Как создать российский «космический интернет»
Обеспечение потребителей связью в любой точке мира, высокоскоростной передачей данных и результатами глобального космического мониторинга станет возможным с помощью многофункциональной космической информационной системы, создаваемой на базе орбитальной сети малых космических аппаратов. Условное наименование системы – «Парадигма».
Статья журнала ВКС, №1 (90) февраль 2017
Сложившаяся международная обстановка и системный кризис на предприятиях ракетно-космической отрасли требуют принятия нестандартных технологических решений в развитии космических информационных систем. Однако, если проанализировать последние события и планы развития отечественных космических технологий, значимых прорывов в решении поставленной задачи пока нет.
Отечественная космическая техника продолжает развиваться на старых заделах, игнорируя тенденции развития мировой автоматической космонавтики и достижения российских ученых.
У нас пока не созданы конкурентоспособные системы персональной спутниковой связи и телематической системы для сопровождения транспорта и грузов, которые так важны для обеспечения отдаленных районов, и в особенности стратегически важного региона Арктики.
Проекты космического мониторинга Земли строятся на традиционных технологиях и требуют, с одной стороны, огромных средств (более 200 млрд руб.), а с другой – длительных сроков создания системы наблюдений (более 10 лет), что недопустимо.
Вместе с тем, как отметил президент России В. В. Путин в ноябре 2016 года на совещании в Сочи, нам «необходимо сохранить и приумножить позиции России в мировой космической индустрии, добиться прорывных достижений в изучении космоса, предложить рынку по-настоящему инновационные технологии и востребованные услуги в космической сфере».
Основные требования, предъявляемые к создаваемой системе
- глобальность (или всеохватность) покрытия территорий и акваторий земного шара;
- непрерывность действия над любой точкой поверхности Земли;
- высокая оперативность глобальной передачи данных и доведения результатов глобального космического мониторинга (задержка не более десятков секунд);
- высокая надежность при выходе из строя части спутников системы.
Экономическая оценка проекта показала, что система «Парадигма» может быть реализована на отечественном научно-техническом заделе в течение 6-7 лет. Ее стоимость составит 59 млрд руб.
Состав системы «Парадигма»
- низкоорбитальный многоспутниковый эшелон малых космических аппаратов (МКА) глобальной передачи данных («транспортный» информаци-онный кластер «Космосеть»);
- низкоорбитальный эшелон кластеров МКА космического мониторинга поверхности Земли (оптических, радиолокационных и радиотехнических);
- наземный сегмент управления системой;
- сегмент персональной аппаратуры наземных, воздушных, морских и космических пользователей;
- вспомогательный воздушный кластер мониторинга и связи на основе атмосферных спутников (АС), дирижаблей, воздушных беспилотных летательных аппаратов и др.
Ключевые идеи создания системы:
- каждый МКА связан с ближайшим соседом дуплексным каналом передачи данных «МКА – МКА» в миллиметровом диапазоне радиоволн. Результат – многосвязность МКА системы;
- каждый МКА связан с Землей в заданном регионе (и с этой целью оснащен модемами «космос – земля» и «земля – космос»);
- МКА транспортной системы «Космосеть» осуществляет связь с кластерами МКА мониторинга по каналу «МКА – МКА», а с атмосферными спутниками наблюдения по каналу «земля – космос»;
- КА связи расположены на геостационарной и высокоэллиптических орбитах (ГСО и ВЭО).
Рассмотрим последовательно каждый из кластеров системы.
Почта, телефон, телеграф
Основная задача многоспутникового транспортного кластера передачи данных «Космосеть» – обеспечить глобальную передачу данных и бесперебойную телефонную связь между любыми точками на поверхности Земли, «на суше и на море», а также в воздушном пространстве. Справляться с поставленной задачей предстоит 72 спутникам, расположенным на девяти орбитах, разнесенных по долготе восходящего узла.
Высота круговых орбит всех спутников – 650 км, наклонение – 82,5°. На каждой – по восемь спутников. Основное свойство этой орбитальной группировки – многосвязность: когда каждый МКА связан со своими ближайшими соседями.
Режим работы системы «Парадигма»
- IP-телефония и Интернет – со скоростью до 1 Мбит/с;
- специализированная передача данных между спутниками и при взаимодействии с Землей – со скоростью не менее 180 Мбит/с.
Вижу землю!
Мониторинг поверхности Земли будут обеспечивать сразу несколько кластеров МКА, с разным оборудованием на борту, а стало быть, и разными способами получения информации.
Рассмотрим принцип работы кластера многопозиционной бистатической радиолокации подстилающей поверхности Земли.
Один из МКА кластера облучает цель, а остальные – принимают отраженные радиосигналы и строят многоракурсное (по количеству МКА-приемников) изображение цели. Такое изображение крайне важно для распознавания наземных объектов. Кроме того, подобная технология будет полезна при решении проблем геодезии и картографии, потому что позволяет с достаточной точностью определить высоту рельефа.
В качестве источников сигналов облучения могут использоваться сигналы космических навигационных систем ГЛОНАСС, GPS, Galileo. В РФ уже проведены успешные эксперименты по бистатической радиолокации на сигналах ГЛОНАСС.
Кластер синхронной панхроматической и гиперспектральной оптической съемки местности с борта МКА предполагает наличие малогабаритного телескопа панхроматической съемки с диаметром зрачка 10–15 см, а также малогабаритного гипервидеоспектрометра с количеством спектральных каналов в несколько сотен.
Исследование показало, что совместное использование результатов наблюдений этих инструментов позволяет получить разрешение на местности, соизмеримое с разрешением, получаемым большими бортовыми телескопами. Габариты, вес и стоимость бортовой аппаратуры МКА в та-ком режиме наблюдений значительно (в десятки раз) меньше.
Кластер многопозиционного радиотехнического мониторинга подстилающей поверхности Земли работает следующим образом: сигнал, излучаемый наземным радиоисточником, принимается на борту ближайших МКА низкоорбитальной системы «Парадигма» и переизлучается либо на Землю, либо на центральный МКА кластера ра-диомониторинга.
Если переизлучение сигнала ведется как минимум тремя МКА, то в центре приема этих сигна-лов решается задача определения высокоточных координат источника практически в реальном времени.
Данный кластер также успешно справляется с обеспечением дуплексной связи, мониторингом транспортных средств, мониторингом территорий и атмосферы на основе сети наземных и атмосферных датчиков. Решение этих задач особенно важно в регионе Арктики.
Преимущества кластера:
- высокая точность определения координат це-ей по их собственному излучению (десятки метров);
- высокая оперативность: определение координат неизвестных источников практически в реальном масштабе времени (до минуты);
- низкая стоимость одного МКА за счет малого габарита и веса;
- большая зона обслуживания (6–8 тыс. км) и возможность прицельного наблюдения выбранной территории;
- многофункциональность аппаратуры МКА.
Что витает в воздухе
Кластер непрерывного радиомониторинга состояния ионосферы призван повысить точность системы ГЛОНАСС, надежность прогнозов атмосферной и космической погоды, а также обнаруживать особые области ионосферы.
Все эти задачи решаются с помощью бортовой навигационной аппаратуры ГЛОНАСС, установленной на каждом МКА системы «Парадигма», а именно на основе приема сигналов системы ГЛОНАСС, «пронизывающих» ионосферу.
Вспомогательный кластер воздушных летательных аппаратов может строиться на базе так называемых «атмосферных» спутников, дирижаблей и БПЛА-низколетов различных видов. Атмосферные спутники используют солнечную энергию, не требуют специального топлива и могут совершать полет на высоте 20–30 км в течение 3–5 лет. На аппаратах этого кластера может размещаться информационная «добывающая» аппаратура всех перечисленных выше кластеров.
Кроме перечисленных, как составная часть системы могут рассматриваться и другие кластеры МКА, например, обнаружения пожаров, наблюдения элементов космического мусора, геодезический кластер и др.
Существуют ли аналоги?
Единственной отечественной многоспутниковой сетевой системой, соответствующей данной парадигме, является космическая навигационная система ГЛОНАСС, в состав которой вводятся дополнительные межспутниковые радио- и оптические каналы связи.
Подобная концепция развивается в последние десятилетия во многих зарубежных странах – США, Германии, Франции, Японии, Китае и завершается либо созданием коммерческих систем (типа систем навигации GPS, Galileo, Compass, систем персональной связи Iridium, Globalstar, системы сопровождения грузов Orbcomm), либо созданием экспериментальных оборонительных систем.
В России эта парадигма развивается силами научных школ вузов. Однако из-за отсутствия финансовых средств эти исследования носят в основном теоретический и научно-экспериментальный характер.
Преимущества «Парадигмы»
- глобальность действия за счет использования околополярных орбит;
- непрерывность действия за счет большого количества МКА в системе;
- высокая оперативность передачи информации (практически в реальном времени) на глобальные расстояния за счет использования межспутниковых связей по множеству альтернативных маршрутов;
- высокая живучесть системы за счет множества спутников, многосвязности и наличия альтернативных маршрутов передачи информации;
- высокая эффективность мониторинга территорий и акваторий по причине совместного использования МКА радио- и оптического мониторинга.
Характерные черты сетевой многоспутниковой информационной системы МКА «Парадигма»:
- возможность снижения массогабаритных характеристик информационного МКА за счет пространственного распределения его функций;
- возможность получения новых видов информации по сравнению с одиночными КА существующих информационных систем;
- повышение надежности решения задачи передачи данных и добывания новой информации за счет сетевых ресурсов системы.
Подчеркну, что ни одна из известных российских космических систем (существующих и проектируемых) такой совокупностью свойств не обладает.
Внедрение системы «Парадигма» открывает совершенно новые возможности в стратегически важных направлениях развития РоссийскоЙ Федерации:
- освоение и развитие Арктики;
- глобальный мониторинг земной, водной поверхности, воздушного пространства;
- глобальный мониторинг атмосферной и космической погоды и непрерывный мониторинг чрезвычайных ситуаций;
- глобальное сопровождение наземных, воздушных и морских транспортных средств и развитие службы их спасения;
- проведение научных исследований земной и водной поверхности, воздушного и околоземного космического пространства;
- развитие базовых технологий для внедрения интеллектуальных систем управления робототехническими системами;
- укрепление национальной безопасности и обороноспособности.
Наконец, система открывает возможность создания российского «космического интернета», что позволит РФ занять место в ряду самых передовых информационно-развитых стран.
***
Текст: Вячеслав Фатеев, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Александр Галькевич, доктор технических наук.
По материалам доклада «Многофункциональная космическая информационная система на базе орбитальной сети малых космических аппаратов (концепция "Парадигма")»
4034 
