Легенды о Starlink

Статья заместителя директора по научной работе ИМЕТ РАН, советника генерального директора ФГУП «Космическая связь», советника генерального директора ФГБУ НИИР, д.т.н., профессора Ю.М. Урличича опубликована в журнале "Первая Миля" (Last Mile) и размещается с любезного разрешения редакции.

В данной статье представлен обзор системных, эксплуатационных и экономических показателей системы Starlink. Приведены результаты рассмотрения материалов о Starlink, опубликованных в средствах массовой информации, которые свидетельствуют, что рекламируемые показатели правдивы лишь частично и необходим непредвзятый углубленный анализ технических решений, принятых в системе.

An analysis of the system, operational and economic indicators of the Starlink system is presented. The results of the analysis of materials about Starlink in mass media are presented, which indicate that the advertised indicators are only partially true and an unbiased in-depth analysis of the technical solutions adopted in the system is needed.

Легенды о Starlink

Следует сразу отметить, что система Starlink создана командой гениальных специалистов. При разработке ее космического и земного сегментов реализовано множество нестандартных технических решений, изобретены и осуществлены нетрадиционные способы группового запуска спутников на низкие наклонные орбиты. Это позволило уменьшить стоимость спутников на орбите в разы. В ближайших планах намечено применить многоразовую сверхтяжёлую РН SpaceX Starship для группового запуска сразу 400 спутников Starlink.

Однако основные инженерные разработки не обнародованы. Практически нет ни одной вразумительной технической публикации по системе Starlink от ее создателей. Можно предположить, что это маркетинговая политика И. Маска с формулой «деньги – реклама – деньги». Количество статей в массовых изданиях, посвящённых системе высокоскоростного широкополосного спутникового доступа в Интернет Starlink, зашкаливает, причем подавляющее большинство – это публикации, которые можно отнести к пресс-релизам или агрессивной рекламе. Они далеки от технической сути и освещают многочисленные легенды, которые затем тиражируются. Хотя все же некоторые выводы сделать можно исходя из данных публикаций.

Легенда №1: Starlink имеет потенциал коммерциализации

Это утверждение столь же далеко от реальности, как и задумка И. Маска об освоении Марса в ближайшем будущем. В недрах интернета можно найти финансовую модель Starlink, подготовленную конгломератом Morgan Stanley [1]. Планируется, что в 2040 г. наступит «счастье», а именно – доход в год $30 млрд. Правда, при условии, что число активных пользователей (абонентских терминалов (АТ)) составит 335 млн. По пути к «счастью» в контрольной точке окупаемости в 2030 г. нужно иметь не менее 96 млн активных пользователей. Соответственно, в период с 2022 до 2030 гг. необходимо увеличивать абонентскую базу минимум на 12 млн абонентских терминалов в год. При этом следует учесть и условия, которые заложены в финансовой модели: цена АТ в 2030 г. должна составлять $200, стоимость вывода сразу 400 спутников – $10 млн. Каждый может сам оценить реальность такого плана.

Напомним, что сегодня для потребителя минимальная цена АТ фиксированного применения выросла примерно до $600. Ранее она составляла $500, при его себестоимости примерно в 3 раза больше. Президентом и главным операционным директором SpaceX Гвинн Шотвелл (Gwynne Shotwell) было публично заявлено, что себестоимость удалось снизить с $3000 до $1500, но по некоторым экспертным оценкам она гораздо выше – примерно в 10 раз. Сегодня разницу между ценой для потребителя и себестоимостью дотирует сама компания SpaceX. При этом тарифные планы регулярно меняются, один из последних вариантов июля 2023 г. приведен в таблице 1 (дополнительно см. https://www.starlinkhardware.com/starlink-prices/).

Таблица 1. Тарифы в сети Starlink и основные параметры АТ по данным сайта SpaceX (июль 2023 г.)

Легенда №2: В 2040 году абонентские терминалы будут стоить $150 (в ценах 2022 г.)

Достижение этого ценового показателя должно произойти за счет наращивания серийности производства.

В качестве аргумента часто приводится пример снижения стоимости сотового телефона. Его самая низкая цена, зафиксированная в 2006 г. (рисунок 1), отличается от максимальной (в 1989 г.) в 11,4 раза. А число самих аппаратов за этот период увеличилось с 12 млн до 800 млн, т.е. в 66,7 раз.

Однако вряд ли корректно экстраполировать пример с сотовыми телефонами на возможную динамику цен на АТ, но все же попробуем…

Известно, что основную долю себестоимости АТ занимает цена антенной системы, состоящей из передающей и приемной АФАР, которые объединены в одну конструкцию. Ключевым чипом в АФАР является чип beamforming, который обеспечивает управление ее лучом, создавая необходимые амплитудно-фазовые соотношения между излучателями. Сегодня такой чип стоит не менее $40 на рынке США (например, https://www.rfmw.com/products/control-components/beamformer). Каждый чип поддерживает 8 управляемых каналов (излучателей) АФАР, т.е. мы имеем $5 на канал. Если учесть, что необходимо 1024 излучателя как для приемной, так и для передающей АФАР (это примерно соответствует усилению 34 дБи приемной или передающей АФАР Starlink), то только эти чипы обойдутся сегодня в $10240 (1024 х $5 х 2) для одной антенной системы АТ. Обратившись к примеру, c сотовыми телефонами, можно предположить, что после достижения объёма серийного производства в количестве 800 млн чипов их стоимость должна снизиться в 11,4 раза и составить почти $900 для одного АТ – уже близко к желаемому результату. И это учтена только цена чипов beamforming. Еще есть другие чипы, конструкция, сам модем и прочее. В совокупности можно утверждать, что стоимость АФАР АТ (формируется из цены приемной и передающей АФАР) будет превышать $900 в разы, т.е. ценовой показатель для АТ в $150 (в ценах 2022 г.) в обозримом будущем недостижим. Отметим, что 800 млн приемных чипов beamforming будет достаточно для производства 6,25 млн приемных АФАР (на одну АФАР необходимо 128 чипов), столько же необходимо передающих АФАР.

Чтобы приблизиться к заявленному ценовому показателю в $150, число АТ нужно увеличить до 335 млн. Это заложено в финмодели Starlink к 2040 г. Но тогда темп продаж в среднем должен составлять не менее 25 млн АТ в год, начиная с 2030 г. Сегодня же по заявлениям SpaceX с начала 2021 г. по май 2023 г. продано всего 1,5 млн АТ. Это примерно двадцатикратное отставание от темпа продаж (если принять линейный закон), заложенного в финмодели для периода до 2030 г. Справедливости ради следует отметить, что если принять экспоненциальный закон, который предполагает низкий темп продаж в начальный период, то отставание будет ниже (примерная оценка минимум в 5 раз).

Остается только мечтать о лавинообразном росте востребованности спутникового ШПД в ближайшем будущем. Конечно, можно и пофантазировать, что инженеры И. Маска найдут новые технические решения или физические основы для работы АФАР, которые пока неизвестны в теории антенн. Напомню, что подобный проект от компании Kymeta на «новых» физических принципах, основанный на метаматериалах, пока не увенчался успехом. Тепловые потери ФАР более 3 дБ [2], а цена, не менее $20 тыс., неподъемна для физических лиц (https://store.orbitalconnect.com/kymeta-u8-geo-flyaway-20-w-buc-iq-200-lte-advanced-pro/). Хотя сама идея интересна и была высказана в СССР в книге по антенной технике Я. Н. Фельда и Л. С. Бененсона еще в 1959 г. и развита В. Г. Веселаго в 1967 г. [2], а в 2011 г. представлена уже в российском патенте [3] на антенный излучатель.

Легенда №3: В ближайшее время Starlink проведет IPO, и акции компании будут свободно обращаться на финансовом рынке

Сегодня Starlink это не компания, а проект, который реализует фирма SpaceX. Для начала IPO необходимо выделить Starlink в отдельное юридическое лицо. И. Маск в 2019 году заявлял о намерениях выйти на IPO в 2022 г. Сегодня заявления об IPO более осторожные – через 3-4 года.

Особый интерес финансовых игроков к IPO Starlink связан с тем, что компания SpaceX оценивается в $150 млрд (но ими же и оценивается). Считается, что проект Starlink приносит компании SpaceX до 40% дохода. Мечта каждого финансового спекулянта - вложиться на начальном этапе IPO, получить максимальную прибыль за счет ажиотажа на высокой доходности акций компании и последующей их продажи на пике. Соответственно, интерес к IPO Starlink очень большой именно за счет разрекламированной высокой доходности проекта.

Однако следует подсчитывать не только доходы (https://spacenews.com/starlink-may-account-for-up-to-40-of-spacexs-2023-revenues/), которые приносит Starlink, но и капитальные и текущие ежегодные расходы (CAPEX и OPEX).

Выход на IPO потребует от компании Starlink открыто публиковать доходы и расходы по форме 10-К (https://investor.iridium.com/annual-reports). Если принять в качестве аналога форму 10-К компании Iridium, то наиболее значимая статья расхода (40%–60% от дохода) за любой отчетный год будет связана с потерей ценности космического сегмента (она примерно равна стоимости всех спутников на орбите, деленной на срок активного существования КА). Это статья расхода предполагает накопление средств для будущего восполнения спутниковой группировки.

Вторым по величине сегментом расхода (40%–50%) является сервисное обслуживание сети плюс продажи и администрирование. При этом, как уже отмечалось, И. Маск еще и дотирует абонентские терминалы. Поэтому полный открытый аудит доходов и расходов сегодня И. Маску не выгоден. Следовательно, пока не иссяк денежный поток от инвесторов и государства, ему нет смысла выделять компанию Starlink и выходить на IPO.

И. Маска часто охарактеризовывают как визионера и филантропа, но несмотря на то, что он говорит о социальной и научной значимости его проектов для человечества, что, безусловно, правда, в первую очередь он – успешный бизнесмен, и все его действия направлены прежде всего на получение прибыли. В подтверждении этого в марте 2023 года на конференции Morgan Stanley И. Маск представил свою компанию X Crop как потенциально «крупнейшее финансовое учреждение в мире», что еще раз свидетельствует: приоритетом для И. Маска является зарабатывание денег. Войдет ли в состав новой компании целиком или частично SpaceX, а также другие реализуемые и перспективные проекты И. Маска, такие как xAI, чтобы еще больше поднять ее капитализацию, пока неизвестно.

Легенда №4: АФАР абонентского терминала для контакта со спутниками может сканировать лучом в пределах большого углового сектора

Вопрос – какого? Это нигде конкретно не указано, в том числе и в заявках в FCC. А физические законы антенной техники очень мешают поверить данному утверждению [4–6]. Число управляемых каналов в антенной решетке, если примерно – это квадрат отношения полного угла сканирования ее луча к ширине диаграммы направленности луча (например, 1200х1200/(3,50x3,50) ≈ 1024 излучателя). Это, естественно, сказывается и на стоимости АТ (см. Легенду 2). Ширину диаграммы направленности луча (3.50) увеличить невозможно (не сойдется энергетический баланс в радиолинии), а вот угловой сектор сканирования луча (1200x1200) уменьшить реально. Для этого нужно иметь уже не десятки тысяч спутников, а ближе к сотне тысяч. Представьте, если спутников бесконечное число, то и сканировать лучом АТ не нужно. Всегда найдется спутник, с которым можно установить контакт в любых пространственных направлениях верхней полусферы, хотя время такого контакта будет стремиться к нулю. Соответственно, можно увеличивать число КА, но тоже до разумных пределов, поскольку спутники Starlink живут относительно недолго (5 лет). Пока запускаешь новые спутники, то старые уже нужно заменять. В итоге процесс зацикливается. При этом все заняты, ракеты строятся, в том числе многоразовые, спутники запускаются. В общем – круговорот всего в компании SpaceX. Все при деле – типа работного дома средних веков, только теперь умного работного дома 21 века. Увеличение числа спутников в итоге может обеспечить и работу АТ в движении при минимальном угловом сканировании луча (например, для компенсации крена, тангажа и рысканья подвижного объекта). Но сколько необходимо спутников – ответа нет. Пока только можно утверждать, что в интервале пяти лет необходимо запустить большее количество спутников. Причем сделать это максимально быстро. В связи с этим SpaceX возлагает особые надежды на многоразовые ракеты. Рекламные сведения о применении многоразовых ракет уже зашкаливают за 16 повторений для первой ступени РН. Затраты на ее восстановление неизвестны, и проверить эффективность многоразовости невозможно (джентльмен джентльмену верит на слово).

Легенда №5: В системе Starlink скорости абонентского доступа составляют более сотен Мбит/с

Это частичная правда. Но относительно высокие скорости возможны только на линии «вниз». И то не постоянно, а около 90%–95% времени в сутки, что следует из многочисленных статистических результатов [1,7]. На линии «вверх» скорость примерно на порядок ниже, и время работы на передачу ограничено (перегревается АФАР АТ [4]). При этом по мере наращивания абонентской базы (увеличения числа АТ в каждой ячейке) скорость, доступная абоненту, будет постепенно снижаться, и придется ограничить число АТ, которые можно разместить в одной ячейке на Земле для соблюдения зафиксированной в соглашении с подписчиком скорости при заданной вероятности [8]. Из новых радиочастотных заявок в FCC для второй генерации Starlink косвенно следует, что для повышения емкости системы планируется увеличение и числа прыгающих абонентских лучей (с трех до шести), и спутников.

Легенда №6: России необходимо создать аналог Starlink

Такие проекты регулярно генерируются и даже продвигаются в расчете на государственное финансирование [9]. Любые аргументы о несостоятельности систем типа Starlink как систем, имеющих коммерческий потенциал, отвергаются на том основании, что это нужно государству для ликвидации цифрового неравенства, создания информационной инфраструктуры в арктических регионах и т.п. Все это действительно необходимо, но не стоит копировать чужие ошибки. Следует отметить, что пока Госкорпорация «Роскосмос» не поддержала госфинансированием ни один проект типа «российского Starlink». И это, наверное, правильно. Потому что прежде чем создавать новую спутниковую группировку, нужно без общих лозунгов ответить на вопрос, что полезного будет предоставлено конкретным потребителям на Земле, и какова конкурентоспособность предлагаемой услуги. При этом важно помнить, что любая низкоорбитальная система связи является потенциально глобальной и, следовательно, международной. Именно на этой основе созданы и создаются все зарубежные низкоорбитальные системы связи гражданского назначения.

Легенда №7: Относительно новая легенда о том, что существующий Starlink может (или сможет) работать напрямую с типовым смартфоном сетей LTE

Если кратко, то не может и не сможет. Для этого нужна иная система, в другом диапазоне частот и на совершенно иных технических основах. Действительно, И.Маск, как человек с хорошим чутьем на перспективные проекты, уже задумался о такой новой системе, поскольку известны даже первые положительные экспериментальные результаты [10,11]. Создать такую спутниковую систему, обеспечивающую бесшовность предоставления услуги за счет интеграции с сотовыми сетями и сетями интернета вещей LPWANLoRa или NB-IoT, вполне реально, но это другая тема, которая заслуживает отдельного обсуждения. Анализ материалов 3GPP NTN (non-terrestrial networks) и материалов ITU-R IMT-2020 показывает, что сегодня идет активный поиск приемлемых технических решений при создании систем, которые получили название Direct-to-Device (D2D) в материалах FCC. Эти решения пока не конкретизированы. В материалах 3GPP NTN рассматриваются различные варианты модификации программных средств базовой станции и ядра сотовой сети с учетом особенностей спутниковых каналов (задержка, эффект Доплера). Можно предположить, что окно возможностей для участия России в этом новом сегменте спутникового рынка D2D – примерно 2–4 года, поскольку массовое предоставление услуг намечается предположительно в уже через 5–7 лет, т.е. к 2030 г.

Заключение

В основном люди, не погруженные в инженерную суть, судят о достоинствах Starlink по агрессивной массовой рекламе и статьям квазитехнического характера. Однако имеются объективные сведения и научно-технические публикации, в том числе и российские, из которых следует, что в империи И. Маска не все так хорошо. Но как обычно – «Несть пророка в Отечестве своем». Для объективности в таблице 2 приведены краткие зарубежные результаты тестирования Starlink. Да и история банкротств низкоорбитальных спутниковых систем не дает оснований для оптимизма [12]. Хотя затраченные средства до и после банкротств зачастую кому-то приносят ощутимый гешефт.

За рассуждения на подобные темы, противоречащие официальным канонам, в Средние века сжигали на костре или, как минимум, предавали анафеме. В 21 веке все менее драматично. Легенды, представленные выше, несомненно будут подвергнуты критике адептами Starlink и И. Маска. Именно эту цель и преследует данная статья. Контрадикторность мнений – это необходимый этап реального мышления в процессе познания действительности, что всегда считалось основой для принятия правильных решений.

Дополнительно отмечу, что любая спутниковая система – это далеко не только спутники и спутниковые группировки. Пользователям безразлично, сколько и каких КА запущено. Пока нет очевидных решений, приемлемых по ценовым и эксплуатационным параметрам для создания земного сегмента, где и формируется конечная услуга, нет смысла создавать космический сегмент. Первична услуга и ее адекватность решаемой задаче, цене и качеству для конечного потребителя.

Причем не обязательно, что спутниковая система должна иметь прямую коммерческую доходность. Следует выполнять оценку доходности на основе многочисленных мультипликативных эффектов. Однако потенциал прямой коммерциализации системы необходимо оценивать всегда. Особенно на этапе ее разработки, поскольку выбор технических решений должен быть основан именно на критерии максимизации прямой доходности системы.

Применительно к российской действительности такой подход зачастую приводит к противоречию между интересами государственного заказчика, головного подрядчика, которому поручается разработка системы, и интересами гипотетического будущего ее оператора. Разрешить это противоречие в условиях современной паутины нормативно-правовых актов, накопившихся с начала перестройки, которые регулируют процессы разработки и постановки на производство наукоемких систем и их составных частей, невозможно без их кардинального идеологического изменения. В основу этих изменений в первую очередь должна быть заложена идея достижения конечной цели. А именно – полезности для развития государства, формирования его технологического суверенитета в стратегических направлениях и в итоге – обеспечения комфорта жизни его граждан в тех областях, в которых каждый человек в отдельности своими силами достичь не может.

Таблица 2. Результаты тестирования Starlink (https://forschung.fh-kaernten.at/roadmap-5g/)

Примечание – тестирование при расположении абонентского терминала в Вене (https://forschung.fh-kaernten.at/roadmap-5g/files/2021/07/Starlink-Analysis.pdf)

Литература:

1. Анпилогов В. Р.: «Стагнация рынка спутниковой связи и новые проекты». Журнал «Беспроводные технологии» №1, 2021 г., стр. 6–9 (https://wireless-e.ru/wp-content/uploads/6206.pdf).
2. Анпилогов В. Р.: «О фазированных антенных решетках Ka-диапазона на основе метаматериала». Журнал «Технологии и средства связи» №5, 2013 г., стр. 66–67.
3. Урличич Ю.М., Жуков А.А., Веселаго В.Г., Виноградов Е.А.: «Антенный излучатель с узкой диаграммой направленности на основе метаматериала», патент RU 2 488 926 C1, приоритет от 17.11.2011 г.
4. Анпилогов В., Пехтерев С., Шишлов А.: «Анализ терминалов, планируемых для применения в системах Starlink и OneWeb». Журнал «Технологии и средства связи», 2021 г., № S1, стр. 30–36.
5. Анпилогов В., Денисенко В., Зимин И., Кривошеев Ю., Чекушкин Ю., Шишлов А.: «Проблемы создания антенн c электрическим сканированием луча для абонентских терминалов спутниковых систем связи в Ku- и Ka-диапазонах». Журнал «Первая миля», №3, 2019 г., стр. 16–27.
6. Анпилогов В. Р.: Обзор докладов и обсуждений на круглом столе, V международной конференции «Инжиниринг&Телекоммуникации – En&T 2018». Журнал «Технологии и средства связи», №6, 2018, Специальный выпуск «Спутниковая связь и вещание-2019», стр. 32–38.
7. Электронный ресурс https://github.com/Tysonpower/starlinkstatus.
8. Анпилогов В. Р.: «Методика вероятностной оценки пропускной способности многолучевой спутниковой сети массового обслуживания». Журнал «Электросвязь», 2011 г., № 7, стр. 45–47.
9. https://www.tadviser.ru/index.php/Продукт:ЭФИР_Спутниковая_система_глобальной_связи_или_Глобальная_многофункциональная_информационная_спутниковая_система_(ГМИСС)
10. Урличич Ю. М.: «Старые и новые идеи в спутниковой связи». Журнал «Первая миля», №3, 2021 г., стр. 13–21
11. I-Kang Fu, Gilles Charbit, Abdelkader Medles, Debby Lin, Shao-Chou Hung, Chun-Chia Chen, Stephanie Liao, Doru Calin, Satellite and Terrestrial Network Convergence on the Way toward 6G, IEEE Wireless Communications, February 2023, р. 6–8
12. Урличич Ю. М.: «Банкротство технологий многоспутниковых низкоорбитальных систем широкополосного доступа или банкротство компаний?». Журнал «Технологии и средства связи», 2021 г., № S1, стр. 30–38.