Starlink — голямо начинание

Тази статия е част от серия, посветена на осведомеността в областта на космическите технологии.

Starlink — план на SpaceX да предоставя интернет чрез десетки хиляди сателити — главната тема в пресата, посветена на космоса. Всяка седмица излизат статии за последните постижения. Ако схемата е ясна, след като се запознаем с отчетите на Федералната комисия по връзките, един добре мотивиран човек (да речем, вашият слуга) може да открие много подробности. Въпреки това, с тази нова технология все още са свързани много заблуди, дори сред просветлените наблюдатели. Често се срещат статии, в които Starlink се сравнява с OneWeb и Kuiper (сред други), така сякаш те конкурират на равни условия. Други автори, явно загрижени за доброто на планетата, викат за космически отпадъци, космическо право, стандарти и безопасност в астрономията. Надявам се, че след като прочете тази — доста дълга — статия, читателят ще разбере по-добре и ще се запали по идеята на Starlink.

Предишната статия неочаквано докосна чувствителна струна в душите на моите малобройни читатели. В нея обяснявах как Starship за дълго време ще изведе SpaceX на водачество и в същото време ще осигури механизъм за нови изследвания на космоса. Подтекстът е, че традиционната сателитна индустрия не може да настигне SpaceX, която стабилно увеличава мощностите и намалява разходите за семейството ракети Falcon, поставяйки SpaceX в затруднително положение. От една страна, тя формираше пазар на стойност, в най-добрия случай, няколко милиарда на година. От друга, разпалваше у себе си ненаситен апетит за пари — за строителството на огромна ракета, на която, обаче, почти няма кого да изпраща на Марс, а и незабавна печалба не се очаква.

Решението на този двойствен проблем е Starlink. Събирайки и стартирайки собствени спътници, SpaceX би могла да създаде и определи нов пазар за високоефективен и демократизиран достъп до комуникация през космоса, да осигури приток на средства за изграждане на ракета, преди тя да потопи компанията, и да повиши икономическата си стойност до трилиони. Не бива да подценявате мащаба на амбициите на Илон. Съществуват не толкова много индустрии, в които се въртят трилиони долари: енергетика, високоскоростен транспорт, комуникации, ИТ, здравеопазване, селско стопанство, правителство, отбрана. Въпреки разпространените заблуди, космическо сондиране, добыча на вода на Луната и космически соларни панели — бизнес не е жизнеспособен. Илон навлезе в сферата на енергетиката със своята Tesla, но надеждният и вместителен пазар за спътници и стартиране на ракети ще осигурят единствено телекомуникации.

За първи път Илон Мъск насочи погледа си към космоса, когато искаше безвъзмездно да вложи 80 милиона долара в мисия за отглеждане на растения на марсиански сонди. Изграждането на град на Марс вероятно ще струва 100 000 пъти повече, така че Starlink е основната залога на Мъск, за да осигури море от средства, толкова необходими за спонсорство автономен град на Марс.

Защо?

Отдавна планирах тази статия, но едва миналата седмица ми се оформи цялостна картина. Тогава президентът на SpaceX Гуин Шотвелл даде невероятно интервю на Роб Барон, което след това беше осветено от CNBC в великолепна нишка в Twitter Майкъл Шиц, и на което посветиха няколко статии. Това интервю показа огромната разлика в подходите към спътниковата комуникация на SpaceX и всички останали.

Концепция Starlink започна през 2012 година, когато в SpaceX осъзнаха, че клиентите им — основно доставчици на спътникова комуникация — имат огромни запаси от пари. Стартерите начисляват високи такси за разгръщането на спътници и в същото време, по някакъв начин, пропускат един етап от работата — как така? Илон мечтаеше да създаде спътникова групировка за интернет и, не можейки да устои на почти невъзможната задача, стартира процеса. Разработката на Starlink не мина без сложности, но към края на тази статия, вие, мой читателю, със сигурност ще се изненадате колко наистина малки са тези трудности — предвид мащабите на идеята.

Нужна ли изобщо така огромна групировка за интернет? И защо точно сега?

Само по паметта ми интернет от чисто академично хоби се е превърнал в първата и единствена революционна инфраструктура. Това не е темата, на която трябва да посветим разширена статия, но ще предположа, че глобалната необходимост от интернет и приходите, които той генерира, ще продължават да растат с около 25% годишно.

Днес почти всички ние получаваме интернет от малък брой географски изолирани монополи. В САЩ AT&T, Time Warner, Comcast и шепа по-малки играчи са разделили територията, за да избегнат конкуренция, таксуват ни за услугите на безумно високи цени и се радват на почти вселенска омраза.

Има основателна причина за неконкурентното поведение на доставчиците — освен всепоглъщащата алчност. Изграждането на инфраструктура за интернет — микровълнови клетки и оптични влакна — е много и много скъпо. Лесно е да забравим чудната природа на интернет. Бабата ми за първи път започнала да работи по време на Втората световна война като телефонистка, а тогава телеграфът конкурирал за водеща стратегическа роля с пощенските гълъби! За повечето от нас информационната супермагистрала е нещо еферно, нематериално, но битовете пътуват през физическия свят, в който има граници, реки, планини, океани, бури, природни бедствия и други пречки. Още през 1996 г., когато положиха първата оптична линия под океанското дъно, Нийл Стивънсън написа изчерпателен есей на тема кибертуризъм. Съвсем с характерния си остър стил той живо описва голата цена и сложността на прокладката на тези линии, по които след това все пак минават проклятите "котеги". През по-голямата част от 2000-те години кабелите се тъкат толкова много, че цената на разгръщането поражда впечатление.

В определен момент работех в оптична лаборатория и (ако паметта ми не ме лъже) счупихме рекорда на времето, достигайки скорост на мултиплексна предаване от 500 Гб/сек. Ограниченията на електрониката позволяваха всяко влакно да бъде натоварено с 0,1% от теоретичната му пропускливост. Петнадесет години по-късно сме готови да преодолеем тази граница: ако предаването на данни я прескочи, влакното ще се разтопи и вече сме много близо до това.

А за да се повиши потокът от данни над грешната земя — в космоса, където спътникът преминава покрай "шарика" 30 000 пъти за пет години. Очевидното решение, изглежда, е просто — защо никой не се е захванал с него преди?

Групировката спътници Iridium, разработена и внедрена в началото на 90-те години от компания Motorola (помните ли ги?), стана първата глобална нискоорбитална комуникационна мрежа (как е описано в тази книга). Когато я внедриха, нишовата способност за маршрутизиране на малки пакети данни от asset trackers се оказа единственото ѝ приложение: мобилните телефони станаха толкова евтини, че спътниковите телефони не успяха да навлязат на пазара. Iridium имаше 66 спътника (плюс няколко резервни) на 6 орбити — минимален набор за покритие на цялата планета.

Ако Iridium е достатъчно с 66 спътника, защо SpaceX има десетки хиляди? С какво те се различават?

SpaceX влезе в този бизнес от противоположния край — те започнаха с изстрелвания. Стана пионер в запазването на ракета-носител и по този начин завладя пазара на евтини стартови площадки. Опити да преодолеят предложението им с по-ниска цена няма да донесат много пари, така че единственият начин да извлекат печалба от техния излишен капацитет е да станат техен клиент. Разходите на SpaceX за изстрелване на собствени спътници — една десета от разходите (на 1 кг) на Iridium, затова те са в състояние да навлязат в значително по-широк пазар.

Глобалният обхват на Starlink ще осигури достъп до висококачествен интернет навсякъде по света. За първи път достъпността на интернет ще зависи не от близостта на страната или града до оптичен кабел, а от чистотата на небето над главата. Потребителите по целия свят ще получат достъп до глобален интернет, свободен от оковите на различни правителствени монополии, които в различна степен са непочистени и/или зловредни. Способността на Starlink да наруши тези монополии катализира невероятно положителни промени, които най-накрая ще обединят милиарди хора в глобалната кибернетична общност на бъдещето.

Неподходящо лирично отклонение: какво точно означава това?

За хората, които растат днес, в епохата на безкрайна свързаност, интернетът е като въздуха, който дишаме. Той просто съществува. Но това е, ако забравим за невероятната му сила да носи положителни промени - и ние вече сме в центъра на тях. С помощта на интернет хората могат да призоват своите лидери на отговорност, да комуникират с други хора от другия край на света, да споделят мисли, да изобретяват нещо ново. Интернет обединява човечеството. Историята на модернизациите е история на развитието на възможностите за обмен на данни. Първо - чрез речите и епичната поезия. После - писмеността, която дава глас на мъртвите, за да се обърнат към живите; писмеността позволява съхранение на данни и прави възможна асинхронната комуникация. Печатното издание поставя производството на новини на поток. Електронната комуникация ускорява предаването на данни по света. Личните устройства за съхранение на бележки постепенно стават все по-сложни, еволюирайки от записни книжки до мобилни телефони, всеки от които е свързан компютър с интернет, напъхан с датчици и с всеки изминал ден все по-добре предсказва нашите нужди.

Човекът, който използва писменост и компютър в процеса на учене, има по-голям шанс да преодолее ограниченията на неидеално развития мозък. Още по-радостно е, че мобилните телефони са и мощни устройства за съхранение на данни, и механизми за обмен на идеи. Ако по-рано хората, споделяйки мисли, разчитаха на реч, която накисваха в бележници, то днес нормата е, ако записните книжки самостоятелно споделят идеи, генерирани от хора. Традиционната схема е преживяла инверсия. Логичното продължение на процеса е някаква форма на колективно метапознание чрез лични устройства, още по-плътно интегрирани в нашия мозък и свързани помежду си. И макар да носталгичим по изгубената връзка с природата и самотата, важно е да помним, че технологията и само технологията носи основната част от нашето освобождаване от "естествените" цикли на незнание, преждевременна смърт (която може да се избегне), насилие, глад и развалени зъби.

Как?

Нека поговорим за бизнес модела и архитектурата на проекта Starlink.

За да стане Starlink печеливше предприятие, приток на средства трябва да надвишава разходите за изграждане и експлоатация. Традиционно капиталовложенията изискват увеличени начални разходи, използването на усъвършенствано специализирано финансиране и механизми за застраховане — всичко с цел стартиране на спътник. Геостационарен комуникационен спътник може да струва 500 млн. долара, а сглобяването и стартирането му да отнеме 5 години. Поради това компаниите в тази сфера паралелно строят реактивни самолети или контейнеровози. Огромни разходи, приток на средства, който едва покрива разходите за финансиране, и сравнително малък оперативен бюджет. Напротив, фалитът на първоначалното Iridium се състои в това, че Motorola принуди оператора да плати убийствени лицензионни такси, фалирайки предприятието само за няколко месеца.

За да водят подобен бизнес, традиционните спътникови компании трябваше да обслужват частни клиенти и да налагат високи такси за предаване на данни. Авиолинии, отдалечени аванпостове, кораби, зони на бойни действия и ключови инфраструктурни обекти плащат около 5 долара за 1 МБ, което е 5000 пъти по-скъпо от цената на традиционната ADSL връзка, и това въпреки закъсненията в предаването на данни и сравнително ниската пропускна способност на спътниковата връзка.

Starlink планира да конкурира с наземните доставчици на услуги, а следователно ще трябва да доставя данни по-евтино и, в идеалния случай, да взима много по-малко от 1 долар за 1 МБ. Възможно ли е такова нещо? Или, ако е възможно, следва да попитаме: как е възможно?

Първата съставка на новото ястие е евтиният старт. В момента Falcon продава старта на 24 тона за около 60 млн. долара, което е 2500 долара за 1 кг. Оказва се обаче, че съществуват значителни вътрешни разходи. Спътниците Starlink ще бъдат изстрелвани на ракетни носители за многократна употреба, така че маржиналните разходи на един старт са цената на новото второ стъпало (около 4 млн. долара), обтекателите (1 млн.) и наземното обслужване (~1 млн.). В крайна сметка: около 100 хил. долара на спътник, т.е. повече от 1000 пъти по-евтино от старта на обикновен комуникационен спътник.

Повечето спътници Starlink обаче ще бъдат изстрелвани с Starship. И наистина, еволюцията на Starlink, както показват обновените отчети във ФКС, предлага някои представяне на начина, по който, с реализирането на идеята Starship, се е развивала вътрешната архитектура на проекта. Общият брой на спътниците в групировката нарасна от 1 584 до 2 825, след това до 7 518 и, накрая, до 30 000. Ако се вярва на валовите натрупвания, цифрата е още по-висока. Минималният брой спътници за първия етап на разработка, за да бъде проектът жизнеспособен, е 60 на 6 орбити (общо 360), докато за пълно покритие в рамките на 53 градуса от екватора са необходими 24 орбити по 60 спътника (общо 1440). Това са 24 старта за Falcon за около 150 млн. долара вътрешни разходи. Starship обаче е проектиран да изстрелва до 400 спътника наведнъж, приблизително за същата цена. Спътниците Starlink ще трябва да се заменят на всеки 5 години, така че 6000 спътника ще изискват 15 старта на Starship годишно. Това ще струва около 100 млн. на година, или 15 хил. на спътник. Всеки спътник, изстрелван на Falcon, тежи 227 кг; спътниците, които Starship би могъл да изстреля, могат да тежат и 320 кг и да носят допълнителни устройства, да бъдат малко по-големи и в същото време да не надвишават допустимата товароподемност.

От какво се състои цената на спътниците? Сред събратята си, спътниците Starlink са малко необичайни. Те се сглобяват, съхраняват и изстрелват в плоско състояние и поради това са изключително прости за масово производство. Както показва опитът, производствената цена трябва да е приблизително равна на цената на старта. Ако разликата в цената е голяма, значит ресурсите не са разпределени правилно, тъй като комплексното намаляване на маржиналните разходи при намаляване на разходите не е толкова голямо. Наистина ли 100 хиляди долара за спътник при първата партида от няколко стотин — е възможно? С други думи, наистина ли спътникът Starlink не е по-сложен от кола?

За да отговорим напълно на този въпрос, трябва да разберем защо цената на сателит за връзка в орбита е 1000 пъти по-висока, дори ако не е 1000 пъти по-сложен. Ако говорим съвсем просто, защо космическото „железо“ струва толкова много? Има много причини за това, но най-силната в този случай е следната: ако пускането на сателит в орбита (преди Falcon) струва над 100 млн., той трябва да работи много години, за да донесе каквато и да е печалба. Осигуряването на такава надеждност при експлоатацията на първото и единствено изделие е болезнен процес и може да отнеме години, изисквайки усилията на стотици хора. Прибавете към това разходите и вече лесно можете да оправдаете допълнителните процеси, тъй като пускането и така е скъпо.

Starlink нарушава тази парадигма, създавайки стотици сателити, бързо коригирайки ранните недостатъци в проектирането и привличайки техники за масово производство, за да управлява разходите. Лично ми е лесно да си представя конвейера на Starlink, на който техник интегрира нещо ново в конструкцията и закрепва всичко с пластмасова връзка (като нивото на NASA, разбира се) за час-два, поддържайки необходимото ниво на замяна от 16 сателита на ден. Сателитът Starlink се състои от много сложни детайли, но не виждам причини, поради които цената на хиляди юнита, слизащи от конвейера, не може да бъде свалена до 20 хил. И наистина, през май Илон пишеше в Twitter, че цената на производството на сателит вече е под цената на пускането.

Нека вземем средния случай и анализираме времето за възвръщаемост, закръглявайки числата. Един сателит Starlink, чието събиране и пускане струва 100 хил., работи 5 години. Ще се възвърне ли инвестицията и ако да, колко бързо?

През 5 години сателитът Starlink ще облети Земята 30 000 пъти. През всеки от тези полуторачасови витка той ще прекара по-голямата част от времето над океана и вероятно 100 секунди над гъсто населен град. В този кратък прозорец той и предава данни, стремейки се да спечели пари. Ако предположим, че антената поддържа 100 лъча, а всеки лъч предава 100 Мб/сек., използвайки съвременна кодировка като 4096QAM, за генериране на 1000 долара печалба на единствено завъртане — при цена на абонамента от 1 долар за 1 Гб. Това е достатъчно, за да се изплати разходът за внедряване от 100 000 за една седмица и значително опростява капиталовата структура. Останалите 29 900 завъртания представляват печалба, след приспадане на постоянните разходи.

Предполагаемите цифри могат да варират значително, в двете посоки. Но в какъвто и случай, ако можеш да изведеш на ниска орбита качествена групировка от спътници за 100 000 — или дори за 1 милион/модул, — това е солидно предложение. Дори с смехотворно малкия период на използване, спътникът Starlink е способен да достави 30 Пб данни по време на експлоатацията си — при амортизирана цена от 0,003 долара за 1 Гб. Когато предава данни на по-големи разстояния, маржиналните разходи почти не се увеличават.

За да разберем значимостта на този модел, нека бързо го сравним с два други модела за доставяне на данни на потребителите: традиционния — оптичен кабел, и спътниковата групировка, предлагана от компания, която не се специализира в изстрелване на спътници.

SEA-WE-ME — голям подводен интернет-кабел, свързващ Франция и Сингапур, беше пуснат в експлоатация през 2005 година. Пропускателната му способност е 1,28 Тб/сек, а разходите за внедряване — 500 млн. долара. Ако той работи на 100% мощност в продължение на 10 години, а накладните разходи са 100% от капиталовите разходи, тогава цената за предаване ще е 0,02 долара за 1 Гб. Трансатлантическите кабели са по-кратки и малко по-евтини, обаче подводният кабел е само една съставна част от дългата верига от лица, които искат пари за предаване на данни. Средната оценка за Starlink е 8 пъти по-евтина и с „всичко включено“.

Как е възможно това? Спътникът Starlink включва целия сложен хардуер за електронен комутатор, необходим за свързването на оптични кабели; вместо скъпо и крехко жило се използва вакуум за предаване на данни. Предаването през космическото пространство намалява броя на уютните и изоставащи от времето монополии, позволявайки на потребителите да се свързват с още по-малко „железо“.

Сравняв с конкурирующим разработчиком спутников OneWeb, OneWeb планира да създаде групировка от 600 спътника, които ще бъдат изстрелвани чрез търговски доставчици на цена от около 20 000 долара за 1 кг. Теглото на един спътник е 150 кг, т.е., при идеални условия, изстрелването на едно устройство ще струва около 3 млн. Доставката на 'сателитно желязо' е оценена на 1 млн. за спътник, т.е. до 2027 година цената на цялата групировка ще бъде 2,6 млрд. Тестването, проведено от OneWeb, показа пропускна способност от 50 Мб/сек. на пик, в идеалния случай, на всеки от 16 лъча. Следвайки същата схема, по която изчислихме цената на Starlink, виждаме: всеки спътник на OneWeb генерира 80 долара на обиколка, а за 5 години ще донесе 2,4 млн. — едва покривайки разходите за изстрелване, ако се вземат предвид и предаванията на данни в отдалечени региони. Накрая получаваме 1,70 долара за 1 Гб.

Наскоро цитираха думите на Гуин Шотвелл, че Starlink явно е 17 пъти по-евтин и по-бърз от OneWeb, което предполага конкурентна цена от 0,10 долара за 1 Гб. И това още при първоначалната конфигурация на Starlink: с по-малко оптимизирано производство, изстрелване на Falcon и ограничения в предаването на данни — и само с покритие на северните САЩ. Така че, SpaceX има неоспоримо предимство: днес те могат да изстрелват значително по-качествен спътник на цена (за устройство) 15 пъти по-ниска от конкурентите. Starship ще увеличи разликата 100 пъти, ако не и повече, затова не е трудно да си представим как до 2027 година SpaceX ще изстрелва 30 000 спътника за по-малко от 1 млрд. долара, голяма част от което ще осигурят от собствените си средства.

Сигурен съм, че има и по-оптимистични анализи относно OneWeb и други обещаващи разработчици на спътникови групировки, но за сега не знам как е организирано всичко при тях.

Наскоро Морган Стенли изчисли, че спътниците Starlink ще струват по 1 млн. за сглобяване и 830 хил. за изстрелване. Гуин Шотвелл отговори: той-де "дал такоооооого маху". Интересно е, че цифрите са подобни на нашите изчисления относно разходите на OneWeb и са грубо 10 пъти по-високи от оценките на първоначалната версия на Starlink. Използването на Starship и индустриалното производство на спътници може да намали цената на разполагането на спътниците до около 35 хил. за устройство. А това е удивително ниска цифра.

Остава последният пункт — да сравним печалбата на 1 Вт слънчева енергия, генерирана за Starlink. Според снимките на техния сайт, слънчевият панел на всеки сателит има площ около 60 кв.м., т.е. средно генерира около 3 кВт или 4,5 кВт/ч на орбита. Приблизителна оценка показва, че всяка орбита ще носи 1000 долара, а всеки сателит генерира около 220 долара на кВт/ч. Това е 10 000 пъти повече от търговската цена на слънчевата енергия, което отново доказва: доставянето на слънчева енергия в космоса е безнадеждно начинание. А модулацията на микровълни за предаване на данни — непосилна добавена стойност.

Архитектура

В предишния раздел представих доста грубо нетривиално важна част от архитектурата на Starlink — как тя работи с крайно неравномерната плътност на населението на планетата. Сателитът Starlink излъчва сфокусирани лъчи, образуващи петна на повърхността на планетата. Абонатите в рамките на петното споделят една ширина на лента. Размерите на петното са определени от основната физика: първоначално неговата ширина е (височина на сателита х дължина на микровълната / диаметър на антената), което за сателита Starlink, в най-добрия случай, е няколко километра.

В повечето градове плътността на населението е около 1000 души/кв.км., макар и на места по-висока. В някои райони на Токио или на Манхатън на петното може да се падат повече от 100 000 души. За щастие, във всеки подобен гъсто населен град съществува конкурентен вътрешен пазар за широколентов интернет, да не говорим за високоразвита мобилна мрежа. Но, както и да е, ако в който и да е момент над града е на разположение множество сателити от една групировка, капацитетът може да се увеличи чрез пространствено разпределение на антените, също както и чрез разпределение на честотите. С други думи, десетки сателити могат да фокусират най-мощния лъч на едно място, а потребителите в този регион ще използват наземни терминали, които ще разпределят заявките между сателитите.

Ако в началния етап най-подходящият пазар за предлагане на услуги са отдалечени, селски или предградски райони, средствата за по-нататъшни стартирания ще идват от по-качествени услуги, насочени към плътно населени градове. Сценарият е точно обратен на стандартната схема за разширяване на пазарите, при която конкурентни услуги, насочени към градовете, неизбежно изпитват спад в печалбите по време на опити да се разширят към по-бедни и слабо населени райони.

Няколко години назад, когато проведох изчисления, това беше най-добрата карта на плътността на населението.

Взех данните от това изображение и съставих 3 графика, приведени по-долу. Първият показва честотата на земната площ по плътност на населението. Най-интересното е, че голяма част от Земята изобщо не е населена, докато почти в никой район няма повече от 100 души/кв.км.

Вторият график демонстрира честотата на хората по плътност на населението. И въпреки че голяма част от планетата не е населена, основната част от хората живеят в райони, където населението е между 100 и 1000 на кв.км. Разширената природа на този връх (по ред на величина) отразява би-модалността в схемите на урбанизация. 100 души/кв.км. е относително слабо населена селска местност, докато цифрата от 1000 души/кв.км. е характерна за предградията. Центровете на градовете лесно показват 10 000 души/кв.км., а населението на Манхатън е 25 000 души/кв.км.

Третият график показва плътността на населението по ширина. Лесно се вижда, че почти всички хора са съсредоточени в радиус от 20 до 40 градуса северна ширина. По същество това географско и историческо положение е такова, тъй като огромна част от южното полукълбо заема океан. И все пак, такава плътност на населението представлява застрашаващо предизвикателство за архитектите на групировките, тъй като в двете полукълба спътниците прекарват еднакво количество време. Освен това, спътник, който обикаля около Земята под ъгъл, да речем, от 50 градуса, ще остане по-дълго време по-близо до посочените ширини. Затова Starlink за обслужване на северната част на САЩ изисква само 6 орбити, докато за покритие на екватора — 24.

Наистина, ако съчетаем графиката на плътността на населението с графиката на плътността на спътниковата група, изборът на орбити става очевиден. Всеки хистограм представя един от четирите доклада на SpaceX в ФКС. Лично на мен ми се струва, че всеки нов доклад е като допълнение на предишния, но всяка случайност не затруднява забелязването на начина, по който допълнителните спътници увеличават пропускната способност над съответните региони в северното полукълбо. Напротив, значителната неизползвана пропускна способност остава над южното полукълбо — радвай се, родна Австралия!

Какво се случва с потребителските данни, когато достигнат спътника? В оригиналната версия спътникът Starlink незабавно предаваше данните обратно на специализирана земна станция близо до зоните на обслужване. Тази конфигурация се нарича "директна ретранслация". В бъдеще спътниците Starlink ще получат възможност да комуникират помежду си чрез лазер. В своя пик обменът на данни ще достига над гъсто населени градове, но данните ще могат да се разпределят по мрежата от лазери в два измерения. На практика това означава, че съществува огромна възможност за скрита транспортна мрежа за комуникация в мрежата от спътници, което означава, че потребителските данни могат да бъдат "вторично предавани на Земята" на всяко подходящо място. На практика, на мен ми се струва, че наземните станции на SpaceX ще се комбинират с възли за размяна на трафик извън градовете.

Оказва се, че свързаността между спътници не е тривиална задача, ако спътниците не се движат заедно. В най-новите доклади в ФКС се съобщава за 11 изразени орбитални групи спътници. В рамките на конкретна група спътниците се движат на една и съща височина, под един и същ ъгъл, с равен ексцентриситет, което означава, че лазерите могат да откриват спътниците в непосредствена близост относително лесно. Но скоростите на сближаване между групите са измерени в км/сек., така че комуникацията между групите, ако е възможна, трябва да се осъществява чрез кратки, бързо управлявани микровълнови връзки.

Топология орбитални групи — това е подобно на корпускулярно-вълнова теория на светлината и не е особено свързана с нашия пример, но, според мен, е великолепна, затова я включих в статията. Ако тази част не ви интересува, просто преминете направо към „Ограниченията на фундаменталната физика“.

Тор — или поничка — е математически обект, определен от два радиуса. На повърхността на тора е доста лесно да се нарисуват окръгове: успоредно или перпендикулярно на неговата форма. Може би ще ви заинтригува да разберете — има още две семейства кръгове, които могат да бъдат изобразени на повърхността на тора и и двете преминават през отвора в центъра му и около контура. Това са така наречените „окръгове на Валларсо“, и използвах тази конструкция, когато през 2015 г. проектирах тороид за Тесла котия „Горящият човек“.

И макар орбитите на спътниците да са, строго казано, елипси, а не окръгове, същата конструкция е приложима и в случай на Starlink. Групата от 4500 спътника на няколко орбитални равнини, всички под един ъгъл, образува непрекъснато движещ се пласт над повърхността на Земята. Направленият към север пласт над определена ширина на географската точка се обръща и се движи обратно на юг. За да се избегнат сблъсъци, орбитите ще бъдат леко удължени, така че движещият се на север пласт да бъде на няколко километра над (или под) този, който се движи на юг. В комбинация двата пласта образуват тор с вдутата форма, какъвто е показан по-долу на значително опростената схема.

Напомням, че в границите на този тор комуникацията се осъществява между съседни спътници. В общи линии, между спътниците в различни пластове няма пряка и продължителна връзка, защото скоростите на сближаване за лазерно насочване са твърде високи. Пътят за предаване на данни между пластовете, от своя страна, преминава над или под тора.

Общо 30 000 спътника ще бъдат разположени в 11 вложени тора, далеч от орбитата на МКС! На тази схема е показано как са опаковани всички тези пластове, без преувеличен ексцентриситет.

И накрая, трябва да се помисли за оптималната височина на полета. Съществува дилема: ниска височина, която предоставя по-голям капацитет с по-малки размери на лъчите, или висока — която позволява покритие на цялата планета с по-малко спътници? С течение на времето в докладите в ФКС от SpaceX се говореше за все по-ниски височини, тъй като напредвайки, Starship прави възможно бързо разгръщане на по-големи съзвездиета.

Ниската височина има и други предимства, включително намален риск от сблъсък с космически отпадъци или негативни последици от отказ на оборудването. Поради усиленото атмосферно съпротивление, разположените по-ниско спътници Starlink (330 км) ще изгорят в рамките на няколко седмици след загуба на контрол върху ориентацията. И наистина, 300 км — височината, на която спътниците почти не летят, и поддържането на тази височина ще изисква вграден електрореактивен двигател Krypton, както и аеродинамична конструкция. Теоретично, спътник с достатъчно остър профил, на електрореактивен двигател може стабилно да поддържа височина от 160 км, но е малко вероятно SpaceX да пусне спътници толкова ниско, тъй като остават още няколко трика за увеличаване на капацитета.

Ограничения на фундаменталната физика

Изглежда малко вероятно цените за разполагане на спътник някога да паднат под 35 хиляди, дори ако производството е напреднало и напълно автоматизирано, а корабите Starship напълно многоцелеви, освен това все още не е ясно какви ограничения ще наложи физиката на спътника. Горното изследване предполага пикова капацитет от 80 Гб/сек. (ако закръглям до 100 лъча, всеки от които е способен да предава 100 Мб/сек).

Краен предел на капацитета на канала е установен на теоремата на Шенън-Хартли и е предоставен в статистиката по широчината на лентовата честота (1+SNR). Широчината на лентовата честота често е ограничена от достъпния спектър, докато SNR — енергията, налична за спътника, фоновия шум и смущенията на канала поради несъвършенство на антените. Още една забележителна пречка — скоростта на обработка. Най-новите FPGA Xilinx Ultrascale+ имат пропускна способност на GTM-серията до 58 Гб/сек., което е добро при настоящите ограничения на информационния капацитет на канала без разработка на потребителски ASIC. Но дори и тогава 58 Гб/сек. ще изискват значително разпределение на честотите, вероятно в Ка- или V-диапазона. V (40–75ГГц) предлага по-достъпни цикли, но е подложен на по-голямо абсорбиране от атмосферата, особено в райони с повишена влажност.

Практични ли са 100 лъча? Този проблем има два аспекта: ширината на лъча и плътността на елемента на фазирана антена. Ширината на лъча се определя от дължината на вълната, разделена на диаметъра на антената. Цифровата фазирана антена все още е специализирана технология, но максималните полезни размери се определят от ширината. пещи за топене (ок. 1м), а използването на радиочестотни комуникации е скъпо. Ширината на вълната в Ка-диапазона е около 1 см, като ширината на лъча трябва да бъде 0,01 радиана — при ширина на спектъра на ниво 50% от амплитудата. Нека предположим, че телесният ъгъл на лъча е 1 стерадиан (аналогично на обхвата на обектив от 50 мм), тогава в тази област 2500 отделни лъча ще бъдат достатъчни. Линейността предполага, че 2500 лъча ще изискват минимум 2500 елемента антенна в рамките на решетката, което е в принципе реалистично, макар и трудно изпълнимо. А всичко това ще се нагрява значително!

Общо 2500 канала, всеки от които поддържа 58 Гб/сек., представлява огромно количество информация — грубо казано, това е 145 Тб/сек. За сравнение, целият интернет трафик през 2020 година се очаква да бъде средно около 640 Тб/сек.. Добри новини за тези, които са загрижени за принципно ниския капацитет на шпионски интернет. Ако групировката от 30 000 спътника заработи до 2026 година, глобалният интернет трафик потенциално ще достигне 800 Тб/сек. Ако половината от този обем се предоставя от ~500 спътника над плътно населени райони в определен момент от време, то пиковата пропускателна способност на всеки спътник ще бъде около 800 Гб/сек., а това е 10 пъти повече от нашите първоначални основни изчисления, т.е. притокът на средства потенциално нараства 10 пъти.

За спътник на 330-километров орбита, лъчът с 0,01 радиан покрива площ от 10 кв.км. В особено гъсто населените райони, като Манхатън, на такава площ живеят до 300 000 души. А ако всичките те решат да гледат Netflix наведнъж (7 Мб/сек. в HD качество)? Общото искане за данни ще бъде 2000 ГБ/сек., което е приблизително 35 пъти повече от настоящото строго ограничение, наложено от FPGA интерфейса за последователен изход. Има два изхода от тази ситуация, от които физически възможен е само един.

Първият е да се изведат на орбита повече спътници, така че в всеки отделен момент над области с повишено търсене да има над 35. Ако отново вземем 1 стерадиан за приемлив адресуем участък от небето и средна орбитална височина от 400 км, получаваме плътност на групировката от 0,0002/кв.км, или 100 000 общо — ако ги разпределим равномерно над цялата повърхност на земното кълбо. Напомняме, че избраните орбити на SpaceX рязко увеличават плътността на покритие над гъсто населени области в диапазона от 20–40 градуса северна ширина, и ето че числото от 30 000 спътници изглежда магично.

Втората идея е много по-вълнуваща, но, за съжаление, нереализуема. Напомняме, че ширината на лъча се определя от ширината на фазирана антенна решетка. Какво става, ако множество решетки на няколко спътника обединят мощностите си, създавайки по-тесен лъч — точно като радиотелескопите, например, VLA (много голяма антенна система)? Този метод е свързан с една сложност: базисът между спътниците ще трябва да се изчислява прецизно — до субмилиметрова точност, — за да стабилизира фазата на лъча. И дори ако това е възможно, полученото в резултат лъч трудно ще задържи странични лобове, заради малката плътност на спътниковата групировка в небето. На земята ширината на лъча ще се стесни до няколко милиметра (достатъчно, за да се проследи антената на мобилен телефон), но ще бъдат милиони от тях — заради слабото междинно нулиране. Благодаря на проклятието на прорежданата антенна решетка..

Оказва се, че разделянето на каналите чрез ъглово разминаване — тъй като спътниците са разположени в небето — осигурява адекватни подобрения в пропускната способност без да нарушава законите на физиката.

Приложение

Какъв е клиентският профил на Starlink? По подразбиране, това са стотици милиони потребители, които имат антени с размери на кутия за пица на покривите на домовете си, но има и други източници на висок доход.

В отдалечени и селски райони, наземните станции не се нуждаят от фазирани антени, за да максимизират ширината на лъча, така че е възможно прилагането на по-малко абонатно устройство: от IoT тракери до портативни спътникови телефони, аварийни маяци или научни инструменти за проследяване на животни.

В гъсто населени градски среди, Starlink ще осигури основна и резервна транспортна мрежа за мобилната мрежа. На всяка клетъчна кула може да бъде инсталирана високопроизводителна наземна станция, която използва наземни източници на енергия за усилване и предаване през 'последната миля'.

И накрая, дори в пренаселени райони по време на първоначалното разгръщане, съществува възможност за приложение на нискоорбитални спътници с изключително минимална латентност. Финансовите компании са готови да ви дадат значителни суми — само за да получите жизненоважни данни от всички краища на света по-бързо. И макар данните да преминават през Starlink с по-дълъг маршрут — през космоса, — скоростта на светлината във вакуум е с 50% по-висока, отколкото в кварцовото стъкло, което напълно компенсира разликата при предаване на по-дълги разстояния.

Негативни последици

Последната част е посветена на негативните последици. Целта на статията е да ви освободи от заблуди относно проекта, а потенциалните негативни последици от споровете предизвикват най-много. Ще представя някои факти, без да влизам в излишни тълкувания. Въпреки това, не притежавам ясновидски способности, нито имам информация от SpaceX.

Според мен, най-сериозните последици от увеличения на достъпа до интернет се проявяват. Дори в родния ми Пасадена, оживен и технически напреднал град с население над един милион, където се намират няколко обсерватории, университет от световна класа и най-голямото НАСА, изборът на интернет услуги е доста ограничен. Из цяла Америка и останалия свят интернет се е трансформирал в услуга, наподобяваща комунални разходи, а на доставчиците само им е важно да съберат 50 милиона долара на месец в уютна, неконкурентна среда. Може би всяка услуга, предоставяна в апартаменти и жилищни сгради, е комунална, но качеството на интернет услугите е по-променливо от това на водата, електричеството или газа.

Проблемът с статуквото е, че, за разлика от водата, електричеството или газа, интернетът все още е млад и бързо се развива. Постоянно намираме нови приложения за него. Най-революционното все още не е открито, но пакетните планове задушават конкуренцията и иновациите. Милиарди хора остават извън цифровата революция. цифровата революция поради обстоятелствата на раждането или защото страната им е твърде далеч от магистрала подводните кабели. В големите региони на планетата интернет все още се доставя от геостационарни спътници на грабителски цени.

Starlink, който непрекъснато предоставя интернет от небето, нарушава този модел. Лично на мен не ми е известен по-добър начин да се свържат милиарди хора с интернет. SpaceX е на път да стане доставчик на интернет и, потенциално, интернет компания, която да се конкурира с Google и Facebook. Държа да залагам, че не сте се замисляли за това.

Това, че сателитният интернет е най-добрият вариант, не е очевидно. SpaceX и само SpaceX е в позицията да създаде бързо обширна констелация от спътници, тъй като само тя е унищожила десетилетия, за да наруши правителствено-войната монополия върху старта на космически кораби. Дори и Iridium да беше изпреварила пазарът на мобилни телефони десет пъти, пак нямаше да достигне широко приложение, използвайки традиционни площадки за изстрелване. Без SpaceX и нейната уникална бизнес-модел, е много вероятно глобалният сателитен интернет просто никога да не се случи.

Вторият голям удар ще бъде по астрономията. След пускането на първите 60 сателита Starlink последва вълна от критики от международната астрономическа общност, че многократно увеличеното количество сателити ще затрудни достъпа до нощното небе. Има една поговорка: сред астрономите, който има най-голям телескоп, е най-велик. Без преувеличение, занимаването с астрономия в съвременната епоха е изключително трудно, наподобяващо непрекъсната битка за подобряване на качеството на анализа на фона на нарастващото светлинно замърсяване и други източници на шум.

Най-малко астрономът се нуждае от хиляди ярки сателити, минаващи в обектива на телескопа. И наистина, първата група Iridium спечели лоша слава, защото даваше "засветки" заради големите панели, отразяващи слънчевата светлина на малки участъци от Земята. Случвало се е те да достигат яркостта на четвърт Луна и понякога дори случайно да повреждат чувствителни астрономически датчици. Неправдоподобни не са и страховете, че Starlink ще нахлуе в радиочестотите, използвани в радиоастрономията.

Ако изтеглите приложение за наблюдение на сателити, можете да видите десетки сателити, които летят в небето в ясна вечер. Сателитите са видими след залез и преди изгрев, но само когато са осветени от слънчевите лъчи. По-късно, през нощта сателитите са невидими в сянката на Земята. Мънички, изключително далечни, те се движат много бързо. Има вероятност те да затулят далечна звезда за по-малко от милисекунда, но мисля, че дори да уловите това — е истинско главоболие.

Силната загриженост относно осветяването на небето произтича от факта, че пластът спътници от първия старт е разположен близо до терминатора на Земята, т.е. нощ след нощ Европа — а това е било през лятото — наблюдаваше епична картина, как спътниците преминават през небето в вечерните сумраци. Освен това, симулации на база отчети във ФКС показаха, че спътниците на орбита на 1150 км ще бъдат видими дори след астрономическите сумраци. По принцип, сумраците преминават през три стадии: граждански, морски и астрономически — т.е. когато Слънцето е на 6, 12 и 18 градуса под линията на хоризонта съответно. В края на астрономическите сумраци слънчевите лъчи са приблизително на 650 км от повърхността в зенита, далеч извън атмосферата и по-голямата част от ниската околоземна орбита. Въз основа на данни от сайта Starlink, считам, че всички спътници ще бъдат разположени на височина под 600 км. В този случай те ще бъдат видими в сумраците, но не и след настъпването на нощта, което значително ще намали потенциалните последствия за астрономията.

Третият проблем — боклук на орбитата. В предишния пост посочих, че спътниците и боклукът под 600 км ще слязат от орбитата в течение на няколко години — поради съпротивлението на атмосферата, значително намалявайки вероятността от синдрома Кеслър. SpaceX се занимават с мръсотия, сякаш изобщо не мислят за космическия боклук. Аз се запознавам с детайлите за реализиране на Starlink и ми е трудно да си представя по-добър начин за намаляване на количеството боклук на орбитата.

Спътниците се издигат на височина 350 км, след което с вградени двигатели отлитат на предназначената им орбита. Всеки спътник, загинал при пускането, ще излезе от орбитата в течение на няколко седмици и няма да бъде разхвърлян някъде другаде за следващите хиляди години. Такова разположение стратегически предполага тестване за свободен достъп. Освен това, спътниците Starlink са плоски в сечението, което означава, че, губейки контрол над височината, те навлизат в плътни слоеве на атмосферата.

Малко хора знаят, че SpaceX стана пионер в космонавтиката, когато започна да използва алтернативни методи за закрепване вместо пиропатрони. Почти всички пускови площадки използват пиропатрони при разгръщането на стъпки, спътници, обтекатели и други, увеличавайки по този начин потенциалното количество отпадъци. Освен това SpaceX нарочно сваля от орбита горните стъпки, без да им позволява да се разхождат из космоса вечно, за да не стареят и не се разпадат в тежката космическа среда.

И накрая, последният проблем, който бих искал да спомена, е шанса SpaceX да измести съществуващата монополия в интернет, създавайки собствена. В своята ниша SpaceX вече е монополизирала стартирания. Само желанието на съревноваващите се правителства да получат гарантиран достъп до космоса пречи да се изтеглят скъпите и остарели ракети, които често се сглобяват от големи монополистични облигационни изпълнители.

Не е толкова трудно да си представим, как през 2030 година SpaceX ще започне да стартира по 6000 свои спътника годишно, плюс няколко шпионски спътника — по стар навик. Евтини и надеждни спътници на SpaceX ще предлагат „достъпно пространство“ за чужди устройства. Всяко университет, създало камера, пригодна за използване в космоса, ще може да я изведе на орбита, без да му се налага да поема разходите за изграждане на цяла космическа платформа. С такъв напреднал и неограничен достъп до космоса Starlink вече асоциира със спътниците, докато историческите производители отиват в миналото.

В историята има примери за далновидни компании, които заеха толкова огромна ниша на пазара, че имената им станаха нарицателни: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.

Проблема може да възникне, когато пионерската компания започне да използва антиконкуретни практики, за да запази дела си на пазара, макар през времето на президента Рейгън това често да не е забранено. SpaceX може да запази монополията на Starlink, принуждавайки другите разработчици на спътникови групи да стартират спътниците с остарели съветски ракети. Подобни действия, предприети United Aircraft and Transportation company, в комбинация с фиксирането на цените за транспорт на пощата, доведе до фалит през 1934 година. За щастие, SpaceX едва ли ще запази абсолютна монополия над многоразовите ракети завинаги.

Още по-разтревожително е, че разгръщането на десетки хиляди спътници от SpaceX на ниска орбита може да бъде проектирано като присвояване на общи ресурси. Частна компания, преследвайки лична изгода, ще заграби в постоянна собственост някога достъпни и незаети орбитални позиции. И макар иновациите на SpaceX да позволяват реално печелене на пари от вакуума, голяма част от интелектуалния капитал на SpaceX е изградена на милиарди долари, отпуснати от бюджета за изследвания.

От една страна, се нуждаем от закони, които да защитят средствата на частните инвестиции, изследвания и разработки. Без тази защита иноватори не могат да финансират амбициозни проекти или ще преместят компаниите си там, където такава защита им бъде осигурена. Във всеки случай обществото страда, защото не се генерира печалба. От друга страна, са необходими закони, които да защитават хората, номиналните собственици на общите блага, включително небето — от частни субекти, ориентирани към наем, които анексират обществени блага. Нито едно от тези неща не е вярно само по себе си и дори не е възможно. Разработките на SpaceX дават шанс да се намери златната среда на този нов пазар. Ще разберем, че е намерена, когато максимизираме честотата на иновации и генериране на обществено благосъстояние.

Последни мисли

Тази статия написах веднага след като завърших друга — за Starship. Беше натоварена седмица. И Starship, и Starlink — революционни технологии, които се създават пред нашите очи, в живота ни. Ако видя как моите внуци порастват, те ще се учудят повече, че съм по-стар от Starlink, отколкото че в детството ми нямаше мобилни телефони (музейни експонати) или обществени интернет услуги като цяло.

Богатите и военните отдавна ползват спътников интернет, но всеобхватният, общ и евтин Starlink без Starship просто е невъзможен.

За старта се говори отдавна, обаче Starship, напълно евтина и следователно интересна платформа, е невъзможна без Starlink.

За пилотираната космонавтика вече се говори отдавна и ако вие сте — пилот на реактивен изтребител, а също и неврохирург, то им давате зелена светлина. С Starship и Starlink колонизация на космоса от човек — достижимо, близко бъдеще, в което е само на крачка от орбитален аванпост до индустриално развити градове в далечния космос.

Източник: habr.com