Tento článek je součástí série věnované .
— Plán SpaceX distribuovat internet prostřednictvím desítek tisíc satelitů je hlavním tématem vesmírného tisku. Články o nejnovějších úspěších vycházejí každý týden. Pokud je obecně schéma jasné, a po přečtení , dobře motivovaný člověk (řekněme ten váš opravdu) dokáže vyhrabat spoustu detailů. Stále však existuje mnoho mylných představ spojených s touto novou technologií, a to i mezi osvícenými pozorovateli. Není neobvyklé vidět články porovnávající Starlink s OneWebem a Kuiperem (mimo jiné), jako by spolu soutěžily za stejných podmínek. Jiní autoři, kteří se zjevně zajímají o dobro planety, křičí o vesmírném odpadu, vesmírném zákonu, standardech a bezpečnosti astronomie. Doufám, že po přečtení tohoto poměrně dlouhého článku čtenář lépe pochopí a bude inspirován myšlenkou Starlink.
nečekaně zasáhla citlivou strunu v duších mála mých čtenářů. Vysvětlil jsem v něm, jak Starship postaví SpaceX na dlouhou dobu do popředí a zároveň poskytne prostředek pro nový průzkum vesmíru. Z toho vyplývá, že tradiční satelitní průmysl není schopen držet krok se společností SpaceX, která neustále zvyšuje kapacitu a snižuje náklady na svou rodinu raket Falcon, což staví SpaceX do obtížné pozice. Na jedné straně tvořil trh v hodnotě v lepším případě několika miliard ročně. Na druhou stranu rozdmýchala neukojitelnou chuť po penězích – na stavbu obrovské rakety, na které však není téměř koho poslat na Mars a nelze očekávat okamžitý zisk.
Řešením tohoto problému s párováním je Starlink. Sestavením a vypuštěním vlastních satelitů by SpaceX mohla vytvořit a definovat nový trh pro vysoce efektivní a demokratizovaný přístup ke komunikaci napříč vesmírem, vygenerovat finance na stavbu rakety, než potopí společnost, a zvýšit její ekonomickou hodnotu na biliony. Nepodceňujte rozsah Elonových ambicí. Existuje jen tolik bilionových odvětví: energetika, vysokorychlostní doprava, komunikace, IT, zdravotnictví, zemědělství, vláda, obrana. Navzdory běžným mylným představám, , и - podnik není životaschopný. Elon vstoupil do energetického prostoru se svou Teslou, ale pouze telekomunikace poskytnou spolehlivý a prostorný trh pro satelity a starty raket.
Elon Musk poprvé obrátil svou pozornost k vesmíru, když chtěl zdarma investovat 80 milionů dolarů do mise na pěstování rostlin na sondě Mars. Stavba města na Marsu by pravděpodobně stála 100 000krát více, takže Starlink je hlavní Muskovou sázkou na poskytnutí záplavy tolik potřebných sponzorských peněz .
Za co?
Tento článek jsem plánovala už dlouho, ale až minulý týden jsem si udělala ucelený obrázek. Poté prezidentka SpaceX Gwynne Shotwell poskytla Robu Baronovi úžasný rozhovor, který později poskytl pro CNBC ve skvělém Michael Sheetz, a komu byl věnován . Tento rozhovor ukázal obrovský rozdíl v přístupech k satelitní komunikaci mezi SpaceX a všemi ostatními.
Koncepce se zrodila v roce 2012, kdy si SpaceX uvědomila, že její zákazníci – především poskytovatelé satelitů – mají obrovské finanční rezervy. Startovací stránky zvyšují ceny za rozmístění satelitů a jaksi přicházejí o jeden krok v práci – jak je to možné? Elon snil o vytvoření satelitní konstelace pro internet, a protože nebyl schopen odolat téměř nemožnému úkolu, zahájil proces. Vývoj Starlink , ale na konci tohoto článku budete pravděpodobně vy, můj čtenář, překvapeni, jak malé tyto obtíže vlastně jsou - vzhledem k rozsahu myšlenky.
Je vůbec tak obrovské seskupení pro internet nutné? A proč teď?
Jen v mé paměti se internet proměnil z čistě akademického hýčkání v první a jedinou revoluční infrastrukturu. Není to téma, které by si zasloužilo celý článek, ale tipl bych si, že celosvětově bude potřeba internetu a příjmy, které generuje, nadále růst zhruba o 25 % ročně.
Dnes téměř každý z nás získává internet od malého počtu geograficky izolovaných monopolů. V USA si AT&T, Time Warner, Comcast a hrstka menších hráčů rozdělili území, aby se vyhnuli konkurenci, účtují si tři skiny za služby a vyhřívají se v paprscích téměř univerzální nenávisti.
Existuje dobrý důvod pro to, aby poskytovatelé byli nekonkurenceschopní – kromě všestranné chamtivosti. Budování infrastruktury pro internet – mikrovlnné věže buněk a optická vlákna – je velmi, velmi nákladné. Je snadné zapomenout na úžasnou povahu internetu. Moje babička šla nejprve pracovat do druhé světové války jako spojka, ale telegraf pak soupeřil o vedoucí strategickou roli s poštovními holuby! Informační superdálnice je pro většinu z nás něco pomíjivého, nehmotného, ale kousky putují fyzickým světem, který má hranice, řeky, hory, oceány, bouře, přírodní katastrofy a další překážky. V roce 1996, kdy byla na dně oceánu položena první optická linka, . Ve svém charakteristickém ostrém stylu živě popisuje naprostou cenu a složitost kladení těchto linek, po kterých se pak stále řítí ty zatracené „kotegy“. Po většinu roku 2000 bylo nataženo tolik kabelů, že náklady na nasazení byly ohromující.
Svého času jsem pracoval v optické laboratoři a (pokud mě paměť neklame) překonali tehdejší rekord s přenosovou rychlostí multiplexu 500 Gb/s. Elektronická omezení umožnila zatížit každé vlákno na 0,1 % jeho teoretické kapacity. O patnáct let později jsme připraveni překročit práh: pokud přenos dat překročí tuto hranici, vlákno se roztaví, a to už jsme velmi blízko.
Potřebujeme ale pozvednout tok dat nad hříšnou Zemi – do vesmíru, kde satelit nerušeně obíhá „kouli“ 30 000krát za pět let. Zdálo by se to jako samozřejmé řešení – tak proč to nikdo nepřijal dříve?
Satelitní konstelace Iridium, vyvinutá a rozmístěná na počátku 1990. let společností Motorola (pamatujete si je?), se stala první globální komunikační sítí na nízké oběžné dráze (jak je lákavě popsáno v ). V době, kdy byl nasazen, se ukázalo, že specializovaná schopnost směrovat malé pakety dat ze sledovačů majetku je jeho jediným využitím: mobilní telefony se staly tak levnými, že satelitní telefony nikdy nevzlétly. Iridium mělo 66 satelitů (plus pár náhradních) na 6 oběžných drahách – minimum nastavené na pokrytí celé planety.
Pokud Iridium potřebovalo 66 satelitů, proč tedy SpaceX potřebuje desítky tisíc? Jak je to tak odlišné?
SpaceX do tohoto byznysu vstoupilo z opačného konce – začalo to starty. Stal se průkopníkem v oblasti konzervace nosných raket a získal tak trh s nízkonákladovými odpalovacími rampami. Pokusit se je přebít nižší cenou vám mnoho peněz nepřinese, takže jediný způsob, jak z jejich přebytku moci nějak profitovat, je stát se jejich zákazníkem. Náklady SpaceX na vypouštění vlastních satelitů - (na 1 kg) Iridium, a proto jsou schopny vstoupit na výrazně širší trh.
Celosvětové pokrytí Starlinkem poskytne přístup k vysoce kvalitnímu internetu kdekoli na světě. Poprvé nebude dostupnost internetu záviset na blízkosti země nebo města k optické lince, ale na čistotě oblohy nad nimi. Uživatelé po celém světě budou mít přístup k neomezenému globálnímu internetu bez ohledu na jejich vlastní různé stupně zla a/nebo hanebných vládních monopolů. Schopnost Starlinku prolomit tyto monopoly bude katalyzovat pozitivní změny v neuvěřitelném měřítku, které nakonec sjednotí miliardy lidí v globální kybernetické komunitě budoucnosti.
Krátká lyrická odbočka: co to vůbec znamená?
Pro lidi vyrůstající v dnešní době všudypřítomné konektivity je internet jako vzduch, který dýcháme. On prostě je. Jenže tohle – když zapomeneme na jeho neuvěřitelnou sílu přinášet pozitivní změny – a to už jsme v jeho samém středu. S pomocí internetu mohou lidé pohnat své vůdce k odpovědnosti, komunikovat s ostatními lidmi na druhém konci světa, sdílet myšlenky a vymýšlet něco nového. Internet spojuje lidstvo. Historie modernizace je historií rozvoje schopností výměny dat. Za prvé - prostřednictvím promluv a epické poezie. Pak - písemně, které dává hlas mrtvým a oni se obracejí k živým; zápis umožňuje ukládání dat a umožňuje asynchronní komunikaci. Tištěný tisk uvedl produkci zpráv do proudu. Elektronická komunikace – zrychlila přenos dat po celém světě. Zařízení na psaní osobních poznámek se postupně stávají složitějšími, vyvíjejí se z notebooků na mobilní telefony, z nichž každý je počítač připojený k internetu, nacpaný senzory a každý den se zdokonaluje v předvídání našich potřeb.
Člověk, který v procesu poznávání používá psaní a počítač, má větší šanci překonat omezení nedokonale vyvinutého mozku. Ještě lepší je, že mobilní telefony jsou výkonná paměťová zařízení i mechanismus pro výměnu nápadů. Zatímco dříve se lidé při sdílení svých myšlenek spoléhali na řeč načmáranou do poznámkových bloků, dnes je normou poznámkové bloky sdílet nápady, které lidé vytvořili. Tradiční schéma prošlo inverzí. Logickým pokračováním procesu je určitá forma kolektivní metakognice prostřednictvím osobních zařízení, a vzájemně propojeny. A i když jsme stále nostalgičtí po ztraceném spojení s přírodou a samotou, je důležité si uvědomit, že technologie a technologie samotné jsou zodpovědné za lví podíl na našem osvobození od „přirozených“ cyklů nevědomosti, předčasné smrti (která může být vyhnout se), násilí, hlad a zubní kaz.
Jak?
Pojďme se bavit o obchodním modelu a architektuře projektu Starlink.
Aby se Starlink stal ziskovým podnikem, musí příliv finančních prostředků převýšit náklady na výstavbu a provoz. Kapitálové investice tradičně zahrnují vyšší počáteční náklady, sofistikované specializované mechanismy financování a pojištění pro vypuštění satelitu. Geostacionární komunikační satelit může stát 500 milionů dolarů a jeho sestavení a vypuštění trvá 5 let. Společnosti v tomto oboru proto současně staví tryskové lodě nebo kontejnerové lodě. Obrovské výdaje, příliv financí, který sotva pokryje náklady na financování, a relativně malý provozní rozpočet. Oproti tomu pád původního Iridia spočíval v tom, že Motorola donutila operátora platit ochromující licenční poplatky, čímž podnik během několika měsíců zkrachoval.
Aby mohly tento druh podnikání provádět, musely tradiční satelitní společnosti obsluhovat soukromé zákazníky a účtovat vysoké přenosové rychlosti. Letecké společnosti, vzdálené základny, lodě, válečné zóny a klíčová infrastruktura platí asi 5 USD za MB, což je 1krát dražší než tradiční ADSL, a to i přes latenci a relativně nízkou propustnost satelitů.
Starlink plánuje konkurovat poskytovatelům pozemních služeb, což znamená, že bude muset dodávat data levněji a v ideálním případě účtovat mnohem méně než 1 dolar za 1 MB. Je to možné? Nebo, protože je to možné, měli bychom se ptát: jak je to možné?
První ingrediencí nového pokrmu je levný start. Dnes Falcon prodává 24tunový start za zhruba 60 milionů dolarů, což je 2500 1 dolarů za 4 kg. Ukazuje se však, že vnitřních nákladů je mnohem více. Satelity Starlink budou vypouštěny na znovupoužitelných nosných raketách, takže mezní náklady na jeden start jsou náklady na nový druhý stupeň (asi 1 miliony dolarů), aerodynamické kryty (1 milion) a pozemní podporu (~ 100 milion). Celkem: asi 1000 tisíc dolarů za satelit, tzn. více než XNUMXkrát levnější než vypuštění konvenčního komunikačního satelitu.
Většina satelitů Starlink však bude vypuštěna na lodi Starship. Vývoj Starlinku, jak ukazují aktualizované zprávy pro FCC, skutečně některé poskytuje vnitřní architektura projektu. Celkový počet satelitů v souhvězdí vzrostl z 1 584 na 2 825, poté na 7 518 a nakonec na 30 000. Pokud lze věřit hrubým akumulacím, je toto číslo ještě vyšší. Minimální počet satelitů pro první fázi vývoje, aby byl projekt životaschopný, je 60 na 6 oběžných drahách (celkem 360), zatímco plné pokrytí v rámci 53 stupňů od rovníku vyžaduje 24 obletů 60 satelitů (celkem 1440 24). To je 150 startů pro Falcon za pouhých 400 milionů dolarů v interních nákladech. Starship je na druhou stranu navržen tak, aby vypustil až 5 satelitů najednou, za přibližně stejnou cenu. Satelity Starlink budou muset být vyměněny každých 6000 let, takže 15 100 satelitů by vyžadovalo 15 startů Starship za rok. Vyjde to na nějakých 227 milionů/rok, nebo 320 tisíc/satelit. Každá družice vypuštěná na Falconu váží XNUMX kg; satelity zvednuté na hvězdné lodi mohly vážit XNUMX kg a nést přístroje třetích stran, být o něco větší a přesto nepřekračovat povolené zatížení.
Z čeho se skládají náklady na satelity? Mezi jejich bratry jsou satelity Starlink poněkud neobvyklé. Skládají se, skladují a spouštějí naplocho, a proto je lze extrémně snadno sériově vyrábět. Zkušenosti ukazují, že výrobní náklady by měly být přibližně stejné jako náklady na odpalovací zařízení. Pokud je rozdíl v ceně velký, znamená to, že zdroje jsou alokovány nesprávně, protože komplexní snížení mezních nákladů při současném snížení nákladů není tak velké. Je opravdu možné zaplatit 100 tisíc dolarů za satelit za první várku několika stovek? Jinými slovy, není satelit Starlink v zařízení o nic složitější než stroj?
Abychom na tuto otázku plně odpověděli, musíme pochopit, proč jsou náklady na komunikační satelit na oběžné dráze 1000krát vyšší, i když není 1000krát složitější. Zjednodušeně řečeno, proč je vesmírný hardware tak drahý? Existuje pro to mnoho důvodů, ale nejpřesvědčivější je v tomto případě tento: stojí-li vypuštění satelitu na oběžnou dráhu (před Falconem) více než 100 milionů, musí být zaručeno, že bude fungovat po mnoho let, aby přinesl alespoň zisk. Zajištění takové spolehlivosti v provozu prvního a jediného produktu je bolestivý proces, který se může táhnout roky a vyžaduje úsilí stovek lidí. Přidejte k tomu náklady a je snadné ospravedlnit dodatečné procesy, když už je jejich spuštění nákladné.
Starlink narušuje toto paradigma tím, že staví stovky satelitů, rychle opravuje rané konstrukční nedostatky a používá techniky hromadné výroby ke kontrole nákladů. Osobně si snadno dovedu představit montážní linku Starlink, kde technik začlení něco nového do designu a během hodiny nebo dvou drží vše pohromadě plastovou kravatou (samozřejmě úroveň NASA) při zachování požadované úrovně výměny 16 satelitů/den. Družice Starlink se skládá z mnoha složitých částí, ale nevidím důvod, proč by se náklady na tisící jednotku sjíždějící z montážní linky nemohly snížit na 20 tis.. Elon totiž v květnu na Twitteru napsal, že náklady na výrobu družice jsou již nižší než náklady na spuštění .
Vezměme průměrný případ a analyzujme dobu návratnosti zaokrouhlením čísel. Jedna družice Starlink, jejíž složení a vypuštění stojí 100 tisíc, vydrží 5 let. Zaplatí se to samo, a pokud ano, jak brzy?
Za 5 let obletí satelit Starlink Zemi 30 000krát. Na každém z těchto jedenapůlhodinových obletů stráví většinu času nad oceánem a možná 100 sekund nad hustě obydleným městem. Během tohoto krátkého okna vysílá data a spěchá vydělat peníze. Za předpokladu, že anténa podporuje 100 paprsků a každý paprsek přenáší 100 Mbps pomocí moderního typu kódování , pak satelit generuje zisk 1000 1 USD na oběžné dráze – s předplatitelskou cenou 1 USD za 100 GB. To stačí na to, aby se za týden vrátily náklady na nasazení 29 tisíc a výrazně to zjednoduší kapitálovou strukturu. Zbývajících 900 XNUMX obratů je zisk mínus fixní náklady.
Odhadovaná čísla se mohou značně lišit v obou směrech. Ale v každém případě, pokud jste schopni vypustit kvalitní konstelaci satelitů na nízkou oběžnou dráhu za 100 000 - nebo dokonce za 1 milion na jednotku - je to vážný požadavek. I přes směšně krátkou dobu používání je satelit Starlink schopen doručit 30 PB dat během své životnosti – při amortizované ceně 0,003 $ za GB. Přitom při přenosu na větší vzdálenosti mezní náklady prakticky nerostou.
Abychom pochopili význam tohoto modelu, pojďme jej rychle porovnat se dvěma dalšími modely pro doručování dat spotřebitelům: tradičním optickým kabelem a satelitní konstelací nabízenou společností, která se nespecializuje na vypouštění satelitů.
, spojující Francii a Singapur, byla uvedena do provozu v roce 2005. Šířka pásma – 1,28 Tb/s, náklady na nasazení – 500 milionů dolarů. Pokud funguje na 10 % kapacity po dobu 100 let a režijní náklady dosahují 100 % kapitálových nákladů, bude cena převodu 0,02 USD za 1 GB. Transatlantické kabely jsou kratší a o něco levnější, ale podmořský kabel je jen jednou entitou v dlouhém řetězci lidí, kteří chtějí peníze za data. Průměrný odhad pro Starlink vychází 8x levněji a přitom jsou all inclusive.
Jak je tohle možné? Satelit Starlink obsahuje veškerý sofistikovaný elektronický přepínací hardware potřebný pro připojení optických kabelů, ale k přenosu dat používá vakuum místo drahého, křehkého drátu. Přenos prostorem snižuje počet útulných a skomírajících monopolů, což uživatelům umožňuje komunikovat prostřednictvím ještě menšího množství hardwaru.
Srovnejme s konkurenčním satelitním vývojářem OneWeb. OneWeb plánuje vytvořit konstelaci 600 satelitů, které vypustí prostřednictvím komerčních dodavatelů za cenu přibližně 20 000 USD za 1 kg. Hmotnost jedné družice je 150 kg, t.j. v ideálním stavu bude vypuštění jedné jednotky přibližně 3 mil. Náklady na hardware družice se odhadují na 1 mil. na družici, tzn. do roku 2027 budou náklady celé skupiny 2,6 mld. Testy provedené OneWebem ukázaly propustnost 50 Mb/s. na vrcholu, ideálně pro každý ze 16 paprsků. Podle stejného vzoru, který jsme použili pro výpočet nákladů na Starlink, dostáváme: každý satelit OneWeb generuje 80 $ na oběžné dráze a za pouhých 5 let přinese 2,4 milionu $ - sotva pokryje náklady na start, pokud počítáte také přenos dat do vzdálených regionů. . Celkem dostaneme 1,70 $ za 1 GB.
Nedávno to prohlásila Gwynne Shotwellová , což znamená konkurenční cenu 0,10 $ za 1 GB. A to je stále s původní konfigurací Starlink: s méně optimalizovanou výrobou, startem na Falconu a omezeními v přenosu dat - a pouze s pokrytím severních USA. Ukazuje se, že SpaceX má nepopiratelnou výhodu: dnes může vypustit mnohem vhodnější satelit za cenu (za jednotku) 15krát nižší než jejich konkurenti. Starship zvýší náskok 100krát, ne-li více, takže není těžké si představit, že SpaceX do roku 2027 vypustí 30 000 satelitů za méně než 1 miliardu dolarů, z nichž většinu zajistí z vlastní peněženky.
Jsem si jistý, že existují optimističtější analýzy týkající se OneWeb a dalších začínajících vývojářů satelitních konstelací, ale zatím nevím, jak to u nich funguje.
Nedávno Morgan Stanley že satelity Starlink budou stát 1 milion na montáž a 830 tisíc na vypuštění. . Zajímavé je, že čísla jsou podobná našim odhadům nákladů OneWeb a jsou zhruba 10krát vyšší než původní odhad Starlink. Použití Starship a komerční produkce satelitů by mohlo snížit náklady na rozmístění satelitu na přibližně 35 XNUMX/jednotku. A to je překvapivě nízké číslo.
Posledním bodem je porovnání zisku na 1 Watt solární energie vyrobené pro Starlink. Podle fotek na jejich webu má solární pole každého satelitu plochu cca 60 metrů čtverečních, tzn. v průměru generuje přibližně 3 kW nebo 4,5 kWh na otáčku. Podle hrubého odhadu bude každá oběžná dráha generovat 1000 220 USD a každý satelit bude generovat přibližně 10 USD za kWh. To je 000 XNUMXnásobek velkoobchodních nákladů na solární energii, což opět potvrzuje: . A modulace mikrovln pro přenos dat představuje přemrštěné dodatečné náklady.
architektura
V předchozí části jsem spíše zhruba představil netriviálně významnou část architektury Starlink – jak pracuje s extrémně nerovnoměrnou hustotou osídlení planety. Satelit Starlink vysílá soustředěné paprsky, které vytvářejí skvrny na povrchu planety. Předplatitelé v rámci spotu sdílejí jednu šířku pásma. Velikost skvrny je určena základní fyzikou: zpočátku je její šířka (výška satelitu x délka mikrovlnné trouby / průměr antény), což je pro satelit Starlink v nejlepším případě několik kilometrů.
Ve většině měst je hustota osídlení přibližně 1000 osob/km100, i když v některých místech je vyšší. V některých oblastech Tokia nebo Manhattanu může být na jednom místě více než 000 XNUMX lidí. Naštěstí každé takto hustě osídlené město má konkurenční domácí trh pro širokopásmový internet, nemluvě o vysoce rozvinuté mobilní telefonní síti. Ale ať je to jak chce, pokud je v daném okamžiku nad městem mnoho satelitů stejné konstelace, propustnost lze zvýšit prostorovou diverzitou antén a také rozložením frekvencí. Jinými slovy, desítky satelitů mohou zaměřit nejsilnější paprsek na jeden bod a uživatelé v tomto regionu budou používat pozemní terminály, které distribuují požadavek mezi satelity.
Pokud jsou v počátečních fázích nejvhodnějším trhem pro prodej služeb odlehlé, venkovské nebo příměstské oblasti, pak prostředky na další spuštění pocházejí z lepších služeb pro hustě obydlená města. Scénář je přesným opakem standardního modelu expanze trhu, ve kterém konkurenční služby zaměřené na města nevyhnutelně trpí klesajícími zisky, když se snaží expandovat do chudších a méně osídlených oblastí.
Před několika lety, když jsem prováděl výpočty, .
Vzal jsem data z tohoto obrázku a vytvořil 3 níže uvedené grafy. První ukazuje četnost rozlohy země podle hustoty osídlení. Nejzajímavější je, že většina Země není vůbec obydlena, přičemž prakticky žádný region nemá více než 100 lidí na kmXNUMX.
Druhý graf ukazuje četnost lidí podle hustoty osídlení. A přestože je většina planety neobydlená, většina lidí žije v oblastech, kde je 100–1000 lidí na km100. Rozšířený charakter tohoto vrcholu (řádově větší) odráží bimodalitu v urbanizačních vzorcích. 1000 osob/km10. je relativně řídce osídlená venkovská oblast, přičemž číslo 000 lidí/km25. již charakteristická pro předměstí. Městská centra snadno vykazují 000 XNUMX lidí/kmXNUMX, ale populace Manhattanu je XNUMX XNUMX lidí/kmXNUMX.
Třetí graf ukazuje hustotu obyvatelstva podle zeměpisné šířky. Je vidět, že téměř všichni lidé jsou soustředěni mezi 20 a 40 stupni severní šířky. To je vesměs to, co se stalo geograficky a historicky, protože obrovskou část jižní polokoule zabírá oceán. A přesto je taková hustota obyvatelstva pro architekty skupiny skličující výzvou, protože... Satelity tráví stejné množství času na obou hemisférách. Navíc družice obíhající kolem Země pod úhlem řekněme 50 stupňů stráví více času blíže specifikovaným hranicím zeměpisné šířky. To je důvod, proč Starlink vyžaduje pouze 6 oběžných drah, aby obsluhoval severní USA, ve srovnání s 24 oběhy na pokrytí rovníku.
Pokud spojíte graf hustoty zalidnění s grafem hustoty souhvězdí satelitu, výběr oběžných drah bude zřejmý. Každý sloupcový graf představuje jedno ze čtyř podání FCC společnosti SpaceX. Osobně se mi zdá, že každá nová zpráva je jako doplněk k předchozí, ale v každém případě není těžké vidět, jak další satelity zvyšují kapacitu nad odpovídajícími oblastmi na severní polokouli. Naproti tomu nad jižní polokoulí zůstává značná nevyužitá kapacita – radujte se, Austrálie!
Co se stane s uživatelskými daty, když dosáhnou satelitu? V původní verzi je satelit Starlink okamžitě vysílal zpět na vyhrazenou pozemní stanici v blízkosti servisních oblastí. Tato konfigurace se nazývá "přímé relé". V budoucnu budou satelity Starlink schopny mezi sebou komunikovat prostřednictvím laseru. Výměna dat bude vrcholit nad hustě obydlenými městy, ale data mohou být distribuována přes síť laserů ve dvou rozměrech. V praxi to znamená, že existuje obrovská příležitost pro skrytou komunikační páteřní síť v síti satelitů, což znamená, že uživatelská data mohou být „znovu vyslána na Zemi“ na jakémkoli vhodném místě. V praxi se mi zdá, že pozemní stanice SpaceX budou kombinovány s mimo města.
Ukazuje se, že komunikace mezi satelity není triviální úkol, pokud se satelity nepohybují společně. Nejnovější zprávy pro FCC hlásí 11 různých orbitálních konstelací satelitů. V rámci dané skupiny se satelity pohybují ve stejné výšce, pod stejným úhlem a se stejnou excentricitou, což znamená, že lasery mohou relativně snadno najít satelity v těsné blízkosti. Ale uzavírací rychlosti mezi skupinami se měří v km/s, takže komunikace mezi skupinami, pokud je to možné, musí být prováděna prostřednictvím krátkých, rychle ovladatelných mikrovlnných spojů.
Topologie orbitálních grup je jako vlnově-částicová teorie světla a na náš příklad se nijak zvlášť nevztahuje, ale myslím si, že je krásná, a tak jsem ji do článku zahrnul. Pokud vás tato sekce nezajímá, přeskočte rovnou na „Meze základní fyziky“.
Torus – nebo kobliha – je matematický objekt definovaný dvěma poloměry. Nakreslit kruhy na povrch torusu je docela jednoduché: rovnoběžné nebo kolmé k jeho tvaru. Možná bude zajímavé zjistit, že existují dvě další rodiny kruhů, které lze nakreslit na povrch torusu, přičemž obě procházejí otvorem v jeho středu a kolem obrysu. Jedná se o tzv a tento design jsem použil, když jsem v roce 2015 navrhoval toroid pro cívku Burning Man Tesla.
A i když jsou oběžné dráhy satelitů, přísně vzato, spíše elipsy než kruhy, stejný design platí pro Starlink. Souhvězdí 4500 XNUMX satelitů na více orbitálních rovinách, všechny pod stejným úhlem, tvoří souvisle se pohybující útvar nad zemským povrchem. Formace směřující k severu nad daným bodem zeměpisné šířky se otočí a přesune zpět na jih. Aby se předešlo srážkám, oběžné dráhy budou mírně prodlouženy, takže vrstva pohybující se na sever bude několik kilometrů nad (nebo pod) vrstvou pohybující se na jih. Obě tyto vrstvy dohromady tvoří vyfouknutý torus, jak je znázorněno níže na velmi přehnaném diagramu.
Dovolte mi připomenout, že v rámci tohoto torusu probíhá komunikace mezi sousedními satelity. Obecně řečeno, neexistují žádná přímá a souvislá spojení mezi satelity v různých vrstvách, protože uzavírací rychlosti pro laserové navádění jsou příliš vysoké. Cesta přenosu dat mezi vrstvami zase prochází nad nebo pod torusem.
Celkem 30 000 satelitů bude umístěno v 11 vnořených tori, daleko za oběžnou dráhou ISS! Tento diagram ukazuje, jak jsou všechny tyto vrstvy zabaleny, bez přehnané excentricity.
Nakonec byste se měli zamyslet nad optimální výškou letu. Existuje dilema: nízká nadmořská výška, která poskytuje větší propustnost s menšími velikostmi paprsků, nebo vysoká nadmořská výška, která vám umožní pokrýt celou planetu s menším počtem satelitů? Postupem času zprávy FCC od SpaceX hovořily o stále nižších nadmořských výškách, protože jak se Starship zlepšuje, umožňuje rychle rozmístit větší konstelace.
Nízká nadmořská výška má další výhody, včetně sníženého rizika srážky s vesmírným odpadem nebo negativních důsledků selhání zařízení. Kvůli zvýšenému atmosférickému odporu shoří níže položené satelity Starlink (330 km) během týdnů po ztrátě kontroly nad polohou. 300 km je skutečně nadmořská výška, ve které satelity téměř nelétají, a udržování nadmořské výšky bude vyžadovat vestavěný elektrický raketový motor Krypton a také efektivní konstrukci. Teoreticky může docela špičatý satelit poháněný elektrickým raketovým motorem stabilně udržovat výšku 160 km, ale SpaceX pravděpodobně nevypustí satelity tak nízko, protože má v rukávu několik dalších triků na zvýšení kapacity.
Omezení základní fyziky
Zdá se nepravděpodobné, že náklady na hostování satelitu někdy klesnou mnohem pod 35 tisíc, i když je výroba pokročilá a plně automatizovaná a lodě Starship jsou zcela znovu použitelné, a ještě není zcela známo, jaká omezení fyzika na satelit uvalí. . Výše uvedená analýza předpokládá špičkovou propustnost 80 Gbps. (pokud zaokrouhlíte na 100 paprsků, z nichž každý je schopen přenášet 100 Mbps).
Limit maximální kapacity kanálu je nastaven na a je uveden ve statistice šířky pásma (1+SNR). Šířka pásma je často omezená , zatímco SNR je dostupná energie satelitu, šum na pozadí a rušení na kanálu způsobené . Další významnou překážkou je rychlost zpracování. Nejnovější Xilinx Ultrascale+ FPGA mají , což je dobré vzhledem k současným omezením informační kapacity kanálu bez vývoje vlastních ASIC. Ale i tak 58 Gb/sec. bude vyžadovat působivou distribuci frekvencí, s největší pravděpodobností v pásmech Ka nebo V. V (40–75 GHz) má dostupnější cykly, ale podléhá větší absorpci atmosférou, zejména ve vlhkých oblastech.
Je 100 paprsků praktických? Tento problém má dva aspekty: šířka svazku a hustota prvků fázového pole. Šířka paprsku je určena vlnovou délkou dělenou průměrem antény. Digitální sfázovaná anténa je stále specializovanou technologií, ale maximální užitečné rozměry jsou určeny šířkou (cca 1 m) a použití radiofrekvenční komunikace je dražší. Šířka vlny v Ka-pásmu je asi 1 cm, zatímco šířka paprsku by měla být 0,01 radiánu - se šířkou spektra na 50 % amplitudy. Za předpokladu prostorového úhlu paprsku 1 steradián (podobně jako pokrytí objektivu 50mm kamery), pak by v této oblasti stačilo 2500 jednotlivých paprsků. Linearita znamená, že 2500 paprsků by vyžadovalo minimálně 2500 anténních prvků v poli, což je v zásadě možné, i když je obtížné dosáhnout. A to vše bude velmi horké!
Až 2500 kanálů, z nichž každý podporuje 58 Gb/s, je obrovské množství informací – zhruba řečeno pak 145 Tb/s. Pro srovnání veškerý internetový provoz v roce 2020 . Dobrá zpráva pro ty, kteří se obávají zásadně nízké šířky pásma satelitního internetu. Pokud bude konstelace 30 000 satelitů zprovozněna do roku 2026, bude globální internetový provoz potenciálně činit 800 Tb/s. Pokud by polovinu této kapacity dodávalo ~500 satelitů v hustě obydlených oblastech v kteroukoli danou chvíli, pak by špičková propustnost na satelit byla přibližně 800 Gbps, což je 10krát více než naše původní základní výpočty, tj. příliv financí se potenciálně zvýší 10krát.
U satelitu na oběžné dráze 330 kilometrů pokrývá paprsek 0,01 radiánu plochu 10 km čtverečních. Ve zvláště hustě obydlených oblastech, jako je Manhattan, žije v této oblasti až 300 000 lidí. Co když všichni začnou sledovat Netflix najednou (7 Mbps v HD kvalitě)? Celkový požadavek na data bude 2000 GB/s, což je přibližně 35násobek současného přísného limitu stanoveného sériovým rozhraním FPGA. Z této situace existují dvě cesty, z nichž pouze jedna je fyzicky možná.
Prvním z nich je umístit na oběžnou dráhu více satelitů, aby jich v daný okamžik bylo více než 35 visících nad oblastmi vysoké poptávky. Pokud opět vezmeme 1 steradián pro přijatelnou adresovatelnou oblast oblohy a průměrnou výšku oběžné dráhy 400 km, dostaneme hustotu seskupení 0,0002 / km čtvereční, nebo 100 000 celkem - pokud jsou rovnoměrně rozloženy celý povrch zeměkoule. Připomeňme, že zvolené oběžné dráhy SpaceX dramaticky zvyšují pokrytí hustě osídlených oblastí v rozmezí 20-40 stupňů severní šířky a nyní se počet 30 000 satelitů zdá magický.
Druhá myšlenka je mnohem chladnější, ale bohužel nerealizovatelná. Připomeňme, že šířka paprsku je určena šířkou sfázované antény. Co kdyby více polí na více satelitech spojilo energii a vytvořilo užší paprsek - stejně jako radioteleskopy, jako je tento? (velmi velký anténní systém)? Tato metoda přichází s jednou komplikací: základ mezi satelity bude nutné pečlivě vypočítat – se submilimetrovou přesností – aby se stabilizovala fáze paprsku. A i kdyby to bylo možné, je nepravděpodobné, že by výsledný paprsek obsahoval postranní laloky, kvůli nízké hustotě souhvězdí satelitu na obloze. Na zemi by se šířka paprsku zúžila na několik milimetrů (dost na sledování antény mobilního telefonu), ale kvůli slabému střednímu vynulování by jich byly miliony. Děkuji .
Ukazuje se, že oddělení kanálů úhlovou diverzitou – koneckonců, satelity jsou rozmístěny po obloze – poskytuje adekvátní zlepšení propustnosti, aniž by došlo k porušení fyzikálních zákonů.
přihláška
Co je to zákaznický profil Starlink? Standardně jde o stovky milionů uživatelů s anténami o velikosti krabic od pizzy na střechách, ale existují i jiné zdroje vysokých příjmů.
V odlehlých a venkovských oblastech nepotřebují pozemní stanice k maximalizaci šířky paprsku sfázované antény, takže jsou možná menší předplatitelská zařízení, od zařízení pro sledování IoT po ruční satelitní telefony, nouzové majáky nebo vědecké nástroje pro sledování zvířat.
V hustém městském prostředí bude Starlink poskytovat primární a záložní páteřní připojení k mobilní síti. Každá mobilní věž by mohla mít navrchu vysoce výkonnou pozemní stanici, ale pro zesílení a přenos na poslední míli použijte pozemní napájecí zdroje.
Konečně, dokonce i v přeplněných oblastech během počátečního zavedení jsou možné aplikace pro satelity na nízké oběžné dráze s výjimečně nízkou latencí. Samotné finanční společnosti vám do rukou vkládají nemalé peníze – jen aby se alespoň o něco rychleji dostaly zásadní údaje ze všech koutů světa. A i když data přes Starlink mají delší cestu než obvykle – vesmírem – rychlost šíření světla ve vakuu je o 50 % vyšší než v křemenném skle, a to více než vyrovnává rozdíl při přenosu na delší vzdálenosti.
Negativní účinky
Poslední část se zabývá negativními důsledky. Účelem tohoto článku je očistit vás od jakýchkoli mylných představ o projektu a potenciální negativní důsledky kontroverze jsou nejvíce znepokojivé. Uvedu pár informací, zdržím se zbytečného výkladu. Stále nejsem jasnovidec a nemám žádné zasvěcené ze SpaceX.
Podle mého názoru má nejzávažnější důsledky zvýšený přístup k internetu. Dokonce i v mém rodném městě Pasadeně, pulzujícím a technicky vyspělém městě s více než milionem lidí, které je domovem několika observatoří, univerzity světové úrovně a velkého zařízení NASA, jsou možnosti, pokud jde o internetové služby, omezené. V USA a ve zbytku světa se internet stal veřejnou službou, která hledá nájem, přičemž ISP se jen snaží vydělat svých 50 milionů dolarů měsíčně v útulném, nekonkurenčním prostředí. Možná je jakákoli služba dodávaná do bytů a obytných domů komunální službou, ale kvalita internetových služeb je méně stejná než u vody, elektřiny nebo plynu.
Problémem současného stavu je, že na rozdíl od vody, elektřiny nebo plynu je internet stále mladý a rychle roste. Neustále pro něj nacházíme nové využití. Nejrevolučnější věci musí být teprve objeveny, ale plány balíčků potlačují možnost konkurence a inovací. Miliardy lidí zůstaly pozadu kvůli okolnostem narození nebo proto, že jejich země je příliš daleko od trasy podmořského kabelu. Internet je stále dodáván do velkých oblastí planety pomocí geostacionárních satelitů za vyděračské ceny.
Starlink, který nepřetržitě distribuuje internet z nebe, tento model porušuje. Zatím neznám žádný lepší způsob, jak připojit miliardy lidí k internetu. SpaceX je na dobré cestě stát se poskytovatelem internetových služeb a potenciálně i internetovou společností, která konkuruje Googlu a Facebooku. Vsadím se, že jsi o tom nepřemýšlel.
Není zřejmé, že satelitní internet je nejlepší volbou. SpaceX a jen SpaceX je schopna rychle vytvořit rozsáhlou konstelaci satelitů, protože jen ona strávila deset let prolomením vládního a vojenského monopolu na starty kosmických lodí. I kdyby Iridium předstihlo mobilní telefony na trhu desetinásobně, stále by nedosáhlo širokého přijetí pomocí tradičních startovacích plošin. Bez SpaceX a jejího jedinečného obchodního modelu je velká šance, že by se globální satelitní internet prostě nikdy neuskutečnil.
Druhá velká rána bude pro astronomii. Po vypuštění prvních 60 satelitů Starlink se zvedla vlna kritiky ze strany mezinárodní astronomické komunity, že mnohonásobně zvýšený počet satelitů jim zablokuje přístup na noční oblohu. Říká se: mezi astronomy je ten s největším dalekohledem nejlepší. Bez nadsázky je astronomie v moderní době skličující úkol, který připomíná neustálý boj o zlepšení kvality analýz na pozadí rostoucího světelného znečištění a dalších zdrojů hluku.
Poslední věc, kterou astronom potřebuje, jsou tisíce jasných satelitů blikajících v ohnisku dalekohledu. První souhvězdí Iridium si skutečně získalo proslulost produkováním „vzplanutí“ díky velkým panelům, které odrážely sluneční světlo na malé oblasti Země. Stávalo se, že dosáhly jasnosti čtvrtiny Měsíce a někdy i omylem poškodily citlivé astronomické senzory. Obavy, že Starlink napadne rádiová pásma používaná v radioastronomii, také nejsou neopodstatněné.
Pokud si stáhnete aplikaci pro satelitní sledování, můžete za jasného večera vidět na obloze létat desítky satelitů. Satelity jsou viditelné po západu slunce a před svítáním, ale pouze tehdy, když jsou osvětleny slunečními paprsky. Později v noci jsou satelity neviditelné v zemském stínu. Drobní, extrémně vzdálení, pohybují se velmi rychle. Existuje šance, že zakryjí vzdálenou hvězdu na méně než milisekundu, ale myslím si, že i když to odhalí, bude to hemoroid.
Silné obavy o osvětlení oblohy vyplynuly ze skutečnosti, že vrstva satelitů prvního startu byla postavena blízko zemského terminátoru, tj. Noc co noc Evropa – a bylo léto – sledovala epický snímek satelitů prolétajících oblohou ve večerním šeru. Simulace založené na zprávách FCC dále ukázaly, že satelity na oběžné dráze 1150 km budou viditelné i po uplynutí astronomického soumraku. Obecně soumrak prochází třemi etapami: občanskou, námořní a astronomickou, tzn. když je Slunce 6, 12 a 18 stupňů pod obzorem. Na konci astronomického soumraku jsou sluneční paprsky přibližně 650 km od povrchu v zenitu, daleko za atmosférou a většinou na nízké oběžné dráze Země. Na základě údajů z , věřím, že všechny satelity budou umístěny ve výšce pod 600 km. V tomto případě by byly viditelné za soumraku, ale ne po setmění, což výrazně snižuje potenciální dopad na astronomii.
Třetím problémem jsou trosky na oběžné dráze. V Poukázal jsem na to, že satelity a úlomky pod 600 km během několika let vypadnou z oběžné dráhy – kvůli atmosférickému odporu, což výrazně sníží možnost Kesslerova syndromu. SpaceX se plácá se špínou, jako by se o vesmírný odpad vůbec nestarala. Tady se dívám na detaily implementace Starlink a těžko si dokážu představit lepší způsob, jak snížit množství trosek na oběžné dráze.
Satelity jsou vyneseny do výšky 350 km, poté pomocí vestavěných motorů odlétají na zamýšlenou oběžnou dráhu. Každý satelit, který zemře během startu, bude mimo oběžnou dráhu během několika týdnů a nebude obíhat někde jinde výše po dobu příštích tisíc let. Toto umístění strategicky zahrnuje testování pro volný vstup. Satelity Starlink jsou navíc ploché v průřezu, což znamená, že když ztratí kontrolu nad výškou, vstoupí do hustých vrstev atmosféry.
Málokdo ví, že SpaceX se stala průkopníkem v kosmonautice tím, že místo squibů používala alternativní typy upevnění. Téměř všechna místa startu používají squiby při rozmisťování stupňů, satelitů, aerodynamických krytů atd. atd., čímž se zvyšuje potenciální množství trosek. SpaceX také záměrně odstraňuje horní stupně z oběžné dráhy, čímž jim brání věčně viset ve vesmíru, aby se v drsném vesmírném prostředí nezhoršovaly a nerozpadaly.
A konečně poslední otázkou, kterou bych rád zmínil, je šance, že SpaceX vytlačí stávající internetový monopol vytvořením svého vlastního. SpaceX ve svém výklenku již monopolizuje starty. Pouze touha soupeřících vlád získat zaručený přístup do vesmíru brání vyřazení drahých a zastaralých raket, které často montují velcí monopolní dodavatelé obrany.
Není tak těžké si představit, že SpaceX v roce 2030 ročně vypustí 6000 XNUMX svých satelitů plus několik špionážních satelitů pro staré časy. Levné a spolehlivé satelity SpaceX bude prodávat „rack space“ pro zařízení třetích stran. Každá univerzita, která dokáže vytvořit kameru použitelnou ve vesmíru, ji bude moci vynést na oběžnou dráhu, aniž by musela nést náklady na stavbu celé vesmírné platformy. Díky tak pokročilému a neomezenému přístupu do vesmíru je Starlink již spojen se satelity, zatímco historickí výrobci se stávají minulostí.
Historie obsahuje příklady perspektivních společností, které obsadily tak obrovskou mezeru na trhu, že se jejich jména stala pojmem: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Problém může nastat, když se průkopnická společnost zapojí do praktik narušujících hospodářskou soutěž, aby si udržela svůj podíl na trhu, i když je to od prezidenta Reagana často povoleno. SpaceX by si mohla udržet svůj monopol Starlink a donutit ostatní vývojáře konstelací satelitů vypouštět satelity na starých sovětských raketách. Provedena podobná opatření ve spojení s fixováním cen za poštovní přepravu vedly v roce 1934 ke kolapsu. Naštěstí je nepravděpodobné, že si SpaceX udrží absolutní monopol na opakovaně použitelné rakety navždy.
Ještě znepokojivější je, že rozmístění desítek tisíc satelitů na nízké oběžné dráze SpaceX by mohlo být navrženo jako kooptace Commons. Soukromá společnost, která sleduje osobní zisk, přebírá trvalé vlastnictví kdysi veřejně přístupných a neobsazených orbitálních pozic. A zatímco inovace SpaceX umožnily skutečně vydělávat peníze ve vakuu, velká část intelektuálního kapitálu SpaceX byla vybudována s miliardami dolarů v rozpočtech na výzkum.
Na jedné straně potřebujeme zákony, které budou chránit soukromé investice, fondy výzkumu a vývoje. Bez této ochrany nebudou inovátoři schopni financovat ambiciózní projekty nebo přesunou své firmy do míst, kde jim taková ochrana bude poskytnuta. V každém případě veřejnost trpí, protože se negenerují zisky. Na druhou stranu potřebujeme zákony, které ochrání lidi, nominální vlastníky společných statků včetně oblohy, před soukromými subjekty hledajícími rentu, které anektují veřejné statky. Samo o sobě není ani jedno ani druhé pravdivé a dokonce ani možné. Vývoj společnosti SpaceX nabízí šanci najít na tomto novém trhu střední cestu. Pochopíme, že to bylo nalezeno, když maximalizujeme frekvenci inovací a vytváření sociálního blahobytu.
Závěrečné myšlenky
Tento článek jsem napsal hned poté, co jsem dokončil další - . Byl to horký týden. Jak Starship, tak Starlink jsou revoluční technologie, které vznikají přímo před našima očima, během našich životů. Když budu sledovat, jak moje vnoučata vyrůstají, budou se víc divit, že jsem starší než Starlink, než to, že když jsem byl dítě, nebyly mobilní telefony (expozice v muzeu) ani samotný veřejný internet.
Bohatí a armáda používají satelitní internet již dlouhou dobu, ale všudypřítomný, běžný a levný Starlink bez Starship je prostě nemožný.
O spuštění se mluví už dlouho, ale Starship, velmi levná a tudíž zajímavá platforma, se bez Starlink neobejde.
O průzkumu vesmíru s lidskou posádkou se mluví už dlouho, a pokud... , pak máte zelenou. S Hvězdnou lodí a Starlinkem je lidský průzkum vesmíru dosažitelná, blízkou budoucnost, jen co by kamenem dohodil od orbitální základny do industrializovaných měst v hlubokém vesmíru.
Zdroj: www.habr.com