Cet article est issu d'une série sur .
- Le projet de SpaceX de distribuer Internet via des dizaines de milliers de satellites est le sujet principal de la presse spatiale. Des articles sur les dernières réalisations sont publiés chaque semaine. Si, en général, le schéma est clair, mais après avoir lu , une personne bien motivée (disons, votre serviteur) peut déterrer beaucoup de détails. Cependant, il existe encore de nombreuses idées fausses associées à cette nouvelle technologie, même parmi les observateurs éclairés. Il n'est pas rare de voir des articles comparant Starlink à OneWeb et Kuiper (entre autres) comme s'ils étaient en concurrence à armes égales. D'autres auteurs, clairement soucieux du bien de la planète, crient sur les débris spatiaux, le droit de l'espace, les normes et la sécurité de l'astronomie. J'espère qu'après avoir lu cet article - plutôt long -, le lecteur comprendra et ressentira mieux l'idée de Starlink.
touché de manière inattendue une corde sensible dans l'âme de mes quelques lecteurs. J'y expliquais comment Starship mettrait SpaceX en tête pendant longtemps et fournirait en même temps un mécanisme pour une nouvelle exploration spatiale. L'implication est que l'industrie traditionnelle des satellites ne peut pas suivre SpaceX, qui augmente régulièrement sa capacité et réduit les coûts de la famille de fusées Falcon, plaçant SpaceX dans une position difficile. D'une part, il constituait un marché d'une valeur, au mieux, de plusieurs milliards par an. D'autre part, cela a suscité en soi un appétit irrépressible pour l'argent - pour la construction d'une énorme fusée, sur laquelle, cependant, il n'y a presque personne à envoyer sur Mars, et aucun profit immédiat ne peut être attendu.
La solution à ce problème jumeau est Starlink. En assemblant et en lançant ses propres satellites, SpaceX pourrait créer et définir un nouveau marché pour un accès hautement efficace et démocratisé aux communications spatiales, obtenir un financement pour construire une fusée avant qu'elle ne noie l'entreprise et augmenter sa valeur économique à des billions. Ne sous-estimez pas l'ampleur des ambitions d'Elon. Au total, il n'y a pas tant d'industries où des billions de dollars tournent : énergie, transport à grande vitesse, communications, informatique, santé, agriculture, gouvernement, défense. Malgré les idées fausses courantes, , и L'entreprise n'est pas viable. Elon a envahi l'industrie de l'énergie avec sa Tesla, mais seules les télécommunications fourniront un marché fiable et vaste pour les lancements de satellites et de fusées.
Pour la première fois, Elon Musk a tourné les yeux vers l'espace lorsqu'il a voulu faire un don de 80 millions de dollars à une mission de culture de plantes sur une sonde martienne. Il en coûterait probablement 100 000 fois plus pour construire une ville sur Mars, donc Starlink est le principal pari de Musk pour sécuriser une mer d'argent de parrainage indispensable. .
Pour quoi?
Je prévois cet article depuis longtemps, mais ce n'est que la semaine dernière que j'ai eu une image complète. Ensuite, le président de SpaceX, Gwynne Shotwell, a accordé à Rob Baron une interview incroyable, qu'il a ensuite couverte pour CNBC dans un grand Michael Schitz, et à qui ils ont dédié . Cette interview a montré une énorme différence dans les approches des communications par satellite entre SpaceX et tout le monde.
Concept est né en 2012, lorsque SpaceX s'est rendu compte que ses clients - principalement des fournisseurs de satellites - disposaient d'énormes réserves d'argent. Les rampes de lancement font grimper les prix du déploiement de satellites et, ce faisant, manquent en quelque sorte une étape du travail - comment se fait-il ? Elon rêvait de créer une constellation de satellites pour Internet et, incapable de résister à une tâche presque impossible, a lancé le processus. Développement Starlink , mais à la fin de cet article, vous, mon lecteur, serez probablement surpris de voir à quel point ces difficultés sont minimes, compte tenu de la portée de l'idée.
Un tel regroupement est-il vraiment nécessaire pour Internet ? Et pourquoi maintenant ?
Ce n'est que dans ma mémoire qu'Internet est passé d'une simple gâterie académique à la première et unique infrastructure révolutionnaire. Ce n'est pas un sujet qui mérite d'être consacré dans un long article, mais je partirai du principe que globalement, le besoin d'Internet et les revenus qu'il génère continueront de croître d'environ 25% par an.
Aujourd'hui, nous obtenons presque tous Internet d'un petit nombre de monopoles géographiquement isolés. Aux États-Unis, AT&T, Time Warner, Comcast et une poignée d'acteurs plus petits se sont divisés le territoire pour éviter la concurrence, se battre trois skins pour les services et baigner dans les rayons de la haine quasi universelle.
Les FAI ont une bonne raison de se comporter de manière non compétitive, en plus de la cupidité dévorante. Construire l'infrastructure d'Internet - tours cellulaires à micro-ondes et fibre optique - coûte très, très cher. Il est facile d'oublier la merveilleuse nature d'Internet. Ma grand-mère est d'abord allée travailler pendant la Seconde Guerre mondiale en tant que signaleur, puis le télégraphe a ensuite concouru pour le rôle stratégique de premier plan avec les pigeons voyageurs! Pour la plupart d'entre nous, l'autoroute de l'information est quelque chose d'éphémère, d'intangible, mais des bits voyagent à travers le monde physique, qui a des frontières, des rivières, des montagnes, des océans, des tempêtes, des catastrophes naturelles et d'autres obstacles. En 1996, lorsque la première ligne de fibre optique a été posée au fond de l'océan, . Avec son style pointu qui le caractérise, il décrit avec éclat le coût et la complexité de la pose de ces lignes, le long desquelles les maudits «kotegs» se précipitent alors de toute façon. Pendant la majeure partie des années 2000, le câble a été tellement tiré que le coût de déploiement était étonnant.
A une époque je travaillais dans un laboratoire d'optique et (si ma mémoire est bonne) nous avons battu le record de cette époque en délivrant un débit de transmission multiplex de 500 Gb/s. Les limitations électroniques permettaient à chaque fibre d'être chargée de 0,1 % de la bande passante théorique. Quinze ans plus tard, nous sommes prêts à dépasser le seuil : si le transfert de données va au-delà, la fibre va fondre, et nous en sommes déjà très proches.
Mais il est nécessaire d'élever le flux de données au-dessus de la terre pécheresse - dans l'espace, où le satellite vole autour de la "boule" 30 000 fois en cinq ans. Une solution évidente, semble-t-il, alors pourquoi personne ne l'a prise avant ?
La constellation de satellites Iridium, développée et déployée au début des années 1990 par Motorola (vous en souvenez-vous encore ?), est devenue le premier réseau mondial de communications en orbite basse (comme décrit de manière tentante dans ). Au moment où il a été déployé, la capacité de niche à acheminer de petits paquets de données à partir de trackers d'actifs était sa seule utilisation : les téléphones portables étaient si bon marché que les téléphones satellites n'arrivaient jamais. Iridium avait 66 satellites (plus quelques pièces de rechange supplémentaires) sur 6 orbites - le minimum fixé pour couvrir la planète entière.
Si 66 satellites suffisaient pour Iridium, alors pourquoi SpaceX en avait-il besoin de dizaines de milliers ? Pourquoi est-elle si différente ?
SpaceX est entré dans cette entreprise par l'autre bout - cela a commencé par des lancements. Est devenu un pionnier dans le domaine de la préservation des lanceurs et a ainsi conquis le marché des rampes de lancement bon marché. Essayer de surenchérir avec un prix inférieur ne rapportera pas beaucoup d'argent, donc la seule façon de profiter de leur capacité excédentaire est de devenir client. SpaceX dépense pour lancer ses propres satellites - (pour 1 kg) Iridium, et donc ils sont en mesure d'entrer sur un marché beaucoup plus large.
La couverture mondiale de Starlink vous fournira un accès à Internet de haute qualité partout dans le monde. Pour la première fois, la disponibilité d'Internet ne dépendra pas de la proximité d'un pays ou d'une ville avec une ligne de fibre optique, mais de la pureté du ciel au-dessus. Les utilisateurs du monde entier auront accès à un Internet mondial sans entraves, quels que soient leurs propres degrés de monopoles gouvernementaux mauvais et/ou malhonnêtes. La capacité de Starlink à briser ces monopoles catalyse un changement positif d'une ampleur incroyable qui réunira enfin des milliards de personnes dans la communauté cybernétique mondiale du futur.
Une petite digression lyrique : qu'est-ce que cela veut dire ?
Pour les personnes qui grandissent aujourd'hui à une époque de connectivité omniprésente, Internet est comme l'air que nous respirons. Il est juste. Mais cela - si vous oubliez son incroyable pouvoir d'apporter des changements positifs - et nous sommes déjà en leur centre même. Avec l'aide d'Internet, les gens peuvent demander des comptes à leurs dirigeants, communiquer avec d'autres personnes à l'autre bout du monde, partager des pensées, inventer quelque chose de nouveau. Internet unit l'humanité. L'historique des mises à niveau est l'historique de l'évolution des capacités de partage de données. D'abord, à travers des discours et de la poésie épique. Puis - sur une lettre qui donne la parole aux morts, et ils se tournent vers les vivants; l'écriture permet de stocker des données et rend possible la communication asynchrone. La presse écrite a lancé la production d'informations. La communication électronique - a accéléré le transfert de données dans le monde entier. Les appareils de prise de notes personnels sont progressivement devenus plus complexes, évoluant des ordinateurs portables aux téléphones portables, chacun étant un ordinateur connecté à Internet, bourré de capteurs et de mieux en mieux prévoir nos besoins.
Une personne qui utilise l'écriture et un ordinateur dans le processus de cognition a de meilleures chances de surmonter les limites d'un cerveau imparfaitement développé. Encore plus encourageant, les téléphones cellulaires sont à la fois de puissants dispositifs de stockage et un mécanisme d'échange d'idées. Si les gens d'autrefois, partageant leurs pensées, s'appuyaient sur le discours qu'ils esquissaient dans des cahiers, aujourd'hui c'est la norme si les cahiers eux-mêmes partagent des idées que les gens ont générées. Le schéma traditionnel a subi une inversion. La suite logique du processus est une forme de métacognition collective, à travers des dispositifs personnels, et liés les uns aux autres. Bien que nous soyons encore nostalgiques de la perte de connexion avec la nature et la solitude, il est important de se rappeler que la technologie et la technologie sont seules responsables de la part du lion de notre libération des cycles "naturels" de l'ignorance, de la mort prématurée (qui peut être évitée) , la violence, la faim et la carie dentaire.
Comment?
Parlons du modèle commercial et de l'architecture du projet Starlink.
Pour que Starlink devienne une entreprise rentable, l'afflux de fonds doit dépasser les coûts de construction et d'exploitation. Traditionnellement, l'investissement en capital impliquait des coûts de démarrage accrus, l'utilisation de mécanismes de financement et d'assurance spécialisés sophistiqués, et tout pour lancer un satellite. Un satellite de communication géostationnaire peut coûter 500 millions de dollars et prendre cinq ans pour être construit et lancé. Par conséquent, les entreprises de ce domaine construisent simultanément des navires à réaction ou des porte-conteneurs. Des dépenses énormes, un afflux de fonds qui couvre à peine les coûts de financement et un budget de fonctionnement relativement faible. En revanche, l'échec de l'Iridium d'origine a été que Motorola a forcé l'opérateur à payer des frais de licence tueurs, mettant l'entreprise en faillite en quelques mois seulement.
Pour gérer une telle entreprise, les sociétés de satellites traditionnelles devaient servir des clients privés et facturer des débits de données élevés. Les compagnies aériennes, les avant-postes éloignés, les navires, les zones de guerre et les sites d'infrastructure clés paient environ 5 $ par Mo, soit 1 5000 fois le coût de l'ADSL traditionnel, malgré la latence des données et une bande passante satellite relativement faible.
Starlink prévoit de concurrencer les fournisseurs de services terrestres, ce qui signifie qu'il devra fournir des données moins chères et, idéalement, facturer beaucoup moins de 1 $ pour 1 Mo. Est-il possible? Ou, puisque c'est possible, on devrait se demander : comment est-ce possible ?
Le premier ingrédient du nouveau plat est un lancement bon marché. Aujourd'hui, Falcon vend une vedette de 24 tonnes pour environ 60 millions de dollars, soit 2500 1 dollars le kg. Il s'avère cependant qu'il y a beaucoup plus de coûts internes. Les satellites Starlink seront lancés sur des lanceurs réutilisables, de sorte que le coût marginal d'un seul lancement correspond au coût d'un nouveau deuxième étage (environ 4 millions de dollars), des carénages (1 million) et du support au sol (~ 1 million). Total : environ 100 mille dollars pour un satellite, c'est-à-dire plus de 1000 XNUMX fois moins cher que le lancement d'un satellite de communication conventionnel.
Cependant, la plupart des satellites Starlink seront lancés sur Starship. En effet, l'évolution de Starlink, comme le montrent les rapports mis à jour de la FCC, fournit certains architecture interne du projet. Le nombre total de satellites dans la constellation est passé de 1 584 à 2 825, puis à 7 518 et enfin à 30 000. Si l'on en croit la formation brute de capital, le chiffre est encore plus élevé. Le nombre minimum de satellites pour la première étape de développement pour que le projet soit viable est de 60 sur 6 orbites (360 au total), tandis qu'une couverture complète à moins de 53 degrés de l'équateur nécessite 24 orbites de 60 satellites (1440 au total). Cela représente 24 lancements pour le Falcon pour quelque 150 millions de dollars de dépenses internes. Starship, quant à lui, est conçu pour lancer jusqu'à 400 satellites à la fois, pour environ le même prix. Les satellites Starlink doivent être remplacés tous les 5 ans, donc 6000 15 satellites nécessiteraient 100 lancements de Starship par an. Il en coûtera quelque 15 millions/an, soit 227 mille/satellite. Chaque satellite Falcon pèse 320 kg ; les satellites soulevés sur Starship pourraient peser XNUMX kg et transporter des appareils tiers, être un peu plus gros et ne pas dépasser la charge autorisée.
Quel est le coût des satellites ? Entre frères, les satellites Starlink sont quelque peu inhabituels. Ils sont assemblés, stockés et lancés à plat et sont donc exceptionnellement faciles à produire en série. Comme le montre l'expérience, le coût de production devrait approximativement être égal au coût du lanceur. Si la différence de prix est importante, cela signifie que les ressources ne sont pas correctement allouées, car la réduction globale des coûts marginaux tout en réduisant les coûts n'est pas si importante. Est-ce vraiment 100 XNUMX dollars par satellite avec le premier lot de plusieurs centaines ? En d'autres termes, un satellite Starlink dans un appareil n'est-il pas plus complexe qu'une machine ?
Pour répondre pleinement à cette question, vous devez comprendre pourquoi le coût d'un satellite de communication en orbite est 1000 fois plus élevé, même si ce n'est pas 1000 fois plus compliqué. Pour faire simple, pourquoi le matériel spatial est-il si cher ? Il y a plusieurs raisons à cela, mais la plus convaincante dans ce cas est celle-ci : si le lancement d'un satellite en orbite (avant Falcon) coûte plus de 100 millions, il doit être garanti de fonctionner pendant de nombreuses années - afin d'apporter au moins quelques profit. Assurer une telle fiabilité dans le fonctionnement du premier et unique produit est un processus pénible et peut s'éterniser pendant des années, nécessitant les efforts de centaines de personnes. Ajoutez à cela le coût, et il est facile de justifier les processus supplémentaires alors que le lancement est déjà coûteux.
Starlink brise ce paradigme en construisant des centaines de satellites, en corrigeant rapidement les défauts de conception précoces et en faisant appel à des techniciens de production de masse pour gérer les coûts. Il m'est facile d'imaginer personnellement un pipeline Starlink où un technicien intègre quelque chose de nouveau dans la conception et fixe le tout avec une attache en plastique (niveau NASA, bien sûr) en une heure ou deux, en maintenant le taux de remplacement requis de 16 satellites / jour. Un satellite Starlink est composé de nombreuses pièces complexes, mais je ne vois aucune raison pour laquelle le coût d'une millième unité sortant de la chaîne de montage ne peut pas être abaissé à 20 XNUMX. En effet, en mai, Elon a écrit sur Twitter que le coût de la fabrication d'un satellite est déjà inférieure au coût de lancement.
Prenons le cas moyen et analysons le délai de récupération en arrondissant les chiffres. Un satellite Starlink, dont l'assemblage et le lancement coûtent 100 5, fonctionne depuis XNUMX ans. Sera-t-il rentabilisé, et si oui, en combien de temps ?
Dans 5 ans, le satellite Starlink fera 30 000 fois le tour de la Terre. Dans chacune de ces orbites d'une heure et demie, il passera la plupart du temps au-dessus de l'océan et probablement 100 secondes au-dessus d'une ville densément peuplée. Dans cette courte fenêtre, il diffuse des données, pressé de gagner de l'argent. En supposant que l'antenne prend en charge 100 faisceaux et que chaque faisceau transmet 100 Mbps, en utilisant un codage moderne comme , le satellite génère alors 1000 1 USD de bénéfices par orbite, à un prix d'abonnement de 1 USD pour 100 Go. C'est suffisant pour rembourser un coût de déploiement de 29 900 $ en une semaine et simplifie beaucoup la structure du capital. Les XNUMX XNUMX tours restants correspondent au profit moins les coûts fixes.
Les nombres estimés peuvent varier considérablement, et dans les deux sens. Mais dans tous les cas, si vous pouvez mettre une constellation de satellites de qualité en orbite basse pour 100 000 - voire pour 1 million / unité - c'est une application sérieuse. Même avec une durée d'utilisation ridiculement courte, un satellite Starlink est capable de fournir 30 Pb de données au cours de sa durée de vie - à un coût amorti de 0,003 $ par Go. Dans le même temps, lors de la transmission sur de plus longues distances, les coûts marginaux n'augmentent pratiquement pas.
Pour comprendre l'importance de ce modèle, comparons-le rapidement à deux autres modèles de livraison de données aux consommateurs : le câble à fibre optique traditionnel et la constellation de satellites proposée par une société non spécialisée dans les lancements de satellites.
reliant la France et Singapour a été mis en service en 2005. Bande passante - 1,28 Tb / s., Coût de déploiement - 500 millions de dollars. S'il fonctionne à 10 % de sa capacité pendant 100 ans et que les frais généraux représentent 100 % des coûts d'investissement, le prix de transfert sera de 0,02 USD pour 1 Go. Les câbles transatlantiques sont plus courts et légèrement moins chers, mais le câble sous-marin n'est qu'une entité parmi une longue lignée de personnes qui veulent de l'argent pour les transferts de données. L'estimation moyenne pour Starlink est 8 fois moins chère, et en même temps ils ont le "tout compris".
Comment est-ce possible? Le satellite Starlink comprend tous les éléments de commutation électroniques complexes nécessaires pour relier les câbles à fibre optique, mais il utilise le vide au lieu d'un fil coûteux et fragile pour la transmission de données. La transmission spatiale réduit le nombre de monopoles confortables et obsolètes, permettant aux utilisateurs de communiquer avec encore moins de matériel.
Comparable au développeur de satellites concurrent OneWeb. OneWeb prévoit de créer une constellation de 600 satellites, qu'il lancera par l'intermédiaire de fournisseurs commerciaux à un prix d'environ 20 000 dollars pour 1 kg. Le poids d'un satellite est de 150 kg, c'est-à-dire que dans un scénario idéal, le lancement d'une unité sera d'environ 3 millions. Le coût du matériel du satellite est estimé à 1 million par satellite, soit. d'ici 2027, le coût de l'ensemble du regroupement sera de 2,6 milliards de dollars.Les tests menés par OneWeb ont montré un débit de 50 Mb/s. au sommet, idéalement, pour chacun des 16 faisceaux. En suivant le même schéma par lequel nous avons calculé le coût de Starlink, nous obtenons : chaque satellite OneWeb génère 80 $ par orbite, et en seulement 5 ans, il rapportera 2,4 millions de dollars - couvrant à peine les coûts de lancement, si l'on compte également la transmission de données à distance. régions. Au total, nous obtenons 1,70 $ pour 1 Go.
Gwynn Shotwell a récemment été cité comme disant que , ce qui implique un prix compétitif de 0,10 USD par Go. Et c'est avec la configuration Starlink d'origine : avec une production moins optimisée, un lancement sur le Falcon et des restrictions de transfert de données - et uniquement avec une couverture du nord des États-Unis. Il s'avère que SpaceX a un avantage indéniable : ils peuvent aujourd'hui lancer un satellite bien plus adapté à un prix (à l'unité) 1 fois inférieur à celui des concurrents. Starship augmentera l'avance d'un facteur 15, sinon plus, il n'est donc pas difficile d'imaginer SpaceX lancer 100 2027 satellites d'ici 30 pour moins d'un milliard de dollars, dont la plupart seront fournis à partir de son propre portefeuille.
Je suis sûr qu'il existe des analyses plus optimistes concernant OneWeb et d'autres développeurs de constellations en herbe, mais je ne sais pas encore comment ils fonctionnent.
Récemment, Morgan Stanley que les satellites Starlink coûteront 1 million pour l'assemblage et 830 XNUMX pour le lancement. . Curieusement, les chiffres sont similaires à nos calculs pour les dépenses OneWeb, et environ 10 fois plus élevés que l'estimation originale de Starlink. L'utilisation de Starship et de la fabrication de satellites industriels pourrait réduire le coût de déploiement des satellites à environ 35 XNUMX/unité. Et c'est un nombre étonnamment bas.
Le dernier point reste - pour comparer le profit par 1 W d'énergie solaire générée pour Starlink. Selon les photos sur leur site Web, le panneau solaire de chaque satellite mesure environ 60 m². génère en moyenne environ 3 kW ou 4,5 kWh par tour. On estime que chaque orbite générera 1000 220 $ et chaque satellite générera environ 10 $ par kWh. C'est 000 XNUMX fois plus que le prix de gros de l'énergie solaire, ce qui confirme une fois de plus : . Et la modulation hyperfréquence pour la transmission de données représente un surcoût exorbitant.
Architecture
Dans la section précédente, j'ai présenté assez grossièrement une partie non négligeable de l'architecture Starlink - comment cela fonctionne avec une densité de population très inégale sur la planète. Le satellite Starlink émet des faisceaux focalisés qui forment des taches à la surface de la planète. Les abonnés au spot partagent une bande passante. Les dimensions de la tache sont déterminées par la physique fondamentale : initialement, sa largeur est (hauteur du satellite x longueur de micro-onde / diamètre de l'antenne), ce qui pour un satellite Starlink est, au mieux, de quelques kilomètres.
Dans la plupart des villes, la densité de population est d'environ 1000 100 personnes/km000, bien qu'elle soit plus élevée à certains endroits. Dans certains quartiers de Tokyo ou de Manhattan, il peut y avoir plus de XNUMX XNUMX personnes par spot. Heureusement, toute ville aussi densément peuplée dispose d'un marché intérieur concurrentiel pour l'Internet haut débit, sans parler d'un réseau de téléphonie mobile très développé. Quoi qu'il en soit, si à un instant donné plusieurs satellites d'une même constellation se trouvent au-dessus de la ville, le débit peut être augmenté en diversifiant spatialement les antennes, ainsi qu'en répartissant les fréquences. En d'autres termes, des dizaines de satellites peuvent focaliser le faisceau le plus puissant en un point, et les utilisateurs de cette région utiliseront des terminaux au sol qui répartiront la demande entre les satellites.
Si, au départ, le marché le plus approprié pour la vente de services est celui des zones éloignées, rurales ou suburbaines, les fonds pour d'autres lancements proviendront de meilleurs services spécifiquement destinés aux villes densément peuplées. Le scénario est exactement l'opposé du schéma standard d'expansion du marché, dans lequel les services compétitifs centrés sur la ville subissent inévitablement une baisse des bénéfices alors qu'ils tentent de s'étendre dans des zones plus pauvres et moins densément peuplées.
Il y a quelques années, quand j'ai fait le calcul, .
J'ai pris les données de cette image et compilé les 3 tracés ci-dessous. Le premier montre la fréquence de la superficie des terres par la densité de population. La chose la plus intéressante est que la majeure partie de la Terre n'est pas habitée du tout, alors que pratiquement aucune région ne compte plus de 100 personnes par kmXNUMX.
Le deuxième graphique montre la fréquence des personnes par densité de population. Et bien que la majeure partie de la planète soit inhabitée, la majeure partie de la population vit dans des zones où il y a 100 à 1000 100 personnes par kilomètre carré. La nature étendue de ce pic (un ordre de grandeur supérieur) reflète la bimodalité des schémas d'urbanisation. 1000 personnes/km² - il s'agit d'une zone rurale relativement peu peuplée, alors que le chiffre de 10 habitants/km². caractéristique de la banlieue. Les centres-villes affichent facilement 000 25 habitants/km000, mais la population de Manhattan est de XNUMX XNUMX habitants/kmXNUMX.
Le troisième graphique montre la densité de population selon la latitude. On peut voir que presque toutes les personnes sont concentrées dans la plage de 20 à 40 degrés de latitude nord. Donc, dans l'ensemble, il s'est développé géographiquement et historiquement, puisqu'une grande partie de l'hémisphère sud est occupée par l'océan. Pourtant, cette densité de population est un défi de taille pour les architectes du groupe, car les satellites passent le même temps dans les deux hémisphères. De plus, un satellite en orbite autour de la Terre, à un angle de, disons, 50 degrés, passera plus de temps plus près des limites indiquées en latitude. C'est pourquoi Starlink n'a besoin que de 6 orbites pour desservir le nord des États-Unis, tandis que 24 pour couvrir l'équateur.
En effet, si l'on combine le graphe de densité de population avec le graphe de densité de constellation de satellites, le choix des orbites devient évident. Chaque graphique à barres représente l'un des quatre rapports SpaceX à la FCC. Personnellement, il me semble que chaque nouveau rapport est comme un ajout au précédent, mais en tout cas, il n'est pas difficile de voir comment des satellites supplémentaires augmentent la capacité sur les régions correspondantes de l'hémisphère nord. En revanche, il existe une quantité impressionnante de bande passante inutilisée dans l'hémisphère sud - réjouissez-vous, chère Australie !
Qu'arrive-t-il aux données des utilisateurs lorsqu'elles atteignent le satellite ? Dans la version originale, le satellite Starlink les a immédiatement retransmis à une station au sol dédiée à proximité des zones de service. Cette configuration est appelée "relais direct". À l'avenir, les satellites Starlink pourront communiquer entre eux par laser. L'échange de données culminera dans les villes densément peuplées, mais les données peuvent être distribuées sur un réseau de lasers en deux dimensions. En pratique, cela signifie qu'il existe une énorme opportunité pour un backhaul caché dans un réseau de satellites, c'est-à-dire que les données des utilisateurs peuvent être "retransmises vers la Terre" à n'importe quel endroit approprié. En pratique, il me semble que les stations au sol de SpaceX seront combinées avec hors des villes.
Il s'avère que la communication satellite à satellite n'est pas une tâche triviale si les satellites ne se déplacent pas ensemble. Les rapports les plus récents de la FCC font état de 11 groupes orbitaux de satellites distincts. Au sein d'un groupe donné, les satellites se déplacent à la même hauteur, à la même inclinaison, avec la même excentricité, ce qui signifie que les lasers peuvent trouver relativement facilement des satellites proches. Mais les vitesses d'approche entre les groupes sont mesurées en kilomètres par seconde, de sorte que la communication entre les groupes, si possible, doit se faire via des liaisons micro-ondes courtes et rapidement contrôlées.
La topologie de groupe orbitale est comme la théorie onde-particule de la lumière et ne s'applique pas vraiment à notre exemple, mais je pense que c'est génial, alors je l'ai inclus dans l'article. Si cette section ne vous intéresse pas, passez directement à "Limites de la physique fondamentale".
Un tore - ou beignet - est un objet mathématique défini par deux rayons. Il est assez simple de tracer des cercles à la surface d'un tore : parallèles ou perpendiculaires à sa forme. Vous trouverez peut-être intéressant de découvrir qu'il existe deux autres familles de cercles qui peuvent être tracés sur la surface d'un tore, et tous deux passent par un trou en son centre et autour du contour. C'est le soi-disant. , et j'ai utilisé cette conception lorsque j'ai conçu le toroïde pour la bobine Burning Man Tesla en 2015.
Et bien que les orbites des satellites soient, à proprement parler, des ellipses et non des cercles, la même construction s'applique dans le cas de Starlink. Une constellation de 4500 satellites sur plusieurs plans orbitaux, tous au même angle, forment une couche en mouvement continu au-dessus de la surface de la Terre. Une couche orientée vers le nord au-dessus d'un point de latitude donné se retourne et recule vers le sud. Pour éviter les collisions, les orbites seront légèrement allongées, de sorte que la couche se déplaçant vers le nord sera plusieurs kilomètres plus haute (ou plus basse) que celle se déplaçant vers le sud. Ensemble, ces deux couches forment un tore en forme de soufflé, comme indiqué ci-dessous dans un schéma très exagéré.
Je rappelle qu'à l'intérieur de ce tore, la communication s'effectue entre satellites voisins. D'une manière générale, il n'y a pas de liaisons directes et à long terme entre satellites de différentes couches, car les taux de convergence pour le guidage laser sont trop élevés. La trajectoire de transmission des données entre les couches, à son tour, passe au-dessus ou au-dessous du tore.
Au total, 30 000 satellites seront situés dans 11 tores imbriqués loin derrière l'orbite de l'ISS ! Ce diagramme montre comment toutes ces couches sont emballées, sans excentricité exagérée.
Et enfin, vous devriez penser à l'altitude de vol optimale. Il y a un dilemme : basse altitude, qui donne plus de débit avec des tailles de faisceau plus petites, ou haute altitude, qui permet de couvrir toute la planète avec moins de satellites ? Au fil du temps, les rapports à la FCC de SpaceX ont parlé d'altitudes toujours plus basses à mesure que Starship s'améliore pour permettre un déploiement plus rapide de constellations plus grandes.
La basse altitude présente également d'autres avantages, notamment un risque réduit d'impact de débris spatiaux ou les effets négatifs d'une panne d'équipement. En raison de l'augmentation de la traînée atmosphérique, les satellites Starlink les plus bas (330 km) s'éteindront quelques semaines après avoir perdu le contrôle d'attitude. En effet, 300 km est une altitude à laquelle les satellites ne volent presque jamais, et le maintien de l'altitude nécessitera un moteur de fusée électrique Krypton intégré, ainsi qu'une conception simplifiée. Théoriquement, un satellite de forme assez pointue, propulsé par un moteur-fusée électrique, peut maintenir une altitude stable de 160 km, mais il est peu probable que SpaceX lance des satellites aussi bas, car il reste encore quelques astuces en réserve pour augmenter le débit.
Limites de la physique fondamentale
Il semble peu probable que les prix de déploiement des satellites descendent bien en dessous de 35 80 $, même si la fabrication est avancée et entièrement automatisée, et que les vaisseaux Starship sont entièrement réutilisables, et on ne sait pas encore exactement quelles restrictions la physique imposera à un satellite. L'analyse ci-dessus suppose un débit maximal de 100 Gb/s. (si arrondi à 100 faisceaux, chacun étant capable de transmettre XNUMX Mb/s).
La limite de bande passante du canal est définie sur et est donné dans les statistiques de bande passante (1+SNR). La bande passante est souvent limitée , tandis que SNR est l'énergie disponible du satellite, le bruit de fond et les interférences de canal dues à . Un autre obstacle notable est la vitesse de traitement. Les derniers FPGA Xilinx Ultrascale+ ont , ce qui est bien compte tenu des limitations de bande passante actuelles sans développer d'ASIC personnalisés. Mais même alors 58 Gb / s. nécessitera une distribution de fréquence impressionnante, très probablement dans la bande Ka ou la bande V. V (40–75 GHz) a des cycles plus accessibles, mais est sujet à une plus grande absorption par l'atmosphère, en particulier dans les zones à forte humidité.
100 rayons sont-ils pratiques ? Ce problème a deux aspects : la largeur de faisceau et la densité des éléments du réseau phasé. La largeur du faisceau est déterminée par la longueur d'onde divisée par le diamètre de l'antenne. L'antenne réseau à commande de phase numérique est toujours une technologie spécialisée, mais les dimensions utilisables maximales sont déterminées par la largeur (environ 1 m), et l'utilisation des communications par radiofréquence est plus coûteuse. La largeur d'onde dans la bande Ka est d'environ 1 cm, tandis que la largeur du faisceau doit être de 0,01 radian - avec une largeur de spectre de 50% de l'amplitude. En supposant un angle solide de faisceau de 1 stéradian (similaire à la couverture d'un objectif d'appareil photo de 50 mm), alors 2500 faisceaux individuels seraient suffisants dans cette zone. La linéarité implique que 2500 faisceaux nécessiteraient un minimum de 2500 éléments d'antenne dans le réseau, ce qui est en principe faisable, bien que difficile. Et tout va devenir très chaud !
Un total de 2500 canaux, chacun prenant en charge 58 Gb / s, représente une énorme quantité d'informations - si environ, alors 145 Tb / s. A titre de comparaison, tout le trafic Internet en 2020 . Bonne nouvelle pour ceux qui s'inquiètent de la bande passante fondamentalement faible de l'Internet par satellite. Si une constellation de 30 000 satellites est opérationnelle d'ici 2026, le trafic Internet mondial atteindra potentiellement 800 Tb/s. Si la moitié de cela est fournie par ~ 500 satellites sur des zones densément peuplées à un moment donné, alors le débit de pointe par satellite est d'environ 800 Gb/s, ce qui est 10 fois plus élevé que notre estimation de base d'origine, c'est-à-dire. l'afflux de financement croît potentiellement 10 fois.
Pour un satellite en orbite de 330 km, un faisceau de 0,01 radians couvre une surface de 10 kilomètres carrés. Dans des zones particulièrement densément peuplées comme Manhattan, jusqu'à 300 000 personnes vivent dans cette zone. Et s'ils s'asseyaient tous pour regarder Netflix (7 Mbps en qualité HD) en même temps ? La demande totale de données sera de 2000 35 Go/s, soit environ XNUMX fois la limite stricte actuelle imposée par le FPGA de sortie série. Il y a deux façons de sortir de cette situation, dont une seule est physiquement possible.
La première consiste à mettre plus de satellites en orbite, de sorte qu'à tout moment plus de 35 pièces pendent au-dessus des zones de demande accrue. Si l'on prend à nouveau 1 stéradian pour une zone adressable raisonnable du ciel et une altitude orbitale moyenne de 400 km, on obtient une densité de constellation de 0,0002/km², soit 100 000 au total - si elles sont uniformément réparties sur toute la surface du globe. Rappelez-vous que les orbites sélectionnées de SpaceX augmentent considérablement la couverture des zones densément peuplées entre 20 et 40 degrés de latitude nord, et maintenant le nombre de 30 000 satellites semble magique.
La deuxième idée est beaucoup plus cool, mais, malheureusement, irréalisable. Rappelez-vous que la largeur du faisceau est déterminée par la largeur du réseau d'antennes phasées. Que se passe-t-il si de nombreux réseaux sur plusieurs satellites combinent les puissances, créant un faisceau plus étroit - tout comme les radiotélescopes comme le même (très grand système d'antenne) ? Cette méthode s'accompagne d'une complication : la base entre les satellites devra être calculée avec soin - avec une précision submillimétrique - afin de stabiliser la phase du faisceau. Et même si cela était possible, le faisceau résultant contiendrait à peine les lobes latéraux, en raison de la faible densité de la constellation de satellites dans le ciel. Au sol, la largeur du faisceau se réduirait à quelques millimètres (assez pour suivre une antenne de téléphone portable), mais il y en aurait des millions en raison d'une faible annulation intermédiaire. Merci .
Il s'avère que la séparation des canaux par séparation angulaire - parce que les satellites sont espacés dans le ciel - fournit des améliorations adéquates du débit sans violer les lois de la physique.
application
Quel est le profil client Starlink ? Par défaut, ce sont des centaines de millions d'utilisateurs qui ont des antennes de la taille d'une boîte à pizza sur leurs toits, mais il existe d'autres sources de revenus élevés.
Dans les zones reculées et rurales, les stations au sol n'ont pas besoin d'antennes à réseau phasé pour maximiser la largeur de faisceau, de sorte qu'un équipement utilisateur plus petit peut être utilisé, des trackers d'actifs IoT aux téléphones satellites de poche, aux balises d'urgence ou aux instruments scientifiques de suivi des animaux.
Dans les environnements urbains denses, Starlink fournira le backhaul principal et de secours pour le réseau cellulaire. Chaque tour cellulaire pourrait avoir une station au sol haute performance au sommet, mais utiliser des alimentations au sol pour l'amplification et la transmission sur le dernier kilomètre.
Et enfin, même dans les zones surpeuplées lors du déploiement initial, il est possible d'utiliser des satellites en orbite basse avec un retard exceptionnellement minime. Les sociétés financières elles-mêmes mettent beaucoup d'argent entre vos mains - juste un peu plus vite pour obtenir des données vitales du monde entier. Et même si les données via Starlink auront un chemin plus long que d'habitude - dans l'espace - la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est 50% plus élevée que dans le verre de quartz, et cela paie plus que la différence lors de la transmission sur de plus longues distances.
Effets négatifs
La dernière section est consacrée aux conséquences négatives. Le but de l'article est de vous débarrasser des idées fausses sur le projet, et les conséquences négatives potentielles des différends en causent le plus. Je vais donner quelques informations, en m'abstenant d'interprétations inutiles. Je ne suis toujours pas clairvoyant et je n'ai pas non plus d'initiés de SpaceX.
À mon avis, les conséquences les plus graves sont l'accès accru à Internet. Même dans ma ville natale de Pasadena, une ville animée et riche en technologie avec une population de plus d'un million d'habitants, abritant plusieurs observatoires, une université de classe mondiale et la plus grande installation de la NASA, le choix est limité en matière de services Internet. Aux États-Unis et dans le reste du monde, Internet est devenu un service utilitaire à la recherche de rente, les FAI ne faisant que presser leurs 50 millions de dollars par mois dans un environnement confortable et non concurrentiel. Peut-être que tout service fourni aux appartements et aux immeubles résidentiels est un appartement communautaire, mais la qualité des services Internet est inférieure à celle de l'eau, de l'électricité ou du gaz.
Le problème avec le statu quo est que, contrairement à l'eau, l'électricité ou le gaz, Internet est encore jeune et évolue rapidement. Nous lui trouvons sans cesse de nouvelles utilisations. Le plus révolutionnaire n'est toujours pas ouvert, mais les forfaits étouffent la possibilité de concurrence et d'innovation. Des milliards de personnes sont laissées pour compte en raison de circonstances de naissance, ou parce que leur pays est trop éloigné du câble sous-marin principal. Dans de vastes régions de la planète, Internet est encore délivré par des satellites géostationnaires, à des prix exorbitants.
Starlink, en revanche, distribuant continuellement Internet depuis le ciel, viole ce modèle. Je ne connais pas encore d'autre meilleur moyen de connecter des milliards de personnes à Internet. SpaceX est en passe de devenir un FAI et potentiellement une société Internet qui rivalise avec Google et Facebook. Je parie que vous n'y avez pas pensé.
Que l'Internet par satellite soit la meilleure option n'est pas évident. SpaceX, et seulement SpaceX, est en mesure de créer rapidement une vaste constellation de satellites qui, à eux seuls, a tué une décennie pour briser le monopole gouvernemental-militaire sur le lancement des engins spatiaux. Même si Iridium se vendait dix fois plus que les téléphones portables, il ne serait toujours pas adopté à grande échelle en utilisant les rampes de lancement traditionnelles. Sans SpaceX et son modèle commercial unique, il y a de fortes chances que l'Internet mondial par satellite ne se produise tout simplement jamais.
Le deuxième coup dur viendra à l'astronomie. Après le lancement des 60 premiers satellites Starlink, il y a eu une vague de critiques de la part de la communauté astronomique internationale, affirmant que le nombre multiplié de satellites bloquerait leur accès au ciel nocturne. Il y a un dicton : parmi les astronomes, il est plus cool celui qui a un plus grand télescope. Sans exagération, faire de l'astronomie à l'ère moderne est une tâche extrêmement difficile, qui rappelle une lutte continue pour améliorer la qualité de l'analyse dans un contexte de pollution lumineuse croissante et d'autres sources de bruit.
La dernière chose dont un astronome a besoin, ce sont des milliers de satellites brillants qui clignotent au foyer d'un télescope. En effet, la constellation originale d'Iridium était tristement célèbre pour ses "fleurs" dues à de grands panneaux reflétant la lumière du soleil sur de petites zones de la Terre. Il est arrivé qu'ils aient atteint la luminosité d'un quart de la Lune et parfois même accidentellement endommagé des capteurs astronomiques sensibles. La crainte que Starlink envahisse les bandes radio utilisées en radioastronomie n'est pas non plus infondée.
Si vous téléchargez une application de suivi par satellite, vous pouvez voir des dizaines de satellites voler dans le ciel par une soirée claire. Les satellites sont visibles après le coucher du soleil et avant l'aube, mais uniquement lorsqu'ils sont éclairés par les rayons du soleil. Plus tard, pendant la nuit, les satellites sont invisibles dans l'ombre de la Terre. Minuscules, extrêmement distants, ils se déplacent très vite. Il y a une chance qu'ils obscurcissent une étoile lointaine pendant moins d'une milliseconde, mais je pense que même détecter cela est une hémorroïde de plus.
La forte inquiétude concernant le sky flare est née du fait que la couche de satellites du premier lancement était alignée près du terminateur de la Terre, c'est-à-dire nuit après nuit, l'Europe - et c'était l'été - a regardé l'image épique des satellites volant dans le ciel au crépuscule du soir. De plus, des simulations basées sur des rapports de la FCC ont montré que les satellites en orbite à 1150 km seront visibles même après le crépuscule astronomique. En général, le crépuscule passe par trois étapes : civile, maritime et astronomique, c'est-à-dire lorsque le soleil est respectivement à 6, 12 et 18 degrés sous l'horizon. A la fin du crépuscule astronomique, les rayons du soleil sont à environ 650 km de la surface au zénith, bien en dehors de l'atmosphère et la plupart de l'orbite terrestre basse. Basé sur les données de , je pense que tous les satellites seront placés à une altitude inférieure à 600 km. Dans ce cas, ils peuvent être vus au crépuscule, mais pas après la tombée de la nuit, ce qui réduira considérablement les conséquences potentielles pour l'astronomie.
Le troisième problème est celui des débris en orbite. DANS J'ai souligné que les satellites et les débris en dessous de 600 km se désorbiteraient en quelques années en raison de la traînée atmosphérique, réduisant considérablement la possibilité du syndrome de Kessler. SpaceX s'amuse avec de la saleté comme s'il ne se souciait pas du tout des déchets spatiaux. Ici, je regarde les détails de la mise en œuvre de Starlink, et il m'est difficile d'imaginer une meilleure façon de réduire la quantité de débris en orbite.
Les satellites sont lancés à une altitude de 350 km, puis s'envolent sur des moteurs intégrés vers leur orbite prévue. Tout satellite qui meurt au lancement sera hors de son orbite dans quelques semaines et ne chancellera nulle part ailleurs pendant des milliers d'années. Ce placement implique stratégiquement des tests d'entrée gratuite. De plus, les satellites Starlink ont une section transversale plate, ce qui signifie qu'en perdant le contrôle de l'altitude, ils pénètrent dans les couches denses de l'atmosphère.
Peu de gens savent que SpaceX est devenu un pionnier de l'astronautique, commençant à utiliser des types de montage alternatifs au lieu des squibs. Pratiquement toutes les rampes de lancement utilisent des pétards lors du déploiement d'étages, de satellites, de radômes, etc., ce qui augmente le potentiel de débris. SpaceX désorbite également délibérément les étages supérieurs, les empêchant de rester suspendus dans l'espace pour toujours, afin qu'ils ne se désintègrent pas et ne se désintègrent pas dans l'environnement spatial difficile.
Enfin, le dernier problème que je voudrais mentionner est la possibilité que SpaceX remplace le monopole Internet existant en créant le sien. Sur son créneau, SpaceX a déjà monopolisé les lancements. Seul le désir des gouvernements rivaux d'obtenir un accès garanti à l'espace empêche la mise au rebut de fusées coûteuses et obsolètes, qui sont souvent assemblées par de grands sous-traitants de la défense monopolistiques.
Il n'est pas difficile d'imaginer SpaceX lancer 2030 6000 de ses satellites par an en XNUMX, plus quelques satellites espions pour faire bonne mesure. Les satellites SpaceX bon marché et fiables vendront de l'"espace rack" pour les appareils tiers. Toute université qui construit une caméra compatible avec l'espace peut la mettre en orbite sans avoir à couvrir le coût de la construction d'une plate-forme spatiale entière. Avec un accès aussi avancé et illimité à l'espace, Starlink est déjà associé aux satellites, tandis que les constructeurs historiques appartiennent au passé.
Il existe des exemples dans l'histoire d'entreprises clairvoyantes qui ont occupé une niche si énorme sur le marché que leurs noms sont devenus des noms familiers : Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Le problème peut survenir lorsqu'une entreprise pionnière se livre à des pratiques anticoncurrentielles pour conserver sa part de marché, bien que cela ait souvent été autorisé depuis le président Reagan. SpaceX pourrait conserver le monopole de Starlink en forçant d'autres développeurs de constellations à lancer des satellites sur des fusées soviétiques d'époque. Actions similaires entreprises , couplé à la fixation des prix pour le transport du courrier, l'a conduit à l'effondrement en 1934. Heureusement, il est peu probable que SpaceX maintienne indéfiniment un monopole absolu sur les fusées réutilisables.
Encore plus inquiétant est que le déploiement par SpaceX de dizaines de milliers de satellites en orbite basse pourrait être conçu comme une cooptation des biens communs. Une entreprise privée, à la recherche d'un gain personnel, s'empare de manière permanente des positions orbitales autrefois publiques et inoccupées. Et tandis que les innovations de SpaceX ont permis de gagner de l'argent dans le vide, une grande partie du capital intellectuel de SpaceX a été construite avec des milliards de dollars de budgets de recherche.
D'une part, nous avons besoin de lois qui protégeront les moyens d'investissement privé, de recherche et de développement. Sans cette protection, les innovateurs ne pourront pas financer des projets ambitieux, ou ils déplaceront leurs entreprises là où une telle protection leur est offerte. Dans tous les cas, le public souffre parce que les profits ne sont pas générés. D'autre part, des lois sont nécessaires pour protéger les personnes, les propriétaires nominaux du domaine public, y compris le ciel, contre les entités privées à la recherche de rentes qui annexent les biens publics. En soi, ni l'un ni l'autre n'est vrai ni même possible. Les développements de SpaceX offrent une chance de trouver un juste milieu sur ce nouveau marché. Nous nous rendrons compte qu'il a été trouvé lorsque nous maximisons la fréquence de l'innovation et la création de bien-être social.
Dernières pensées
J'ai écrit cet article dès que j'en ai terminé un autre - . La semaine a été chaude. Starship et Starlink sont des technologies révolutionnaires qui sont créées sous nos yeux, dans nos vies. Si je vois grandir mes petits-enfants, ils seront plus surpris que je sois plus âgé que Starlink, et non que dans mon enfance il n'y ait pas eu de cellulaire (pièces de musée) ou d'Internet public en soi.
Les riches et les militaires utilisent Internet par satellite depuis longtemps, mais Starlink omniprésent, générique et bon marché n'est tout simplement pas possible sans Starship.
Le lancement fait parler de lui depuis longtemps, mais Starship, qui est assez bon marché et donc une plateforme intéressante, est impossible sans Starlink.
L'astronautique habitée fait parler d'elle depuis longtemps, et si vous — alors vous avez le feu vert. Avec Starship et Starlink, l'exploration spatiale humaine est un futur proche réalisable, à deux pas d'un avant-poste orbital vers des villes industrialisées dans l'espace lointain.
Source: habr.com