スターリンクは大したものだ

この記事は、次のことに特化したシリーズの一部です 宇宙技術分野の教育プログラム.

スターリンク — 何万もの衛星を通じてインターネットを配信するという SpaceX の計画は、宇宙関連の報道機関の主要なトピックです。 最新の成果に関する記事が毎週公開されます。 一般的にスキームが明確で、読んだ後であれば 連邦通信委員会に報告する、やる気のある人（たとえば、本当にあなたの人）は、多くの詳細を掘り下げることができます。 しかし、この新しいテクノロジーに関しては、賢明な観察者の間でも依然として多くの誤解が存在​​します。 Starlink と OneWeb および Kuiper (とりわけ) を、あたかも同等の条件で競争しているかのように比較する記事を目にするのは珍しいことではありません。 他の著者は、明らかに地球の利益を懸念しており、宇宙ゴミ、宇宙法、標準、天文学の安全性について叫んでいます。 このかなり長い記事を読んだ後、読者が Starlink のアイデアをよりよく理解し、インスピレーションを得ることを願っています。

前の記事 思いがけず、私の少数の読者の魂の敏感な琴線に触れました。 その中で私は、Starship がどのようにして SpaceX を長期にわたって最前線に置きながら、同時に新たな宇宙探査のための手段を提供するのかについて説明しました。 これは、従来の衛星業界が、ファルコンファミリーロケットの容量を着実に増やしてコストを削減してきたスペースXに追いつくことができず、スペースXを困難な立場に追い込んでいることを意味している。 一方で、それは年間せいぜい数十億ドル相当の市場を形成しました。 その一方で、彼女は巨大なロケットの建設のための飽くなき金銭欲を煽ったが、火星に送る人はほとんどおらず、当面の利益は期待できない。

このペアリングの問題の解決策は Starlink です。 スペースXは、独自の衛星を組み立てて打ち上げることで、宇宙通信への高効率かつ民主化されたアクセスのための新しい市場を創造、定義し、企業が沈没する前にロケットを製造するための資金を生み出し、その経済価値を数兆ドルに増やすことができるだろう。 イーロンの野心の大きさを過小評価しないでください。 エネルギー、高速輸送、通信、IT、ヘルスケア、農業、政府、防衛など、兆ドル規模の産業は数えるほどしかありません。 よくある誤解にもかかわらず、 宇宙掘削, 月の採掘水 и 宇宙用ソーラーパネル - ビジネスが成り立たない。 イーロンはテスラでエネルギー分野に参入しましたが、衛星やロケットの打ち上げに信頼性が高く広大な市場を提供できるのは電気通信だけです。

イーロン・マスクが初めて宇宙に注目したのは、火星探査機で植物を育てるミッションに80万ドルを無償で投資したいと考えたときでした。 火星に都市を建設するにはおそらく100万倍の費用がかかるため、スターリンクは切望されているスポンサー資金を大量に提供するというマスク氏の主な賭けだ 火星の自治都市.

何のために？

この記事を書くことは長い間計画していましたが、全体像を掴んだのは先週になってからです。 その後、SpaceX 社長のグウィン・ショットウェルがロブ・バロンに驚くべきインタビューを行い、後に彼はそのインタビューを CNBC で素晴らしい記事で取り上げました。 Twitterスレッド マイケル・シーツ、そして誰に捧げられたか いくつかの 物品。 このインタビューでは、SpaceX と他の企業との間の衛星通信へのアプローチの大きな違いが明らかになりました。

コンセプト スターリンク は、SpaceX の顧客 (主に衛星プロバイダー) が莫大な資金を保有していることに気づいた 2012 年に誕生しました。 打ち上げ施設は衛星配備の料金をつり上げながら、どういうわけか作業の XNUMX ステップを見逃しています。どうしてそんなことがあり得るでしょうか? イーロンは、インターネット用の衛星群を作成することを夢見ていましたが、ほぼ不可能な仕事に抵抗できず、そのプロセスを中止しました。 スターリンクの開発 困難がないわけではないしかし、この記事の終わりまでに、私の読者であるあなたはおそらく、アイデアの範囲を考えると、これらの困難が実際にはどれほど小さなものであるかに驚かれるでしょう。

そもそもインターネットにとって、このような大規模なグループ化が必要なのでしょうか? そしてなぜ今？

インターネットが純粋に学術的な娯楽から最初で唯一の革命的なインフラに変わったのは私の記憶の中だけです。 これは完全な記事に値するトピックではありませんが、世界中でインターネットのニーズとそれが生み出す収入は今後も年間約 25% ずつ増加し続けると推測します。

今日、私たちのほぼ全員が、地理的に孤立した少数の独占企業からインターネットを入手しています。 米国では、AT&T、タイムワーナー、コムキャスト、および少数の小規模企業が、競争を避けるために領域を分割し、サービスに対してXNUMXつのスキンを請求し、ほぼ普遍的な憎悪の光を浴びています。

プロバイダーが競争力を持たないのには、貪欲なだけではなく、十分な理由があります。 インターネットのインフラストラクチャ (マイクロ波基地局や光ファイバー) の構築には、非常に高額な費用がかかります。 インターネットの素晴らしい性質は忘れられがちです。 私の祖母は、最初は通信オペレーターとして第二次世界大戦に赴任しましたが、その後、電信は伝書鳩と戦略上の主導的役割を競い合いました。 私たちのほとんどにとって、情報スーパーハイウェイは一時的で無形のものですが、ビットは国境、川、山、海、嵐、自然災害、その他の障害がある物理世界を通過します。 1996 年に最初の光ファイバー回線が海底に敷設されたとき、 ニール・スティーブンソンはサイバーツーリズムをテーマにした包括的なエッセイを執筆しました。 彼は、その特徴的な鋭い文体で、これらの線路を敷設するための莫大な費用と複雑さを生き生きと描写しており、その線路に沿っていまいましい「コテグ」たちが今も突進している。 2000 年代のほとんどでは、非常に多くのケーブルが引き込まれたため、導入コストは驚異的でした。

かつて私は光学研究室で働いていましたが、（記憶が確かであれば）その当時の記録を破り、500 Gb/秒の多重伝送速度を実現しました。 電子機器の制限により、各ファイバーには理論上の容量の 0,1% まで負荷をかけることができました。 XNUMX 年後、私たちはそのしきい値を超える準備ができています。データ伝送がそのしきい値を超えると、ファイバーが溶けてしまい、すでにその限界にかなり近づいています。

しかし、私たちはデータの流れを罪深い地球上、つまり衛星が妨げられることなく「ボール」の周りを 30 年間で 000 回周回する宇宙へと引き上げる必要があります。 それは明らかな解決策のように思えますが、なぜこれまで誰もこれに取り組まなかったのでしょうか?

1990 年代初頭にモトローラ (覚えていますか?) によって開発および配備されたイリジウム衛星群は、最初の世界的な低軌道通信ネットワークとなりました (次の記事で魅力的に説明されています)。 この本）。 それが導入されるまでに、資産トラッカーからの小さなデータ パケットをルーティングするというニッチな機能が唯一の用途であることが判明しました。携帯電話が非常に安価になったため、衛星電話は普及しませんでした。 イリジウムには 66 つの軌道に 6 個の衛星 (およびいくつかの予備) があり、これは惑星全体をカバーするための最小セットです。

イリジウムに 66 基の衛星が必要な場合、なぜ SpaceX には数万基の衛星が必要なのでしょうか? どうしてそんなに違うのでしょうか？

SpaceX はこのビジネスに反対側から参入しました。それは打ち上げから始まりました。 ロケット保存分野の先駆者となり、低コストの発射台の市場を獲得しました。 より低い価格で彼らを上回ろうとしてもあまりお金は得られないため、彼らの余剰電力から何らかの形で利益を得る唯一の方法は彼らの顧客になることです。 SpaceX の自社衛星打ち上げ費用 - 経費のXNUMX分のXNUMX （1 kgあたり）イリジウムを使用するため、非常に幅広い市場に参入できるようになります。

Starlink の世界的なサービス範囲により、世界中のどこからでも高品質のインターネットへのアクセスが提供されます。 初めて、インターネットの利用可能性は、国や都市が光ファイバー回線に近いかどうかではなく、上空の透明度に依存するようになります。 世界中のユーザーは、さまざまな程度の悪や極悪な政府独占に関係なく、自由なグローバル インターネットにアクセスできるようになります。 これらの独占を打破するスターリンクの能力は、信じられないほどの規模で前向きな変化を引き起こし、最終的には将来の世界的なサイバーコミュニティで何十億もの人々を団結させるでしょう。

短い歌詞の余談ですが、これは一体どういう意味なのでしょうか？

今日のユビキタス接続時代に育った人々にとって、インターネットは私たちが吸う空気のようなものです。 彼はまさにその通りだ。 しかし、ポジティブな変化をもたらすその驚くべき力を忘れてしまったら、私たちはすでにその中心にいるのです。 インターネットの助けを借りて、人々はリーダーに責任を追及し、地球の裏側にいる他の人々とコミュニケーションを取り、考えを共有し、何か新しいものを発明することができます。 インターネットは人類を結び付けます。 近代化の歴史は、データ交換機能の開発の歴史です。 まず、スピーチと叙事詩を通して。 それから - 文字で、それは死者に声を与え、彼らは生者に向きを変えます。 書き込みによりデータを保存できるようになり、非同期通信が可能になります。 印刷印刷機によってニュース制作が本格化しました。 電子通信 - 世界中でのデータ転送が加速しました。 個人のメモを取るデバイスは、ノートブックから携帯電話へと進化し、徐々に複雑になってきました。携帯電話はインターネットに接続されたコンピューターであり、センサーが満載されており、日々のニーズを予測する能力が向上しています。

認知の過程で文字やコンピューターを使用する人は、不完全に発達した脳の限界を克服できる可能性が高くなります。 さらに優れているのは、携帯電話が強力な記憶装置であると同時に、アイデアを交換するためのメカニズムでもあるということです。 かつて人々は自分の考えを共有するためにノートに走り書きした音声に頼っていましたが、現在では人々が生み出したアイデアをノートで共有するのが標準となっています。 従来のスキームが逆転しました。 プロセスの論理的な継続は、個人的なデバイスを介した、ある種の集団的メタ認知です。 私たちの脳にさらに緊密に統合されています そしてお互いにつながっている。 そして、私たちは自然との失われたつながりや孤独を今でも懐かしんでいるかもしれませんが、テクノロジーとテクノロジーだけが、無知や早すぎる死（可能性のある）の「自然な」サイクルからの私たちの解放の大部分を担っていることを覚えておくことが重要です。回避）、暴力、飢餓、虫歯。

どうやって？

Starlink プロジェクトのビジネス モデルとアーキテクチャについて話しましょう。

スターリンクが収益性の高い企業になるためには、流入する資金が建設と運営のコストを上回る必要があります。 従来、設備投資には、人工衛星を打ち上げるためのより高い初期費用、洗練された専門的な資金調達および保険メカニズムが必要でした。 静止通信衛星の費用は 500 億ドルで、組み立てと打ち上げには 5 年かかります。 したがって、この分野の企業は同時にジェット船やコンテナ船を建造しています。 膨大な経費、資金調達コストをかろうじてカバーする資金の流入、そして比較的少ない運営予算。 対照的に、オリジナルの Iridium の失敗は、Motorola が運営者に法外なライセンス料の支払いを強制し、わずか数か月で企業を破産させたことでした。

この種のビジネスを行うには、従来の衛星会社は個人顧客にサービスを提供し、高いデータ料金を請求する必要がありました。 航空会社、遠隔地の前哨基地、船舶、戦闘地域、主要なインフラストラクチャは、MB あたり約 5 ドルを支払っています。これは、遅延と比較的低い衛星スループットにもかかわらず、従来の ADSL の 1 倍の費用です。

Starlink は地上波サービス プロバイダーと競合することを計画しています。つまり、データをより安価に配信する必要があり、理想的には 1 MB あたり 1 ドルよりもはるかに低い料金で提供する必要があります。 これは可能でしょうか? あるいは、これは可能であるため、「どのようにしてこれが可能ですか?」と尋ねる必要があります。

新しい料理の最初の材料は、安価な商品の発売です。 現在、ファルコンは 24 トンの打ち上げを約 60 万ドルで販売しています。これは 2500 kg あたり 1 ドルです。 しかし、内部コストははるかに大きいことが判明しました。 スターリンク衛星は再利用可能な打ち上げロケットで打ち上げられるため、4回の打ち上げの限界コストは、新しい第1ステージ（約1万ドル）、フェアリング（100万ドル）、地上サポート（約1000万ドル）の費用となる。 合計: 衛星あたり約 XNUMX 万ドル、つまり従来の通信衛星を打ち上げるよりもXNUMX倍以上安い。

ただし、ほとんどの Starlink 衛星は Starship で打ち上げられます。 実際、FCC ショーへの最新レポートによると、Starlink の進化はいくつかのことを提供します。 スターシップのアイデアが実現し、どのように進化したかについてのアイデア プロジェクトの内部アーキテクチャ。 衛星群内の衛星の総数は 1 個から 584 個に、その後 2 個に、そして最終的には 825 個に増加しました。 プロジェクトを実行可能にするための開発の第 7 段階の衛星の最小数は 518 軌道で 30 基 (合計 000 基) ですが、赤道 60 度以内を完全にカバーするには 6 軌道の 360 基の衛星 (合計 53 基) が必要です。 これは、ファルコンにとってわずか 24 億 60 万ドルの内部コストで 1440 回打ち上げられることになります。 一方、Starship は、ほぼ同じ価格で一度に最大 24 個の衛星を打ち上げられるように設計されています。 Starlink 衛星は 150 年ごとに交換する必要があるため、400 個の衛星を搭載するには年間 5 回の Starship の打ち上げが必要になります。 年間約 6000 億ドル、つまり衛星 15 基あたり 100 万 15 ドルの費用がかかります。 Falcon で打ち上げられる各衛星の重量は 227 kg です。 Starship で吊り上げられる衛星の重量は 320 kg で、サードパーティ製の機器を搭載しており、多少大きくても許容荷重を超えることはありません。

衛星の費用は何で構成されていますか? スターリンク衛星は、その仲間の中でもやや特殊です。 組み立て、保管、平らな状態で起動できるため、大量生産が非常に簡単です。 経験上、製造コストは発射装置のコストとほぼ等しいはずです。 価格差が大きい場合は、コスト削減による限界費用の総合的な削減はそれほど大きくないため、リソースが誤って割り当てられていることを意味します。 最初の数百機の衛星に 100 機あたり XNUMX 万ドルを支払うことは本当に可能でしょうか? 言い換えれば、デバイス内の Starlink 衛星は機械と同じくらい複雑ではないのでしょうか?

この質問に完全に答えるには、たとえ 1000 倍複雑ではなかったとしても、周回通信衛星のコストがなぜ 1000 倍も高いのかを理解する必要があります。 非常に簡単に言うと、宇宙用ハードウェアはなぜそれほど高価なのでしょうか? これには多くの理由がありますが、この場合の最も説得力のある理由は次のとおりです。衛星を軌道に打ち上げるのに（ファルコン以前に）100億以上の費用がかかる場合、少なくともある程度の衛星をもたらすためには、長年にわたって動作することが保証されなければなりません。利益。 最初で唯一の製品の動作におけるこのような信頼性を確保することは、何百人もの人々の努力を必要とする骨の折れるプロセスであり、何年にもわたって続く可能性があります。 コストを追加すると、すでに立ち上げに費用がかかる場合に、追加のプロセスを正当化するのは簡単です。

スターリンクは、何百もの衛星を構築し、初期の設計上の欠陥を迅速に修正し、大量生産技術を使用してコストを管理することで、このパラダイムを打破します。 私個人としては、技術者が新しいものを設計に組み込んで、すべてをプラスチック製のタイ (もちろん NASA レベル) で 16 ～ 20 時間で固定し、XNUMX 日あたり XNUMX 個の衛星という必要な交換レベルを維持する Starlink の組立ラインを容易に想像できます。 スターリンク衛星は多くの複雑な部品で構成されていますが、組立ラインから出てくる XNUMX 番目のユニットのコストを XNUMX 万に下げることができない理由はわかりません。実際、XNUMX 月にイーロンは Twitter で、衛星の製造コストはすでに打ち上げコストを下回っています。

平均的なケースを取り上げ、数字を四捨五入して投資回収時間を分析してみましょう。 Starlink 衛星 100 基の組み立てと打ち上げには 5 万ドルかかり、寿命は XNUMX 年です。 それは自然に元が取れますか? そうなった場合、どれくらい早く元が取れますか?

5 年以内に、スターリンク衛星は地球の周りを 30 周することになります。 それぞれ 000 時間半の軌道で、ほとんどの時間を海上で過ごし、おそらく 100 秒は人口密度の高い都市上空で過ごすことになります。 この短い時間枠の間に、彼はデータをブロードキャストして、急いでお金を稼ぎました。 アンテナが 100 ビームをサポートし、各ビームが最新のエンコード タイプを使用して 100 Mbps を送信すると仮定します。 4096QAMの場合、衛星は 1000 GB あたり 1 ドルのサブスクリプション価格で、軌道ごとに 1 ドルの利益を生み出します。 これは 100 万の導入コストを 29 週間で回収するのに十分であり、資本構成が大幅に簡素化されます。 残りの 900 ターンは、利益から固定費を差し引いたものです。

推定値は双方向で大きく異なる可能性があります。 しかし、いずれにせよ、高品質の衛星群を 100 基、あるいは 000 基あたり 1 万基で低軌道に打ち上げることができるのであれば、これは深刻な要求です。 Starlink 衛星は、使用時間が驚くほど短いにもかかわらず、その寿命にわたって 30 PB のデータを配信できます (償却コストは 0,003 GB あたり 1 ドルです)。 同時に、長距離を送信する場合、限界費用は実質的に増加しません。

このモデルの重要性を理解するために、消費者にデータを配信するための他の XNUMX つのモデル、つまり従来の光ファイバー ケーブルと衛星の打ち上げを専門としない会社が提供する衛星コンステレーションと簡単に比較してみましょう。

SEA-WE-ME - 大型水中インターネット ケーブルフランスとシンガポールを結ぶ鉄道で、2005 年に運行が開始されました。 帯域幅 - 1,28 Tb/秒、導入コスト - 500 億ドル。 10 年間 100% の容量で動作し、諸経費が資本コストの 100% に達する場合、移転価格は 0,02 GB あたり 1 ドルになります。 大西洋横断ケーブルはより短く、若干安価ですが、海底ケーブルは、データにお金を求める人々の長い連鎖の中の 8 つの存在にすぎません。 Starlink の平均見積もりは XNUMX 倍安いことが判明し、同時にすべてが含まれています。

これはどのようにして可能でしょうか? Starlink 衛星には、光ファイバー ケーブルの接続に必要なすべての高度な電子スイッチング ハードウェアが含まれていますが、データの送信には高価で壊れやすいワイヤーの代わりに真空が使用されます。 空間を介した伝送により、居心地の良い独占と瀕死の独占の数が減り、ユーザーはさらに少ないハードウェアで通信できるようになります。

競合する衛星開発会社 OneWeb と比較してみましょう。 OneWeb は 600 基の衛星からなる衛星群を作成する予定で、20 kg あたり約 000 ドルの費用で商用サプライヤーを通じて打ち上げられる予定です。 衛星1機の重さは150kgで、理想的な状態では3機の打ち上げに約1万回かかるが、衛星のハードウェア費用は2027機当たり2,6万円と見積もられている。 50 年までに、グループ全体のコストは 16 億になる見込みで、OneWeb が実施したテストでは、スループットが 80 Mb/秒であることが示されました。 理想的には、5 光線のそれぞれのピークで。 Starlink のコストを計算するために使用したのと同じパターンに従うと、OneWeb 衛星は 2,4 軌道あたり 1,70 ドルを生み出し、わずか 1 年で XNUMX 万ドルの収益が得られます。これは、遠隔地へのデータ送信も考慮すると、打ち上げ費用をかろうじて賄える額です。 。 合計すると XNUMX GB あたり XNUMX ドルが得られます。

グウィン・ショットウェルは最近次のように述べたと伝えられている。 Starlink は OneWeb よりも 17 倍安く、速いと言われていますこれは、0,10 GB あたり 1 ドルという競争力のある価格を意味します。 そして、これは Starlink の元の構成のままです。最適化されていない生産、Falcon での打ち上げ、およびデータ送信の制限があり、米国北部のみをカバーしています。 SpaceX には否定できない利点があることが判明しました。現在、SpaceX は競合他社よりも 15 分の 100 の価格 (ユニットあたり) で、より適切な衛星を打ち上げることができます。 スターシップはリードを2027倍、あるいはそれ以上に広げることになるため、スペースXが30年までに000億ドル未満で1万基の衛星を打ち上げることは想像に難しくないが、そのほとんどは自社の財布から賄うことになる。

OneWeb や他の新進気鋭の衛星コンステレーション開発者に関しては、もっと楽観的な分析があると確信していますが、彼らにとって物事がどのように機能するかはまだわかりません。

最近ではモルガン・スタンレー 数えたスターリンク衛星の組み立て費用は1万ドル、打ち上げ費用は830万ドルだという。 グウィン・ショットウェルは「彼はとても大失敗をした」と答えた。。 興味深いことに、この数字は OneWeb のコストに関する私たちの見積もりと似ており、Starlink の元の見積もりの​​およそ 10 倍です。 Starship と商用衛星の生産を使用すると、衛星配備コストを 35 基あたり約 XNUMX まで削減できる可能性があります。 そしてこれは驚くほど低い数字です。

残った最後のポイントは、Starlink で生成された太陽エネルギー 1 ワットあたりの利益を比較することです。 ウェブサイト上の写真によると、各衛星の太陽電池アレイの面積は約 60 平方メートルです。 平均して、3 回転あたり約 4,5 kW または 1000 kWh を生成します。 大まかな見積もりとして、各軌道は 220 ドルを生成し、各衛星は kWh あたり約 10 ドルを生成します。 これは太陽エネルギーの卸売コストの 000 倍であり、次のことが改めて裏付けられます。 宇宙で太陽エネルギーを抽出するのは絶望的な試みである。 また、データ伝送のためにマイクロ波を変調すると、法外な追加コストがかかります。

アーキテクチャ

前のセクションでは、Starlink アーキテクチャのそれほど重要ではない部分、つまり地球上の極めて不均一な人口密度でそれがどのように機能するかについて、かなり大まかに紹介しました。 スターリンク衛星は集束ビームを放射し、惑星の表面にスポットを作成します。 スポット内の加入者は XNUMX つの帯域幅を共有します。 スポットのサイズは基本的な物理学によって決定されます。最初のその幅は (衛星の高さ x マイクロ波の長さ / アンテナの直径) であり、スターリンク衛星の場合、これはせいぜい数キロメートルです。

ほとんどの都市では人口密度は約 1000 人/平方キロメートルですが、場所によってはそれを上回る場合もあります。 東京やマンハッタンの一部の地域では、100 スポットあたり 000 万人を超える人がいる場合があります。 幸いなことに、このような人口密度の高い都市には、高度に発達した携帯電話ネットワークは言うまでもなく、ブロードバンド インターネットの競争力のある国内市場があります。 しかし、それはともかく、いつでも都市上空に同じ星座の衛星が多数存在する場合、アンテナの空間ダイバーシティと周波数分布によってスループットを向上させることができます。 言い換えれば、数十の衛星が最も強力なビームを XNUMX 点に集中させることができ、その地域のユーザーは地上端末を使用してリクエストを衛星間で分散することになります。

初期段階でサービスの販売に最適な市場が遠隔地、田舎、または郊外である場合、さらなる立ち上げのための資金は人口密度の高い都市へのより良いサービスから得られるでしょう。 このシナリオは標準的な市場拡大パターンとは正反対で、都市をターゲットとした競争サービスは貧困で人口の少ない地域に拡大しようとすると必然的に利益が減少する。

数年前に計算してみたところ、 これは最高の人口密度マップでした.

この画像からデータを取得し、以下の 3 つのグラフを作成しました。 100 つ目は、人口密度による地球の面積の頻度を示します。 最も興味深いのは、地球の大部分には人がまったく住んでおらず、平方キロメートルあたりの人口が XNUMX 人を超える地域は事実上存在しないということです。

100 番目のグラフは、人口密度ごとの人の頻度を示します。 地球の大部分は無人ですが、大部分の人々は平方キロメートルあたり 1000 ～ 100 人が住む地域に住んでいます。 このピークの拡張された性質 (一桁大きい) は、都市化パターンにおける二峰性を反映しています。 1000人/平方キロメートル。 人口が比較的少ない田舎地域ですが、10平方キロメートルあたり000人という数字はあります。 すでに郊外の特徴です。 都市の中心部では簡単に 25 人/平方キロメートルを示しますが、マンハッタンの人口は 000 人/平方キロメートルです。

20 番目のグラフは緯度ごとの人口密度を示しています。 ほぼすべての人々が北緯 40 度から 50 度の間に集中していることがわかります。 南半球の大部分は海によって占められているため、これは概して地理的および歴史的に起こったことです。 それでも、このような人口密度はグループの建築家にとって困難な課題です。なぜなら... 衛星は両半球で同じ時間を費やします。 さらに、地球の周りをたとえば 6 度の角度で周回する衛星は、指定された緯度境界の近くでより多くの時間を過ごすことになります。 これが、スターリンクが赤道をカバーするのに必要な軌道数が 24 であるのに対し、米国北部にサービスを提供するのに必要な軌道は XNUMX のみである理由です。

実際、人口密度グラフと衛星星座密度グラフを組み合わせると、軌道の選択が明らかになります。 各棒グラフは、SpaceX の XNUMX つの FCC 申請のうちの XNUMX つを表しています。 個人的には、新しいレポートはそれぞれ以前のレポートへの追加のようなものであるように思えますが、いずれにせよ、追加の衛星が北半球の対応する地域の容量をどのように増加させるかを理解するのは難しくありません。 対照的に、南半球にはかなりの未使用容量が残っています - オーストラリアよ、喜べ！

ユーザーデータが衛星に到達するとどうなるでしょうか? オリジナルのバージョンでは、スターリンク衛星はそれらをサービスエリア近くの専用地上局に即座に送信していました。 この構成を「ダイレクトリレー」と呼びます。 将来的には、Starlink 衛星はレーザーを介して相互に通信できるようになるでしょう。 データ交換は人口密集都市でピークに達しますが、データは XNUMX 次元のレーザー ネットワーク上に分散できます。 実際には、これは衛星ネットワーク内に秘密通信バックホール ネットワークの大きなチャンスがあることを意味し、ユーザー データを任意の適切な場所で「地球に再送信」できることを意味します。 実際には、SpaceX 地上局は、 トラフィック交換ノード 都市の外。

衛星が一緒に移動しない限り、衛星間の通信は簡単な作業ではないことがわかりました。 FCC への最新の報告書では、11 個の異なる軌道上の衛星群が報告されています。 特定のグループ内では、衛星は同じ高度、同じ角度、同じ離心率で移動します。これは、レーザーが比較的簡単に近接する衛星を見つけることができることを意味します。 ただし、グループ間の接近速度は km/秒で測定されるため、可能であれば、グループ間の通信は、短く、迅速に制御可能なマイクロ波リンクを通じて実行する必要があります。

軌道群トポロジーは光の波動粒子理論のようなもので、今回の例には特に当てはまりませんが、美しいと思うので記事に入れました。 このセクションに興味がない場合は、「基礎物理学の限界」まで直接飛ばしてください。

トーラス (またはドーナツ) は、XNUMX つの半径によって定義される数学的オブジェクトです。 トーラスの表面に、その形状に平行または垂直な円を描くのは非常に簡単です。 トーラスの表面に描画できる円のファミリーが他に XNUMX つあり、どちらも中心と輪郭の周囲の穴を通過していることを発見すると興味深いかもしれません。 これはいわゆる 「バヤルソ・サークル」、2015年にバーニングマンテスラコイルのトロイドを設計したときにこのデザインを使用しました。

そして、衛星の軌道は厳密に言えば円ではなく楕円ですが、同じ設計がスターリンクにも当てはまります。 複数の軌道面上にある 4500 個の衛星がすべて同じ角度に配置され、地表上で連続的に移動する編隊を形成します。 特定の緯度点を超えると北に向かう地層が向きを変えて南に戻ります。 衝突を避けるために、北に移動する層が南に移動する層よりも数キロメートル上 (または下) になるように、軌道はわずかに引き伸ばされます。 以下の非常に誇張された図に示すように、これらの層の両方が一緒になって、吹き飛ばされたトーラスを形成します。

このトーラス内では、隣接する衛星間で通信が行われることを思い出してください。 一般的に言えば、レーザー誘導の接近速度が速すぎるため、異なる層の衛星間には直接的かつ継続的な接続は存在しません。 層間のデータ伝送パスは、トーラスの上または下を通過します。

合計 30 個の衛星が、ISS 軌道のはるか後方にある 000 個の入れ子のトーラスに配置されます。 この図は、誇張した偏心なしに、これらすべてのレイヤーがどのように詰め込まれているかを示しています。

最後に、最適な飛行高度について考える必要があります。 ジレンマがあります。低高度では、より小さなビームサイズでより大きなスループットが得られますか、それとも高高度では、より少ない衛星で地球全体をカバーできるでしょうか? 時間が経つにつれ、SpaceX から FCC への報告書では高度がますます低くなることが語られました。これは、Starship が改良されるにつれて、より大きな星座を迅速に展開できるようになるためです。

高度が低いことには、宇宙ゴミとの衝突リスクや機器の故障による悪影響の軽減など、他の利点もあります。 大気抵抗の増加により、低空にあるスターリンク衛星 (330 km) は姿勢制御を失ってから数週間以内に燃え尽きてしまいます。 実際、300kmという高度は人工衛星がほとんど飛べない高度であり、その高度を維持するには内蔵のクリプトン電気ロケットエンジンと合理化された設計が必要となる。 理論的には、電気ロケットエンジンを搭載したかなり尖った衛星は高度 160 km を安定して維持できるが、容量を増やすためにさらにいくつかのトリックがあるため、SpaceX がそれほど低い位置で衛星を打ち上げる可能性は低い。

基礎物理学の限界

生産が進歩し完全に自動化され、スターシップ船が完全に再利用可能になったとしても、衛星をホストするコストが 35 ドルをはるかに下回る可能性は低いと思われます。また、物理学が衛星にどのような制限を課すかはまだ完全にはわかっていません。 。 上記の分析では、ピーク スループットが 80 Gbps であると仮定しています。 (各ビームが 100 Mbps で送信できる 100 ビームに切り上げた場合)。

最大チャネル容量制限は次のように設定されています。 シャノン・ハートレーの定理 帯域幅統計 (1+SNR) で与えられます。 帯域幅が制限されることが多い 利用可能なスペクトル、SNR は衛星の利用可能なエネルギー、バックグラウンド ノイズ、およびチャネル上の干渉です。 アンテナの欠陥。 もう XNUMX つの注目すべき障害は処理速度です。 最新のザイリンクス Ultrascale+ FPGA には、 GTM シリアル スループットは最大 58 Gb/s。これは、カスタム ASIC を開発しなくてもチャネルの情報容量に現在の制限があることを考慮すると、これは適切です。 それでも 58 Gb/秒です。 最も可能性が高いのは Ka バンドまたは V バンドです。 V (40 ～ 75 GHz) はサイクルが利用しやすいですが、特に湿気の多い地域では大気による吸収が大きくなります。

100本のビームは実用的ですか? この問題には、ビーム幅とフェーズド アレイ素子密度という XNUMX つの側面があります。 ビーム幅は、波長をアンテナ直径で割ったものによって決まります。 デジタル フェーズド アレイ アンテナはまだ特殊な技術ですが、有効な最大寸法は幅によって決まります。 リフローオーブン （約1m）、無線周波数通信を使用すると高価になります。 Ka バンドの波幅は約 1 cm ですが、ビーム幅は 0,01 ラジアン、つまり振幅の 50% のスペクトル幅でなければなりません。 ビーム立体角が 1 ステラジアン (50 mm カメラ レンズのカバー範囲と同様) と仮定すると、この領域では 2500 個の個別ビームで十分です。 線形性は、2500 個のビームにはアレイ内に最低 2500 個のアンテナ素子が必要であることを意味しており、これは原理的には可能ですが、達成するのは困難です。 そして、これはすべて非常に熱くなります！

2500 ものチャネルがあり、それぞれが 58 Gb/s をサポートすると、膨大な量の情報になります。大まかに言えば、145 Tb/s になります。 比較のために、2020 年のすべてのインターネット トラフィック 平均で 640 Tb/秒と予想されます。 衛星インターネットの帯域幅が根本的に低いことを懸念している人にとっては朗報です。 30 年までに 000 個の衛星群が運用可能になった場合、世界のインターネット トラフィックは 2026 Tb/秒に達する可能性があります。 この容量の半分が人口密集地域上で常に約 800 基の衛星によって配信された場合、衛星あたりのピーク スループットは約 500 Gbps になります。これは、元の基本計算より 800 倍高くなります。 金融の流入は潜在的に 10 倍に増加します。

330 キロメートルの軌道にある衛星の場合、0,01 ラジアンのビームは 10 平方キロメートルのエリアをカバーします。 マンハッタンのような特に人口密度の高い地域では、最大 300 万人がこの地域に住んでいます。 全員が同時に Netflix (HD 品質で 000 Mbps) を見始めたらどうなるでしょうか? 合計データ要求は 7 GB/秒になります。これは、FPGA シリアル インターフェイスによって課されている現在の厳しい制限の約 2000 倍です。 この状況から抜け出す方法は 35 つありますが、物理的に可能なのは XNUMX つだけです。

35 つ目は、より多くの衛星を軌道上に投入し、常に 1 機以上の衛星が需要の高いエリア上に留まるようにすることです。 ここでも、許容可能な空のアドレス可能領域と 400 km の平均軌道高度を 0,0002 ステラジアンとすると、グループ化密度は 100 / 平方 km、つまり合計 000 になります - それらが均等に分布している場合地球の表面全体。 SpaceX が選択した軌道により、北緯 20 ～ 40 度以内の人口密集地域のカバー範囲が劇的に拡大し、今や 30 個の衛星の数が魔法のように見えることを思い出してください。

XNUMX 番目のアイデアははるかにクールですが、残念ながら実現できません。 ビーム幅はフェーズド アレイ アンテナの幅によって決まることに注意してください。 このような電波望遠鏡のように、複数の衛星上の複数のアレイが電力を組み合わせてより狭いビームを作成したらどうなるでしょうか。 VLA （非常に大きなアンテナシステム）? この方法には XNUMX つの複雑な問題があります。ビームの位相を安定させるために、衛星間の基底をサブミリメートルの精度で慎重に計算する必要があります。 たとえそれが可能だったとしても、空の衛星群の密度が低いため、結果として得られるビームにはサイドローブが含まれる可能性は低いでしょう。 地上では、ビーム幅は数ミリメートル（携帯電話のアンテナを追跡するのに十分な）まで狭くなりますが、中間の弱いヌリングにより、ビーム幅は何百万にもなるでしょう。 ありがとう 薄くなったアンテナアレイの呪い.

角度の多様性によるチャネル分離 (結局のところ、衛星は空を横切って配置されている) により、物理法則に違反することなくスループットが適切に向上することがわかりました。

アプリケーション

Starlink の顧客プロフィールとは何ですか? デフォルトでは、屋根にピザの箱ほどの大きさのアンテナを備えた数億人のユーザーがいますが、高収入源は他にもあります。

遠隔地や田舎の地域では、地上局はビーム幅を最大化するためのフェーズド アレイ アンテナを必要としないため、IoT アセット トラッカーからハンドヘルド衛星電話、緊急ビーコン、動物追跡用の科学機器に至るまで、より小型の加入者デバイスが可能になります。

密集した都市環境では、Starlink はセルラー ネットワークへのプライマリ バックホールとバックアップ バックホールを提供します。 各セルタワーの頂上には高性能の地上局を設置できますが、増幅とラストマイル伝送には地上の電源を使用します。

最後に、初期展開時の混雑した地域であっても、非常に低い遅延で低軌道衛星へのアプリケーションが可能です。 金融会社自体が、世界各地から重要なデータを少なくとも少しでも早く入手するために、多額の資金を投入しています。 また、Starlink 経由のデータの移動距離は通常よりも長く、宇宙を通過しますが、真空中の光の伝播速度は石英ガラスよりも 50% 速く、これは長距離を送信する場合の違いを補って余りあります。

悪影響

最後のセクションでは、否定的な結果について説明します。 この記事の目的は、このプロジェクトに関する誤解を取り除くことであり、最も懸念されるのは論争による潜在的なマイナスの結果です。 余計な解釈は控えて、情報をお伝えします。 私はまだ透視能力がありませんし、SpaceX の内部関係者もいません。

私の意見では、最も深刻な影響はインターネットへのアクセスの増加によってもたらされます。 私の故郷であるパサデナは、いくつかの天文台、世界クラスの大学、NASA の主要施設がある人口 50 万人以上の活気に満ちたテクノロジーに精通した都市でさえ、インターネット サービスとなると選択肢は限られています。 米国およびその他の世界中で、インターネットは家賃を徴収する公共サービスとなっており、ISP は居心地の良い競争のない環境で月に XNUMX 万ドルを稼ごうとしているだけです。 おそらく、アパートや住宅に提供されるサービスはすべて共同サービスですが、インターネット サービスの品質は水道、電気、ガスほどではありません。

現状の問題は、水道、電気、ガスとは異なり、インターネットがまだ誕生したばかりで、急速に成長していることです。 私たちは常に新しい用途を発見しています。 最も革新的なものはまだ発見されていませんが、パッケージプランは競争と革新の可能性を抑圧します。 何十億人もの人々が取り残される 第三次産業革命 生まれた環境や、国が海底ケーブルのルートから遠すぎるためです。 インターネットは今でも静止衛星によって地球上の広い地域に法外な料金で配信されています。

空からインターネットを継続的に配信するスターリンクは、このモデルに違反しています。 何十億もの人々をインターネットに接続するこれより良い方法を私はまだ知りません。 SpaceX は、インターネット サービス プロバイダー、そして潜在的には Google や Facebook に匹敵するインターネット企業になることを目指しています。 きっと考えたこともないと思います。

衛星インターネットが最良の選択肢であるかどうかは明らかではありません。 SpaceX、そしてSpaceXだけが、宇宙船の打ち上げにおける政府と軍の独占を打ち破るのにXNUMX年を費やしたため、大規模な衛星群を迅速に構築できる立場にある。 たとえイリジウムが市場で携帯電話のXNUMX倍を上回ったとしても、従来の発射台を使用して広く普及するには至らないだろう。 SpaceX とその独自のビジネス モデルがなければ、世界的な衛星インターネットは決して実現しなかった可能性が十分にあります。

60番目の大きな打撃は天文学です。 最初の XNUMX 基のスターリンク衛星が打ち上げられた後、国際天文学界からは、衛星の数が何倍にも増えれば夜空へのアクセスが妨げられるとの批判の波がありました。 天文学者の間では、最も大きな望遠鏡を持っている人が最もクールである、という格言があります。 誇張ではなく、現代において天文学を行うことは気の遠くなるような仕事であり、増大する光害やその他の騒音源を背景に分析の質を向上させるための絶え間ない闘いを思い出させます。

天文学者にとって、望遠鏡の焦点の中で点滅する何千もの明るい衛星は絶対に避けたいものです。 実際、最初のイリジウム星座は、地球の狭い領域に太陽光を反射する大きなパネルが原因で「フレア」を発生させることで悪名を得ました。 たまたまそれらは月のXNUMX分のXNUMXの明るさに達し、時には高感度の天文センサーを誤って損傷することさえありました。 スターリンクが電波天文学で使用される電波帯域に侵入するのではないかという懸念も根拠がないわけではない。

衛星追跡アプリをダウンロードすると、晴れた夜に何十もの衛星が空を飛んでいるのを見ることができます。 衛星は日没後と夜明け前に見えますが、それは太陽光に照らされている場合に限られます。 夜遅くになると、衛星は地球の影で見えなくなります。 小さく、非常に遠くにあり、非常に速く動きます。 XNUMXミリ秒未満の間、遠くの星を隠す可能性がありますが、これを検出するだけでも痔になると思います。

空の照明についての強い懸念は、最初の打ち上げの衛星の層が地球のターミネーターの近くに構築されたという事実から生じました。 ヨーロッパでは毎晩、それは夏でしたが、夕暮れの空を飛ぶ人工衛星の壮大な映像を眺めていました。 さらに、FCC の報告に基づくシミュレーションでは、1150 km の軌道にある衛星が天文上の夕暮れが過ぎた後でも見えることが示されました。 一般に、黄昏は 6 つの段階を経ます。民間、海上、天文学です。 太陽が地平線からそれぞれ12度、18度、650度下にあるとき。 天文上の薄明の終わりには、太陽の光は天頂の地表から約 XNUMX km 離れたところにあり、大気圏と地球低軌道の大部分をはるかに超えています。 からのデータに基づいて スターリンクのウェブサイト, すべての衛星は高度600km以下に設置されると思います。 この場合、それらは夕暮れ時には見えますが、日没以降は見えなくなり、天文学への潜在的な影響が大幅に軽減されます。

XNUMX番目の問題は、軌道上のデブリです。 で 前の投稿 私は、高度 600 km 未満の衛星やデブリは、大気抵抗により数年以内に軌道から外れ、ケスラー症候群の可能性が大幅に減少すると指摘しました。 スペースXは宇宙ゴミのことなどまったく気にしていないかのように汚物をいじっている。 ここで私は Starlink 実装の詳細を見ていますが、軌道上のデブリの量を減らすためのより良い方法を想像するのに苦労しています。

衛星は高度 350 km まで打ち上げられ、内蔵エンジンを使用して予定の軌道に飛び立ちます。 打ち上げ中に衛星が死亡した場合は、数週間以内に軌道を外れ、今後 XNUMX 年間は他の高みの軌道を周回することはありません。 この配置には、戦略的に無料入場のテストが含まれます。 さらに、スターリンク衛星は断面が平らであるため、高度制御を失うと大気の密な層に突入することになります。

SpaceX がスクイブの代わりに別のタイプのマウントを使用することで宇宙飛行のパイオニアになったことを知っている人はほとんどいません。 ほぼすべての発射場では、ステージ、衛星、フェアリングなどを展開する際にスクイブを使用するため、潜在的な破片の量が増加します。 SpaceXはまた、上段を意図的に軌道から外し、過酷な宇宙環境で劣化したり崩壊したりしないように、上段が宇宙に永遠にぶら下がってしまうのを防いでいる。

最後に、私が言及したい最後の問題は、SpaceX が独自のインターネット独占を創設することで、既存のインターネット独占に取って代わる可能性についてです。 スペースXはそのニッチ分野ですでに打ち上げを独占している。 宇宙への確実なアクセスを獲得したいというライバル政府の願望だけが、独占的な大手防衛請負業者によって組み立てられることが多い高価で時代遅れのミサイルの廃棄を妨げている。

スペースXが2030年に年間6000機の人工衛星に加え、昔のことを考えて数機の偵察衛星を打ち上げることは想像に難くない。 安価で信頼性の高い衛星 SpaceX は、サードパーティ製デバイス用の「ラック スペース」を販売します。 宇宙で使用可能なカメラを作成できる大学は、宇宙プラットフォーム全体を構築するコストを負担することなく、それを軌道に打ち上げることができます。 このように高度かつ無制限に宇宙にアクセスできるため、スターリンクはすでに衛星と結びついていますが、歴史的なメーカーは過去のものになりつつあります。

歴史には、フーバー、ウェスチングハウス、クリネックス、グーグル、フリスビー、ゼロックス、コダック、モトローラ、IBMなど、市場の巨大なニッチを占め、その名前がよく知られるようになった先進的な企業の例が含まれています。

パイオニア企業が市場シェアを維持するために反競争的行為に従事した場合に問題が発生する可能性がありますが、レーガン大統領以来、これはしばしば許可されてきました。 スペースXはスターリンクの独占を維持し、他の衛星群開発者に旧ソ連のロケットで衛星を打ち上げるよう強制する可能性がある。 同様の措置を講じた ユナイテッド航空輸送会社郵便輸送の価格固定と相まって、1934 年に崩壊しました。 幸いなことに、スペースXが再利用可能なロケットの絶対的な独占を永久に維持する可能性は低い。

さらに懸念されるのは、SpaceXによる数万基の低軌道衛星の配備が、共有地の共同利用として設計される可能性があることだ。 個人的な利益を追求する民間企業が、かつては公的にアクセス可能で空いていた軌道上の位置の永久所有権を取得しようとしています。 そして、SpaceX のイノベーションにより、実際に何もないところでお金を稼ぐことが可能になりましたが、SpaceX の知的資本の多くは数十億ドルの研究予算で構築されました。

一方で、民間投資、研究開発資金を保護する法律が必要です。 この保護がなければ、イノベーターは野心的なプロジェクトに資金を提供できなかったり、そのような保護が提供される場所に会社を移転したりするでしょう。 いずれにしても利益が上がらないので国民が苦しむことになります。 その一方で、空を含む共有地の名目上の所有者である人々を、公共財を併合して賃料を求める私的団体から守る法律が必要です。 それ自体では、どちらも真実ではないし、可能性さえありません。 SpaceX の開発は、この新しい市場で妥協点を見つけるチャンスを提供します。 イノベーションの頻度を最大化し、社会福祉を創出すると、それが発見されたことがわかります。

最終的な考え

別の記事を書き終えた直後にこの記事を書きました - スターシップについて。 暑い一週間でした。 Starship と Starlink は両方とも、私たちの目の前で、私たちが生きている間に生み出されている革新的なテクノロジーです。 私が孫の成長を見ていると、私が子供の頃には携帯電話（博物館の展示物）や公共のインターネット自体がなかったという事実よりも、私がスターリンクよりも年上であることに驚かれるでしょう。

富裕層と軍人は長い間衛星インターネットを使用してきましたが、Starship なしで遍在的で一般的で安価な Starlink を使用することはまったく不可能です。

彼らは長い間ローンチについて話し合ってきましたが、非常に安価で興味深いプラットフォームであるStarshipは、Starlinkなしでは不可能です。

有人宇宙探査については長い間議論されてきましたが、もしあなたが… ジェット戦闘機パイロットおよび脳神経外科医、それなら青信号です。 スターシップとスターリンクを使用すると、軌道上の前哨基地から深宇宙の工業都市まで、目と鼻の先にある人類宇宙探査が実現可能な近未来になります。

出所： habr.com