации широким конусом, когда абоненты «разбирают» запрошенные пакеты данных. Это подчеркивает, что мы выросли из «коротких штанишек» радиосвязи – и в данном направлении нам нужно срочно меняться.

В свое время оптоволокно было новым шагом для фиксированной связи, заменив медный провод, для которого частота сигнала связи достигла своего физического предела. Что же станет таким шагом для связи в космосе? Над этой задачей бьются технари во многих странах – и предложенное ими решение снова ведет нас вверх по несущей частоте сигнала.

Нам помогут лазеры

Нынешний временный перерыв в запусках спутников Starlink связан именно с переходом на новую систему связи – лазерную. Отладка такой системы связи по планам SpaceX займет не менее года, после чего все новые аппараты Starlink уже будут использовать лазеры вместо радиоволн. В России созданием аналогичной лазерной космической связи занимаются ученые из Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ) из Сарова, где уже завершают создание уникальной установки для лазерной космической связи.

Следует сказать, что сейчас лазеры широко применяются для передачи огромного массива информации – на их использовании построена передача данных по оптико-волоконным кабелям. Но использование лазеров в космосе имеет еще больший потенциал – там они будут работать в вакууме, а отсутствие плотной и поглощающей сигнал физической среды для передачи позволит получить высокую скорость и надежность передачи при минимальном затухании сигнала. Для орбитального лазера связи перспективна работа в инфракрасном диапазоне, ведь для данной длины волны атмосфера практически прозрачна.

По сравнению с радиоволнами инфракрасное излучение имеет в 100 раз меньшую длину волны, а значит, и пропускной канал передачи данных будет в инфракрасном диапазоне в 100 раз шире. В этом случае мы можем позволить себе уже тысячи и десятки тысяч спутников в группировке.

Это также означает, что сигнал лазера может передаваться узконаправленным лучом, что не будет требовать больших размеров для приемных и передающих устройств. Важно и то, что переход на лазеры позволяет уменьшить габариты и вес коммуникационного оборудования спутников, а сам передатчик сделать маломощным, что позволит экономить столь важные для аппарата киловатты энергии солнечных батарей.

Что немаловажно для защиты передаваемых данных, направленный лазерный луч перехватить практически невозможно. А это уже очень интересно как для гражданского применения, так и для военных.

Притом что военные давно присматриваются к коммерческим спутниковым группировкам, обращая внимание на их широкие возможности. В вопросе обеспечения страны широкополосным доступом к интернету во всех уголках Россия готовит самостоятельное решение.

Впервые Роскосмос заявил о намерении создать глобальную спутниковую систему в 2017 году, а в июне 2018 года система получила название «Сфера». По проекту система должна включать группировку из 638 искусственных спутников связи и зондирования Земли.

Запуск первой части «Сферы» должен состояться в 2022 году, а полностью она будет развернута в период с 2022 по 2028 год. Пандемия внесла свои коррективы в планы Роскосмоса, что может повлиять лишь на сроки реализации, но сама программа запланирована и будет выполнена.

Наряду с этим специалисты из Сарова ведут работы по изготовлению опытных комплектов лазерного оборудования. Сам эксперимент с лазерной связью запланирован на 2024 год. Один из этих аппаратов будет установлен на транспортный корабль «Прогресс», а второй – на МКС.

Таким образом, будет отработана процедура связи, а далее ее можно будет масштабировать на любое количество космических аппаратов. А это уже позволит решить ту самую проблему «космического шума», которая оказалась даже острее, чем проблема космического мусора.