Acest articol este dintr-o serie de mai departe .
- Planul SpaceX de a distribui Internetul prin zeci de mii de sateliți este subiectul principal în presa spațială. Articole despre cele mai recente realizări sunt publicate săptămânal. Dacă, în general, schema este clară, dar după citire , o persoană bine motivată (să zicem, cu adevărat) poate dezgropa o mulțime de detalii. Cu toate acestea, există încă multe concepții greșite asociate cu această nouă tehnologie, chiar și în rândul observatorilor iluminați. Nu este neobișnuit să vezi articole care compară Starlink cu OneWeb și Kuiper (printre altele) de parcă ar concura în condiții egale. Alți autori, în mod clar preocupați de binele planetei, strigă despre resturile spațiale, legea spațiului, standardele și siguranța astronomiei. Sper că, după ce a citit acest articol - destul de lung -, cititorul va înțelege și va simți mai bine ideea Starlink.
a atins pe neașteptate o coardă sensibilă în sufletele puținilor mei cititori. În ea, am explicat cum Starship ar pune SpaceX în frunte pentru o lungă perioadă de timp și, în același timp, va oferi un mecanism pentru o nouă explorare a spațiului. Implicația este că industria tradițională a sateliților nu poate ține pasul cu SpaceX, care crește în mod constant capacitatea și reduce costurile pentru familia de rachete Falcon, punând SpaceX într-o poziție dificilă. Pe de o parte, a format o piață în valoare de, în cel mai bun caz, câteva miliarde pe an. Pe de altă parte, a aprins în sine un apetit ireprimabil pentru bani - pentru construcția unei rachete uriașe, pe care, totuși, aproape că nu este nimeni să trimită pe Marte și nu se poate aștepta niciun profit imediat.
Soluția la această problemă dublă este Starlink. Prin asamblarea și lansarea propriilor sateliți, SpaceX ar putea crea și defini o nouă piață pentru un acces extrem de eficient și democrat la comunicațiile spațiale, ar putea asigura finanțarea pentru construirea unei rachete înainte de a îneca compania și să-și ridice valoarea economică la trilioane. Nu subestima amploarea ambițiilor lui Elon. În total, nu sunt atât de multe industrii în care se învârt trilioane de dolari: energie, transport de mare viteză, comunicații, IT, sănătate, agricultură, guvern, apărare. În ciuda concepțiilor greșite comune, , и Afacerea nu este viabilă. Elon a invadat industria energetică cu Tesla, dar numai telecomunicațiile vor oferi o piață fiabilă și încăpătoare pentru sateliți și lansări de rachete.
Pentru prima dată, Elon Musk și-a îndreptat privirea către spațiu când a vrut să doneze 80 de milioane de dolari unei misiuni de cultivare a plantelor pe o sondă marțiană. Probabil că ar costa de 100 de ori mai mult să construiești un oraș pe Marte, așa că Starlink este principalul pariu al lui Musk pentru a-și asigura o mare de bani de sponsorizare atât de necesari. .
Pentru ce?
Plănuiesc acest articol de mult timp, dar abia săptămâna trecută aveam o imagine completă. Apoi, președintele SpaceX, Gwynn Shotwell, i-a oferit lui Rob Baron un interviu grozav, pe care l-a acoperit ulterior pentru CNBC într-un Michael Schitz și căruia i-au dedicat . Acest interviu a arătat o diferență uriașă în abordările comunicațiilor prin satelit între SpaceX și toți ceilalți.
Concept s-a născut în 2012, când SpaceX și-a dat seama că clienții lor - în mare parte furnizori de satelit - aveau rezerve uriașe de bani. Planșele de lansare cresc prețurile pentru desfășurarea sateliților și, făcând asta, cumva, pierzând un pas al muncii - cum se face? Elon a visat să creeze o constelație de sateliți pentru internet și, neputând rezista unei sarcini aproape imposibile, a rotit procesul. Dezvoltare Starlink , dar până la sfârșitul acestui articol, tu, cititorul meu, vei fi probabil surprins cât de mici sunt cu adevărat aceste dificultăți, având în vedere amploarea ideii.
Este cu adevărat necesară o grupare atât de mare pentru Internet? Și de ce acum?
Doar în memoria mea Internetul a evoluat de la răsfăț pur academic la prima și singura infrastructură revoluționară. Acesta nu este un subiect care merită să fie dedicat într-un articol extins, dar voi presupune că la nivel global, nevoia de Internet și veniturile pe care le generează vor continua să crească cu aproximativ 25% pe an.
Astăzi, aproape toți obținem internetul de la un număr mic de monopoluri izolate geografic. În SUA, AT&T, Time Warner, Comcast și o mână de jucători mai mici au împărțit teritoriul pentru a evita competiția, a lupta cu trei skinuri pentru servicii și a se scalda în razele urii aproape universale.
ISP-urile au un motiv întemeiat pentru comportamentul necompetitiv, în afară de lăcomia atotconsumatoare. Construirea infrastructurii pentru internet – turnuri de celule cu microunde și fibră optică – este foarte, foarte costisitoare. Este ușor să uiți de natura minunată a Internetului. Bunica mea a mers mai întâi să lucreze în cel de-al Doilea Război Mondial ca semnalist, iar apoi telegraful a concurat pentru rolul strategic principal cu porumbeii călători! Pentru cei mai mulți dintre noi, autostrada informației este ceva efemer, intangibil, dar fragmente călătoresc prin lumea fizică, care are granițe, râuri, munți, oceane, furtuni, dezastre naturale și alte obstacole. În 1996, când prima linie de fibră optică a fost așezată pe fundul oceanului, . Cu stilul său ascuțit, el descrie în mod viu costul simplu și complexitatea așezării acestor linii, de-a lungul cărora blestematele „kotegas” sunt încă purtate oricum. În cea mai mare parte a anilor 2000, cablul a fost tras atât de mult încât costul implementării a fost uimitor.
Am lucrat la un moment dat într-un laborator de optică și (dacă nu este în memorie) am doborât recordul de atunci prin emiterea unei rate de transmisie multiplex de 500 Gb/s. Limitările electronice au permis ca fiecare fibră să fie încărcată cu 0,1% din lățimea de bandă teoretică. Cincisprezece ani mai târziu, suntem gata să depășim pragul: dacă transferul de date îl depășește, fibra se va topi și suntem deja foarte aproape de asta.
Dar este necesar să se ridice fluxul de date deasupra pământului păcătos - în spațiu, unde satelitul zboară în jurul „mingii” de 30 de ori în cinci ani. O soluție evidentă, s-ar părea, deci de ce nu a luat-o nimeni înainte?
Constelația de sateliți Iridium, dezvoltată și desfășurată la începutul anilor 1990 de Motorola (îi mai amintești?), a devenit prima rețea globală de comunicații pe orbită joasă (așa cum este tentant descris în ). În momentul în care a fost implementat, capacitatea de nișă de a direcționa pachete mici de date de la instrumentele de urmărire a activelor era singura ei utilizare: telefoanele mobile erau atât de ieftine încât telefoanele prin satelit nu intrau niciodată. Iridium avea 66 de sateliți (plus câțiva de rezervă) pe 6 orbite - setul minim pentru a acoperi întreaga planetă.
Dacă 66 de sateliți erau suficienți pentru Iridium, atunci de ce avea nevoie SpaceX de zeci de mii? De ce este ea atât de diferită?
SpaceX a intrat în această afacere de la capătul opus - a început cu lansări. A devenit un pionier în domeniul conservării vehiculelor de lansare și astfel a capturat piața rampelor de lansare ieftine. Încercarea de a le supralicita cu un preț mai mic nu va face mulți bani, așa că singura modalitate de a profita de pe urma capacității lor în exces este să deveniți client. Cheltuielile SpaceX pentru lansarea propriilor sateliți - (pe 1 kg) iridiu și, prin urmare, sunt capabili să intre pe o piață mult mai largă.
Acoperirea la nivel mondial a Starlink vă va oferi acces la internet de înaltă calitate oriunde în lume. Pentru prima dată, disponibilitatea internetului va depinde nu de apropierea unei țări sau oraș de o linie de fibră optică, ci de puritatea cerului de deasupra. Utilizatorii din întreaga lume vor avea acces la un internet global fără cătușe, indiferent de propriile grade diferite de monopoluri guvernamentale rele și/sau necinstite. Capacitatea Starlink de a sparge aceste monopoluri catalizează o schimbare pozitivă de o amploare incredibilă care va uni în sfârșit miliarde de oameni în comunitatea cibernetică globală a viitorului.
O mică digresiune lirică: ce înseamnă asta?
Pentru oamenii care cresc astăzi într-o eră a conectivității omniprezente, internetul este ca aerul pe care îl respirăm. El doar este. Dar asta - dacă uiți de puterea lui incredibilă de a aduce schimbări pozitive - și suntem deja în centrul lor. Cu ajutorul internetului, oamenii își pot cere socoteală liderilor, pot comunica cu alți oameni de cealaltă parte a lumii, pot împărtăși gânduri, inventa ceva nou. Internetul unește omenirea. Istoricul upgrade-urilor este istoria evoluției capabilităților de partajare a datelor. În primul rând, prin discursuri și poezie epică. Apoi - pe o scrisoare care dă glas morților și se întorc către cei vii; scrierea permite stocarea datelor și face posibilă comunicarea asincronă. Presa scrisă a pus în flux producția de știri. Comunicarea electronică – a accelerat transferul de date în întreaga lume. Dispozitivele personale de luat note au devenit treptat mai complexe, evoluând de la notebook-uri la telefoane mobile, fiecare dintre acestea fiind un computer conectat la internet, plin de senzori și în fiecare zi devenind mai buni în a ne prezice nevoile.
O persoană care folosește scrisul și un computer în procesul de cunoaștere are șanse mai mari de a depăși limitările unui creier imperfect dezvoltat. Și mai încurajator, telefoanele mobile sunt atât dispozitive de stocare puternice, cât și un mecanism de schimb de idei. Dacă oamenii de mai devreme, împărtășind gânduri, s-au bazat pe discursul pe care l-au schițat în caiete, astăzi este o normă dacă caietele în sine împărtășesc ideile pe care le-au generat oamenii. Schema tradițională a suferit o inversare. Continuarea logică a procesului este o formă de metacogniție colectivă, prin dispozitive personale, și înrudite între ele. Deși s-ar putea să fim încă nostalgici pentru conexiunea pierdută cu natura și singurătatea, este important să ne amintim că doar tehnologia și tehnologia sunt responsabile pentru partea leului din eliberarea noastră de ciclurile „naturale” ale ignoranței, moartea prematură (care poate fi evitată) , violență, foame și carii.
Cum?
Să vorbim despre modelul de afaceri și arhitectura proiectului Starlink.
Pentru ca Starlink să devină o întreprindere profitabilă, afluxul de fonduri trebuie să depășească costurile de construcție și exploatare. În mod tradițional, investițiile de capital au implicat costuri crescute de pornire, utilizarea unor mecanisme sofisticate de finanțare și asigurare specializate și totul pentru a lansa un satelit. Un satelit de comunicații geostaționar poate costa 500 de milioane de dolari și poate dura cinci ani să fie construit și lansat. Prin urmare, companiile din acest domeniu construiesc simultan nave cu reacție sau containere. Cheltuieli uriașe, un aflux de fonduri care abia acoperă costurile de finanțare și un buget de funcționare relativ mic. În schimb, eșecul originalului Iridium a fost că Motorola a forțat operatorul să plătească o taxă de licență ucigașă, falimentând întreprinderea în doar câteva luni.
Pentru a conduce o astfel de afacere, companiile tradiționale prin satelit au trebuit să deservească clienții privați și să taxeze rate mari de date. Companiile aeriene, avanposturile îndepărtate, navele, zonele de război și site-urile de infrastructură cheie plătesc aproximativ 5 USD per MB, ceea ce reprezintă de 1 de ori costul ADSL-ului tradițional, în ciuda latenței datelor și a lățimii de bandă a satelitului relativ scăzută.
Starlink intenționează să concureze cu furnizorii de servicii terestre, ceea ce înseamnă că va trebui să livreze date mai ieftin și, în mod ideal, va percepe mult mai puțin de 1 USD pe 1 MB. Este posibil? Sau, din moment ce acest lucru este posibil, ar trebui să ne întrebăm: cum este posibil acest lucru?
Primul ingredient al noului fel de mâncare este o lansare ieftină. Astăzi, Falcon vinde o lansare de 24 de tone pentru aproximativ 60 de milioane de dolari, adică 2500 de dolari pe kg. Se dovedește, însă, că există mult mai multe costuri interne. Sateliții Starlink vor fi lansați pe vehicule de lansare reutilizabile, astfel încât costul marginal al unei singure lansări este costul unei noi etape a doua (undeva în jur de 1 milioane de dolari), carenări (4 milion) și suport la sol (~1 milion). Total: aproximativ 1 de mii de dolari pentru un satelit, i.e. de peste 100 de ori mai ieftin decât lansarea unui satelit de comunicații convențional.
Cu toate acestea, majoritatea sateliților Starlink vor fi lansati pe Starship. Într-adevăr, evoluția Starlink, așa cum arată rapoartele actualizate către FCC, oferă câteva arhitectura internă a proiectului. Numărul total de sateliți din constelație a crescut de la 1 la 584, apoi la 2 și, în final, la 825. Conform economiilor brute, cifra este și mai mare. Numărul minim de sateliți pentru prima fază de dezvoltare pentru ca proiectul să fie viabil este de 7 pe 518 orbite (total 30), în timp ce acoperirea completă la 000 de grade de ecuator necesită 60 de orbite a 6 de sateliți (total 360). Adică 53 de lansări pentru Falcon pentru aproximativ 24 de milioane de dolari în cheltuieli interne. Starship, pe de altă parte, este proiectată să lanseze până la 60 de sateliți simultan, pentru aproximativ același preț. Sateliții Starlink trebuie înlocuiți o dată la 1440 ani, astfel încât 24 de sateliți ar necesita 150 lansări de nave stellare pe an. Va costa aproximativ 400 de milioane/an, sau 5 mii/satelit. Fiecare satelit Falcon cântărește 6000 kg; sateliții ridicați pe Starship ar putea cântări 15 kg și să poarte dispozitive terțe, să fie ceva mai mari și să nu depășească încărcătura admisă.
Care este costul sateliților? Printre frați, sateliții Starlink sunt oarecum neobișnuiți. Sunt asamblate, depozitate și lansate plat și, prin urmare, sunt excepțional de ușor de produs în masă. După cum arată experiența, costul de producție ar trebui să fie aproximativ egal cu costul lansatorului. Dacă diferența de preț este mare, înseamnă că resursele nu sunt alocate corect, deoarece reducerea cuprinzătoare a costurilor marginale în același timp cu reducerea costurilor nu este atât de mare. Este într-adevăr 100 de mii de dolari pe satelit cu primul lot de câteva sute? Cu alte cuvinte, un satelit Starlink într-un dispozitiv nu este mai complex decât o mașină?
Pentru a răspunde pe deplin la această întrebare, trebuie să înțelegeți de ce costul unui satelit de comunicații în orbită este de 1000 de ori mai mare, chiar dacă nu este de 1000 de ori mai complicat. Pentru a spune simplu, de ce hardware-ul spațial este atât de scump? Există multe motive pentru acest lucru, dar cel mai convingător în acest caz este acesta: dacă lansarea unui satelit pe orbită (înainte de Falcon) costă mai mult de 100 de milioane, trebuie garantat că va funcționa mulți ani - pentru a aduce cel puțin câteva profit. A asigura o astfel de fiabilitate în funcționarea primului și singurului produs este un proces dureros și poate dura ani de zile, necesitând eforturile a sute de oameni. Adăugați la asta costul și este ușor să justificați procesele suplimentare atunci când lansarea este deja costisitoare.
Starlink rupe această paradigmă prin construirea a sute de sateliți, remedierea rapidă a defectelor de proiectare timpurie și aducând tehnicieni de producție în masă pentru a gestiona costurile. Îmi este ușor să îmi imaginez personal o conductă Starlink în care un tehnician integrează ceva nou în design și fixează totul cu o cravată de plastic (la nivel NASA, desigur) într-o oră sau două, menținând rata de înlocuire necesară de 16 sateliți / zi. Un satelit Starlink este format dintr-o mulțime de părți complicate, dar nu văd niciun motiv pentru care costul unei mii de unități care iese de pe linia de asamblare nu poate fi redus la 20 mii. Într-adevăr, în mai, Elon a scris pe Twitter că costul fabricarea unui satelit este deja mai mică decât costul de lansare.
Să luăm cazul mediu și să analizăm timpul de recuperare prin rotunjirea numerelor. Un satelit Starlink, care costă 100 de asamblare și lansare, funcționează de 5 ani. Se va plăti singur și, dacă da, cât de curând?
În 5 ani, satelitul Starlink va înconjura Pământul de 30 de ori. În fiecare dintre aceste orbite de o oră și jumătate, el va petrece cea mai mare parte a timpului deasupra oceanului și probabil 000 de secunde peste un oraș dens populat. În această scurtă fereastră, el difuzează date, grăbit să câștige bani. Presupunând că antena acceptă 100 de fascicule și fiecare fascicul transmite 100 Mbps, folosind o codificare modernă precum , apoi satelitul generează profit de 1000 USD pe orbită - la un preț de abonament de 1 USD per 1 GB. Este suficient pentru a plăti un cost de implementare de 100 USD într-o săptămână și simplifică foarte mult structura capitalului. Restul de 29 de ture reprezintă profit minus costurile fixe.
Cifrele estimate pot varia foarte mult și în ambele direcții. Dar, în orice caz, dacă puteți pune o constelație de sateliți de calitate pe orbită joasă pentru 100 - sau chiar pentru 000 milion / unitate - aceasta este o aplicație serioasă. Chiar și cu un timp de utilizare ridicol de scurt, un satelit Starlink este capabil să livreze 1 Pb de date pe durata de viață - la un cost amortizat de 30 USD per GB. În același timp, la transmiterea pe distanțe mai mari, costurile marginale practic nu cresc.
Pentru a înțelege semnificația acestui model, să-l comparăm pe scurt cu alte două modele de livrare a datelor către consumatori: cablul tradițional de fibră optică și constelația de sateliți oferită de o companie care nu este specializată în lansări de sateliți.
care leagă Franța și Singapore a fost pusă în funcțiune în 2005. Lățime de bandă - 1,28 Tb / s., Costul de implementare - 500 milioane USD. Dacă rulează la o capacitate de 10% timp de 100 ani, iar costurile generale reprezintă 100% din costurile de capital, atunci prețul de transfer va fi de 0,02 USD per 1 GB. Cablurile transatlantice sunt mai scurte și puțin mai ieftine, dar cablul submarin este doar o entitate dintr-un lung șir de oameni care doresc bani pentru transferuri de date. Estimarea medie pentru Starlink este de 8 ori mai ieftină și, în același timp, au „all inclusive”.
Cum este posibil acest lucru? Satelitul Starlink include toate elementele complexe de comutare electronică necesare pentru a lega cablurile de fibră optică, doar că folosește vid în loc de fir scump și fragil pentru transmiterea datelor. Transmisia spațială reduce numărul de monopoluri confortabile și învechite, permițând utilizatorilor să comunice prin și mai puțin hardware.
Comparabil cu dezvoltatorul de sateliți concurent OneWeb. OneWeb intenționează să creeze o constelație de 600 de sateliți, pe care o va lansa prin intermediul vânzătorilor comerciali la un preț de aproximativ 20 USD per 000 kg. Greutatea unui satelit este de 1 kg, adică, într-un scenariu ideal, lansarea unei unități va fi de aproximativ 150 milioane Costul hardware-ului satelitului este estimat la 3 milion pe satelit, adică. până în 1, costul întregii grupări va fi de 2027 miliarde. Testele efectuate de OneWeb au arătat un debit de 2,6 Mb/s. la vârf, în mod ideal, pentru fiecare dintre cele 50 grinzi. Urmând aceeași schemă prin care am calculat costul Starlink, obținem: fiecare satelit OneWeb generează 16 de dolari pe orbită, iar în doar 80 ani va aduce 5 milioane de dolari - abia acoperind costurile de lansare, dacă socotim și transmisia datelor la distanță. regiuni . În total primim 2,4 USD pentru 1,70 GB.
Gwynn Shotwell a fost citată recent că a spus asta , ceea ce implică un preț competitiv de 0,10 USD per GB. Și asta cu configurația originală Starlink: cu producție mai puțin optimizată, lansare pe Falcon și restricții de transfer de date - și doar cu acoperire în nordul Statelor Unite. Se dovedește că SpaceX are un avantaj incontestabil: astăzi pot lansa un satelit mult mai potrivit la un preț (pe unitate) de 1 ori mai mic decât cel al concurenților. Starship va crește liderul cu un factor de 15, dacă nu mai mult, așa că nu este greu de imaginat ca SpaceX să lanseze 100 de sateliți până în 2027 pentru mai puțin de 30 miliard de dolari, din care majoritatea îi va furniza din propriul portofel.
Sunt sigur că există analize mai optimiste în ceea ce privește OneWeb și alți dezvoltatori de constelații în devenire, dar nu știu încă cum funcționează.
Recent, Morgan Stanley că sateliții Starlink vor costa 1 milion pentru asamblare și 830 mii pentru lansare. . În mod curios, cifrele sunt similare cu calculele noastre pentru cheltuielile OneWeb și de aproximativ 10 ori mai mari decât estimarea inițială Starlink. Utilizarea Starship și fabricarea sateliților comerciali ar putea reduce costul de desfășurare a sateliților la aproximativ 35/unitate. Și acesta este un număr uimitor de scăzut.
Ultimul punct rămâne - să comparăm profitul pe 1 W de energie solară generată pentru Starlink. Conform fotografiilor de pe site-ul lor, rețeaua solară a fiecărui satelit are aproximativ 60 mp. generează în medie aproximativ 3 kW sau 4,5 kWh pe tură. Se estimează că fiecare orbită va genera 1000 USD și fiecare satelit va genera aproximativ 220 USD pe kWh. Acesta este de 10 de ori mai mult decât costul angro al energiei solare, ceea ce confirmă încă o dată: . Iar modularea cu microunde pentru transmiterea datelor este un cost suplimentar exorbitant.
Arhitectură
În secțiunea anterioară, am introdus aproximativ o parte nesemnificativă a arhitecturii Starlink - cum funcționează cu o densitate foarte inegală a populației planetei. Satelitul Starlink emite fascicule focalizate care formează pete pe suprafața planetei. Abonații din spot au o lățime de bandă. Dimensiunile spotului sunt determinate de fizica fundamentală: inițial lățimea sa este (înălțimea satelitului x lungimea microundelor / diametrul antenei), care pentru un satelit Starlink este, în cel mai bun caz, câțiva kilometri.
În majoritatea orașelor, densitatea populației este de aproximativ 1000 de locuitori/km pătrați, deși în unele locuri este mai mare. În unele zone din Tokyo sau Manhattan, pot fi mai mult de 100 de oameni pe loc. Din fericire, orice astfel de oraș dens populat are o piață internă competitivă pentru internetul în bandă largă, ca să nu mai vorbim de o rețea de telefonie mobilă foarte dezvoltată. Dar oricum ar fi, dacă la un moment dat există mulți sateliți din aceeași constelație deasupra orașului, debitul poate fi mărit prin diversificarea spațială a antenelor, precum și prin distribuirea frecvențelor. Cu alte cuvinte, zeci de sateliți pot focaliza cel mai puternic fascicul la un moment dat, iar utilizatorii din acea regiune vor folosi terminale de sol care vor distribui cererea între sateliți.
Dacă în stadiile inițiale cea mai potrivită piață pentru vânzarea serviciilor este zonele îndepărtate, rurale sau suburbane, atunci fondurile pentru lansări ulterioare vor veni din servicii mai bune, în special pentru orașele dens populate. Scenariul este exact opusul modelului standard de expansiune a pieței, în care serviciile competitive centrate pe oraș suferă inevitabil o scădere a profiturilor pe măsură ce încearcă să se extindă în zone mai sărace și mai puțin dens populate.
Acum câțiva ani, când am făcut calculul, .
Am luat datele din această imagine și am compilat cele 3 diagrame de mai jos. Primul arată frecvența suprafeței terenului în funcție de densitatea populației. Cel mai interesant lucru este că cea mai mare parte a Pământului nu este deloc locuită, în timp ce practic nicio regiune nu are mai mult de 100 de oameni pe kmXNUMX.
Al doilea grafic arată frecvența oamenilor în funcție de densitatea populației. Și, deși cea mai mare parte a planetei este nelocuită, cea mai mare parte a oamenilor trăiește în zone în care sunt 100-1000 de oameni pe km100. Natura extinsă a acestui vârf (un ordin de mărime mai mare) reflectă bimodalitatea în modelele de urbanizare. 1000 persoane/km patrati. - aceasta este o zonă rurală relativ slab populată, în timp ce cifra de 10 de locuitori/km pătrați. caracteristică suburbiilor. Centrele orașelor arată cu ușurință 000 de locuitori/km pătrați, dar populația Manhattanului este de 25 de persoane/km pătrați.
Al treilea grafic arată densitatea populației în funcție de latitudine. Se poate observa că aproape toți oamenii sunt concentrați în intervalul de la 20-40 de grade latitudine nordică. Deci, în mare, s-a dezvoltat geografic și istoric, deoarece o mare parte a emisferei sudice este ocupată de ocean. Cu toate acestea, această densitate a populației este o provocare descurajantă pentru arhitecții grupului sateliții petrec aceeași perioadă de timp în ambele emisfere. Mai mult, un satelit care orbitează în jurul Pământului, la un unghi de, să zicem, 50 de grade, va petrece mai mult timp mai aproape de limitele indicate în latitudine. Acesta este motivul pentru care Starlink are nevoie de doar 6 orbite pentru a deservi nordul SUA, în timp ce 24 pentru a acoperi ecuatorul.
Într-adevăr, dacă combinăm graficul densității populației cu graficul densității constelației satelitului, alegerea orbitelor devine evidentă. Fiecare grafic cu bare reprezintă unul dintre cele patru rapoarte SpaceX către FCC. Personal, mi se pare că fiecare nou raport este ca o completare față de cel precedent, dar, în orice caz, nu este greu de văzut cum sateliții suplimentari cresc capacitatea peste regiunile corespunzătoare din emisfera nordică. În schimb, există o cantitate impresionantă de lățime de bandă nefolosită peste emisfera sudică - bucură-te, dragă Australia!
Ce se întâmplă cu datele utilizatorului când ajung la satelit? În versiunea originală, satelitul Starlink le-a transmis imediat înapoi la o stație de sol dedicată din apropierea zonelor de serviciu. Această configurație se numește „releu direct”. În viitor, sateliții Starlink vor putea comunica între ei prin laser. Schimbul de date va avea vârf în orașele dens populate, dar datele pot fi distribuite printr-o rețea de lasere în două dimensiuni. În practică, aceasta înseamnă că există o oportunitate uriașă pentru un backhaul ascuns într-o rețea de sateliți, adică datele utilizatorului pot fi „retransmise pe Pământ” în orice locație adecvată. În practică, mi se pare că stațiile terestre SpaceX vor fi combinate cu în afara orașelor.
Se pare că comunicarea satelit-la-satelit nu este o sarcină banală dacă sateliții nu se mișcă împreună. Cele mai recente rapoarte către FCC raportează 11 grupuri orbitale de sateliți distincte. În cadrul unui grup dat, sateliții se deplasează la aceeași înălțime, la aceeași înclinare, cu aceeași excentricitate, ceea ce înseamnă că laserele pot găsi sateliți în imediata apropiere relativ ușor. Dar vitezele de închidere între grupuri sunt măsurate în km/sec, astfel încât comunicarea între grupuri, dacă este posibil, ar trebui să fie prin legături scurte, rapide, controlate cu microunde.
Topologia grupurilor orbitale este ca teoria undă-particule a luminii și nu se aplică cu adevărat exemplului nostru, dar cred că este grozavă, așa că am inclus-o în articol. Dacă nu sunteți interesat de această secțiune, treceți direct la „Limitările fizicii fundamentale”.
Un tor - sau gogoașă - este un obiect matematic definit de două raze. Este destul de simplu să desenezi cercuri pe suprafața unui tor: paralele sau perpendiculare pe forma sa. S-ar putea să vi se pară interesant să descoperiți că există alte două familii de cercuri care pot fi desenate pe suprafața unui tor și ambele trec printr-o gaură în centrul său și în jurul conturului. Acesta este așa-numitul. , și am folosit acest design când am proiectat toroidul pentru Burning Man Tesla Coil în 2015.
Și deși orbitele sateliților sunt, strict vorbind, elipse, nu cercuri, aceeași construcție se aplică și în cazul Starlink. O constelație de 4500 de sateliți pe mai multe plane orbitale, toate în același unghi, formează un strat în mișcare continuă deasupra suprafeței Pământului. Un strat orientat spre nord deasupra unui punct de latitudine dat se întoarce și se deplasează înapoi spre sud. Pentru a evita coliziunile, orbitele vor fi ușor alungite, astfel încât stratul care se mișcă spre nord va fi cu câțiva kilometri mai înalt (sau mai jos) decât cel care se deplasează spre sud. Împreună, ambele straturi formează un tor în formă de suflat, așa cum se arată mai jos într-o diagramă extrem de exagerată.
Permiteți-mi să vă reamintesc că în cadrul acestui torus, comunicarea se realizează între sateliții vecini. În termeni generali, nu există conexiuni directe și pe termen lung între sateliți din diferite straturi, deoarece ratele de convergență pentru ghidarea laser sunt prea mari. Traiectoria transmisiei de date între straturi, la rândul său, trece deasupra sau sub torus.
Un total de 30 de sateliți vor fi localizați în 000 tori imbricați, mult în spatele orbitei ISS! Această diagramă arată cum sunt împachetate toate aceste straturi, fără excentricitate exagerată.
Și, în sfârșit, ar trebui să vă gândiți la altitudinea optimă de zbor. Există o dilemă: altitudine joasă, care oferă mai multă putere cu fascicul de dimensiuni mai mici, sau altitudine mare, care vă permite să acoperiți întreaga planetă cu mai puțini sateliți? De-a lungul timpului, rapoartele către FCC de la SpaceX au vorbit despre altitudini tot mai scăzute, pe măsură ce Starship se îmbunătățește pentru a permite desfășurarea mai rapidă a constelațiilor mai mari.
Altitudinea joasă are și alte beneficii, inclusiv un risc redus de impact asupra deșeurilor spațiale sau efectele negative ale defecțiunii echipamentelor. Datorită rezistenței atmosferice crescute, cei mai jos sateliți Starlink (330 km) se vor arde în câteva săptămâni de la pierderea controlului atitudinii. Într-adevăr, 300 km este o altitudine la care sateliții nu zboară aproape niciodată, iar menținerea altitudinii va necesita un motor de rachetă electric Krypton încorporat, precum și un design simplificat. Teoretic, un satelit cu o formă destul de ascuțită, alimentat de un motor de rachetă electric, poate menține o altitudine stabilă de 160 km, dar este puțin probabil ca SpaceX să lanseze sateliți atât de jos, pentru că mai sunt câteva trucuri pregătite pentru a crește debitul.
Limitele fizicii fundamentale
Pare puțin probabil ca prețurile de desfășurare a sateliților să scadă vreodată mult sub 35 de dolari, chiar dacă producția este avansată și complet automatizată, iar navele Starship sunt complet reutilizabile și nu se știe încă pe deplin ce restricții le va impune fizica unui satelit. Analiza de mai sus presupune un randament maxim de 80 Gb/s. (dacă sunt rotunjite la 100 de fascicule, fiecare dintre acestea fiind capabil să transmită 100 Mb/s).
Limita lățimii de bandă a canalului este setată la și este dat în statisticile lățimii de bandă (1+SNR). Lățimea de bandă este adesea limitată , în timp ce SNR este energia satelitului disponibilă, zgomotul de fundal și interferența canalului datorată . Un alt obstacol notabil este viteza de procesare. Cele mai recente FPGA Xilinx Ultrascale+ au , ceea ce este bun având în vedere limitările actuale ale lățimii de bandă fără a dezvolta ASIC-uri personalizate. Dar chiar și atunci 58 Gb/s. va necesita o distribuție impresionantă a frecvenței, cel mai probabil în banda Ka sau în banda V. V (40–75 GHz) are cicluri mai accesibile, dar este supus unei mai mari absorbții de către atmosferă, în special în zonele cu umiditate ridicată.
Sunt 100 de raze practice? Această problemă are două aspecte: lățimea fasciculului și densitatea elementului matrice fază. Lățimea fasciculului este determinată de lungimea de undă împărțită la diametrul antenei. Antena digitală phased array este încă o tehnologie specializată, dar dimensiunile maxime utilizabile sunt determinate de lățimea (aprox. 1 m), iar utilizarea comunicațiilor cu frecvență radio este mai costisitoare. Lățimea undei în banda Ka este de aproximativ 1 cm, în timp ce lățimea fasciculului ar trebui să fie de 0,01 radiani - cu o lățime a spectrului de 50% din amplitudine. Presupunând un unghi solid al fasciculului de 1 steradian (similar cu acoperirea unui obiectiv de cameră de 50 mm), atunci 2500 de fascicule individuale ar fi suficiente în această zonă. Liniaritatea implică faptul că 2500 de fascicule ar necesita un minim de 2500 de elemente de antenă în cadrul matricei, ceea ce este în principiu fezabil, deși dificil. Și totul va deveni foarte fierbinte!
Un total de 2500 de canale, fiecare dintre care acceptă 58 Gb / s, reprezintă o cantitate imensă de informații - dacă aproximativ, atunci 145 Tb / s. Pentru comparație, tot traficul de internet în 2020 . Vești bune pentru cei preocupați de lățimea de bandă fundamental scăzută a internetului prin satelit. Dacă o constelație de 30 de sateliți este operațională până în 000, traficul global de internet va ajunge potențial la 2026 Tb/s. Dacă jumătate din aceasta este furnizată de ~ 800 de sateliți în zone dens populate la un moment dat, atunci debitul maxim per satelit este de aproximativ 500 Gb/s, care este de 800 ori mai mare decât estimarea noastră inițială de bază, adică. fluxul de finanțare poate crește de 10 ori.
Pentru un satelit pe o orbită de 330 km, un fascicul de 0,01 radiani acoperă o suprafață de 10 kilometri pătrați. În zonele deosebit de dens populate, cum ar fi Manhattan, până la 300 de oameni trăiesc în această zonă. Ce se întâmplă dacă toți stau să urmărească Netflix (000 Mbps la calitate HD) în același timp? Solicitarea totală de date va fi de 7 GB/s, ceea ce reprezintă de aproximativ 2000 de ori limita actuală impusă de FPGA de ieșire serială. Există două căi de ieșire din această situație, dintre care doar una este posibilă fizic.
Primul este de a pune mai mulți sateliți pe orbită, astfel încât în orice moment mai mult de 35 de piese să atârnă peste zonele cu cerere crescută. Dacă luăm din nou 1 steradian pentru o zonă rezonabilă adresabilă a cerului și o altitudine orbitală medie de 400 km, obținem o densitate a constelației de 0,0002/km pătrați, sau 100 în total - dacă sunt distribuite uniform pe întreaga suprafață. a globului. Amintiți-vă că orbitele selectate ale SpaceX măresc dramatic acoperirea în zonele dens populate aflate la 000-20 de grade latitudine nordică, iar acum numărul de 40 de sateliți pare magic.
A doua idee este mult mai mișto, dar, din păcate, irealizabilă. Amintiți-vă că lățimea fasciculului este determinată de lățimea rețelei de antene în faze. Ce se întâmplă dacă o mulțime de rețele de pe mai mulți sateliți combină puterile, creând un fascicul mai îngust - la fel ca și radiotelescoapele la fel? (sistem de antenă foarte mare)? Această metodă vine cu o complicație: baza dintre sateliți va trebui să fie calculată cu atenție - cu o precizie submilimetrică - pentru a stabiliza faza fasciculului. Și chiar dacă acest lucru ar fi posibil, fasciculul rezultat ar conține cu greu lobii laterali, din cauza densității reduse a constelației de satelit de pe cer. La sol, lățimea fasciculului s-ar îngusta la câțiva milimetri (suficient pentru a urmări o antenă de telefon mobil), dar ar exista milioane din cauza nulării intermediare slabe. Mulțumesc .
Se dovedește că separarea canalelor prin separarea unghiului - pentru că sateliții sunt distanțați pe cer - oferă îmbunătățiri adecvate ale debitului fără a încălca legile fizicii.
cerere
Care este profilul clientului Starlink? În mod implicit, aceștia sunt sute de milioane de utilizatori care au pe acoperișuri antene de dimensiunea unei cutii de pizza, dar există și alte surse de venituri mari.
În zonele îndepărtate și rurale, stațiile de la sol nu au nevoie de antene cu matrice în faze pentru a maximiza lățimea fasciculului, astfel încât pot fi utilizate echipamente mai mici ale utilizatorului, de la dispozitive de urmărire a activelor IoT la telefoane prin satelit de buzunar, balize de urgență sau instrumente științifice de urmărire a animalelor.
În mediile urbane dense, Starlink va oferi backhaul principal și de rezervă pentru rețeaua celulară. Fiecare turn de celule ar putea avea o stație la sol de înaltă performanță deasupra, dar să folosească surse de alimentare de la sol pentru amplificare și transmisie pe ultima milă.
Și, în sfârșit, chiar și în zonele aglomerate în timpul lansării inițiale, există posibilitatea de a utiliza pentru sateliți cu orbită joasă cu întârziere excepțional de minimă. Companiile financiare înseși pun mulți bani în mâinile tale - doar puțin mai repede pentru a obține date vitale din întreaga lume. Și chiar dacă datele prin Starlink vor avea o cale mai lungă decât de obicei - prin spațiu - viteza de propagare a luminii în vid este cu 50% mai mare decât în sticla de cuarț, iar acest lucru plătește mai mult diferența atunci când se transmite pe distanțe mai mari.
Efecte negative
Ultima secțiune este dedicată consecințelor negative. Scopul articolului este de a vă scăpa de concepțiile greșite despre proiect, iar potențialele consecințe negative ale disputelor provoacă cel mai mult. Voi da câteva informații, abținându-mă de la interpretări inutile. Încă nu sunt clarvăzător și nici nu am persoane din interior de la SpaceX.
Cele mai multe, după părerea mea, cele mai grave consecințe sunt accesul sporit la Internet. Chiar și în orașul meu natal Pasadena, un oraș plin de viață și bogat în tehnologie, cu o populație de peste un milion de locuitori, care găzduiește mai multe observatoare, o universitate de talie mondială și cea mai mare unitate a NASA, alegerea este limitată când vine vorba de servicii de internet. În SUA și în restul lumii, internetul a devenit un serviciu de utilități care caută chirii, furnizorii de servicii de internet doar își stoarce 50 de milioane de dolari pe lună într-un mediu confortabil, necompetitiv. Poate că orice serviciu furnizat apartamentelor și clădirilor rezidențiale este un apartament comun, dar calitatea serviciilor de internet este mai puțin egală decât cea a apei, electricității sau gazului.
Problema cu status quo-ul este că, spre deosebire de apă, electricitate sau gaz, internetul este încă tânăr și evoluează rapid. Îi găsim în mod constant noi utilizări. Cel mai revoluționar încă nu este deschis, dar planurile de pachete înăbușă posibilitatea concurenței și inovației. Miliarde de oameni sunt lăsați în urmă din cauza circumstanțelor nașterii sau pentru că țara lor este prea departe de cablul submarin principal. În regiuni mari ale planetei, internetul este încă livrat de sateliți geostaționari, la prețuri exorbitante.
Starlink, pe de altă parte, distribuirea continuă a internetului din cer, încalcă acest model. Nu cunosc încă vreo altă modalitate mai bună de a conecta miliarde de oameni la internet. SpaceX este pe cale să devină un ISP și, eventual, o companie de internet care rivalizează cu Google și Facebook. Pun pariu că nu te-ai gândit la asta.
Că internetul prin satelit este cea mai bună opțiune nu este evident. SpaceX, și numai SpaceX, este în poziția de a crea rapid o vastă constelație de sateliți care singur a ucis un deceniu pentru a rupe monopolul guvernului-militar asupra lansării navelor spațiale. Chiar dacă Iridium ar vinde telefoanele mobile cu un factor de zece, tot nu ar obține o adoptare pe scară largă folosind platformele de lansare tradiționale. Fără SpaceX și modelul său unic de afaceri, sunt șanse mari ca internetul global prin satelit pur și simplu să nu se întâmple niciodată.
A doua lovitură majoră va veni pentru astronomie. După lansarea primilor 60 de sateliți Starlink, a existat un val de critici din partea comunității astronomice internaționale, spunând că numărul crescut de sateliți le va bloca accesul la cerul nopții. Există o vorbă: printre astronomi, el este mai cool cine are un telescop mai mare. Fără exagerare, a face astronomie în epoca modernă este o sarcină extrem de dificilă, care amintește de o luptă continuă pentru îmbunătățirea calității analizei pe fundalul creșterii poluării luminoase și a altor surse de zgomot.
Ultimul lucru de care are nevoie un astronom este mii de sateliți strălucitori care clipesc în focalizarea unui telescop. Într-adevăr, constelația originală Iridium a fost renumită pentru că are „înfloriri” datorită panourilor mari care reflectau lumina soarelui pe zone mici ale Pământului. S-a întâmplat să ajungă la luminozitatea unui sfert de Lună și uneori chiar să deterioreze accidental senzorii astronomici sensibili. Nici teama că Starlink va invada benzile radio folosite în radioastronomie nu este neîntemeiată.
Dacă descărcați o aplicație de urmărire prin satelit, puteți vedea zeci de sateliți zburând pe cer într-o seară senină. Sateliții sunt vizibili după apus și înainte de zori, dar numai atunci când sunt iluminați de razele soarelui. Mai târziu, în timpul nopții, sateliții sunt invizibili în umbra Pământului. Mici, extrem de îndepărtați, se mișcă foarte repede. Există șansa ca ei să ascundă o stea îndepărtată pentru mai puțin de o milisecundă, dar cred că chiar și detectarea acestuia este încă un hemoroizi.
Preocuparea puternică cu privire la fulgerarea cerului s-a născut din faptul că stratul de sateliți de la prima lansare a fost aliniat aproape de terminatorul Pământului, adică. noapte de noapte, Europa - și era vară - privea imaginea epică a sateliților zburând prin cer în amurgul serii. Mai mult, simulările bazate pe rapoartele FCC au arătat că sateliții de pe orbită de 1150 km vor fi vizibili chiar și după ce a trecut amurgul astronomic. În general, amurgul trece prin trei etape: civilă, maritimă și astronomică, adică. când soarele este la 6, 12 și respectiv 18 grade sub orizont. La sfârșitul crepusculului astronomic, razele soarelui se află la aproximativ 650 km de suprafață la zenit, cu mult în afara atmosferei și în cea mai mare parte a orbitei joase a Pământului. Pe baza datelor de la , cred că toți sateliții vor fi plasați la o altitudine sub 600 km. În acest caz, ele pot fi văzute la amurg, dar nu după căderea nopții, ceea ce va reduce semnificativ potențialele consecințe pentru astronomie.
A treia problemă este resturile de pe orbită. ÎN Am subliniat că sateliții și resturile de sub 600 km vor deza orbit în câțiva ani din cauza rezistenței atmosferice, reducând foarte mult posibilitatea sindromului Kessler. SpaceX se încurcă cu murdăria de parcă nu le-ar păsa deloc de gunoiul spațial. Aici mă uit la detaliile implementării Starlink și îmi este greu să-mi imaginez o modalitate mai bună de a reduce cantitatea de resturi de pe orbită.
Sateliții sunt lansați la o altitudine de 350 km, apoi zboară cu motoare încorporate către orbita lor. Orice satelit care moare la lansare va ieși de pe orbită în câteva săptămâni și nu se va răsturna nicăieri altundeva timp de mii de ani. Această plasare implică din punct de vedere strategic testarea pentru intrarea gratuită. În plus, sateliții Starlink au secțiune transversală plană, ceea ce înseamnă că, pierzând controlul altitudinii, ei intră în straturile dense ale atmosferei.
Puțini oameni știu că SpaceX a devenit un pionier în astronautică, începând să folosească tipuri alternative de montură în loc de squibs. Practic, toate platformele de lansare folosesc squibs atunci când desfășoară scene, sateliți, radome etc., crescând potențialul de reziduuri. De asemenea, SpaceX deorbitează în mod deliberat etapele superioare, împiedicându-le să rămână în spațiu pentru totdeauna, astfel încât să nu se degradeze și să nu se dezintegreze în mediul spațial aspru.
În cele din urmă, ultima problemă pe care aș dori să o menționez este șansa ca SpaceX să înlocuiască monopolul existent pe Internet prin crearea propriei sale. În nișa sa, SpaceX a monopolizat deja lansările. Doar dorința guvernelor rivale de a obține acces garantat la spațiu împiedică casarea rachetelor scumpe și învechite, care sunt adesea asamblate de marii contractori monopolistici de apărare.
Nu este greu de imaginat că SpaceX va lansa 2030 de sateliți pe an în 6000, plus câțiva sateliți spion pentru o bună măsură. Sateliții SpaceX ieftini și fiabili vor vinde „spațiu de rack” pentru dispozitive terțe. Orice universitate care construiește o cameră cu capacitate spațială o poate pune pe orbită fără a fi nevoită să acopere costul construirii unei întregi platforme spațiale. Cu un acces atât de avansat și nelimitat la spațiu, Starlink este deja asociat cu sateliții, în timp ce producătorii istorici devin un lucru din trecut.
Există exemple în istorie de companii lungi de vedere care au ocupat o nișă atât de uriașă pe piață încât numele lor au devenit nume cunoscute: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Problema poate apărea atunci când o companie de pionier se angajează în practici anticoncurențiale pentru a-și menține cota de piață, deși acest lucru a fost adesea permis de la președintele Reagan. SpaceX ar putea păstra monopolul Starlink, forțând alți dezvoltatori de constelații să lanseze sateliți pe rachete sovietice de epocă. Acțiuni similare întreprinse , împreună cu stabilirea prețurilor pentru transportul corespondenței, l-au determinat să se prăbușească în 1934. Din fericire, este puțin probabil ca SpaceX să mențină pentru totdeauna un monopol absolut asupra rachetelor reutilizabile.
Și mai îngrijorător este faptul că desfășurarea de către SpaceX a zeci de mii de sateliți pe orbită joasă ar putea fi concepută ca o coopțiune a comunității. O companie privată, care urmărește câștigul personal, preia în proprietate permanentă pozițiile orbitale cândva publice și neocupate. Și în timp ce inovațiile SpaceX au făcut posibilă câștigarea efectivă a banilor într-un vid, o mare parte din capitalul intelectual al SpaceX a fost construit cu miliarde de dolari în bugete de cercetare.
Pe de o parte, avem nevoie de legi care să protejeze mijloacele de investiții private, cercetare și dezvoltare. Fără această protecție, inovatorii nu vor putea finanța proiecte ambițioase sau își vor muta companiile acolo unde le este asigurată o astfel de protecție. În orice caz, publicul are de suferit pentru că nu se generează profituri. Pe de altă parte, sunt necesare legi care să protejeze oamenii, proprietarii nominali ai domeniului public, inclusiv cerul, de entitățile private care caută chirii care anexează bunuri publice. În sine, niciunul nu este adevărat sau chiar posibil. Evoluțiile SpaceX oferă șansa de a găsi un mediu fericit pe această nouă piață. Ne vom da seama că a fost găsit atunci când vom maximiza frecvența inovației și a creării de bunăstare socială.
Gânduri finale
Am scris acest articol imediat ce am terminat altul - . A fost o săptămână fierbinte. Atât Starship, cât și Starlink sunt tehnologii revoluționare care sunt create chiar în fața ochilor noștri, în viața noastră. Dacă îmi văd nepoții crescând, vor fi mai surprinși că sunt mai în vârstă decât Starlink și nu că în copilăria mea nu existau internet celular (piese de muzeu) sau public în sine.
Bogații și militarii folosesc internetul prin satelit de mult timp, dar Starlink omniprezent, generic și ieftin nu este posibil fără Starship.
Despre lansare se vorbește de mult, dar Starship, care este destul de ieftină și deci o platformă interesantă, este imposibil fără Starlink.
De multă vreme se vorbește despre astronautică cu echipaj și dacă tu... atunci ai undă verde. Cu Starship și Starlink, explorarea spațiului uman este un viitor apropiat realizabil, cu o aruncătură de băț de la un avanpost orbital la orașele industrializate din spațiul profund.
Sursa: www.habr.com