Цель и задачи реализации стратегического технологического проекта

Цели проекта: Развитие экосистемы поддержки проектирования, серийного производства и обработки информации в системах космической связи и дистанционного зондирования земли на базе космических аппаратов пико-, нано-, микро и малого класса.

Задачи проекта:

• Обобщение и распространение имеющихся лучших мировых практик проектирования и серийного производства компонентов (включая электронную компонентную базу) и космических аппаратов (далее - КА) в целом.

В настоящее время в космической отрасли России при создании КА преобладает подход создания уникальных и дорогостоящих образцов в единичном экземпляре. Данный подход ограничивает круг компаний, которые могут участвовать в развитии космической отрасли из-за существенной дороговизны тестового оборудования и стоимости запуска даже в виде попутного груза. Поэтому стоит острая необходимость в создании новых недорогих (снижение себестоимости более чем в 5 раз по сравнению с текущим уровнем за 5 лет) подходов к организации процесса разработки, тестирования и производства новых образцов космической техники.

В отрасли микроэлектроники (также очень дорогостоящей, от 250 тысяч долларов) существует сервис Multi Project Wafer, который позволяет на одной очень дорогой в изготовлении пластине разместить для тестирования множество проектов по приемлемой цене для каждого участника – 2-3 тысячи долларов США. Появление такого сервиса привело к бурному росту количества дизайн центров в Европе и США. Космическая отрасль в настоящее время находится в такой же ситуации и требует снижения порога входа посредством создания такого сервиса.

В ходе выполнения стратегического технологического проекта будут разработаны и внедрены в учебный процесс 2 программы дополнительного образования и 1 магистерская программа, а также модифицированы специальные курсы действующих программ, создано по 1-2 новых модуля в дисциплинах: Основы цифровой радиосвязи, Радиотехнические системы, Специальные разделы антеннофидерных устройств и т.д.

• Разработка платформы и сервиса по тестированию аппаратуры и КА пик-, нано- и микроклассов в режиме Multi Project Satellite #MPS.

В настоящее время существует проблема летной квалификации разрабатываемого оборудования (от ЭКБ до различных систем) и платформ pico и nano спутников. Вывод на орбиту отдельных составных частей аппаратуры практически невозможен, а наноспутники, производимые в России, запускают более чем в 80% случаев с борта МКС, соответственно количество доступных орбит крайне ограничено. При этом для сохранения роли России, как лидера в космической отрасли, необходимо обеспечить снижение стоимости тестирования минимум в 2 раза в реальных условиях перспективных аппаратных решений и новых материалов, что приведет к взрывному росту количества частных компаний, работающих в космической отрасли, и университетов, осуществляющих подготовку кадров для космической отрасли.

• Разработка перспективной и недорогой аппаратуры космической связи и дистанционного зондирования земли (ДЗЗ).

В Российской Федерации за последние десятилетия сложилось значительное отставание в области создания, вывода на орбиту, эксплуатации и коммерциализации систем оптического и радиолокационного дистанционного зондирования Земли, а также систем космической связи, особенно в части стоимости оборудования для пользователей. На фоне успеха зарубежных конкурентов фиксируются признаки отставания: единичное количество эксплуатируемых МКА ДЗЗ и связи (при фактической потребности в единовременной эксплуатации десятков или даже сотен аппаратов), отсутствие унифицированной платформы МКА для ДЗЗ и связи (разрозненность проектов производимых образцов полезной нагрузки для различных МКА), отсутствие отечественного сервиса предоставления данных ДЗЗ. Существенными факторами сложившегося отставания являются технологическая необеспеченность, высокая техническая и технологическая сложность реализованных проектов систем ДЗЗ и связи в РФ, зависимость от иностранной электронной компонентной базы.

• Интеграция различных подразделений МИЭТ в мультидисциплинарные проекты космической отрасли.

Реализация вышеперечисленных задач требует повышения степени интеграции различных направлений подготовки научных дисциплин от материаловедения до искусственного интеллекта при обработке больших данных. Основным направлением деятельности МИЭТ является микроэлектроника, однако, большинство изделий микроэлектроники не являются законченными изделиями, а используются как компоненты. В связи с этим и в связи с ограниченностью ресурсов по разработке компонентов микроэлектроники существенно важно выбирать наиболее сложные и государственно важные с точки зрения больших вызовов отрасли деятельности, для которых в первую очередь осуществлять проектирование компонентной базы, а затем упрощать ее для остальных сфер.

Описание стратегического технологического проекта

Космическая отрасль является одной из ключевых отраслей экономики и может стать драйвером развития общества в среднесрочной и долгосрочной перспективе. Основными направлениями роста рынка в космической отрасли являются связь, дистанционное зондирование и навигация.

Предлагаемый стратегический проект направлен на создание новых подходов к проектированию и тестированию КА в областях связи и ДЗЗ, что позволит в краткосрочной перспективе при поддержке государства и крупного бизнеса сформировать единую систему информационного мониторинга земной поверхности в радиочастотном диапазоне для получения сведений для принятия управленческих решений в реальном времени в силу наличия каналов межспутниковой межорбитальной связи. Что на сегодняшний день отсутствует, и ни одна из предлагаемых к разработке систем в РФ этого не предоставляет.

В краткосрочной перспективе реализация предусмотренных проектом технических решений позволит впервые создать в России собственную систему персональной спутниковой связи, независимую от иностранных технологий и средств информационного обеспечения, которая обеспечит суверенитет и безопасность России в части предоставления услуг защищенной глобальной связи.

Реализация проекта окажет существенное влияние на укрепление национальной безопасности страны, поскольку обеспечит независимые скрытые каналы высокоскоростной защищенной связи для специальных служб по всему миру, осуществления правительственного документооборота РФ и дружественных государств, и даст возможность осуществлять управление войсковыми подразделениями, а также различными техническими средствами, в том числе беспилотными роботизированными комплексами, в любой точке земного шара непосредственно с территории РФ в реальном времени.

Реализация проекта обеспечит возможность доносить информационную повестку, создаваемую РФ непосредственно до абонентов в различных странах без вмешательства недружественных государств и создать единую систему телерадиовещания с дружественными РФ государствами. Поскольку для реализации услуг персональной космической связи на носимый абонентский терминал зарубежным абонентам у российской стороны нет необходимости получать согласие Правительств зарубежных стран на размещение на их территории наземного оборудования, так как услуги связи и интернета будут предоставляться абонентам непосредственно на их мобильные терминалы.

Создание систем связи на основе низкоорбитальных спутников с высокоскоростным персональным доступом формируют новое качество в области международной банковской/биржевой торговли, поскольку выделенные маршруты через космический сегмент будут защищены от внешнего вторжения и иметь малые и стабильные задержки, недостижимые в наземной инфраструктуре между удаленными финансовыми центрами, это позволит решить проблему обеспечения надежности банковских переводов и биржевой торговли в рамках объединения БРИКС+.

Создание единого информационного пространства для массового пользователя требует новых подходов к проектированию КА малого класса, предназначенных для массового производства. Пример компании Starlink показывает, что средняя стоимость аппарата с учетом собственной системы вывода у Starlink в 3-5 раз меньше любых других систем. Но при этом терминалы данной компании попрежнему дороги и продаются в убыток. Все это требует создания новых единых подходов для проектирования КА и наземной аппаратуры, что позволит унифицировать решения и снизить стоимость услуг космических сервисов.

Рыночная ситуация в космической отрасли наилучшим образом видна на примере систем широкополосного доступа (ШПД).

Так, негеостационарные спутники с массой от 100 кг до 1000 кг достаточно широко и относительно давно (с начала 1990-х гг.) используются для целей связи. Первые коммерческие системы на основе таких спутников – Iridium и Globalstar. Однако оказалось, что низкоорбитальные системы связи первого поколения не имеют выраженной коммерческой эффективности. Причем наблюдался значительный рост требуемых инвестиций в процессе развертывания многоспутниковой группировки и создания сети наземных шлюзовых станций (ШС). Подавляющее большинство проектов было закрыто уже к началу 2000-х гг. (в основном по экономическим параметрам).

Примерно в 2013–2014 гг. появилась информация о начале реализации новых низкоорбитальных спутниковых систем. Наиболее активно в 2014–2015 гг. начали продвигаться системы OneWeb (компания OneWeb) и Starlink (компания SpaceX).

Актуальность развития данных систем обусловлена следующим:

• необходимость обеспечения ШПД удаленных районов;
• минимальные задержки сигналов;
• увеличение срока активного существования (САС) за счет расположения орбит спутниковых систем связи ниже радиационных поясов Земли;
• меньшие затраты на выведение КА;
• появление на рубеже тысячелетий технологической возможности налаживания крупносерийного производства КА, связанная, в основном, с удешевлением и совершенствованием электроники;
• уменьшение габаритов наземных терминалов.

1. Основным недостатком этих систем является высокая стоимость абонентского терминала (АТ). Даже терминалы Starlink, продающиеся в настоящее время по цене 499 долларов, по мнению подавляющего большинства аналитиков, требуют от SpaceX субсидирования каждого продаваемого терминала в объёме от 1500 до 6000 долларов.

2. Большинство современных технических решений в части развертывания низкоорбитальных спутниковых группировок имеет ряд общих особенностей:

• масса спутников не превышает 1000 кг;

• сравнительная простота конструкции КА;

• использование унифицированных платформ КА;

• глобальная зона обслуживания; расположение КА на круговых околоземных орбитах; использование наземных ШС; применение активных фазированных антенных решеток (АФАР).

В то же время имеются некоторые различия в рассмотренных системах. Например, отсутствие межспутниковых линий связи в таких системах как OneWeb и GlobalStar-2 (в связи с чем сервис GlobalStar доступен только в радиусе 2,5 тыс. км от ближайшей ШС), или квазиглобальная зона покрытия у GlobalStar-2 и O3bMEO (невозможность обеспечения связи в арктической и антарктической зонах).

Существенной составляющей стоимости космических систем является стоимость пусков, как в ходе отработки, так в ходе развертывания и эксплуатации.

В ходе анализа рынка пусковых услуг по количеству запусков малых космических аппаратов рассмотрены ретроспективный период и перспектива запусков до 2026 гг.

Результаты представлены на рисунках Рисунок 1 и Рисунок 2

Рисунок 1 – Ретроспектива по запускам МКА	Рисунок 2 – Прогноз по запускам МКА на период до 2026 гг.

По результатам анализа прогнозируется значительное увеличение количества КА (в основном за счет развёртывания группировок IoT, M2M, AIS, ADS-B, RFмониторинга и ДЗЗ) и в частности, коммерческих нано- и микро-КА (< 50 кг), мини-КА (50 до 250 кг). В ходе анализа рынка пусковых услуг по запускам МКА в стоимостном выражении рассмотрены ретроспективный период и перспектива запусков на период до 2026 гг.

Результаты представлены на рисунках Рисунке 3 и 4.

Рисунок 3 – Доход от услуг выведения МКА, ретроспективный период	Рисунок 4 – Прогноз по доходу от услуг выведения МКА на период до 2026 гг.
Средняя удельная стоимость выведения 1 кг коммерческой ПН на НОО составляла 21 тыс.$, в сегменте нано- и микро КА – $51 тыс.	Прогноз средней удельной стоимости выведения 1 кг коммерческой ПН на НОО - $10 тыс., в сегменте нано- и микро КА $38 тыс.

Тенденции:

- прогнозируется увеличение объема рынка пусковых услуг;

- смещение максимальной выручки по сегментам в период с н.в. до 2026 г. придется на КА в диапазоне масс 0,25-0,5 т.

Как видно из представленных результатов, стоимость выведения все еще крайне высока ($38 тыс. за кг), особенно для проверки инновационных решений. Следовательно, для снятия подобных ограничений требуется разработка средств многопроектной отработки элементов систем ДЗЗ и связи.

Организационная модель проекта строится на принципах открытой среды, объединяющей ВУЗ, разработчиков и производителей компонентов КА и КА в целом, операторов космической связи и дистанционного зондирования земли, операторов пусковых услуг. В рамках проекта предполагается развитие связей проектов в рамках Консорциума производителей и потребителей услуг космических систем на базе малых КА, который выступает связующим звеном между исследованиями, прикладными разработками и их коммерциализацией.

Ключевыми элементами модели являются:

1. Междисциплинарное сотрудничество: интеграция усилий специалистов в области микроэлектроники, радиотехники, телекоммуникаций, компьютерного моделирования, программирования, искусственного интеллекта, материаловедения и конструирования космических аппаратов.

2. Партнёрство с промышленностью: взаимодействие с отечественными разработчиками и производителями компонентов КА для отработки единых стандартов проектирования аппаратуры и повышения ее степени интеграции с целью снижения себестоимости.

3. Образовательный компонент: вовлечение студентов и аспирантов в разработку компонентов и КА в целом в рамках единого сквозного проектирования от ЭКБ до КА.

4. Коммерциализация результатов: создание устойчивого механизма отработки и летной квалификации для использования в космической отрасли аппаратуры платформ и полезных нагрузок для систем связи и ДЗЗ на основе #MPS, а также коммерческой поддержки при выводе продуктов на рынок.

5. Апробация и минимизация рисков: создание сервиса по отработке и получению летной квалификации отдельных компонентов КА в режиме #MPS, что позволяет существенно снизить затраты на разработку и минимизировать риски для бизнеса и ускорить внедрение компонентов в серийное производство.

Ожидаемые результаты:

1. Социальные: улучшение качества жизни за счет внедрения инновационных технологий построения КА и массового выхода на рынок частных компаний в сфере персональной космической связи и ДЗЗ, что приведет к радикальному (в 10 и более раз) снижению стоимости услуг.

2. Коммерческие: создание конкурентоспособных продуктов и услуг на базе #MPS c высоким потенциалом импортозамещения, способствует развитию отечественной высокотехнологичной промышленности.

3. Научные: появление инструмента по экспериментальным исследованиям новых технологий построения одиночных КА и роя КА, а также повышению возможностей по исследованиям Земли и космического пространства.

4. Образовательные: подготовка специалистов по проектированию КА и полезных нагрузок в парадигме массового производства, ориентированных на поиск новых ниш на рынке космической техники и внедрение результатов исследований в изделия.

Влияние на общество и экономику

Реализация проекта приведет к укреплению технологического суверенитета страны, снижению зависимости от зарубежных решений и созданию новых рабочих мест в новых областях – персональной космической связи и ДЗЗ на базе малых космических аппаратов. Разработанные технологии будут способствовать развитию цифровой экономики, повышению конкурентоспособности отечественной продукции и улучшению качества жизни за счет внедрения инновационных решений в отрасли с очень высокой долей использования зарубежных решений.

Ключевые результаты стратегического технологического проекта

В рамках проекта будет создана система трансфера и апробации результатов разработок в области космического приборостроения для малых космических аппаратов ДЗЗ и связи.

Технические результаты:

1. Количество разработанных платформ КА – не менее 2 - для тестирования элементов КА и пико-, нано и микроспутников.

2. Количество разработанных терминалов космической связи – не менее 2.

3. Количество созданных элементов для систем ДЗЗ – не менее 3.

4. Размерность поддерживаемых проектов – не менее 2 млн экв. вентилей.

5. Количество внешних потребителей сервиса – не менее 5.

Экономические результаты:

1. Объём софинансирования исследований и разработок – не менее 30 млн рублей\год – 90 млн за 3 года.

Социальные результаты:

1. Число трудоустроенных по направлению разработки аппаратуры для космической отрасли – 30 чел.

2. Число прошедших обучение по разработанным программам повышения квалификации – 30 чел.