Este artigo é dunha serie en diante .
- O plan de SpaceX de distribuír Internet a través de decenas de miles de satélites é o tema principal da prensa espacial. Os artigos sobre os últimos logros publícanse semanalmente. Se, en xeral, o esquema é claro, pero despois de ler , unha persoa ben motivada (por exemplo, o teu de verdade) pode desenterrar moitos detalles. Non obstante, aínda hai moitos conceptos erróneos asociados a esta nova tecnoloxía, mesmo entre os observadores ilustrados. Non é raro ver artigos que comparan Starlink con OneWeb e Kuiper (entre outros) coma se competisen en igualdade de condicións. Outros autores, claramente preocupados polo ben do planeta, claman polo lixo espacial, a lei espacial, as normas e a seguridade da astronomía. Espero que despois de ler este artigo, bastante longo, o lector comprenda e sinta mellor a idea de Starlink.
inesperadamente tocou un acorde sensible nas almas dos meus poucos lectores. Nel, expliquei como Starship poñería a SpaceX á cabeza durante moito tempo e, ao mesmo tempo, proporcionaría un mecanismo para unha nova exploración espacial. A implicación é que a industria tradicional dos satélites non pode seguir o ritmo de SpaceX, que está aumentando constantemente a capacidade e recortando custos na familia de foguetes Falcon, poñendo a SpaceX nunha posición difícil. Por unha banda, formaba un mercado por valor, no mellor dos casos, de varios miles de millóns ao ano. Por outra banda, acendeu por si mesmo un apetito irrefreable polo diñeiro: pola construción dun enorme foguete, no que, con todo, case non hai quen enviar a Marte e non se pode esperar ningún beneficio inmediato.
A solución a este problema xemelgo é Starlink. Ao montar e lanzar os seus propios satélites, SpaceX podería crear e definir un novo mercado para o acceso altamente eficiente e democratizado ás comunicacións baseadas no espazo, asegurar o financiamento para construír un foguete antes de que afogue a compañía e elevar o seu valor económico a billóns. Non subestimes a escala das ambicións de Elon. En total, non hai tantas industrias onde xiran billóns de dólares: enerxía, transporte de alta velocidade, comunicacións, informática, sanidade, agricultura, goberno, defensa. A pesar dos erros comúns, , и O negocio non é viable. Elon invadiu a industria enerxética co seu Tesla, pero só as telecomunicacións proporcionarán un mercado fiable e amplo para satélites e lanzamentos de foguetes.
Por primeira vez, Elon Musk volveu os seus ollos cara ao espazo cando quería doar 80 millóns de dólares para unha misión para cultivar plantas nunha sonda marciana. Probablemente custaría 100 veces máis construír unha cidade en Marte, polo que Starlink é a principal aposta de Musk para conseguir un mar de diñeiro de patrocinio moi necesario. .
Para que?
Levo moito tempo planeando este artigo, pero só a semana pasada tiña unha imaxe completa. A continuación, a presidenta de SpaceX, Gwynn Shotwell, deulle a Rob Baron unha estupenda entrevista, que posteriormente cubriu para CNBC nun gran Michael Schitz, e a quen lle dedicaron . Esta entrevista mostrou unha enorme diferenza nos enfoques das comunicacións por satélite entre SpaceX e todos os demais.
Concepto naceu en 2012, cando SpaceX decatouse de que os seus clientes, principalmente provedores de satélites, tiñan enormes reservas de diñeiro. As plataformas de lanzamento están aumentando os prezos para a implantación de satélites e, ao facelo, dalgunha maneira, perdendo un paso do traballo, como é que? Elon soñou con crear unha constelación de satélites para Internet e, incapaz de resistir unha tarefa case imposible, fixo girar o proceso. Desenvolvemento de Starlink , pero ao final deste artigo, vostede, meu lector, probablemente se sorprenderá do pequenos que son realmente estas dificultades, dado o alcance da idea.
É realmente necesaria unha agrupación tan grande para Internet? E por que agora?
É só na miña memoria que Internet pasou do mimo puramente académico á primeira e única infraestrutura revolucionaria. Este non é un tema ao que vale a pena dedicarse nun artigo longo, pero suporei que a nivel global, a necesidade de Internet e os ingresos que xera seguirán medrando ao redor do 25% ao ano.
Hoxe, case todos temos Internet dun pequeno número de monopolios illados xeograficamente. Nos EUA, AT&T, Time Warner, Comcast e un puñado de xogadores máis pequenos dividiron o territorio para evitar a competencia, loitar contra tres peles por servizos e bañarse nos raios do odio case universal.
Os ISP teñen unha boa razón para o comportamento non competitivo, ademais da codicia que consume todo. Construír a infraestrutura para internet (torres de microondas e fibra óptica) é moi, moi caro. É doado esquecerse da marabillosa natureza de Internet. A miña avoa foi traballar primeiro na Segunda Guerra Mundial como avisador, e despois o telégrafo competiu polo papel estratéxico principal coas pombas mensaxeiras. Para a maioría de nós, a autoestrada da información é algo efémero, intanxible, pero anacos viaxan polo mundo físico, que ten fronteiras, ríos, montañas, océanos, tormentas, desastres naturais e outros obstáculos. En 1996, cando se colocou a primeira liña de fibra óptica no fondo do océano, . Co seu característico estilo nítido, describe vívidamente o simple custo e a complexidade de colocar estas liñas, polas que os malditos "kotegs" corren de todos os xeitos. Durante a maior parte da década de 2000, o cable foi tirado tanto que o custo da implantación foi sorprendente.
No seu momento traballei nun laboratorio óptico e (se a memoria abonda) batemos a marca daquela emitindo unha velocidade de transmisión múltiplex de 500 Gb/s. As limitacións electrónicas permitiron que cada fibra se cargase nun 0,1% do ancho de banda teórico. Quince anos despois, estamos preparados para superar o limiar: se a transferencia de datos vai máis aló, a fibra derreterase, e xa estamos moi preto diso.
Pero é necesario elevar o fluxo de datos por riba da terra pecaminosa - ao espazo, onde o satélite voa ao redor da "bola" 30 veces en cinco anos. Unha solución obvia, ao parecer, entón por que ninguén a tomou antes?
A constelación de satélites Iridium, desenvolvida e despregada a principios da década de 1990 por Motorola (aínda os recordas?), converteuse na primeira rede global de comunicacións en órbita baixa (como se describe tentadoramente en ). Cando se implantou, a capacidade de nicho de enrutar pequenos paquetes de datos desde rastreadores de activos era o seu único uso: os teléfonos móbiles eran tan baratos que nunca chegaron os teléfonos por satélite. Iridium tiña 66 satélites (máis algúns de recambio máis) en 6 órbitas, o mínimo establecido para cubrir todo o planeta.
Se 66 satélites fosen suficientes para Iridium, entón por que SpaceX necesitaba decenas de miles? Por que é tan diferente?
SpaceX entrou neste negocio polo lado oposto: comezou cos lanzamentos. Converteuse nun pioneiro no campo da preservación de vehículos de lanzamento e, así, conquistou o mercado de plataformas de lanzamento baratas. Tentar superalos cun prezo máis baixo non vai gañar moito diñeiro, polo que a única forma de beneficiarse do seu exceso de capacidade é facerse cliente. Gastos de SpaceX para lanzar os seus propios satélites - (por 1 kg) iridio, polo que poden entrar nun mercado moito máis amplo.
A cobertura mundial de Starlink proporcionarache acceso a internet de alta calidade en calquera lugar do mundo. Por primeira vez, a dispoñibilidade de Internet non dependerá da proximidade dun país ou cidade a unha liña de fibra óptica, senón da pureza do ceo enriba. Os usuarios de todo o mundo terán acceso a unha Internet global sen grilletes, independentemente dos seus propios graos variables de monopolios gobernamentais malos e/ou deshonestos. A capacidade de Starlink para romper estes monopolios está a catalizar un cambio positivo dunha magnitude incrible que finalmente unirá a miles de millóns de persoas na comunidade cibernética global do futuro.
Unha pequena digresión lírica: que significa isto?
Para as persoas que crecen hoxe nunha era de conectividade omnipresente, Internet é como o aire que respiramos. El só é. Pero isto -se se esquece do seu incrible poder para traer cambios positivos- e xa estamos no seu centro. Coa axuda de Internet, as persoas poden pedir contas aos seus líderes, comunicarse con outras persoas do outro lado do mundo, compartir pensamentos, inventar algo novo. Internet une á humanidade. O historial das actualizacións é o historial da evolución das capacidades de intercambio de datos. Primeiro, a través de discursos e poesía épica. Entón - nunha carta que dá voz aos mortos, e vólvense aos vivos; a escritura permite almacenar datos e posibilita a comunicación asíncrona. A prensa impresa puxo en marcha a produción de noticias. Comunicación electrónica - acelerou a transferencia de datos en todo o mundo. Os dispositivos de toma de notas persoais fóronse complexos aos poucos, pasando dos cadernos aos teléfonos móbiles, cada un deles un ordenador conectado a Internet, cheo de sensores e cada día mellorando a predicción das nosas necesidades.
Unha persoa que utiliza a escritura e un ordenador no proceso de cognición ten máis posibilidades de superar as limitacións dun cerebro imperfectamente desenvolvido. Aínda máis alentador, os teléfonos móbiles son dispositivos de almacenamento poderosos e un mecanismo para intercambiar ideas. Se as persoas anteriores, compartindo pensamentos, confiaban no discurso que esbozaban nos cadernos, hoxe é a norma que os propios cadernos compartan ideas que xeraron as persoas. O esquema tradicional sufriu unha inversión. A continuación lóxica do proceso é algunha forma de metacognición colectiva, a través de dispositivos persoais, e relacionados entre si. E aínda que aínda poidamos sentir nostálxicos da nosa conexión perdida coa natureza e a soidade, é importante lembrar que a tecnoloxía, e só a tecnoloxía, é a responsable da parte do león da nosa liberación dos ciclos "naturais" da ignorancia, a morte prematura (que poden evitarse), violencia, fame e caries.
Como?
Falemos do modelo de negocio e da arquitectura do proxecto Starlink.
Para que Starlink se converta nunha empresa rendible, a entrada de fondos debe superar os custos de construción e operación. Tradicionalmente, o investimento de capital supuxo un aumento dos custos de posta en marcha, o uso de sofisticados mecanismos de financiamento e seguro especializados e todo para lanzar un satélite. Un satélite de comunicacións xeoestacionarios pode custar 500 millóns de dólares e tardar cinco anos en construír e lanzar. Polo tanto, as empresas desta zona están construíndo simultaneamente buques a reacción ou portacontedores. Gastos enormes, unha entrada de fondos que apenas cubre os custos de financiamento e un orzamento operativo relativamente pequeno. Pola contra, o fracaso do Iridium orixinal foi que Motorola obrigou ao operador a pagar unha taxa de licenza de asasinato, quebrando a empresa en só uns meses.
Para levar a cabo un negocio deste tipo, as empresas de satélite tradicionais tiñan que atender a clientes privados e cobrar altas taxas de datos. As compañías aéreas, postos de avanzada remotas, barcos, zonas de guerra e sitios de infraestrutura clave pagan uns 5 dólares por MB, o que supón 1 veces o custo do ADSL tradicional, a pesar da latencia dos datos e do ancho de banda de satélite relativamente baixo.
Starlink planea competir cos provedores de servizos terrestres, o que significa que terá que entregar datos máis baratos e, idealmente, cobrar moito menos de 1 dólar por 1 MB. É posible? Ou, xa que isto é posible, habería que preguntarse: como é posible?
O primeiro ingrediente do novo prato é un lanzamento barato. Hoxe, Falcon vende un lanzamento de 24 toneladas por uns 60 millóns de dólares, o que supón 2500 dólares por kg. Resulta, porén, que hai moito máis custos internos. Os satélites Starlink lanzaranse en vehículos de lanzamento reutilizables, polo que o custo marxinal dun único lanzamento é o custo dunha nova segunda etapa (algúns 1 millóns de dólares), carenados (4 millón) e soporte terrestre (~ 1 millón). Total: uns 1 mil dólares por satélite, é dicir. máis de 100 veces máis barato que lanzar un satélite de comunicacións convencional.
Non obstante, a maioría dos satélites Starlink lanzaranse en Starship. De feito, a evolución de Starlink, como mostran os informes actualizados da FCC, ofrece algúns arquitectura interna do proxecto. O número total de satélites da constelación pasou de 1 a 584, despois a 2 e finalmente a 825. Se hai que crer na formación bruta de capital, a cifra é aínda maior. O número mínimo de satélites para a primeira etapa de desenvolvemento para que o proxecto sexa viable é de 7 en 518 órbitas (30 en total), mentres que a cobertura total dentro de 000 graos do ecuador require 60 órbitas de 6 satélites (360 en total). Son 53 lanzamentos para o Falcon por uns 24 millóns de dólares en gastos internos. Starship, por outra banda, está deseñada para lanzar ata 60 satélites á vez, polo mesmo prezo. Os satélites Starlink teñen que ser substituídos cada 1440 anos, polo que 24 satélites requirirían 150 lanzamentos de Starship ao ano. Custará uns 400 millóns/ano, ou 5 mil/satélite. Cada satélite Falcon pesa 6000 kg; os satélites levantados na nave estelar poderían pesar 15 kg e levar dispositivos de terceiros, ser algo máis grandes e aínda non superar a carga permitida.
Cal é o custo dos satélites? Entre os irmáns, os satélites Starlink son algo pouco comúns. Son montados, almacenados e lanzados planos e, polo tanto, son excepcionalmente fáciles de producir en masa. Como mostra a experiencia, o custo de produción debería ser aproximadamente igual ao custo do lanzador. Se a diferenza de prezo é grande, significa que os recursos non se están asignando correctamente, xa que a redución integral dos custos marxinais mentres se reducen os custos non é tan grande. Son realmente 100 mil dólares por satélite co primeiro lote de varios centos? Noutras palabras, un satélite Starlink nun dispositivo non é máis complexo que unha máquina?
Para responder plenamente a esta pregunta, cómpre comprender por que o custo dun satélite de comunicacións en órbita é 1000 veces maior, aínda que non sexa 1000 veces máis complicado. Para dicilo de forma sinxela, por que é tan caro o hardware espacial? Hai moitas razóns para iso, pero a máis convincente neste caso é a seguinte: se lanzar un satélite en órbita (antes de Falcon) custa máis de 100 millóns, hai que garantir que funcionará durante moitos anos, para levar polo menos algúns beneficio. Garantir tal fiabilidade no funcionamento do primeiro e único produto é un proceso doloroso e pode prolongarse durante anos, requirindo o esforzo de centos de persoas. Engádese a iso o custo, e é fácil xustificar os procesos adicionais cando xa é caro lanzar.
Starlink rompe ese paradigma construíndo centos de satélites, corrixindo rapidamente os primeiros defectos de deseño e contando con técnicos de produción en masa para xestionar os custos. É fácil para min imaxinar persoalmente un gasoduto de Starlink onde un técnico integra algo novo no deseño e fixa todo cunha amarre de plástico (nivel da NASA, por suposto) nunha ou dúas horas, mantendo a taxa de substitución necesaria de 16 satélites/día. Un satélite Starlink está formado por moitas pezas complicadas, pero non vexo ningunha razón para que o custo dunha milésima unidade que sae da cadea de montaxe non se poida rebaixar a 20 mil. De feito, en maio, Elon escribiu en Twitter que o custo da fabricar un satélite xa é máis baixo que o custo de lanzamento.
Tomemos o caso medio e analicemos o tempo de recuperación redondeando os números. Un satélite Starlink, que custa 100 euros para montar e lanzar, leva 5 anos funcionando. Pagarase por si só e, se é así, canto antes?
En 5 anos, o satélite Starlink dará unha volta á Terra 30 veces. En cada unha destas órbitas de hora e media, pasará a maior parte do tempo sobre o océano e probablemente 000 segundos sobre unha cidade densamente poboada. Nesta pequena ventá, emite datos, con présa por gañar cartos. Asumindo que a antena admite 100 feixes e cada feixe transmite 100 Mbps, utilizando unha codificación moderna como , entón o satélite xera un beneficio de 1000 dólares por órbita, a un prezo de subscrición de 1 USD por 1 GB. Isto é suficiente para pagar un custo de implantación de 100 dólares nunha semana e simplifica moito a estrutura do capital. As 29 quendas restantes son beneficios menos custos fixos.
Os números estimados poden variar moito, e en ambas direccións. Pero, en calquera caso, se pode poñer unha constelación de satélites de calidade en órbita baixa por 100 - ou incluso por 000 millón / unidade - esta é unha aplicación seria. Mesmo cun tempo de uso ridículamente curto, un satélite Starlink é capaz de entregar 1 Pb de datos ao longo da súa vida útil, cun custo amortizado de 30 dólares por GB. Ao mesmo tempo, cando se transmite a longas distancias, os custos marxinais practicamente non aumentan.
Para comprender o significado deste modelo, comparémolo brevemente con outros dous modelos para entregar datos aos consumidores: o tradicional cable de fibra óptica e a constelación de satélites ofrecida por unha empresa que non está especializada en lanzamentos de satélites.
que conecta Francia e Singapur púxose en funcionamento en 2005. Ancho de banda - 1,28 Tb / s., Custo de implantación - $ 500 millóns. Se funciona ao 10 % da capacidade durante 100 anos e os custos xerais son o 100 % dos custos de capital, entón o prezo de transferencia será de 0,02 USD por 1 GB. Os cables transatlánticos son máis curtos e un pouco máis baratos, pero o cable submarino é só unha entidade nunha longa liña de persoas que queren cartos para as transferencias de datos. A estimación media de Starlink é 8 veces máis barata, e ao mesmo tempo teñen "todo incluído".
Como é posible isto? O satélite Starlink inclúe todo o complexo de conmutación electrónica necesaria para conectar cables de fibra óptica, só que utiliza o baleiro en lugar de fráxiles e caros fíos para a transmisión de datos. A transmisión espacial reduce o número de monopolios acolledores e obsoletos, o que permite aos usuarios comunicarse a través de aínda menos hardware.
Comparable ao desarrollador de satélites da competencia OneWeb. OneWeb planea crear unha constelación de 600 satélites, que lanzará a través de vendedores comerciais a un prezo duns 20 dólares por 000 kg. O peso dun satélite é de 1 kg, é dicir, nun escenario ideal, o lanzamento dunha unidade será de aproximadamente 150 millóns.O custo do hardware do satélite estímase en 3 millón por satélite, é dicir. para 1, o custo de toda a agrupación será de 2027 millóns. As probas realizadas por OneWeb mostraron un rendemento de 2,6 Mb/s. no pico, idealmente, para cada unha das 50 vigas. Seguindo o mesmo esquema co que calculamos o custo de Starlink, obtemos: cada satélite OneWeb xera 16 dólares por órbita, e en só 80 anos aportará 5 millóns de dólares, que apenas cubren os custos de lanzamento, se contamos tamén a transmisión de datos a distancia. rexións. En total obtemos 2,4 dólares por 1,70 GB.
Gwynn Shotwell foi citado recentemente dicindo iso , o que implica un prezo competitivo de 0,10 USD por GB. E isto ocorre coa configuración orixinal de Starlink: con produción menos optimizada, lanzamento no Falcon e restricións de transferencia de datos, e só con cobertura do norte dos Estados Unidos. Resulta que SpaceX ten unha vantaxe innegable: hoxe poden lanzar un satélite moito máis axeitado a un prezo (por unidade) 1 veces inferior ao dos competidores. Starship aumentará a vantaxe nun factor 15, se non máis, polo que non é difícil imaxinar que SpaceX lanzará 100 satélites para 2027 por menos de mil millóns de dólares, a maioría dos cales proporcionará a súa propia carteira.
Estou seguro de que hai análises máis optimistas con respecto a OneWeb e outros desenvolvedores de constelacións incipientes, pero aínda non sei como funcionan.
Recentemente Morgan Stanley que os satélites Starlink custarán 1 millón de montaxe e 830 mil de lanzamento. . Curiosamente, os números son similares aos nosos cálculos para o gasto de OneWeb, e aproximadamente 10 veces máis elevados que a estimación orixinal de Starlink. O uso de Starship e a fabricación de satélites comerciais poderían reducir o custo de implantación de satélites a uns 35/unidade. E este é un número sorprendentemente baixo.
O último punto queda: comparar o beneficio por 1 W de enerxía solar xerada para Starlink. Segundo as fotos do seu sitio web, a matriz solar de cada satélite é de aproximadamente 60 metros cadrados. de media xera aproximadamente 3 kW ou 4,5 kWh por volta. Estímase que cada órbita xerará 1000 dólares e que cada satélite xerará aproximadamente 220 dólares por kWh. Isto é 10 veces máis que o custo por xunto da enerxía solar, o que confirma unha vez máis: . E a modulación de microondas para a transmisión de datos supón un custo engadido desorbitado.
Arquitectura
Na sección anterior, introducín a grosso modo unha parte non trivialmente significativa da arquitectura Starlink: como funciona cunha densidade de poboación moi desigual do planeta. O satélite Starlink emite feixes enfocados que forman puntos na superficie do planeta. Os subscritores do spot comparten un ancho de banda. As dimensións do spot están determinadas pola física fundamental: inicialmente o seu ancho é (altura do satélite x lonxitude de microondas/diámetro da antena), que para un satélite Starlink é, no mellor dos casos, dun par de quilómetros.
Na maioría das cidades, a densidade de poboación é duns 1000 habitantes/km², aínda que nalgúns lugares é maior. Nalgunhas zonas de Toquio ou Manhattan, pode haber máis de 100 persoas por lugar. Afortunadamente, calquera cidade tan densamente poboada ten un mercado doméstico competitivo para a internet de banda ancha, sen esquecer unha rede de telefonía móbil moi desenvolvida. Pero sexa como for, se nalgún momento hai moitos satélites da mesma constelación sobre a cidade, o rendemento pódese aumentar diversificando espacialmente as antenas, así como distribuíndo frecuencias. Noutras palabras, decenas de satélites poden enfocar o feixe máis potente nun punto e os usuarios desa rexión utilizarán terminais terrestres que distribuirán a solicitude entre os satélites.
Se nas fases iniciais o mercado máis axeitado para vender servizos son as zonas remotas, rurais ou suburbanas, entón os fondos para novos lanzamentos procederán de mellores servizos específicamente para cidades densamente poboadas. O escenario é exactamente o contrario ao patrón estándar de expansión do mercado, no que os servizos competitivos centrados na cidade sofren inevitablemente un descenso nos beneficios mentres intentan expandirse a zonas máis pobres e menos densamente poboadas.
Hai uns anos, cando fixen as matemáticas, .
Tomei os datos desta imaxe e compilei os 3 gráficos a continuación. O primeiro mostra a frecuencia da superficie terrestre segundo a densidade de poboación. O máis interesante é que a maior parte da Terra non está habitada en absoluto, mentres que practicamente ningunha rexión ten máis de 100 persoas por km².
O segundo gráfico mostra a frecuencia de persoas segundo a densidade de poboación. E aínda que a maior parte do planeta está deshabitada, a maior parte da xente vive en zonas onde hai entre 100 e 1000 persoas por km². A natureza estendida deste pico (unha orde de magnitude maior) reflicte a bimodalidade nos patróns de urbanización. 100 persoas/km². - Esta é unha zona rural relativamente pouco poboada, mentres que a cifra de 1000 persoas / km². característico dos suburbios. Os centros das cidades mostran facilmente 10 persoas/km², pero a poboación de Manhattan é de 000 persoas/km².
O terceiro gráfico mostra a densidade de poboación por latitude. Pódese ver que case todas as persoas están concentradas no rango de 20-40 graos de latitude norte. Así que, en xeral, desenvolveuse xeográfica e históricamente, xa que unha gran parte do hemisferio sur está ocupada polo océano. Con todo, esta densidade de poboación é un desafío desalentador para os arquitectos do grupo, como os satélites pasan a mesma cantidade de tempo nos dous hemisferios. Ademais, un satélite que orbita á Terra, nun ángulo de, por exemplo, 50 graos, pasará máis tempo preto dos límites indicados en latitude. É por iso que Starlink só necesita 6 órbitas para servir ao norte de EE. UU., mentres que 24 para cubrir o ecuador.
De feito, se combinamos a gráfica de densidade de poboación coa gráfica de densidade de constelación de satélites, a elección das órbitas faise obvia. Cada gráfico de barras representa un dos catro informes de SpaceX á FCC. Persoalmente, paréceme que cada novo informe é como un engadido ao anterior, pero en calquera caso, non é difícil ver como os satélites adicionais aumentan a capacidade sobre as rexións correspondentes do hemisferio norte. En cambio, hai unha cantidade impresionante de ancho de banda non utilizado no hemisferio sur: alégrate, querida Australia!
Que pasa cos datos dos usuarios cando chegan ao satélite? Na versión orixinal, o satélite Starlink transmitiunos inmediatamente de volta a unha estación terrestre dedicada preto das áreas de servizo. Esta configuración chámase "relé directo". No futuro, os satélites Starlink poderán comunicarse entre si a través do láser. O intercambio de datos alcanzará un máximo nas cidades densamente poboadas, pero os datos pódense distribuír a través dunha rede de láseres en dúas dimensións. Na práctica, isto significa que hai unha gran oportunidade para un backhaul oculto nunha rede de satélites, é dicir, os datos do usuario poden ser "retransmitidos á Terra" en calquera lugar axeitado. Na práctica, paréceme que se combinarán as estacións terrestres de SpaceX fóra das cidades.
Resulta que a comunicación satélite a satélite non é unha tarefa trivial se os satélites non se moven xuntos. Os informes máis recentes da FCC informan de 11 grupos orbitais de satélites distintos. Dentro dun determinado grupo, os satélites móvense á mesma altura, á mesma inclinación, coa mesma excentricidade, o que significa que os láseres poden atopar satélites moi próximos con relativa facilidade. Pero as velocidades de peche entre os grupos mídense en km/s, polo que a comunicación entre os grupos, se é posible, debería realizarse mediante enlaces de microondas curtos e rápidos controlados.
A topoloxía do grupo orbital é como a teoría onda-partícula da luz e realmente non se aplica ao noso exemplo, pero paréceme xenial, polo que a incluín no artigo. Se non estás interesado nesta sección, pasa directamente a "Limitacións da Física Fundamental".
Un toro -ou donut- é un obxecto matemático definido por dous radios. É bastante sinxelo debuxar círculos na superficie dun toro: paralelos ou perpendiculares á súa forma. Quizais che resulte interesante descubrir que hai outras dúas familias de círculos que se poden debuxar na superficie dun toro, e ambos pasan por un burato no seu centro e ao redor do contorno. Este é o chamado. , e usei este deseño cando deseñei o toroide para o Burning Man Tesla Coil en 2015.
E aínda que as órbitas dos satélites son, en rigor, elipses, non círculos, a mesma construción aplícase no caso de Starlink. Unha constelación de 4500 satélites en varios planos orbitais, todos co mesmo ángulo, forman unha capa en movemento continuo sobre a superficie terrestre. Unha capa orientada cara ao norte sobre un punto de latitude dado dá a volta e retrocede cara ao sur. Para evitar colisións, as órbitas serán lixeiramente alongadas, polo que a capa que se move cara ao norte estará varios quilómetros máis alta (ou máis baixa) que a que se move cara ao sur. Xuntos, estas dúas capas forman un toro en forma de soprado, como se mostra a continuación nun diagrama moi esaxerado.
Permíteme lembrar que dentro deste toro a comunicación realízase entre satélites veciños. En termos xerais, non hai conexións directas e a longo prazo entre satélites en diferentes capas, xa que as taxas de converxencia para o guiado láser son demasiado altas. A traxectoria de transmisión de datos entre capas, á súa vez, pasa por riba ou por debaixo do toro.
Un total de 30 satélites estarán situados en 000 tori aniñados moi por detrás da órbita da ISS. Este diagrama mostra como todas estas capas están empaquetadas, sen excentricidade esaxerada.
E, finalmente, debes pensar na altitude óptima de voo. Hai un dilema: altitude baixa, que dá máis rendemento con tamaños de feixe máis pequenos, ou altitude elevada, que permite cubrir todo o planeta con menos satélites? Co paso do tempo, os informes da FCC de SpaceX falaron de altitudes cada vez máis baixas a medida que Starship mellora para permitir un despregamento máis rápido de constelacións máis grandes.
A baixa altitude tamén ten outros beneficios, incluíndo un risco reducido de impacto de restos espaciais ou os efectos negativos da falla dos equipos. Debido ao aumento da resistencia atmosférica, os satélites Starlink máis baixos (330 km) queimaranse nunhas poucas semanas despois de perder o control da actitude. De feito, 300 km é unha altitude á que os satélites case nunca voan, e manter a altitude requirirá un motor de foguete eléctrico Krypton incorporado, así como un deseño simplificado. Teoricamente, un satélite cunha forma bastante puntiaguda, impulsado por un motor de foguete eléctrico, pode manter unha altitude estable de 160 km, pero é pouco probable que SpaceX lance satélites tan baixos, porque aínda quedan algúns trucos para aumentar o rendemento.
Limitacións da física fundamental
Parece improbable que os prezos de implantación de satélites baixen nunca moito por debaixo dos 35 dólares, aínda que a fabricación sexa avanzada e totalmente automatizada, e as naves Starship sexan totalmente reutilizables, e aínda non se sabe por completo que restricións impoñerá a física a un satélite. A análise anterior supón un rendemento máximo de 80 Gb/s. (se se redondea ata 100 feixes, cada un dos cales é capaz de transmitir 100 Mb/s).
Establécese o límite de ancho de banda da canle e dáse nas estatísticas de ancho de banda (1+SNR). O ancho de banda adoita estar limitado , mentres que a SNR é a enerxía do satélite dispoñible, o ruído de fondo e a interferencia da canle debido a . Outro obstáculo notable é a velocidade de procesamento. Os últimos FPGA Xilinx Ultrascale+ teñen , que é bo dadas as limitacións actuais de ancho de banda sen desenvolver ASIC personalizados. Pero aínda así 58 Gb/s. requirirá unha distribución de frecuencias impresionante, moi probablemente na banda Ka ou banda V. V (40-75 GHz) ten ciclos máis accesibles, pero está suxeito a unha maior absorción pola atmosfera, especialmente en zonas de alta humidade.
Son prácticos 100 raios? Este problema ten dous aspectos: ancho de feixe e densidade de elementos de matriz en fase. O ancho do feixe está determinado pola lonxitude de onda dividida polo diámetro da antena. A antena de matriz dixital en fase aínda é unha tecnoloxía especializada, pero as dimensións máximas utilizables están determinadas pola anchura (aprox. 1 m), e utilizar comunicacións de radiofrecuencia é máis caro. O ancho de onda na banda Ka é de aproximadamente 1 cm, mentres que o ancho do feixe debe ser de 0,01 radiáns, cun ancho de espectro do 50% da amplitude. Asumindo un ángulo sólido do feixe de 1 esteradián (similar á cobertura dunha lente de cámara de 50 mm), entón 2500 feixes individuais serían suficientes nesta área. A linealidade implica que 2500 feixes requirirían un mínimo de 2500 elementos de antena dentro da matriz, o que en principio é factible, aínda que difícil. E todo fará moita calor!
Un total de 2500 canles, cada unha das cales admite 58 Gb / s, é unha gran cantidade de información - se é aproximadamente, 145 Tb / s. Para comparación, todo o tráfico de Internet en 2020 . Boas noticias para os preocupados polo ancho de banda fundamentalmente baixo da internet vía satélite. Se unha constelación de 30 satélites está operativa para 000, o tráfico global de Internet potencialmente alcanzará os 2026 Tb/s. Se a metade disto é entregado por ~800 satélites en áreas densamente poboadas nun momento dado, entón o rendemento máximo por satélite é duns 500 Gb/s, o que é 800 veces maior que a nosa estimación de referencia orixinal, é dicir. a entrada de financiamento crece potencialmente 10 veces.
Para un satélite nunha órbita de 330 km, un feixe de 0,01 radiáns cobre unha área de 10 quilómetros cadrados. En áreas especialmente densamente poboadas como Manhattan, viven nesta zona ata 300 persoas. E se sentan todos a ver Netflix (000 Mbps en calidade HD) ao mesmo tempo? A solicitude total de datos será de 7 GB/s, o que supón unhas 2000 veces o límite actual imposto pola FPGA de saída en serie. Hai dúas formas de saír desta situación, das cales só unha é fisicamente posible.
O primeiro é poñer en órbita máis satélites, de xeito que en cada momento máis de 35 pezas colguen sobre zonas de maior demanda. Se tomamos de novo 1 esteradián para unha área razoable direccionable do ceo e unha altitude orbital media de 400 km, obtemos unha densidade de constelación de 0,0002/km², ou 100 en total, se se distribúen uniformemente por toda a superficie. do globo. Lembre que as órbitas selectas de SpaceX aumentan drasticamente a cobertura en áreas densamente poboadas dentro de 000-20 graos de latitude norte, e agora o número de 40 satélites parece máxico.
A segunda idea é moito máis chula, pero, por desgraza, irrealizable. Lembre que o ancho do feixe está determinado polo ancho da matriz de antenas en fase. E se moitas matrices en varios satélites combinan os poderes, creando un feixe máis estreito, igual que os radiotelescopios como o mesmo? (sistema de antena moi grande)? Este método ten unha complicación: a base entre os satélites terá que calcularse coidadosamente, cunha precisión submilimétrica, para estabilizar a fase do feixe. E aínda que isto fose posible, o feixe resultante dificilmente contería os lóbulos laterais, debido á baixa densidade da constelación de satélites no ceo. No chan, a anchura do feixe reduciríase ata uns poucos milímetros (o suficiente para rastrexar unha antena de teléfono móbil), pero habería millóns deles debido a un nulo intermedio débil. Grazas .
Resulta que a separación de canles por separación de ángulos -porque os satélites están espazados polo ceo- proporciona melloras adecuadas no rendemento sen violar as leis da física.
Aplicación
Cal é o perfil de cliente de Starlink? Por defecto, son centos de millóns de usuarios que teñen antenas do tamaño dunha caixa de pizza nos seus tellados, pero hai outras fontes de ingresos elevados.
Nas zonas remotas e rurais, as estacións terrestres non necesitan antenas de matriz en fases para maximizar o ancho do feixe, polo que se poden utilizar equipos de usuario máis pequenos, desde rastreadores de activos IoT ata teléfonos por satélite de peto, balizas de emerxencia ou instrumentos científicos de seguimento de animais.
En contornas urbanas densas, Starlink proporcionará o backhaul principal e de reserva para a rede móbil. Cada torre celular podería ter unha estación terrestre de alto rendemento na parte superior, pero usar fontes de enerxía terrestre para amplificación e transmisión durante a última milla.
E, finalmente, incluso en áreas congestionadas durante o lanzamento inicial, existe a posibilidade de usar satélites de órbita baixa cun atraso excepcionalmente mínimo. As propias empresas financeiras están poñendo moito diñeiro nas túas mans, só un pouco máis rápido para obter datos vitais de todo o mundo. E aínda que os datos a través de Starlink terán un camiño máis longo do habitual -a través do espazo-, a velocidade de propagación da luz no baleiro é un 50 % superior á do vidro de cuarzo, e iso compensa a diferenza cando se transmite a distancias máis longas.
Consecuencias negativas
O último apartado está dedicado ás consecuencias negativas. O obxectivo do artigo é librarche de ideas erróneas sobre o proxecto e as posibles consecuencias negativas das disputas que causan máis. Darei algunha información, abstíndome de interpretacións innecesarias. Aínda non son clarividente e tampouco teño expertos de SpaceX.
O máis, na miña opinión, as consecuencias máis graves son o aumento do acceso a Internet. Mesmo na miña cidade natal de Pasadena, unha cidade animada e rica en tecnoloxía cunha poboación de máis dun millón de habitantes, sede de varios observatorios, unha universidade de clase mundial e a maior instalación da NASA, a elección é limitada cando se trata de servizos de Internet. En Estados Unidos e no resto do mundo, Internet converteuse nun servizo de utilidade que busca aluguer, cos ISP que acaban de espremer os seus 50 millóns de dólares ao mes nun ambiente acolledor e non competitivo. Quizais, calquera servizo ofrecido a pisos e edificios residenciais sexa un apartamento comunitario, pero a calidade dos servizos de Internet é menor que a auga, a electricidade ou o gas.
O problema do status quo é que, a diferenza da auga, a electricidade ou o gas, Internet aínda é novo e evoluciona rapidamente. Estamos constantemente atopando novos usos para el. O máis revolucionario aínda non está aberto, pero os plans de paquete sufocan a posibilidade de competencia e innovación. Miles de millóns de persoas quedan atrás por circunstancias de nacemento ou porque o seu país está demasiado lonxe do cable submarino principal. En grandes rexións do planeta, Internet aínda é entregado por satélites xeoestacionarios, a prezos exorbitantes.
Starlink, pola súa banda, distribuíndo continuamente Internet desde o ceo, viola este modelo. Aínda non coñezo outra forma mellor de conectar miles de millóns de persoas a Internet. SpaceX está en camiño de converterse nun ISP e potencialmente nunha empresa de internet que rivaliza con Google e Facebook. Aposto a que non pensaches niso.
Que internet vía satélite é a mellor opción non é obvio. SpaceX, e só SpaceX, está en condicións de crear rapidamente unha vasta constelación de satélites que só matou unha década para romper o monopolio do goberno e os militares no lanzamento de naves espaciais. Aínda que Iridium vendese os teléfonos móbiles por dez veces, aínda non conseguiría unha adopción xeneralizada usando as plataformas de lanzamento tradicionais. Sen SpaceX e o seu modelo de negocio único, hai altas posibilidades de que a internet por satélite global simplemente non suceda nunca.
O segundo gran golpe chegará á astronomía. Despois do lanzamento dos primeiros 60 satélites Starlink, houbo unha onda de críticas da comunidade astronómica internacional, dicindo que o aumento do número de satélites bloquearía o seu acceso ao ceo nocturno. Hai un dito: entre os astrónomos, é máis fresco quen ten un telescopio máis grande. Sen esaxeración, facer astronomía na era moderna é unha tarefa extremadamente difícil, que lembra unha continua loita por mellorar a calidade da análise no contexto da crecente contaminación lumínica e outras fontes de ruído.
O último que necesita un astrónomo son miles de satélites brillantes que brillan no foco dun telescopio. De feito, a constelación orixinal de Iridium era infame por ter "florecementos" debido aos grandes paneis que reflectían a luz solar en pequenas áreas da Terra. Ocorreu que alcanzaron o brillo dunha cuarta parte da Lúa e ás veces ata danaron accidentalmente sensores astronómicos sensibles. O temor de que Starlink invada as bandas de radio utilizadas na radioastronomía tampouco é infundado.
Se descargas unha aplicación de seguimento por satélite, podes ver decenas de satélites voando no ceo nunha noite despexada. Os satélites son visibles despois do solpor e antes do amencer, pero só cando están iluminados polos raios solares. Máis tarde, durante a noite, os satélites son invisibles á sombra da Terra. Pequenos, extremadamente distantes, móvense moi rápido. Existe a posibilidade de que escurezan unha estrela distante durante menos dun milisegundo, pero creo que incluso detectar isto é unha hemorróida máis.
A forte preocupación pola erupción do ceo naceu do feito de que a capa de satélites do primeiro lanzamento estaba aliñada preto do terminador da Terra, é dicir. noite tras noite Europa -e era verán- observaba a épica imaxe de satélites voando polo ceo no solpor da noite. Ademais, as simulacións baseadas nos informes da FCC demostraron que os satélites en órbita de 1150 km serán visibles mesmo despois de que pasou o crepúsculo astronómico. En xeral, o crepúsculo pasa por tres etapas: civil, marítima e astronómica, é dicir. cando o sol está a 6, 12 e 18 graos por debaixo do horizonte respectivamente. Ao final do crepúsculo astronómico, os raios solares están a uns 650 km da superficie no cénit, moi fóra da atmosfera e a maior parte da órbita terrestre baixa. En base a datos de , Creo que todos os satélites estarán situados a unha altitude inferior a 600 km. Neste caso, pódense ver ao anoitecer, pero non despois do anoitecer, o que reducirá significativamente as posibles consecuencias para a astronomía.
O terceiro problema son os restos en órbita. EN Apuntei que os satélites e os restos por debaixo dos 600 km desorbitarían nuns poucos anos debido ao arrastre atmosférico, reducindo moito a posibilidade da síndrome de Kessler. SpaceX enreda coa sucidade coma se non lles importara nada o lixo espacial. Aquí estou mirando os detalles da implementación de Starlink, e cústame imaxinar unha mellor forma de reducir a cantidade de residuos en órbita.
Os satélites lánzanse a unha altitude de 350 km, despois voan con motores incorporados ata a súa órbita prevista. Calquera satélite que morre no lanzamento estará fóra de órbita nunhas poucas semanas e non se moverá en ningún outro lugar durante miles de anos. Esta colocación implica estratexicamente probas para a entrada gratuíta. Ademais, os satélites Starlink son planos en sección transversal, o que significa que ao perder o control da altitude, entran nas capas densas da atmosfera.
Poucas persoas saben que SpaceX converteuse nun pioneiro na astronáutica, comezando a utilizar tipos alternativos de montaxe en lugar de squibs. Practicamente todas as plataformas de lanzamento usan squibs ao despregar escenarios, satélites, radomos, etc., aumentando o potencial de restos. SpaceX tamén desorbita deliberadamente as etapas superiores, evitando que colguen no espazo para sempre, para que non se degraden e se desintegren no duro ambiente espacial.
Finalmente, a última cuestión que me gustaría mencionar é a posibilidade de que SpaceX substitúa o monopolio existente de Internet creando o seu propio. No seu nicho, SpaceX xa monopolizou os lanzamentos. Só o desexo dos gobernos rivais de conseguir un acceso garantido ao espazo impide que os foguetes caros e obsoletos, que moitas veces son ensamblados por grandes contratistas monopolísticos de defensa, sexan desguazados.
Non é difícil imaxinar que SpaceX lance 2030 dos seus satélites ao ano en 6000, ademais duns poucos satélites espías para boa medida. Os satélites de SpaceX baratos e fiables venderán "espazo en rack" para dispositivos de terceiros. Calquera universidade que constrúe unha cámara con capacidade espacial pode poñela en órbita sen ter que cubrir o custo da construción dunha plataforma espacial enteira. Con un acceso tan avanzado e ilimitado ao espazo, Starlink xa está asociado aos satélites, mentres que os fabricantes históricos están a ser cousa do pasado.
Hai exemplos na historia de empresas con visión de futuro que ocuparon un nicho tan grande no mercado que os seus nomes se converteron en nomes coñecidos: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
O problema pode xurdir cando unha empresa pioneira se dedica a prácticas anticompetitivas para manter a súa cota de mercado, aínda que moitas veces se permitiu desde o presidente Reagan. SpaceX podería manter o monopolio de Starlink obrigando a outros desenvolvedores de constelacións a lanzar satélites en foguetes soviéticos antigos. Accións similares realizadas , xunto coa fixación de prezos para o transporte de correo, levouno a colapsar en 1934. Afortunadamente, é pouco probable que SpaceX manteña o monopolio absoluto dos foguetes reutilizables para sempre.
Aínda máis preocupante é que o despregamento de decenas de miles de satélites de órbita baixa por parte de SpaceX podería ser deseñado como unha cooptación do común. Unha empresa privada, que busca un beneficio persoal, está a apoderarse permanentemente das posicións orbitais que antes estaban públicas e desocupadas. E aínda que as innovacións de SpaceX fixeron posible gañar cartos nun baleiro, gran parte do capital intelectual de SpaceX construíuse con millóns de dólares en orzamentos de investigación.
Por unha banda, necesitamos leis que protexan os medios de investimento privado, investigación e desenvolvemento. Sen esta protección, os innovadores non poderán financiar proxectos ambiciosos ou trasladarán as súas empresas a onde se lles proporcione esa protección. En todo caso, a cidadanía sofre porque non se xeran beneficios. Por outra banda, son necesarias leis para protexer ás persoas, os propietarios nominais do dominio público incluído o ceo, das entidades privadas que buscan alugueres que anexan bens públicos. En si mesmo, nin sequera é verdade nin posible. Os desenvolvementos de SpaceX ofrecen a oportunidade de atopar un medio feliz neste novo mercado. Decatarémonos de que se atopou cando maximizamos a frecuencia da innovación e a creación de benestar social.
Pensamentos finais
Escribín este artigo en canto rematei outro - . Foi unha semana de calor. Tanto Starship como Starlink son tecnoloxías revolucionarias que se están creando xusto ante os nosos ollos, nas nosas vidas. Se vexo medrar aos meus netos, sorprenderanse máis de que eu sexa maior que Starlink, e non de que na miña infancia non houbese móbil (pezas de museo) nin Internet pública per se.
Os ricos e os militares usan internet vía satélite durante moito tempo, pero Starlink, o omnipresente, xenérico e barato, simplemente non é posible sen Starship.
O lanzamento fálase dende hai moito tempo, pero Starship, que é bastante barato e, polo tanto, unha plataforma interesante, é imposible sen Starlink.
Da astronáutica tripulada fálase durante moito tempo, e se... entón tes luz verde. Con Starship e Starlink, a exploración espacial humana é un futuro próximo posible, a un tiro de pedra desde un posto avanzado orbital ata cidades industrializadas no espazo profundo.
Fonte: www.habr.com