Тази статия е част от серия, посветена на .
— планът на SpaceX за предоставяне на интернет чрез десетки хиляди сателити е основна тема в пресата, посветена на космоса. Всяка седмица излизат статии за последните постижения. Ако като цяло схемата е ясна, след като се запознаете с , добре мотивиран човек (да речем, ваш смирен слуга) може да открие много детайли. Все пак, с тази нова технология все още са свързани много заблуди, дори сред осведомените наблюдатели. Често се срещат статии, в които Starlink се сравнява с OneWeb и Kuiper (между другото), сякаш те са в пряка конкуренция. Други автори, явно загрижени за доброто на планетата, се оплакват от космическия отпадък, космическото право, стандартите и безопасността на астрономията. Надявам се, че след прочитането на тази — доста дълга — статия, читателят ще разбере по-добре и ще се запознае с идеята за Starlink.
неочаквано докосна чувствителна струна в душите на моите малобройни читатели. В нея обяснявах как Starship дълготрайно ще издигне SpaceX на върха и в същото време ще осигури механизъм за нови изследвания на космоса. Подтекстът е, че традиционната сателитна индустрия не може да се справи с SpaceX, която стабилно увеличава капацитета и намалява разходите за семейството на ракетите Falcon, поставяйки SpaceX в затруднително положение. От една страна, тя формираше пазар на стойност, най-добре, няколко милиарда годишно. От друга, запалваше в себе си неутолим апетит за пари — за изграждането на огромна ракета, на която обаче почти няма кого да изпрати на Марс, а и незабавна печалба не може да се очаква.
Решението на тази двойна проблематика е Starlink. Събирайки и изстрелвайки собствени сателити, SpaceX може да създаде и определи нов пазар за високоефективен и демократизиран достъп до комуникации през космоса, да осигури приток на средства за строежа на ракетата, докато тя все още не е потопила компанията, и да увеличи икономическата си стойност до трилиони. Не трябва да подценявате мащаба на амбициите на Илон. Има не толкова много индустрии, в които минават триллиони долари: енергетика, високо скоростен транспорт, комуникации, ИТ, здравеопазване, селско стопанство, правителство, отбранителна индустрия. Независимо от разпространените заблуди, , и — бизнесът не е жизнеспособен. Илон нахлу в сферата на енергетиката с Tesla, но надежден и обширен пазар за сателити и ракетни изстрелвания могат да осигурят само телекомуникациите.
Впервые Илон Маск насочитал на космос, когато пожелал безвъзмездно да вложи 80 млн. долара в мисия по отглеждане на растения на марсиански зонд. Строителството на град на Марс вероятно ще струва 100 000 пъти повече, така че Starlink е основната стратегия на Маск, за да осигури необходимите средства. .
За какво?
Отдавна планирах тази статия, но едва миналата седмица получих цялостна представа. Тогава президентът на SpaceX Гуин Шотвелл даде на Роб Беърън невероятно интервю, което след това беше представено от CNBC. Майкъл Шиц, на когото беше посветено . Това интервю показа огромната разлика в подходите към сателитната комуникация на SpaceX в сравнение с всички останали.
Концепцията е основана през 2012 година, когато в SpaceX осъзнаха, че техните клиенти - основно доставчици на сателитна комуникация - разполагат с огромни финансови ресурси. Пусковите площадки завишават цените за разполагане на сателити и по този начин пропускат една важна стъпка - как така? Илон мечтаеше да създаде сателитна мрежа за интернет и, неспособен да устои на практически неизпълнимата задача, стартира процеса. Разработката на Starlink , но в края на тази статия вие, читателю, вероятно ще бъдете изумени как наистина тези трудности са малки - предвид мащаба на идеята.
Нужна ли е всъщност такава огромна мрежа за интернет? И защо точно сега?
Само в моята памет интернетът от чисто академично хоби се трансформира в първата и единствена революционна инфраструктура. Няма да е разумно да се посвети дълга статия на тази тема, но ще предположа, че глобално търсенето на интернет и печалбата, която той носи, ще продължат да растат с около 25% годишно.
Днес почти всички получаваме интернет от малък брой географски изолирани монополии. В САЩ AT&T, Time Warner, Comcast и малко други играчи са разделили територията, за да избегнат конкуренцията, таксуват прекомерно за услугите и се наслаждават на почти вселенската омраза.
За неконкурентно поведение на провайдерите стои основателна причина - освен всепроникващата алчност. Създаването на инфраструктура за интернет - микровълнови клетъчни антени и оптични влакна - е изключително скъпо. Лесно е да се забрави каква чудесна природа има интернет. Бабушка ми за пръв път е започнала работа по време на Втората световна война като радиотелеграфистка, а по онова време телеграфът все още съперничеше за водеща стратегическа роля с пощенските гълъби! За повечето от нас информационната супермагистрала е нещо ефемерно, нематериално, обаче битовете пътуват по физическия свят, в който има граници, реки, планини, океани, бури, природни бедствия и други препятствия. Още през 1996 г., когато проклали първата оптична линия по дъното на океана, . Със своя остър стил той живо описва суровата цена и сложността на прокарването на тези линии, по които после все пак се движат проклетите "котеги". През голяма част от 2000-те години кабелите бяха толкова много, че цената на разгръщането потресаваше.
В един момент работех в оптична лаборатория и (ако паметта ми не ме подвежда) направихме рекорд за времето, като достигнахме скорост на мултиплексно предаване от 500 Гб/сек. Ограниченията от електрониката позволяваха да се натоварва всяко влакно на 0,1% от теоретичната му пропускателна способност. Петнадесет години по-късно сме готови да надминем прага: ако предаването на данни го надмине, влакното ще се стопи, а ние сме много близо до това.
А всъщност трябва да вдигнем потока от данни над грешната земя - в космоса, където спътник обикаля "шарика" 30 000 пъти за пет години. Очевидното, изглежда, решение - защо никой не се е взел в ръце преди?
Групировката спътници Iridium, разработена и внедрена в началото на 90-те години от Motorola (спомняте ли си за тях?), стана първата глобална нискоорбитална комуникационна мрежа (както примамливо се разказва в ). До момента, в който я разгръщат, нишовата способност за маршрутизиране на малки пакети данни от активни проследяващи устройства се оказа единственото й 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 - минималният комплект за покритие на цялата планета.
Ако Iridium имаше нужда от 66 спътника, защо SpaceX има десетки хиляди? С какво е различна?
SpaceX навлезе в този бизнес от обратната страна — започна с изстрелвания. Стана пионер в сферата на запазването на ракетата-носител и по този начин овладя пазара на евтини стартови площадки. Опитите да се победи тяхната оферта с по-ниска цена няма да донесат много пари, така че единственият начин да се извлече печалба от тяхната излишна мощност е да се стане техен клиент. Разходите на SpaceX за изстрелване на собствени сателити — (за 1 кг) Iridium, и затова те са в състояние да навлязат на значително по-широк пазар.
Всемирното покритие 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 оптичната линия, а от чистотата на небето над главите ни. Потребителите по целия свят ще получат достъп до свободен от окови глобален интернет, независимо от техните собствени в различна степен некомпетентни и/или корумпирани правителствени монополии. Способността на Starlink да разруши тези монополии катализира невероятни по мащаб положителни промени, които най-накрая ще обединят милиарди хора в глобална кибернетична общност на бъдещето.
Едно малко лирично отклонение: какво точно означава това?
За хората, които растат днес, в епохата на всеобхватната 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 самия им център. С помощта на интернет хората могат да изискват отчетност от своите лидери, да комуникират с други хора от другия край на света, да споделят мисли, да изобретяват нещо ново. Интернетът обединява човечеството. Историята на модернизациите е история на развитието на възможностите за обмен на данни. Сперва — чрез речи и епична поезия. После — чрез писмото, което дава глас на мъртвите, и те говорете на живите; писмото позволява да се съхраняват данни и прави възможна асинхронната комуникация. Печатната преса доведе производството на новини до автоматизирано ниво. електронната комуникация — ускори предаването на данни по света. Личните устройства за съхранение на забележки постепенно стават все по-сложни, еволюирайки от тетрадки до мобилни телефони, всеки от които е компютър, свързан с интернет, осеян с сензори и всеки ден все по-добре предвижда нуждите ни.
Човек, който използва писмо и компютър в процеса на познание, има по-голям шанс да преодолее ограниченията на недовършен мозък. Още по-радостно е, че мобилните телефоните са мощни устройства за съхранение на данни и механизми за обмен на идеи. Ако преди хората, споделяйки мисли, разчитаха на говор, който записваха в тетрадки, днес е обичайно тетрадките сами да споделят идеи, генерирани от хора. Традиционната схема е претърпяла инверсия. Логичното продължение на процеса е нещо като форма на колективно метапознание, чрез лични устройства. и свързани помежду си. И макар все още да носталгируем по загубената връзка с природата и усамотението, е важно да запомним, че технологията и единствено технологията отговарят за голяма част от нашето освобождение от "природните" цикли на невежество, преждевременна смърт (която може да бъде избегната), насилие, глад и развалени зъби.
Как?
Нека поговорим за бизнес модела и архитектурата на проекта Starlink.
За да стане Starlink печелившо предприятие, приходите трябва да надвишават разходите за строителство и експлоатация. Традиционно капиталоемкостта предполага увеличени начални разходи, използване на сложни специализирани финансирания и механизми за застраховане — всичко това е необходимо, за да стартираме сателит. Геостационарен комуникационен сателит може да струва 500 милиона долара, а монтажът и стартирането да отнемат 5 години. Затова компаниите в тази сфера строят едновременно реактивни самолети или контейнеровози. Огромни разходи, приходи, които едва покриват разходите за финансиране, и сравнително малък оперативен бюджет. От друга страна, провалът на първоначалния Iridium се състоеше в това, че Motorola принуди оператора да плати убийствени лицензионни такси, което доведе до фалит на предприятието само за няколко месеца.
За да водят подобен бизнес, традиционните спътникови компании трябваше да обслужват частни клиенти и да начисляват високи тарифи за предаване на данни. Авиокомпании, 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 то въпреки закъснението в предаването на данни и сравнително ниската пропускна способност на спътниковото свързване.
Starlink планира да конкурира с наземни доставчици на услуги, което означава, че ще трябва да предоставя данни по-евтино и, в идеалния случай, да таксува много по-малко от 1 долар за 1 МБ. Възможно ли е такова нещо? Или, ако е възможно, трябва да се запитаме: как е възможно?
Първият компонент на новото ястие е евтиният старт. Към момента Falcon предлага старт за 24 тона на цена около 60 млн. долара, което е 2500 долара за 1 кг. Въпреки това, обаче, има много по-високи вътрешни разходи. Сателитите Starlink ще бъдат изстрелвани на многоразови ракети, така че маргиналните разходи за един старт включват цената на новата втора степен (около 4 млн. долара), обтекателите (1 млн.) и наземното обслужване (приблизително 1 млн.). Общо: около 100 хил. долара на сателит, т.е. повече от 1000 пъти по-евтино от старта на обикновен комуникационен сателит.
Повечето сателити Starlink обаче ще се изстрелват на Starship. И наистина, еволюцията на Starlink, както показват актуализираните отчети в ФКС, дава известно вътрешната архитектура на проекта. Общият брой сателити в констелацията е нараснал от 1 584 до 2 825, след това до 7 518 и накрая до 30 000. Ако вярваме на брутните натрупвания, числото е още по-високо. Минималният брой сателити за първия етап на разработка, за да бъде проектът жизнеспособен, е 60 броя на 6 орбити (общо 360), докато за пълно покритие в рамките на 53 градуса от екватора са необходими 24 орбити по 60 сателита (общо 1440). Това са 24 старта за Falcon за около 150 млн. долара вътрешни разходи. Starship, от друга страна, е проектиран да изстрелва до 400 сателита наведнъж, приблизително на същата цена. Сателитите Starlink трябва да бъдат заменяни на всеки 5 години, така че 6000 сателита ще изискват 15 старта на Starship годишно. Това ще струва около 100 млн. на година, или 15 хил. на сателит. Всеки сателит, изстрелян на Falcon, тежи 227 кг; сателитите, изстрелвани на Starship, могат да тежат и 320 кг и да носят допълнителни уреди, да бъдат малко по-големи и въпреки това да не надвишават допустимият товар.
Какво определя цената на сателитите? Сред своите връстници, сателитите Starlink са малко необичайни. Те се сглобяват, съхраняват и изстрелват в плоско състояние и затова са изключително лесни за масово производство. Както показва опитът, производствената цена трябва да бъде приблизително равна на цената на стартовото оборудване. Ако разликата в цената е голяма, значи ресурсите са неправилно разпределени, тъй като комплексното намаляване на маргиналните разходи при понижаване на разходите не е толкова голямо. Нима 100 хил. долара за сателит при първоначална партия от няколко стотици — това е реално? С други думи, не е ли сателитът Starlink по-прост от един автомобил?
За да отговорим напълно на този въпрос, трябва да разберем защо цената на орбитален комуникационен сателит е 1000 пъти по-висока, въпреки че той не е 1000 пъти по-сложен. Просто казано, защо космическото „желязо“ е толкова скъпо? Има множество причини за това, но най-съществената в случая е следната: ако изстрелването на сателит на орбита (до Falcon) струва над 100 милиона, той трябва да работи безпроблемно много години – за да донесе поне някаква печалба. Осигуряването на такава надеждност при експлоатацията на първия и уникален продукт е болезнен процес и може да отнеме години, изисквайки усилията на стотици хора. Добавете към това разходите и вече е лесно да оправдаете допълнителните процеси, тъй като изстрелването ужасяващо скъпо.
Starlink разбива тази парадигма, създавайки стотици сателити, бързо поправяйки ранни недостатъци в проектирането и използвайки масово производствени техники за контрол на разходите. Лично на мен ми е лесно да си представя конвейера на Starlink, на който техник интегрира нещо ново в конструкцията и закрепва всичко с пластмасова закачалка (по ниво на NASA, разбира се) за час-два, поддържайки необходимото ниво на замяна от 16 сателита на ден. Сателитът Starlink се състои от множество сложни компоненти, но не виждам причина цената на хилядыя единица, която слиза от конвейера, да не може да бъде свалена до 20 хиляди долара. И наистина, през май Илон написа в Twitter, че цената на производството на сателит вече е под цената на изстрелване.
Нека вземем средния случай и анализираме времето за възвръщаемост, закръгляя числата. Един сателит Starlink, който струва 100 хиляди за сглобяване и изстрелване, работи 5 години. Ще се самоизплати ли той и ако да, то колко бързо?
През 5 години сателитът Starlink ще обиколи Земята 30 000 пъти. По време на всеки от тези полуторачасови орбити, той ще прекара по-голямата част от времето си над океана и вероятно 100 секунди над гъсто населен град. В това кратко време той предава данни, стремейки се да генерира печалба. Ако предположим, че антената поддържа 100 лъча, а всеки лъч предава 100 Мб/сек., използвайки съвременна кодировка от типа , сателитът генерира 1000 долара печалба за всяка орбита – при цена на абонамента от 1 долар за 1 Гб. Това е достатъчно, за да се покрият разходите за разгръщане от 100 хиляди за една седмица и значително опростява структурата на капитала. Останалите 29 900 орбити са печалба, след приспадане на постоянните разходи.
Предполагаемите цифри могат да варират значително в двете посоки. Но във всеки случай, ако можеш да изведеш качествена група спътници на ниска орбита за 100 000 — или даже за 1 млн./единица, това е сериозен ангажимент. Дори с факта, че времето за експлоатация е незначително, спътникът Starlink може да предостави 30 Пб данни през срока на експлоатация — при амортизирана цена от 0,003 долара за 1 Гб. При това, разходите за предаване на по-големи разстояния практически не се увеличават.
За да разберем значимостта на тази модел, нека бързо да я сравним с две други модели за предоставяне на данни на потребителите: традиционния — оптични кабели, и спътниковата група, предлагана от компания, която не се специализира в стартирането на спътници.
, свързващ Франция и Сингапур, беше въведен в експлоатация през 2005 година. Пропускателната способност е 1,28 Тб/сек., а разходите за разгръщане - 500 млн. долара. Ако той работи на 100 % капацитет в продължение на 10 години, а оперативните разходи достигнат 100 % от капиталовите разходи, цената за предаване ще бъде 0,02 долара за 1 Гб. Трансатлантическите кабели са по-къси и малко по-евтини, но подводният кабел е само едно звено в дългата веригa от хора, които искат пари за предаване на данни. Средната оценка за Starlink е 8 пъти по-евтина, при това всичко е включено.
Как е възможно това? Спътникът Starlink включва сложна електронна комуникационна система, необходима за свързването на оптични кабели, само че вместо скъпи и крехки проводници, се използва вакуум за предаване на данни. Предаването през космическото пространство намалява броя на уютните и остарели монополи, позволявайки на потребителите да се свързват с все по-малко "желязо".
Нека да сравним с конкуриращия разработчик на спътници OneWeb. OneWeb има за цел да създаде група от 600 спътника, които ще бъдат изстреляни чрез търговски оператори на цена от около 20 000 долара за 1 кг. Теглото на един спътник е 150 кг, т.е. при идеален случай, изстрелването на един единица ще струва около 3 млн. Цената на спътниковото "желязо" се оценява на 1 млн. за спътник, т.е. до 2027 година общата цена на групата ще бъде 2,6 млрд. Тестовете, проведени от OneWeb, показаха пропускателна способност от 50 Мб/сек. на пик, в идеален случай, на всеки от 16-те лъча. Следвайки същата схема, по която изчислявахме цената на Starlink, получаваме: всеки спътник на OneWeb генерира 80 долара на завъртане, а общо за 5 години ще донесе 2,4 млн. — едва покривайки разходите за стартиране, ако се вземе предвид и предаването на данни в отдалечени региони. В крайна сметка получаваме 1,70 долара за 1 Гб.
Наскоро бяха цитирани думите на Гвин Шотвелл, че , като това предполагае конкурентна цена от 0,10 долара за 1 Гб. И това пренебрегва началната конфигурация на Starlink: с по-малко оптимизирано производство, изстрелване на Falcon и ограничения в предаването на данни — и само с покритие в северната част на САЩ. Получава се, че SpaceX има неоспоримо предимство: вече днес те могат да изстрелят много по-качествен спътник на цена (за единица) 15 пъти по-ниска от конкурентите. Starship ще увеличи разликата в 100 пъти, ако не и повече, така че е трудно да си представим как до 2027 година SpaceX ще изстреля 30 000 спътника за по-малко от 1 млрд. долара, основната част от които ще осигурят от собствените си средства.
Сигурен съм, че има и по-оптимистични анализи относно OneWeb и други обещаващи разработчици на спътникови групи, но все още не знам как стоят нещата при тях.
Наскоро Морган Стенли , че спътниците Starlink ще струват по 1 млн. за сглобяване и 830 хиляди за изстрелване. . Интересно, че цифрите са аналогични на нашите изчисления относно разходите на OneWeb и грубо 10 пъти по-високи от оценките на началната версия на Starlink. Използването на Starship и индустриалното производство на спътници може да намали разходите за разгръщане на спътниците до около 35 хиляди /единица. А това — невероятно ниска цифра.
Остава последният пункт — да сравним печалбата от 1 Вт слънчева енергия, генерирана за Starlink. Според снимките на техния сайт, слънчевата батерия на всеки спътник има площ от около 60 кв.м., т.е. средно генерира около 3 КВт или 4,5 КВт/ч на орбита. По приблизителна оценка, всяка орбита ще носи 1000 долара, а всеки спътник генерира около 220 долара на КВт/ч. Това е 10 000 пъти повече от оптовата цена на слънчевата енергия, което отново потвърджа: . А модулирането на микровълни за предаване на данни — непоносимо добавена стойност.
Архитектура
В предишния раздел сравнително грубо представих значителна част от архитектурата на Starlink — как тя работи с крайно неравномерна плътност на населението на планетата. Спътникът Starlink излъчва фокусирани лъчи, които образуват петна на повърхността на планетата. Абонатите в рамките на петното споделят една ширина на лентата. Размерите на петното се определят от фундаменталната физика: първоначално неговата ширина е (височина на спътника х дължина на микровълната / диаметър на антената), което за спътника Starlink, в най-добрия случай, е няколко километра.
В повечето градове плътността на населението е около 1000 души/кв. км, въпреки че на места може да е по-висока. В някои райони на Токио или на Манхатън на малка площ може да има над 100 000 души. За щастие, във всеки един от тези гъсто населени градове съществува конкурентен вътрешен пазар за широколентов интернет, да не говорим за добре развита мрежа от мобилни телефони. Но, каквото и да е, ако в който и да е момент над града присъстват множество спътници от една групировка, пропускателната способност може да се увеличи чрез пространствено разположение на антени, както и с разпределение на честотите. С други думи, десетки спътници могат да фокусират най-мощния лъч на едно място, а потребителите в този регион ще използват наземни терминали, които разпределят заявките между спътниците.
Ако в началните етапи най-подходящият пазар за предлагане на услуги са отдалечени, селски или предградски райони, то средствата за по-нататъшни старти ще дойдат от по-качествени услуги именно за гъсто населените градове. Сценарият е точно противоположен на стандартната схема за разширение на пазара, при която конкурентни услуги, насочени към градовете, неизбежно претърпяват спад в печалбите, докато се опитват да се разширят в по-бедни и слабо населени райони.
Преди няколко години, когато направих изчисленията, .
Взех данните от това изображение и съставих 3 графики по-долу. Първата показва честотата на земната площ според плътността на населението. Най-интересното е, че голяма част от Земята изобщо не е населена, докато почти в никой регион няма повече от 100 души/кв. км.
Втората графика демонстрира честотата на хората според плътността на населението. И макар голямата част от планетата да не е населена, основната част от хората живеят в райони, където населението е 100–1000 на кв. км. Разширената природа на този пик (на порядък повече) отразява бимодалността 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 достига 25 000 души/кв. км.
Третият график показва плътността на населението по ширина. Ясно е, че почти всичките хора са съсредоточени в пределите от 20–40 градуса северна ширина. По същество, това е географски и исторически обосновано, тъй като огромна част от южното полушарие е заета от океан. Все пак, такава плътност на населението е страшно предизвикателство за архитектите на мрежата, тъй като в двете полушария спътниците прекарват равно количество време. Освен това, спътник, който обикаля около Земята под ъгъл от примерно 50 градуса, ще бъде по-дълго време в близост до посочените граници по ширина. Затова Starlink за обслужване на северната част на САЩ изисква само 6 орбити, докато за покритие на екватора – 24.
Истината е, че ако съчетаем графика на плътността на населението с графика на плътността на спътниковата мрежа, изборът на орбити става очевиден. Всяка хистограма представлява един от четирите доклада на SpaceX в FCC. Лично на мен ми изглежда, че всеки нов доклад е своеобразно допълнение на предишния, но така или иначе, не е трудно да се забележи как допълнителните спътници увеличават капацитета в съответните региони на северното полушарие. В контекста на това, внушителна неизползвана капацитет остава над южното полушарие – радвай се, родна Австралия!
Какво се случва с потребителските данни, когато достигнат спътника? В първоначалната версия спътникът Starlink незабавно ги предава обратно на специализирана наземна станция близо до зоните на обслужване. Тази конфигурация се нарича „директен ретранслятор“. В бъдеще спътниците Starlink ще имат възможност да комуникират помежду си чрез лазер. Връзките с данни ще достигат своя пик над гъстонаселените градове, но данните ще могат да се разпределят в мрежата от лазери в две измерения. На практика това означава, че има огромна възможност за скрита транспортна мрежа в мрежата от спътници, т.е. потребителските данни могат да бъдат „вторично предавани на Земята“ на всяко удобно място. На практика, на мен ми се струва, че наземните станции на SpaceX ще се свързват с извън градовете.
Оказва се, че връзката между спътниците не е тривиална задача, ако те не се движат заедно. В най-новите доклади от 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 същи наклон, с равен ексцентрицитет, което означава, че лазерите могат да откриват спътниците в непосредствена близост сравнително лесно. Но скоростите на сближаване между групите се измерват в км/сек, така че комуникацията между групите, ако е възможна, трябва да се извършва чрез кратки, бързо управляеми микровълнови съединения.
Топологията на орбиталните групи е като корпускулярно-вълнова теория на светлината и не е особено свързана с нашия пример, но, според мен, тя е прекрасна, затова я включих в статията. Ако този раздел не ви интересува, 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 рисуват окръжности: успоредно или перпендикулярно на неговата форма. Може би ще намерите интересно откритието, че 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 контурa. Това са т.н. , и използвах тази конструкция, когато през 2015 г. проектирах тороид за катушка на Тесла „Горящ човек“.
И макар че орбитите на спътниците са строго казано елипси, а не окръжности, същата конструкция е приложима и в случая на Starlink. Групировката от 4500 спътника на няколко орбитални равнини, всички под един и същи ъгъл, образуват непрекъснато движещ се пласт над повърхността на Земята. Направленият на север пласт над зададената точка на ширина се развива и се движи обратно на юг. За да се избегнат сблъсъци, орбитите ще бъдат леко удължени, така че движещият се на север пласт ще бъде на няколко километра по-високо (или по-ниско) от този, който се движи на юг. Заедно, и двата тези пласта образуват тор с опъната форма, както е показано по-долу на силно опростената схема.
Напомням, че в рамките на този тор комуникацията се осъществява между съседни спътници. В общи линии, между спътниците в различни пластове няма директни и продължителни съединения, тъй като скоростите на сближаване за лазерното насочване са твърде високи. Траекторията на 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 ексцентрицитет.
Накрая, трябва да се замислим за оптималната височина на полета. Съществува дилема: ниска височина, която осигурява по-голяма пропускна способност при по-малки размери на лъчите, или по-висока, която позволява покритие на цялата планета с по-малък брой спътници? С времето в докладите на ФКС от SpaceX се споменаваше за все по-ниски височини, тъй като с усъвършенстването на Starship се прави възможно бързото разгръщане на по-големи констелации.
Ниската височина предлага и други предимства, включително намален риск от сблъсък с космически отломки или негативни последици от отказ на оборудването. Поради засилено атмосферно съпротивление, разположените по-ниско от другите спътници Starlink (330 км) ще изгарят в рамките на няколко седмици след загуба на ориентация. Наистина, 300 км е височината, на която спътниците почти не летят, а поддържането на височината ще изисква вграден електрически ракетен двигател Krypton, както и аеродинамична конструкция. Теоретично, спътник с достатъчно остър профил на електрическия ракетен двигател може стабилно да поддържа височина от 160 км, но е малко вероятно SpaceX да започне да пуска спътници толкова ниско, тъй като все още имат допълнителни трикове за увеличаване на пропускната способност.
Ограничения на фундаменталната физика
Изглежда малко вероятно цените за поставяне на спътник да паднат значително под 35 хил., дори ако производството бъде напреднало и напълно автоматизирано, а корабите Starship напълно многоразови. Освен това не е напълно известно какви ограничения ще наложи физиката на спътника. Посоченият по-горе анализ предполага пиков капацитет от 80 Гб/сек. (ако закръглим до 100 лъча, всеки от които е способен да предава 100 Мб/сек).
Краен предел на пропускната способност на канала е определен в и се предоставя в статистическите данни за широчината на лентата (1+SNR). Широчината на лентата често е ограничена от , докато SNR е наличната енергия на спътника, фоновия шум и смущенията в канала поради . Още едно значително препятствие е скоростта на обработка. Най-новите FPGA Xilinx Ultrascale+ имат , което е добро при текущите ограничения на информационния капацитет на канала без разработка на потребителски ASIC. Но дори тогава 58 Гб/сек. ще изискват значително разпределение на честоти, вероятно в диапазоните Ka или V. V (40–75ГГц) има по-достъпни цикли, но е подложен на по-голямо поглъщане от атмосферата, особено в области с висока влажност.
Практични ли са 100 лъча? Тази тема има два аспекта: ширина на лъча и плътност 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. (около 1м), а използването на радиочестотни комуникации — става скъпо. Ширината на вълната в ка-диапазона е около 1 см, при което ширината на лъча трябва да бъде 0,01 радиана — при ширина на спектъра от 50% амплитуда. Да предположим, че телесният ъгъл на лъча е 1 стерадиан (аналогично на обхвата на обектива на 50-милиметрова камера), тогава в тази област 2500 отделни лъча ще бъдат достатъчни. Линейността предполага, че 2500 лъча ще изискват минимум 2500 елементи антенна в рамките на решетката, което по принцип е осъществимо, въпреки че трудоемко. И всичко това ще се загрява много!
Общо 2500 канала, всеки от които поддържа 58 Гб/сек., — това е огромен обем информация — ако грубо, то 145 Тб/сек. За сравнение, целият интернет трафик през 2020 година . Добри новини за тези, които се притесняват от принципно ниската ширина на лентата на спътниковия 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 доставя от около 500 спътника над плътно населени райони в даден момент, върховата пропускателна способност на всеки спътник ще бъде около 800 Гб/сек., което е 10 пъти повече от нашите първоначални основни изчисления, тоест потока от средства потенциално нараства 10 пъти.
За спътник на 330-километрова орбита, лъчът от 0,01 радиана покрива площ от 10 кв.км. В особено плътно населени райони като Манхатън на такава площ живеят до 300 000 души. А ако те всички започнат да гледат Netflix (7 Мб/сек. в HD качество)? Общото запитване за данни ще бъде 2000 ГБ/сек., което е около 35 пъти повече от текущото строго ограничение, наложено от ПЛИС интерфейса за последователно извеждане. От тази ситуация има два изхода, от които физически възможен е само един.
Първата идея е да се изпратят на орбита повече спътници, така че в всеки конкретен момент над областите с повишено търсене да има над 35. Ако вземем 1 стеридиан за приемлив участък от небето и средна орбитална височина от 400 км, получаваме плътност на групировката от 0,0002/кв.км, или общо 100 000 — ако ги разпределим равномерно над цялата повърхност на Земята. Напомняме, че избраните орбити на SpaceX значително увеличават плътността на покритие над гъсто населени области в диапазона от 20–40 градуса северна ширина, и тогава числото 30 000 спътника изглежда магическо.
Втората идея е много по-готина, но, за съжаление, неосъществима. Напомняме, че ширината на лъча се определя от ширината на фазирана антена. Какво ако множество решетки на няколко спътника комбинират мощностите си, създавайки по-тесен лъч — точно както радиотелескопите, като този (много голяма антенна система)? Този метод е свързан с една сложност: базисът между спътниците трябва да бъде изчислен прецизно — до субмилиметър — за да се стабилизира фазата на лъча. И дори ако това беше възможно, полученото в резултат лъч едва ли ще задържи страничните лобове, поради малката плътност на спътниковата групировка в небето. На земята ширината на лъча би се стеснила до няколко милиметра (достатъчно, за да улови антената на мобилен телефон), но ще има милиони от тях — заради слабото междинно нулиране. Благодаря .
Оказва се, че разделението на каналите чрез ъглово разпръскване — тъй като спътниците са разпределени по небето — осигурява адекватни подобрения в пропускната способност без нарушаване на законите на физиката.
Приложение
Какъв е профилът на клиента на Starlink? По подразбиране, това са стотици милиони потребители, които имат антени на покривите на къщите си с размер на кутия за пица, но има и други източници на висок доход.
В отдалечени и селски региони наземните станции не се нуждаят от фазирани антени за максимизиране на ширината на лъча, така че е възможно използването на по-малки абонатни устройства: от IoT тракери до портативни спътникови телефони, аварийни маяци или научни инструменти за следене на животни.
В гъсто населени градски среди Starlink ще осигури основна и резервна транспортна мрежа за мобилната мрежа. На всяка мобилна кула ще може да бъде инсталирана высокопроизводительна наземна станция, но ще се използват наземни източници на захранване за усилване и предаване през "последната миля".
И накрая, дори в препълнените райони по време на първоначалния старт има възможност за приложение на нискоорбитални спътници с изключително минимално забавяне. Финансовите компании сами ви предлагат значителни суми — просто за да получават жизненоважни данни от всички краища на света малко по-бързо. И дори ако данните, предавани чрез Starlink, преминават по-дълъг път — през космоса, — скоростта на разпространение на светлината в вакуум е с 50% по-висока, отколкото в кварцово стъкло, което с лихва компенсира разликата при предаване на по-дълги разстояния.
Негативни последици
Последният раздел е посветен на негативните последици. Целта на статията е да ви избави от илюзии относно проекта, а потенциалните негативни последици от споровете предизвикват най-много притеснения. Ще предоставя известна информация, въздържайки се от излишни тълкувания. Не съм ясновидец и нямам информация от SpaceX.
Според мен, най-сериозните последици произлизат от увеличения достъп до интернет. Дори в моя роден Пасадена, оживен и технологично развит град с население от милион, в който се намират няколко обсерватории, университет от световна класа и най-голямото NASA център, изборът относно интернет услугите е изключително ограничен. В САЩ и в останалата част на света интернетът се е трансформирал в рентоориентирана комунална услуга, а доставчиците просто искат да взимат своите 50 млн. долара месечно в удобна, неконкурентна среда. Вероятно всяка услуга, предоставяна в апартаменти и жилищни сгради, е комунална, но качеството на интернет услугите е по-ниско и неравномерно в сравнение с водата, електричеството или газа.
Проблемът с статуквото е, че, за разлика от водата, електричеството или газа, интернетът все още е млад и се развива бързо. Постоянно намираме нови приложения за него. Най-революционното все още не е открито, но пакетните планове задушават възможността за конкуренция и иновации. Миларди хора остават извън поради обстоятелствата на раждането им или защото страната им е твърде далеч от магистралата на подводния кабел. В основни региони на планетата интернетът все още се доставя от геостационарни спътници на грабителска цена.
Starlink, който непрекъснато раздава интернет от небето, нарушава тази модел. Все още не ми е известен по-добър начин да свържа милиарди хора с интернет. SpaceX е на път да стане интернет доставчик и, потенциално, интернет компания, която може да се конкурира с Google и Facebook. Залагам, че не сте и помисляли за такова нещо.
Не е очевидно, че сателитният интернет е най-добрият вариант. SpaceX е единствената компания, способна бързо да създаде обширна мрежа от сателити, тъй като тя прекара десетилетие, нарушавайки правителствената и военна монополия върху стартирането на космически кораби. Дори ако Iridium беше изпреварила мобилните телефони на пазара десетократно, тя пак нямаше да постигне широко приложение, използвайки традиционни стартови площадки. Без SpaceX и нейната уникална бизнес модел, глобалният сателитен интернет просто никога нямаше да се случи.
Вторият голям удар ще бъде по астрономията. След старта на първите 60 сателита Starlink дойде вълна от критики от международната астрономическа общност, че многократно увеличеното количество сателити ще блокира достъпа им до нощното небе. Има такава поговорка: сред астрономите, този е най-добрият, който има по-голям телескоп. Без преувеличение, занимаването с астрономия в съвременната епоха е изключително трудно и напомня на непрекъсната битка за подобряване качеството на анализа на фона на нарастващото светлинно замърсяване и други източници на шум.
Малко астрономи искат хиляди ярки сателити, които мигат в обектива на телескопа. Наистина, първата мрежа Iridium получи лоша слава за това, че предизвиква "светлоза" заради големите панели, отразяващи слънчевата светлина на малки участъци от Земята. Понякога те достигаха яркостта на четвъртата Луна и случайно повреждаха чувствителни астрономически сензори. Не са неоснователни и страховете, че Starlink ще нахлуе в радиочестотите, използвани в радиоастрономията.
Ако изтеглите приложение за проследяване на сателити, можете да видите десетки сателити, летящи в небето в ясна вечер. Сателитите са видими след залез слънце и преди изгрев, но само когато са осветени от слънчевите лъчи. По-късно, през нощта, сателитите са невидими в сянката на Земята. Малки, изключително далечни, те се движат много бързо. Има шанс те за кратко да блокират далечна звезда, но мисля, че дори да уловите това — е истинско предизвикателство.
Силната загриженост относно светенето на небето произтича от факта, че пластът на спътниците от първия старт беше разположен близо до терминатора на Земята. Тоест, нощ след нощ Европа — а това беше през лятото — наблюдаваше епичната картина на прелитащите спътници в вечерната светлина. Освен това, симулациите на базата на докладите от ФКС показаха, че спътниците на орбита на 1150 км ще бъдат видими дори след астрономическите сумерки. Всъщност, сумерките преминават през три фази: граждански, морски и астрономически, т.е. когато слънцето е на 6, 12 и 18 градуса под хоризонта съответно. В края на астрономическите сумерки слънчевите лъчи са приблизително на 650 км от повърхността в зенита, далеч отвъд атмосферата и по-голямата част от ниската околоземна орбита. Основавайки се на данните от , считам, че всички спътници ще бъдат разположени на височина под 600 км. В този случай те ще бъдат видими в сумерки, но не след настъпването на нощта, което значително ще намали потенциалните последствия за астрономията.
Третият проблем е космическият боклук. В изтъкнах, че спътниците и боклукът под 600 км ще излязат от орбита в рамките на няколко години — поради съпротивлението на атмосферата, значително намалявайки възможността за синдрома на Кеслър. SpaceX действат, сякаш изобщо не мислят за космическия боклук. Аз преглеждам детайлите на реализацията на Starlink и ми е трудно да си представя по-добър начин за намаляване на количеството боклук на орбита.
Спътниците се изстрелват на височина от 350 км, след което с вградените си двигатели се осветяват на предназначената им орбита. Всеки спътник, загинал по време на старта, ще излезе от орбита след няколко седмици и няма да се вее някъде другаде в следващите хиляди години. Такова разполагане стратегически предвижда тестиране на свободно влизане. Освен това, спътниците Starlink са плоски в сечението, което означава, че при загуба на контрол на височината, те влизат в плътните слоеве на атмосферата.
Малко хора знаят, че SpaceX стана пионер в космонавтиката, започвайки да използва алтернативни видове закрепване вместо пиропатрони. Практически всички стартови площадки използват пиропатрони при разгръщането на стъпки, спътници, обтекатели и други, увеличавайки по този начин потенциалното количество боклук. Освен това SpaceX умишлено сваля от орбита горните стъпки, за да не оставят да висят в космоса завинаги, така че да не развалят и не се разпадат в тежката космическа среда.
И накрая, последната проблемa, която бих искал да спомена, е шансът SpaceX да измести съществуващата монополия в интернет, създавайки собствена. В своята ниша SpaceX вече е монополизирала стартирания. Единственото желание на конкурентни правителства да получат гарантиран достъп до космоса не позволява да бъдат извадени от употреба скъпите и остарели ракети, които често се сглобяват от големи монополистични военни подизпълнители.
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 старата памет. Евтини и надеждни спътници от SpaceX ще продават "достъпно пространство" за чужди устройства. Всеки университет, който създаде камера, пригодна за използване в космоса, ще може да я изведе в орбита, без да е необходимо да покрива разходите за изграждане на цяла космическа платформа. С такъв напреднал и неограничен достъп до космоса Starlink вече асоциира с спътниците, докато историческите производители отстъпват в миналото.
В историята има примери на далновидни компании, които заеха толкова голяма ниша на пазара, че имената им станаха нарицателни: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Проблема може да възникне, когато пионерната компания започне да практикува антиконкурентни практики, за да запази дялa си на пазара, въпреки че от времената на президента Рейган често не е забранено. SpaceX може да запази монопола си над Starlink, принуждавайки другите разработчици на спътникови групировки да стартират спътници на стари съветски ракети. Подобни действия, предприети , в съчетание с фиксирането на цените за транспорт на поща, я доведоха до краха през 1934 година. За щастие, SpaceX едва ли ще запази абсолютната монополия над многофункционалните ракети завинаги.
Още по-голямо безпокойство буди фактът, че разгръщането на десетки хиляди спътника на ниска орбита от SpaceX може да бъде проектирано като кооптация на общото благо. Частна компания, стремяща се към лична изгода, ще заграби завинаги некога публично достъпните и незаети орбитални позиции. И макар иновациите на SpaceX да позволяват реално генериране на печалба в вакуума, голяма част от интелектуалния капитал на SpaceX е изградена на милиарди долари, отпуснати от бюджета за изследвания.
От една страна, нужни са закони, които да защитят средствата на частните инвестиции, изследванията и разработките. Без тази защита новаторите няма да могат да финансират амбициозни проекти или ще преместят компаниите си в области, където такава защита е осигурена. Във всеки случай, обществото страда, тъй като не се формира печалба. От друга страна, необходимостта от закони, които да защитават хората — номиналните собственици на общодостъпните ресурси, включително небето — от частни субекти, които анексират обществени блага, е абсолютно валидна. Нито едно от двете поотделно не е правилно и даже не е възможно. Разработките на SpaceX предлагат шанс да намерим златната середина на този нов пазар. Ще разберем, когато тя бъде достигната, когато максимализираме честотата на иновациите и формирането на обществено благосъстояние.
Мисли за завършек
Тази статия написах веднага след като завърших друга — . Беше гореща седмица. И Starship, и Starlink — революционни технологии, които се създават пред очите ни, през живота ни. Ако видя как моите внучета порасват, те повече ще се учудят на факта, че съм по-възрастен от Starlink, отколкото на това, че в детството ми нямаше мобилни (музейни експонати) или обществено достъпен интернет какъвто и да е.
Богатите и военните отдавна ползват спътников интернет, но всеобхватният, общ и достъпен Starlink без Starship просто е невъзможен.
Отдавна говорим за старта, но Starship, която е достъпна и затова интересна платформа, е невъзможна без Starlink.
За пилотираната космонавтика се говори отдавна и ако сте — , то имате зелена светлина. С Starship и Starlink изследването на космоса от човека — е постижимо, близко бъдеще, в което разстоянието от орбитален аванпост до индустриализирани градове в далечния космос е на една ръка разстояние.
Източник: habr.com
