Малые спутники связи на геостационарной орбите - аргументы "за" и "против"

Анпилогов В.Р., "ВИСАТ-ТЕЛ", г. Москва, т/ф (095) 231 33 68, E-mail: avr@cts.ru

Cегодня с телеэкрана, со страниц газет и журналов неиссякаемым потоком льется "научная мысль" наших экономистов о необходимости инвестиций в реальный сектор экономики. (Эта статья опубликована в 2000 г., но ситуация к 2003 г. в лучшую сторону изменилась незначительно.)

Бюджетных денег на это не хватает, а наши доморощенные олигархи в состоянии делать только "быстрые деньги". Западные инвесторы уже давно осознали, что в российской реальной экономике им делать нечего, да и зачем своими же деньгами вскармливать конкурента. Выгоднее (и проще) качать ресурсы из России для развития своей реальной экономики и не рисковать. Очевидно, что необходимо сформулировать и выделить объективные приоритетные для России направления, обеспечив государственные гарантии и льготы для инвесторов наукоемких технологий. Одно из таких направлений - космические информационные технологии, среди которых особенно актуальны (не только сегодня, но и в будущем) спутниковая связь, передача данных и вещание. Поскольку в России имеются собственные ракетоносители, коммерческая привлекательность развития космических информационных технологий - не фантазия, а реальность. Государству достаточно лишь помочь сдвинуть эту отрасль с мертвой точки, а затем все само пойдет, и инвесторы потянутся к столь, без сомнения, прибыльной сфере. Ведь годовой оборот на мировом рынке спутниковой связи достигает 75-100 млрд дол. и постоянно возрастает, но "урожай" с этого "поля" собирают в основном компании США. Они имеют технические средства в виде многочисленных современных спутников связи, передачи данных и вещания.

Положение дел сегодня

Космическая группировка России состотит сегодня из десятка спутников, которые уже давно морально и физически устарели. Недавний успешный запуск ИСЗ "Экспресс-А2", к сожалению, принципиально не меняет общую ситуацию, поскольку проекты создания действительно современных ИСЗ, таких как "Ямал-200/300", "Экспресс-К" [1], так и остаются в основном на бумаге. Причина тому, конечно, - деньги, а точнее, их отсутствие. Для создания только одного современного ИСЗ (с учетом его зауска), по международным расценкам, необходимо 180-200 млн. дол. В связи с этим ряд предприятий России за свои средства пытается разработать легкие универсальные космические платформы для создания малых спутников различного назначения, в том числе связных ИСЗ (стоимость их создания будет в несколько раз меньше).

Малые геостационарные ИСЗ

Эффективность малых геостационарных ИСЗ связи и вещания не очевидна (мировая тенденция - создание тяжелых геостационарных ИСЗ). Действительно, существуют проблемные вопросы технического характера.

Прежде всего определим ряд основополагающих параметров для современного геостационарного ИСЗ [2]:

  • отношение массы полезной нагрузки (включая антенны) к общей "сухой" массе ИСЗ xm= (30±5)%;

  • отношение массы антенной системы к массе полезной нагрузки ИСЗ xa = (27±3)%;

  • отношение мощности потребления полезной нагрузки к общей мощности системы энергопитания ИСЗ xp= (75±7)%.

B табл. 1 представлены параметры действующих тяжелых геостационарных ИСЗ.

Таблица 1. Показатели эффективности современных геостационарных ИСЗ.

ИСЗ
(период разработки ИСЗ)
mc
("Сухая" масса ИСЗ, кг)
Pc
(Мощность солнечных батарей, Вт)
Mp
(Масса полезной нагрузки, кг)
N
(Число эквивалентных стволов с полосой 36 МГц)
mc / mp=xm mp / N= hm
(Эквивалентная масса ствола, кг)
Pc / N * xp = hp
(Эквивалентное энергопотребление ствола, Вт)
Геостационарные ИСЗ международных СССиВ
lntelsat-7 (1988-1993) 1470 3851 442 66 0,301 6,69 42,6
lntelsat-7A (1990-1995) 1823 5326 525 86 0,288 6,10 45,2
lntelsat-8 (1992-1997) 1540 4800 490 79 0,318 6,20 44,4
Orion-F1 (1988-1994) 1063 3500 330 48 0,310 6,87 53,2
Геостационарные ИСЗ национальных СССиВ
DFS (1983-1989) 656 1550 158 19 0,241 8,32 59,6 I
Italsat-FI (1985-1991 )(1) 952 1690 290 25 0,305 11,60 49,3
Telecom-2 (2) 1084 3500 484 37 0,446 13,08 69,1
Nahuelsat(1991-1997)(3) 1050 3500 225 27 0,22 8,33 94,6
ST-1 (1996-1998)(3) 1250 7200 420 38 0,336 11,05 138,3 1

Примечания:

  1. используются цифровая обработка и коммутация каналов;
  2. в составе ИСЗ имеется военный ретранслятор;
  3. имеются мощные стволы непосредственного вещания.

Проанализировав данные табл. 1, можно сформулировать усредненные значения эквивалентной массы (hm) и энергопотребления отдельного ствола (hp) полезной нагрузки конкурентоспособного геостационарного ИСЗ в зависимости от его целевой задачи:


hm, кг hp, Вт
Международный ИСЗ фиксированной связи и вещания 6,5 46,5
Национальный ИСЗ фиксированной связи с использованием специальных стволов 10,0-11,0 60,0
Национальный ИСЗ фиксированной связи и прямого вещания 10,0 116

Примечание. Значения hm определены с учетом массы антенн.

Таким образом, на основе опытных данных имеется возможность оценить конкурентоспособность малого геостационарного ИСЗ по сравнению с тяжелым. Но для этого требуется учитывать и существенные затраты, необходимые для вывода ИСЗ на геостационарную орбиту (ГСО). Эквивалентная (средняя) стоимость изготовления одного ствола современного тяжелого ИСЗ с учетом затрат на запуск составляет 3,5 млн дол. [2], а без учета запуска - примерно 2 млн дол. Разность полученных значений в 1,5 млн дол. определяет максимально допустимые затраты на запуск ИСЗ (применительно к одному стволу). В соответствии с Европейской классификацией масса малого ИСЗ составляет не более 500-700 кг. В этом случае для полезной нагрузки (по аналогии с современным тяжелым ИСЗ) должно быть выделено примерно 150-210 кг. Таким образом, спутник, ориентированный для национальных сетей фиксированной связи, будет иметь 14-19 стволов. Следовательно, стоимость изготовления такого ИСЗ должна составлять не более 28-38 млн дол., а его вывод на геостационарную орбиту не более 21-28 млн дол. В этом случае малый спутник будет не менее эффективен, чем тяжелый современный ИСЗ, но при условии, что срок его активного существования составит 10-12 лет. Однако существуют и технические аспекты, которые существенным образом могут повлиять на эффективность малого ИСЗ. В первую очередь это проблема вывода его на геостационарную орбиту. Например, если использовать РН класса "Протон" для их группового запуска (по 3-4 спутника), то эквивалентная стоимость запуска для каждого ИСЗ составит примерно 25-35 млн дол., что не очень выгодно. Альтернативный вариант запуска предусматривает использование легких РН. В этом случае ИСЗ предварительно выводится на высокоэллиптическую орбиту с апогеем примерно 100 000 км. Затем, в течение длительного периода (180 дней), он переводится на геостационарную орбиту (рис. 2).

Все это время спутником необходимо управлять, что приводит к увеличению массы служебных систем и стоимости его вывода на ГСО. Однако вывод малого геостационарного ИСЗ с помощью легкой ракеты-носителя сопряжен еще и с проблемой радиационной стойкости электронных приборов. Спутник на исходной орбите с высотой в апогее 100 000 км многократно пересекает все мощные радиационные поля Земли (пояса Ван Алена). Защита от радиационного воздействия обеспечивается увеличением толщины металлических корпусов электронных приборов, то есть увеличением их массы, а в конечном счете растет стоимость запуска. По международным оценкам, стоимость запуска РН типа "Рокот" или "Стрела" составляет не более 7-10 млн дол., поэтому такой вариант может быть вполне приемлем с точки зрения минимизации затрат даже при уменьшении относительной массы полезной нагрузки ИСЗ и увеличения дополнительных затрат на обеспечение работы наземного комплекса управления.

Другим техническим фактором, определяющим эффективность ИСЗ, является идеология построения полезной нагрузки. А именно: обеспечение многолучевости и обработка сигналов на борту. Например, современный тяжелый ИСЗ имеет антенную систему, масса которой не менее 80-100 кг, и практически не зависит от числа стволов полезной нагрузки. В перспективных ИСЗ, обеспечивающих режим многолучевости, масса антенной системы еще больше, и все это усугубляется необходимостью межлучевых связей. Поэтому построение полезной нагрузки малого ИСЗ должно быть оптимизировано с учетом того, что масса антенной системы практически не подлежит минимизации.

Проект Aster

Из зарубежных проектов, основанных на использовании легких геостационарных ИСЗ, наиболее известен проект Aster [1,3]. Этот проект может послужить примером несовпадения желаний и возможностей. Его реализацию обеспечивает компания Spectrum Astro Inc. (США). Предполагается создание космического сегмента из 25 геостационарных ИСЗ, обеспечивающих практически полный охват Земли, для организации глобальных высокоскоростных сетей передачи данных в интересах развития частных сетей (в том числе доступ в Интернет), а также развития телемедицины, управления производственными процессами и т.п. в относительно новом диапазоне частот 37,5 - 40,5 ГГц (ИСЗ-Земля) / 47,2 - 50,2 ГГц (Земля-ИСЗ). В каждой из пяти позиций геостационарной орбиты будет создан кластер из пяти ИСЗ. Все ИСЗ предполагается объединить межспутниковой оптической линией. Первые запуски ИСЗ серии Aster планируются в 2002 г. Полезная нагрузка каждого ИСЗ обеспечивает потенциальную пропускную способность до 10 Гбит/с. В системе предусмотрен многостанционный доступ с временным разделением каналов при коммутации цифровых потоков на борту ИСЗ. Скорость отдельного цифрового потока (ИСЗ-Земля) может достигать 622 Мбит/с. Антенная система ИСЗ создает восемь региональных лучей 5° х 5°, в зоне действия которых формируется сетка из 48 лучей 0,5° х 0,5°. Кроме того, предусмотрены два перенацеливаемых луча 1° х 1°.

Российские проекты малых геостационарных ИСЗ

Несмотря на, мягко говоря, сложное состояние российской космической отрасли, многие предприятия еще сохранили технический потенциал, обеспечивающий возможность генерировать новые идеи. Одна из таких идей - создание легких универсальных космических платформ, на основе которых возможно реализовать малые конкурентоспособные геостационарные связные ИСЗ. Универсальность в данном случае понятие относительное. Слишком отличаются технические требования, предъявляемые к ИСЗ на низких, высоких и, тем более, на геостационарных орбитах. Например, в ГКНПЦ им. М.В. Хруничева разрабатывается легкая космическая платформа "Яхта". На ее основе предполагается создание низкоорбитальных ИСЗ зондирования Земли, а также высокоэллиптических и геостационарных связных ИСЗ (проект "Диалог"). Масса космической платформы ("сухая") примерно 350 кг, срок службы до 8-10 лет (на геостационарной орбите), а мощность солнечных батарей 1000-3000 Вт. Хотя технические параметры геостационарного ИСЗ, проектируемого на основе космической платформы "Яхта", еще не опубликованы, можно предположить, что его масса на орбите составит 500-550 кг при полезной нагрузке до 120-140 кг. Аналогичный проект разрабатывается в НПО машиностроения (г. Реутов, Московская обл.). На основе легкой космической платформы предполагается создать серию малых спутников "Руслан-ММ" (рис. 1), которые будут выводиться на геостационарную орбиту с помощью конверсируемой баллистической ракеты PC-18.

Ее новое наименование РН "Стрела". Предусматривается еще неапробированная схема выведения с использованием высокоэллиптической орбиты с апогеем 100 000 км в качестве переходной к геостационарной. Предполагается создание нескольких модификаций ИСЗ "Руслан-ММ", отличающихся рабочим диапазоном частот и зоной обслуживания (табл.2).

Технические параметры ИСЗ "Руслан-ММ" С-диапазон Ku-диапазон
Срок активного существования, лет 10-12
Масса ИСЗ на ГСО, кг 520
Полезная нагрузка (с АФУ), кг 125
Мощность солнечных батарей, Вт 1100
Мощность потребления полезной нагрузки, Вт 900
Рабочий диапазон частот, ГГц (прием-передача) 6,725-7,025 2,75-13,25
4,5-4,8 10,7-10,95

11,2-11,45
Число стволов 12 6
Полоса частот, МГц 36 72
Рабочая зона 6,5°х3,0° 1,5°х1,6°(6лучей)
ЭИИМ в рабочей зоне, дБВт 37 49-50

Примечание. Предусмотрен также вариант С/ Ku.

Данные табл. 2 позволяют дать предварительную оценку эффективности малых ИСЗ серии "Руслан-ММ" по сравнению с современными тяжелыми ИСЗ. Так, очевидно, что его параметры (hm = 1 0 , 4 кг , hp =75 Вт) отвечают усредненным значениям, приведенным для тяжелого ИСЗ, но при этом стоимость его создания существенно ниже: изготовление ИСЗ, по международным оценкам, составит не более 24 млн дол., а его запуск - не более 7-10 млн дол. Таким образом, в соответствии с международными расценками общая стоимость создания малого геостационарного спутника типа "Руслан-ММ" составит не более 34 млн дол. Однако с учетом меньших затрат на разработку, изготовление и запуск спутника в современных условиях России вполне можно ожидать, что общая стоимость создания ИСЗ будет заметно ниже (не более 24-28 млн дол.). Следовательно, при объявленном сроке активного существования 10-12 лет относительная стоимость эквивалентного ствола (36 МГц) будет меньше (примерно на 28%), чем у самого совершенного действующего тяжелого ИСЗ серии Intelsat-8.

Естественно, практическая реализация внесет свои обычные коррективы (в сторону увеличения затрат). Однако потенциальная возможность создания эффективных малых геостационарных ИСЗ вполне реальна (главное, чтобы не возобладала столь соблазнительная идея многофункциональности, которая погубила не один хороший проект).

Заключение

В рамках одной статьи невозможно привести полный анализ всех технических аспектов, связанных с созданием малых геостационарных ИСЗ связи и вещания. Однако даже те данные, которые здесь представлены, показывают их потенциальную эффективность. Более того, учитывая, что эта ниша еще не занята, Россия сегодня в состоянии увеличить свое участие на мировом рынке космических информационных технологий. Конечно, для этого необходимы не только усилия отдельных предприятий, но и реальная поддержка государства. В отличие от таких проектов, как Международная космическая станция и станция "Мир", которые получили широкую государственную поддержку, данный проект не затратный, а прибыльный. Учитывая даже самые низкие международные расценки на аренду связного ствола геостационарного ИСЗ (1,2-1,5 млн дол. в год для ствола С-диапазона [4]), все затраты окупаются максимум за 2-2,5 года, а чистый доход составит не менее 100 млн дол. Доходность малого геостационарного ИСЗ связи и вещания, созданного в России, еще более привлекательна, если учитывать современный низкий курс рубля относительно доллара. Таким образом, серьезных аргументов "против" нет, есть только традиционные проблемы финансирования.

Литература

1. Спутниковые системы связи и вещания/Ежегодник. 1999/2000 г., Т. 1, 2.

2. Анпилогов В.Р. Эффективность и стоимость геостационарных ИСЗ фиксированной связи и вещания // Технологии и средства связи. 1999. № 4.

3. Evans J.V., Dissanayake A., Prospects for Commercial Satellite Services at Q- and V-Bands// IEEE Military Communications Conf., Proc. MIECOM-98.V.1. P.1-7.

4. World Satellite Communications and Broadcasting Markets Survey (Prospects to 2007), Euroconsult, 1998.