Вай-фай в космосе: как будет работать межпланетный интернет
На недавнем саммите по космической коммерции директора Американского ракетно-космического центра Дебору Барнхарт спросили, есть ли у неё какие-то предположения относительно первых слов, который произнесёт человек, когда впервые ступит на поверхность Марса. Её ответ наверняка порадовал детей и подростков, которые посещают программу при центре «Космический лагерь».
«Скорее всего это будет: Какой пароль от вай-фая?», — ответила Барнхарт, если верить Джеффу Фаусту из Space News.
И хотя это, конечно, не «один маленький шаг для человека и огромный скачок для человечества», но такой вопрос лучше всего отражает нашу реальность, а именно, что интернет будет с нами повсюду, куда бы мы ни пошли, даже если это означает выход в открытый космос или высадку на поверхность других планет.
С тех пор как человек сумел покинуть орбиту родной планеты, большинство космических аппаратов общаются друг с другом и с наземными станциями на языке радиосигналов. Как правило, поток информации направлен в одну сторону — от космического аппарата к Земле; при этом канал связи строго ограничен несколькими устройствами.
Тем не менее, если человечество хочет покорить Солнечную систему (а сама по себе эта тема является предметом активных дебатов), нам понадобится революция в области орбитального интернета для удовлетворения огромных потребностей космического населения. Несмотря на то, что в космосе сегодня правят роботизированные системы, сетевым устройствам всё равно придётся собирать и распространять огромные объёмы информации.
Любой, кто хоть раз не мог подключиться к роутеру, который находится в другой комнате, может скептически приподнять брови, когда речь идёт о создании интернета в космическом пространстве. Но исследователи NASA ещё с начала 90-х работают над созданием сети, устойчивой к задержкам/разрывам (delay-tolerant networking или DTN), которая поможет «общаться» космическим кораблям, исследовательским аппаратам (роверам) и посадочным модулям (лэндерам) по всей Солнечной системе.
«Протоколы DTN работают по тому же принципу, что и интернет-протоколы на Земле. Последние позволили нам сперва подключиться к существующим телефонным линиям, а затем начать работать с сетевыми системами», — рассказал мне по телефону Дэвид Израил, архитектор космической связи Центра космических полетов Годдарда.
По его словам, DTN будет обладать теми же преимуществами, но по отношению к космическим устройствам.
Проект по разработке космического интернета напрямую связан с текущими усилиями в создании огромных групп спутников. Компании SpaceX, OneWeb, Boeing и многие другие коммерческие структуры участвуют в гонке по запуску так называемых «интернет-созвездий», для работы которых, вероятно, понадобится вывести тысячи новых космических аппаратов на низкую околоземную орбиту в течение следующего десятилетия.
Основная задача «интернет-созвездий» — увеличение скорости, эффективности и доступности широкополосного доступа для людей и устройств на Земле.
DTN, напротив, расширит возможности интернета вещей в дальнем космосе и на других планетах, радикально изменив методы взаимодействия человека с космическим аппаратом.
Самая большая проблема в достижении этой цели кроется в названии самого подхода DTN: задержки и сбои.
Интернет-трафик на Земле разросся благодаря скоростной связи, но в космическом пространстве такая роскошь непозволительна.
Чтобы свет от Земли достиг Марса понадобится несколько минут, а чтобы границ Солнечной системы — несколько часов, поэтому DTN должна учитывать соответствующие задержки. Сеть также должна быть устойчива к обрывам связи, которые могут быть вызваны планетарными телами и другими космическими явлениями.
Около 20 лет назад исследователи Лаборатории реактивных движения NASA (Jet Propulsion Laboratory, JPL) в сотрудничестве с одним из отцов интернета Винтоном Серфом (Vint Cerf) нашли решение этой проблемы. Ж. Ли Торгерсон, архитектор сети космических коммуникаций JPL, входит в эту группу с момента её создания.
«Мы быстро осознали, что стандартные интернет-протоколы не подходят для межпланетного использования», — написал Торгерсон в своём письме.
Интернет-протоколы предполагают «множество взаимодействий» с задержкой в несколько миллисекунд, объяснил он, и «никакой возможности хранить данные на этом пути».
Для решения этой проблемы команда DTN разработала bundle-протокол — систему, которая автоматически сохраняет данные на узлах связи до тех пор, пока не будет установлена связь со следующим звеном в сетевой цепи.
Поскольку DTN специально разработан с учётом задержек и сбоев, такой подход может пригодиться на Земле, где зачастую случаются проблемы с перебоями.
«Сейчас DTN используют во многих сферах: сейсмодатчики, для мониторинга в дикой природе (ошейники слежения), качества озерной воды и многих других интересных наземных приложений», — отметил Торгерсон.
По нынешним предположениям, DTN будет подключать интернет-протоколы на Земле и, возможно, другие планеты к устройствам по всей Солнечной системе. Другими словами, bundle-протокол не заменит собой обычные интернет-сервисы, а скорее станет связующим звеном между ними.
«Если вы собираетесь в отпуск на Луну и берёте с собой ноутбук, вы будете пользоваться тем же интерфейсом Wi-Fi. Но если вы захотите написать своему другу на Земле или на Марсе, будучи на Луне, то ваше сообщение будет перенесено в bundle-протокол. Этого бы не было на локальном IP», — рассуждает Израил.
Идея создания локальных точек подключения, разбросанных по всей Солнечной системе, также захватила воображение частных компаний космической отрасли.
В 2013 году М. Брайан Барнетт, эксперт и предприниматель в области космической связи, возглавил группу, которая отправляла текстовые сообщения из космопорта Америка на аппарат UP Aerospace, находящийся на расстоянии 115 километрах над Землёй. В эксперименте приняли участие старшеклассники из Альбукерки, поэтому, естественно, первым текстовым сообщением, пришедшим на космический корабль стало: «Hasta la Vista, baby».
«В этом и вся прелесть. Простой способ связаться с кем-то или чем-то на космическом корабле — человеком, грузом или машиной», — заявил Барнетт.
В 2017 году Барнетт основал компанию Solstar Space Co., чтобы создать коммерческий интернет-сервис, который мог бы соединить клиентов на Земле с аппаратурой в космосе.
«Сперва необходимо создать подходящие условия для двустороннего взаимодействия, чтобы учёные могли получить доступ к космическим аппаратам с любого устройства, подключённого к интернету. Долгосрочная цель заключается в том, чтобы «среднестатистическому человеку было проще участвовать в космических исследованиях, быть частью этого», — добавил Барнетт.
В 2018 году команда Solstar добилась определённых успехов в создании интерактивного космического вай-фая во время летных испытаний капсулы New Shepard, коммерческого суборбитального корабля, предназначенного в первую очередь для туристов.
На New Shepard установили коммуникатор Schmitt Space Communicator — устройство Solstar, названное в честь Харрисона Шмитта, астронавта и участника космической программы «Аполлона 17».
«По сути, это обычный роутер. Такой же, как и в вашем доме, который раздаёт вай-фай, однако специально разработан для космической среды и для космического корабля, на котором мы летим», — объяснил Барнетт.
Несмотря на некоторые проблемы со связью во время подготовки к полету, Барнетт и его коллеги сумели использовать коммуникатор для размещения первого коммерческого твита в космосе.
Такая технология позволит открыть новые каналы связи для космических миссий с использованием роботов, но команда Solstar также хочет развивать её для будущих космических туристов. Точка доступа вай-фай на таких космических кораблях, как New Shepard, позволит клиентам сидеть в интернете во время полёта и размещать космические селфи в соцсетях.
Поскольку связь между космическими аппаратами и наземными станциями в настоящее время осуществляется при посредничестве правительственных организаций (обмен информацией происходит с задержкой), команда Solstar прогнозирует, что в будущем появится рынок для более гибких интернет-соединений, обслуживаемых частными компаниями.
Данный подход увеличивает вероятность, что инфраструктура космического интернета сможет развиваться аналогично наземному, в основе которого лежат не являющиеся собственностью протоколы, и в ней появятся частные провайдеры.
Взаимодействие между государственными и частными разработчиками породило цифровую эпоху, но оно также привело к информационному неравенству и озабоченности по поводу нейтральности в сети. Космический интернет ещё недостаточно развит, чтобы стать новым вектором несправедливости, но разработчики стараются учесть эту проблему.
«Мы хотим извлечь уроки из того, что у нас есть сейчас. Мы вступаем в эпоху, которая во многом напоминает первые дни интернета. Пока ещё нет крупного коммерческого рынка, и мы только на стартовой линии, поэтому стремимся создать такую же открытую архитектуру», — полагает Израил.
В дополнение к созданию несобственной базовой инфраструктуры регулирующие органы, такие как Консультативный комитет по космическим системам передачи данных ( CCSDS) , должны предвидеть риски кибербезопасности межпланетного интернета.
Израил отмечает, что шифрование будет играть важную роль при DTN, чтобы предотвратить копирование или изменение пакетов информации, которые будут храниться на отдельных узлах.
«Мы стараемся с самого начала решать возможные проблемы в сфере безопасности», — сказал он.
Торгерсон заявил, что DTN «изначально была разработана для решения проблем кибербезопасности» и что протоколы безопасности сети стандартизированы CCSDS, а также находятся в процессе стандартизации Инжерной совета интернета.
Идея расширения интернета вещей до космического фронтира когда-то казалось гипотетической, но сегодня она вполне воплотима в реальность. DTN неоднократно тестировали на орбите, и в настоящее время на Международной космической станции используется одна из её версий. Космический корабль Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem (PACE) от NASA, запуск которого запланирован на 2022 год, станет первым, где используется DTN.
В то же время космические агентства Европы, Кореи и Японии также интегрируют концепции DTN в свои будущие планы полетов.
Как отметил Израил, эти разработки во многом напоминают первые дни существования интернета на Земле. Хотя основная полезность интернета была признана ещё на заре его рождения, никто не мог предвидеть всех калейдоскопических перестановок или способов, которыми он повлиял на общество.
Точно так же трудно представить недалекое будущее, в котором орбиталисты, роверы, зонды и даже обитатели человеческого космоса станут точками соединения интернета вещей. Единственный надёжный прогноз заключается в том, что эти хитросплетения будут построены на сложных взаимодействиях между правительствами, бизнесом и отдельными пользователями, подобно наземному интернету.
Первые слова, сказанные на Марсе, вполне могут быть чем-то вроде вариации: «Какой пароль от вай-фая?». Но хороший последующий вопрос был бы следующим: «Чем занятья в интернете вне Земли?»
Источник
Всемирный Wi-Fi ближе чем кажется
Американский стартап OneWeb заказал 900 спутников для создания глобальной космической сети доступа в интернет. Разработает эти спутники французский Airbus, а запустит Роскосмос.
Идее глобального спутникового интернета уже около четверти века. В наши дни мечта всемирного 3G или 4G покрытия переживает новое рождение, и сейчас разворачивается целая космическая гонка между двумя технологическими гигантами. С одной стороны SpaceX и Google, с другой — OneWeb, который создали основатели Virgin Galactic, Qualcomm и O3b.
Совсем недавно стало известно, что Facebook оставил свои мечты о космическом интернете, сконцентрировавшись на разработках высотных беспилотных ретрансляторов.
Спутниковые системы вроде Inmarsat и Iridium появились еще в 90-е, и сегодня предоставляют услуги интернета и телефонии. Они обеспечивают почти или полностью глобальный охват, но популярностью не пользуются. Но высокая цена космической связи привела к полной победе сотовых операторов. Сейчас спутниковый интернет востребован только там где нет сотовых вышек, и для тех, кто готов платить от нескольких долларов за минуту.
Со спутниковым интернетом связано еще одно ограничение — длительность отклика. Радиосигнал летит со скоростью света, но преодолеваемое в космосе расстояние уже вызывает заметную задержку, что существенно снижает пользовательскую привлекательность.
Здесь надо пояснить, что спутники могут вращаться на разных орбитах: от низкой околоземной (НОО), высотой 400-1200 км, до геостационарной (ГСО), на высоте 36000 км.
Каждая орбита имеет свои преимущества и недостатки. Низкая требует большого количества спутников, т.к. чем меньше высота тем меньше радиус зоны вещания спутника. Зато задержка сигнала небольшая и сравнима с наземными средствами коммуникации. Геостационарная — позволяет одному спутнику вещать практически на целое полушарие Земли. Но с такой связью пинг достигает секунды — приходится забыть о сетевых играх и болтовне по Skype.
Есть с геостационарными спутниками еще одна проблема — чем ближе к полюсам приемник, тем хуже связь, т.к. спутник виден близко к горизонту, и сигналу приходится проходить вдоль поверхности Земли, что добавляет шумов. Для устойчивой связи приходится повыше поднимать антенны.
Получается, для создания спутниковой сети с «быстрым» интернетом не остается ничего кроме запуска большой стаи аппаратов на низкую орбиту. К примеру, спутники Iridium вращаются на высоте 800 км, их в группировке около 70 штук, каждый весит 680 кг и стоит $5 млн. Но даже если забыть про цену связи, каждый спутник этой группировки способен поддерживать только 1100 соединений, т.е. в пике возможности Iridium обеспечит интернетом около 70 тыс. пользователей.
После банкротства первого поколения телекоммуникационных компаний, новый этап космической интернетизации в 2000-х начал предприниматель Грег Уайлер.
Он решил подарить свет WWW в развивающиеся страны, и обеспечить доступ в сеть трем миллиардам жителей Африки, Азии и Океании. С этой целью созданный в 2008 году стартап O3b разработал новую конструкцию космических аппаратов для средней орбиты 8 тыс км, и приступил к запускам.
Проект поддержали многие компании, в том числе Google. Компания Уайлера, в сумме, получила около $1,2 млрд инвестиций и всерьез принялась за реализацию задачи. Двумя запусками, к 2014 году, восемь космических аппаратов O3b выведены на орбиту высотой 8 тыс км. Запуски осуществлялись российскими ракетами «Союз-СТ-Б» с разгонным блоком «Фрегат» двумя стартами с космодрома Куру.
Сейчас система уже активно эксплуатируется в Африке, Пакистане, Тихоокеанском регионе,
Но неполнота покрытия не позволяет O3b считаться в полной мере глобальной системой.
Поэтому Уайлер пошел дальше продвигать идею низкоорбитальной спутниковой группировки. Ею он сумел вдохновить основателя космической компании SpaceX Илона Маска. Однако к концу 2014 года Уайлер и Маск разошлись в идеях технической реализации проекта. Уайлер хотел дешевые и маленькие спутники, а Маска тоже интересовали маленькие, но более сложные и дорогие.
В результате Уайлер не нашел общий язык ни с Google, ни со SpaceX, но нашел новых инвесторов. Проект Уайлера поддержал другой космический частник Ричард Брэнсон, который известен своими космо-туристическими проектами.
Его компания Virgin Galactic планирует не только запускать экскурсионный суборбитальный ракетоплан Space Ship Three, но и выводить малые спутники ракетой Launcher One.
На сторону Уайлера стал и технологический гигант Qualcomm — производитель микрочипов для смартфонов и планшетов, и разработчик систем беспроводной связи. Совместно, три компании O3b, Virgin и Qualcomm основали компанию OneWeb, которая занялась реализацией амбициозного проекта. Сколько вложили компании-основатели не сообщается, но дополнительно они смогли привлечь $500 млн.
Предполагается, что несколько тысяч малых спутников будут вращаться на высоте 800-950 км. Каждый спутник должен будет весить около 150 кг и стоить от $350 тыс до $500 тыс. Общий объем финансирования потребует около $3 млрд.
Компания сразу принялась искать производителя, кто сможет построить целую армаду спутников первой партии — 900 штук — это примерно в два раза больше чем всего сейчас находится работоспособных спутников на орбите у Земли. На прошлой неделе счастливчик объявлен: французский аэрокосмический гигант Airbus должен изготовить 10 первых образцов на своем заводе, а потом предполагается перенос производства в США. Группировку в полном составе на орбите обещают к 2019 году.
Вчера же Роскосмос похвалился, что выведением группировки займется 21 ракета-носитель «Союз», и 39 LauncherOne. Судя по всему, Илону Маску такое не доверили из принципиальных соображений. Возможно, такое мог бы осуществить и Китай, но у основателей OneWeb уже есть успешный опыт сотрудничества с Роскосмосом. Да и технически, не факт, что китайские разгонные блоки способны сравниться с российским «Фрегатом». По рассказам разработчиков, разгонный блок «Фрегат» позволяет произвести до 50 включений маршевого двигателя, то есть задать орбиту полусотне спутников. Пока практический рекорд «Фрегата» — 6 штук, но запуски по контракту с OneWeb позволят поднять показатели до 32-х.
Возможно, в такой работе пригодились бы и конверсионные ракеты «Днепр». Раскидывать по два-три десятка микроспутников — это они еще умеют с тех времен когда были баллистическими ракетами «Воевода». Не исключено, что к этой же работе подключат и легкую версию «Ангары», которой сейчас собираются заменять конверсионные «Рокоты».
Основатель компании SpaceX Илон Маск тоже задумал свою космическую группировку, с межспутниковой связью и ретрансляторами. Его замыслы во многом совпадают с проектом OneWeb за тем исключением, что полная стоимость системы насчитывает $10 млрд.
В проект уже инвестирован $1 млрд от Google и его друзей. Илон Маск открыл спутникостроительную лабораторию в Сиэтле, и серьезно настроен на создание первых прототипов. А впереди маячит перспектива в 4000 космических аппаратов. По словам Маска, спутниковый интернет ему нужен для дополнительного финансирования колонизации Марса, которую он задумал. Более прозаичная мотивация может состоять в том, что Маск загружает работой ракетостроительные мощности своей компании SpaceX. Имея такой массовый негосударственных заказ, Маск получает возможность многократных тестов своей многоразовой ракетно-космической системы Falcon-9R, и тяжелой ракеты Falcon Heavy.
Если говорить о российских коммерческих спутниковых интернет-проектах, то стоит упомянуть пару.
«Даурия Аэроспейс» прорабатывает конструкцию микроспутника Pyxis, массой около 100 кг для запуска на высокоэллиптическую орбиту «Молния». Четыре таких спутника, по расчетам, смогут обеспечить интернетом до 15 тыс пользователей в северных приполярных регионах.
По факту, этот проект ближе к технологии геостационарных аппаратов, т.к. в дальней точке своей орбиты спутники будут отдалятся от Земли на те же 36 тыс км. Проблема с задержкой связи останется, зато Pyxis сможет «висеть» над Северным полюсом, а не экватором, и обеспечивать связью всех, кто в этом нуждается в Заполярье. Сейчас компания ищет инвестиции на реализацию проекта.
Более амбициозный проект у стартапа Yaliny. Авторы проекта готовы создать свой глобальный спутниковый интернет, и сейчас заняты разработкой прототипа спутника. Технических подробностей они не разглашают, известно только, что в Yaliny вложено около $2 млн, чего явно недостаточно, чтобы всерьез конкурировать с OneWeb или Google/SpaceX.
В любом случае, реализация любого из этих проектов, способно привести к существенным переменам не только на Земле, но и в космосе. К примеру, сейчас существенным препятствием для развития малых космических аппаратов, является трудности передачи данных. Микро- и наноспутники уже достигли того уровня, когда они могут накапливать большие объемы данных, которые физически неспособны передать на Землю, по доступным каналам связи. Исправить это дело могла бы лазерная связь, но ей мешает атмосфера и погода.
Если будет возможность передавать данные напрямую в сеть, то это должно дать мощный толчок развитию микроспутников, и созданию на их основе различных пользовательских приложений. Например, сейчас американские военные собираются тестировать спутник-интернет-сервер.
В условиях глобального Wi-Fi можно будет спокойно разворачивать серверные мощности на орбите — это убережет их от затопления при прорыве водопровода, отключения электроснабжения или других форс-мажорных «наземных» угроз. В космосе будут свои проблемы, но при желании и необходимости их можно решить.
Источник