Denne artikel er en del af en serie, der omhandler .
— SpaceX's plan om at tilbyde internet via titusinder af satellitter — er det centrale emne i den rumrelaterede presse. Hver uge offentliggøres der artikler om de seneste fremskridt. Selvom hovedkonceptet er klart, kan en velmotiveret person (lad os sige, jeres tro tjenere) finde en masse detaljer ved at dykke ned i , er der stadig mange misforståelser forbundet med denne nye teknologi, selv blandt oplyste observatører. Det er ikke sjældent, at der dukker artikler op, hvor Starlink sammenlignes med OneWeb og Kuiper (blandt andre), som om de konkurrerer på lige fod. Andre forfattere, tydeligvis bekymrede for planetens velbefindende, råber om rumskrald, rumret og standarder og sikkerhed inden for astronomi. Jeg håber, at efter at have læst denne — forholdsvis lange — artikel, vil læseren få en bedre forståelse og blive grebet af ideen bag Starlink.
uventet berørte en følsom nerve hos mine få læsere. I den forklarede jeg, hvordan Starship på lang sigt vil sætte SpaceX i spidsen og samtidig skabe en mekanisme for nye rumforskninger. Underteksten er, at den traditionelle satellitindustri ikke kan følge med SpaceX, som stabilt øger kapaciteten og sænker omkostningerne for Falcon-raketterne, hvilket sætter SpaceX i en svær situation. På den ene side har den skabt et marked værd, i bedste fald, flere milliarder om året. På den anden side tændte den en ustoppelig appetit på penge — til at bygge en kæmpe raket, som der dog næsten ikke er nogen at sende til Mars, og der er heller ikke nogen umiddelbar fortjeneste at forvente.
Løsningen på dette parrede problem er Starlink. Ved at samle og lancere egne satellitter ville SpaceX kunne skabe og definere et nyt marked for højeffektive og demokratiserede kommunikationsløsninger gennem rummet, sikre en indtægtsstrøm til bygningen af raketten, mens den endnu ikke har sunket virksomheden, og øge sin økonomiske værdi til billioner. Man bør ikke undervurdere omfanget af Ilons ambitioner. Der findes kun få industrier, hvor billioner af dollars udveksles: energi, højhastighedstransport, kommunikation, IT, sundhedspleje, landbrug, regering, forsvar. På trods af udbredte misforståelser, , og — er forretningen ikke levedygtig. Elon trådte ind i energisektoren med sin Tesla, men et pålideligt og rummeligt marked for satellitter og raketlanceringer vil kun blive sikret af telekommunikation.
For første gang rettede Elon Musk blikket mod rummet, da han ønskede at investere 80 millioner dollars uden det mindste krav i en mission om at dyrke planter på en Mars-sonde. At bygge en by på Mars vil sandsynligvis koste 100.000 gange mere, så Starlink er Masqs primære satsning for at sikre den mængde penge, der er nødvendig for sponsorer .
Hvorfor?
Jeg har længe planlagt denne artikel, men først i sidste uge fik jeg et klart billede af det hele. Dengang gav SpaceX's præsident Gwynne Shotwell Rob Baron et fantastisk interview, som blev dækket af CNBC i en fantastisk Michael Schietz, og som blev viet . Dette interview viste den enorme forskel i tilgangen til satellitkommunikation mellem SpaceX og alle andre.
Koncept blev født i 2012, da SpaceX indså, at deres kunder – primært satellitkommunikationsudbydere – havde enorme mængder penge. Lanceringsejendomme presser priserne for opsætning af satellitter og overser på en eller anden måde et trin i arbejdet – hvordan kan det være? Elon drømte om at skabe en satellitgruppe til internettet og, ude af stand til at modstå denne næsten umulige opgave, satte han processen i gang. Udviklingen af Starlink , men ved slutningen af denne artikel vil du, kære læser, sandsynligvis blive overrasket over, hvor små disse vanskeligheder faktisk er – når man betragter idéens omfang.
Er der overhovedet behov for en så stor grupperingsstruktur til internettet? Og hvorfor lige nu?
Kun i min erindring er internettet gået fra at være et rent akademisk tidsfordriv til den første og eneste revolutionerende infrastruktur. Dette er ikke et emne, der egner sig til en dybdegående artikel, men jeg vil antage, at den globale efterspørgsel efter internet og den indkomst, det genererer, vil fortsætte med at vokse med omtrent 25 % om året.
I dag får næsten alle af os internet fra et lille antal geografisk isolerede monopolister. I USA har AT&T, Time Warner, Comcast og en håndfuld mindre aktører delt territoriet mellem sig for at undgå konkurrence, de tager skrupelløst for tjenesterne og svømmer i nærmest universel had.
Der er en god grund til, at udbydere udviser ikke-konkurrerende adfærd — ud over den altopslugende grådighed. At bygge infrastruktur til internettet — mikrobølgecellulære tårne og fiberoptik — er ekstremt dyrt. Det er let at glemme den vidunderlige natur ved internettet. Min bedstemor begyndte første gang at arbejde som telegrafist under Anden Verdenskrig, og dengang konkurrerede telegrafen med postduer om den førende strategiske rolle! For de fleste af os er informationssupervejen noget efemert, noget immaterielt, men bit strømmer gennem den fysiske verden, som har grænser, floder, bjerge, oceaner, storme, naturkatastrofer og andre forhindringer. Allerede i 1996, da den første fiberoptiske linje blev lagt på havets bund, . Med sin karakteristiske skarpe stil beskriver han levende de nøgne omkostninger og kompleksiteten ved at lægge disse linjer, hvorigennem de forbandede 'koteletter' senere suser. I meget af 2000'erne blev kablerne lagt så mange, at omkostningerne ved udrulning var forbløffende.
Jeg arbejdede engang i et optiklaboratorium, og (hvis jeg ikke fejler) satte vi en rekord på det tidspunkt ved at levere en multiplexeringshastighed på 500 Gb/s. Begrænsninger i elektronikken gjorde det muligt at belaste hver fiber med 0,1 % af den teoretiske kapacitet. Fiftenote år senere er vi klar til at overvinde tærsklen: hvis dataoverførslen overskrider den, vil fiberen smelte, og vi er allerede meget tæt på det punkt.
Men skal løfte dataflowet over denne syndige jord — ud i rummet, hvor en satellit ubesværet kredser om 'klodens' 30.000 gange på fem år. Det ser ud til at være en åbenlys løsning — hvorfor har ingen taget fat på det før?
Gruppen af Iridium-satellitter, udviklet og rullet ud i begyndelsen af 1990'erne af Motorola (kan I huske dem?), blev det første globale lavere kredsløbs kommunikationsnetværk (som det fristende beskrives i ). Da det blev rullet ud, var den nichefunktion, der kunne rute små datapakker fra asset trackers, dens eneste anvendelse: mobiltelefoner var blevet så billige, at satellittelefoner aldrig tog fat. Iridium havde 66 satellitter (plus et par reserve) på 6 baner — det minimale sæt til at dække hele planeten.
Hvis Iridium havde brug for 66 satellitter, hvorfor har SpaceX så brug for titusinder? Hvad adskiller dem så?
SpaceX gik ind i denne branche fra den modsatte ende — de begyndte med opsendelser. De blev pionerer inden for bevarelsen af raketernes affyringsrampe og overtog dermed markedet for billige opsendelsessteder. Forsøg på at underbyde deres tilbud med lavere priser vil ikke indbringe mange penge, så den eneste måde at tjene på deres overskudskapacitet er at blive deres kunde. SpaceXs omkostninger ved at opsende egne satellitter — (pr. kg) for Iridium, hvilket gør dem i stand til at ramme et væsentligt bredere marked.
Starlinks globale dækning vil give adgang til højhastigheds-internet i enhver del af verden. For første gang vil tilgængeligheden af internet ikke afhænge af, hvor tæt et land eller by er på fibernetlinjen, men af klarheden af himlen over hovedet. Brugere over hele verden vil få adgang til et frit internet uden de begrænsninger, som deres egne mere eller mindre korrupte regeringsmonopoler pålægger. Starlinks evne til at udfordre disse monopoler vil katalysere utrolige positive ændringer, som endelig vil samle milliarder af mennesker i et globalt cybernetisk fællesskab for fremtiden.
Et lille lyrisk tilbageblik: hvad betyder det egentlig?
For people growing today, in the age of ubiquitous connectivity, the internet is like the air we breathe. It simply exists. But this is — if we forget about its incredible power to bring about positive change — and we are already at the heart of it. With the internet, individuals can hold their leaders accountable, communicate with others on the other side of the world, share thoughts, and invent something new. The internet unites humanity. The history of modernization is a history of evolving opportunities for data exchange. Initially — through speeches and epic poetry. Then — in writing, which gives a voice to the dead, and they speak to the living; writing allows for data storage and makes asynchronous communication possible. The print press put news production on a conveyor belt. Electronic communication has accelerated data transmission around the globe. Personal note-taking devices have gradually become more sophisticated, evolving from notepads to mobile phones, each of which is an internet-connected computer packed with sensors and increasingly better at predicting our needs every day.
A person using writing and a computer in the process of learning has a greater chance of overcoming the limitations of an imperfectly developed brain. Even more uplifting is the fact that mobile phones are both powerful data storage devices and mechanisms for exchanging ideas. While people once relied on spoken word and notes to share thoughts, today it is common for notepads themselves to share the ideas generated by individuals. The traditional scheme has undergone an inversion. The logical continuation of this process is a form of collective metacognition through personal devices. and interconnected. And while we may still feel nostalgic for our lost connection with nature and solitude, it is important to remember that technology, and only technology, is responsible for the lion's share of our liberation from the 'natural' cycles of ignorance, premature death (which can be avoided), violence, hunger, and tooth decay.
Hvordan?
Let's talk about the business model and architecture of the Starlink project.
For Starlink to become a profitable enterprise, the inflow of funds must exceed the costs of construction and operation. Traditionally, capital investment implies higher initial expenses, the use of sophisticated specialized financing, and insurance mechanisms—all to launch a satellite. A geostationary communication satellite can cost about 500 million dollars, and assembly and launch can take 5 years. Therefore, companies in this field also build jet planes or container ships. Massive expenses, an inflow of funds barely covering financing costs, and a relatively small operational budget. Conversely, the downfall of the original Iridium was that Motorola forced the operator to pay crippling licensing fees, bankrupting the company within just a few months.
To run such a business, traditional satellite companies had to serve private clients and charge high rates for data transmission. Airlines, remote outposts, ships, combat zones, and key infrastructure objects pay about 5 dollars per 1 MB, which is 5000 times more expensive than traditional ADSL connectivity, and this despite the latency in data transmission and relatively low bandwidth of satellite connections.
Starlink plans to compete with terrestrial service providers, which means it will have to deliver data more cheaply and ideally charge much less than 1 dollar per 1 MB. Is this possible? Or, if it is possible, one should ask: how is it possible?
The first ingredient of the new dish is a cheap launch. Currently, Falcon sells a launch for 24 tons for about 60 million dollars, which translates to 2500 dollars per 1 kg. However, there are significantly more internal costs. Starlink satellites will be launched on reusable rockets, so the marginal costs of a single launch are the cost of a new second stage (around 4 million dollars), fairings (1 million), and ground services (~1 million). In total: about 100,000 dollars per satellite, more than 1000 times cheaper than launching a conventional communication satellite.
Most Starlink satellites, however, will be launched on Starship. Indeed, the evolution of Starlink, as shown by updated reports in the FCC, provides some insights. den indre arkitektur af projektet. Det samlede antal satellitter i konstellationen steg fra 1.584 til 2.825, derefter til 7.518 og endelig til 30.000. Hvis man tror på de samlede akkumulationer, er tallet endnu højere. Det minimale antal satellitter for den første udviklingsfase, så projektet kan være levedygtigt, er 60 på 6 baner (i alt 360), mens der kræves 24 baner med 60 satellitter (i alt 1.440) for fuld dækning inden for 53 grader fra ækvator. Det kræver 24 opskydninger for Falcon til en omkostning på cirka 150 millioner dollars i interne udgifter. Starship kan dog lancere op til 400 satellitter ad gangen, for stort set de samme omkostninger. Starlink-satellitterne skal udskiftes hvert 5. år, så 6.000 satellitter vil kræve 15 Starship-lanceringer om året. Det vil koste omkring 100 millioner dollars om året, eller 15.000 dollars per satellit. Hver satellit, der sendes med Falcon, vejer 227 kg; satellitterne, som kunne sendes med Starship, kunne veje op til 320 kg og bære eksterne instrumenter, være lidt større og samtidig ikke overstige den tilladte belastning.
Hvad danner omkostningerne ved satellitter? Blandt deres søskende er Starlink-satellitterne lidt usædvanlige. De bliver samlet, opbevaret og opskudt i flad tilstand, og derfor er de ekstremt enkle at masseproducere. Som erfaringen har vist, bør produktionsomkostningerne tilnærmelsesvis være lig med omkostningerne ved opsendelse. Hvis der er en stor prisforskel, betyder det, at ressourcerne ikke fordeles korrekt, da det samlede fald i marginale omkostninger i takt med omkostningsreduktioner ikke er så stort. Er 100.000 dollars per satellit for den første sending på flere hundrede virkelig realistisk? Med andre ord, er en Starlink-satellit teknisk set ikke mere kompleks end en bil?
For a complete answer to this question, it's crucial to understand why the cost of an orbital communication satellite is 1000 times higher, even if it isn't 1000 times more complex. Simply put, why does space hardware cost so much? There are many reasons for this, but the most significant one is as follows: if launching a satellite into orbit (before Falcon) costs over 100 million, it must reliably operate for many years to generate any profit. Ensuring such reliability for the first and only unit is a painful process that can take years and require the efforts of hundreds of people. Add to that the costs, and it's easy to justify the additional processes, since launching is already expensive.
Starlink disrupts this paradigm by creating hundreds of satellites, quickly fixing early design flaws, and employing mass production techniques to manage costs. Personally, I can easily envision a Starlink assembly line where a technician integrates something new into the design and secures everything with plastic ties (NASA-level, of course) within a couple of hours, maintaining the necessary replacement rate of 16 satellites per day. A Starlink satellite consists of many intricate parts, but I see no reason why the cost of the thousandth unit coming off the assembly line can't be reduced to 20,000. Indeed, in May, Elon tweeted that the production cost of a satellite is already below the launch cost.
Let's take an average case and analyze the payback period, rounding numbers. One Starlink satellite, which costs 100,000 to assemble and launch, operates for 5 years. Will it pay for itself, and if so, how soon?
Over the course of 5 years, a Starlink satellite will orbit the Earth 30,000 times. During each of these one-and-a-half-hour passes, it will spend most of the time over the ocean and probably around 100 seconds over a densely populated city. During this brief window, it transmits data, eager to earn money. Assuming the antenna supports 100 beams, and each beam transmits 100 Mb/sec., using modern coding types like , så genererer satellitten 1000 dollars i fortjeneste pr. omgang — med en abonnementspris på 1 dollar pr. 1 Gb. Det er nok til at dække omkostningerne til en udrulning på 100.000 dollars på en uge og letter kapitalstrukturen betydeligt. De resterende 29.900 omgange er profit, efter faste omkostninger er fratrukket.
De anslåede tal kan variere meget, både op og ned. Men uanset hvad, hvis du kan få en kvalitetsgruppe af satellitter op i lav omløbsbane for 100.000 — eller endda 1 million pr. enhed — er det et seriøst tilbud. Selv med den latterligt lave brugstid kan Starlink-satellitten levere 30 PB data i sin driftsperiode — til en amortiseret omkostning på 0,003 dollars pr. 1 Gb. Desuden stiger de marginale omkostninger ikke nævneværdigt ved transmission over længere afstande.
For at forstå betydningen af denne model, lad os hurtigt sammenligne den med to andre modeller til levering af data til forbrugerne: den traditionelle — fibernetkabel, og den satellitgruppe, der tilbydes af et firma, der ikke er specialiseret i opsendelse af satellitter.
, der forbinder Frankrig og Singapore, blev sat i drift i 2005. Bandbredden er 1,28 Tb/s, og omkostningen til udrulning er 500 millioner dollars. Hvis den fungerer på 100% kapacitet i 10 år, og de faste omkostninger udgør 100% af kapitalkostnaderne, vil transmissionsprisen blive 0,02 dollars pr. 1 Gb. Transatlantiske kabler er kortere og lidt billigere, men det undervandskabel er kun én enhed i en lang kæde af mennesker, der ønsker penge for dataoverførsel. Den gennemsnitlige pris for Starlink viser sig at være 8 gange billigere, og hos dem er 'alt inkluderet'.
Hvordan er dette muligt? Starlink-satellitten inkluderer al den komplekse elektronik, der kræves for fiberkabelkommunikation, kun med vakuum i stedet for dyre og skrøbelige kabler til dataoverførsel. Overførsel gennem rummet reducerer antallet af hyggelige og forældede monopoler, hvilket gør det muligt for brugere at kommunikere med endnu færre 'hardware'.
Vi sammenligner med den konkurrerende satellitudvikler OneWeb. OneWeb planlægger at skabe en constellationsaf 600 satellitter, som de vil opsende via kommercielle leverandører til en pris på omkring 20.000 dollars pr. kg. Vægten af en satellit er 150 kg, hvilket betyder, at for et ideelt scenarie vil opsendelse af én enhed koste omkring 3 millioner. Omkostningerne til satellittens 'hardware' er vurderet til 1 million pr. satellit, hvilket betyder, at prisen for hele konstellationen efter 2027 vil være 2,6 milliarder. Tests udført af OneWeb har vist en båndbredde på 50 Mb/s på toppen, ideelt set for hver af de 16 stråler. Ved at følge den samme metode, som vi brugte til at beregne omkostningerne for Starlink, får vi: hver OneWeb-satellit genererer 80 dollars pr. omløb, og i løbet af 5 år vil det bringe 2,4 millioner – knap nok dække udgifterne til opsendelsen, hvis man også tæller datatransmissionen til fjerntliggende områder med. I alt får vi 1,70 dollars pr. GB.
Nyligt citerede vi ord fra Gwynn Shotwell, der sagde, , hvilket indebærer en konkurrencedygtig pris på 0,10 dollars pr. GB. Og det er stadig med den oprindelige konfiguration af Starlink: med en mindre optimeret produktion, opsendelse på Falcon og begrænsninger i datatransmission – og kun med dækning af det nordlige USA. Det viser sig, at SpaceX har en uomtvistelig fordel: allerede nu kan de opsende en langt mere kapabel satellit til en pris (pr. enhed), der er 15 gange lavere end konkurrenternes. Starship vil øge afstanden 100 gange, hvis ikke mere, så det er ikke svært at forestille sig, hvordan SpaceX i 2027 opsender 30.000 satellitter for mindre end 1 milliard dollars, hvoraf størstedelen vil blive dækket af deres egen pengepung.
Jeg er sikker på, at der er mere optimistiske analyser vedrørende OneWeb og andre lovende satellitkonstellationsudviklere, men jeg ved stadig ikke, hvordan de har det.
For nylig sagde Morgan Stanley , at satellitterne fra Starlink ville koste 1 million for samlingen og 830.000 for opsendelsen. . Interessant nok er tallene ens med vores beregninger vedrørende omkostningerne for OneWeb, og groft sagt 10 gange højere end vurderingen af den oprindelige version af Starlink. Brug af Starship og industriel produktion af satellitter kan reducere omkostningerne ved opsendelse af satellitter til omkring 35.000 pr. enhed. Det er et bemærkelsesværdigt lavt tal.
Det sidste punkt er at sammenligne indtjeningen per watt solenergi, der genereres til Starlink. Ifølge billederne på deres hjemmeside har solpanelet på hver satellit et areal på cirka 60 kvm, hvilket betyder, at det gennemsnitligt genererer omkring 3 kW eller 4,5 kWh pr. kredsløb. Ifølge et groft overslag vil hvert kredsløb give 1000 dollars, og hver satellit genererer cirka 220 dollars pr. kWh. Dette er 10.000 gange mere end engrosprisen på solenergi, hvilket understreger: . Og modulering af mikrobølger til dataoverførsel er en urimelig ekstra omkostning.
Arkitektur
I det foregående afsnit præsenterede jeg på en ret grov måde en væsentlig del af Starlink-arkitekturen - hvordan den fungerer med den ekstremt ujævne befolkningstæthed på planeten. Starlink-satellitten udsender fokuserede stråler, der danner pletter på overfladen af planeten. Abonnenter inden for pletten deler en båndbredde. Størrelsen på pletten bestemmes af grundlæggende fysik: dens bredde er oprindeligt (satellittens højde x bølgelængde / antennediameter), hvilket for Starlink-satelliten højst vil være et par kilometer.
I de fleste byer er befolkningstæthed cirka 1000 mennesker/kvm, selvom det til tider er højere. I nogle områder af Tokyo eller på Manhattan kan mere end 100.000 mennesker være inden for en plet. Heldigvis findes der i enhver sådanne tætbefolkede by et konkurrencedygtigt indendørs marked for bredbåndsinternet, for ikke at tale om et højt udviklet mobilnetværk. Men under alle omstændigheder, hvis der på ethvert givet tidspunkt er mange satellitter fra samme konstellation over byen, kan kapaciteten øges gennem rumlig adskillelse af antenner og frekvensfordeling. Med andre ord kan dusinvis af satellitter fokusere den mest kraftfulde stråle på ét punkt, og brugerne i dette område vil bruge jordbaserede terminaler, der fordeler efterspørgslen mellem satellitterne.
Hvis det i begyndelsen er de mest passende markeder for tjenester - fjerntliggende, landlige eller forstæder, så vil midlerne til videre lanceringer komme fra mere kvalitetsservice til de tætbefolkede byer. Scenariet er helt modsat den standardiserede markedsudvidelsesskema, hvor konkurrerende tjenester, der er rettet mod byerne, uundgåeligt oplever en nedgang i indtjeningen - i takt med at de forsøger at ekspandere mod mere fattige og svagt befolkede områder.
For flere år siden, da jeg lavede beregninger, .
Jeg tog data fra dette billede og lavede de 3 diagrammer nedenfor. Det første viser hyppigheden af jordareal pr. befolkningstæthed. Det mest interessante er, at størstedelen af jorden overhovedet ikke er beboet, mens der næsten ikke er nogen regioner med mere end 100 personer/km².
Det andet diagram viser antallet af mennesker pr. befolkningstæthed. Og selvom størstedelen af planeten ikke er beboet, lever hovedparten af menneskene i områder med 100–1000 personer pr. km². Den udvidede art af denne top (ordens flere) afspejler bimodaliteten i urbaniseringsmønstre. 100 personer/km² er relativt tyndtbefolket landdistrikt, mens tallet på 1000 personer/km² er karakteristisk for forstæder. Bycentre viser let 10.000 personer/km², mens befolkningen i Manhattan er 25.000 personer/km².
Det tredje diagram viser befolkningstætheden pr. breddegrad. Det er tydeligt, at næsten alle mennesker er koncentreret mellem 20–40 grader nordlig bredde. Således er dette, i det store hele, geografisk og historisk sket, da en enorm del af den sydlige halvkugle er dækket af hav. Og alligevel er sådan en befolkningstæthed en skræmmende udfordring for gruppearkitekter, da satellitter i begge halvkugler tilbringer lige meget tid. Desuden vil en satellit, der kredser om jorden, angiveligt i en vinkel på 50 grader, tilbringe mere tid tættere på de angivne grænser i breddegrad. Derfor kræver Starlink kun 6 orbitale kredsløb for at betjene det nordlige USA, mens det kræver 24 for at dække ækvator.
Det er sandt, at hvis man kombinerer befolkningstætheden med tætheden af satellitkonstellationen, bliver valg af baner tydeligt. Hver histogram repræsenterer en af de fire rapporter fra SpaceX i FCC. Personligt synes jeg, at hver ny rapport er som en opdatering af den forrige, men det er ikke svært at se, hvordan ekstra satellitter øger båndbredden over de relevante regioner i den nordlige halvkugle. Modsat bevares der betydelig ubrugt båndbredde over den sydlige halvkugle — glæd dig, kære Australien!
Hvad sker der med brugerdata, når de når frem til satellitten? I den oprindelige version sendte Starlink-satellitten straks dataene tilbage til en dedikeret jordstation nær serviceområderne. Denne opsætning kaldes "direkte retransmission". I fremtiden vil Starlink-satellitterne få mulighed for at kommunikere med hinanden via laser. Dataudvekslingen vil nå sit højeste over tætbefolkede byer, men dataene kan distribueres gennem laser-netværket i to dimensioner. I praksis betyder det, at der er en enorm mulighed for et skjult kommunikationsnetværk i satellitnetværket, hvilket betyder, at brugerdata kan "noverføres til jorden" hvor som helst det er passende. I praksis virker det som om, at SpaceX's jordstationer vil blive kombineret med uden for byerne.
Det viser sig, at satellit-satellit kommunikation er en ikke-triviel opgave, hvis satellitterne ikke bevæger sig i samme takt. I de seneste rapporter til FCC rapporteres der om 11 udtrykkelige orbitalgrupper af satellitter. Inden for en specifik gruppe bevæger satellitterne sig på samme højde, under samme hældning, med samme ekscentricitet, hvilket betyder, at laserne relativt let kan finde satellitterne i nærheden af hinanden. Men hastighederne for tilnærmelse mellem grupperne måles i km/s, så kommunikationen mellem grupperne, hvis den er mulig, skal finde sted via korte, hurtigt styrede mikrobølgeforbindelser.
Topologien for orbitale grupper minder om teorien om lys som partikler og bølger og har ikke direkte relation til vores eksempel, men jeg synes, den er fascinerende, så jeg inkluderede den i artiklen. Hvis dette afsnit ikke interesserer dig, kan du gå direkte til "Begrænsningerne i grundlæggende fysik."
Torussen – eller donuts – er et matematisk objekt, der defineres af to radier. At tegne cirkler på overfladen af torussen er ret ligetil: enten parallelt eller vinkelret i forhold til dens form. Det kan være interessant for dig at opdage, at der er to andre familier af cirkler, som kan tegnes på torusens overflade, og begge går gennem hullet i midten og rundt om konturen. Dette kaldes , og jeg brugte denne konstruktion, da jeg i 2015 designede torussen til Tesla spolen "Den brændende mand."
Og selvom satellitternes baner strengt taget er ellipser og ikke cirkler, er den samme konstruktion anvendelig i tilfældet med Starlink. Gruppen af 4500 satellitter på flere orbitalplaner, alle under én vinkel, danner et kontinuerligt bevægende lag over jordens overflade. Det lag, der er rettet mod nord, foldes ud over en given breddegrad og bevæger sig tilbage mod syd. For at undgå kollisioner vil banerne være let forlænget, så laget, der bevæger sig mod nord, vil være flere kilometer højere (eller lavere) end det, der bevæger sig mod syd. Sammen danner disse to lag en udblæst torusform, som vist nedenfor på en stærkt forsimplet skitse.
Jeg minder om, at kommunikationen inden for denne torus foregår mellem nabosatellitter. Generelt er der ikke direkte og langvarige forbindelser mellem satellitterne i forskellige lag, da hastigheden på nærmere laser-peger er alt for høj. Dataoverførslen mellem lagene går derimod over eller under torussen.
Samlet set vil 30.000 satellitter være placeret i 11 indlejrede torusser, langt fra ISS's bane! Denne skitse viser, hvordan disse lag er pakket, uden overdrevent ekscentricitet.
Og til sidst bør man overveje den optimale flyvehøjde. Der er en dilemmatik: lav højde, som giver større kapacitet med mindre stråler, eller højere, som muliggør dækning af hele planeten med færre satellitter? Over tid har der i rapporterne fra SpaceX ved FKA været omtale af lavere og lavere højder, da Starship, med sine forbedringer, muliggør hurtig deployment af større konstellationer.
Lav højde har også andre fordele, herunder reduceret risiko for sammenstød med rumaffald eller negative konsekvenser ved udstyrsvigt. På grund af det forstærkede atmosfæriske modstand vil de satellitter i Starlink, der flyver lavere end andre (330 km), brænde op inden for et par uger efter tab af orienteringskontrol. Faktisk er 300 km en højde, hvor satellitter næsten ikke flyver, og opretholdelse af højden vil kræve en indbygget elektrisk raketmotor Krypton, ligesom en strømlinet konstruktion. Teoretisk kan en satellit med tilstrækkelig spids form, drevet af en elektrisk raketmotor, stabilt opretholde en højde på 160 km, men det er usandsynligt, at SpaceX vil opsætte satellitter så lavt, da der stadig er flere tricks til at øge kapaciteten.
Begrænsningerne af fundamental fysik
Det virker usandsynligt, at omkostningerne ved at placere en satellit nogensinde vil falde meget under 35.000, selvom produktionen er avanceret og helt automatiseret, og Starship-skibene er 100% genanvendelige. Derudover er det endnu ikke klart, hvilke begrænsninger fysikken vil pålægge satellitten. Den ovenstående analyse forudsætter en maksimal kapacitet på 80 Gbit/s (hvis vi afrunder til 100 stråler, som hver kan transmittere 100 Mbit/s).
Den ultimative grænse for kanalens kapacitet er fastsat i og gives i statistikker over båndbredde (1 + SNR). Båndbredden er ofte begrænset af , mens SNR er den tilgængelige energi fra satellitten, baggrundsstøj og forstyrrelser på kanalen på grund af . Endnu en bemærkelsesværdig hindring er behandlingshastigheden. De nyeste FPGA Xilinx Ultrascale+ har , hvilket er godt givet de nuværende begrænsninger i kanalens informationskapacitet uden at udvikle brugerdefinerede ASIC. Men selv da vil 58 Gb/s kræve en betydelig frekvensfordeling, sandsynligvis i Ka- eller V-båndene. V (40–75 GHz) har mere tilgængelige cykler, men er mere udsat for atmosfærisk absorption, især i områder med høj luftfugtighed.
Er 100 Stråler praktiske? Dette problem har to aspekter: strålebredde og tætheden af elementerne i det phasede antennearray. Strålebredden bestemmes af bølgelængden delt med antennediameteren. Digitale phased array-antenner er stadig en specialiseret teknologi, men de maksimale nyttige dimensioner bestemmes af bredden. (ca. 1m), og at bruge radiosignaler vil være dyrere. Bølgelængden i Ka-båndet er cirka 1 cm, og strålebredden skal være 0,01 radianer — med en bredde på spektret ved 50% amplitude. Lad os antage, at strålevinklen er 1 steradian (svarende til dækningen af et 50 mm kameraobjektiv), så vil 2500 individuelle stråler være tilstrækkelige i dette område. Lineæritet indebærer, at 2500 stråler kræver mindst 2500 antenneelementer inden for arrayet, hvilket i princippet er realistisk, omend udfordrende. Og alt dette vil også blive meget varmt!
I alt 2500 kanaler, hver med en kapacitet på 58 Gb/s — det er en enorm mængde information — groft sagt 145 Tb/s. Til sammenligning var al internettrafik i 2020 Gode nyheder for dem, der er bekymrede over den principielt lave båndbredde af satellitinternet. Hvis en konstellation på 30.000 satellitter er operationel inden 2026, kan den globale internettrafik potentielt nå 800 Tb/s. Hvis halvdelen af denne mængde leveres af ~500 satellitter over tætbefolkede områder på ethvert givet tidspunkt, vil den maksimale båndbredde pr. satellit være cirka 800 Gb/s, hvilket er 10 gange højere end vores oprindelige grundlæggende beregninger, dvs. den potentielle indtægtsstrøm kan vokse 10 gange.
For a satellite in a 330-kilometer orbit, a beam at 0.01 radians covers an area of 10 sq.km. In particularly densely populated areas like Manhattan, up to 300,000 people may live in such an area. And if they all decide to watch Netflix at the same time (7 Mbps in HD quality)? The total data demand would reach 2000 GB/sec, which is approximately 35 times greater than the current strict limit imposed by the FPGA interface for sequential output. There are two solutions to this situation, of which only one is physically possible.
The first is to launch more satellites into orbit so that more than 35 are positioned over high-demand areas at any given moment. If we take 1 steradian for an acceptable addressable segment of the sky and an average orbital height of 400 km, we get a density of 0.0002/sq.km, or a total of 100,000 — if equally distributed across the Earth's surface. Remember that SpaceX's selected orbits dramatically increase coverage density over densely populated areas within 20–40 degrees latitude, making the number of 30,000 satellites seem magical.
The second idea is much cooler but, sadly, unfeasible. Keep in mind that the width of the beam is determined by the width of the phased antenna array. What if multiple arrays on several satellites combine their powers to create a narrower beam — just like radio telescopes such as the Very Large Array? It turns out that channel separation by angular distribution — since satellites are spread across the sky — provides adequate improvements in bandwidth without violating the laws of physics. .
Oplyser
Anvendelse
Hvem er Starlink-kunderne? Som standard er det hundreder af millioner brugere med antenner på tagene, der er på størrelse med en pizzakasse, men der er også andre indtægtskilder med høj indkomst.
I fjerntliggende og landdistrikter behøver jordstationer ikke phased array antenner for at maksimere strålebredde, så det er muligt at anvende mindre abonnent-enheder: fra IoT asset trackere til håndholdte satellittelefoner, nødmeldingsenheder eller videnskabelige instrumenter til sporing af dyr.
I tætbefolkede bymiljøer vil Starlink give primært og backup transportsystem for mobilnettet. Der kan installeres en højtydende jordstation på toppen af hver mobilmast, men der benyttes jordkilder til at forstærke og transmittere gennem 'den sidste mil'.
Og endelig, selv i overfyldte områder, under den primære udrulning, er der mulighed for brug af lavtliggende satellitter med ekstremt minimal forsinkelse. Finansielle virksomheder vil give dig godt med penge — blot for at få livsvigtige data hurtigere fra alle hjørner af verden. Selvom dataene skal rejse en længere vej gennem rummet via Starlink, er lys hastighed i vakuum 50% hurtigere end i kvartsglas, hvilket mere end kompenserer for forskellen ved transmission over større afstande.
Negative konsekvenser
Det sidste afsnit omhandler de negative konsekvenser. Formålet med artiklen er at befri dig for misforståelser om projektet, da potentielle negative konsekvenser forårsager største bekymring. Jeg vil give nogle oplysninger uden at overdrive tolkningerne. Jeg er trods alt ikke clairvoyant, og jeg har ingen insiderinformation fra SpaceX.
Efter min mening indebærer den øgede adgang til internettet de mest alvorlige konsekvenser. Selv i min hjemland Pasadena, en livlig og teknologisk avanceret millionby med flere observatorier, et verdensklasse universitet og det største NASA-center, er valgmulighederne for internetservices meget begrænsede. I hele USA og resten af verden er internettet blevet en lejeorienteret offentlig service, hvor udbyderne blot forsøger at hive deres 50 millioner dollars om måneden ind i et komfortabelt, ikke-konkurrencemiljø. Tja, enhver service, der leveres til lejligheder og boliger, er en offentlig service, men kvaliteten af internetservices er mindre ensartet end vand, elektricitet eller gas.
Problemet med status quo er, at internettet, i modsætning til vand, elektricitet eller gas, stadig er ungt og hurtigt udvikler sig. Vi finder konstant nye anvendelser for det. Det mest revolutionerende er endnu ikke opdaget, men pakkeplaner kvaler muligheden for konkurrence og innovation. Milliarder af mennesker står tilbage fra den digitale revolution. På grund af fødselsomstændigheder eller fordi deres land ligger for langt fra hovedledningen af undersøiske kabler. I store regioner på planeten leveres internettet stadig af geostationære satellitter til en røverisk pris.
Starlink, som konstant leverer internet fra himlen, bryder denne model. Jeg kender endnu ingen bedre måde at forbinde milliarder af mennesker til internettet. SpaceX er på vej til at blive en internetudbyder og potentielt en internetvirksomhed, der kan konkurrere med Google og Facebook. Jeg tør vædde på, at du ikke har tænkt på det.
At satellit-internet er den bedste løsning er ikke tydeligt. SpaceX og kun SpaceX er i position til hurtigt at skabe en omfattende konstellation af satellitter, da det kun har taget dem et årti at bryde den regering- og militære monopolisering af rumfart. Selv hvis Iridium havde overhalet mobiltelefonmarkedet ti gange, ville det stadig ikke have opnået bred anvendelse ved at bruge traditionelle opsendelsesterminaler. Uden SpaceX og deres unikke forretningsmodel er der stor sandsynlighed for, at global satellit-internet aldrig vil finde sted.
Den anden store udfordring vil ramme astronomien. Efter lanceringen af de første 60 Starlink-satellitter kom der en bølge af kritik fra det internationale astronomiske samfund, som mente, at det mange gange forøgede antal satellitter ville blokere deres adgang til nattehimmelen. Der er et ordsprog, der siger: blandt astronomer er den, der har det største teleskop, den mest anerkendte. Uden at overdrive er det at beskæftige sig med astronomi i den moderne æra en enorm udfordring, der minder om en konstant kamp for at forbedre analysens kvalitet i lyset af stigende lysforurening og andre støjkilder.
En astronom har mindst brug for tusindvis af lyse satellitter, der blinker i teleskopets fokus. Og det er sandt, at den første Iridium-constellation fik et dårligt ry for at skabe "lysforurening" på grund af de store paneler, der reflekterede sollys mod små områder af jorden. Det skete, at de nåede en lysstyrke svarende til en fjerdedel af månen og nogle gange endda skadede følsomme astronomiske sensorer ved et uheld. Frygten for, at Starlink vil trænge ind i de radiobånd, der bruges til radioastronomi, er ikke ubegrundet.
Hvis du downloader en app til at spore satellitter, kan du se dusinvis af satellitter flyve på himlen en klar aften. Satellitterne kan ses efter solnedgang og før solopgang, men kun når de belyses af solens stråler. Senere, i løbet af natten, er satellitterne usynlige i jordens skygge. De er små, ekstremt fjerne, og de bevæger sig meget hurtigt. Der er en chance for, at de dækker en fjern stjerne i mindre end et millisekund, men jeg tror, at selv det at opfange det ville være en stor udfordring.
Der stærke bekymring over lysforurening stammer fra, at den første satellitkonstellation blev placeret tæt på jordens terminator, dvs. nat efter nat kunne Europa - dette skete om sommeren - se en episk scene med satellitter, der fløj hen over himlen i den sene skumring. Derudover viste simulationer baseret på rapporter i FKS, at satellitter i en højde af 1150 km ville være synlige, selv efter at astronomiske skumring var overstået. Generelt gennemgår skumringen tre faser: civil, maritim og astronomisk - dvs. når solen er henholdsvis 6, 12 og 18 grader under horisonten. Ved slutningen af den astronomiske skumring er solens stråler omkring 650 km over jordens overflade i zenit, langt uden for atmosfæren og det meste af den lave lavjordiske bane. Baseret på data fra , mener jeg, at alle satellitter vil blive placeret i en højde under 600 km. I dette tilfælde vil de være synlige i skumringen, men ikke efter natten falder, hvilket væsentligt vil mindske de potentielle konsekvenser for astronomien.
Det tredje problem er rummet affald. I har jeg påpeget, at satellitter og affald under 600 km vil falde ud af banen inden for få år - på grund af atmosfærens modstand, hvilket væsentligt mindsker muligheden for Kessler-syndromet. SpaceX spiller i mudderet, som om de slet ikke tænker på rumaffald. Jeg gennemgår detaljerne i implementeringen af Starlink, og det er svært for mig at forestille mig en bedre måde at reducere mængden af affald i rummet på.
Satellitterne bliver sendt op til 350 km, hvorefter de med indbyggede motorer bevæger sig til deres tilsigtede bane. Enhver satellit, der lider nederlag ved opsendelsen, vil falde ud af banen inden for et par uger, og den vil ikke svæve et andet sted i de næste tusind år. Denne placering indebærer strategisk testning for fri indtræden. Derudover er Starlink-satellitterne flade i tværsnit, hvilket betyder, at de, når de mister kontrol over højden, går ind i tætte lag af atmosfæren.
Få ved, at SpaceX har været en pioner inden for rumfart ved at begynde at bruge alternative former for fastgørelse i stedet for pyrotekniske anordninger. Næsten alle opskyderamper bruger pyrotekniske anordninger til at deployere trin, satellitter, fairings osv., hvilket øger den potentielle mængde affald. Derudover har SpaceX til hensigt at bringe øverste trin ned fra kredsløb, så de ikke svæver i rummet for evigt, hvilket forhindrer dem i at nedbrydes i det hårde miljø i rummet.
Og endelig, det sidste problem, jeg gerne vil nævne, er chancen for, at SpaceX vil eliminere den eksisterende monopolsituation inden for internettet ved at skabe sin egen. I sin niche har SpaceX allerede monopoliseret opskytningerne. Kun ønsket fra konkurrerende regeringer om at have garanteret adgang til rummet forhindrer, at dyre og forældede raketter, der ofte bygges af store monopolistiske forsvarsentreprenører, kasseres.
Det er ikke så svært at forestille sig, hvordan SpaceX i 2030 vil opskyde 6000 af sine satellitter årligt, plus nogle spion-satellitter — af gammelt minde. De billige og pålidelige satellitter fra SpaceX vil tilbyde "kapacitet" til eksterne instrumenter. Enhver universitet, der har udviklet et brugbart kamera til rummet, vil kunne bringe det i kredsløb uden at skulle dække omkostningerne til at opbygge en hel rumplatform. Med så avanceret og ubegribelig adgang til rummet forbindes Starlink allerede med satellitter, mens historiske producenter bliver en del af fortiden.
Historien har eksempler på visionære virksomheder, der har taget så stor en niche på markedet, at deres navne er blevet beskrivende: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Problemet kan opstå, når en pionervirksomhed begynder at engagere sig i antikonkurrencepraksis for at bevare sin markedsandel, selvom det ofte ikke er forbudt siden præsident Reagan. SpaceX kan opretholde monopol på Starlink ved at tvinge andre udviklere af satellitkonstellationer til at opskyde satellitter med gamle sovjetiske raketter. Lignende handlinger, der er iværksat , sammen med fastsættelsen af priser for transport af post, førte i 1934 til dens kollaps. Heldigvis er det usandsynligt, at SpaceX for evigt vil bibeholde en absolut monopolstilling på genanvendelige raketter.
Endnu flere bekymringer vækkes af, at udrulningen af SpaceX' mange tusinde satellitter i lav bane kan være designet som en overtagelse af fælles goder. En privat virksomhed, der forfølger egen vinding, vil tage tidligere offentligt tilgængelige og ubesatte orbitale positioner i permanent eje. Og selvom SpaceX' innovationer reelt har gjort det muligt at tjene penge på vakuum, er en stor del af SpaceX' intellektuelle kapital bygget på milliarder af dollars, der er afsat fra forskningsbudgettet.
På den ene side er der brug for love, der beskytter midlerne til private investeringer, forskning og udvikling. Uden denne beskyttelse kan innovatører ikke finansiere ambitiøse projekter eller flytte deres virksomheder til steder, hvor de kan få sådan beskyttelse. Under alle omstændigheder lider offentligheden, fordi der ikke genereres profit. På den anden side er der brug for love, der beskytter folk, de nominelle ejerskabere af det fælles gode, inklusive himlen — mod renteorienterede private enheder, der annekterer offentlige goder. Ingen af delene er rigtige eller endda mulige i sig selv. SpaceX' udviklinger giver mulighed for at finde en gylden middelvej på dette nye marked. Vi vil forstå, at den er fundet, når vi maksimerer innovationsfrekvensen og dannelsen af offentlig velstand.
Tankerne til sidst
Denne artikel skrev jeg lige så snart, jeg havde afsluttet en anden — . Det har været en begivenhedsrig uge. Både Starship og Starlink er revolutionerende teknologier, der skabes lige foran vores øjne, i vores liv. Hvis jeg ser mine børnebørn vokse op, vil de bedre undre sig over, at jeg er ældre end Starlink, end over at der i min barndom ikke fandtes mobiltelefoner (museumselementer) eller overhovedet offentlig internet.
Rige folk og militæret har længe benyttet sig af satellit-internet, men universelt, offentligt og billigt Starlink er simpelthen umuligt uden Starship.
Der tales længe om opsendelsen, men Starship, som er en ret billig og derfor interessant platform, er umulig uden Starlink.
Der har længe været tale om bemandet rumfart, og hvis du er — , så har du frie tøjler. Med Starship og Starlink er udforskningen af rummet af mennesket — en opnåelig og nær fremtid, hvor der er kort afstand fra en orbital forpost til industriel udviklede byer i det fjerne rum.
Kilde: habr.com
