Тази статия е от поредица нататък .
- Планът на SpaceX за разпространение на интернет чрез десетки хиляди сателити е основната тема в космическата преса. Статии за най-новите постижения се публикуват всяка седмица. Ако като цяло схемата е ясна, но след прочитане , един добре мотивиран човек (да речем, наистина вашият) може да изрови много подробности. Все още обаче има много погрешни схващания, свързани с тази нова технология, дори сред просветените наблюдатели. Не е необичайно да видите статии, сравняващи Starlink с OneWeb и Kuiper (наред с други), сякаш се конкурират при равни условия. Други автори, явно загрижени за доброто на планетата, викат за космическите отпадъци, космическото право, стандартите и безопасността на астрономията. Надявам се, че след като прочетете тази - доста дълга - статия, читателят ще разбере по-добре и ще почувства идеята на Starlink.
неочаквано докосна една чувствителна струна в душите на малкото ми читатели. В него обясних как Starship ще постави SpaceX начело за дълго време и в същото време ще осигури механизъм за ново изследване на космоса. Изводът е, че традиционната сателитна индустрия не може да се справи със SpaceX, която постоянно увеличава капацитета и намалява разходите за фамилията ракети Falcon, което поставя SpaceX в трудна позиция. От една страна, тя формира пазар на стойност в най-добрия случай няколко милиарда годишно. От друга страна, разпали у себе си неудържим апетит за пари - за построяването на огромна ракета, на която обаче почти няма кой да изпрати до Марс и не може да се очаква моментална печалба.
Решението на този двоен проблем е Starlink. Чрез сглобяването и изстрелването на свои собствени сателити SpaceX може да създаде и дефинира нов пазар за високоефективен и демократизиран достъп до космически комуникации, да осигури финансиране за изграждането на ракета, преди да удави компанията, и да повиши икономическата й стойност до трилиони. Не подценявайте мащаба на амбициите на Илон. Като цяло няма толкова много отрасли, в които се въртят трилиони долари: енергетика, високоскоростен транспорт, комуникации, ИТ, здравеопазване, селско стопанство, правителство, отбрана. Въпреки често срещаните погрешни схващания, , и Бизнесът не е жизнеспособен. Илон нахлу в енергийната индустрия със своята Tesla, но само телекомуникациите ще осигурят надежден и обемен пазар за сателити и изстрелвания на ракети.
За първи път Илон Мъск обърна поглед към космоса, когато искаше да дари 80 милиона долара за мисия за отглеждане на растения на марсианска сонда. Вероятно ще струва 100 000 пъти повече да се построи град на Марс, така че Starlink е основният залог на Мъск за осигуряване на море от така необходимите спонсорски пари. .
За какво?
Планирах тази статия от дълго време, но едва миналата седмица имах пълна картина. Тогава президентът на SpaceX Гуин Шотуел даде на Роб Барон страхотно интервю, което той по-късно отрази за CNBC в страхотно Майкъл Шиц и на когото са посветени . Това интервю показа огромна разлика в подходите към сателитните комуникации между SpaceX и всички останали.
Понятие се роди през 2012 г., когато SpaceX осъзнаха, че техните клиенти - предимно сателитни доставчици - имат огромни резерви от пари. Стартовите площадки повишават цените за разполагане на сателити и по този начин, по някакъв начин, пропускат една стъпка от работата - как така? Илон мечтаеше да създаде сателитно съзвездие за интернет и, неспособен да устои на почти невъзможна задача, завъртя процеса. Разработка на Starlink , но до края на тази статия вие, моят читател, вероятно ще се изненадате колко малки са тези трудности в действителност, предвид обхвата на идеята.
Наистина ли е необходимо такова огромно групиране за Интернет? И защо точно сега?
Само в моите спомени интернет еволюира от чисто академична глезотия до първата и единствена революционна инфраструктура. Това не е тема, която си струва да се посвети в дълга статия, но ще предположа, че в световен мащаб нуждата от интернет и доходите, които генерира, ще продължат да растат с около 25% годишно.
Днес почти всички получаваме интернет от малък брой географски изолирани монополи. В САЩ AT&T, Time Warner, Comcast и шепа по-малки играчи си поделиха територията, за да избегнат конкуренцията, да се борят с три кожи за услуги и да се къпят в лъчите на почти универсална омраза.
Доставчиците на интернет услуги имат добра причина за неконкурентно поведение, освен всепоглъщащата алчност. Изграждането на инфраструктура за интернет – микровълнови клетъчни кули и оптични влакна – е много, много скъпо. Лесно е да забравите за прекрасната природа на Интернет. Баба ми първо отиде да работи през Втората световна война като сигналист, а след това телеграфът се състезаваше за водещата стратегическа роля с пощенските гълъби! За повечето от нас информационната супермагистрала е нещо ефимерно, нематериално, но битове пътуват през физическия свят, който има граници, реки, планини, океани, бури, природни бедствия и други препятствия. През 1996 г., когато първата оптична линия беше положена на океанското дъно, . Със запазената си марка остър стил, той ярко описва голата цена и сложността на полагането на тези линии, по които проклетите „котеги“ все още се носят. През по-голямата част от 2000-те години кабелът беше изтеглен толкова много, че цената на внедряването беше изумителна.
По едно време работех в оптична лаборатория и (ако не ме лъже паметта) счупихме рекорда от това време, като издадохме мултиплексна скорост на предаване от 500 Gb / s. Електронните ограничения позволяват всяко влакно да бъде натоварено с 0,1% от теоретичната честотна лента. Петнадесет години по-късно сме готови да надхвърлим прага: ако преносът на данни го надхвърли, влакното ще се стопи и вече сме много близо до това.
Но е необходимо да се издигне потокът от данни над грешната земя - в космоса, където сателитът лети около "топката" 30 000 пъти за пет години. Очевидно, изглежда, решение - така че защо никой не го е взел преди?
Съзвездието от сателити Iridium, разработено и внедрено в началото на 1990-те години на миналия век от Motorola (все още ги помните?), стана първата глобална нискоорбитална комуникационна мрежа (както изкусително описано в ). По времето, когато беше разгърнат, възможността за ниша за маршрутизиране на малки пакети данни от устройства за проследяване на активи беше единствената му употреба: мобилните телефони бяха толкова евтини, че сателитните телефони никога не се появиха. Иридиум имаше 66 спътника (плюс още няколко резервни) в 6 орбити - минималният набор за покриване на цялата планета.
Ако 66 сателита бяха достатъчни за Iridium, тогава защо SpaceX се нуждаеше от десетки хиляди? Защо е толкова различна?
SpaceX влезе в този бизнес от обратната страна - започна с изстрелвания. Стана пионер в областта на консервирането на ракети-носители и по този начин завладя пазара за евтини стартови площадки. Опитвайки се да ги надхвърлите с по-ниска цена, няма да спечелите много пари, така че единственият начин да спечелите от излишния им капацитет е да станете клиент. SpaceX харчи за изстрелване на собствени сателити - (за 1 кг) иридий и следователно те могат да навлязат на много по-широк пазар.
Световното покритие на Starlink ще ви осигури достъп до висококачествен интернет навсякъде по света. За първи път наличието на интернет ще зависи не от близостта на държава или град до оптична линия, а от чистотата на небето над нея. Потребителите по целия свят ще имат достъп до глобален интернет без окови, независимо от техните собствени различни степени на лоши и/или нечестни правителствени монополи. Способността на Starlink да разбие тези монополи катализира положителна промяна от невероятен мащаб, която най-накрая ще обедини милиарди хора в глобалната кибернетична общност на бъдещето.
Малко лирично отклонение: какво изобщо означава това?
За хората, които растат днес в ера на повсеместна свързаност, интернет е като въздуха, който дишаме. Той просто е. Но това - ако забравите за неговата невероятна сила да носи положителни промени - и ние вече сме в самия им център. С помощта на интернет хората могат да потърсят отговорност от лидерите си, да общуват с други хора от другия край на света, да споделят мисли, да измислят нещо ново. Интернет обединява човечеството. Историята на надстройките е историята на еволюцията на възможностите за споделяне на данни. Първо, чрез речи и епическа поезия. След това - на писмо, което дава глас на мъртвите, а те се обръщат към живите; писането позволява да се съхраняват данни и прави възможна асинхронна комуникация. Печатната преса пусна производството на новини. Електронна комуникация - ускори трансфера на данни по света. Личните устройства за водене на бележки постепенно стават по-сложни, еволюирайки от преносими компютри до мобилни телефони, всеки от които е свързан с интернет компютър, пълен със сензори и всеки ден става все по-добър в предсказването на нашите нужди.
Човек, който използва писане и компютър в процеса на познание, има по-голям шанс да преодолее ограниченията на несъвършено развития мозък. Още по-окуражаващо е, че мобилните телефони са едновременно мощни устройства за съхранение и механизъм за обмен на идеи. Ако по-рано хората, споделяйки мисли, са разчитали на речта, която са скицирали в тетрадки, днес е норма самите тетрадки да споделят идеи, генерирани от хората. Традиционната схема е претърпяла инверсия. Логичното продължение на процеса е някаква форма на колективно метапознание, чрез лични устройства, и свързани помежду си. И докато все още може да изпитваме носталгия по изгубената ни връзка с природата и самотата, важно е да запомним, че технологиите и само технологиите са отговорни за лъвския пай от нашето освобождение от „естествените“ цикли на невежество, преждевременна смърт (които могат да бъдат избегнати), насилие, глад и кариес.
Как?
Нека поговорим за бизнес модела и архитектурата на проекта Starlink.
За да стане Starlink печелившо предприятие, притокът на средства трябва да надвишава разходите за изграждане и експлоатация. Традиционно капиталовите инвестиции включват увеличени начални разходи, използване на усъвършенствани специализирани механизми за финансиране и застраховка и всичко необходимо за изстрелване на сателит. Геостационарен комуникационен сателит може да струва 500 милиона долара и да отнеме пет години за изграждане и изстрелване. Поради това компаниите в тази област изграждат едновременно реактивни кораби или контейнеровози. Огромни разходи, приток на средства, който едва покрива разходите за финансиране, и сравнително малък оперативен бюджет. За разлика от това, провалът на оригиналния Iridium беше, че Motorola принуди оператора да плати убийствена лицензионна такса, банкрутирайки предприятието само за няколко месеца.
За да управляват такъв бизнес, традиционните сателитни компании трябваше да обслужват частни клиенти и да таксуват високи скорости на данни. Авиокомпаниите, отдалечените аванпостове, корабите, военните зони и ключовите инфраструктурни обекти плащат около $5 на MB, което е 1 пъти цената на традиционния ADSL, въпреки забавянето на данните и относително ниската сателитна честотна лента.
Starlink планира да се конкурира с доставчиците на наземни услуги, което означава, че ще трябва да доставя данни по-евтино и в идеалния случай да таксува много по-малко от $1 за 1 MB. Възможно ли е? Или, след като това е възможно, човек трябва да се запита: как е възможно това?
Първата съставка на новото ястие е евтин старт. Днес Falcon продава 24-тонен старт за около $60 милиона, което е $2500 на кг. Оказва се обаче, че вътрешните разходи са много повече. Сателитите Starlink ще бъдат изстрелвани на ракети носители за многократна употреба, така че пределната цена на едно изстрелване е цената на нова втора степен (някъде около $1 милиона), обтекатели (4 милион) и наземна поддръжка (~1 милион). Общо: около 1 хиляди долара за сателит, т.е. повече от 100 пъти по-евтино от изстрелването на конвенционален комуникационен сателит.
Повечето сателити на Starlink обаче ще бъдат изстреляни на Starship. Наистина, еволюцията на Starlink, както показват актуализираните доклади до FCC, предоставя някои вътрешната архитектура на проекта. Общият брой на сателитите в съзвездието нараства от 1 на 584, след това на 2 и накрая на 825 7. Ако се вярва на брутното капиталообразуване, цифрата е още по-висока. Минималният брой сателити за първия етап на развитие, за да бъде проектът жизнеспособен, е 518 в 30 орбити (общо 000), докато пълното покритие в рамките на 60 градуса от екватора изисква 6 орбити от 360 спътника (общо 53). Това са 24 изстрелвания за Falcon за около 60 милиона долара вътрешни разходи. Starship, от друга страна, е проектиран да изстрелва до 1440 сателита наведнъж, на приблизително същата цена. Сателитите Starlink трябва да се сменят на всеки 24 години, така че 150 сателита ще изискват 400 изстрелвания на Starship на година. Ще струва около 5 милиона на година или 6000 хиляди на сателит. Всеки сателит Falcon тежи 15 кг; сателитите, повдигнати на Starship, могат да тежат 100 кг и да носят устройства на трети страни, да бъдат малко по-големи и все още да не надвишават допустимото натоварване.
Каква е цената на сателитите? Сред братята сателитите Starlink са малко необичайни. Те се сглобяват, съхраняват и пускат плоски и следователно са изключително лесни за масово производство. Както показва опитът, производствените разходи трябва да са приблизително равни на цената на ракетата-носител. Ако разликата в цената е голяма, това означава, че ресурсите не се разпределят правилно, тъй като цялостното намаляване на пределните разходи при намаляване на разходите не е толкова голямо. Наистина ли е 100 хиляди долара на сателит с първата партида от няколкостотин? С други думи, сателит Starlink в устройство не е ли по-сложен от машина?
За да отговорите напълно на този въпрос, трябва да разберете защо цената на орбитален комуникационен сателит е 1000 пъти по-висока, дори и да не е 1000 пъти по-сложна. Казано съвсем просто, защо космическият хардуер е толкова скъп? Има много причини за това, но най-убедителната в случая е следната: ако изстрелването на сателит в орбита (преди Falcon) струва повече от 100 милиона, трябва да се гарантира, че ще работи много години - за да донесе поне малко печалба. Осигуряването на такава надеждност в работата на първия и единствен продукт е болезнен процес и може да се проточи с години, изисквайки усилията на стотици хора. Добавете към това цената и е лесно да оправдаете допълнителните процеси, когато стартирането вече е скъпо.
Starlink нарушава тази парадигма, като изгражда стотици сателити, бързо поправя ранни дефекти в дизайна и привлича техници за масово производство, за да управляват разходите. Лично за мен е лесно да си представя тръбопровод Starlink, при който техник интегрира нещо ново в дизайна и закрепва всичко с пластмасова връзка (на ниво НАСА, разбира се) за час или два, поддържайки необходимия процент на подмяна от 16 сателита на ден. Сателитът Starlink се състои от много сложни части, но не виждам причина защо цената на хилядна единица, която излиза от конвейера, не може да бъде намалена до 20 хил. Всъщност през май Илон написа в Twitter, че цената на производството на сателит вече е по-ниско от цената на изстрелването.
Нека вземем средния случай и анализираме времето за изплащане, като закръглим числата. Един сателит Starlink, чието сглобяване и изстрелване струва 100 5, работи от XNUMX години. Ще се изплати ли и ако да, колко скоро?
След 5 години спътникът Starlink ще обиколи Земята 30 000 пъти. Във всяка от тези орбити от час и половина той ще прекара по-голямата част от времето над океана и вероятно 100 секунди над гъсто населен град. В този кратък прозорец той излъчва данни, бързайки да спечели пари. Ако приемем, че антената поддържа 100 лъча и всеки лъч предава 100 Mbps, използвайки модерно кодиране като , тогава сателитът генерира $1000 печалба на орбита - при абонаментна цена от $1 за 1 GB. Това е достатъчно, за да изплати $100 29 разходи за внедряване за една седмица и много опростява капиталовата структура. Останалите 900 XNUMX оборота са печалба минус фиксирани разходи.
Прогнозните числа могат да варират значително и в двете посоки. Но във всеки случай, ако можете да поставите качествена констелация от сателити в ниска орбита за 100 000 - или дори за 1 милион / единица - това е сериозно приложение. Дори при абсурдно кратко време на използване, сателитът Starlink е в състояние да достави 30 Pb данни през целия си живот - при амортизирана цена от $0,003 за GB. В същото време при предаване на по-големи разстояния пределните разходи практически не се увеличават.
За да разберем значението на този модел, нека го сравним накратко с два други модела за доставяне на данни до потребителите: традиционният оптичен кабел и сателитното съзвездие, предлагано от компания, която не е специализирана в изстрелване на сателити.
свързваща Франция и Сингапур е пусната в експлоатация през 2005 г. Широчина на честотната лента - 1,28 Tb / s., Разходи за внедряване - 500 милиона долара. Ако работи със 10% капацитет за 100 години и режийните разходи са 100% от капиталовите разходи, тогава трансферната цена ще бъде $0,02 за 1 GB. Трансатлантическите кабели са по-къси и малко по-евтини, но подводният кабел е само едно цяло в дълга поредица от хора, които искат пари за пренос на данни. Средната оценка за Starlink е 8 пъти по-евтина, а в същото време имат "ол инклузив".
Как е възможно? Сателитът Starlink включва всички сложни електронни комутационни елементи, необходими за свързване на оптични кабели, само че използва вакуум вместо скъп и крехък проводник за предаване на данни. Космическото предаване намалява броя на удобните и остарели монополи, позволявайки на потребителите да комуникират чрез още по-малко хардуер.
Сравним с конкурентния сателитен разработчик OneWeb. OneWeb планира да създаде съзвездие от 600 сателита, които ще изстреля чрез комерсиални доставчици на цена от около $20 000 за 1 кг. Теглото на един сателит е 150 кг, т.е., в идеален сценарий, изстрелването на една единица ще бъде приблизително 3 млн. Цената на сателитния хардуер се оценява на 1 млн. на сателит, т.е. до 2027 г. цената на цялата група ще бъде 2,6 млрд. Тестовете, проведени от OneWeb, показаха пропускателна способност от 50 Mb / s. на върха, в идеалния случай, за всеки от 16-те лъча. Следвайки същата схема, по която изчислихме цената на Starlink, получаваме: всеки сателит OneWeb генерира $80 на орбита, а само за 5 години ще донесе $2,4 милиона - едва покривайки разходите за изстрелване, ако броим и предаването на данни на дистанционно региони. Общо получаваме $ 1,70 за 1 GB.
Наскоро Гуин Шотуел беше цитиран да казва това , което предполага конкурентна цена от $0,10 за GB. И това е с оригиналната конфигурация на Starlink: с по-малко оптимизирано производство, стартиране на Falcon и ограничения за пренос на данни - и само с покритие на северните Съединени щати. Оказва се, че SpaceX има неоспоримо предимство: днес те могат да изстрелят много по-подходящ сателит на цена (за единица) 1 пъти по-ниска от тази на конкурентите. Starship ще увеличи преднината с фактор 15, ако не и повече, така че не е трудно да си представим SpaceX да изстреля 100 2027 сателита до 30 г. за по-малко от 000 милиард долара, повечето от които ще осигури от собствения си портфейл.
Сигурен съм, че има по-оптимистични анализи относно OneWeb и други начинаещи разработчици на съзвездия, но все още не знам как работят.
Наскоро Morgan Stanley че сателитите Starlink ще струват 1 милион за сглобяване и 830 хиляди за изстрелване. . Любопитно е, че цифрите са подобни на нашите изчисления за разходите на OneWeb и приблизително 10 пъти по-високи от първоначалната оценка на Starlink. Използването на Starship и комерсиалното производство на сателити може да намали разходите за разполагане на сателити до около 35 XNUMX/единица. И това е удивително нисък брой.
Остава последната точка - да сравним печалбата на 1 W слънчева енергия, генерирана за Starlink. Според снимките на уебсайта им слънчевият масив на всеки сателит е приблизително 60 кв.м. средно генерира приблизително 3 kW или 4,5 kWh на ход. Изчислено е, че всяка орбита ще генерира $1000, а всеки сателит ще генерира приблизително $220 на kWh. Това е 10 000 пъти повече от цената на слънчевата енергия на едро, което още веднъж потвърждава: . А микровълновата модулация за предаване на данни е прекомерна добавена цена.
архитектура
В предишния раздел доста грубо представих нетривиално значима част от архитектурата на Starlink - как тя работи при силно неравномерна гъстота на населението на планетата. Сателитът Starlink излъчва фокусирани лъчи, които образуват петна по повърхността на планетата. Абонатите в рамките на спота споделят една честотна лента. Размерите на петното се определят от фундаменталната физика: първоначално ширината му е (височина на спътника х дължина на микровълната / диаметър на антената), което за сателит Starlink е в най-добрия случай няколко километра.
В повечето градове гъстотата на населението е около 1000 души/кв.км, но на места е по-висока. В някои райони на Токио или Манхатън може да има повече от 100 000 души на място. За щастие всеки такъв гъсто населен град има конкурентен вътрешен пазар за широколентов интернет, да не говорим за силно развита мобилна телефонна мрежа. Но както и да е, ако в даден момент над града има много спътници от едно и също съзвездие, пропускателната способност може да се увеличи чрез пространствено диверсифициране на антените, както и чрез разпределяне на честотите. С други думи, десетки сателити могат да фокусират най-мощния лъч в една точка и потребителите в този регион ще използват наземни терминали, които ще разпределят заявката между сателитите.
Ако в началните етапи най-подходящият пазар за продажба на услуги са отдалечени, селски или крайградски райони, тогава средствата за по-нататъшни стартирания ще дойдат от по-добри услуги, специално за гъсто населени градове. Сценарият е точно обратният на стандартния модел на разширяване на пазара, при който конкурентните услуги, ориентирани към града, неизбежно страдат от спад в печалбите, докато се опитват да се разширят в по-бедни и по-малко населени райони.
Преди няколко години, когато направих математиката, .
Взех данните от това изображение и компилирах 3 графики по-долу. Първият показва честотата на земната площ според гъстотата на населението. Най-интересното е, че по-голямата част от Земята изобщо не е населена, а на практика няма регион с повече от 100 души на кв. км.
Втората графика показва честотата на хората по гъстота на населението. И въпреки че по-голямата част от планетата е необитаема, по-голямата част от хората живеят в райони, където има 100-1000 души на кв. км. Разширената природа на този пик (с порядък по-голям) отразява бимодалността в моделите на урбанизация. 100 човека/кв.км. - това е сравнително слабо населен селски район, докато цифрата от 1000 души / кв. км. характерни за предградията. Градските центрове лесно показват 10 000 души/кв.км, но населението на Манхатън е 25 000 души/кв.км.
Третата графика показва гъстотата на населението по географска ширина. Вижда се, че почти всички хора са концентрирани в диапазона от 20-40 градуса северна ширина. Така че като цяло той се е развил географски и исторически, тъй като огромна част от южното полукълбо е заета от океана. И все пак тази гъстота на населението е обезсърчително предизвикателство за архитектите на групата сателитите прекарват еднакво време в двете полукълба. Освен това сателит, обикалящ около Земята под ъгъл от, да речем, 50 градуса, ще прекара повече време по-близо до посочените граници по ширина. Ето защо Starlink се нуждае само от 6 орбити, за да обслужва северната част на САЩ, докато 24, за да покрие екватора.
Наистина, ако комбинираме графиката на гъстотата на населението с графиката на плътността на сателитното съзвездие, изборът на орбити става очевиден. Всяка стълбовидна графика представлява един от четирите доклада на SpaceX до FCC. Лично на мен ми се струва, че всеки нов доклад е като допълнение към предишния, но във всеки случай не е трудно да се види как допълнителните сателити увеличават капацитета над съответните региони в северното полукълбо. За разлика от това, впечатляващо количество неизползвана честотна лента остава над южното полукълбо - радвай се, скъпа Австралия!
Какво се случва с потребителските данни, когато достигнат сателита? В оригиналната версия сателитът Starlink незабавно ги предава обратно на специална наземна станция близо до зоните на обслужване. Тази конфигурация се нарича "директно реле". В бъдеще сателитите Starlink ще могат да комуникират помежду си чрез лазер. Обменът на данни ще достигне връх в гъсто населени градове, но данните могат да бъдат разпределени в мрежа от лазери в две измерения. На практика това означава, че има огромна възможност за скрит бекхаул в мрежа от сателити, т.е. потребителските данни могат да бъдат „репредадени на Земята“ на всяко подходящо място. На практика ми се струва, че наземните станции на SpaceX ще бъдат комбинирани с извън градовете.
Оказва се, че комуникацията сателит-сателит не е тривиална задача, ако сателитите не се движат заедно. Последните доклади до FCC съобщават за 11 отделни сателитни орбитални групи. В рамките на дадена група сателитите се движат на една и съща височина, под същия наклон, с еднакъв ексцентричност, което означава, че лазерите могат да открият сравнително лесно сателити в непосредствена близост. Но скоростите на затваряне между групите се измерват в km/sec, така че комуникацията между групите, ако е възможно, трябва да бъде чрез къси, бързо контролирани микровълнови връзки.
Топологията на орбиталните групи е като теорията на вълновите частици на светлината и всъщност не се отнася за нашия пример, но мисля, че е страхотна, затова я включих в статията. Ако не се интересувате от този раздел, преминете директно към „Ограничения на фундаменталната физика“.
Тор - или поничка - е математически обект, определен от два радиуса. Доста лесно е да нарисувате кръгове върху повърхността на тор: успоредни или перпендикулярни на неговата форма. Може да ви се стори интересно да откриете, че има две други семейства окръжности, които могат да бъдат начертани върху повърхността на торус, и двете преминават през дупка в центъра му и около контура. Това е т.нар. , и използвах този дизайн, когато проектирах тороида за Burning Man Tesla Coil през 2015 г.
И въпреки че орбитите на сателитите са, строго погледнато, елипси, а не кръгове, същата конструкция се прилага и в случая на Starlink. Съзвездие от 4500 сателита на няколко орбитални равнини, всички под един и същ ъгъл, образуват непрекъснато движещ се слой над повърхността на Земята. Обърнат на север слой над дадена географска ширина се обръща и се движи обратно на юг. За да се избегнат сблъсъци, орбитите ще бъдат леко удължени, така че движещият се на север слой ще бъде няколко километра по-висок (или по-нисък) от този, който се движи на юг. Заедно и двата слоя образуват тор с раздута форма, както е показано по-долу в силно преувеличена диаграма.
Позволете ми да ви напомня, че в рамките на този тор се осъществява комуникация между съседни сателити. Като цяло няма директни и дългосрочни връзки между спътниците в различни слоеве, тъй като степента на конвергенция за лазерно насочване е твърде висока. Траекторията на предаване на данни между слоевете от своя страна минава над или под тора.
Общо 30 000 сателита ще бъдат разположени в 11 вложени тора далеч зад орбитата на МКС! Тази диаграма показва как са опаковани всички тези слоеве, без преувеличена ексцентричност.
И накрая, трябва да помислите за оптималната височина на полета. Има дилема: ниска надморска височина, която дава повече пропускателна способност с по-малки размери на лъча, или голяма надморска височина, която ви позволява да покриете цялата планета с по-малко спътници? С течение на времето докладите до FCC от SpaceX говореха за все по-ниски височини, тъй като Starship се подобрява, за да позволи по-бързо разгръщане на по-големи съзвездия.
Ниската надморска височина има и други предимства, включително намален риск от удар с космически отпадъци или отрицателните ефекти от повреда на оборудването. Поради увеличеното атмосферно съпротивление, най-ниските сателити Starlink (330 км) ще изгорят в рамките на няколко седмици след загубата на контрол над отношението. Наистина, 300 км е надморска височина, на която сателитите почти никога не летят и поддържането на височината ще изисква вграден електрически ракетен двигател Krypton, както и опростен дизайн. Теоретично сателит с доста заострена форма, задвижван от електрически ракетен двигател, може да поддържа стабилна надморска височина от 160 км, но SpaceX едва ли ще изстрелва сателити толкова ниско, защото все още има няколко трика за увеличаване на пропускателната способност.
Ограничения на фундаменталната физика
Изглежда малко вероятно цените за внедряване на сателити някога да паднат много под $35 80, дори ако производството е напреднало и напълно автоматизирано и корабите Starship могат да се използват напълно многократно и все още не е напълно известно какви ограничения ще наложи физиката върху сателита. Горният анализ предполага пикова пропускателна способност от 100 Gb/s. (ако се закръгли до 100 лъча, всеки от които може да предава XNUMX Mb / s).
Ограничението на честотната лента на канала е зададено на и се дава в статистиката за честотната лента (1+SNR). Честотната лента често е ограничена , докато SNR е наличната сателитна енергия, фонов шум и смущения в канала, дължащи се на . Друго забележително препятствие е скоростта на обработка. Най-новите Xilinx Ultrascale+ FPGA имат , което е добре предвид текущите ограничения на честотната лента без разработване на персонализирани ASIC. Но дори и тогава 58 Gb / s. ще изисква впечатляващо честотно разпределение, най-вероятно в Ka-обхвата или V-обхвата. V (40-75 GHz) има по-достъпни цикли, но е обект на по-голяма абсорбция от атмосферата, особено в зони с висока влажност.
Практични ли са 100 лъча? Този проблем има два аспекта: ширина на лъча и плътност на елементите на фазираната решетка. Ширината на лъча се определя от дължината на вълната, разделена на диаметъра на антената. Цифровата фазирана антена все още е специализирана технология, но максималните използваеми размери се определят от ширината (приблизително 1 м), а използването на радиочестотни комуникации е по-скъпо. Ширината на вълната в Ka-обхвата е около 1 см, докато ширината на лъча трябва да бъде 0,01 радиана - с ширина на спектъра 50% от амплитудата. Ако приемем плътен ъгъл на лъча от 1 стерадиан (подобно на покритието на 50 mm обектив на камера), тогава 2500 отделни лъча биха били достатъчни в тази област. Линейността предполага, че 2500 лъча ще изискват минимум 2500 антенни елемента в рамките на масива, което по принцип е осъществимо, макар и трудно. И всичко ще стане много горещо!
Общо 2500 канала, всеки от които поддържа 58 Gb / s, е огромно количество информация - ако грубо, тогава 145 Tb / s. За сравнение, целият интернет трафик през 2020 г . Добра новина за тези, които се притесняват от фундаментално ниската честотна лента на сателитния интернет. Ако съзвездие от 30 000 сателита започне да функционира до 2026 г., глобалният интернет трафик потенциално ще достигне 800 Tb/s. Ако половината от това се доставя от ~500 сателита над гъсто населени райони във всеки даден момент, тогава пиковата пропускателна способност на сателит е около 800 Gb/s, което е 10 пъти по-високо от първоначалната ни базова оценка, т.е. притокът на финанси потенциално нараства 10 пъти.
За сателит в орбита от 330 km, лъч от 0,01 радиана покрива площ от 10 квадратни километра. В особено гъсто населените райони като Манхатън живеят до 300 000 души. Какво ще стане, ако всички седнат да гледат Netflix (7 Mbps в HD качество) едновременно? Общата заявка за данни ще бъде 2000 GB/s, което е около 35 пъти над текущото ограничение, наложено от серийния изход FPGA. Има два изхода от тази ситуация, от които само единият е физически възможен.
Първият е да се пуснат повече сателити в орбита, така че във всеки един момент повече от 35 броя да висят над зони с повишено търсене. Ако отново вземем 1 стерадиан за разумна адресируема област на небето и средна орбитална височина от 400 км, получаваме плътност на съзвездието от 0,0002/кв. км, или общо 100 000 - ако са равномерно разпределени по цялата повърхност на земното кълбо. Припомнете си, че избраните орбити на SpaceX драстично увеличават покритието над гъсто населени райони в рамките на 20-40 градуса северна ширина и сега броят от 30 000 сателита изглежда магически.
Втората идея е много по-готина, но за съжаление неосъществима. Спомнете си, че ширината на лъча се определя от ширината на фазираната антенна решетка. Какво ще стане, ако много решетки на няколко сателита комбинират мощностите, създавайки по-тесен лъч - точно като радиотелескопите като същите (много голяма антенна система)? Този метод идва с едно усложнение: основата между сателитите ще трябва да се изчисли внимателно - с точност под милиметър - за да се стабилизира фазата на лъча. И дори ако това беше възможно, полученият лъч едва ли щеше да съдържа страничните лъчи, поради ниската плътност на сателитното съзвездие в небето. На земята ширината на лъча ще се стесни до няколко милиметра (достатъчно за проследяване на антена на мобилен телефон), но ще има милиони от тях поради слабо междинно нулиране. Благодаря ти .
Оказва се, че разделянето на каналите чрез ъглово разделяне - тъй като сателитите са разположени по небето - осигурява адекватни подобрения в пропускателната способност, без да нарушава законите на физиката.
Прилагане
Какво представлява клиентският профил на Starlink? По подразбиране това са стотици милиони потребители, които имат антени с размерите на кутия за пица на покривите си, но има и други източници на високи доходи.
В отдалечени и селски райони наземните станции не се нуждаят от антени с фазирана решетка, за да увеличат максимално ширината на лъча, така че може да се използва по-малко потребителско оборудване, от устройства за проследяване на активи на интернет на нещата до джобни сателитни телефони, аварийни маяци или научни инструменти за проследяване на животни.
В гъста градска среда Starlink ще осигури основна и резервна връзка за клетъчната мрежа. Всяка клетъчна кула може да има високоефективна наземна станция отгоре, но да използва наземни захранвания за усилване и предаване през последната миля.
И накрая, дори в многолюдни райони по време на първоначалното внедряване има възможност за използване за сателити с ниска орбита с изключително минимално забавяне. Самите финансови компании влагат много пари във вашите ръце - само малко по-бързо, за да получите жизненоважни данни от цял свят. И въпреки че данните през Starlink ще имат по-дълъг път от обикновено - през космоса - скоростта на разпространение на светлината във вакуум е с 50% по-висока, отколкото в кварцовото стъкло, и това повече от плаща за разликата при предаване на по-големи разстояния.
Отрицателни ефекти
Последният раздел е посветен на негативните последици. Целта на статията е да ви отърве от погрешните схващания за проекта и потенциалните негативни последици от споровете, които причиняват най-много. Ще дам малко информация, като се въздържам от ненужни интерпретации. Все още не съм ясновидец и нямам вътрешни хора от SpaceX.
Най-, според мен, най-сериозните последици са увеличеният достъп до интернет. Дори в моя роден град Пасадена, оживен и богат на технологии град с население от над един милион, дом на няколко обсерватории, университет от световна класа и най-голямото съоръжение на НАСА, изборът е ограничен, когато става въпрос за интернет услуги. В САЩ и останалия свят интернет се превърна в услуга за търсене на рента, като доставчиците на интернет услуги просто изцеждат своите 50 милиона долара на месец в уютна, неконкурентна среда. Може би всяка услуга, предоставяна на апартаменти и жилищни сгради, е общински апартамент, но качеството на интернет услугите е по-малко дори от водата, електричеството или газа.
Проблемът със статуквото е, че за разлика от водата, електричеството или газа, Интернет е все още млад и бързо се развива. Постоянно намираме нови приложения за него. Най-революционният все още не е отворен, но пакетните планове задушават възможността за конкуренция и иновации. Милиарди хора са изоставени поради обстоятелства на раждане или защото страната им е твърде далеч от главния подводен кабел. В големи региони на планетата интернет все още се доставя от геостационарни сателити на изнудващи цени.
Starlink, от друга страна, непрекъснато разпространявайки интернет от небето, нарушава този модел. Все още не знам за друг по-добър начин за свързване на милиарди хора с интернет. SpaceX е на път да се превърне в интернет доставчик и потенциално интернет компания, която съперничи на Google и Facebook. Обзалагам се, че не сте се сетили за това.
Не е очевидно, че сателитният интернет е най-добрият вариант. SpaceX, и само SpaceX, е в състояние бързо да създаде огромно съзвездие от сателити, което само е убило десетилетие, за да наруши правителствено-военния монопол върху изстрелването на космически кораби. Дори ако Iridium изпревари мобилните телефони с коефициент десет, той все още няма да постигне широко разпространение, използвайки традиционните стартови площадки. Без SpaceX и неговия уникален бизнес модел, шансовете са големи глобалният сателитен интернет просто никога да не се случи.
Вторият голям удар ще нанесе астрономията. След изстрелването на първите 60 сателита Starlink имаше вълна от критики от международната астрономическа общност, че многократно увеличеният брой сателити ще блокира достъпа им до нощното небе. Има една поговорка: сред астрономите е по-готин този, който има по-голям телескоп. Без преувеличение, правенето на астрономия в съвременната епоха е изключително трудна задача, напомняща непрекъсната борба за подобряване на качеството на анализа на фона на нарастващото светлинно замърсяване и други източници на шум.
Последното нещо, от което един астроном се нуждае, са хиляди ярки спътници, мигащи във фокуса на телескопа. Наистина, първоначалното съзвездие Иридиум беше скандално известно с това, че имаше "цъфтежи" поради големите панели, отразяващи слънчевата светлина върху малки области на Земята. Случвало се е да достигнат яркостта на една четвърт от Луната и понякога дори случайно да повредят чувствителни астрономически сензори. Страхът, че Starlink ще нахлуе в радиообхватите, използвани в радиоастрономията, също не е неоснователен.
Ако изтеглите приложение за сателитно проследяване, можете да видите десетки сателити, летящи в небето в ясна вечер. Сателитите се виждат след залез и преди зазоряване, но само когато са осветени от слънчевите лъчи. По-късно, през нощта, спътниците са невидими в сянката на Земята. Малки, изключително отдалечени, те се движат много бързо. Има шанс те да скрият далечна звезда за по-малко от милисекунда, но мисля, че дори откриването на това е още един хемороид.
Силната загриженост за небесното изригване се роди от факта, че слоят от сателити на първото изстрелване беше подреден близо до терминатора на Земята, т.е. нощ след нощ Европа - а беше лято - наблюдаваше епичната картина на сателити, прелитащи в небето във вечерния здрач. Освен това, симулации, базирани на доклади на FCC, показват, че сателитите в орбита от 1150 km ще бъдат видими дори след като астрономическият здрач премине. Най-общо здрачът преминава през три етапа: граждански, морски и астрономически, т.е. когато слънцето е съответно на 6, 12 и 18 градуса под хоризонта. В края на астрономическия здрач слънчевите лъчи са на около 650 км от повърхността в зенита, доста извън атмосферата и по-голямата част от ниската земна орбита. Въз основа на данни от , вярвам, че всички сателити ще бъдат поставени на височина под 600 км. В този случай те могат да се видят привечер, но не и след падането на нощта, което значително ще намали потенциалните последствия за астрономията.
Третият проблем са отломките в орбита. IN Посочих, че сателити и отломки под 600 км ще излязат от орбита в рамките на няколко години поради атмосферно съпротивление, което значително намалява възможността от синдром на Кеслер. SpaceX се забърква с мръсотията, сякаш изобщо не им пука за космическия боклук. Тук разглеждам подробностите за внедряването на Starlink и ми е трудно да си представя по-добър начин за намаляване на количеството отломки в орбита.
Сателитите се изстрелват на височина от 350 км, след което излитат с вградени двигатели до планираната орбита. Всеки сателит, който умре при изстрелването, ще излезе от орбита след няколко седмици и няма да се движи никъде другаде хиляди години. Това разположение стратегически включва тестване за безплатен вход. Освен това сателитите Starlink са плоски в напречно сечение, което означава, че като загубят контрол над надморската височина, те навлизат в плътните слоеве на атмосферата.
Малко хора знаят, че SpaceX се превърна в пионер в астронавтиката, като започна да използва алтернативни видове монтиране вместо пистолети. На практика всички стартови площадки използват патрони, когато разгръщат степени, сателити, обтекатели и т.н., увеличавайки потенциала за отломки. SpaceX също умишлено деорбитира горните етапи, предотвратявайки ги да висят в космоса завинаги, така че да не се разпадат и разпадат в суровата космическа среда.
И накрая, последният проблем, който бих искал да спомена, е шансът SpaceX да замени съществуващия интернет монопол, като създаде свой собствен. В своята ниша SpaceX вече монополизира изстрелванията. Само желанието на конкурентните правителства да получат гарантиран достъп до космоса предотвратява бракуването на скъпи и остарели ракети, които често се сглобяват от големи монополни изпълнители на отбраната.
Не е трудно да си представим, че SpaceX изстрелва 2030 от своите сателити годишно през 6000 г., плюс няколко шпионски сателита за добра мярка. Евтините и надеждни сателити на SpaceX ще продават "пространство в шкаф" за устройства на трети страни. Всеки университет, който изгради фотоапарат с възможност за използване в космоса, може да го постави в орбита, без да се налага да покрива разходите за изграждане на цяла космическа платформа. С такъв усъвършенстван и неограничен достъп до космоса, Starlink вече е свързан със сателити, докато историческите производители стават нещо от миналото.
Има примери в историята на далновидни компании, които са заели толкова огромна ниша на пазара, че имената им са станали нарицателни: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Проблемът може да възникне, когато една компания-пионер се ангажира с антиконкурентни практики, за да запази пазарния си дял, въпреки че това често се допуска след президента Рейгън. SpaceX може да запази монопола на Starlink, като принуди други разработчици на съзвездия да изстрелват сателити на ретро съветски ракети. Предприети подобни действия , съчетано с фиксирането на цените за транспортиране на пощата, го доведе до колапс през 1934 г. За щастие, SpaceX едва ли ще поддържа абсолютен монопол върху ракетите за многократна употреба завинаги.
Още по-тревожно е, че разполагането на десетки хиляди сателити в ниска орбита от SpaceX може да бъде проектирано като коопция на общите блага. Частна компания, преследваща лична изгода, заграбва в постоянна собственост някога публичните и незаети орбитални позиции. И докато иновациите на SpaceX направиха възможно всъщност да се правят пари във вакуум, голяма част от интелектуалния капитал на SpaceX беше изграден с милиарди долари в бюджети за научни изследвания.
От една страна, имаме нужда от закони, които ще защитават средствата за частни инвестиции, научни изследвания и развитие. Без тази защита иноваторите няма да могат да финансират амбициозни проекти или ще преместят компаниите си там, където им се предоставя такава защита. Във всеки случай обществото страда, защото не се генерират печалби. От друга страна, законите са необходими за защита на хората, номиналните собственици на общественото достояние, включително небето, от търсещи рента частни субекти, които анексират обществени блага. Само по себе си нито едното, нито другото е вярно или дори възможно. Разработките на SpaceX предоставят шанс да се намери щастлива среда на този нов пазар. Ще разберем, че е намерено, когато увеличим честотата на иновациите и създаването на социално благосъстояние.
Последни мисли
Написах тази статия веднага след като завърших друга - . Беше гореща седмица. И Starship, и Starlink са революционни технологии, които се създават точно пред очите ни, в живота ни. Ако видя внуците си да растат, те ще бъдат по-изненадани, че съм по-голям от Starlink, а не че в моето детство не е имало клетъчен (музейни експонати) или обществен интернет сам по себе си.
Богатите и военните използват сателитен интернет от дълго време, но повсеместната, обща и евтина Starlink просто не е възможна без Starship.
За стартирането се говори отдавна, но Starship, която е доста евтина и следователно интересна платформа, е невъзможна без Starlink.
За пилотирана астронавтика се говори от дълго време и ако вие... тогава имате зелена светлина. Със Starship и Starlink човешкото изследване на космоса е постижимо, близко бъдеще, на един хвърлей от орбитален аванпост до индустриализирани градове в дълбокия космос.
Източник: www.habr.com