Ovaj članak je iz serije .
- Plan SpaceX-a da distribuira internet preko desetina hiljada satelita glavna je tema u svemirskoj štampi. Članci o najnovijim dostignućima objavljuju se sedmično. Ako je, općenito, shema jasna, ali nakon čitanja , dobro motivirana osoba (recimo, vaša zaista) može iskopati mnogo detalja. Međutim, još uvijek postoje mnoge zablude povezane s ovom novom tehnologijom, čak i među prosvijećenim posmatračima. Nije neuobičajeno vidjeti članke koji upoređuju Starlink sa OneWebom i Kuiperom (između ostalih) kao da se takmiče pod jednakim uvjetima. Drugi autori, očito zabrinuti za dobrobit planete, vape za svemirskim otpadom, svemirskim zakonom, standardima i sigurnosti astronomije. Nadam se da će nakon čitanja ovog - prilično dugačkog - članka čitatelj bolje razumjeti i osjetiti ideju Starlinka.
neočekivano dirnuo osjetljivu žicu u dušama mojih malobrojnih čitalaca. U njemu sam objasnio kako će Starship staviti SpaceX u vodstvo na duže vrijeme i istovremeno osigurati mehanizam za nova istraživanja svemira. Implikacija je da tradicionalna satelitska industrija ne može pratiti SpaceX, koji stalno povećava kapacitet i smanjuje troškove Falcon porodice raketa, stavljajući SpaceX u tešku poziciju. S jedne strane, formirao je tržište vrijedno, u najboljem slučaju, nekoliko milijardi godišnje. S druge strane, to je samo po sebi rasplamsalo neodoljiv apetit za novcem - za gradnjom ogromne rakete, na kojoj, međutim, gotovo da nema ko da pošalje na Mars, a ne može se očekivati ni trenutni profit.
Rješenje ovog problema blizanaca je Starlink. Sastavljanjem i lansiranjem vlastitih satelita, SpaceX bi mogao stvoriti i definirati novo tržište za visoko efikasan i demokratiziran pristup svemirskim komunikacijama, osigurati finansijska sredstva za izgradnju rakete prije nego što utopi kompaniju i podići svoju ekonomsku vrijednost na trilione. Ne potcjenjujte razmjere Elonovih ambicija. Ukupno, nema toliko industrija u kojima se vrte bilioni dolara: energetika, brzi transport, komunikacije, IT, zdravstvo, poljoprivreda, vlada, odbrana. Uprkos uobičajenim zabludama, , и Posao nije održiv. Elon je svojom Teslom upao u energetsku industriju, ali samo će telekomunikacije pružiti pouzdano i prostrano tržište za satelite i lansiranje raketa.
Po prvi put, Elon Musk je okrenuo pogled ka svemiru kada je htio donirati 80 miliona dolara za misiju uzgoja biljaka na Marsovskoj sondi. Izgradnja grada na Marsu bi vjerovatno koštala 100 puta više, tako da je Starlink Muskova glavna uloga da osigura more prijeko potrebnog sponzorskog novca. .
Za šta?
Dugo sam planirao ovaj članak, ali tek prošle sedmice sam imao potpunu sliku. Tada je predsjednica SpaceX-a Gwynne Shotwell dala Robu Baronu nevjerovatan intervju, koji je kasnije prenio za CNBC u sjajnoj Michael Schitz, i kome su se posvetili . Ovaj intervju je pokazao ogromnu razliku u pristupima satelitskoj komunikaciji između SpaceX-a i svih ostalih.
Koncept rođen je 2012. godine, kada je SpaceX shvatio da njihovi kupci - uglavnom satelitski provajderi - imaju ogromne rezerve novca. Lansirne ploče podižu cijene za postavljanje satelita i pri tome, nekako, propuštaju jedan korak posla - kako to? Elon je sanjao o stvaranju satelitske konstelacije za Internet i, ne mogavši se oduprijeti gotovo nemogućem zadatku, zavrtio je proces. Starlink razvoj , ali do kraja ovog članka, vi ćete, moj čitaoče, vjerovatno biti iznenađeni koliko su te poteškoće zapravo male, s obzirom na obim ideje.
Da li je tako ogromno grupisanje zaista neophodno za Internet? I zašto sada?
Samo u mom sjećanju internet je evoluirao od čisto akademskog maženja do prve i jedine revolucionarne infrastrukture. Ovo nije tema kojoj se vrijedi posvetiti u dugom članku, ali pretpostavit ću da će globalno, potreba za internetom i prihodi koji on generiše nastaviti rasti za oko 25% godišnje.
Danas skoro svi dobijamo internet od malog broja geografski izolovanih monopola. U SAD-u, AT&T, Time Warner, Comcast i nekolicina manjih igrača podijelili su teritoriju kako bi izbjegli konkurenciju, borili se s tri kože za usluge i okupali se u zracima gotovo univerzalne mržnje.
ISP-ovi imaju dobar razlog za nekonkurentsko ponašanje, pored sveobuhvatne pohlepe. Izgradnja infrastrukture za internet – mikrotalasne ćelije i optička vlakna – je veoma, veoma skupa. Lako je zaboraviti na divnu prirodu interneta. Moja baka je prvo otišla da radi u Drugom svjetskom ratu kao signalista, a onda se telegraf tada nadmetao za vodeću stratešku ulogu sa golubovima pismonošima! Za većinu nas, informativni superautoput je nešto prolazno, nematerijalno, ali dijelovi putuju kroz fizički svijet, koji ima granice, rijeke, planine, okeane, oluje, prirodne katastrofe i druge prepreke. Davne 1996. godine, kada je na dnu okeana postavljena prva optička linija, . Svojim prepoznatljivim oštrim stilom, on slikovito opisuje golu cijenu i složenost polaganja ovih linija, duž kojih se tada još uvijek nose proklete "kotege". Veći dio 2000-ih kabel je bio toliko povučen da je cijena implementacije bila zapanjujuća.
Svojevremeno sam radio u optičkoj laboratoriji i (ako me memorija ne vara) oborili smo rekord tog vremena izdavanjem multipleksnog prijenosa od 500 Gb/s. Elektronska ograničenja dozvoljavala su da svako vlakno bude opterećeno za 0,1% teorijske širine pojasa. Petnaest godina kasnije, spremni smo da prekoračimo prag: ako prenos podataka pređe to, vlakno će se istopiti, a mi smo već vrlo blizu tome.
Ali potrebno je podići tok podataka iznad grešne zemlje – u svemir, gdje satelit za pet godina obleti „loptu” 30 puta. Očigledno, čini se, rješenje - pa zašto ga niko ranije nije uzeo?
Sazviježđe satelita Iridium, koje je početkom 1990-ih razvila i upotrijebila Motorola (još li ih se sjećate?), postala je prva globalna komunikacijska mreža u niskoj orbiti (kao što je primamljivo opisano u ). U vrijeme kada je uveden, niša mogućnost usmjeravanja malih paketa podataka iz alata za praćenje imovine bila je njegova jedina upotreba: mobilni telefoni su bili toliko jeftini da satelitski telefoni nikada nisu došli. Iridijum je imao 66 satelita (plus još nekoliko rezervnih) u 6 orbita - minimalni set za pokrivanje cijele planete.
Ako je 66 satelita bilo dovoljno za Iridium, zašto su onda SpaceX-u trebali desetine hiljada? Zašto je ona tako drugačija?
SpaceX je u ovaj posao ušao sa suprotnog kraja - počeo je lansiranjima. Postao je pionir u oblasti očuvanja lansirnih vozila i tako zauzeo tržište jeftinih lansirnih rampi. Pokušaj da ih nadmašite nižom cijenom neće zaraditi mnogo novca, tako da je jedini način da profitirate od njihovog viška kapaciteta da postanete kupac. SpaceX troši na lansiranje vlastitih satelita - (po 1 kg) iridijuma, te su stoga u mogućnosti da uđu na mnogo šire tržište.
Starlinkova svjetska pokrivenost omogućit će vam pristup visokokvalitetnom internetu bilo gdje u svijetu. Po prvi put, dostupnost interneta neće zavisiti od blizine neke zemlje ili grada optičkoj liniji, već od čistoće neba iznad. Korisnici širom svijeta imat će pristup globalnom internetu bez okova, bez obzira na različite stepene loših i/ili nepoštenih vladinih monopola. Starlinkova sposobnost da razbije ove monopole katalizuje pozitivnu promjenu nevjerovatne veličine koja će konačno ujediniti milijarde ljudi u globalnu kibernetičku zajednicu budućnosti.
Mala lirska digresija: šta to uopće znači?
Za ljude koji danas odrastaju u eri sveprisutnog povezivanja, internet je poput zraka koji udišemo. On jednostavno jeste. Ali ovo - ako zaboravite na njegovu nevjerovatnu moć da donese pozitivne promjene - i mi smo već u njihovom samom centru. Uz pomoć interneta ljudi mogu pozvati svoje vođe na odgovornost, komunicirati s drugim ljudima na drugom kraju svijeta, dijeliti misli, izmišljati nešto novo. Internet ujedinjuje čovječanstvo. Istorija nadogradnje je istorija evolucije mogućnosti deljenja podataka. Prvo, kroz govore i epsku poeziju. Zatim - na pismo koje mrtvima daje glas, a oni se obraćaju živima; pisanje omogućava pohranjivanje podataka i omogućava asinhronu komunikaciju. Štampa je pokrenula proizvodnju vijesti. Elektronska komunikacija - ubrzala je prijenos podataka širom svijeta. Lični uređaji za bilježenje postepeno su postali složeniji, evoluirajući od notebooka do mobilnih telefona, od kojih je svaki kompjuter povezan na internet, punjen senzorima i svakim danom sve bolji u predviđanju naših potreba.
Osoba koja koristi pisanje i kompjuter u procesu spoznaje ima veće šanse da prevaziđe ograničenja nesavršeno razvijenog mozga. Još više ohrabruje to što su mobilni telefoni i moćni uređaji za skladištenje i mehanizam za razmjenu ideja. Ako su se ranije ljudi, dijeleći misli, oslanjali na govor koji su skicirali u bilježnicama, danas je norma da same bilježnice dijele ideje koje su ljudi generirali. Tradicionalna shema je doživjela inverziju. Logičan nastavak procesa je neki oblik kolektivne metakognicije, putem ličnih uređaja, i međusobno povezani. I dok smo možda još uvijek nostalgični za izgubljenom vezom s prirodom i samoćom, važno je zapamtiti da je tehnologija, i sama tehnologija, odgovorna za lavovski dio našeg oslobođenja od "prirodnih" ciklusa neznanja, prerane smrti (koja je može izbjeći), nasilje, glad i karijes.
Kako?
Hajde da razgovaramo o poslovnom modelu i arhitekturi Starlink projekta.
Da bi Starlink postao profitabilno preduzeće, priliv sredstava mora premašiti troškove izgradnje i rada. Tradicionalno, kapitalna ulaganja su uključivala povećane početne troškove, upotrebu sofisticiranih specijalizovanih mehanizama finansiranja i osiguranja, i sve za lansiranje satelita. Geostacionarni komunikacijski satelit može koštati 500 miliona dolara i treba mu pet godina za izgradnju i lansiranje. Stoga kompanije u ovoj oblasti istovremeno grade mlazne brodove ili kontejnerske brodove. Ogromna potrošnja, priliv sredstava koji jedva pokriva troškove finansiranja i relativno mali operativni budžet. Nasuprot tome, neuspjeh originalnog Iridiuma bio je u tome što je Motorola prisilila operatera da plati ubistvenu naknadu za licencu, dovodeći poduzeće do bankrota za samo nekoliko mjeseci.
Da bi vodile takav posao, tradicionalne satelitske kompanije morale su opsluživati privatne korisnike i naplaćivati visoke cijene podataka. Zračne kompanije, udaljene ispostave, brodovi, ratne zone i ključne infrastrukturne lokacije plaćaju oko 5 dolara po MB, što je 1 puta više od cijene tradicionalnog ADSL-a, uprkos kašnjenju podataka i relativno malom satelitskom propusnom opsegu.
Starlink planira da se takmiči sa provajderima zemaljskih usluga, što znači da će morati da isporučuje podatke jeftinije i, u idealnom slučaju, naplaćuje mnogo manje od 1 USD po 1 MB. Moguće je? Ili, pošto je to moguće, treba se zapitati: kako je to moguće?
Prvi sastojak novog jela je jeftino lansiranje. Danas Falcon prodaje lansiranje od 24 tone za oko 60 miliona dolara, što je 2500 dolara po kg. Ispostavilo se, međutim, da ima mnogo više internih troškova. Starlink sateliti će biti lansirani na lansirnim vozilima za višekratnu upotrebu, tako da je granični trošak jednog lansiranja trošak nove druge faze (negdje oko 1 miliona dolara), oklopa (4 milion) i zemaljske podrške (~1 milion). Ukupno: oko 1 hiljada dolara za satelit, tj. više od 100 puta jeftinije od lansiranja konvencionalnog komunikacijskog satelita.
Većina Starlink satelita će, međutim, biti lansirana na Starship. Zaista, evolucija Starlink-a, kako pokazuju ažurirani izvještaji FCC-u, pruža nešto unutrašnja arhitektura projekta. Ukupan broj satelita u konstelaciji porastao je sa 1 na 584, zatim na 2 i na kraju na 825. Ako je vjerovati bruto investicijama, brojka je još veća. Minimalni broj satelita za prvu fazu razvoja da bi projekat bio održiv je 7 u 518 orbita (ukupno 30), dok je za punu pokrivenost unutar 000 stepena od ekvatora potrebno 60 orbite od 6 satelita (ukupno 360). To su 53 lansiranja za Falcon za oko 24 miliona dolara interne potrošnje. Starship je, s druge strane, dizajniran za lansiranje do 60 satelita istovremeno, za otprilike istu cijenu. Starlink sateliti se moraju mijenjati svakih 1440 godina, tako da bi za 24 satelita bilo potrebno 150 lansiranja Starship-a godišnje. To će koštati nekih 400 miliona godišnje, odnosno 5 hiljada po satelitu. Svaki Falcon satelit teži 6000 kg; sateliti podignuti na Starship mogli su težiti 15 kg i nositi uređaje trećih strana, biti nešto veći i još uvijek ne prelaze dozvoljeno opterećenje.
Koja je cijena satelita? Među braćom, Starlink sateliti su pomalo neobični. Sastavljaju se, skladište i stavljaju na tržište i stoga su izuzetno laki za masovnu proizvodnju. Kao što iskustvo pokazuje, trošak proizvodnje trebao bi približno biti jednak trošku lansera. Ako je razlika u cijeni velika, to znači da se resursi ne alociraju pravilno, jer sveobuhvatno smanjenje graničnih troškova uz smanjenje troškova nije tako veliko. Da li je to zaista 100 hiljada dolara po satelitu sa prvom serijom od nekoliko stotina? Drugim riječima, nije li Starlink satelit u uređaju složeniji od mašine?
Da biste u potpunosti odgovorili na ovo pitanje, morate razumjeti zašto je cijena komunikacijskog satelita u orbiti 1000 puta veća, čak i ako nije 1000 puta složenija. Jednostavno rečeno, zašto je svemirski hardver tako skup? Postoji mnogo razloga za to, ali najuvjerljiviji u ovom slučaju je ovaj: ako lansiranje satelita u orbitu (prije Falcona) košta više od 100 miliona, mora biti zagarantovano da će raditi dugi niz godina - kako bi doveo barem nešto profit. Osigurati takvu pouzdanost u radu prvog i jedinog proizvoda bolan je proces i može se povući godinama, zahtijevajući napore stotina ljudi. Dodajte tome troškove i lako je opravdati dodatne procese kada je već skupo za pokretanje.
Starlink razbija tu paradigmu izgradnjom stotina satelita, brzom ispravljanjem ranih nedostataka u dizajnu i dovođenjem tehničara za masovnu proizvodnju da upravljaju troškovima. Meni je lično lako zamisliti Starlink cevovod u kojem tehničar integriše nešto novo u dizajn i sve pričvrsti plastičnom vezom (naravno na NASA nivou) za sat ili dva, održavajući potrebnu stopu zamjene od 16 satelita dnevno. Starlink satelit se sastoji od mnogo zamršenih dijelova, ali ne vidim razlog zašto se cijena hiljaditih jedinica koja silazi sa montažne trake ne može spustiti na 20 hiljada. Zaista, u maju je Elon napisao na Twitteru da je cijena proizvodnja satelita je već niža od cijene lansiranja .
Uzmimo prosječan slučaj i analiziramo vrijeme povrata zaokružujući brojeve. Jedan Starlink satelit, čije sastavljanje i lansiranje košta 100, radi već 5 godina. Hoće li se isplatiti, i ako hoće, koliko brzo?
Za 5 godina, satelit Starlink će obići Zemlju 30 puta. U svakoj od ovih jednoipočasovnih orbita, on će većinu vremena provesti iznad okeana i vjerovatno 000 sekundi iznad gusto naseljenog grada. U ovom kratkom prozoru emituje podatke, u žurbi da zaradi novac. Pod pretpostavkom da antena podržava 100 zraka, a svaki snop prenosi 100 Mbps, koristeći moderno kodiranje kao što je , tada satelit generiše 1000 dolara profita po orbiti - po cijeni pretplate od 1 dolara po 1 GB. To je dovoljno da se isplati trošak implementacije od 100 dolara za nedelju dana i umnogome pojednostavljuje strukturu kapitala. Preostalih 29 obrta je profit minus fiksni troškovi.
Procijenjeni brojevi mogu značajno varirati, i to u oba smjera. Ali u svakom slučaju, ako možete kvalitetnu konstelaciju satelita staviti u nisku orbitu za 100 - ili čak za 000 milion po jedinici - ovo je ozbiljna aplikacija. Čak i uz smiješno kratko vrijeme korištenja, Starlink satelit je sposoban isporučiti 1 Pb podataka tokom svog životnog vijeka - po amortizovanoj cijeni od 30 USD po GB. Istovremeno, kada se prenosi na veće udaljenosti, marginalni troškovi se praktično ne povećavaju.
Da bismo razumjeli značaj ovog modela, hajde da ga brzo uporedimo sa dva druga modela za isporuku podataka potrošačima: tradicionalnim optičkim kablom i satelitskom konstelacijom koju nudi kompanija koja nije specijalizovana za lansiranje satelita.
koja povezuje Francusku i Singapur puštena je u rad 2005. godine. Propusni opseg - 1,28 Tb / s., Trošak implementacije - 500 miliona dolara. Ako radi sa 10% kapaciteta 100 godina, a režijski troškovi su 100% kapitalnih troškova, tada će cijena prijenosa biti 0,02 USD po 1 GB. Transatlantski kablovi su kraći i nešto jeftiniji, ali podmorski kabl je samo jedan entitet u dugom nizu ljudi koji žele novac za prenos podataka. Prosečna procena za Starlink je 8 puta jeftinija, a pritom imaju "all inclusive".
Kako je to moguće? Starlink satelit uključuje svu složenu elektronsku komutaciju koja je potrebna za povezivanje optičkih kablova, samo što koristi vakuum umjesto skupe i krhke žice za prijenos podataka. Svemirski prijenos smanjuje broj ugodnih i zastarjelih monopola, omogućavajući korisnicima da komuniciraju kroz još manje hardvera.
Uporedivo sa konkurentskim proizvođačem satelita OneWeb. OneWeb planira stvoriti konstelaciju od 600 satelita, koje će lansirati preko komercijalnih dobavljača po cijeni od oko 20 dolara za 000 kg. Težina jednog satelita je 1 kg, odnosno u idealnom scenariju lansiranje jedne jedinice će biti otprilike 150 miliona. Cijena satelitskog hardvera procjenjuje se na 3 milion po satelitu, tj. do 1. trošak cjelokupnog grupisanja iznosit će 2027 milijardi. Testovi koje je sproveo OneWeb pokazali su propusnost od 2,6 Mb/s. na vrhuncu, idealno, za svaku od 50 zraka. Prateći istu šemu po kojoj smo izračunali trošak Starlink-a, dobijamo: svaki OneWeb satelit generiše 16 dolara po orbiti, a za samo 80 godina doneće 5 miliona dolara – jedva pokrivajući troškove lansiranja, ako računamo i prenos podataka na daljinu. regioni . Ukupno dobijamo 2,4 dolara za 1,70 GB.
Gwynn Shotwell je nedavno citirana kako je to rekla , što implicira konkurentnu cijenu od 0,10 USD po GB. I to s originalnom Starlink konfiguracijom: s manje optimizovanom proizvodnjom, lansiranjem na Falconu i ograničenjima prijenosa podataka - i to samo s pokrivenošću sjevernih Sjedinjenih Država. Ispostavilo se da SpaceX ima neospornu prednost: danas mogu lansirati mnogo prikladniji satelit po cijeni (po jedinici) 1 puta nižoj od konkurencije. Starship će povećati prednost za faktor 15, ako ne i više, tako da nije teško zamisliti da SpaceX lansira 100 satelita do 2027. za manje od milijardu dolara, od čega će većinu obezbijediti iz svog novčanika.
Siguran sam da ima optimističnijih analiza u vezi sa OneWeb-om i drugim nadobudnim programerima konstelacije, ali još ne znam kako one funkcioniraju.
Nedavno Morgan Stanley da će Starlink sateliti koštati milion za montažu i 1 hiljada za lansiranje. . Zanimljivo je da su brojke slične našim izračunima za OneWeb potrošnju i otprilike 10 puta veće od originalne Starlink procjene. Upotreba Starshipa i komercijalne proizvodnje satelita mogla bi smanjiti troškove postavljanja satelita na oko 35 po jedinici. A ovo je zapanjujuće nizak broj.
Ostaje posljednja stvar - uporediti profit po 1 W solarne energije proizvedene za Starlink. Prema fotografijama na njihovoj web stranici, solarni niz svakog satelita je otprilike 60 m3. u prosjeku proizvodi približno 4,5 kW ili 1000 kWh po okretu. Procjenjuje se da će svaka orbita generirati 220 dolara, a svaki satelit približno 10 dolara po kWh. To je 000 puta više od veleprodajne cijene solarne energije, što još jednom potvrđuje: . A mikrotalasna modulacija za prenos podataka je prevelik dodatni trošak.
arhitektura
U prethodnom odeljku, prilično sam grubo predstavio netrivijalno značajan deo Starlink arhitekture – kako ona funkcioniše sa veoma neujednačenom gustinom naseljenosti planete. Satelit Starlink emituje fokusirane zrake koje formiraju mrlje na površini planete. Pretplatnici unutar spota dijele jednu propusnost. Dimenzije tačke su određene fundamentalnom fizikom: u početku je njena širina (visina satelita x dužina mikrotalasne / prečnik antene), što je za Starlink satelit u najboljem slučaju nekoliko kilometara.
U većini gradova gustina naseljenosti je oko 1000 ljudi/km100, iako je na nekim mjestima veća. U nekim oblastima Tokija ili Menhetna može biti više od 000 ljudi po mestu. Na sreću, svaki tako gusto naseljen grad ima konkurentno domaće tržište za širokopojasni internet, a da ne spominjemo visoko razvijenu mrežu mobilne telefonije. Ali kako god bilo, ako u bilo kom trenutku postoji mnogo satelita iste konstelacije iznad grada, propusnost se može povećati prostornom diverzifikacijom antena, kao i distribucijom frekvencija. Drugim riječima, desetine satelita mogu fokusirati najmoćniji snop u jednoj tački, a korisnici u toj regiji će koristiti zemaljske terminale koji će distribuirati zahtjev među satelitima.
Ako su u početnim fazama najpogodnije tržište za prodaju usluga udaljena, ruralna ili prigradska područja, onda će sredstva za daljnje lansiranje dolaziti iz boljih usluga posebno u gusto naseljene gradove. Scenario je potpuno suprotan standardnom obrascu širenja tržišta, u kojem konkurentske usluge usmjerene na grad neizbježno trpe pad profita dok pokušavaju da se prošire u siromašnija i manje naseljena područja.
Prije nekoliko godina, kada sam radio matematiku, .
Uzeo sam podatke sa ove slike i sastavio 3 grafikona ispod. Prvi prikazuje učestalost kopnene površine prema gustini naseljenosti. Najzanimljivije je da veći dio Zemlje uopće nije naseljen, dok praktično nijedna regija nema više od 100 ljudi po kvadratnom kilometru.
Drugi grafikon prikazuje učestalost ljudi prema gustini naseljenosti. I iako je veći dio planete nenaseljen, većina ljudi živi u područjima gdje ima 100-1000 ljudi po kvadratnom kilometru. Proširena priroda ovog vrha (red magnitude veći) odražava bimodalnost u obrascima urbanizacije. 100 osoba/kv.km. - ovo je relativno slabo naseljeno ruralno područje, dok je brojka od 1000 ljudi/km. karakteristika predgrađa. Gradski centri lako pokazuju 10 ljudi/km², ali populacija Manhattana je 000 ljudi/km².
Treći grafikon prikazuje gustinu naseljenosti prema geografskoj širini. Može se vidjeti da su skoro svi ljudi koncentrisani u rasponu od 20-40 stepeni sjeverne geografske širine. Dakle, uglavnom se geografski i istorijski razvio, budući da je ogroman dio južne hemisfere okupiran okeanom. Ipak, ova gustina naseljenosti je zastrašujući izazov za arhitekte grupe, as sateliti provode jednako vrijeme na obje hemisfere. Štaviše, satelit koji kruži oko Zemlje, pod uglom od, recimo, 50 stepeni, provešće više vremena bliže naznačenim granicama geografske širine. Zbog toga je Starlinku potrebno samo 6 orbita da opslužuje sjever SAD-a, dok 24 da pokrije ekvator.
Zaista, ako kombiniramo graf gustoće naseljenosti sa grafom gustoće satelitske konstelacije, izbor orbita postaje očigledan. Svaki trakasti grafikon predstavlja jedan od četiri SpaceX izvještaja FCC-u. Lično mi se čini da je svaki novi izvještaj kao dodatak prethodnom, ali u svakom slučaju nije teško vidjeti kako dodatni sateliti povećavaju kapacitet nad odgovarajućim regijama na sjevernoj hemisferi. Nasuprot tome, postoji impresivna količina neiskorištenog propusnog opsega preko južne hemisfere - radujte se, draga Australije!
Šta se dešava sa korisničkim podacima kada stignu do satelita? U originalnoj verziji, satelit Starlink ih je odmah odašiljao natrag na namjensku zemaljsku stanicu u blizini servisnih područja. Ova konfiguracija se zove "direktni relej". U budućnosti će sateliti Starlink moći međusobno komunicirati putem lasera. Razmjena podataka će dostići vrhunac u gusto naseljenim gradovima, ali podaci se mogu distribuirati preko mreže lasera u dvije dimenzije. U praksi to znači da postoji ogromna mogućnost za skriveni backhaul u mreži satelita, odnosno da se korisnički podaci mogu "retransmitirati na Zemlju" na bilo kojoj pogodnoj lokaciji. U praksi mi se čini da će se SpaceX zemaljske stanice kombinovati sa van gradova.
Ispostavilo se da komunikacija između satelita i satelita nije trivijalan zadatak ako se sateliti ne kreću zajedno. Najnoviji izvještaji FCC-u navode 11 različitih satelitskih orbitalnih grupa. Unutar date grupe, sateliti se kreću na istoj visini, pod istim nagibom, sa istim ekscentricitetom, što znači da laseri relativno lako mogu pronaći satelite u neposrednoj blizini. No, brzine približavanja između grupa mjere se u kilometrima u sekundi, tako da bi komunikacija između grupa, ako je moguće, trebala biti putem kratkih, brzo kontroliranih mikrovalnih veza.
Topologija orbitalnih grupa je poput talasno-čestične teorije svjetlosti i ne odnosi se baš na naš primjer, ali mislim da je odlična, pa sam je uključio u članak. Ako niste zainteresovani za ovaj odeljak, preskočite direktno na "Ograničenja fundamentalne fizike".
Torus - ili krafna - je matematički objekat definisan sa dva poluprečnika. Vrlo je jednostavno nacrtati krugove na površini torusa: paralelno ili okomito na njegov oblik. Možda će vam biti zanimljivo otkriti da postoje još dvije porodice krugova koji se mogu nacrtati na površini torusa, a oba prolaze kroz rupu u njegovom središtu i oko konture. Ovo je tzv. , i koristio sam ovaj dizajn kada sam dizajnirao toroid za Burning Man Tesla Coil 2015. godine.
I iako su orbite satelita, striktno govoreći, elipse, a ne kružnice, ista konstrukcija se primjenjuje u slučaju Starlinka. Konstelacija od 4500 satelita na nekoliko orbitalnih ravnina, svi pod istim uglom, formiraju sloj koji se neprekidno kreće iznad površine Zemlje. Sloj okrenut prema sjeveru iznad određene geografske širine okreće se i vraća na jug. Kako bi se izbjegli sudari, orbite će biti blago izdužene, tako da će sloj koji se kreće prema sjeveru biti nekoliko kilometara viši (ili niži) od onog koji se kreće prema jugu. Zajedno, oba ova sloja formiraju torus izduvanog oblika, kao što je prikazano ispod na veoma preuveličanom dijagramu.
Da vas podsjetim da se unutar ovog torusa komunikacija odvija između susjednih satelita. Uopšteno govoreći, ne postoje direktne i dugoročne veze između satelita u različitim slojevima, jer su stope konvergencije za lasersko navođenje previsoke. Putanja prijenosa podataka između slojeva, zauzvrat, prolazi iznad ili ispod torusa.
Ukupno 30 satelita bit će smješteno u 000 ugniježđenih torova daleko iza orbite ISS-a! Ovaj dijagram pokazuje kako su svi ovi slojevi spakovani, bez pretjerane ekscentričnosti.
I na kraju, trebali biste razmisliti o optimalnoj visini leta. Postoji dilema: mala visina, koja daje veću propusnost sa manjim veličinama zraka, ili velika visina, koja vam omogućava da pokrijete cijelu planetu s manje satelita? S vremenom su izvještaji FCC-a iz SpaceX-a govorili o sve manjim visinama kako se Starship poboljšava kako bi omogućio brže raspoređivanje većih sazviježđa.
Mala visina ima i druge prednosti, uključujući smanjeni rizik od udara svemirskog otpada ili negativnih efekata kvara opreme. Zbog povećanog otpora atmosfere, najniži Starlink sateliti (330 km) će izgorjeti u roku od nekoliko sedmica nakon gubitka kontrole položaja. Zaista, 300 km je visina na kojoj sateliti gotovo nikad ne lete, a za održavanje visine bit će potreban ugrađeni električni raketni motor Krypton, kao i aerodinamičan dizajn. Teoretski, satelit prilično šiljastog oblika, pokretan električnim raketnim motorom, može održati stabilnu visinu od 160 km, ali je malo vjerovatno da će SpaceX lansirati satelite tako nisko, jer još uvijek postoji nekoliko trikova za povećanje propusnosti.
Ograničenja fundamentalne fizike
Čini se malo vjerojatnim da će cijene postavljanja satelita ikada pasti ispod 35 dolara, čak i ako je proizvodnja napredna i potpuno automatizirana, a brodovi Starship-a u potpunosti za višekratnu upotrebu, a još nije u potpunosti poznato kakva će ograničenja fizika nametnuti satelitu. Gornja analiza pretpostavlja vršnu propusnost od 80 Gb/s. (ako se zaokruži na 100 zraka, od kojih je svaki sposoban za prijenos 100 Mb/s).
Ograničenje propusnog opsega kanala je postavljeno na i dat je u statistici propusnog opsega (1+SNR). Širina pojasa je često ograničena , dok je SNR dostupna energija satelita, pozadinski šum i smetnje kanala zbog . Još jedna značajna prepreka je brzina obrade. Najnoviji Xilinx Ultrascale+ FPGA uređaji imaju , što je dobro s obzirom na trenutna ograničenja propusnosti bez razvoja prilagođenih ASIC-ova. Ali čak i tada 58 Gb/s. će zahtijevati impresivnu distribuciju frekvencija, najvjerovatnije u Ka-opsegu ili V-opsegu. V (40–75 GHz) ima pristupačnije cikluse, ali je podložan većoj apsorpciji od strane atmosfere, posebno u područjima visoke vlažnosti.
Da li je 100 zraka praktično? Ovaj problem ima dva aspekta: širinu snopa i gustinu faznih elemenata niza. Širina snopa je određena talasnom dužinom podeljenom sa prečnikom antene. Digitalna fazna antena je još uvijek specijalizirana tehnologija, ali maksimalne upotrebljive dimenzije određene su širinom (cca. 1m), a korištenje radio frekvencijskih komunikacija je skuplje. Širina talasa u Ka-opsegu je oko 1 cm, dok bi širina snopa trebala biti 0,01 radijana - sa širinom spektra od 50% amplitude. Pod pretpostavkom da je ugao snopa od 1 steradijan (slično pokrivenosti objektiva kamere od 50 mm), tada bi 2500 pojedinačnih zraka bilo dovoljno u ovoj oblasti. Linearnost implicira da bi 2500 zraka zahtijevalo najmanje 2500 antenskih elemenata unutar niza, što je u principu izvodljivo, ali teško. I sve će postati jako vruće!
Ukupno 2500 kanala, od kojih svaki podržava 58 Gb / s, ogromna je količina informacija - ako otprilike, onda 145 Tb / s. Poređenja radi, sav internet saobraćaj u 2020 . Dobre vijesti za one koji su zabrinuti zbog fundamentalno niske propusnosti satelitskog interneta. Ako konstelacija od 30 satelita bude operativna do 000. godine, globalni internet saobraćaj će potencijalno dostići 2026 Tb/s. Ako polovinu toga isporučuje ~800 satelita preko gusto naseljenih područja u bilo kojem trenutku, tada je vršna propusnost po satelitu oko 500 Gb/s, što je 800 puta više od naše prvobitne osnovne procjene, tj. priliv finansija potencijalno raste 10 puta.
Za satelit u orbiti od 330 km, snop od 0,01 radijana pokriva površinu od 10 kvadratnih kilometara. U posebno gusto naseljenim područjima poput Menhetna, u ovoj oblasti živi i do 300 ljudi. Šta ako svi sjednu da gledaju Netflix (000 Mbps u HD kvalitetu) u isto vrijeme? Ukupni zahtjev za podacima bit će 7 GB/s, što je oko 2000 puta više od trenutnog tvrdog ograničenja koje nameće serijski izlaz FPGA. Postoje dva izlaza iz ove situacije, od kojih je samo jedan fizički moguć.
Prvi je staviti više satelita u orbitu, tako da u svakom trenutku više od 35 komada visi nad područjima povećane potražnje. Ako opet uzmemo 1 steradijan za razumno adresabilno područje neba i prosječnu orbitalnu visinu od 400 km, dobićemo gustoću sazviježđa od 0,0002/kv km, odnosno 100 000 ukupno - ako su ravnomjerno raspoređeni po cijeloj površini globusa. Podsjetimo da odabrane orbite SpaceX-a dramatično povećavaju pokrivenost gusto naseljenih područja unutar 20-40 stepeni sjeverne geografske širine, a sada broj od 30 satelita izgleda magično.
Druga ideja je mnogo hladnija, ali, nažalost, neostvariva. Podsjetimo da je širina snopa određena širinom faznog antenskog niza. Šta ako mnogo nizova na nekoliko satelita kombinuje snage, stvarajući uži snop - baš kao i radio teleskopi poput istog (veoma veliki antenski sistem)? Ova metoda dolazi s jednom komplikacijom: osnovicu između satelita morat će se pažljivo izračunati - sa preciznošću ispod milimetra - kako bi se stabilizirala faza zraka. Čak i da je to moguće, rezultirajući snop teško bi sadržavao bočne režnjeve, zbog male gustine satelitske konstelacije na nebu. Na tlu bi se širina snopa suzila na nekoliko milimetara (dovoljno za praćenje antene mobilnog telefona), ali bi ih bilo na milione zbog slabog srednjeg nuliranja. Hvala ti .
Ispostavilo se da razdvajanje kanala razdvajanjem uglova – zato što su sateliti raspoređeni po nebu – obezbeđuje adekvatna poboljšanja propusnosti bez kršenja zakona fizike.
Aplikacija
Šta je Starlink korisnički profil? Standardno se radi o stotinama miliona korisnika koji na krovovima imaju antene veličine kutije za pizzu, ali postoje i drugi izvori visokog prihoda.
U udaljenim i ruralnim područjima zemaljskim stanicama nisu potrebne fazne antene za maksimiziranje širine snopa, tako da se može koristiti manja korisnička oprema, od IoT uređaja za praćenje imovine do džepnih satelitskih telefona, signalnih signala za hitne slučajeve ili naučnih instrumenata za praćenje životinja.
U gustim urbanim sredinama, Starlink će obezbediti primarni i rezervni backhaul za celularnu mrežu. Svaki toranj bi mogao imati zemaljsku stanicu visokih performansi na vrhu, ali koristiti zemaljske izvore napajanja za pojačanje i prijenos u posljednjoj milji.
I konačno, čak i u prepunim područjima tokom početnog uvođenja, postoji mogućnost korištenja za satelite u niskoj orbiti sa izuzetno minimalnim kašnjenjem. Same finansijske kompanije stavljaju mnogo novca u vaše ruke - samo malo brže da biste dobili vitalne podatke iz cijelog svijeta. I iako će podaci preko Starlinka imati duži put nego inače - kroz svemir - brzina širenja svjetlosti u vakuumu je 50% veća nego u kvarcnom staklu, a to više nego plaća razliku pri prijenosu na veće udaljenosti.
Negativni efekti
Posljednji dio je posvećen negativnim posljedicama. Svrha članka je da vas riješi zabluda o projektu, a najviše uzrokuju potencijalne negativne posljedice sporova. Daću neke informacije, uzdržavajući se od nepotrebnih tumačenja. Još uvijek nisam vidovit, a nemam ni insajdere iz SpaceX-a.
Najviše, po mom mišljenju, najozbiljnije posljedice su povećani pristup internetu. Čak iu mom rodnom gradu Pasadeni, užurbanom i tehnološki bogatom gradu sa više od milion stanovnika, u kojem se nalazi nekoliko opservatorija, univerzitet svjetske klase i najveći NASA-in objekat, izbor je ograničen kada su u pitanju internetske usluge. Širom SAD-a i ostatka svijeta, Internet je postao komunalna usluga koja traži rentu, a ISP-ovi samo izvlače svojih 50 miliona dolara mjesečno u ugodnom, nekonkurentnom okruženju. Možda je svaka usluga koja se pruža stanovima i stambenim zgradama komunalni stan, ali kvalitet internetskih usluga je niži od vode, struje ili plina.
Problem sa statusom quo je taj što je, za razliku od vode, struje ili plina, internet još uvijek mlad i brzo se razvija. Stalno mu pronalazimo nove namjene. Najrevolucionarnija još uvijek nije otvorena, ali paket planovi guše mogućnost konkurencije i inovacija. Milijarde ljudi su ostavljene zbog okolnosti rođenja ili zato što je njihova zemlja predaleko od glavnog podmorskog kabla. U velikim dijelovima planete internet se još uvijek isporučuje preko geostacionarnih satelita, po iznuđivačkim cijenama.
Starlink, s druge strane, kontinuirano distribuira internet s neba, krši ovaj model. Još ne znam za bilo koji drugi bolji način da povežem milijarde ljudi na internet. SpaceX je na dobrom putu da postane ISP i potencijalno internet kompanija koja može parirati Googleu i Facebooku. Kladim se da ti to nije palo na pamet.
Nije očigledno da je satelitski internet najbolja opcija. SpaceX, i samo SpaceX, je u poziciji da brzo stvori ogromnu konstelaciju satelita koji je jedini ubio deceniju da razbije vladino-vojni monopol na lansiranje svemirskih letjelica. Čak i kada bi Iridium nadmašio mobilne telefone za faktor deset, i dalje ne bi postigao široko usvajanje koristeći tradicionalne lansirne platforme. Bez SpaceX-a i njegovog jedinstvenog poslovnog modela, velike su šanse da se globalni satelitski internet jednostavno nikada neće dogoditi.
Drugi veliki udarac zadesiće astronomiju. Nakon lansiranja prvih 60 Starlink satelita, uslijedio je val kritika međunarodne astronomske zajednice, govoreći da će višestruko povećan broj satelita blokirati njihov pristup noćnom nebu. Postoji izreka: među astronomima je hladniji onaj ko ima veći teleskop. Bez pretjerivanja, bavljenje astronomijom u modernoj eri je izuzetno težak zadatak, koji podsjeća na neprekidnu borbu za poboljšanje kvaliteta analize u pozadini rastućeg svjetlosnog zagađenja i drugih izvora buke.
Posljednja stvar koju astronom treba jesu hiljade svijetlih satelita koji bljeskaju u fokusu teleskopa. Zaista, originalno sazviježđe Iridium bilo je zloglasno po tome što je "cvjetalo" zbog velikih panela koji su reflektirali sunčevu svjetlost na mala područja Zemlje. Dešavalo se da su dosegnuli sjaj četvrtine Mjeseca i ponekad čak slučajno oštetili osjetljive astronomske senzore. Nije neosnovan ni strah da će Starlink upasti u radio-opsege koji se koriste u radioastronomiji.
Ako preuzmete aplikaciju za satelitsko praćenje, možete vidjeti desetke satelita kako lete nebom u vedro veče. Sateliti su vidljivi nakon zalaska sunca i prije zore, ali samo kada su obasjani sunčevim zracima. Kasnije, tokom noći, sateliti su nevidljivi u Zemljinoj senci. Maleni, izuzetno udaljeni, kreću se veoma brzo. Postoji šansa da će zamagliti udaljenu zvijezdu za manje od milisekundi, ali mislim da je čak i otkrivanje ovoga još jedan hemoroid.
Snažna zabrinutost zbog bljeska na nebu nastala je iz činjenice da je sloj satelita prvog lansiranja bio poređan blizu Zemljinog terminatora, tj. iz noći u noć Evropa - a bilo je ljeto - gledala je epsku sliku satelita koji lete nebom u večernjem sumraku. Nadalje, simulacije zasnovane na FCC izvještajima pokazale su da će sateliti u orbiti od 1150 km biti vidljivi čak i nakon što prođe astronomski sumrak. Generalno, sumrak prolazi kroz tri faze: građanski, pomorski i astronomski, tj. kada je sunce 6, 12 i 18 stepeni ispod horizonta. Na kraju astronomskog sumraka, sunčeve zrake su oko 650 km od površine u zenitu, daleko izvan atmosfere i većeg dijela niske Zemljine orbite. Na osnovu podataka iz , vjerujem da će svi sateliti biti postavljeni na visini ispod 600 km. U ovom slučaju mogu se vidjeti u sumrak, ali ne i poslije noći, što će značajno smanjiti potencijalne posljedice po astronomiju.
Treći problem su krhotine u orbiti. IN Naglasio sam da će sateliti i krhotine ispod 600 km deorbitirati u roku od nekoliko godina zbog atmosferskog otpora, što uvelike smanjuje mogućnost Kesslerovog sindroma. SpaceX se petlja okolo s prljavštinom kao da ih uopće nije briga za svemirsko smeće. Ovdje gledam detalje implementacije Starlink-a i teško mi je zamisliti bolji način za smanjenje količine otpada u orbiti.
Sateliti se lansiraju na visinu od 350 km, a zatim odlete na ugrađenim motorima u predviđenu orbitu. Svaki satelit koji umre pri lansiranju izaći će iz orbite za nekoliko sedmica, i neće se nigdje drugdje vrtjeti hiljadama godina. Ovaj plasman strateški uključuje testiranje za slobodan ulaz. Nadalje, Starlink sateliti su ravni u poprečnom presjeku, što znači da gubljenjem kontrole visine ulaze u guste slojeve atmosfere.
Malo ljudi zna da je SpaceX postao pionir u astronautici, počevši koristiti alternativne tipove montaže umjesto squibs. Praktično sve lansirne rampe koriste squibs prilikom postavljanja stepenica, satelita, radara, itd., povećavajući potencijal za krhotine. SpaceX takođe namerno derbitira gornje stepenice, sprečavajući ih da zauvek vise u svemiru, tako da se ne raspadaju i raspadaju u surovom svemirskom okruženju.
Konačno, posljednje pitanje koje bih želio spomenuti je šansa da će SpaceX zamijeniti postojeći internet monopol stvaranjem vlastitog. U svojoj niši, SpaceX je već monopolizirao lansiranja. Samo želja suparničkih vlada da dobiju zagarantovan pristup svemiru sprečava da se skupe i zastarele rakete, koje često sklapaju veliki monopolistički odbrambeni izvođači, ne raspadaju.
Nije teško zamisliti da SpaceX lansira 2030 svojih satelita godišnje u 6000, plus nekoliko špijunskih satelita za dobru mjeru. Jeftini i pouzdani SpaceX sateliti će prodavati "prostor u regalu" za uređaje trećih strana. Svaki univerzitet koji napravi kameru sposobnu za korištenje prostora može je staviti u orbitu bez potrebe da pokrije troškove izgradnje cijele svemirske platforme. Sa tako naprednim i neograničenim pristupom svemiru, Starlink je već povezan sa satelitima, dok istorijski proizvođači postaju stvar prošlosti.
Postoje primjeri u istoriji dalekovidih kompanija koje su zauzele tako veliku tržišnu nišu da su njihova imena postala poznata: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Problem može nastati kada se pionirska kompanija upusti u antikonkurentske prakse kako bi zadržala svoj tržišni udio, iako je to često bilo dopušteno još od predsjednika Reagana. SpaceX bi mogao zadržati Starlinkov monopol prisiljavajući druge programere konstelacija da lansiraju satelite na starinske sovjetske rakete. Poduzete su slične radnje , zajedno s fiksiranjem cijena za prijevoz pošte, doveo je do kolapsa 1934. Srećom, malo je vjerovatno da će SpaceX zauvijek zadržati apsolutni monopol na višekratne rakete.
Još više zabrinjava to što bi SpaceX-ovo raspoređivanje desetina hiljada satelita u niskoj orbiti moglo biti dizajnirano kao koopcija zajedničkog dobra. Privatna kompanija, u potrazi za ličnom dobiti, grabi u trajno vlasništvo nekada javne i nezauzete orbitalne pozicije. I dok su SpaceX-ove inovacije omogućile da se zaista zaradi novac u vakuumu, veliki dio SpaceX-ovog intelektualnog kapitala izgrađen je milijardama dolara u budžetima za istraživanje.
S jedne strane, potrebni su nam zakoni koji će štititi sredstva privatnih investicija, istraživanja i razvoja. Bez ove zaštite inovatori neće moći da finansiraju ambiciozne projekte ili će preseliti svoje kompanije tamo gde im se takva zaštita pruža. U svakom slučaju, javnost pati jer se ne ostvaruje profit. S druge strane, zakoni su potrebni da zaštite ljude, nominalne vlasnike javnog domena uključujući i nebo, od privatnih entiteta koji traže rentu i anektiraju javna dobra. Samo po sebi, ni jedno ni drugo nije tačno niti je moguće. Razvoj SpaceX-a pruža priliku da se pronađe sretan medij na ovom novom tržištu. Shvatićemo da je to otkriveno kada maksimiziramo učestalost inovacija i kreiranja društvenog blagostanja.
Final Thoughts
Napisao sam ovaj članak čim sam završio još jedan - . Bila je to vruća sedmica. I Starship i Starlink su revolucionarne tehnologije koje se stvaraju pred našim očima, u našim životima. Ako vidim svoje unuke kako rastu, više će se iznenaditi što sam ja stariji od Starlinka, a ne što u mom djetinjstvu nije postojao mobilni (muzejski eksponati) ili javni internet sam po sebi.
Bogati i vojska već dugo koriste satelitski internet, ali sveprisutni, generički i jeftini Starlink jednostavno nije moguć bez Starshipa.
O lansiranju se priča već dugo, ali Starship, koji je prilično jeftin i samim tim zanimljiva platforma, nemoguć je bez Starlinka.
O astronautici s ljudskom posadom se već dugo priča, a ako – onda imate zeleno svetlo. Uz Starship i Starlink, istraživanje ljudskog svemira je ostvariva, bliska budućnost, na korak od orbitalne ispostave do industrijaliziranih gradova u dubokom svemiru.
izvor: www.habr.com