Спутник экспериментальной миссии «Рассвет-1» российской аэрокосмической компании БЮРО 1440
Группировки из тысяч спутников становятся первыми настоящими киберфизическими системами в космосе: они распределены, автономны и обновляются, что называется, на лету. Предлагаем порассуждать о том, почему управлять тысячами аппаратов в космосе могут только алгоритмы, почему Starlink — это киберфизика в чистом виде и как школьники могут смоделировать похожие процессы на Земле, используя mesh-сети и обработку открытых космических данных. Рассказывает Алексей Федосеев, киберфизик, программист, президент Ассоциации кружков.
Киберфизическими системами (КФС) мы называем такие системы, которые обладают рядом уникальных характеристик. Это высокая степень распределенности, высокая степень автономности отдельных элементов, длинный срок службы с необходимостью обновления и доработки системы в ходе эксплуатации. В отличие от классических больших инженерных систем (например, атомных станций), которые полностью проектируются, строятся, а потом эксплуатируются, доработка системы идет по ходу работы.
Мир меняется быстрее, чем проектируемые системы, поэтому КФС может расширять функционал во время эксплуатации.
Не только отдельный аппарат, но и вся система должна быть в значительной степени автономной, то есть не требующей человеческого участия для работы. Существуя в физическом мире, КФС должна иметь цифровое представление реальности, ее работа должна моделироваться в цифре.
Поговорим о КФС на примере спутниковых группировок — Starlink и других.
Задачи и размеры спутниковых группировок
Одним из самых наглядных примеров киберфизических систем сегодня становятся спутниковые группировки. Именно на них хорошо видно, как распределенная архитектура, автономность отдельных элементов и постоянное развитие системы во время эксплуатации превращаются из инженерных особенностей в необходимость.
ГЛОНАСС и GPS — системы позиционирования с десятками аппаратов. Аппараты единообразны, они выполняют примерно одну и ту же функцию и расположены на определенных орбитах, чтобы обеспечивать равномерное покрытие земной поверхности.
Аппараты дистанционного зондирования Земли — ряд проектов (европейских, американских, а затем китайских), которые обеспечивают непрерывное получение снимков земной поверхности.
ГЛОНАСС и GPS — системы позиционирования с десятками аппаратов. Аппараты единообразны, они выполняют примерно одну и ту же функцию и расположены на определенных орбитах, чтобы обеспечивать равномерное покрытие земной поверхности.
Аппараты дистанционного зондирования Земли — ряд проектов (европейских, американских, а затем китайских), которые обеспечивают непрерывное получение снимков земной поверхности.
Спутники связи: отечественная низкоорбитальная система связи «Гонец», сеть OneWeb, появившиеся позже Starlink, российская низкоорбитальная спутниковая группировка «Бюро 1440» и другие конкуренты. Важное отличие системы спутникового интернета Starlink в том, что количество спутников, которые входят в нее, на порядок больше, чем у других спутниковых группировок, созданных человечеством. Тысячи аппаратов создают совершенно другой уровень сложности: одна система по масштабу начинает быть сопоставима со всеми остальными спутниками на орбите.
Почему части КФС выходят из строя
Киберфизический принцип позволяет создавать более надежные системы, что очень важно для космоса. Любой спутник обычно рассматривают как систему из двух принципиальных частей: платформы и полезной нагрузки. В случае Starlink полезная нагрузка — это обеспечение трех видов связи: с абонентом, с наземным сегментом и с другим спутником. Платформа же обеспечивает движение (навигацию и ориентацию), энергоснабжение (солнечные батареи в виде гармошки), теплоотведение, управление всей системой.
Отличие Starlink от традиционных спутников заключается в объеме, дешевизне и унифицированности. Это принцип интернета: решают числом. Выйдет из строя один спутник — сеть перекоммутируют мимо него. За счет массового использования софт быстро обновляется.
Частая причина аварий — ошибки программистов (например, аппарат не вовремя «заснул»). Вторая серьезная опасность для таких группировок — космическая радиация. Мощная солнечная вспышка может перевести нули в единицы и сделать системы неработоспособными или даже сжечь их.
Третья причина — износ материалов. Первыми портятся движущиеся части, например, маховики (их обычно три для вращения по осям, выйдет из строя один — маневренность упадет). Солнечные батареи со временем также деградируют от микрометеоритов и микроизлучений кремния.
Отличие Starlink от традиционных спутников заключается в объеме, дешевизне и унифицированности. Это принцип интернета: решают числом. Выйдет из строя один спутник — сеть перекоммутируют мимо него. За счет массового использования софт быстро обновляется.
Частая причина аварий — ошибки программистов (например, аппарат не вовремя «заснул»). Вторая серьезная опасность для таких группировок — космическая радиация. Мощная солнечная вспышка может перевести нули в единицы и сделать системы неработоспособными или даже сжечь их.
Третья причина — износ материалов. Первыми портятся движущиеся части, например, маховики (их обычно три для вращения по осям, выйдет из строя один — маневренность упадет). Солнечные батареи со временем также деградируют от микрометеоритов и микроизлучений кремния.
Централизация в управлении
Киберфизические системы делятся на два типа. Классический пример децентрализованной системы — роевая, где каждый элемент имеет свой простой алгоритм, но за счет общего поведения возникает эмерджентный эффект (как птицы летят стаей или рыбы плывут косяком). Но в случае со Starlink речь идет о централизованном управлении.
В космосе большое количество объектов неуправляемы (старые спутники, обломки, другие космические тела). Но они летают предсказуемо в соответствии с небесной механикой: сейчас все крупные обломки мониторятся. Есть единая база орбитального движения объектов любых размеров, в ней есть даже секретные военные спутники под названиями вроде «Космос-2513».
Благодаря таким базам можно централизованно просчитать орбиты для всей группировки. Пакет Starlink, запускаемый с Земли, распадается на определенные орбиты, при этом приходится учитывать занятость других траекторий: в космической технике даже сотни метров считаются недопустимым риском столкновения.
Бывает, что спутнику необходимо поменять орбиту, «отползти» в сторону, а потом вернуться назад. Если МКС поднимают «вручную» по решению ЦУПа, то в Starlink тысячами траекторий управляет программное обеспечение. Специальные программы, связанные с обнаружением столкновений, должны заблаговременно рассчитывать вероятности и подавать управляющие воздействия на аппараты, чтобы они меняли траектории, а потом возвращались к привычному режиму.
В космосе большое количество объектов неуправляемы (старые спутники, обломки, другие космические тела). Но они летают предсказуемо в соответствии с небесной механикой: сейчас все крупные обломки мониторятся. Есть единая база орбитального движения объектов любых размеров, в ней есть даже секретные военные спутники под названиями вроде «Космос-2513».
Благодаря таким базам можно централизованно просчитать орбиты для всей группировки. Пакет Starlink, запускаемый с Земли, распадается на определенные орбиты, при этом приходится учитывать занятость других траекторий: в космической технике даже сотни метров считаются недопустимым риском столкновения.
Бывает, что спутнику необходимо поменять орбиту, «отползти» в сторону, а потом вернуться назад. Если МКС поднимают «вручную» по решению ЦУПа, то в Starlink тысячами траекторий управляет программное обеспечение. Специальные программы, связанные с обнаружением столкновений, должны заблаговременно рассчитывать вероятности и подавать управляющие воздействия на аппараты, чтобы они меняли траектории, а потом возвращались к привычному режиму.
Поколения киберфизической системы
Большое количество аппаратов невозможно развернуть единомоментно, систему приходится запускать последовательно. Космический аппарат можно обновлять только программно: добавить новую антенну или поменять аккумулятор в полете не получится.
Инженеры работают одновременно с поколениями приборов — заменять спутники, просто сжигая в атмосфере предыдущее поколение, дорого, аппараты обновляют программно и продолжают эксплуатировать. Например, выпуская следующую версию протокола, софт на спутнике обновляют, чтобы он встраивался в общую сеть вместе с более новыми устройствами. Это похоже на развитие интернета с его разнородными сетями. Внутри новых космических систем очень много современного сетевого, айтишного взгляда на разработку. Современная космонавтика использует и собственные решения: теплообмен, навигацию и проверенные земные технологии.
Связь, софт, кибербезопасность опробованы на Земле. Фактически Starlink можно рассматривать как привычную телекоммуникационную компанию — он создал ситуацию, когда «сотовая вышка» летит над пользователями.
Есть два типа наземных сегментов Starlink. Первый — пользовательский: например, Direct to Cell со смартфона — возможность позвонить через спутник. Но чтобы спутник обеспечил связь с интернетом (а он находится на Земле в наших сетях), нужна станция, которой владеет Starlink или партнерская компания. Это второй тип сегмента — служебный канал. Здесь канал шире, антенны мощнее, спутник принимает и передает много данных.
Инженеры работают одновременно с поколениями приборов — заменять спутники, просто сжигая в атмосфере предыдущее поколение, дорого, аппараты обновляют программно и продолжают эксплуатировать. Например, выпуская следующую версию протокола, софт на спутнике обновляют, чтобы он встраивался в общую сеть вместе с более новыми устройствами. Это похоже на развитие интернета с его разнородными сетями. Внутри новых космических систем очень много современного сетевого, айтишного взгляда на разработку. Современная космонавтика использует и собственные решения: теплообмен, навигацию и проверенные земные технологии.
Связь, софт, кибербезопасность опробованы на Земле. Фактически Starlink можно рассматривать как привычную телекоммуникационную компанию — он создал ситуацию, когда «сотовая вышка» летит над пользователями.
Есть два типа наземных сегментов Starlink. Первый — пользовательский: например, Direct to Cell со смартфона — возможность позвонить через спутник. Но чтобы спутник обеспечил связь с интернетом (а он находится на Земле в наших сетях), нужна станция, которой владеет Starlink или партнерская компания. Это второй тип сегмента — служебный канал. Здесь канал шире, антенны мощнее, спутник принимает и передает много данных.
Первое поколение спутников Starlink работало только по служебному каналу, а между самими космическими аппаратами не было связи. Спутники, пролетая над огромным количеством станций, непрерывно обмениваются накопленными данными, переключаясь, как сотовый телефон в едущей машине.
Но проблема возникает в местах, где нет базовых станций. Например, нам нужно принять сигнал бедствия из океана или срочно передать данные о лесном пожаре с территории, где нет возможности установить ретранслятор. Поэтому в последние годы развернулось следующее поколение спутников, основанных на технологии лазерной оптической связи между самими спутниками в космосе. Такая связь возможна без использования наземных сегментов. В космосе лазерные лучи не рассеиваются, но есть серьезная сложность — аппаратам нужно точно наводиться друг на друга. Спутники знают положение друг друга, поэтому могут обмениваться сигналами. Интересно, что разработчики вмонтировали лазеры в конструкцию аппаратов гораздо раньше, чем начали использовать лазерную связь в продакшене.
Но проблема возникает в местах, где нет базовых станций. Например, нам нужно принять сигнал бедствия из океана или срочно передать данные о лесном пожаре с территории, где нет возможности установить ретранслятор. Поэтому в последние годы развернулось следующее поколение спутников, основанных на технологии лазерной оптической связи между самими спутниками в космосе. Такая связь возможна без использования наземных сегментов. В космосе лазерные лучи не рассеиваются, но есть серьезная сложность — аппаратам нужно точно наводиться друг на друга. Спутники знают положение друг друга, поэтому могут обмениваться сигналами. Интересно, что разработчики вмонтировали лазеры в конструкцию аппаратов гораздо раньше, чем начали использовать лазерную связь в продакшене.
Деятельность группировки — это многоуровневая структура.
— сегмент управления группировкой в космосе (связанный с моделью космического мусора),
— модель связности (изменение орбит спутников для повышения покрытия),
— изменение параметров группировки. Во время стихийных бедствий или военных действий часто увеличивают концентрацию аппаратов над конкретной точкой, чтобы снимки делались практически непрерывно. Здесь то же самое: увеличивается плотность группировки для повышения скорости и надежности связи.
— управление развитием системы, выведение новых спутников, обслуживание новых стран, новые цели для всей группировкиСейчас количество аппаратов Starlink наращивается, потому что разработчики хотят, чтобы обычного смартфона было достаточно для связи с космосом. Ведь для прямой живой аудио- или видеосвязи нужна огромная плотность покрытия поверхности Земли пролетающими над ней аппаратами.
Школьные проекты
Создать школьную массовую спутниковую систему невозможно. Но вполне можно моделировать ее на открытых симуляторах. Однако в школьном киберфизическом образовании интереснее работать с физическими моделями, такими как mesh-сети или одноранговые сети. Можно собрать такую сеть из смартфонов с обменом данными по Bluetooth: сигнал передается от узла к узлу за сотни метров, хотя сам Bluetooth так далеко не бьет. Пример «земного» использования такой технологии: гибкая измерительная система, например, система мониторинга нацпарка, в которой используются датчики на деревьях и людях.
Второй тип интересных проектов — это проекты по обработке космического трафика. Большая часть аппаратов передает данные в открытый эфир. Через УКВ-антенну можно принять телеметрию и снимки от пролетающих спутников. Какое ценное знание можно извлечь из этого космического трафика? У разных проектных команд возникают тут разные идеи. Например, можно получать свежие данные от метеорологических спутников и строить собственный прогноз погоды, а также собственные карты по открытой телеметрии.
Второй тип интересных проектов — это проекты по обработке космического трафика. Большая часть аппаратов передает данные в открытый эфир. Через УКВ-антенну можно принять телеметрию и снимки от пролетающих спутников. Какое ценное знание можно извлечь из этого космического трафика? У разных проектных команд возникают тут разные идеи. Например, можно получать свежие данные от метеорологических спутников и строить собственный прогноз погоды, а также собственные карты по открытой телеметрии.
ЧТО УМЕЮТ СПУТНИКОВЫЕ ГРУППИРОВКИ
• Посмотреть с разных сторон. Несколько спутников могут одновременно наблюдать одно явление с разных точек. Например, ученые изучают развитие атмосферных циклонов или воздействие солнечных лучей на магнитное поле Земли с разных орбит и высот, что позволяет получить более полную и динамическую картину природного явления.
• Распределить работу. Аппараты могут согласовывать орбиты и время наблюдения, чтобы чаще обновлять информацию о конкретном месте. Современные спутниковые системы дистанционного зондирования Земли, такие как европейский Sentinel, обновляют данные о каждой точке земного шара приблизительно раз в месяц. Тогда как при концентрированном внимании спутниковой группировки разница между снимками может составлять часы.
• Стать единым инструментом. Несколько спутников могут работать как большой виртуальный телескоп или распределенная антенна. Разные страны сейчас проводят эксперименты на орбите, в которой сотни миниатюрных спутников согласовывают свою работу и тем самым способны заменить гигантские аппараты вроде широко известного «Хаббл».
И главное, чему нас учит космос, — работе с проектами вдолгую. К этому можно подготовиться, для чего хорошо подходят детско-взрослые проекты, создаваемые не для защиты на конкурсе, а с целью внедрения и решения чьей-то проблемы. В проектной экспедиции на Кильполе мы обсуждаем мониторинг влияния людей на природу и выясняем, почему на Ладоге исчезает мох. Созданный участниками датчик перемещений должен провисеть в лесу год: не промокнуть, не разрядиться, передавать данные. Это выводит школьника из ситуации «сделал-защитил-забыл», а значит, помогает сделать первый шаг к киберфизическим системам в космосе.
Реалистичный симулятор орбиты