Denne artikkelen er en del av en serie dedikert til .
— SpaceXs plan om å distribuere Internett gjennom titusenvis av satellitter er hovedtemaet i den romrelaterte pressen. Artikler om de siste prestasjonene publiseres ukentlig. Hvis generelt ordningen er klar, og etter lesing , en godt motivert person (si, med vennlig hilsen) kan grave opp mange detaljer. Imidlertid er det fortsatt mange misoppfatninger knyttet til denne nye teknologien, selv blant opplyste observatører. Det er ikke uvanlig å se artikler som sammenligner Starlink med OneWeb og Kuiper (blant andre) som om de konkurrerer på like vilkår. Andre forfattere, som tydeligvis er opptatt av planetens beste, roper ut om romrester, romlov, standarder og astronomis sikkerhet. Jeg håper at etter å ha lest denne ganske lange artikkelen, vil leseren bedre forstå og bli inspirert av ideen om Starlink.
berørte uventet en følsom akkord i sjelen til mine få lesere. I den forklarte jeg hvordan Starship ville sette SpaceX i forkant i lang tid, samtidig som det ville være et kjøretøy for ny romutforskning. Implikasjonen er at den tradisjonelle satellittindustrien ikke er i stand til å holde tritt med SpaceX, som stadig har økt kapasiteten og redusert kostnadene på sin Falcon-familie av raketter, noe som har satt SpaceX i en vanskelig posisjon. På den ene siden dannet det et marked verdt i beste fall flere milliarder i året. På den annen side drev hun en umettelig appetitt på penger - for byggingen av en enorm rakett, som det imidlertid nesten ikke er noen å sende til Mars på, og det er ingen umiddelbar fortjeneste å forvente.
Løsningen på dette sammenkoblingsproblemet er Starlink. Ved å sette sammen og skyte opp sine egne satellitter, kan SpaceX skape og definere et nytt marked for svært effektiv og demokratisk tilgang til kommunikasjon på tvers av verdensrommet, generere midler til å bygge en rakett før den senker selskapet, og øke dens økonomiske verdi til billioner. Ikke undervurder omfanget av Elons ambisjoner. Det er bare så mange billioner-dollarindustrier: energi, høyhastighetstransport, kommunikasjon, IT, helsevesen, landbruk, myndigheter, forsvar. Til tross for vanlige misoppfatninger, , и – Virksomheten er ikke levedyktig. Elon har gått inn i energirommet med Teslaen sin, men kun telekommunikasjon vil gi et pålitelig og romslig marked for satellitter og rakettoppskytinger.
Elon Musk vendte først oppmerksomheten mot verdensrommet da han ønsket å investere 80 millioner dollar gratis i et oppdrag for å dyrke planter på en Mars-sonde. Å bygge en by på Mars vil sannsynligvis koste 100 000 ganger mer, så Starlink er Musks viktigste innsats for å gi en flom av sårt tiltrengte sponsorpenger .
For hva?
Jeg har planlagt denne artikkelen lenge, men først forrige uke fikk jeg et fullstendig bilde. Så ga SpaceX-president Gwynne Shotwell Rob Baron et fantastisk intervju, som han senere dekket for CNBC i et flott Michael Sheetz, og som var dedikert til . Dette intervjuet viste en enorm forskjell i tilnærmingene til satellittkommunikasjon mellom SpaceX og alle andre.
Konseptet ble født i 2012, da SpaceX innså at kundene deres – hovedsakelig satellittleverandører – hadde enorme reserver av penger. Lanseringsnettsteder øker prisene for å distribuere satellitter og går på en eller annen måte glipp av ett trinn i arbeidet – hvordan kan det være? Elon drømte om å lage en satellittkonstellasjon for Internett, og fordi han ikke var i stand til å motstå den nesten umulige oppgaven, stoppet han prosessen. Starlink utvikling , men mot slutten av denne artikkelen vil du, min leser, sannsynligvis bli overrasket over hvor små disse vanskelighetene faktisk er - gitt omfanget av ideen.
Er en så stor gruppering nødvendig for Internett i det hele tatt? Og hvorfor nå?
Bare i mitt minne har Internett blitt fra ren akademisk velvære til den første og eneste revolusjonerende infrastrukturen. Dette er ikke et emne som fortjener en fullstendig artikkel, men jeg vil tippe at globalt sett vil behovet for Internett og inntekten det genererer fortsette å vokse med rundt 25 % per år.
I dag får nesten alle av oss internett fra et lite antall geografisk isolerte monopoler. I USA har AT&T, Time Warner, Comcast og en håndfull mindre aktører delt opp territorium for å unngå konkurranse, belaste tre skins for tjenester og sole seg i strålene av nesten universelt hat.
Det er en god grunn for tilbydere å være lite konkurransedyktige – utover altoppslukende grådighet. Å bygge infrastrukturen for Internett – mikrobølgecelletårn og fiberoptikk – er veldig, veldig dyrt. Det er lett å glemme den fantastiske naturen til Internett. Min bestemor gikk først på jobb i andre verdenskrig som kommunikasjonsoperatør, men telegrafen konkurrerte deretter om den ledende strategiske rollen med brevduer! For de fleste av oss er informasjonsmotorveien noe flyktig, immateriell, men bitene reiser gjennom den fysiske verdenen, som har grenser, elver, fjell, hav, stormer, naturkatastrofer og andre hindringer. Tilbake i 1996, da den første fiberoptiske linjen ble lagt langs havbunnen, . I sin karakteristiske skarpe stil beskriver han på en levende måte kostnadene og kompleksiteten ved å legge disse linjene, som de fordømte «kotegs» fortsatt suser langs. I det meste av 2000-tallet ble så mange kabler trukket at kostnadene ved utplassering var svimlende.
En gang jobbet jeg i et optisk laboratorium, og (hvis minnet fungerer) slo vi rekorden for den tiden, og leverte en multipleks overføringshastighet på 500 Gb/sek. Elektroniske begrensninger tillot hver fiber å bli lastet til 0,1% av dens teoretiske kapasitet. Femten år senere er vi klare til å overskride terskelen: Hvis dataoverføringen går utover den, vil fiberen smelte, og vi er allerede veldig nær dette.
Men vi må heve strømmen av data over den syndige jorden - ut i verdensrommet, der satellitten uhindret sirkler rundt "kulen" 30 000 ganger på fem år. Det virker som en åpenbar løsning - så hvorfor har ingen tatt det på seg før?
Iridium-satellittkonstellasjonen, utviklet og distribuert på begynnelsen av 1990-tallet av Motorola (husker du dem?), ble det første globale kommunikasjonsnettverket med lav bane (som fristende beskrevet i ). Da den ble distribuert, viste nisjeevnen til å rute små pakker med data fra aktivasporere seg å være dens eneste bruk: mobiltelefoner hadde blitt så billige at satellitttelefoner aldri tok av. Iridium hadde 66 satellitter (pluss noen få reservedeler) i 6 baner - minimumssettet for å dekke hele planeten.
Hvis Iridium trengte 66 satellitter, hvorfor trenger SpaceX titusenvis? Hvordan er det så annerledes?
SpaceX gikk inn i denne virksomheten fra motsatt ende - det startet med lanseringer. Ble en pioner innen bevaring av bæreraketter og tok dermed markedet for rimelige utskytningsramper. Å prøve å overby dem med en lavere pris vil ikke gi deg mye penger, så den eneste måten å tjene på deres overflødige makt er å bli deres kunde. SpaceXs kostnader for å skyte opp sine egne satellitter - (per 1 kg) Iridium, og derfor er de i stand til å gå inn i et betydelig bredere marked.
Starlinks verdensomspennende dekning vil gi tilgang til høykvalitets internett hvor som helst i verden. For første gang vil Internett-tilgjengelighet ikke avhenge av et land eller bys nærhet til en fiberoptisk linje, men av klarheten til himmelen over. Brukere over hele verden vil ha tilgang til et uhemmet globalt Internett uavhengig av deres egne varierende grader av ondskap og/eller ondskapsfulle regjeringsmonopoler. Starlinks evne til å bryte disse monopolene vil katalysere positive endringer i en utrolig skala som endelig vil forene milliarder av mennesker i fremtidens globale nettsamfunn.
En kort lyrisk digresjon: hva betyr dette egentlig?
For mennesker som vokser opp i dagens æra med allestedsnærværende tilkobling, er Internett som luften vi puster inn. Han bare er. Men dette - hvis vi glemmer dens utrolige kraft til å bringe positiv endring - og vi er allerede i sentrum av det. Ved hjelp av Internett kan folk holde lederne sine ansvarlige, kommunisere med andre mennesker på den andre siden av verden, dele tanker og finne på noe nytt. Internett forener menneskeheten. Moderniseringens historie er historien om utviklingen av datautvekslingsevner. Først - gjennom taler og episk poesi. Så - skriftlig, som gir en stemme til de døde, og de vender seg til de levende; skriving lar data lagres og gjør asynkron kommunikasjon mulig. Den trykte pressen satte i gang nyhetsproduksjon. Elektronisk kommunikasjon - har akselerert overføringen av data rundt om i verden. Personlige notatenheter har gradvis blitt mer komplekse, og utvikler seg fra bærbare til mobiltelefoner, som hver er en Internett-tilkoblet datamaskin, fylt med sensorer og blir bedre til å forutse våre behov hver dag.
En person som bruker skriving og en datamaskin i prosessen med kognisjon har en bedre sjanse til å overvinne begrensningene til en ufullkommen utviklet hjerne. Det som er enda bedre er at mobiltelefoner både er kraftige lagringsenheter og en mekanisme for å utveksle ideer. Mens folk pleide å stole på tale skrevet i notatbøker for å dele tankene sine, er det i dag normen at notatbøker deler ideer som folk har generert. Den tradisjonelle ordningen har gjennomgått en inversjon. En logisk fortsettelse av prosessen er en viss form for kollektiv metakognisjon, gjennom personlige enheter, og knyttet til hverandre. Og selv om vi fortsatt kan være nostalgiske etter vår tapte forbindelse med naturen og ensomheten, er det viktig å huske at teknologi og teknologi alene er ansvarlig for brorparten av vår frigjøring fra de "naturlige" syklusene av uvitenhet, for tidlig død (som kan være unngås), vold, sult og tannråte.
Hvordan?
La oss snakke om forretningsmodellen og arkitekturen til Starlink-prosjektet.
For at Starlink skal bli en lønnsom bedrift, må tilførselen av midler overstige kostnadene ved bygging og drift. Tradisjonelt innebærer kapitalinvestering høyere forhåndskostnader, sofistikert spesialisert finansiering og forsikringsmekanismer for å skyte opp en satellitt. En geostasjonær kommunikasjonssatellitt kan koste 500 millioner dollar og ta 5 år å sette sammen og lansere. Derfor bygger selskaper på dette feltet samtidig jetskip eller containerskip. Enorme utgifter, tilsig av midler som knapt dekker finansieringskostnadene, og et relativt lite driftsbudsjett. I motsetning til dette var undergangen til det originale Iridium at Motorola tvang operatøren til å betale lammende lisensavgifter, og slo bedriften konkurs innen bare noen få måneder.
For å gjøre denne typen forretninger, måtte tradisjonelle satellittselskaper betjene private kunder og kreve høye datahastigheter. Flyselskaper, avsidesliggende utposter, skip, krigssoner og viktig infrastruktur betaler rundt $5 per MB, som er 1 ganger dyrere enn tradisjonell ADSL, til tross for ventetid og relativt lav satellittgjennomstrømning.
Starlink planlegger å konkurrere med bakkebaserte tjenesteleverandører, noe som betyr at de må levere data billigere og ideelt sett belaste mye mindre enn $1 per 1 MB. Er dette mulig? Eller, siden dette er mulig, bør vi spørre: hvordan er dette mulig?
Den første ingrediensen i en ny rett er en billig lansering. I dag selger Falcon en 24-tonns lansering for rundt 60 millioner dollar, som er 2500 dollar per 1 kg. Det viser seg imidlertid at det er mye mer interne kostnader. Starlink-satellitter vil bli skutt opp på gjenbrukbare utskytningskjøretøyer, så marginalkostnaden for én oppskyting er kostnaden for et nytt andre trinn (omtrent $4 millioner), kåper (1 million) og bakkestøtte (~1 million). Totalt: ca 100 tusen dollar per satellitt, dvs. mer enn 1000 ganger billigere enn å skyte opp en konvensjonell kommunikasjonssatellitt.
De fleste Starlink-satellitter vil imidlertid bli skutt opp på Starship. Faktisk gir utviklingen av Starlink, som oppdaterte rapporter til FCC viser, noe intern arkitektur i prosjektet. Det totale antallet satellitter i stjernebildet vokste fra 1 584 til 2 825, deretter til 7 518 og til slutt til 30 000. Skal man tro brutto akkumulering, er tallet enda høyere. Minste antall satellitter for den første utviklingsfasen for at prosjektet skal være levedyktig er 60 i 6 baner (360 totalt), mens full dekning innenfor 53 grader fra ekvator krever 24 baner med 60 satellitter (1440 totalt). Det er 24 lanseringer for Falcon for kun 150 millioner dollar i interne kostnader. Starship, derimot, er designet for å skyte opp opptil 400 satellitter om gangen, for omtrent samme pris. Starlink-satellitter må skiftes ut hvert 5. år, så 6000 satellitter vil kreve 15 Starship-oppskytinger per år. Det vil koste rundt 100 millioner/år, eller 15 tusen/satellitt. Hver satellitt som sendes ut på Falcon veier 227 kg; satellitter løftet på Starship kunne veie 320 kg og bære tredjepartsinstrumenter, være noe større og fortsatt ikke overstige tillatt belastning.
Hva består kostnaden av satellitter av? Blant deres brødre er Starlink-satellitter noe uvanlige. De monteres, lagres og lanseres flatt og er derfor ekstremt enkle å masseprodusere. Erfaring viser at produksjonskostnaden bør være omtrent lik kostnaden for utskyteren. Hvis forskjellen i pris er stor, betyr det at ressursene fordeles feil, siden den omfattende reduksjonen i marginalkostnadene samtidig som kostnadene reduseres ikke er så stor. Er det virkelig mulig å betale 100 tusen dollar per satellitt for en første gruppe på flere hundre? Med andre ord, er Starlink-satellitten i en enhet ikke mer kompleks enn en maskin?
For å svare fullt ut på dette spørsmålet, må vi forstå hvorfor kostnadene for en kommunikasjonssatellitt i bane er 1000 ganger høyere, selv om den ikke er 1000 ganger mer kompleks. For å si det ganske enkelt, hvorfor er plassmaskinvare så dyrt? Det er mange grunner til dette, men den mest overbevisende i dette tilfellet er denne: Hvis det koster mer enn 100 millioner å skyte opp en satellitt i bane (før Falcon) må det garanteres å fungere i mange år for å bringe minst noen profitt. Å sikre en slik pålitelighet i driften av det første og eneste produktet er en smertefull prosess og kan trekke ut i årevis, og kreve innsats fra hundrevis av mennesker. Legg til kostnadene, og det er enkelt å rettferdiggjøre tilleggsprosessene når det allerede er dyrt å lansere.
Starlink bryter dette paradigmet ved å bygge hundrevis av satellitter, raskt korrigere tidlige designfeil og bruke masseproduksjonsteknikker for å kontrollere kostnadene. Jeg personlig kan lett forestille meg et Starlink samlebånd der en tekniker integrerer noe nytt i designet og holder alt sammen med et plastbånd (naturligvis NASA-nivå) på en time eller to, og opprettholder det nødvendige erstatningsnivået på 16 satellitter/dag. Starlink-satellitten består av mange intrikate deler, men jeg ser ingen grunn til at kostnaden for den tusende enheten som kommer fra samlebåndet ikke kan senkes til 20 XNUMX. Faktisk skrev Elon i mai på Twitter at kostnadene ved å produsere en satellitt er allerede lavere enn kostnadene ved lansering.
La oss ta gjennomsnittet og analysere tilbakebetalingstiden, runde tallene. En Starlink-satellitt, som koster 100 tusen å sette sammen og lansere, varer i 5 år. Vil det betale seg selv, og i så fall hvor raskt?
Om 5 år vil Starlink-satellitten sirkle jorden 30 000 ganger. På hver av disse halvannen time lange banene vil den tilbringe mesteparten av tiden over havet og kanskje 100 sekunder over en tett befolket by. I løpet av dette korte vinduet kringkaster han dataene og skynder seg å tjene penger. Forutsatt at antennen støtter 100 stråler og hver stråle sender 100 Mbps ved bruk av moderne kodingstype , da genererer satellitten $1000 i fortjeneste per bane—med en abonnementspris på $1 per 1 GB. Dette er nok til å få tilbake distribusjonskostnaden på 100 tusen på en uke og forenkler kapitalstrukturen betydelig. De resterende 29 svingene er fortjeneste minus faste kostnader.
Anslåtte tall kan variere mye, i begge retninger. Men i alle fall, hvis du er i stand til å skyte opp en høykvalitets konstellasjon av satellitter i lav bane for 100 000 – eller til og med for 1 million per enhet – er dette en seriøs forespørsel. Selv med sin latterlig korte brukstid, er Starlink-satellitten i stand til å levere 30 PB med data over hele levetiden - til en amortisert kostnad på $0,003 per GB. Samtidig, ved overføring over lengre avstander, øker praktisk talt ikke marginalkostnadene.
For å forstå betydningen av denne modellen, la oss raskt sammenligne den med to andre modeller for å levere data til forbrukere: en tradisjonell fiberoptisk kabel, og en satellittkonstellasjon som tilbys av et selskap som ikke spesialiserer seg på oppskyting av satellitter.
, som forbinder Frankrike og Singapore, ble satt i drift i 2005. Båndbredde - 1,28 Tb/s, distribusjonskostnad - 500 millioner dollar. Hvis den opererer med 10 % kapasitet i 100 år, og overheadkostnadene utgjør 100 % av kapitalkostnadene, vil overføringsprisen være $0,02 per 1 GB. Transatlantiske kabler er kortere og litt billigere, men sjøkabelen er bare én enhet i en lang kjede av mennesker som vil ha penger til data. Gjennomsnittsestimatet for Starlink viser seg å være 8 ganger billigere, og samtidig er de alt inkludert.
Hvordan er dette mulig? Starlink-satellitten inkluderer all den sofistikerte elektroniske svitsjemaskinvaren som trengs for å koble til fiberoptiske kabler, men bruker et vakuum i stedet for kostbar, skjør ledning for å overføre data. Overføring gjennom rommet reduserer antallet koselige og døende monopoler, slik at brukerne kan kommunisere gjennom enda mindre maskinvare.
La oss sammenligne med den konkurrerende satellittutvikleren OneWeb. OneWeb planlegger å lage en konstellasjon med 600 satellitter, som den vil skyte opp gjennom kommersielle leverandører til en pris på omtrent $20 000 per 1 kg. Vekten av en satellitt er 150 kg, dvs. i en ideell situasjon vil utskytingen av en enhet være omtrent 3 millioner. Kostnaden for satellittmaskinvare er estimert til 1 million per satellitt, dvs. innen 2027 vil kostnaden for hele konsernet være 2,6 mrd. Tester utført av OneWeb viste en gjennomstrømning på 50 Mb/sek. på toppen, ideelt sett, for hver av de 16 strålene. Etter det samme mønsteret som vi brukte til å beregne kostnadene for Starlink, får vi: hver OneWeb-satellitt genererer 80 dollar per bane, og vil på bare 5 år bringe inn 2,4 millioner dollar - knapt dekker oppskytningskostnadene, hvis du også regner med dataoverføring til fjerntliggende områder . Totalt får vi $1,70 per 1 GB.
Gwynne Shotwell ble nylig sitert for å si det , som innebærer en konkurransedyktig pris på $0,10 per 1 GB. Og dette er fortsatt med den opprinnelige konfigurasjonen til Starlink: med mindre optimalisert produksjon, lansering på Falcon og begrensninger i dataoverføring - og kun med dekning av det nordlige USA. Det viser seg at SpaceX har en ubestridelig fordel: i dag kan de skyte opp en mye mer passende satellitt til en pris (per enhet) 15 ganger lavere enn konkurrentene. Starship vil øke ledelsen med 100 ganger, om ikke mer, så det er ikke vanskelig å forestille seg at SpaceX skal lansere 2027 30 satellitter innen 000 for mindre enn 1 milliard dollar, hvorav de fleste vil gi fra sin egen lommebok.
Jeg er sikker på at det er mer optimistiske analyser angående OneWeb og andre kommende satellittkonstellasjonsutviklere, men jeg vet ennå ikke hvordan ting fungerer for dem.
Nylig Morgan Stanley at Starlink-satellitter vil koste 1 million for montering og 830 tusen for oppskyting. . Interessant nok er tallene lik våre estimater for OneWebs kostnader, og er omtrent 10 ganger høyere enn det opprinnelige Starlink-estimatet. Bruk av Starship og kommersiell satellittproduksjon kan redusere kostnadene for satellittdistribusjon til omtrent 35K/enhet. Og dette er et forbløffende lavt tall.
Det siste punktet som gjenstår er å sammenligne fortjenesten per 1 watt solenergi generert for Starlink. I følge bildene på nettsiden deres har solpanelet til hver satellitt et areal på omtrent 60 kvadratmeter, dvs. genererer i gjennomsnitt ca. 3 kW eller 4,5 kWh per omdreining. Som et grovt estimat vil hver bane generere $1000 og hver satellitt vil generere omtrent $220 per kWh. Dette er 10 000 ganger grossistkostnaden for solenergi, noe som nok en gang bekrefter: . Og modulering av mikrobølger for dataoverføring er en ublu ekstra kostnad.
arkitektur
I forrige avsnitt introduserte jeg ganske grovt en ikke-trivielt betydelig del av Starlink-arkitekturen - hvordan den fungerer med den ekstremt ujevne befolkningstettheten på planeten. Starlink-satellitten sender ut fokuserte stråler som skaper flekker på planetens overflate. Abonnenter innenfor en spot deler én båndbredde. Størrelsen på stedet bestemmes av grunnleggende fysikk: i utgangspunktet er bredden (satellitthøyde x mikrobølgelengde / antennediameter), som for en Starlink-satellitt i beste fall er et par kilometer.
I de fleste byer er befolkningstettheten omtrent 1000 mennesker/kvadratkilometer, selv om den enkelte steder er høyere. I noen områder av Tokyo eller Manhattan kan det være mer enn 100 000 mennesker per sted. Heldigvis har enhver så tett befolket by et konkurransedyktig hjemmemarked for bredbåndsinternett, for ikke å nevne et høyt utviklet mobiltelefonnettverk. Men uansett, hvis det på et gitt tidspunkt er mange satellitter av samme konstellasjon over byen, kan gjennomstrømningen økes med romlig mangfold av antenner, så vel som ved frekvensfordeling. Med andre ord kan dusinvis av satellitter fokusere den kraftigste strålen på ett punkt, og brukere i den regionen vil bruke bakketerminaler som fordeler forespørselen blant satellittene.
Hvis i de innledende stadiene det mest egnede markedet for salg av tjenester er fjerntliggende områder, landlige eller forstadsområder, vil midler til videre lanseringer komme fra bedre tjenester til tettbefolkede byer. Scenariet er det stikk motsatte av standard markedsekspansjonsmønster, der konkurrerende tjenester rettet mot byer uunngåelig lider av fallende fortjeneste når de forsøker å ekspandere til fattigere og mindre befolkede områder.
For flere år siden, da jeg gjorde beregningene, .
Jeg tok dataene fra dette bildet og laget de 3 grafene nedenfor. Den første viser frekvensen av jordens areal etter befolkningstetthet. Det mest interessante er at det meste av jorden ikke er bebodd i det hele tatt, mens praktisk talt ingen region har mer enn 100 mennesker per kvadratkilometer.
Den andre grafen viser frekvensen av mennesker etter befolkningstetthet. Og selv om det meste av planeten er ubebodd, bor hovedtyngden av mennesker i områder der det er 100–1000 mennesker per kvadratkilometer. Den utvidede naturen til denne toppen (en størrelsesorden større) gjenspeiler bimodalitet i urbaniseringsmønstre. 100 personer/km1000. er et relativt tynt befolket landområde, mens tallet på 10 personer/kvm. allerede karakteristisk for forstedene. Bysentre viser lett 000 25 mennesker/km², men befolkningen på Manhattan er 000 XNUMX mennesker/km².
Den tredje grafen viser befolkningstetthet etter breddegrad. Man kan se at nesten alle mennesker er konsentrert mellom 20 og 40 grader nordlig bredde. Dette er i det store og hele det som skjedde geografisk og historisk, siden en stor del av den sørlige halvkule er okkupert av havet. Og likevel er en slik befolkningstetthet en skremmende utfordring for gruppens arkitekter, fordi... Satellitter tilbringer like mye tid på begge halvkuler. Dessuten vil en satellitt som går i bane rundt jorden i en vinkel på for eksempel 50 grader bruke mer tid nærmere de angitte breddegradsgrensene. Dette er grunnen til at Starlink bare krever 6 baner for å betjene det nordlige USA, sammenlignet med 24 for å dekke ekvator.
Faktisk, hvis du kombinerer befolkningstetthetsgrafen med satellittkonstellasjonstetthetsgrafen, blir valget av baner åpenbart. Hvert søylediagram representerer en av SpaceXs fire FCC-innleveringer. Personlig ser det ut til at hver ny rapport er som et tillegg til den forrige, men uansett er det ikke vanskelig å se hvordan flere satellitter øker kapasiteten over de tilsvarende regionene på den nordlige halvkule. Derimot gjenstår betydelig ubrukt kapasitet over den sørlige halvkule - fryd deg, Australia!
Hva skjer med brukerdata når de når satellitten? I den originale versjonen sendte Starlink-satellitten dem umiddelbart tilbake til en dedikert bakkestasjon nær tjenesteområder. Denne konfigurasjonen kalles "direkte relé". I fremtiden vil Starlink-satellitter kunne kommunisere med hverandre via laser. Datautveksling vil toppe over tettbefolkede byer, men dataene kan distribueres over et nettverk av lasere i to dimensjoner. I praksis betyr dette at det er en enorm mulighet for et skjult kommunikasjonsbackhaul-nettverk i et nettverk av satellitter, noe som betyr at brukerdata kan "retransmitteres til jorden" på et hvilket som helst passende sted. I praksis ser det ut til at SpaceX bakkestasjoner vil bli kombinert med utenfor byer.
Det viser seg at satellitt-til-satellitt-kommunikasjon ikke er en triviell oppgave med mindre satellittene beveger seg sammen. De siste rapportene til FCC rapporterer 11 distinkte orbitale konstellasjoner av satellitter. Innen en gitt gruppe beveger satellitter seg i samme høyde, i samme vinkel og med lik eksentrisitet, noe som betyr at lasere kan finne satellitter i umiddelbar nærhet med relativ letthet. Men lukkehastigheter mellom grupper måles i km/sek, så kommunikasjon mellom grupper må om mulig utføres gjennom korte, raskt kontrollerbare mikrobølgekoblinger.
Orbitalgruppetopologi er som bølge-partikkelteorien om lys og gjelder ikke spesielt for vårt eksempel, men jeg synes det er vakkert, så jeg tok det med i artikkelen. Hvis du ikke er interessert i denne delen, hopp rett til "Grenser for grunnleggende fysikk."
En torus – eller smultring – er et matematisk objekt definert av to radier. Det er ganske enkelt å tegne sirkler på overflaten av en torus: parallelt eller vinkelrett på formen. Du kan finne det interessant å oppdage at det er to andre familier av sirkler som kan tegnes på overflaten av en torus, som begge går gjennom et hull i midten og rundt omrisset. Dette er den såkalte , og jeg brukte dette designet da jeg designet toroid for Burning Man Tesla-spolen i 2015.
Og mens satellittbaner strengt tatt er ellipser i stedet for sirkler, gjelder det samme designet for Starlink. En konstellasjon av 4500 satellitter på flere baneplan, alle i samme vinkel, danner en kontinuerlig bevegelse over jordens overflate. Formasjonen rettet mot nord over et gitt breddegrad snur rundt og beveger seg tilbake mot sør. For å unngå kollisjoner vil banene være litt langstrakte, slik at det nordgående laget vil være flere kilometer over (eller under) det sørgående laget. Sammen danner begge disse lagene en utblåst torus, som vist nedenfor i det sterkt overdrevne diagrammet.
La meg minne deg på at innenfor denne torusen utføres kommunikasjon mellom nabosatellitter. Generelt sett er det ingen direkte og kontinuerlige forbindelser mellom satellitter i forskjellige lag, siden lukkehastighetene for laserveiledning er for høye. Dataoverføringsbanen mellom lagene går på sin side over eller under torusen.
Totalt 30 000 satellitter vil bli plassert i 11 nestede tori, langt bak ISS-bane! Dette diagrammet viser hvordan alle disse lagene er pakket, uten overdreven eksentrisitet.
Til slutt bør du tenke på den optimale flyhøyden. Det er et dilemma: lav høyde, som gir større gjennomstrømning med mindre strålestørrelser, eller høy høyde, som lar deg dekke hele planeten med færre satellitter? Over tid snakket rapporter til FCC fra SpaceX om stadig lavere høyder, fordi, ettersom Starship forbedres, gjør det det mulig å raskt distribuere større konstellasjoner.
Den lave høyden har andre fordeler, inkludert redusert risiko for kollisjon med romavfall eller negative konsekvenser av utstyrssvikt. På grunn av økt atmosfærisk luftmotstand vil lavereliggende Starlink-satellitter (330 km) brenne opp i løpet av uker etter å ha mistet holdningskontrollen. Faktisk er 300 km en høyde der satellitter nesten ikke flyr, og å opprettholde høyden vil kreve en innebygd Krypton elektrisk rakettmotor, samt et strømlinjeformet design. Teoretisk sett kan en ganske spiss satellitt drevet av en elektrisk rakettmotor stabilt holde en høyde på 160 km, men SpaceX vil neppe skyte opp satellitter så lavt, fordi det er noen flere triks i ermet for å øke kapasiteten.
Begrensninger for grunnleggende fysikk
Det virker usannsynlig at kostnadene for å være vert for en satellitt noen gang vil falle mye under 35 tusen, selv om produksjonen er avansert og helautomatisert, og Starship-skipene er fullstendig gjenbrukbare, og det er ennå ikke helt kjent hvilke begrensninger fysikk vil pålegge satellitten. . Analysen ovenfor antar en toppgjennomstrømning på 80 Gbps. (hvis du runder opp til 100 stråler, som hver er i stand til å overføre 100 Mbps).
Maksimal kanalkapasitetsgrense er satt til og er gitt i båndbreddestatistikken (1+SNR). Båndbredden er ofte begrenset , mens SNR er den tilgjengelige energien til satellitten, bakgrunnsstøy og interferens på kanalen pga . En annen bemerkelsesverdig hindring er prosesseringshastighet. De nyeste Xilinx Ultrascale+ FPGAene har , som er bra gitt de nåværende begrensningene i kanalens informasjonskapasitet uten å utvikle tilpassede ASICer. Men selv da 58 Gb/sek. vil kreve en imponerende frekvensfordeling, mest sannsynlig i Ka- eller V-båndet. V (40–75 GHz) har mer tilgjengelige sykluser, men er utsatt for større absorpsjon av atmosfæren, spesielt i fuktige områder.
Er 100 stråler praktisk? Det er to aspekter ved dette problemet: strålebredde og faset matriseelementtetthet. Strålebredden bestemmes av bølgelengden delt på antennediameteren. Digital phased array-antenne er fortsatt en spesialisert teknologi, men de maksimale nyttige dimensjonene bestemmes av bredden (ca. 1m), og bruk av radiofrekvenskommunikasjon er dyrere. Bølgebredden i Ka-båndet er ca 1 cm, mens strålebredden skal være 0,01 radian - med en spektrumbredde på 50 % av amplituden. Forutsatt en solid strålevinkel på 1 steradian (lik dekningen til en 50 mm kameralinse), vil 2500 individuelle stråler være tilstrekkelig i dette området. Linearitet innebærer at 2500 stråler vil kreve minimum 2500 antenneelementer i arrayet, noe som i prinsippet er mulig, selv om det er vanskelig å oppnå. Og alt dette blir veldig varmt!
Så mange som 2500 kanaler, som hver støtter 58 Gb/s, er en enorm mengde informasjon – grovt sett så 145 Tb/s. Til sammenligning, all Internett-trafikk i 2020 . Gode nyheter for de som er bekymret for den grunnleggende lave båndbredden til satellitt-internett. Hvis en konstellasjon på 30 000 satellitter blir operativ innen 2026, vil global Internett-trafikk potensielt utgjøre 800 Tb/sek. Hvis halvparten av denne kapasiteten ble levert av ~500 satellitter over tett befolkede områder til enhver tid, ville toppgjennomstrømningen per satellitt være omtrent 800 Gbps, som er 10 ganger høyere enn våre opprinnelige grunnleggende beregninger, dvs. tilstrømningen av finans øker potensielt 10 ganger.
For en satellitt i en bane på 330 kilometer dekker en stråle på 0,01 radianer et område på 10 kvadratkilometer. I spesielt tett befolkede områder som Manhattan bor opptil 300 000 mennesker i dette området. Hva om de alle begynner å se Netflix på en gang (7 Mbps i HD-kvalitet)? Den totale dataforespørselen vil være 2000 GB/sek, som er omtrent 35 ganger den gjeldende strenge grensen pålagt av FPGA-seriegrensesnittet. Det er to veier ut av denne situasjonen, hvorav kun én er fysisk mulig.
Den første er å sette flere satellitter i bane slik at det til enhver tid henger mer enn 35 over områder med høy etterspørsel. Hvis vi igjen tar 1 steradian for et akseptabelt adresserbart område av himmelen og en gjennomsnittlig banehøyde på 400 km, får vi en grupperingstetthet på 0,0002 / kvadratkilometer, eller 100 000 totalt - hvis de er jevnt fordelt over hele klodens overflate. La oss huske at SpaceX sine valgte baner dramatisk øker dekningen over tettbefolkede områder innenfor 20-40 grader nordlig breddegrad, og nå virker antallet på 30 000 satellitter magisk.
Den andre ideen er mye kulere, men dessverre urealiserbar. Husk at strålebredden bestemmes av bredden på den fasede array-antennen. Hva om flere arrays på flere satellitter kombinerte kraft for å skape en smalere stråle - akkurat som radioteleskoper som dette (veldig stort antennesystem)? Denne metoden kommer med en komplikasjon: grunnlaget mellom satellittene må beregnes nøye - med submillimeter nøyaktighet - for å stabilisere fasen til strålen. Og selv om dette var mulig, ville den resulterende strålen neppe inneholde sidelobene, på grunn av den lave tettheten til satellittkonstellasjonen på himmelen. På bakken ville strålebredden bli smalere til noen få millimeter (nok til å spore en mobiltelefonantenne), men det ville være millioner av dem på grunn av svak mellomliggende nulling. Takk skal du ha .
Det viser seg at kanalseparasjon ved vinkeldiversitet – tross alt er satellitter fordelt over himmelen – gir tilstrekkelige forbedringer i gjennomstrømming uten å bryte fysikkens lover.
Søknad
Hva er Starlink-kundeprofilen? Som standard er dette hundrevis av millioner brukere med antenner på størrelse med pizzabokser på taket, men det er andre kilder til høye inntekter.
I avsidesliggende og landlige områder trenger ikke bakkestasjoner fasede array-antenner for å maksimere strålebredden, så mindre abonnentenheter er mulig, fra IoT-aktivasporere til håndholdte satellitttelefoner, nødsignaler eller vitenskapelige instrumenter for sporing av dyr.
I tette urbane miljøer vil Starlink gi primær og backup backhaul til mobilnettverket. Hvert celletårn kan ha en bakkestasjon med høy ytelse på toppen, men bruk bakkebaserte strømforsyninger for forsterkning og siste mils overføring.
Til slutt, selv i overbelastede områder under den første utrullingen, er applikasjoner for lavbanesatellitter med eksepsjonelt lav latenstid mulig. Finansselskaper legger selv mye penger i hendene dine – bare for å få viktige data fra alle verdenshjørner i det minste litt raskere. Og selv om data via Starlink har en lengre reise enn vanlig – gjennom verdensrommet – er hastigheten på lysutbredelsen i vakuum 50 % høyere enn i kvartsglass, og dette veier mer enn opp for forskjellen ved overføring over lengre avstander.
Negative effekter
Den siste delen omhandler negative konsekvenser. Formålet med artikkelen er å rense deg for eventuelle misoppfatninger om prosjektet, og de potensielle negative konsekvensene av kontrovers er de mest bekymringsfulle. Jeg vil gi litt informasjon, og avstå fra unødvendig tolkning. Jeg er fortsatt ikke en klarsynt, og jeg har ingen innsidere fra SpaceX.
Etter min mening kommer de alvorligste konsekvensene av økt tilgang til Internett. Selv i hjembyen min Pasadena, en livlig og teknologikyndig by med over en million mennesker som er hjemsted for flere observatorier, et universitet i verdensklasse og et stort NASA-anlegg, er valgene når det kommer til Internett-tjenester begrenset. Over hele USA og resten av verden har Internett blitt en leiesøkende offentlig tjeneste, med Internett-leverandører som bare prøver å tjene 50 millioner dollar i måneden i et koselig, ikke-konkurranseutsatt miljø. Kanskje er enhver tjeneste som leveres til leiligheter og boligbygg en fellestjeneste, men kvaliteten på Internett-tjenester er mindre lik enn vann, elektrisitet eller gass.
Problemet med status quo er at, i motsetning til vann, elektrisitet eller gass, er Internett fortsatt ungt og vokser raskt. Vi finner stadig nye bruksområder for det. De mest revolusjonerende tingene har ennå ikke blitt oppdaget, men pakkeplaner kveler muligheten for konkurranse og innovasjon. Milliarder av mennesker er etterlatt på grunn av fødselsomstendigheter, eller fordi landet deres er for langt fra sjøkabeltraseen. Internett leveres fortsatt til store deler av planeten av geostasjonære satellitter, til høye priser.
Starlink, som kontinuerlig distribuerer Internett fra himmelen, bryter denne modellen. Jeg vet ennå ikke om noen bedre måte å koble milliarder av mennesker til Internett på. SpaceX er på vei til å bli en Internett-leverandør og, potensielt, et Internett-selskap som konkurrerer med Google og Facebook. Jeg vedder på at du ikke har tenkt på dette.
Det er ikke åpenbart at satellitt Internett er det beste alternativet. SpaceX og bare SpaceX er i posisjon til raskt å skape en omfattende konstellasjon av satellitter, fordi bare det brukte et tiår på å bryte det regjerings-militære monopolet på romfartøysoppskytinger. Selv om Iridium skulle tidoble mobiltelefoner på markedet, ville det fortsatt ikke oppnå utbredt bruk ved bruk av tradisjonelle lanseringsramper. Uten SpaceX og dens unike forretningsmodell er det en god sjanse for at globalt satellitt-internett rett og slett aldri ville skjedd.
Det andre store slaget vil være mot astronomi. Etter oppskytingen av de første 60 Starlink-satellittene kom det en bølge av kritikk fra det internasjonale astronomiske samfunnet, og sa at det mange ganger økte antallet satellitter ville blokkere deres tilgang til nattehimmelen. Det er et ordtak som sier: blant astronomer er den med det største teleskopet den kuleste. Uten å overdrive, er det å drive med astronomi i moderne tid en skremmende oppgave, som minner om en konstant kamp for å forbedre analysens kvalitet på bakgrunn av økende lysforurensning og andre støykilder.
Det siste en astronom trenger er tusenvis av lyssterke satellitter som blinker i fokuset til et teleskop. Faktisk ble den første Iridium-konstellasjonen kjent for å produsere "bluss" på grunn av store paneler som reflekterte sollys på små områder av jorden. Det hendte at de nådde lysstyrken til en fjerdedel av månen og noen ganger til og med ved et uhell skadet sensitive astronomiske sensorer. Frykt for at Starlink skal invadere radioband som brukes i radioastronomi er heller ikke ubegrunnet.
Hvis du laster ned en satellittsporingsapp, kan du se dusinvis av satellitter som flyr på himmelen på en klar kveld. Satellitter er synlige etter solnedgang og før daggry, men bare når de blir opplyst av solens stråler. Senere på natten er satellittene usynlige i jordens skygge. Små, ekstremt fjerne, de beveger seg veldig raskt. Det er en sjanse for at de vil skjule en fjern stjerne i mindre enn et millisekund, men jeg tror selv å oppdage dette vil være en hemoroide.
Sterk bekymring for himmelbelysning oppsto fra det faktum at laget av satellitter fra den første oppskytningen ble bygget nær jordens terminator, dvs. Natt etter natt så Europa – og det var sommer – det episke bildet av satellitter som fløy gjennom himmelen i kveldsskumringen. Videre viste simuleringer basert på FCC-rapporter at satellitter i en bane på 1150 km ville være synlige selv etter at astronomisk skumring hadde passert. Generelt går skumringen gjennom tre stadier: sivil, maritim og astronomisk, dvs. når solen står henholdsvis 6, 12 og 18 grader under horisonten. Ved slutten av astronomisk skumring er solstrålene omtrent 650 km fra overflaten i senit, godt utenfor atmosfæren og det meste av lav jordbane. Basert på data fra , Jeg tror at alle satellitter vil bli plassert i en høyde under 600 km. I dette tilfellet vil de være synlige i skumringen, men ikke etter mørkets frembrudd, noe som i stor grad reduserer den potensielle innvirkningen på astronomi.
Det tredje problemet er rusk i bane. I Jeg påpekte at satellitter og rusk under 600 km vil falle ut av bane innen få år - på grunn av atmosfærisk luftmotstand, noe som i stor grad reduserer muligheten for Kessler syndrom. SpaceX roter rundt med skitten som om de ikke bryr seg om romsøppel i det hele tatt. Her ser jeg på detaljene i Starlink-implementeringen, og jeg har vanskelig for å forestille meg en bedre måte å redusere mengden rusk i bane.
Satellittene skytes opp til en høyde på 350 km, og flyr deretter, ved hjelp av innebygde motorer, ut i sin tiltenkte bane. Enhver satellitt som dør under oppskytingen vil være ute av bane i løpet av noen få uker, og vil ikke gå i bane et annet sted høyere de neste tusen årene. Denne plasseringen innebærer strategisk testing for gratis inngang. Videre er Starlink-satellitter flate i tverrsnitt, noe som betyr at når de mister høydekontroll, kommer de inn i de tette lagene av atmosfæren.
Få mennesker vet at SpaceX ble en pioner innen astronautikk ved å bruke alternative typer montering i stedet for squibs. Nesten alle utskytningssteder bruker squibs ved utplassering av scener, satellitter, fairings, etc., etc., og øker dermed den potensielle mengden rusk. SpaceX fjerner også bevisst de øvre trinnene fra bane, og hindrer dem i å dingle i verdensrommet for alltid, slik at de ikke forringes og går i oppløsning i det tøffe rommiljøet.
Til slutt, det siste problemet jeg vil nevne er sjansen for at SpaceX vil fortrenge det eksisterende internettmonopolet ved å opprette sitt eget. I sin nisje monopoliserer SpaceX allerede lanseringer. Kun rivaliserende regjeringers ønske om å få garantert tilgang til verdensrommet forhindrer at dyre og utdaterte missiler, som ofte settes sammen av store monopolistiske forsvarsentreprenører, blir skrotet.
Det er ikke så vanskelig å forestille seg at SpaceX skal lansere 2030 av sine satellitter årlig i 6000, pluss noen få spionsatellitter for gamle dagers skyld. Billige og pålitelige satellitter SpaceX vil selge "rackplass" for tredjepartsenheter. Ethvert universitet som kan lage et plassbrukbart kamera vil kunne sette det i bane uten å måtte bære kostnadene ved å bygge en hel romplattform. Med så avansert og ubegrenset tilgang til verdensrommet er Starlink allerede assosiert med satellitter, mens historiske produsenter er i ferd med å bli en saga blott.
Historien inneholder eksempler på fremtidsrettede selskaper som okkuperte en så stor nisje i markedet at navnene deres ble kjente navn: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Problemet kan oppstå når et pionerselskap engasjerer seg i konkurransebegrensende praksis for å opprettholde sin markedsandel, selv om dette ofte har vært tillatt siden president Reagan. SpaceX kan opprettholde sitt Starlink-monopol, og tvinge andre utviklere av satellittkonstellasjoner til å skyte opp satellitter på gamle sovjetiske raketter. Lignende tiltak tatt , kombinert med faste priser for posttransport, førte til at den kollapset i 1934. Heldigvis er det usannsynlig at SpaceX vil opprettholde et absolutt monopol på gjenbrukbare raketter for alltid.
Enda mer bekymringsfullt er at SpaceXs utplassering av titusenvis av lavbanesatellitter kan utformes som et samarbeid mellom allmenningene. Et privat selskap, som søker personlig vinning, tar permanent eierskap av en gang offentlig tilgjengelige og ubesatte orbitale stillinger. Og mens SpaceXs innovasjoner gjorde det mulig å faktisk tjene penger i et vakuum, ble mye av SpaceXs intellektuelle kapital bygget med milliarder av dollar i forskningsbudsjetter.
På den ene siden trenger vi lover som skal beskytte private investeringer, forsknings- og utviklingsmidler. Uten denne beskyttelsen vil innovatører ikke være i stand til å finansiere ambisiøse prosjekter eller vil flytte bedriftene sine til steder der slik beskyttelse vil bli gitt dem. I alle fall lider det offentlige fordi det ikke genereres overskudd. På den annen side trenger vi lover som vil beskytte mennesker, de nominelle eierne av allmenningene inkludert himmelen, mot leiesøkende private enheter som annekterer offentlige goder. I seg selv er verken det ene eller det andre sant eller mulig. SpaceXs utvikling gir en sjanse til å finne en mellomting i dette nye markedet. Vi vil forstå at det har blitt funnet når vi maksimerer frekvensen av innovasjon og skaper sosial velferd.
Siste tanker
Jeg skrev denne artikkelen umiddelbart etter å ha fullført en annen - . Det har vært en varm uke. Både Starship og Starlink er revolusjonerende teknologier som blir skapt rett foran øynene våre, i våre liv. Hvis jeg ser barnebarna mine vokse opp, vil de bli mer overrasket over at jeg er eldre enn Starlink, snarere enn det faktum at da jeg var barn, fantes det ingen mobiltelefoner (museumsutstillinger) eller det offentlige Internett i seg selv.
De rike og militæret har brukt satellitt-internett i lang tid, men allestedsnærværende, vanlig og billig Starlink uten Starship er rett og slett umulig.
De har snakket om lanseringen lenge, men Starship, en veldig billig og derfor interessant plattform, er umulig uten Starlink.
Bemannet romutforskning har vært snakket om lenge, og hvis du... , så har du grønt lys. Med Starship og Starlink er utforskning av menneskelig rom en oppnåelig, nær fremtid, bare et steinkast fra en orbital utpost til industrialiserte byer i det store rommet.
Kilde: www.habr.com