Bezpieczna telekomunikacja satelitarna dla Polski w zasięgu ręki

Problem stabilnej, bezpiecznej i suwerennej łączności dla Sił Zbrojnych RP od lat czeka na rozwiązanie. Szczególnie pamiętny jest tutaj rok 2011. Wtedy to jesień zaczęła się od publikacji, która wywołała niemałą burzę. Polski kontyngent realizował wówczas misję w Afganistanie. We wrześniu 2011 r. dziennik „Rzeczpospolita" ujawnił, że komunikacja polskich wojsk z krajem odbywa się w części za pośrednictwem rosyjskiego satelity. Chodziło o zaparkowane na orbicie geostacjonarnej (GEO) na pozycji 49°E urządzenie Jamał-202. Jego właścicielem był nie kto inny, jak kontrolowany przez Moskwę koncern Gazprom.

Dziennikarz Piotr Nisztor w swoich dwóch publikacjach w „Rz" wskazywał jasno, że za pośrednictwem rosyjskiego satelity przekazywano m.in. „strategiczne informacje o działaniach polskich żołnierzy w Afganistanie. W tym o funkcjonowaniu tamtejszych komórek polskiego wywiadu i kontrwywiadu wojskowego." Cytowany ekspert z ABW punktował, że dzięki pośrednictwu urządzenia Jamał-202 rosyjskie służby zakotwiczone w strukturach Gazpromu zyskiwały dostęp do kluczowej wiedzy na temat tego, gdzie znajdowały się osoby korzystające z telefonów satelitarnych. Rosjanie mogli poznać częstotliwość oraz czas wykonywanych połączeń, a także dowiedzieć się, z jakim numerem kontaktował się rozmówca.

Wtedy w 2011 r. wyszło na jaw, że rosyjska infrastruktura orbitalna była już od 2007 r. wykorzystywana przez polskie wojsko do przesyłania informacji niejawnych, w tym dotyczących stricte działań operacyjnych. Obok przekazywania informacji wojskowych Jamał-202 służył także żołnierzom do osobistej komunikacji z rodzinami w kraju. Mimo zapewnień MON, że stosowano odpowiednie szyfrowanie, to jednak sam fakt korzystania z rosyjskiego satelity mógł potencjalnie narażać naszych żołnierzy w Afganistanie na poważne niebezpieczeństwo. Z ustaleń „Rz" wynikało, że usługi satelitarne Gazpromu wybrane zostały ze względu na korzystną cenę, co pozwalało na finansowe oszczędności w budżecie resortu obrony na poziomie 20 tys. USD miesięcznie.

Wydawałoby się, że tak poważna sytuacja powinna pobudzić decydentów do szybkiego działania celem rozwiązania problemu bezpiecznej łączności satelitarnej dla Polski. W lipcu 2016 r. portal kosmonauta.net informował: „Siódmego lipca, na spotkaniu dotyczącym programu ARTES przedstawiciele Polskiej Agencji Kosmicznej potwierdzili, że nasz kraj powinien pozyskać w ciągu kilku lat własnego satelitę telekomunikacyjnego. (...) Satelita odpowiadałby głównie za łączność pomiędzy różnymi formacjami wojskowymi, także poza granicami kraju. Na spotkaniu nie pojawiły się żadne szczegóły techniczne dotyczące tego satelity. Nie padłą też żadna data. Wydaje się prawdopodobnym, że te parametry będą przedmiotem przyszłych studiów, które zleci POLSA." Jednak kolejne lata mijały, a Polska wciąż nie dysponuje własnym satelitą telekomunikacyjnym na GEO. Własne satelity telekomunikacyjne mają natomiast takie kraje jak Bułgaria, Białoruś, Azerbejdżan czy Bangladesz.

Niskie nadzieje związane z LEO

Kilka lat temu rynek większych satelitów telekomunikacyjnych budowanych od dawna z przeznaczeniem na GEO przez takich gigantów jak np. Space Systems Loral (dziś część Maxar Technologies) wydawał się załamywać. Jak informował portal spacenews.com, w latach 2017-2018 operatorzy zamówili łącznie u producentów zaledwie czternaście tego typu platform.

Świat zachłysnął się rozwiązaniami w duchu być może nie do końca prawidłowo rozumianego trendu New Space. Telekomunikację satelitarną zdominować miały liczące tysiące urządzeń konstelacje urządzeń wysyłanych na niską orbitę okołoziemską (Low Earth Orbit – LEO), zdolne zapewnić dostęp do internetu dla każdego, nawet najbardziej zapomnianego skrawka ziemskiego globu.

Budowę własnych megakonstelacji dla łączności zapowiadali SpaceX (sieć Starlink), OneWeb, Facebook czy Google. W istocie dotychczas udało się uruchomić system Starlink oraz w części zbudować OneWeb. Sieci na rzecz łączności rozmieszczane na LEO wymagają od użytkowników odbiorników o mniejszej mocy, jednakże mają też sporo wad. Po pierwsze, dla swej skuteczności  konstelacje satelitarne muszą być ogromne, idące w setki i tysiące urządzeń. Tylko wtedy zapewnią faktyczne pokrycie całej Ziemi (ang. global coverage). Budowa tak potężnych sieci generuje znaczne koszty, choćby dlatego, że do wyniesienia urządzeń na orbitę potrzebnych jest bardzo wiele startów rakiet. Ponadto olbrzymie konstelacje powodują ogromne zagęszczenie na i tak już zatłoczonej orbicie LEO. Zwiększa się tym samym ryzyko kosmicznych zderzeń i będącego ich konsekwencją masowego przyrostu ilości kosmicznych śmieci krążących po niskich orbitach okołoziemskich. Na Starlinki skarżyli się też astronomowie, podkreślając, że nadmiar odbijających światło słoneczne satelitów zakłóca obserwacje nocnego nieba.

Tym niemniej należy podkreślić, że wkrótce po rozpoczęciu w lutym br. rosyjskiej agresji na Ukrainę satelity Starlink stały się głównym źródłem dostępu do internetu dla Ukraińców. Miało to ogromne znaczenie na terenach, gdzie infrastruktura telekomunikacyjna została zniszczona przez Rosjan. Jeszcze wiosną na Ukrainę trafiły tysiące niezbędnych do odbierania internetu od SpaceX terminali. Starlink szybko stał się ogromnym wsparciem dla ukraińskich wojsk w realizacji ich działań operacyjnych. Zapewniał także łączność ze światem pozbawionym innych kanałów dostępu do sieci ukraińskim cywilom.

Przez pół roku system działał bez zarzutu. Jednak już jesienią br. na współpracy pojawiły się pewne rysy. W październiku Financial Times alarmował, że ukraińska armia zaczęła doświadczać intensywnych problemów z łącznością od Starlink, akurat podczas kontrofensywy Ukraińców. Kłopoty nasilały się, gdy oddziały wkraczały na tereny okupowane dotąd przez Rosjan. Wkrótce Elon Musk stwierdził też, że nie może dalej finansować łączności satelitarnej dla walczącej Ukrainy. Domagał się jednocześnie, by koszty z tym związane wziął na siebie Pentagon. W istocie wiele dostarczonych Ukrainie terminali zostało zakupionych dzięki finansowaniu przez rządy: USA, Wielkiej Brytanii i Polski. Krytykowany miliarder w końcu w połowie października zgodził się dalej pokrywać koszty obsługi sieci Starlinków nad Ukrainą, lecz niesmak pozostał.

Jednak nawet zakładając brak niespodzianek politycznych czy gospodarczych opierając strategiczną łączność sił zbrojnych państwa na megakonstelacjach satelitarnych na LEO warto mieć na uwadze pewne ograniczenia. Jak było już zaznaczone, taka sieć działa efektywnie dopiero przy bardzo dużej liczbie satelitów obecnych już w kosmosie. Inaczej, zbyt rozciągnięte okresy rewizyty satelity nad danym terytorium powodowałyby przerwy w dostępie do sieci. Po drugie, dostawcy tego rodzaju rozwiązań telekomunikacyjnych takich jak Starlink wymagają dla korzystania z systemu używania tylko i wyłącznie swoich własnych terminali naziemnych – takich jak choćby te dostarczane w ostatnich miesiącach w dużej liczbie Ukrainie. To oznacza po pierwsze małą elastyczność systemu, który może współpracować tylko i wyłącznie z jednym typem terminala od jednego dostawcy. Po drugie, brak pełnej kontroli użytkownika końcowego nad budową terminala, w szczególności nad tym, czy z polecenia rządu (w tym przypadku rządu USA) w terminalu takim nie ma zaszytych jakichś funkcji – np. umożliwiających jego deaktywację, gdy zaistnieje po temu polityczna potrzeba. W takiej sytuacji trudno mówić o pełnej autonomii rozwiązania oraz całkowicie suwerennej kontroli państwa nad systemem. Po trzecie wreszcie, satelity na LEO są szczególnie narażone na zniszczenie z użyciem broni antysatelitarnej (ASAT). Zdolność do przeprowadzenia takiej operacji z powodzeniem demonstrowały już takie kraje jak Chiny, USA, Indie i Rosja.

Wielki powrót GEO

Po chwilowym załamaniu popyt na satelity komunikacyjne z przeznaczeniem na orbitę geostacjonarną zaczął powracać do dawnego, wysokiego poziomu. Dało się to zauważyć już w roku 2019, kiedy to u producentów zamówiono 15 urządzeń, czyli więcej niż przez dwa poprzednie lata łącznie. Wśród czynników, które wpłynęły na taki obrót spraw, z pewnością mogła być większa autonomia i kontrola użytkownika końcowego nad całym systemem. Nie bez znaczenia była prawdopodobnie większa elastyczność w zakresie współpracy z infrastrukturą naziemną. Satelity na GEO mogą bowiem zazwyczaj współpracować z różnego rodzaju terminalami, które użytkownicy rządowi i wojskowi mają na stanie. Nie ma tu konieczności wymiany tych urządzeń na nowe, dedykowane i wymagane przy korzystaniu z konstelacji łącznościowych na LEO, tak, jak ma to miejsce w przypadku Starlink.

W czerwcu 2020 r. portal satelliteevolution.com pisał: Chociaż wydaje się, że okno możliwości [związanych z] LEO dojrzało, to jednak wzrost i sukces były ograniczone przez ewoluujące projekty techniczne, niedoszacowane koszty i przeszacowane możliwości. Z drugiej strony, przemysł satelitów na orbity geosynchroniczne („old space"; GEO) pozostaje stabilny. Chociaż ceny przepustowości spadły w ciągu ostatniej dekady, operatorzy GEO nadal wynoszą nowe satelity i rozszerzają swoje usługi na nowe rynki (...) Pomimo ekscytacji możliwościami konstelacji LEO/MEO, operatorzy satelitów geosynchronicznych wciąż wygrywają na rosnącym rynku SATCOM. I dalej: Operatorzy GEO nadal dominują na dzisiejszym i przyszłym rynku komunikacji satelitarnej. Chociaż stabilność finansowa nadal stanowi problem, grupa ta ma działające satelity w kosmosie (...), ugruntowany segment naziemny, skuteczne kanały dystrybucji i stale ulepszany sprzęt dla użytkowników końcowych.

Również w przypadku satelitów zapewniających łączność z pozycji na GEO należy zachować ostrożność i zapewnić bezpieczną komunikację z urządzeniem oraz jego kontrolę. Do czego mogą prowadzić zaniedbania w tej kwestii pokazuje incydent, jaki miał miejsce w Europie 24 lutego br., czyli w dniu, w którym rozpoczęła się rosyjska inwazja na Ukrainę. Doszło wówczas do zakłócenia łączności pomiędzy zaparkowanym na GEO na pozycji 9°E należącym do Viasatu satelitą KA-SAT, a kilkoma tysiącami działających w Niemczech turbin wiatrowych, należących do firmy Enercon. Na skutek tego wydarzenia czasowo wyłączona została możliwość zdalnego kontrolowania operacji setek wiatraków oraz monitorowania ich pracy za pośrednictwem sieci internetowej.

Bezpieczna i optymalna kosztowo alternatywa

Potencjalnie dobrym rozwiązaniem dla Polski jest satelita telekomunikacyjny proponowany przez firmę Thorium Space z Wrocławia. Będzie to rządzenie zbudowane na platformie SmallGEO, dostarczanej przez przedsiębiorstwo OHB z Niemiec. W założeniu może to być platforma dual use, czyli zarówno do wykorzystania przez wojsko, jak i użytkowana do celów cywilnych.

Tradycyjnie duże satelity telekomunikacyjne dedykowane na GEO buduje się pod konkretne potrzeby określonego klienta. Wariant ten cechuje się niską elastycznością. Urządzenie raz zbudowane musi przez wszystkie lata aktywności na orbicie pozostać w jednej, z góry określonej konfiguracji. To sprawia, że po pewnym czasie, gdy warunki rynkowe ulegną zmianie, część pojemności orbitującego satelity pozostaje niewykorzystana. Z tego względu satelity takie nieraz tworzono nieco przeskalowane – nazbyt duże, po to, żeby upchnąć na ich pokładach możliwie dużo hardware'u, by jak najlepiej przygotować takiego „nieelastycznego" w swej konfiguracji satelitę na możliwą zmianę warunków rynkowych.

Thorium Space prezentuje zupełnie inne podejście do tematu. Budowany przez firmę satelita jest urządzeniem typu „generic" – czyli od samego początku nie jest tworzony pod konkretnego klienta, lecz z myślą o realizacji różnych misji dla różnych podmiotów. Jest on wyposażony w sterowaną całkowicie elektronicznie płaską antenę. Oferuje on tzw. opcję DBF (ang. digital beamforming – cyfrowe formowanie wiązki) w pełnym możliwym wariancie. Oznacza to, że dostępny dla pracy satelity zakres częstotliwości można właściwie dowolnie dzielić i rozdysponowywać pośród aktualnych klientów, cały czas dynamicznie dostosowując optymalne wykorzystanie satelity na rzecz najbardziej aktualnych potrzeb. Można wykrawać dziesiątki a nawet setki pasm użytecznych, realizując naraz wielokrotnie więcej zadań niż byłoby to możliwe w przypadku tradycyjnego satelity wyposażonego w transpondery.

Na ten moment zakładana łączna przepustowość satelity Thorium Space przy jego bazowej konfiguracji wyniesie od 50 do 100 Gbit/s (docelowo ta wartość może w przyszłości osiągnąć nawet 1 terabit na sekundę). Pojemność od 50 do 100 Gbit/s to mniej więcej dokładnie tyle ile Polska potrzebuje obecnie dla zapewnienia łączności krytycznej.

Tworzony na platformie SmallGEO satelita będzie zdolny pracować w zakresie pełnego pasma Ka oraz będzie mógł także obsługiwać pełne pasmo wykorzystywane do łączności przez NATO. Poszczególne kształtowane pasma użytkowe będą mogły być dzierżawione bezpośrednio dla NATO lub też za pośrednictwem NATO dla konkretnych krajów członkowskich Sojuszu.

Jak już wspomniano ów statek kosmiczny będzie rekonfigurowalny, czyli jego ustawienia będzie można łatwo modyfikować poprzez upload nowego software'u. Dzięki temu żadna część „capacity" pojazdu nie powinna zbyt długo pozostawać bezczynna, gdyż będzie można szybko konfigurować payload pod nowych klientów. Ambicją twórców jest, by satelitą zarządzać bardzo dynamicznie i by w stałym użytku pozostawało co najmniej 90% jego mocy przerobowych. Tak dynamiczne zarządzanie konfiguracją satelity będzie możliwe dzięki innowacyjnemu chipowi produkcji drugiego obok OHB partnera Thorium, firmy Teledyne. Chip ten umożliwia bardzo łatwe przechodzenie z sygnału analogowego na sygnał cyfrowy (ang. direct digital RF) oraz obsługę bardzo dużego strumienia danych jednocześnie. Podzespół jest certyfikowany do pracy na orbicie geostacjonarnej. Na mocy porozumienia z Teledyne Thorium Space ma na trzy lata wyłączność na wykorzystanie nowatorskiego chipa.

Nowoczesna platforma

Tym, co czyni satelitę z ładunkiem użytecznym od Thorium Space jednostką niezwykle nowoczesną, jest wykorzystanie platformy satelitarnej SmallGEO. Producentem platformy jest niemiecki koncern OHB, który też będzie dla planowanego satelity prime'em, czyli będzie odpowiadać za zintegrowanie całego satelity. Thorium dostarczy natomiast do statku zintegrowany ładunek użyteczny (ang. payload).

Platforma SmallGEO dla polskiego satelity będzie zbudowana w wersji all electric. Oznacza to, że statek będzie wyposażony wyłącznie w napęd elektryczny, będąc zarazem pozbawiony tradycyjnych manewrowych silników chemicznych. Do wykonywania manewrów w przestrzeni kosmicznej tudzież do stabilizowania czy korygowania swojej orbity będzie wykorzystywał silniki jonowe.

Masa startowa satelity w pełni elektrycznego z konkretnym ładunkiem użytecznym może być nawet o 40-50 proc. mniejsza od masy jego odpowiednika z napędem chemicznym, przy takim samym ładunku użytecznym. Platforma SmallGEO w wersji all electric sprzedawana jest pod nazwą Electra. Przy jej wdrożeniu przedsiębiorstwo OHB korzystało z finansowego wsparcia Europejskiej Agencji Kosmicznej. Firma tak reklamuje swoją rewolucyjną platformę: „Electra odpowiada na potrzeby komercyjnego telekomunikacyjnego przemysłu kosmicznego poprzez znaczne obniżenie kosztu w relacji do mocy ładunku użytecznego na orbicie, za sprawą wykorzystania możliwości taniego wynoszenia".

Kilka czynników decyduje o tym, że to właśnie SmallGEO Electra doskonale wpisuje się w te cele, jakie planuje na orbicie geostacjonarnej realizować Thorium Space. Jest to platforma typu software defined, co oznacza, że zbudowany na niej satelita będzie w pełni rekonfigurowalny. W zależności od bieżących potrzeb i zadań, które statek powinien w danym momencie realizować, będzie mu można przesyłać z Ziemi odpowiedni firmware i nadawać mu pożądaną konfigurację. Ponadto niezwykle istotne jest to, że wspomniana platforma satelitarna wykazuje doskonałe właściwości jeśli chodzi o oddawanie ciepła w przestrzeń kosmiczną. Ma to duże znaczenie w przypadku obsługujących wiele operacji naraz satelitów telekomunikacyjnych, które pracując na orbicie muszą emitować ciepło na zewnątrz, żeby się nie przegrzać.

Cały satelita będzie ważył około 1 tony. Jednocześnie będzie oferował możliwości podobne do tych, jakie dotąd zazwyczaj dawały satelity mniej więcej pięciokrotnie masywniejsze.

Bezpieczeństwo i elastyczność

Oparcie łączności satelitarnej dla Polski na satelicie Thorium Space umieszczonym na GEO dałoby Polsce dużą elastyczność. Takie urządzenie mogłoby bowiem bez trudu współpracować z różnego rodzaju terminalami naziemnymi, które już teraz są użytkowane przez różne jednostki Sił Zbrojnych RP. Nie byłoby konieczności nabywania dedykowanych terminali, tak jak ma to miejsce w przypadku telekomunikacyjnych konstelacji satelitarnych na LEO.

Cały satelita powstawałby ponadto w Europie. Polska miałaby pełną kontrolę nad przygotowaniem, wdrożeniem i działaniem systemu. Bez konieczności korzystania z pośrednictwa dużych komercyjnych operatorów satelitarnych.

Ludzie obsługujący polskiego satelitę znajdować się będą na terytorium naszego kraju. Ich pracę można będzie nadzorować i poddać ścisłym rygorom związanym z bezpieczeństwem. To ważne, gdyż w tego typu zaawansowanych rozwiązaniach technologicznych najczęściej to właśnie człowiek jest tym najsłabszym ogniwem, poprzez które może nastąpić wrogie włamanie do systemu.

W całym tego typu systemie telekomunikacyjnym opartym na satelicie na GEO nic nie wychodzi poza Polskę. W przypadku nieprzyjacielskich ataków na satelitę można dalej zapewniać krajowi bezpieczną łączność po prostu przesuwając się dalej wzdłuż widma radiowego promieniowania elektromagnetycznego. Wrogie sygnały RF nie zostaną w ogóle „wpuszczone na satelitę". Urządzenie będzie też prowadzić rozpoznanie radiowe (ang. SigInt – Signal Intelligence) docierających do niego sygnałów. To funkcjonalność niezwykle istotna z punktu widzenia użytkowników wojskowych.

Pod koniec 2023 r. Thorium Space planuje mieć gotowy model inżynieryjny swojego payloadu satelitarnego. Wtedy zacznie się certyfikacja produktu, za co odpowiedzialność będzie leżała po stronie Teledyne. Półtora roku później polska firma powinna już dysponować telekomunikacyjnym ładunkiem użytecznym gotowym do tego, żeby lecieć na orbitę geostacjonarną. Wyposażony w ów payload satelita zintegrowany przez OHB może stanowić naprawdę niedrogie, bezpieczne i elastyczne rozwiązanie dla Polski w zakresie łączności.

Wysiłki Thorium Space na rzecz przyszłej budowy bezpiecznej łączności satelitarnej dla kraju zostały już dostrzeżone przez Ministerstwo Obrony Narodowej. Wyrazem tego było przyznanie spółce w październiku br. 18,1 mln zł dofinansowania w ramach programu na rzecz obronności i bezpieczeństwa państwa SZAFIR, dotyczącego rozwoju nowoczesnych, przełomowych technologii służących bezpieczeństwu i obronności państwa.

Łączna wartość całego projektu wynosi 20 mln PLN. Realizując go przedsiębiorstwo skonstruuje Taktyczny Adaptacyjny Transpondery Satelitarny (T-XPDR). Ściśle rzecz biorąc, jak można było przeczytać na portalu Space24.pl: Celem projektu jest opracowanie demonstratora w pełni cyfrowego, adaptacyjnego transpondera telekomunikacyjnego działającego w paśmie Ka (segment kosmiczny), zbudowanego z użyciem najnowszej technologii SDR/SDS oraz Cognitive Radio, przeznaczonego do realizacji taktycznej łączności satelitarnej (PTSC), wyposażonego w innowacyjne, wielowiązkowe, płaskie, elektronicznie sterowane macierze antenowe.

Transponder, który powstanie będzie mógł zapewnić zabezpieczoną, w pełni szyfrowaną łączność dla polskich użytkowników wojskowych. Będzie też pozwalał na cyfrowe kształtowanie i dynamiczne kierowanie wiązek radiowych na te obszary, gdzie będą w danym momencie potrzebne. Jak zauważył Paweł Rymaszewski, prezes Thorium Space, takie rozwiązanie, które w obliczu stale zmieniającej się sytuacji geopolitycznej na świecie zapewni bezpieczną łączność satelitarną, stanowi jeden z kluczy do bezpieczeństwa państwa.

Tekst opracowany we współpracy z Thorium Space