Ta članek je iz serije naprej .
- Načrt družbe SpaceX za distribucijo interneta prek več deset tisoč satelitov je glavna tema vesoljskega tiska. Članki o najnovejših dosežkih so objavljeni tedensko. Če je na splošno shema jasna, vendar po branju , lahko dobro motivirana oseba (recimo vaša resnično) izkoplje veliko podrobnosti. Vendar pa je še vedno veliko napačnih predstav, povezanih s to novo tehnologijo, tudi med razsvetljenimi opazovalci. Ni neobičajno videti članke, ki Starlink primerjajo z OneWeb in Kuiper (med drugim), kot da tekmujeta pod enakimi pogoji. Drugi avtorji, očitno zaskrbljeni za dobrobit planeta, kričijo o vesoljskih odpadkih, vesoljski zakonodaji, standardih in varnosti astronomije. Upam, da bo bralec po branju tega - precej dolgega - članka bolje razumel in občutil idejo Starlinka.
nepričakovano dotaknil občutljive strune v dušah mojih maloštevilnih bralcev. V njem sem razložil, kako bi Starship postavil SpaceX na vodilno mesto za dolgo časa in hkrati zagotovil mehanizem za novo raziskovanje vesolja. Posledica tega je, da tradicionalna satelitska industrija ne more slediti SpaceXu, ki vztrajno povečuje zmogljivost in znižuje stroške družine raket Falcon, zaradi česar je SpaceX v težkem položaju. Po eni strani je oblikoval trg, vreden v najboljšem primeru nekaj milijard na leto. Po drugi strani pa je v sebi vzbudil nezadržno željo po denarju – po izdelavi ogromne rakete, na kateri pa skorajda ni nikogar, ki bi ga poslal na Mars, in takojšnjega dobička ni pričakovati.
Rešitev tega dvojnega problema je Starlink. S sestavljanjem in izstrelitvijo lastnih satelitov bi lahko SpaceX ustvaril in definiral nov trg za zelo učinkovit in demokratiziran dostop do vesoljskih komunikacij, zagotovil financiranje za izdelavo rakete, preden ta utopi podjetje, in dvignil njeno ekonomsko vrednost na trilijone. Ne podcenjujte obsega Elonovih ambicij. Skupaj ni toliko industrij, kjer se vrtijo bilijoni dolarjev: energija, hitri promet, komunikacije, IT, zdravstvo, kmetijstvo, vlada, obramba. Kljub pogostim napačnim predstavam, , и Posel ni uspešen. Elon je s svojo Teslo vdrl v energetsko industrijo, a le telekomunikacije bodo zagotovile zanesljiv in zmogljiv trg za satelite in izstrelitve raket.
Elon Musk je prvič usmeril pogled v vesolje, ko je želel donirati 80 milijonov dolarjev za misijo gojenja rastlin na marsovski sondi. Gradnja mesta na Marsu bi verjetno stala 100-krat več, zato je Starlink Muskova glavna stava za zagotovitev morja prepotrebnega sponzorskega denarja. .
Za kaj?
Ta članek sem načrtoval že dolgo, a šele prejšnji teden sem imel popolno sliko. Potem je predsednica SpaceX-a Gwynn Shotwell dala Robu Baronu izjemen intervju, ki ga je kasneje za CNBC pokril v odličnem Michael Schitz, in kateremu so posvetili . Ta intervju je pokazal veliko razliko v pristopih k satelitskim komunikacijam med SpaceX in vsemi drugimi.
Koncept se je rodil leta 2012, ko je SpaceX ugotovil, da imajo njihovi kupci - večinoma satelitski ponudniki - ogromne rezerve denarja. Izstrelitvene ploščadi dvigujejo cene za nameščanje satelitov in pri tem nekako zamudijo en korak dela - kako to? Elon je sanjal o ustvarjanju satelitske konstelacije za internet in ker se ni mogel upreti skoraj nemogoči nalogi, je proces zavrtel. Razvoj Starlink , a ob koncu tega članka boš ti, moj bralec, verjetno presenečen, kako majhne so te težave v resnici glede na obseg ideje.
Ali je tako velika skupina res potrebna za internet? In zakaj zdaj?
Samo v mojem spominu je internet, ki se je iz čisto akademskega razvajanja razvil v prvo in edino revolucionarno infrastrukturo. To ni tema, ki bi se ji splačalo posvetiti v širšem članku, vendar predvidevam, da bosta globalna potreba po internetu in dohodek, ki ga ustvarja, še naprej naraščala za približno 25 % letno.
Danes skoraj vsi dobimo internet od majhnega števila geografsko izoliranih monopolov. V ZDA so si AT&T, Time Warner, Comcast in peščica manjših igralcev razdelili ozemlje, da bi se izognili konkurenci, se borili s tremi kožami za storitve in se kopali v žarkih skoraj vsesplošnega sovraštva.
Ponudniki internetnih storitev imajo dober razlog za nekonkurenčno vedenje poleg vsesplošnega pohlepa. Gradnja infrastrukture za internet – mikrovalovni celični stolpi in optična vlakna – je zelo, zelo draga. Preprosto je pozabiti na čudovito naravo interneta. Moja babica je šla najprej v drugo svetovno vojno delat kot signalistka, potem pa se je telegraf nato za vodilno strateško vlogo potegoval z golobi pismonošami! Za večino od nas je informacijska avtocesta nekaj efemernega, neoprijemljivega, a biti potujejo skozi fizični svet, ki ima meje, reke, gore, oceane, nevihte, naravne katastrofe in druge ovire. Leta 1996, ko je bil na dnu oceana položen prvi optični vod, . S svojim zaščitnim ostrim slogom nazorno opiše goli strošek in zahtevnost polaganja teh linij, po katerih potem tako ali tako drvijo prekleti »kotegi«. Večino leta 2000 so kable toliko uporabljali, da so bili stroški uvajanja osupljivi.
Nekoč sem delal v optičnem laboratoriju in (če me spomin ne vara) smo podrli takratni rekord z izdajo multipleksne hitrosti prenosa 500 Gb / s. Elektronske omejitve so omogočile, da je bilo vsako vlakno obremenjeno z 0,1 % teoretične pasovne širine. Petnajst let kasneje smo pripravljeni preseči mejo: če jo bo prenos podatkov presegel, se bo vlakno stopilo, in temu smo že zelo blizu.
Treba pa je dvigniti pretok podatkov nad grešno zemljo – v vesolje, kjer satelit v petih letih 30-krat obleti »žogico«. Zdi se, da je očitna rešitev - zakaj je torej nihče ni sprejel prej?
Konstelacija satelitov Iridium, ki jo je v zgodnjih devetdesetih razvila in postavila Motorola (se jih še spomnite?), je postala prvo globalno komunikacijsko omrežje v nizki orbiti (kot je vabljivo opisano v ). Do takrat, ko je bil uveden, je bila njegova edina uporaba nišna zmožnost usmerjanja majhnih podatkovnih paketov iz sledilcev sredstev: mobilni telefoni so bili tako poceni, da satelitski telefoni nikoli niso prišli na trg. Iridium je imel 66 satelitov (plus še nekaj rezervnih) v 6 orbitah - minimalni nabor za pokrivanje celotnega planeta.
Če je bilo za Iridium dovolj 66 satelitov, zakaj jih je potem SpaceX potreboval na desettisoče? Zakaj je tako drugačna?
SpaceX je v ta posel vstopil z nasprotne strani – začelo se je z izstrelitvami. Postal je pionir na področju konzerviranja nosilnih raket in tako zajel trg poceni lansirnih plošč. Če jih poskušate preseči z nižjo ceno, ne boste veliko zaslužili, zato je edini način, da izkoristite njihove presežne zmogljivosti, da postanete stranka. SpaceX porabi za izstrelitev lastnih satelitov - (na 1 kg) iridija, zato lahko vstopijo na veliko širši trg.
Starlinkova pokritost po vsem svetu vam bo zagotovila dostop do visokokakovostnega interneta kjer koli na svetu. Prvič razpoložljivost interneta ne bo odvisna od bližine države ali mesta do optičnih vlaken, temveč od čistosti neba nad njo. Uporabniki po vsem svetu bodo imeli dostop do svetovnega interneta brez okovov, ne glede na njihove lastne različne stopnje slabih in/ali nepoštenih vladnih monopolov. Zmožnost Starlinka, da razbije te monopole, katalizira pozitivne spremembe neverjetnih razsežnosti, ki bodo končno združile milijarde ljudi v globalno kibernetično skupnost prihodnosti.
Majhna lirična digresija: kaj to sploh pomeni?
Za ljudi, ki danes odraščajo v dobi vseprisotne povezljivosti, je internet kot zrak, ki ga dihamo. Samo je. A to – če pozabimo na njegovo neverjetno moč prinašanja pozitivnih sprememb – in že smo v njihovem središču. S pomočjo interneta lahko ljudje kličejo svoje voditelje na odgovornost, komunicirajo z drugimi ljudmi na drugem koncu sveta, delijo svoje misli, izumijo kaj novega. Internet združuje človeštvo. Zgodovina nadgradenj je zgodovina razvoja zmogljivosti izmenjave podatkov. Najprej z govori in epsko poezijo. Potem - na pismu, ki daje glas mrtvim in se obračajo na žive; pisanje omogoča shranjevanje podatkov in omogoča asinhrono komunikacijo. Tisk je začel ustvarjati novice. Elektronska komunikacija – je pospešila prenos podatkov po vsem svetu. Osebne naprave za pisanje zapiskov so postopoma postale bolj zapletene in so se razvile od prenosnih računalnikov do mobilnih telefonov, od katerih je vsak računalnik, povezan z internetom, poln senzorjev in vsak dan boljši pri napovedovanju naših potreb.
Človek, ki v procesu spoznavanja uporablja pisanje in računalnik, ima več možnosti, da preseže omejitve nepopolno razvitih možganov. Še bolj spodbudno je, da so mobilni telefoni zmogljive naprave za shranjevanje in mehanizem za izmenjavo idej. Če so se prej ljudje pri izmenjavi misli zanašali na govor, ki so ga skicirali v zvezke, je danes norma, če zvezki sami delijo ideje, ki so jih ustvarili ljudje. Tradicionalna shema je doživela inverzijo. Logično nadaljevanje procesa je neka oblika kolektivne metakognicije, prek osebnih naprav, in povezani med seboj. In čeprav smo morda še vedno nostalgični po izgubljeni povezanosti z naravo in samoto, je pomembno vedeti, da je tehnologija in sama tehnologija odgovorna za levji delež naše osvoboditve iz "naravnih" ciklov nevednosti, prezgodnje smrti (ki mogoče izogniti), nasilje, lakota in zobna gniloba.
Kako?
Pogovorimo se o poslovnem modelu in arhitekturi projekta Starlink.
Da bi Starlink postal donosno podjetje, mora dotok sredstev preseči stroške gradnje in delovanja. Tradicionalno so kapitalske naložbe vključevale povečane zagonske stroške, uporabo sofisticiranih specializiranih mehanizmov financiranja in zavarovanja ter vse za izstrelitev satelita. Geostacionarni komunikacijski satelit lahko stane 500 milijonov dolarjev, izdelava in izstrelitev pa traja pet let. Zato podjetja na tem področju sočasno gradijo reaktivne ladje ali kontejnerske ladje. Velika poraba, priliv sredstev, ki komaj pokriva stroške financiranja, in relativno majhen proračun poslovanja. Nasprotno pa je bil neuspeh prvotnega Iridiuma ta, da je Motorola operaterja prisilila v plačilo ubijalske licenčnine, kar je podjetje v samo nekaj mesecih bankrotiralo.
Za vodenje takega posla so morala tradicionalna satelitska podjetja služiti zasebnim strankam in zaračunavati visoke hitrosti prenosa podatkov. Letalske družbe, oddaljene postojanke, ladje, vojna območja in ključne infrastrukturne lokacije plačujejo okoli 5 USD na MB, kar je 1-kratnik cene tradicionalnega ADSL, kljub zakasnitvi podatkov in relativno nizki satelitski pasovni širini.
Starlink namerava konkurirati ponudnikom prizemnih storitev, kar pomeni, da bo moral podatke dostaviti ceneje in v idealnem primeru zaračunati veliko manj kot 1 USD za 1 MB. Ali je možno? Ali pa, ker je to mogoče, se je treba vprašati: kako je to mogoče?
Prva sestavina nove jedi je poceni lansiranje. Danes Falcon prodaja 24-tonsko izstrelitev za približno 60 milijonov dolarjev, kar je 2500 dolarjev na kg. Izkazalo pa se je, da je notranjih stroškov precej več. Sateliti Starlink bodo izstreljeni na nosilnih raketah za večkratno uporabo, tako da je mejni strošek ene same izstrelitve strošek nove druge stopnje (nekje okoli 1 milijone USD), oblog (4 milijon) in zemeljske podpore (~1 milijon). Skupaj: približno 1 tisoč dolarjev za satelit, tj. več kot 100-krat ceneje kot izstrelitev običajnega komunikacijskega satelita.
Večina satelitov Starlink pa bo izstreljenih na Starshipu. Dejansko razvoj Starlinka, kot kažejo posodobljena poročila FCC, nekaj zagotavlja notranja arhitektura projekta. Skupno število satelitov v konstelaciji je naraslo s 1 na 584, nato na 2 in nazadnje na 825, po bruto prihrankih pa je številka še višja. Najmanjše število satelitov za prvo fazo razvoja, da bi bil projekt uspešen, je 7 v 518 orbitah (skupaj 30), medtem ko popolna pokritost znotraj 000 stopinj od ekvatorja zahteva 60 orbit s 6 sateliti (skupaj 360). To je 53 izstrelitev za Falcon za približno 24 milijonov dolarjev notranje porabe. Starship pa je zasnovan za izstrelitev do 60 satelitov naenkrat za približno enako ceno. Starlink satelite je treba zamenjati vsakih 1440 let, tako da bi 24 satelitov zahtevalo 150 izstrelitev Starship na leto. Stalo bo kakšnih 400 mio/leto oziroma 5 tisoč/satelit. Vsak satelit Falcon tehta 6000 kg; sateliti, dvignjeni na Starship, bi lahko tehtali 15 kg in nosili naprave drugih proizvajalcev, bili bi nekoliko večji in še vedno ne presegajo dovoljene obremenitve.
Kakšna je cena satelitov? Med brati so sateliti Starlink nekoliko nenavadni. Sestavljajo se, skladiščijo in pošiljajo na plano, zato so izjemno enostavni za masovno proizvodnjo. Kot kažejo izkušnje, bi morali proizvodni stroški približno enaki stroškom lansirne naprave. Če je razlika v ceni velika, pomeni, da sredstva niso pravilno razporejena, saj celovito znižanje mejnih stroškov ob znižanju stroškov ni tako veliko. Je res 100 tisoč dolarjev na satelit s prvo serijo nekaj sto? Z drugimi besedami, ali satelit Starlink v napravi ni nič bolj zapleten kot stroj?
Da bi v celoti odgovorili na to vprašanje, morate razumeti, zakaj so stroški komunikacijskega satelita v orbiti 1000-krat višji, čeprav ni 1000-krat bolj zapleten. Preprosto povedano, zakaj je vesoljska strojna oprema tako draga? Razlogov za to je veliko, a najbolj prepričljiv v tem primeru je ta: če izstrelitev satelita v orbito (pred Falconom) stane več kot 100 milijonov, mora biti zagotovljeno, da bo deloval več let – da bi prinesli vsaj nekaj dobiček. Zagotavljanje takšne zanesljivosti pri delovanju prvega in edinega izdelka je boleč proces, ki se lahko vleče leta in zahteva napore več sto ljudi. Če k temu dodamo še stroške, je enostavno upravičiti dodatne postopke, ko je že zagon drag.
Starlink razbije to paradigmo z izgradnjo na stotine satelitov, hitrim odpravljanjem zgodnjih napak v zasnovi in vključitvijo tehnikov za množično proizvodnjo za upravljanje stroškov. Osebno si zlahka predstavljam cevovod Starlink, kjer tehnik integrira nekaj novega v zasnovo in vse pritrdi s plastično vezico (raven NASA, seveda) v uri ali dveh, pri čemer vzdržuje zahtevano stopnjo zamenjave 16 satelitov/dan. Satelit Starlink je sestavljen iz številnih zapletenih delov, vendar ne vidim razloga, zakaj se cena tisoče enote, ki pride s tekočega traku, ne bi znižala na 20 tisoč. Dejansko je maja Elon na Twitterju zapisal, da je cena izdelava satelita je že nižja od stroškov izstrelitve.
Vzemimo povprečen primer in analizirajmo vračilni čas z zaokroževanjem številk. En satelit Starlink, katerega sestava in izstrelitev stane 100, deluje že 5 let. Ali se bo povrnilo, in če da, kako hitro?
V 5 letih bo satelit Starlink 30-krat obkrožil Zemljo. V vsakem od teh enoinpolurnih obhodov bo večino časa preživel nad oceanom in verjetno 000 sekund nad gosto naseljenim mestom. V tem kratkem oknu oddaja podatke, v naglici, da zasluži denar. Ob predpostavki, da antena podpira 100 žarkov in vsak žarek oddaja 100 Mbps z uporabo sodobnega kodiranja, kot je , potem satelit ustvari 1000 $ dobička na orbito - po naročniški ceni 1 $ za 1 GB. To je dovolj za poplačilo stroškov uvedbe v višini 100 USD v enem tednu in močno poenostavi strukturo kapitala. Preostalih 29 obratov je dobiček minus fiksni stroški.
Ocenjene številke se lahko zelo razlikujejo in v obe smeri. Ampak v vsakem primeru, če lahko spraviš v nizko orbito kakovostno konstelacijo satelitov za 100 - ali celo za 000 milijon / enoto - je to resna aplikacija. Tudi s smešno kratkim časom uporabe lahko satelit Starlink v svoji življenjski dobi dostavi 1 Pb podatkov – po amortizirani ceni 30 USD na GB. Hkrati se pri prenosu na daljše razdalje mejni stroški praktično ne povečajo.
Da bi razumeli pomen tega modela, ga na kratko primerjajmo z dvema drugima modeloma za dostavo podatkov potrošnikom: tradicionalnim kablom iz optičnih vlaken in satelitsko konstelacijo, ki jo ponuja podjetje, ki ni specializirano za izstrelitve satelitov.
ki povezuje Francijo in Singapur, je začel obratovati leta 2005. Pasovna širina - 1,28 Tb / s., Stroški uvedbe - 500 milijonov dolarjev. Če deluje s 10-odstotno zmogljivostjo 100 let in so režijski stroški 100-odstotni kapitalski stroški, bo cena prenosa 0,02 USD za 1 GB. Čezatlantski kabli so krajši in nekoliko cenejši, vendar je podmorski kabel le ena entiteta v dolgi vrsti ljudi, ki hočejo denar za prenos podatkov. Povprečna ocena za Starlink je 8x cenejša, hkrati pa imajo "all inclusive".
Kako je to mogoče? Satelit Starlink vključuje vso zapleteno elektronsko preklopno opremo, ki je potrebna za povezavo optičnih kablov, le da za prenos podatkov uporablja vakuum namesto drage in krhke žice. Vesoljski prenos zmanjšuje število udobnih in zastarelih monopolov, kar uporabnikom omogoča komunikacijo prek še manj strojne opreme.
Primerljivo s konkurenčnim satelitskim razvijalcem OneWeb. OneWeb namerava ustvariti konstelacijo 600 satelitov, ki jih bo izstrelil prek komercialnih prodajalcev po ceni približno 20 $ za 000 kg. Teža enega satelita je 1 kg, kar pomeni, da bo v idealnem scenariju izstrelitev ene enote približno 150 milijone Stroški satelitske strojne opreme so ocenjeni na 3 milijon na satelit, tj. do leta 1 bodo stroški celotne skupine znašali 2027 milijarde Testi, ki jih je izvedel OneWeb, so pokazali prepustnost 2,6 Mb / s. na vrhu, idealno za vsakega od 50 žarkov. Po isti shemi, po kateri smo izračunali stroške Starlinka, dobimo: vsak satelit OneWeb ustvari 16 $ na orbito, v samo 80 letih pa bo prinesel 5 milijona $ - komaj pokrije stroške izstrelitve, če štejemo še prenos podatkov na daljavo. regije . Skupaj dobimo 2,4 USD za 1,70 GB.
To je nedavno izjavila Gwynn Shotwell , kar pomeni konkurenčno ceno 0,10 USD na GB. In to z izvirno konfiguracijo Starlink: z manj optimizirano proizvodnjo, zagonom na Falconu in omejitvami prenosa podatkov – in samo s pokritostjo severnih Združenih držav. Izkazalo se je, da ima SpaceX nesporno prednost: danes lahko izstreli veliko bolj primeren satelit po 1-krat nižji ceni (na enoto) kot pri konkurentih. Starship bo prednost povečal za faktor 15, če ne še več, zato si ni težko predstavljati, da bi SpaceX do leta 100 izstrelil 2027 satelitov za manj kot milijardo dolarjev, večino tega pa bo zagotovil iz lastne denarnice.
Prepričan sem, da obstajajo bolj optimistične analize v zvezi z OneWeb in drugimi nadobudnimi razvijalci konstelacije, vendar še ne vem, kako delujejo.
Pred kratkim Morgan Stanley da bodo sateliti Starlink stali 1 milijon za montažo in 830 tisoč za izstrelitev. . Nenavadno je, da so številke podobne našim izračunom za porabo OneWeb in približno 10-krat višje od prvotne ocene Starlink. Uporaba Starship in komercialna proizvodnja satelitov bi lahko znižala stroške uvajanja satelitov na približno 35/enoto. In to je osupljivo nizka številka.
Ostaja zadnja točka - primerjati dobiček na 1 W sončne energije, proizvedene za Starlink. Glede na fotografije na njihovi spletni strani je solarni niz vsakega satelita velik približno 60 kvadratnih metrov. v povprečju ustvari približno 3 kW ali 4,5 kWh na obrat. Ocenjuje se, da bo vsaka orbita ustvarila 1000 USD, vsak satelit pa približno 220 USD na kWh. To je 10-krat več od veleprodajnih stroškov sončne energije, kar še enkrat potrjuje: . In mikrovalovna modulacija za prenos podatkov je pretiran dodaten strošek.
arhitektura
V prejšnjem razdelku sem precej grobo predstavil netrivialno pomemben del arhitekture Starlink - kako deluje z zelo neenakomerno gostoto prebivalstva planeta. Satelit Starlink oddaja fokusirane žarke, ki tvorijo lise na površini planeta. Naročniki znotraj spota si delijo eno pasovno širino. Dimenzije točke so določene s temeljno fiziko: na začetku je njena širina (višina satelita x mikrovalovna dolžina / premer antene), kar je za satelit Starlink v najboljšem primeru nekaj kilometrov.
V večini mest je gostota prebivalstva okoli 1000 ljudi/kv. km, ponekod pa je tudi večja. V nekaterih območjih Tokia ali Manhattna je lahko več kot 100 ljudi na mesto. Na srečo ima vsako tako gosto naseljeno mesto konkurenčen domači trg za širokopasovni internet, da ne omenjamo visoko razvitega omrežja mobilne telefonije. Kakor koli že, če je v danem trenutku nad mestom veliko satelitov iste konstelacije, je prepustnost mogoče povečati s prostorsko diverzifikacijo anten, pa tudi z razdelitvijo frekvenc. Z drugimi besedami, na desetine satelitov lahko usmeri najmočnejši žarek na eno točko, uporabniki v tej regiji pa bodo uporabili zemeljske terminale, ki bodo zahtevo razdelili med satelite.
Če so na začetnih stopnjah najprimernejši trg za prodajo storitev oddaljena, podeželska ali primestna območja, bodo sredstva za nadaljnje lansiranje prišla iz boljših storitev, posebej za gosto poseljena mesta. Scenarij je ravno nasproten standardnemu vzorcu širjenja trga, v katerem konkurenčne storitve, osredotočene na mesto, neizogibno utrpijo upad dobička, ko se poskušajo razširiti na revnejša in manj gosto poseljena območja.
Ko sem pred nekaj leti računal, .
Podatke sem vzel s te slike in sestavil 3 spodnje ploskve. Prvi prikazuje pogostost površine zemlje glede na gostoto prebivalstva. Najbolj zanimivo je, da večina Zemlje sploh ni naseljena, medtem ko skoraj nobena regija nima več kot 100 ljudi na kvadratni kilometer.
Drugi graf prikazuje pogostost ljudi glede na gostoto prebivalstva. In čeprav je večina planeta nenaseljena, večina ljudi živi na območjih, kjer je 100-1000 ljudi na kvadratni kilometer. Razširjena narava tega vrha (za red velikosti večji) odraža bimodalnost v vzorcih urbanizacije. 100 ljudi/kv.km. - to je razmeroma redko poseljeno podeželsko območje, medtem ko številka 1000 ljudi / kvadratni kilometer. značilnost predmestja. Mestna središča zlahka pokažejo 10 ljudi/kv.km, prebivalstvo Manhattna pa je 000 ljudi/kv.km.
Tretji graf prikazuje gostoto prebivalstva glede na zemljepisno širino. Vidi se, da so skoraj vsi ljudje skoncentrirani v območju od 20-40 stopinj severne zemljepisne širine. Tako se je na splošno razvil geografsko in zgodovinsko, saj velik del južne poloble zaseda ocean. Vendar je ta gostota prebivalstva zastrašujoč izziv za arhitekte skupine, kot sateliti preživijo enako količino časa na obeh hemisferah. Poleg tega bo satelit, ki kroži okoli Zemlje pod kotom, na primer 50 stopinj, preživel več časa bližje navedenim mejam zemljepisne širine. Zato Starlink potrebuje samo 6 orbit za oskrbo severa ZDA, medtem ko 24 za pokrivanje ekvatorja.
Dejansko, če združimo graf gostote prebivalstva z grafom gostote satelitske konstelacije, postane izbira orbit očitna. Vsak stolpčni graf predstavlja eno od štirih poročil SpaceX FCC. Osebno se mi zdi, da je vsako novo poročilo kot dodatek k prejšnjemu, v vsakem primeru pa ni težko videti, kako dodatni sateliti povečajo zmogljivost nad ustreznimi regijami na severni polobli. Nasprotno pa je na južni polobli impresivna količina neizkoriščene pasovne širine – veseli se, draga Avstralija!
Kaj se zgodi z uporabniškimi podatki, ko dosežejo satelit? V prvotni različici jih je satelit Starlink takoj poslal nazaj na namensko zemeljsko postajo v bližini servisnih območij. Ta konfiguracija se imenuje "direktni rele". V prihodnosti bodo lahko sateliti Starlink med seboj komunicirali preko laserja. Izmenjava podatkov bo dosegla vrhunec v gosto naseljenih mestih, vendar se lahko podatki porazdelijo po omrežju laserjev v dveh dimenzijah. V praksi to pomeni, da je v omrežju satelitov ogromno priložnosti za skriti backhaul, to je, da se uporabniški podatki lahko "retransmitirajo na Zemljo" na katerikoli primerni lokaciji. V praksi se mi zdi, da bodo zemeljske postaje SpaceX kombinirali z izven mest.
Izkazalo se je, da komunikacija med sateliti ni nepomembna naloga, če se satelita ne premikata skupaj. Najnovejša poročila FCC poročajo o 11 različnih satelitskih orbitalnih skupinah. Znotraj dane skupine se sateliti premikajo na enaki višini, pod enakim naklonom in z enako ekscentričnostjo, kar pomeni, da lahko laserji razmeroma enostavno najdejo satelite v neposredni bližini. Toda hitrosti približevanja med skupinami se merijo v km/s, zato naj komunikacija med skupinami, če je le mogoče, poteka prek kratkih, hitro nadzorovanih mikrovalovnih povezav.
Topologija orbitalne skupine je podobna teoriji valov in delcev svetlobe in v resnici ne velja za naš primer, vendar se mi zdi odlična, zato sem jo vključil v članek. Če vas ta razdelek ne zanima, preskočite neposredno na "Omejitve temeljne fizike".
Torus - ali krof - je matematični objekt, ki ga definirata dva polmera. Precej preprosto je narisati kroge na površini torusa: vzporedno ali pravokotno na njegovo obliko. Morda se vam bo zdelo zanimivo odkriti, da obstajata še dve družini krogov, ki ju je mogoče narisati na površino torusa in oba prehajata skozi luknjo v njegovem središču in okoli konture. To je t.i. , in to zasnovo sem uporabil, ko sem leta 2015 oblikoval toroid za Burning Man Tesla Coil.
In čeprav so orbite satelitov, strogo gledano, elipse, ne krogi, enaka konstrukcija velja za Starlink. Konstelacija 4500 satelitov na več orbitalnih ravninah, vsi pod istim kotom, tvori neprekinjeno premikajočo se plast nad zemeljsko površino. Proti severu obrnjena plast nad dano točko zemljepisne širine se obrne in premakne nazaj proti jugu. Da bi se izognili trkom, bodo orbite nekoliko podaljšane, tako da bo severno gibljiva plast nekaj kilometrov višja (ali nižja) od tiste, ki se giblje proti jugu. Obe plasti skupaj tvorita torus napihnjene oblike, kot je prikazano spodaj v zelo povečanem diagramu.
Naj vas spomnim, da znotraj tega torusa poteka komunikacija med sosednjimi sateliti. Na splošno ni neposrednih in dolgoročnih povezav med sateliti v različnih slojih, saj so stopnje konvergence za lasersko vodenje previsoke. Pot prenosa podatkov med plastmi poteka nad ali pod torusom.
Skupaj 30 satelitov bo lociranih v 000 ugnezdenih torusih daleč za orbito ISS! Ta diagram prikazuje, kako so vse te plasti zapakirane, brez pretirane ekscentričnosti.
In končno, razmislite o optimalni višini leta. Obstaja dilema: nizka nadmorska višina, ki daje večjo prepustnost z manjšimi žarki, ali velika nadmorska višina, ki vam omogoča, da pokrijete ves planet z manj sateliti? Sčasoma so poročila SpaceX-a FCC govorila o vedno nižjih nadmorskih višinah, ko se Starship izboljšuje, da bi omogočil hitrejšo namestitev večjih ozvezdij.
Nizka nadmorska višina ima tudi druge prednosti, vključno z zmanjšanim tveganjem za nastanek vesoljskih odpadkov ali negativnih učinkov okvare opreme. Zaradi povečanega atmosferskega upora bodo najnižji sateliti Starlink (330 km) izgoreli v nekaj tednih po izgubi nadzora položaja. Dejansko je 300 km višina, na kateri sateliti skoraj nikoli ne letijo, vzdrževanje višine pa bo zahtevalo vgrajen električni raketni motor Krypton, pa tudi poenostavljeno zasnovo. Teoretično lahko satelit dokaj koničaste oblike, ki ga poganja električni raketni motor, vzdržuje stabilno višino 160 km, vendar SpaceX verjetno ne bo izstrelil satelitov tako nizko, ker je na voljo še nekaj trikov za povečanje prepustnosti.
Omejitve temeljne fizike
Zdi se malo verjetno, da bodo cene uvajanja satelitov kdaj padle precej pod 35 $, tudi če je proizvodnja napredna in popolnoma avtomatizirana in so ladje Starship popolnoma ponovno uporabne, in še ni povsem znano, kakšne omejitve bo fizika naložila satelitu. Zgornja analiza predvideva najvišjo prepustnost 80 Gb/s. (če je zaokroženo na 100 žarkov, od katerih je vsak sposoben prenašati 100 Mb / s).
Omejitev pasovne širine kanala je nastavljena na in je podan v statistiki pasovne širine (1+SNR). Pasovna širina je pogosto omejena , medtem ko je SNR razpoložljiva satelitska energija, hrup v ozadju in motnje kanala zaradi . Druga pomembna ovira je hitrost obdelave. Najnovejši Xilinx Ultrascale+ FPGA imajo , kar je dobro glede na trenutne omejitve pasovne širine brez razvoja ASIC-jev po meri. Toda tudi takrat 58 Gb / s. zahteva impresivno frekvenčno porazdelitev, najverjetneje v Ka-pasu ali V-pasu. V (40–75 GHz) ima bolj dostopne cikle, vendar je podvržen večji absorpciji v ozračju, zlasti na območjih z visoko vlažnostjo.
Ali je 100 žarkov praktičnih? Ta problem ima dva vidika: širino snopa in gostoto elementov faznega niza. Širina žarka je določena z valovno dolžino, deljeno s premerom antene. Digitalni fazni antenski niz je še vedno specializirana tehnologija, vendar so največje uporabne mere določene s širino (cca. 1m), uporaba radiofrekvenčnih komunikacij pa je dražja. Širina valov v Ka-pasu je približno 1 cm, medtem ko mora biti širina žarka 0,01 radiana - s širino spektra 50% amplitude. Ob predpostavki, da je žarkovni kot žarka 1 steradian (podobno pokritosti 50-milimetrskega objektiva kamere), bi v tem območju zadostovalo 2500 posameznih žarkov. Linearnost pomeni, da bi 2500 žarkov zahtevalo najmanj 2500 antenskih elementov znotraj niza, kar je načeloma izvedljivo, čeprav težko. In vse bo zelo vroče!
Skupaj 2500 kanalov, od katerih vsak podpira 58 Gb / s, je ogromna količina informacij - če približno, potem 145 Tb / s. Za primerjavo, ves internetni promet v letu 2020 . Dobra novica za tiste, ki jih skrbi bistveno nizka pasovna širina satelitskega interneta. Če bo do leta 30 delovala konstelacija 000 satelitov, bo globalni internetni promet potencialno dosegel 2026 Tb/s. Če polovico tega dostavi približno 800 satelitov nad gosto poseljenimi območji v danem trenutku, potem je največja prepustnost na satelit približno 500 Gb/s, kar je 800-krat več od naše prvotne osnovne ocene, tj. priliv financ se potencialno poveča za 10-krat.
Za satelit v orbiti 330 km pokriva žarek 0,01 radiana površino 10 kvadratnih kilometrov. Na posebej gosto poseljenih območjih, kot je Manhattan, živi na tem območju do 300 ljudi. Kaj pa, če vsi hkrati sedejo in gledajo Netflix (000 Mbps v kakovosti HD)? Skupna podatkovna zahteva bo 7 GB/s, kar je približno 2000-kratnik trenutne trde omejitve, ki jo nalaga serijski izhod FPGA. Iz te situacije obstajata dva izhoda, od katerih je samo eden fizično mogoč.
Prvi je v orbito postaviti več satelitov, tako da jih bo v vsakem trenutku več kot 35 kosov viselo nad območji povečanega povpraševanja. Če ponovno vzamemo 1 steradian za razumno naslovljivo območje neba in povprečno orbitalno višino 400 km, dobimo gostoto ozvezdja 0,0002/sq km ali skupaj 100 - če so enakomerno porazdeljeni po celotni površini sveta. Spomnimo se, da SpaceX-ove izbrane orbite močno povečajo pokritost nad gosto poseljenimi območji znotraj 000-20 stopinj severne zemljepisne širine in zdaj se zdi številka 40 satelitov čarobna.
Druga ideja je veliko bolj kul, a na žalost neuresničljiva. Spomnimo se, da je širina snopa določena s širino faznega antenskega niza. Kaj pa, če veliko nizov na več satelitih združi moči in ustvari ožji žarek – tako kot enaki radijski teleskopi (zelo velik antenski sistem)? Ta metoda ima eno težavo: osnovo med sateliti bo treba natančno izračunati - s submilimetrsko natančnostjo -, da se stabilizira faza žarka. In tudi če bi bilo to mogoče, bi nastali žarek zaradi nizke gostote satelitske konstelacije na nebu komaj vseboval stranske režnje. Na tleh bi se širina snopa zožila na nekaj milimetrov (dovolj za sledenje anteni mobilnega telefona), a bi jih bilo zaradi šibkega vmesnega ničenja na milijone. Hvala vam .
Izkazalo se je, da ločevanje kanalov z ločevanjem kotov - ker so sateliti razporejeni po nebu - zagotavlja ustrezne izboljšave v prepustnosti brez kršitve fizikalnih zakonov.
Uporaba
Kaj je profil stranke Starlink? Privzeto je to na stotine milijonov uporabnikov, ki imajo na svojih strehah antene v velikosti škatle za pico, vendar obstajajo tudi drugi viri visokih prihodkov.
Na oddaljenih in podeželskih območjih zemeljske postaje ne potrebujejo faznih antenskih nizov za povečanje širine snopa, zato je mogoče uporabiti manjšo uporabniško opremo, od sledilcev sredstev interneta stvari do žepnih satelitskih telefonov, svetilnikov v sili ali znanstvenih instrumentov za sledenje živali.
V gosto naseljenih mestnih okoljih bo Starlink zagotovil primarno in rezervno povratno povezavo za mobilno omrežje. Vsak celični stolp bi lahko imel visoko zmogljivo zemeljsko postajo na vrhu, vendar bi za ojačanje in prenos v zadnjem kilometru uporabljal zemeljske vire energije.
In končno, tudi v območjih z veliko ljudi med prvo uvedbo obstaja možnost uporabe nizkoorbitalnih satelitov z izjemno minimalno zamudo. Finančne družbe same dajejo veliko denarja v vaše roke – le malo hitreje, da pridobite pomembne podatke z vsega sveta. In čeprav bodo imeli podatki prek Starlinka daljšo pot kot običajno – skozi vesolje – je hitrost širjenja svetlobe v vakuumu za 50 % večja kot v kremenčevem steklu, kar več kot poplača razliko pri prenosu na daljše razdalje.
Negativni učinki
Zadnji del je posvečen negativnim posledicam. Namen članka je, da vas znebimo napačnih predstav o projektu, največ pa povzročijo morebitne negativne posledice sporov. Podal bom nekaj informacij, pri čemer se bom vzdržal nepotrebnih interpretacij. Še vedno nisem jasnovidec in tudi nimam insajderjev iz SpaceX-a.
Najbolj, po mojem mnenju, najhujše posledice ima povečan dostop do interneta. Tudi v mojem rojstnem mestu Pasadena, živahnem in tehnološko bogatem mestu z več kot milijonom prebivalcev, kjer je več observatorijev, univerza svetovnega razreda in največja NASA-ina ustanova, je izbira omejena, ko gre za internetne storitve. Po vsej ZDA in preostalem svetu je internet postal komunalna storitev, ki išče najemnino, pri čemer ponudniki internetnih storitev samo iztisnejo svojih 50 milijonov dolarjev na mesec v prijetnem, nekonkurenčnem okolju. Morda je vsaka storitev, dobavljena stanovanjem in stanovanjskim stavbam, skupno stanovanje, vendar je kakovost internetnih storitev slabša od vode, elektrike ali plina.
Težava obstoječega stanja je, da je internet za razliko od vode, elektrike ali plina še mlad in se hitro razvija. Zanj nenehno iščemo nove načine uporabe. Najbolj revolucionarno še vedno ni odprto, a paketni načrti dušijo možnost konkurence in inovacij. Milijarde ljudi so zapuščene zaradi okoliščin rojstva ali ker je njihova država predaleč od glavnega podmorskega kabla. V velikih regijah planeta internet še vedno zagotavljajo geostacionarni sateliti po oderuških cenah.
Starlink pa na drugi strani, ki nenehno distribuira internet z neba, krši ta model. Ne poznam še nobenega drugega boljšega načina za povezovanje milijard ljudi z internetom. SpaceX je na dobri poti, da postane ponudnik internetnih storitev in potencialno internetno podjetje, ki tekmuje z Googlom in Facebookom. Stavim, da na to nisi pomislil.
Da je satelitski internet najboljša možnost, ni očitno. SpaceX, in samo SpaceX, je v položaju, da hitro ustvari obsežno konstelacijo satelitov, ki je sama ubila desetletje, da bi prekinila vladno-vojaški monopol nad izstrelitvijo vesoljskih plovil. Tudi če bi Iridium za desetkrat presegel prodajo mobilnih telefonov, še vedno ne bi dosegel široke uporabe s tradicionalnimi lansirnimi ploščami. Brez SpaceX-a in njegovega edinstvenega poslovnega modela obstaja velika verjetnost, da globalnega satelitskega interneta preprosto ne bo nikoli.
Drugi večji udarec bo doživela astronomija. Po izstrelitvi prvih 60 satelitov Starlink se je vsul val kritik mednarodne astronomske skupnosti, češ da jim bo večkratno povečano število satelitov onemogočilo dostop do nočnega neba. Obstaja pregovor: med astronomi je bolj kul tisti, ki ima večji teleskop. Brez pretiravanja je ukvarjanje z astronomijo v sodobnem času izjemno težka naloga, ki spominja na nenehen boj za izboljšanje kakovosti analize ob naraščajočem svetlobnem onesnaževanju in drugih virih hrupa.
Zadnja stvar, ki jo potrebuje astronom, je na tisoče svetlih satelitov, ki utripajo v žarišču teleskopa. Dejansko je bilo prvotno ozvezdje Iridium razvpito po tem, da je "cvetelo" zaradi velikih plošč, ki so odbijale sončno svetlobo na majhnih delih Zemlje. Zgodilo se je, da so dosegli sij četrtine Lune in včasih celo pomotoma poškodovali občutljive astronomske senzorje. Strah, da bo Starlink napadel radijske pasove, ki se uporabljajo v radijski astronomiji, tudi ni neutemeljen.
Če prenesete aplikacijo za satelitsko sledenje, lahko ob jasnem večeru vidite na desetine satelitov, ki letijo po nebu. Sateliti so vidni po sončnem zahodu in pred zoro, vendar le, ko so obsijani s sončnimi žarki. Kasneje, ponoči, so sateliti nevidni v Zemljini senci. Majhne, izjemno oddaljene, premikajo se zelo hitro. Obstaja možnost, da bodo zakrili oddaljeno zvezdo za manj kot milisekundo, vendar mislim, da je že zaznavanje tega še en hemoroid več.
Močna zaskrbljenost zaradi nebesnih izbruhov se je rodila iz dejstva, da je bila plast satelitov prve izstrelitve postavljena blizu zemeljskega terminatorja, tj. noč za nočjo je Evropa - bilo je poletje - opazovala epsko sliko satelitov, ki so v večernem mraku leteli po nebu. Poleg tega so simulacije, ki temeljijo na poročilih FCC, pokazale, da bodo sateliti v orbiti 1150 km vidni tudi po astronomskem somraku. Na splošno gre mrak skozi tri stopnje: civilno, pomorsko in astronomsko, tj. ko je sonce 6, 12 oziroma 18 stopinj pod obzorjem. Ob koncu astronomskega somraka so sončni žarki približno 650 km od površja v zenitu, daleč zunaj atmosfere in večine nizke Zemljine orbite. Na podlagi podatkov iz , verjamem, da bodo vsi sateliti postavljeni na višino pod 600 km. V tem primeru jih je mogoče videti v mraku, ne pa tudi po noči, kar bo bistveno zmanjšalo morebitne posledice za astronomijo.
Tretji problem so odpadki v orbiti. IN Poudaril sem, da bi sateliti in odpadki pod 600 km izstopili iz orbite v nekaj letih zaradi atmosferskega upora, kar bi močno zmanjšalo možnost Kesslerjevega sindroma. SpaceX se ubada z umazanijo, kot da jim je za vesoljsko smeti sploh vseeno. Tukaj gledam podrobnosti o implementaciji Starlinka in težko si predstavljam boljši način za zmanjšanje količine odpadkov v orbiti.
Sateliti se izstrelijo do višine 350 km, nato pa na vgrajenih motorjih odletijo v predvideno orbito. Vsak satelit, ki umre ob izstrelitvi, bo v nekaj tednih izstopil iz orbite in tisoče let ne bo nikjer drugje. Ta umestitev strateško vključuje testiranje za brezplačen vstop. Poleg tega so sateliti Starlink ploščati v prerezu, kar pomeni, da z izgubo nadzora nad nadmorsko višino vstopijo v goste plasti atmosfere.
Malo ljudi ve, da je SpaceX postal pionir v astronavtiki, saj je začel uporabljati alternativne vrste montaže namesto kljukov. Skoraj vse izstrelitvene ploščadi uporabljajo kljukice, ko razporejajo stopnje, satelite, kupole itd., kar povečuje možnost za odpadke. SpaceX tudi namerno odstrani zgornje stopnje iz orbite, s čimer jim prepreči, da bi za vedno obvisele v vesolju, tako da ne propadejo in razpadejo v surovem vesoljskem okolju.
Nazadnje, zadnje vprašanje, ki bi ga rad omenil, je možnost, da bo SpaceX nadomestil obstoječi internetni monopol z ustvarjanjem lastnega. V svoji niši je SpaceX že monopoliziral izstrelitve. Samo želja konkurenčnih vlad po zajamčenem dostopu do vesolja preprečuje, da bi bile drage in zastarele rakete, ki jih pogosto sestavljajo veliki monopolni obrambni izvajalci, odpadle.
Ni si težko predstavljati, da bi SpaceX leta 2030 izstrelil 6000 svojih satelitov na leto, plus nekaj vohunskih satelitov za dobro mero. Poceni in zanesljivi sateliti SpaceX bodo prodajali "prostor v omari" za naprave tretjih oseb. Vsaka univerza, ki izdela vesoljsko kamero, jo lahko postavi v orbito, ne da bi morala pokriti stroške gradnje celotne vesoljske platforme. S tako naprednim in neomejenim dostopom do vesolja se Starlink že povezuje s sateliti, zgodovinski proizvajalci pa postajajo preteklost.
V zgodovini obstajajo primeri vizionarskih podjetij, ki so zasedla tako veliko nišo na trgu, da so njihova imena postala domača: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Težava lahko nastane, ko se pionirsko podjetje ukvarja s protikonkurenčnimi praksami, da bi ohranilo svoj tržni delež, čeprav je bilo to pogosto dovoljeno že od predsednika Reagana. SpaceX bi lahko obdržal Starlinkov monopol tako, da bi druge razvijalce ozvezdij prisilil k izstrelitvi satelitov na starih sovjetskih raketah. Izvedeni podobni ukrepi , skupaj z določanjem cen za prevoz pošte, ga je leta 1934 pripeljal do propada. Na srečo SpaceX verjetno ne bo za vedno ohranil absolutnega monopola nad raketami za večkratno uporabo.
Še bolj zaskrbljujoče je, da bi lahko SpaceX postavil na desettisoče nizkoorbitalnih satelitov zasnovan kot skupna izbira. Nekoč javne in nezasedene orbitalne položaje si zasebna družba za osebne koristi prilasti v trajno last. In medtem ko so inovacije SpaceX-a omogočile dejansko služenje denarja v vakuumu, je bil velik del intelektualnega kapitala SpaceX-a zgrajen z milijardami dolarjev proračunov za raziskave.
Po eni strani potrebujemo zakone, ki bodo ščitili sredstva zasebnih naložb, raziskav in razvoja. Brez te zaščite inovatorji ne bodo mogli financirati ambicioznih projektov ali pa bodo svoja podjetja preselili tja, kjer jim je taka zaščita zagotovljena. Vsekakor trpi javnost, ker se dobiček ne ustvarja. Po drugi strani pa so potrebni zakoni za zaščito ljudi, nominalnih lastnikov javne domene, vključno z nebom, pred renteiškimi zasebnimi subjekti, ki si prilaščajo javne dobrine. Samo po sebi nobeno ni res ali celo mogoče. Razvoj SpaceX ponuja priložnost, da najdemo srečen medij na tem novem trgu. To bomo spoznali, ko bomo povečali pogostost inovacij in ustvarjanje družbene blaginje.
Končne misli
Ta članek sem napisal takoj, ko sem dokončal drugega - . Bil je vroč teden. Tako Starship kot Starlink sta revolucionarni tehnologiji, ki nastajata tik pred našimi očmi, v naših življenjih. Če bom videl svoje vnuke odraščati, bodo bolj presenečeni, da sem starejši od Starlinka, in ne, da v mojem otroštvu ni bilo mobilnega (muzejski deli) ali javnega interneta samega po sebi.
Bogati in vojska že dolgo uporabljajo satelitski internet, vendar vseprisoten, generični in poceni Starlink preprosto ni mogoč brez Starshipa.
O izstrelitvi se govori že dolgo, a Starshipa, ki je precej poceni in zato zanimiva platforma, brez Starlinka ne gre.
O astronavtiki s posadko se govori že dolgo in če... potem imaš zeleno luč. S Starshipom in Starlinkom je človekovo raziskovanje vesolja dosegljiva bližnja prihodnost, le streljaj od orbitalne postaje do industrializiranih mest v globokem vesolju.
Vir: www.habr.com