Denne artikel er en del af en serie dedikeret til .
- SpaceX's plan om at distribuere internettet gennem titusindvis af satellitter er hovedemnet i den rumrelaterede presse. Artikler om de seneste præstationer udgives ugentligt. Hvis generelt ordningen er klar, og efter læsning , kan en velmotiveret person (sig, med venlig hilsen) grave en masse detaljer frem. Der er dog stadig mange misforståelser forbundet med denne nye teknologi, selv blandt oplyste iagttagere. Det er ikke ualmindeligt at se artikler, der sammenligner Starlink med OneWeb og Kuiper (blandt andre), som om de konkurrerede på lige vilkår. Andre forfattere, der tydeligvis er bekymrede for planetens bedste, råber op om rumaffald, rumlovgivning, standarder og astronomis sikkerhed. Jeg håber, at efter at have læst denne ret lange artikel, vil læseren bedre forstå og blive inspireret af ideen om Starlink.
rørte uventet en følsom akkord i sjælen på mine få læsere. I den forklarede jeg, hvordan Starship ville sætte SpaceX på forkant i lang tid, samtidig med at det ville give et køretøj til ny rumudforskning. Implikationen er, at den traditionelle satellitindustri ikke er i stand til at følge med SpaceX, som støt har øget kapaciteten og reduceret omkostningerne på sin Falcon-familie af raketter, hvilket sætter SpaceX i en vanskelig position. På den ene side dannede det et marked, der i bedste fald var flere milliarder værd om året. Til gengæld gav hun næring til en umættelig appetit på penge – til konstruktionen af en kæmpe raket, som der dog næsten ikke er nogen at sende til Mars på, og der er ikke umiddelbart overskud at forvente.
Løsningen på dette parringsproblem er Starlink. Ved at samle og opsende sine egne satellitter kunne SpaceX skabe og definere et nyt marked for højeffektiv og demokratisk adgang til kommunikation på tværs af rummet, generere finansiering til at bygge en raket, før den sænker virksomheden, og øge dens økonomiske værdi til billioner. Undervurder ikke omfanget af Elons ambitioner. Der er kun så mange billioner-dollar industrier: energi, højhastighedstransport, kommunikation, IT, sundhedspleje, landbrug, regering, forsvar. På trods af almindelige misforståelser, , и - forretningen er ikke levedygtig. Elon er gået ind i energiområdet med sin Tesla, men kun telekommunikation vil give et pålideligt og rummeligt marked for satellitter og raketopsendelser.
Elon Musk vendte først sin opmærksomhed mod rummet, da han ville investere 80 millioner dollars gratis i en mission om at dyrke planter på en Mars-sonde. At bygge en by på Mars ville sandsynligvis koste 100 gange mere, så Starlink er Musks vigtigste satsning på at levere en strøm af tiltrængte sponsorpenge .
For hvad?
Jeg har længe planlagt denne artikel, men først i sidste uge fik jeg et komplet billede. Så gav SpaceX-præsident Gwynne Shotwell Rob Baron et fantastisk interview, som han senere dækkede for CNBC i et fantastisk Michael Sheetz, og hvem var dedikeret til . Dette interview viste en enorm forskel i tilgangene til satellitkommunikation mellem SpaceX og alle andre.
koncept blev født i 2012, da SpaceX indså, at dets kunder - primært satellitudbydere - havde enorme pengereserver. Lanceringssteder hæver priserne for at installere satellitter og går på en eller anden måde glip af et trin i arbejdet - hvordan kan det være? Elon drømte om at skabe en satellitkonstellation til internettet, og ude af stand til at modstå den næsten umulige opgave, startede han processen. Starlink udvikling , men i slutningen af denne artikel vil du, min læser, sandsynligvis blive overrasket over, hvor små disse vanskeligheder faktisk er - i betragtning af idéens omfang.
Er sådan en enorm gruppering overhovedet nødvendig for internettet? Og hvorfor nu?
Kun i min hukommelse er internettet blevet fra ren akademisk forkælelse til den første og eneste revolutionerende infrastruktur. Dette er ikke et emne, der fortjener en fuld artikel, men jeg vil gætte på, at globalt set vil behovet for internettet og den indkomst, det genererer, fortsætte med at vokse med omkring 25 % om året.
I dag får vi næsten alle vores internet fra et lille antal geografisk isolerede monopoler. I USA har AT&T, Time Warner, Comcast og en håndfuld mindre spillere opdelt territorium for at undgå konkurrence, opkræve tre skins for tjenester og sole sig i strålerne af næsten universelt had.
Der er en god grund til, at udbydere ikke er konkurrencedygtige – ud over altopslugende grådighed. Det er meget, meget dyrt at bygge infrastrukturen til internettet – mikrobølgecelletårne og fiberoptik. Det er nemt at glemme internettets vidunderlige natur. Min bedstemor gik først på arbejde i Anden Verdenskrig som kommunikationsoperatør, men telegrafen konkurrerede derefter om den ledende strategiske rolle med brevduer! For de fleste af os er informationsmotorvejen noget flygtigt, uhåndgribeligt, men stykkerne rejser gennem den fysiske verden, som har grænser, floder, bjerge, oceaner, storme, naturkatastrofer og andre forhindringer. Tilbage i 1996, da den første fiberoptiske linje blev lagt langs havbunden, . I sin karakteristiske skarpe stil beskriver han livagtigt de rene omkostninger og kompleksitet ved at lægge disse linjer, langs hvilke de forbandede "kotegs" så stadig haster. I det meste af 2000'erne blev der trukket så mange kabler, at omkostningerne ved installationen var svimlende.
På et tidspunkt arbejdede jeg i et optisk laboratorium, og (hvis hukommelsen ikke fungerer) slog vi rekorden for den tid, og leverede en multipleks transmissionshastighed på 500 Gb/sek. Elektroniske begrænsninger tillod hver fiber at blive belastet til 0,1% af dens teoretiske kapacitet. Femten år senere er vi klar til at overskride tærsklen: Hvis datatransmissionen går ud over den, vil fiberen smelte, og det er vi allerede meget tæt på.
Men vi er nødt til at hæve strømmen af data over den syndige jord - ud i rummet, hvor satellitten uhindret kredser om "kuglen" 30 gange på fem år. Det virker som en oplagt løsning - så hvorfor er der ikke nogen, der har taget det på sig før?
Iridium-satellitkonstellationen, udviklet og implementeret i begyndelsen af 1990'erne af Motorola (kan du huske dem?), blev det første globale kommunikationsnetværk med lav kredsløb (som fristende beskrevet i ). Da den blev implementeret, viste niche-evnen til at dirigere små pakker med data fra aktivsporing sig at være dens eneste brug: mobiltelefoner var blevet så billige, at satellittelefoner aldrig tog fart. Iridium havde 66 satellitter (plus et par reservedele) i 6 baner - det minimum, der er sat til at dække hele planeten.
Hvis Iridium havde brug for 66 satellitter, hvorfor har SpaceX så brug for titusindvis? Hvordan er det så anderledes?
SpaceX kom ind i denne forretning fra den modsatte ende - det startede med opsendelser. Blev en pioner inden for bevaring af løfteraketter og erobrede dermed markedet for billige affyringsramper. At prøve at overbyde dem med en lavere pris vil ikke give dig mange penge, så den eneste måde at tjene på deres overskydende magt er at blive deres kunde. SpaceX's omkostninger til at opsende sine egne satellitter - (pr. 1 kg) Iridium, og derfor er de i stand til at komme ind på et betydeligt bredere marked.
Starlinks verdensomspændende dækning vil give adgang til internet af høj kvalitet overalt i verden. For første gang afhænger internettilgængeligheden ikke af et land eller bys nærhed til en fiberoptisk linje, men af klarheden af himlen ovenover. Brugere over hele verden vil have adgang til et uindskrænket globalt internet uanset deres egne varierende grader af ondskab og/eller uhyggelige regeringsmonopoler. Starlinks evne til at bryde disse monopoler vil katalysere positive forandringer i et utroligt omfang, der endelig vil forene milliarder af mennesker i fremtidens globale cybersamfund.
En kort lyrisk digression: hvad betyder det overhovedet?
For folk, der vokser op i nutidens æra med allestedsnærværende tilslutningsmuligheder, er internettet som den luft, vi indånder. Det er han bare. Men dette - hvis vi glemmer dets utrolige kraft til at bringe positive forandringer - og vi er allerede i centrum af det. Ved hjælp af internettet kan folk holde deres ledere ansvarlige, kommunikere med andre mennesker på den anden side af verden, dele tanker og opfinde noget nyt. Internettet forener menneskeheden. Moderniseringens historie er historien om udviklingen af dataudvekslingskapaciteter. Først - gennem taler og episk poesi. Så - skriftligt, som giver en stemme til de døde, og de vender sig til de levende; skrivning gør det muligt at lagre data og gør asynkron kommunikation mulig. Den trykte presse satte nyhedsproduktion i gang. Elektronisk kommunikation - har fremskyndet overførslen af data rundt om i verden. Personlige note-enheder er gradvist blevet mere komplekse og har udviklet sig fra notesbøger til mobiltelefoner, som hver især er en internetforbundet computer, proppet med sensorer og bliver bedre til at forudse vores behov hver dag.
En person, der bruger skrivning og en computer i kognitionsprocessen, har en bedre chance for at overvinde begrænsningerne i en ufuldkomment udviklet hjerne. Hvad der er endnu bedre er, at mobiltelefoner både er kraftfulde lagringsenheder og en mekanisme til at udveksle ideer. Mens folk plejede at stole på tale skrevet i notesbøger for at dele deres tanker, er det i dag normen, at notesbøger deler ideer, som folk har genereret. Den traditionelle ordning har gennemgået en inversion. En logisk fortsættelse af processen er en vis form for kollektiv metakognition, gennem personlige enheder, og forbundet med hinanden. Og selvom vi stadig kan være nostalgiske over vores tabte forbindelse med naturen og ensomheden, er det vigtigt at huske, at teknologi og teknologi alene er ansvarlig for broderparten af vores befrielse fra de "naturlige" cyklusser af uvidenhed, for tidlig død (som kan være undgås), vold, sult og tandforfald.
Hvordan?
Lad os tale om Starlink-projektets forretningsmodel og arkitektur.
For at Starlink kan blive en rentabel virksomhed, skal tilførslen af midler overstige omkostningerne ved konstruktion og drift. Traditionelt involverer kapitalinvesteringer højere forudgående omkostninger, sofistikeret specialiseret finansiering og forsikringsmekanismer til at opsende en satellit. En geostationær kommunikationssatellit kan koste 500 millioner dollars og tage 5 år at samle og opsende. Derfor bygger virksomheder inden for dette felt samtidig jet- eller containerskibe. Enorme udgifter, en tilstrømning af midler, der knap dækker finansieringsomkostninger, og et relativt lille driftsbudget. I modsætning hertil var det oprindelige Iridiums undergang, at Motorola tvang operatøren til at betale lammende licensgebyrer, hvilket gjorde virksomheden konkurs inden for få måneder.
For at gøre denne form for forretning var traditionelle satellitvirksomheder nødt til at betjene private kunder og opkræve høje datahastigheder. Flyselskaber, fjerntliggende forposter, skibe, krigszoner og nøgleinfrastruktur betaler omkring $5 per MB, hvilket er 1 gange dyrere end traditionel ADSL, på trods af latenstid og relativt lav satellitgennemstrømning.
Starlink planlægger at konkurrere med jordbaserede tjenesteudbydere, hvilket betyder, at det bliver nødt til at levere data billigere og ideelt set opkræve meget mindre end $1 pr. 1 MB. Er dette muligt? Eller, da dette er muligt, bør vi spørge: hvordan er det muligt?
Den første ingrediens i en ny ret er en billig lancering. I dag sælger Falcon en 24-tons lancering for omkring $60 millioner, hvilket er $2500 pr. 1 kg. Det viser sig dog, at der er langt flere interne omkostninger. Starlink-satellitter vil blive opsendt på genanvendelige løfteraketter, så marginalomkostningerne ved én opsendelse er omkostningerne ved en ny anden fase (ca. $4 millioner), strømkåber (1 million) og jordstøtte (~1 million). I alt: omkring 100 tusind dollars pr. satellit, dvs. mere end 1000 gange billigere end at opsende en konventionel kommunikationssatellit.
De fleste Starlink-satellitter vil dog blive opsendt på Starship. Faktisk giver udviklingen af Starlink, som opdaterede rapporter til FCC viser, noget projektets interne arkitektur. Det samlede antal satellitter i konstellationen voksede fra 1 til 584, derefter til 2 og til sidst til 825. Hvis man skal tro bruttoophobninger, er tallet endnu højere. Minimumsantallet af satellitter til den første udviklingsfase for at projektet kan være levedygtigt er 7 i 518 kredsløb (30 i alt), mens fuld dækning inden for 000 grader fra ækvator kræver 60 kredsløb af 6 satellitter (360 i alt). Det er 53 lanceringer for Falcon for blot 24 millioner dollars i interne omkostninger. Starship er på den anden side designet til at opsende op til 60 satellitter ad gangen til omtrent samme pris. Starlink-satellitter skal udskiftes hvert 1440. år, så 24 satellitter ville kræve 150 Starship-opsendelser om året. Det vil koste omkring 400 mio./år eller 5/satellit. Hver satellit opsendt på Falcon vejer 6000 kg; satellitter løftet på Starship kunne veje 15 kg og bære tredjepartsinstrumenter, være noget større og stadig ikke overstige den tilladte belastning.
Hvad består prisen af satellitter af? Blandt deres brødre er Starlink-satellitter noget usædvanlige. De samles, opbevares og lanceres fladt og er derfor ekstremt nemme at masseproducere. Erfaringen viser, at produktionsomkostningerne bør være omtrent lig med omkostningerne til løfteraketten. Hvis forskellen i pris er stor, betyder det, at ressourcerne fordeles forkert, da den omfattende reduktion af marginalomkostningerne samtidig med, at omkostningerne ikke er så stor. Er det virkelig muligt at betale 100 tusind dollars per satellit for en første batch på flere hundrede? Med andre ord, er Starlink-satellitten i en enhed ikke mere kompleks end en maskine?
For fuldt ud at besvare dette spørgsmål er vi nødt til at forstå, hvorfor omkostningerne ved en kommunikationssatellit i kredsløb er 1000 gange højere, selvom det ikke er 1000 gange mere komplekst. For at sige det ganske enkelt, hvorfor er pladshardware så dyrt? Der er mange grunde til dette, men den mest overbevisende i dette tilfælde er denne: hvis opsendelse af en satellit i kredsløb (før Falcon) koster mere end 100 millioner, skal den garanteres at virke i mange år for at bringe mindst nogle profit. At sikre en sådan pålidelighed i driften af det første og eneste produkt er en smertefuld proces og kan trække ud i årevis, hvilket kræver en indsats fra hundredvis af mennesker. Tilføj omkostningerne, og det er nemt at retfærdiggøre de ekstra processer, når det allerede er dyrt at lancere.
Starlink bryder dette paradigme ved at bygge hundredvis af satellitter, hurtigt rette tidlige designfejl og bruge masseproduktionsteknikker til at kontrollere omkostningerne. Jeg kan personligt sagtens forestille mig et Starlink samlebånd, hvor en tekniker integrerer noget nyt i designet og holder det hele sammen med et plastikslips (naturligvis på NASA-niveau) på en time eller to, og opretholder det nødvendige udskiftningsniveau på 16 satellitter/dag. Starlink-satellitten består af mange indviklede dele, men jeg ser ingen grund til, at prisen på den tusinde enhed, der kommer fra samlebåndet, ikke kan sænkes til 20. I maj skrev Elon faktisk på Twitter, at omkostningerne ved at producere en satellit er allerede lavere end omkostningerne ved lanceringen.
Lad os tage den gennemsnitlige sag og analysere tilbagebetalingstiden ved at afrunde tallene. En Starlink-satellit, som koster 100 tusind at samle og opsende, varer 5 år. Vil det betale sig selv, og i så fald hvor hurtigt?
Om 5 år vil Starlink-satellitten cirkle rundt om Jorden 30 gange. På hver af disse halvanden times kredsløb vil den tilbringe det meste af tiden over havet og måske 000 sekunder over en tæt befolket by. I løbet af dette korte vindue udsender han dataene og skynder sig at tjene penge. Forudsat at antennen understøtter 100 stråler, og hver stråle transmitterer 100 Mbps ved hjælp af moderne kodningstype , så genererer satellitten $1000 i overskud pr. kredsløb - med en abonnementspris på $1 pr. 1 GB. Dette er nok til at inddrive implementeringsomkostningerne på 100 tusind på en uge og forenkler kapitalstrukturen betydeligt. De resterende 29 omgange er fortjeneste minus faste omkostninger.
Anslåede tal kan variere meget i begge retninger. Men under alle omstændigheder, hvis du er i stand til at opsende en højkvalitets konstellation af satellitter i lav kredsløb for 100 - eller endda for 000 million pr. enhed - er dette en seriøs anmodning. Selv med sin latterligt korte brugstid er Starlink-satellitten i stand til at levere 1 PB data i løbet af sin levetid - til en amortiseret pris på $30 pr. GB. Samtidig, når der sendes over længere afstande, stiger marginalomkostningerne praktisk talt ikke.
For at forstå betydningen af denne model, lad os hurtigt sammenligne den med to andre modeller til levering af data til forbrugerne: et traditionelt fiberoptisk kabel og en satellitkonstellation, der tilbydes af et firma, der ikke er specialiseret i at opsende satellitter.
, der forbinder Frankrig og Singapore, blev sat i drift i 2005. Båndbredde - 1,28 Tb/s, installationsomkostninger - $500 millioner. Hvis den opererer med 10 % kapacitet i 100 år, og overheadomkostningerne udgør 100 % af kapitalomkostningerne, vil overførselsprisen være $0,02 pr. 1 GB. Transatlantiske kabler er kortere og lidt billigere, men søkablet er blot én enhed i en lang kæde af mennesker, der vil have penge til data. Det gennemsnitlige estimat for Starlink viser sig at være 8 gange billigere, og samtidig er de altomfattende.
Hvordan er det muligt? Starlink-satellitten inkluderer al den sofistikerede elektroniske switching-hardware, der er nødvendig for at forbinde fiberoptiske kabler, men bruger et vakuum i stedet for dyre, skrøbelige ledninger til at overføre data. Transmission gennem rummet reducerer antallet af hyggelige og døende monopoler, hvilket giver brugerne mulighed for at kommunikere gennem endnu mindre hardware.
Lad os sammenligne med den konkurrerende satellitudvikler OneWeb. OneWeb planlægger at skabe en konstellation af 600 satellitter, som den vil opsende gennem kommercielle leverandører til en pris på cirka $20 pr. 000 kg. Vægten af en satellit er 1 kg, dvs. i en ideel situation vil opsendelsen af en enhed være cirka 150 mio.. Omkostningerne til satellithardware er anslået til 3 mio. pr. i 1 vil omkostningerne for hele koncernen være 2027 mia.. Test udført af OneWeb viste en gennemstrømning på 2,6 Mb/sek. på toppen, ideelt set, for hver af de 50 stråler. Efter det samme mønster, som vi brugte til at beregne omkostningerne ved Starlink, får vi: hver OneWeb-satellit genererer 16 dollars pr. kredsløb og vil på kun 80 år indbringe 5 millioner dollars - knapt nok dækker opsendelsesomkostningerne, hvis man også tæller datatransmission til fjerntliggende områder med. . I alt får vi $2,4 per 1,70 GB.
Gwynne Shotwell blev for nylig citeret for at sige det , hvilket indebærer en konkurrencedygtig pris på $0,10 pr. 1 GB. Og dette er stadig med den oprindelige konfiguration af Starlink: med mindre optimeret produktion, lancering på Falcon og begrænsninger i datatransmission - og kun med dækning af det nordlige USA. Det viser sig, at SpaceX har en ubestridelig fordel: I dag kan de opsende en meget mere egnet satellit til en pris (pr. enhed) 15 gange lavere end deres konkurrenter. Starship vil øge føringen med 100 gange, hvis ikke mere, så det er ikke svært at forestille sig, at SpaceX opsender 2027 satellitter inden 30 for mindre end 000 milliard dollars, hvoraf det meste vil yde fra sin egen tegnebog.
Jeg er sikker på, at der er mere optimistiske analyser vedrørende OneWeb og andre kommende satellitkonstellationsudviklere, men jeg ved endnu ikke, hvordan tingene fungerer for dem.
For nylig Morgan Stanley at Starlink-satellitter vil koste 1 million til montering og 830 tusind til opsendelse. . Interessant nok svarer tallene til vores estimater for OneWebs omkostninger og er omkring 10 gange højere end det oprindelige Starlink-estimat. Brug af Starship og kommerciel satellitproduktion kan reducere omkostningerne ved satellitinstallation til omkring 35K/enhed. Og det er et forbavsende lavt tal.
Det sidste punkt tilbage er at sammenligne fortjenesten pr. 1 Watt solenergi genereret til Starlink. Ifølge billederne på deres hjemmeside har hver satellits solpanel et areal på cirka 60 kvadratmeter, dvs. i gennemsnit genererer ca. 3 kW eller 4,5 kWh pr. omdrejning. Som et groft skøn vil hver bane generere $1000, og hver satellit vil generere cirka $220 pr. kWh. Dette er 10 gange engrosprisen for solenergi, hvilket endnu en gang bekræfter: . Og modulering af mikrobølger til datatransmission er en ublu meromkostning.
arkitektur
I det foregående afsnit introducerede jeg ret groft en ikke-trivielt væsentlig del af Starlink-arkitekturen - hvordan den fungerer med planetens ekstremt ujævne befolkningstæthed. Starlink-satellitten udsender fokuserede stråler, der skaber pletter på planetens overflade. Abonnenter inden for en spot deler én båndbredde. Størrelsen af stedet bestemmes af grundlæggende fysik: i begyndelsen er dens bredde (satellithøjde x mikrobølgelængde / antennediameter), hvilket for en Starlink-satellit i bedste fald er et par kilometer.
I de fleste byer er befolkningstætheden cirka 1000 mennesker/kvadratkm., selvom den nogle steder er højere. I nogle områder af Tokyo eller Manhattan kan der være mere end 100 mennesker pr. Heldigvis har enhver så tæt befolket by et konkurrencepræget hjemmemarked for bredbåndsinternet, for ikke at nævne et højt udviklet mobiltelefonnetværk. Men hvordan det end måtte være, hvis der på et givet tidspunkt er mange satellitter af samme konstellation over byen, kan gennemstrømningen øges af rumlig mangfoldighed af antenner såvel som ved frekvensfordeling. Med andre ord kan dusinvis af satellitter fokusere den mest kraftfulde stråle på ét punkt, og brugere i den region vil bruge jordterminaler, der fordeler anmodningen blandt satellitterne.
Hvis det bedst egnede marked for salg af tjenester i de indledende faser er fjerntliggende områder, landdistrikter eller forstæder, så vil midler til yderligere lanceringer komme fra bedre tjenester til tætbefolkede byer. Scenariet er det stik modsatte af standardmarkedets ekspansionsmønster, hvor konkurrencedygtige tjenester rettet mod byer uundgåeligt lider under faldende overskud, når de forsøger at ekspandere til fattigere og mindre befolkede områder.
For flere år siden, da jeg lavede beregningerne, .
Jeg tog dataene fra dette billede og lavede de 3 grafer nedenfor. Den første viser hyppigheden af jordens areal efter befolkningstæthed. Det mest interessante er, at det meste af Jorden slet ikke er beboet, mens praktisk talt ingen region har mere end 100 mennesker pr. kmXNUMX.
Den anden graf viser hyppigheden af mennesker efter befolkningstæthed. Og selvom det meste af planeten er ubeboet, bor hovedparten af mennesker i områder, hvor der er 100-1000 mennesker pr. kvadratkilometer. Den udvidede karakter af denne top (en størrelsesorden større) afspejler bimodalitet i urbaniseringsmønstre. 100 personer/km1000. er et relativt tyndt befolket landområde, mens tallet på 10 personer/kv.km. allerede karakteristisk for forstæderne. Bycentre viser nemt 000 mennesker/km25, men indbyggertallet på Manhattan er 000 mennesker/km².
Den tredje graf viser befolkningstæthed efter breddegrad. Det kan ses, at næsten alle mennesker er koncentreret mellem 20 og 40 grader nordlig bredde. Det er i det store og hele, hvad der skete geografisk og historisk, eftersom en stor del af den sydlige halvkugle er optaget af havet. Og alligevel er en sådan befolkningstæthed en skræmmende udfordring for gruppens arkitekter, fordi... Satellitter bruger lige meget tid i begge halvkugler. Desuden vil en satellit, der kredser om Jorden i en vinkel på f.eks. 50 grader, bruge mere tid tættere på de specificerede breddegradsgrænser. Dette er grunden til, at Starlink kun kræver 6 baner for at betjene det nordlige USA, sammenlignet med 24 for at dække ækvator.
Faktisk, hvis du kombinerer befolkningstæthedsgrafen med satellitkonstellationstæthedsgrafen, bliver valget af baner indlysende. Hvert søjlediagram repræsenterer en af SpaceX's fire FCC-arkiveringer. Personligt forekommer det mig, at hver ny rapport er som en tilføjelse til den forrige, men under alle omstændigheder er det ikke svært at se, hvordan yderligere satellitter øger kapaciteten over de tilsvarende regioner på den nordlige halvkugle. I modsætning hertil er betydelig uudnyttet kapacitet tilbage over den sydlige halvkugle - glæd jer, Australien!
Hvad sker der med brugerdata, når de når satellitten? I den originale version sendte Starlink-satellitten dem straks tilbage til en dedikeret jordstation nær serviceområder. Denne konfiguration kaldes "direkte relæ". I fremtiden vil Starlink-satellitter kunne kommunikere med hinanden via laser. Dataudveksling vil toppe over tætbefolkede byer, men dataene kan distribueres over et netværk af lasere i to dimensioner. I praksis betyder det, at der er en enorm mulighed for et skjult kommunikations-backhaul-netværk i et netværk af satellitter, hvilket betyder, at brugerdata kan "gentransmitteres til Jorden" på et hvilket som helst passende sted. I praksis forekommer det mig, at SpaceX jordstationer vil blive kombineret med uden for byerne.
Det viser sig, at satellit-til-satellit-kommunikation ikke er en triviel opgave, medmindre satellitterne bevæger sig sammen. De seneste rapporter til FCC rapporterer 11 forskellige kredsløbskonstellationer af satellitter. Inden for en given gruppe bevæger satellitter sig i samme højde, i samme vinkel og med samme excentricitet, hvilket betyder, at lasere kan finde satellitter i umiddelbar nærhed med relativ lethed. Men lukkehastigheder mellem grupper måles i km/sek, så kommunikation mellem grupper skal om muligt foregå gennem korte, hurtigt kontrollerbare mikrobølgeforbindelser.
Orbitalgruppetopologi er ligesom bølgepartikelteorien om lys og gælder ikke specielt for vores eksempel, men jeg synes det er smukt, så jeg inkluderede det i artiklen. Hvis du ikke er interesseret i dette afsnit, så spring direkte til "Grænser for grundlæggende fysik."
En torus - eller doughnut - er et matematisk objekt defineret af to radier. Det er ret enkelt at tegne cirkler på overfladen af en torus: parallel eller vinkelret på dens form. Du kan finde det interessant at opdage, at der er to andre familier af cirkler, der kan tegnes på overfladen af en torus, som begge passerer gennem et hul i midten og rundt om omridset. Dette er den såkaldte , og jeg brugte dette design, da jeg designede toroid til Burning Man Tesla-spolen i 2015.
Og mens satellitbaner strengt taget er ellipser frem for cirkler, gælder det samme design for Starlink. En konstellation af 4500 satellitter på flere kredsløbsplaner, alle i samme vinkel, danner en kontinuerligt bevægende formation over jordens overflade. Formationen, der er rettet mod nord over et givet breddepunkt, vender rundt og bevæger sig tilbage mod syd. For at undgå kollisioner vil banerne være lidt aflange, så det nordgående lag vil være flere kilometer over (eller under) det sydgående lag. Tilsammen danner begge disse lag en udblæst torus, som vist nedenfor i det stærkt overdrevne diagram.
Lad mig minde dig om, at inden for denne torus udføres kommunikation mellem nabosatellitter. Generelt er der ingen direkte og kontinuerlige forbindelser mellem satellitter i forskellige lag, da lukkehastighederne for laserstyring er for høje. Datatransmissionsvejen mellem lagene passerer til gengæld over eller under torus.
I alt 30 satellitter vil blive placeret i 000 indlejrede tori, langt bagved ISS-kredsløbet! Dette diagram viser, hvordan alle disse lag er pakket uden overdreven excentricitet.
Til sidst bør du tænke over den optimale flyvehøjde. Der er et dilemma: lav højde, som giver større gennemstrømning med mindre strålestørrelser, eller høj højde, som giver dig mulighed for at dække hele planeten med færre satellitter? Over tid talte rapporter til FCC fra SpaceX om stadigt lavere højder, fordi det, efterhånden som Starship forbedres, gør det muligt hurtigt at indsætte større konstellationer.
Den lave højde har andre fordele, herunder en reduceret risiko for kollision med rumaffald eller de negative konsekvenser af udstyrsfejl. På grund af øget atmosfærisk luftmodstand vil lavereliggende Starlink-satellitter (330 km) brænde op inden for få uger efter at have mistet holdningskontrollen. Faktisk er 300 km en højde, hvor satellitterne næsten ikke flyver, og opretholdelse af højden vil kræve en indbygget Krypton elektrisk raketmotor, samt et strømlinet design. Teoretisk set kan en ret spids satellit drevet af en elektrisk raketmotor stabilt holde en højde på 160 km, men SpaceX vil næppe opsende satellitter så lavt, fordi der er et par tricks mere i ærmet for at øge kapaciteten.
Begrænsninger af grundlæggende fysik
Det virker usandsynligt, at omkostningerne ved at være vært for en satellit nogensinde vil falde meget under 35, selvom produktionen er avanceret og fuldt automatiseret, og Starship-skibene er fuldstændigt genbrugelige, og det er endnu ikke fuldt ud kendt, hvilke restriktioner fysik vil pålægge satellitten . Ovenstående analyse forudsætter en topgennemstrømning på 80 Gbps. (hvis du runder op til 100 stråler, som hver er i stand til at transmittere 100 Mbps).
Den maksimale kanalkapacitetsgrænse er indstillet til og er angivet i båndbreddestatistikken (1+SNR). Båndbredden er ofte begrænset , mens SNR er satellittens tilgængelige energi, baggrundsstøj og interferens på kanalen pga . En anden bemærkelsesværdig hindring er behandlingshastighed. De seneste Xilinx Ultrascale+ FPGA'er har , hvilket er godt i betragtning af de nuværende begrænsninger af kanalens informationskapacitet uden at udvikle tilpassede ASIC'er. Men selv da 58 Gb/sek. vil kræve en imponerende frekvensfordeling, højst sandsynligt i Ka- eller V-båndet. V (40–75 GHz) har mere tilgængelige cyklusser, men er underlagt større absorption af atmosfæren, især i fugtige områder.
Er 100 stråler praktiske? Der er to aspekter ved dette problem: strålebredde og fasedelt array-elementtæthed. Strålebredden bestemmes af bølgelængden divideret med antennediameteren. Digital phased array antenne er stadig en specialiseret teknologi, men de maksimale nyttige dimensioner bestemmes af bredden (ca. 1m), og det er dyrere at bruge radiofrekvenskommunikation. Bølgebredden i Ka-båndet er omkring 1 cm, mens strålebredden skal være 0,01 radian - med en spektrumbredde på 50 % af amplituden. Hvis man antager en strålesolidvinkel på 1 steradian (svarende til dækningen af et 50 mm kameraobjektiv), så ville 2500 individuelle stråler være tilstrækkeligt i dette område. Linearitet indebærer, at 2500 stråler ville kræve minimum 2500 antenneelementer i arrayet, hvilket i princippet er muligt, selvom det er svært at opnå. Og alt dette bliver meget varmt!
Hele 2500 kanaler, som hver understøtter 58 Gb/s, er en enorm mængde information - groft sagt så 145 Tb/s. Til sammenligning, al internettrafik i 2020 . Gode nyheder for dem, der er bekymrede over den grundlæggende lave båndbredde på satellitinternet. Hvis en konstellation på 30 satellitter bliver operationel i 000, vil den globale internettrafik potentielt beløbe sig til 2026 Tb/sek. Hvis halvdelen af denne kapacitet blev leveret af ~800 satellitter over tætbefolkede områder på et givet tidspunkt, så ville peak throughput per satellit være cirka 500 Gbps, hvilket er 800 gange højere end vores oprindelige basisberegninger, dvs. tilstrømningen af finansiering øges potentielt 10 gange.
For en satellit i en 330-kilometers bane dækker en stråle på 0,01 radianer et område på 10 kvadratkilometer. I særligt tæt befolkede områder som Manhattan bor op mod 300 mennesker i dette område. Hvad hvis de alle begynder at se Netflix på én gang (000 Mbps i HD-kvalitet)? Den samlede dataanmodning vil være 7 GB/sek., hvilket er cirka 2000 gange den nuværende strenge grænse, der er pålagt af den serielle FPGA-grænseflade. Der er to veje ud af denne situation, hvoraf kun den ene er fysisk mulig.
Den første er at sætte flere satellitter i kredsløb, så der på ethvert givet tidspunkt hænger mere end 35 over områder med stor efterspørgsel. Hvis vi igen tager 1 steradian for et acceptabelt adresserbart område af himlen og en gennemsnitlig omløbshøjde på 400 km, får vi en grupperingstæthed på 0,0002/sq. km, eller 100 i alt - hvis de er jævnt fordelt over hele klodens overflade. Lad os huske, at SpaceX's valgte baner dramatisk øger dækningen over tætbefolkede områder inden for 000-20 grader nordlig bredde, og nu virker antallet af 40 satellitter magisk.
Den anden idé er meget sejere, men desværre urealiserbar. Husk, at strålebredden bestemmes af bredden af den fasede array-antenne. Hvad hvis flere arrays på flere satellitter kombinerede kraft for at skabe en smallere stråle - ligesom radioteleskoper som dette (meget stort antennesystem)? Denne metode kommer med en komplikation: Grundlaget mellem satellitterne skal beregnes omhyggeligt - med submillimeter nøjagtighed - for at stabilisere strålens fase. Og selv hvis dette var muligt, ville den resulterende stråle sandsynligvis ikke indeholde sidelapperne på grund af den lave tæthed af satellitkonstellationen på himlen. På jorden ville strålebredden indsnævres til et par millimeter (nok til at spore en mobiltelefonantenne), men der ville være millioner af dem på grund af svag mellemlig nulstilling. tak skal du have .
Det viser sig, at kanalseparation ved vinkeldiversitet - trods alt er satellitter fordelt på himlen - giver tilstrækkelige forbedringer i gennemløbet uden at overtræde fysikkens love.
Ansøgning
Hvad er Starlink-kundeprofilen? Som standard er der tale om hundreder af millioner af brugere med antenner på størrelse med pizzaæsker på deres tage, men der er andre kilder til høj indkomst.
I fjerntliggende og landlige områder har jordstationer ikke brug for fasede array-antenner for at maksimere strålebredden, så mindre abonnentenheder er mulige, lige fra IoT-aktivsporere til håndholdte satellittelefoner, nødbeacons eller videnskabelige instrumenter til dyresporing.
I tætte bymiljøer vil Starlink levere primær og backup backhaul til det cellulære netværk. Hvert celletårn kunne have en højtydende jordstation på toppen, men brug jordbaserede strømforsyninger til forstærkning og last-mile transmission.
Endelig, selv i overbelastede områder under den første udrulning, er applikationer til satellitter med lav kredsløb med usædvanlig lav latenstid mulige. Finansielle virksomheder lægger selv en masse penge i dine hænder – bare for at få vitale data fra alle verdenshjørner i hvert fald lidt hurtigere. Og selvom data via Starlink har en længere rejse end normalt – gennem rummet – er lysets udbredelseshastighed i et vakuum 50 % højere end i kvartsglas, og det opvejer mere end forskellen ved transmission over længere afstande.
Negative konsekvenser
Det sidste afsnit omhandler negative konsekvenser. Formålet med artiklen er at rense dig for eventuelle misforståelser om projektet, og de potentielle negative konsekvenser af kontroverser er de mest bekymrende. Jeg vil give nogle oplysninger og afholde mig fra unødvendig fortolkning. Jeg er stadig ikke clairvoyant, og jeg har ingen insidere fra SpaceX.
Efter min mening kommer de alvorligste konsekvenser af øget adgang til internettet. Selv i min hjemby Pasadena, en pulserende og teknologikyndig by med over en million mennesker, der er hjemsted for adskillige observatorier, et universitet i verdensklasse og en stor NASA-facilitet, er valgmulighederne, når det kommer til internettjenester, begrænsede. På tværs af USA og resten af verden er internettet blevet en husleje-søgende offentlig tjeneste, hvor internetudbydere blot forsøger at tjene deres $50 millioner om måneden i et hyggeligt, ikke-konkurrencedygtigt miljø. Måske er enhver service, der leveres til lejligheder og beboelsesejendomme, en kommunal service, men kvaliteten af internettjenester er mindre lig end vand, elektricitet eller gas.
Problemet med status quo er, at internettet i modsætning til vand, elektricitet eller gas stadig er ungt og i hastig vækst. Vi finder hele tiden nye anvendelser for det. De mest revolutionerende ting er endnu ikke opdaget, men pakkeplaner kvæler muligheden for konkurrence og innovation. Milliarder af mennesker er efterladt på grund af fødselsforhold, eller fordi deres land ligger for langt fra søkabelruten. Internettet leveres stadig til store områder af planeten af geostationære satellitter til ublu priser.
Starlink, som løbende distribuerer internettet fra himlen, overtræder denne model. Jeg kender endnu ikke en bedre måde at forbinde milliarder af mennesker til internettet på. SpaceX er på vej til at blive en internetudbyder og potentielt en internetvirksomhed, der konkurrerer med Google og Facebook. Jeg vil vædde på, at du ikke har tænkt over dette.
Det er ikke indlysende, at satellit internet er den bedste løsning. SpaceX og kun SpaceX er i stand til hurtigt at skabe en omfattende konstellation af satellitter, fordi kun det brugte et årti på at bryde det regerings-militære monopol på opsendelser af rumfartøjer. Selv hvis Iridium skulle ti gange hurtigere end mobiltelefoner på markedet, ville det stadig ikke opnå udbredt anvendelse ved hjælp af traditionelle affyringsramper. Uden SpaceX og dets unikke forretningsmodel er der en god chance for, at globalt satellitinternet simpelthen aldrig ville ske.
Det andet store slag vil være for astronomi. Efter opsendelsen af de første 60 Starlink-satellitter var der en bølge af kritik fra det internationale astronomiske samfund, der sagde, at det mange gange øgede antal satellitter ville blokere deres adgang til nattehimlen. Der er et ordsprog: blandt astronomer er den med det største teleskop den sejeste. Uden overdrivelse er astronomi i den moderne æra en skræmmende opgave, der minder om en konstant kamp for at forbedre analysens kvalitet på baggrund af voksende lysforurening og andre støjkilder.
Det sidste, en astronom har brug for, er tusindvis af lysstærke satellitter, der blinker i et teleskops fokus. Faktisk blev den første Iridium-konstellation kendt for at producere "flare" på grund af store paneler, der reflekterede sollys på små områder af Jorden. Det skete, at de nåede lysstyrken på en fjerdedel af Månen og nogle gange endda ved et uheld beskadigede følsomme astronomiske sensorer. Frygten for, at Starlink vil invadere radiobånd, der bruges i radioastronomi, er heller ikke ubegrundet.
Hvis du downloader en satellitsporingsapp, kan du se snesevis af satellitter flyve på himlen på en klar aften. Satellitter er synlige efter solnedgang og før daggry, men kun når de er oplyst af solens stråler. Senere i løbet af natten er satellitterne usynlige i jordens skygge. Små, ekstremt fjerne, de bevæger sig meget hurtigt. Der er en chance for, at de vil skjule den fjerne stjerne i mindre end et millisekund, men jeg tror, at selv at opdage dette vil være en hæmoride.
Stærk bekymring for himmelbelysning opstod fra det faktum, at laget af satellitter fra den første opsendelse blev bygget tæt på Jordens terminator, dvs. Nat efter nat så Europa - og det var sommer - det episke billede af satellitter, der fløj gennem himlen i aftenskumringen. Ydermere viste simuleringer baseret på FCC-rapporter, at satellitter i en kredsløb på 1150 km ville være synlige, selv efter det astronomiske tusmørke var passeret. Generelt går tusmørket gennem tre stadier: civilt, maritime og astronomiske, dvs. når solen står henholdsvis 6, 12 og 18 grader under horisonten. I slutningen af det astronomiske tusmørke er solens stråler cirka 650 km fra overfladen i zenit, et godt stykke ud over atmosfæren og det meste af lavt kredsløb om Jorden. Baseret på data fra , jeg tror, at alle satellitter vil blive placeret i en højde under 600 km. I dette tilfælde ville de være synlige i skumringen, men ikke efter mørkets frembrud, hvilket i høj grad reducerer den potentielle indvirkning på astronomi.
Det tredje problem er affald i kredsløb. I Jeg påpegede, at satellitter og affald under 600 km vil falde ud af kredsløb inden for få år - på grund af atmosfærisk luftmodstand, hvilket i høj grad reducerer muligheden for Kessler syndrom. SpaceX roder rundt med snavset, som om de overhovedet er ligeglade med rumskrammel. Her ser jeg på detaljerne i Starlink-implementeringen, og jeg har svært ved at forestille mig en bedre måde at reducere mængden af affald i kredsløb.
Satellitterne opsendes til en højde af 350 km, hvorefter de ved hjælp af indbyggede motorer flyver ud i deres tilsigtede kredsløb. Enhver satellit, der dør under opsendelsen, vil være ude af kredsløb inden for et par uger og vil ikke kredse et andet sted højere i de næste tusind år. Denne placering involverer strategisk test for gratis adgang. Yderligere er Starlink-satellitter flade i tværsnit, hvilket betyder, at når de mister højdekontrol, kommer de ind i atmosfærens tætte lag.
Få mennesker ved, at SpaceX blev en pioner inden for astronautik ved at bruge alternative typer montering i stedet for squibs. Næsten alle opsendelsessteder bruger squibs, når de installerer scener, satellitter, fairings osv. osv., og derved øger den potentielle mængde af snavs. SpaceX fjerner også bevidst de øverste stadier fra kredsløb, hvilket forhindrer dem i at dingle i rummet for evigt, så de ikke forringes og går i opløsning i det barske rummiljø.
Til sidst er det sidste spørgsmål, jeg gerne vil nævne, chancen for, at SpaceX vil fortrænge det eksisterende internetmonopol ved at skabe sit eget. I sin niche monopoliserer SpaceX allerede opsendelser. Kun rivaliserende regeringers ønske om at få garanteret adgang til rummet forhindrer dyre og forældede missiler, som ofte samles af store monopolistiske forsvarsentreprenører, i at blive skrottet.
Det er ikke så svært at forestille sig, at SpaceX opsender 2030 af sine satellitter årligt i 6000, plus et par spionsatellitter for gamle dages skyld. Billige og pålidelige satellitter SpaceX vil sælge "rackplads" til tredjepartsenheder. Ethvert universitet, der kan skabe et rumanvendeligt kamera, vil være i stand til at sende det i kredsløb uden at skulle bære omkostningerne ved at bygge en hel rumplatform. Med så avanceret og ubegrænset adgang til rummet er Starlink allerede forbundet med satellitter, mens historiske producenter er ved at blive en saga blot.
Historien indeholder eksempler på fremadstormende virksomheder, der besatte en så stor niche på markedet, at deres navne blev kendte navne: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Problemet kan opstå, når en pionervirksomhed engagerer sig i konkurrencebegrænsende praksis for at bevare sin markedsandel, selvom dette ofte har været tilladt siden præsident Reagan. SpaceX kunne bevare sit Starlink-monopol og tvinge andre udviklere af satellitkonstellationer til at opsende satellitter på gamle sovjetiske raketter. Lignende handlinger truffet , kombineret med fastsættelse af priser for posttransport, førte det til at kollapse i 1934. Heldigvis er det usandsynligt, at SpaceX vil bevare et absolut monopol på genanvendelige raketter for evigt.
Endnu mere bekymrende er det, at SpaceX's udsendelse af titusindvis af satellitter med lav kredsløb kunne designes som en ko-optation af fællesområderne. En privat virksomhed, der søger personlig vinding, tager permanent ejerskab af engang offentligt tilgængelige og ubesatte orbitale positioner. Og mens SpaceX's innovationer gjorde det muligt rent faktisk at tjene penge i et vakuum, blev meget af SpaceX's intellektuelle kapital bygget med milliarder af dollars i forskningsbudgetter.
På den ene side har vi brug for love, der vil beskytte private investeringer, forsknings- og udviklingsfonde. Uden denne beskyttelse vil innovatører ikke være i stand til at finansiere ambitiøse projekter eller vil flytte deres virksomheder til steder, hvor en sådan beskyttelse vil blive givet dem. Under alle omstændigheder lider offentligheden, fordi der ikke skabes overskud. På den anden side har vi brug for love, der vil beskytte mennesker, de nominelle ejere af almene, inklusive himlen, mod leje-søgende private enheder, der annekterer offentlige goder. I sig selv er hverken det ene eller det andet sandt eller overhovedet muligt. SpaceX's udvikling giver mulighed for at finde en mellemvej på dette nye marked. Vi vil forstå, at det er blevet fundet, når vi maksimerer hyppigheden af innovation og skabelsen af social velfærd.
Sidste tanker
Jeg skrev denne artikel umiddelbart efter at have afsluttet en anden - . Det har været en varm uge. Både Starship og Starlink er revolutionerende teknologier, der bliver skabt lige foran vores øjne, i vores liv. Hvis jeg ser mine børnebørn vokse op, vil de blive mere forbløffet over, at jeg er ældre end Starlink, snarere end det faktum, at da jeg var barn, var der ingen mobiltelefoner (museumsudstillinger) eller selve det offentlige internet.
De rige og militæret har brugt satellit-internet i lang tid, men allestedsnærværende, almindelige og billige Starlink uden Starship er simpelthen umuligt.
De har talt om lanceringen i lang tid, men Starship, en meget billig og derfor interessant platform, er umulig uden Starlink.
Udforskning af bemandet rum har været talt om længe, og hvis du... , så har du grønt lys. Med Starship og Starlink er menneskelig udforskning af rummet en opnåelig, nær fremtid, kun et stenkast fra en orbital forpost til industrialiserede byer i det dybe rum.
Kilde: www.habr.com