Den här artikeln är från en serie om .
– SpaceX:s plan att distribuera internet genom tiotusentals satelliter är huvudämnet i rymdpressen. Artiklar om de senaste prestationerna publiceras varje vecka. Om i allmänhet schemat är tydligt, men efter att ha läst , en välmotiverad person (säg, med vänliga hälsningar) kan gräva fram många detaljer. Men det finns fortfarande många missuppfattningar förknippade med denna nya teknik, även bland upplysta observatörer. Det är inte ovanligt att se artiklar som jämför Starlink med OneWeb och Kuiper (bland andra) som om de konkurrerade på lika villkor. Andra författare, tydligt oroade över planetens bästa, skriker om rymdskräp, rymdlag, standarder och astronomis säkerhet. Jag hoppas att läsaren efter att ha läst denna - ganska långa - artikel kommer att bättre förstå och känna idén med Starlink.
berörde oväntat ett känsligt ackord i mina få läsares själar. I den förklarade jag hur Starship skulle sätta SpaceX i täten under lång tid och samtidigt ge en mekanism för ny rymdutforskning. Innebörden är att den traditionella satellitindustrin inte kan hålla jämna steg med SpaceX, som stadigt ökar kapaciteten och sänker kostnaderna för Falcon-familjen av raketer, vilket försätter SpaceX i en svår position. Å ena sidan bildade det en marknad värd i bästa fall flera miljarder om året. Å andra sidan tände det i sig en obotlig aptit på pengar - för byggandet av en enorm raket, på vilken det dock nästan inte finns någon att skicka till Mars, och ingen omedelbar vinst kan förväntas.
Lösningen på detta tvillingproblem är Starlink. Genom att montera och skjuta upp sina egna satelliter kan SpaceX skapa och definiera en ny marknad för högeffektiv och demokratiserad tillgång till rymdbaserad kommunikation, säkra finansiering för att bygga en raket innan den dränker företaget och höja dess ekonomiska värde till biljoner. Underskatta inte omfattningen av Elons ambitioner. Totalt finns det inte så många branscher där biljoner dollar snurrar: energi, höghastighetstransporter, kommunikationer, IT, sjukvård, jordbruk, myndigheter, försvar. Trots vanliga missuppfattningar, , и Verksamheten är inte lönsam. Elon har invaderat energibranschen med sin Tesla, men endast telekommunikation kommer att ge en pålitlig och rymlig marknad för satelliter och raketuppskjutningar.
För första gången vände Elon Musk blicken mot rymden när han ville donera 80 miljoner dollar till ett uppdrag att odla växter på en sond från Mars. Det skulle förmodligen kosta 100 000 gånger mer att bygga en stad på Mars, så Starlink är Musks främsta satsning för att säkra ett hav av välbehövliga sponsorpengar. .
För vad?
Jag har planerat den här artikeln länge, men först förra veckan hade jag en komplett bild. Sedan gav SpaceX-president Gwynne Shotwell Rob Baron en fantastisk intervju, som han senare täckte för CNBC i en fantastisk Michael Schitz, och som de tillägnade sig . Den här intervjun visade en enorm skillnad i tillvägagångssätten för satellitkommunikation mellan SpaceX och alla andra.
Koncept föddes 2012, när SpaceX insåg att deras kunder - mestadels satellitleverantörer - hade enorma reserver av pengar. Avfyrningsplattorna höjer priserna för att distribuera satelliter och på något sätt går de miste om ett steg i arbetet - hur kommer det sig? Elon drömde om att skapa en satellitkonstellation för Internet och, oförmögen att motstå en nästan omöjlig uppgift, snurrade processen. Starlink utveckling , men i slutet av den här artikeln kommer du, min läsare, förmodligen att bli förvånad över hur små dessa svårigheter egentligen är, med tanke på idéns omfattning.
Är en sådan enorm gruppering verkligen nödvändig för Internet? Och varför nu?
Det är bara i mitt minne som Internet har utvecklats från rent akademiskt skämt till den första och enda revolutionerande infrastrukturen. Detta är inte ett ämne som är värt att ägna sig åt i en lång artikel, men jag kommer att anta att globalt sett kommer behovet av internet och inkomsterna som det genererar att fortsätta växa med cirka 25% per år.
Idag får nästan alla av oss internet från ett litet antal geografiskt isolerade monopol. I USA har AT&T, Time Warner, Comcast och en handfull mindre aktörer delat upp territoriet för att undvika konkurrens, slåss tre skinn om tjänster och bada i strålarna av nästan universellt hat.
Internetleverantörer har en bra anledning till icke-konkurrensbeteende, förutom alltförtärande girighet. Att bygga infrastrukturen för internet – mikrovågscellstorn och fiberoptik – är väldigt, väldigt dyrt. Det är lätt att glömma Internets underbara natur. Min mormor gick först till jobbet under andra världskriget som signalman, och sedan tävlade telegrafen om den strategiska ledande rollen med brevduvor! För de flesta av oss är informationsmotorvägen något tillfälligt, immateriellt, men bitar färdas genom den fysiska världen, som har gränser, floder, berg, hav, stormar, naturkatastrofer och andra hinder. Redan 1996, när den första fiberoptiska linjen lades på havsbotten, . Med sin kännetecknande skarpa stil beskriver han livfullt den blotta kostnaden och komplexiteten av att lägga dessa linjer, längs vilka sedan de förbannade "kotegas" fortfarande bärs ändå. Under större delen av 2000-talet drogs kabeln så mycket att kostnaderna för utbyggnaden var häpnadsväckande.
En gång arbetade jag i ett optiskt laboratorium och (om minnet fungerar) slog vi rekordet för den tiden genom att utfärda en multiplexöverföringshastighet på 500 Gb/s. Elektroniska begränsningar gjorde att varje fiber kunde laddas med 0,1 % av den teoretiska bandbredden. Femton år senare är vi redo att överskrida tröskeln: om dataöverföringen går utöver den kommer fibern att smälta, och vi är redan väldigt nära detta.
Men det är nödvändigt att höja dataflödet över den syndiga jorden - ut i rymden, där satelliten flyger runt "bollen" 30 000 gånger på fem år. En uppenbar, verkar det som, lösning - så varför tog ingen det tidigare?
Iridium-konstellationen av satelliter, utvecklad och utplacerad i början av 1990-talet av Motorola (kommer du fortfarande ihåg dem?), blev det första globala kommunikationsnätverket med låg omloppsbana (som frestande beskrivs i ). När den distribuerades var nischförmågan att dirigera små datapaket från tillgångsspårare dess enda användning: mobiltelefoner var så billiga att satellittelefoner aldrig kom in. Iridium hade 66 satelliter (plus några fler reservdelar) i 6 omloppsbanor - den lägsta uppsättningen för att täcka hela planeten.
Om 66 satelliter räckte för Iridium, varför behövde SpaceX tiotusentals? Varför är hon så annorlunda?
SpaceX gick in i den här verksamheten från den motsatta änden - det började med lanseringar. Blev en pionjär inom området för bevarande av bärraketer och tog därmed marknaden för billiga avfyrningsramper. Att försöka överbjuda dem med ett lägre pris kommer inte att tjäna mycket pengar, så det enda sättet att tjäna på deras överkapacitet är att bli kund. SpaceX-utgifter för att skjuta upp sina egna satelliter - (per 1 kg) Iridium, och därför kan de komma in på en mycket bredare marknad.
Starlinks världsomspännande täckning ger dig tillgång till högkvalitativt internet var som helst i världen. För första gången beror tillgången på Internet inte på närheten till ett land eller en stad till en optisk fiberlinje, utan på renheten på himlen ovanför. Användare runt om i världen kommer att ha tillgång till ett globalt internet fritt från bojor, oavsett deras egna varierande grad av dåliga och/eller oärliga statliga monopol. Starlinks förmåga att bryta dessa monopol katalyserar en positiv förändring av otrolig omfattning som äntligen kommer att förena miljarder människor i framtidens globala cybernetiska gemenskap.
En liten lyrisk utvikning: vad betyder detta ens?
För människor som växer upp idag i en era av allestädes närvarande anslutningar är internet som luften vi andas. Han bara är. Men detta - om du glömmer hans otroliga kraft att åstadkomma positiva förändringar - och vi är redan i deras centrum. Med hjälp av internet kan människor ställa sina ledare till svars, kommunicera med andra människor på andra sidan jorden, dela tankar, hitta på något nytt. Internet förenar mänskligheten. Uppgraderingarnas historia är historien om utvecklingen av datadelningsmöjligheter. Först genom tal och episk poesi. Sedan - på ett brev som ger röst åt de döda, och de vänder sig till de levande; skrivning gör att data kan lagras och möjliggör asynkron kommunikation. Den tryckta pressen har satt igång nyhetsproduktion. Elektronisk kommunikation - har påskyndat överföringen av data runt om i världen. Personliga anteckningsenheter har gradvis blivit mer komplexa och utvecklats från bärbara datorer till mobiltelefoner, som var och en är en internetansluten dator, fylld med sensorer och för varje dag som blir bättre på att förutsäga våra behov.
En person som använder skrift och en dator i kognitionsprocessen har en bättre chans att övervinna begränsningarna hos en ofullständigt utvecklad hjärna. Ännu mer uppmuntrande är mobiltelefoner både kraftfulla lagringsenheter och en mekanism för att utbyta idéer. Om tidigare människor, som delade tankar, förlitade sig på talet som de skissade i anteckningsböcker, är det idag normen om anteckningsböcker själva delar idéer som människor har genererat. Det traditionella systemet har genomgått en inversion. Den logiska fortsättningen av processen är någon form av kollektiv metakognition, genom personliga enheter, och relaterade till varandra. Även om vi fortfarande kan vara nostalgiska efter förlorad kontakt med naturen och ensamhet, är det viktigt att komma ihåg att teknik och teknik ensam är ansvarig för lejonparten av vår befrielse från de "naturliga" cyklerna av okunnighet, för tidig död (som kan undvikas) , våld, hunger och karies.
Hur?
Låt oss prata om Starlink-projektets affärsmodell och arkitektur.
För att Starlink ska bli ett lönsamt företag måste inflödet av medel överstiga kostnaderna för konstruktion och drift. Traditionellt har kapitalinvesteringar inneburit ökade startkostnader, användning av sofistikerade specialiserade finansierings- och försäkringsmekanismer och allt för att skjuta upp en satellit. En geostationär kommunikationssatellit kan kosta 500 miljoner dollar och ta fem år att bygga och lansera. Därför bygger företag inom detta område samtidigt jetfartyg eller containerfartyg. Enorma utgifter, ett inflöde av medel som knappt täcker finansieringskostnaderna och en relativt liten driftsbudget. Däremot var misslyckandet med det ursprungliga Iridium att Motorola tvingade operatören att betala en mördande licensavgift, vilket gjorde företaget i konkurs på bara några månader.
För att driva en sådan verksamhet var traditionella satellitföretag tvungna att betjäna privatkunder och ta ut höga datahastigheter. Flygbolag, avlägsna utposter, fartyg, krigszoner och viktiga infrastrukturplatser betalar cirka 5 USD per MB, vilket är 1 5000 gånger kostnaden för traditionell ADSL, trots datafördröjning och relativt låg satellitbandbredd.
Starlink planerar att konkurrera med markbundna tjänsteleverantörer, vilket innebär att de måste leverera data billigare och, idealiskt, ta mycket mindre än $ 1 per 1 MB. Är det möjligt? Eller, eftersom detta är möjligt, bör man fråga sig: hur är detta möjligt?
Den första ingrediensen i den nya rätten är en billig lansering. Idag säljer Falcon en lansering på 24 ton för cirka 60 miljoner dollar, vilket är 2500 1 dollar per kg. Det visar sig dock att det finns mycket mer interna kostnader. Starlink-satelliter kommer att skjutas upp på återanvändbara bärraketer, så marginalkostnaden för en enstaka uppskjutning är kostnaden för en ny andra etapp (någonstans runt 4 miljoner USD), kåpor (1 miljon) och markstöd (~1 miljon). Totalt: cirka 100 tusen dollar för en satellit, d.v.s. mer än 1000 XNUMX gånger billigare än att skjuta upp en konventionell kommunikationssatellit.
De flesta Starlink-satelliter kommer dock att skjutas upp på Starship. Faktum är att utvecklingen av Starlink, som uppdaterade rapporter till FCC visar, ger en del projektets interna arkitektur. Det totala antalet satelliter i konstellationen växte från 1 584 till 2 825, sedan till 7 518 och slutligen till 30 000. Om man ska tro bruttoinvesteringar är siffran ännu högre. Minsta antalet satelliter för det första utvecklingsstadiet för att projektet ska vara genomförbart är 60 i 6 omloppsbanor (totalt 360), medan full täckning inom 53 grader från ekvatorn kräver 24 omloppsbanor med 60 satelliter (totalt 1440). Det är 24 lanseringar för Falcon för cirka 150 miljoner dollar i interna utgifter. Starship, å andra sidan, är designat för att skjuta upp upp till 400 satelliter åt gången, för ungefär samma pris. Starlink-satelliter måste bytas ut vart femte år, så 5 6000 satelliter skulle kräva 15 uppskjutningar av Starship per år. Det kommer att kosta cirka 100 miljoner/år, eller 15 tusen/satellit. Varje Falcon-satellit väger 227 kg; satelliter som lyfts på Starship kan väga 320 kg och bära tredjepartsenheter, vara något större och ändå inte överstiga den tillåtna belastningen.
Vad kostar satelliter? Bland bröder är Starlink-satelliter något ovanliga. De monteras, lagras och lanseras platta och är därför exceptionellt lätta att massproducera. Som erfarenheten visar bör produktionskostnaden ungefär vara lika med kostnaden för bärraketen. Om skillnaden i pris är stor innebär det att resurser inte allokeras korrekt, eftersom den omfattande minskningen av marginalkostnaderna samtidigt som kostnaderna minskar inte är så stor. Är det verkligen 100 tusen dollar per satellit med den första batchen på flera hundra? Med andra ord, är en Starlink-satellit i en enhet inte mer komplex än en maskin?
För att helt besvara denna fråga måste du förstå varför kostnaden för en kretsande kommunikationssatellit är 1000 gånger högre, även om det inte är 1000 gånger mer komplicerat. För att uttrycka det helt enkelt, varför är rymdhårdvara så dyr? Det finns många anledningar till detta, men det mest övertygande i det här fallet är detta: om det kostar mer än 100 miljoner att skjuta upp en satellit i omloppsbana (före Falcon) måste den garanteras fungera i många år - för att få åtminstone några vinst. Att säkerställa sådan tillförlitlighet i driften av den första och enda produkten är en smärtsam process och kan dra ut på tiden, vilket kräver ansträngningar från hundratals människor. Lägg därtill kostnaden så är det lätt att motivera de extra processerna när det redan är dyrt att lansera.
Starlink bryter det paradigmet genom att bygga hundratals satelliter, snabbt åtgärda tidiga designbrister och ta in massproduktionstekniker för att hantera kostnaderna. Det är lätt för mig att personligen föreställa mig en Starlink-pipeline där en tekniker integrerar något nytt i designen och fäster allt med ett plastband (naturligtvis på NASA-nivå) på en timme eller två, och bibehåller den ersättningshastighet som krävs på 16 satelliter/dag. En Starlink-satellit består av många intrikata delar, men jag ser ingen anledning till varför kostnaden för en tusendels enhet som kommer från löpande bandet inte kan sänkas till 20 XNUMX. Faktum är att i maj skrev Elon på Twitter att kostnaden för att tillverka en satellit är redan lägre än kostnaden för uppskjutning.
Låt oss ta det genomsnittliga fallet och analysera återbetalningstiden genom att avrunda siffrorna. En Starlink-satellit, som kostar 100 5 att montera och skjuta upp, har varit i drift i XNUMX år. Kommer det att betala sig själv, och i så fall hur snart?
Om 5 år kommer Starlink-satelliten att cirkla runt jorden 30 000 gånger. I var och en av dessa en och en halv timmes banor kommer han att tillbringa större delen av tiden över havet och förmodligen 100 sekunder över en tätbefolkad stad. I detta korta fönster sänder han data, i all hast för att tjäna pengar. Förutsatt att antennen stöder 100 strålar, och varje stråle sänder 100 Mbps, med en modern kodning som , då genererar satelliten 1000 1 USD i vinst per omloppsbana - till ett prenumerationspris på 1 USD per 100 GB. Det räcker för att betala av en implementeringskostnad på 29 900 USD på en vecka och förenklar kapitalstrukturen mycket. Resterande XNUMX XNUMX varv är vinst minus fasta kostnader.
Uppskattade siffror kan variera mycket, och i båda riktningarna. Men i alla fall, om du kan sätta en kvalitetskonstellation av satelliter i låg omloppsbana för 100 000 - eller till och med för 1 miljon / enhet - är detta en seriös applikation. Även med en löjligt kort användningstid kan en Starlink-satellit leverera 30 Pb data under sin livstid - till en amorterad kostnad av $0,003 per GB. Samtidigt, vid sändning över längre avstånd, ökar praktiskt taget inte marginalkostnaderna.
För att förstå betydelsen av denna modell, låt oss snabbt jämföra den med två andra modeller för att leverera data till konsumenter: den traditionella fiberoptiska kabeln och satellitkonstellationen som erbjuds av ett företag som inte är specialiserat på satellituppskjutningar.
som förbinder Frankrike och Singapore togs i drift 2005. Bandbredd - 1,28 Tb/s, distributionskostnad - 500 miljoner dollar. Om den körs med 10 % kapacitet i 100 år, och de allmänna kostnaderna är 100 % av kapitalkostnaderna, blir överföringspriset 0,02 USD per 1 GB. Transatlantiska kablar är kortare och något billigare, men undervattenskabeln är bara en enhet i en lång rad människor som vill ha pengar för dataöverföringar. Den genomsnittliga uppskattningen för Starlink är 8 gånger billigare, och samtidigt har de "all inclusive".
Hur är detta möjligt? Starlink-satelliten innehåller alla de komplexa elektroniska växlingsgrejer som behövs för att länka fiberoptiska kablar, bara den använder vakuum istället för dyr och ömtålig tråd för dataöverföring. Rymdöverföring minskar antalet mysiga och föråldrade monopol, vilket gör att användare kan kommunicera med ännu mindre hårdvara.
Jämförbar med konkurrerande satellitutvecklare OneWeb. OneWeb planerar att skapa en konstellation med 600 satelliter, som den kommer att sända upp genom kommersiella leverantörer till ett pris av cirka 20 000 USD per 1 kg. Vikten av en satellit är 150 kg, d.v.s. i ett idealiskt scenario kommer uppskjutningen av en enhet att vara cirka 3 miljoner. Kostnaden för satellithårdvara uppskattas till 1 miljon per satellit, dvs. 2027 kommer kostnaden för hela grupperingen att vara 2,6 miljarder.Tester utförda av OneWeb visade en genomströmning på 50 Mb/s. vid toppen, idealiskt, för var och en av de 16 strålarna. Efter samma schema som vi beräknade kostnaden för Starlink, får vi: varje OneWeb-satellit genererar 80 USD per omloppsbana, och på bara 5 år kommer den att ge 2,4 miljoner USD - knappt täcker uppskjutningskostnaderna, om vi också räknar dataöverföring till fjärrkontroll regioner . Totalt får vi $1,70 för 1 GB.
Gwynn Shotwell citerades nyligen för att säga det , vilket innebär ett konkurrenskraftigt pris på 0,10 USD per GB. Och detta är med den ursprungliga Starlink-konfigurationen: med mindre optimerad produktion, lansering på Falcon och dataöverföringsbegränsningar - och endast med täckning av norra USA. Det visar sig att SpaceX har en obestridlig fördel: idag kan de skjuta upp en mycket lämpligare satellit till ett pris (per enhet) 1 gånger lägre än konkurrenternas. Starship kommer att öka försprånget med en faktor 15, om inte mer, så det är inte svårt att föreställa sig att SpaceX skjuter upp 100 2027 satelliter till 30 för mindre än 000 miljard dollar, varav de flesta kommer att tillhandahålla från sin egen plånbok.
Jag är säker på att det finns mer optimistiska analyser angående OneWeb och andra spirande konstellationsutvecklare, men jag vet inte hur de fungerar än.
Nyligen Morgan Stanley att Starlink-satelliter kommer att kosta 1 miljon för montering och 830 tusen för uppskjutning. . Märkligt nog liknar siffrorna våra beräkningar för OneWeb-utgifter och ungefär 10 gånger högre än den ursprungliga Starlink-uppskattningen. Användningen av Starship och kommersiell satellittillverkning kan minska kostnaden för att distribuera satelliter till cirka 35 XNUMX/enhet. Och det är en förvånansvärt låg siffra.
Den sista punkten återstår - att jämföra vinsten per 1 W solenergi som genereras för Starlink. Enligt bilderna på deras hemsida är varje satellits solpanel cirka 60 kvm. i genomsnitt genererar cirka 3 kW eller 4,5 kWh per varv. Det uppskattas att varje omloppsbana kommer att generera 1000 220 USD och varje satellit kommer att generera cirka 10 USD per kWh. Detta är 000 XNUMX gånger mer än grossistkostnaden för solenergi, vilket återigen bekräftar: . Och mikrovågsmodulering för dataöverföring är en orimlig merkostnad.
Arkitektur
I föregående avsnitt introducerade jag ganska grovt en icke-trivialt betydande del av Starlink-arkitekturen - hur den fungerar med en mycket ojämn befolkningstäthet på planeten. Starlink-satelliten sänder ut fokuserade strålar som bildar fläckar på planetens yta. Prenumeranter inom platsen delar en bandbredd. Platsens dimensioner bestäms av grundläggande fysik: till en början är dess bredd (satellithöjd x mikrovågslängd / antenndiameter), vilket för en Starlink-satellit i bästa fall är ett par kilometer.
I de flesta städer är befolkningstätheten cirka 1000 100 personer/kvadratkm, även om den på vissa ställen är högre. I vissa områden i Tokyo eller Manhattan kan det finnas mer än 000 XNUMX personer per plats. Lyckligtvis har en sådan tätbefolkad stad en konkurrensutsatt hemmamarknad för bredbandsinternet, för att inte tala om ett högt utvecklat mobiltelefonnät. Men hur som helst, om det vid någon given tidpunkt finns många satelliter av samma konstellation ovanför staden, kan genomströmningen ökas genom att spatialt diversifiera antennerna, såväl som genom att distribuera frekvenser. Med andra ord kan dussintals satelliter fokusera den mest kraftfulla strålen vid en punkt, och användare i den regionen kommer att använda jordterminaler som kommer att distribuera begäran bland satelliterna.
Om den mest lämpliga marknaden för att sälja tjänster i de inledande stadierna är avlägsna områden, landsbygdsområden eller förortsområden, kommer medel för ytterligare lanseringar att komma från bättre tjänster specifikt till tätbefolkade städer. Scenariot är raka motsatsen till det vanliga marknadsexpansionsmönstret, där konkurrenskraftiga stadscentrerade tjänster oundvikligen drabbas av en vinstminskning när de försöker expandera till fattigare och mindre tätbefolkade områden.
För några år sedan när jag räknade, .
Jag tog data från denna bild och sammanställde de 3 plotterna nedan. Den första visar frekvensen av landarea efter befolkningstäthet. Det mest intressanta är att större delen av jorden inte är bebodd alls, medan praktiskt taget ingen region har mer än 100 personer per kvadratkilometer.
Den andra grafen visar frekvensen av människor efter befolkningstäthet. Och även om större delen av planeten är obebodd, bor huvuddelen av människor i områden där det finns 100-1000 människor per kvadratkilometer. Den utvidgade naturen hos denna topp (en storleksordning större) återspeglar bimodalitet i urbaniseringsmönster. 100 personer/km1000. - detta är ett relativt glest befolkat landsbygdsområde, medan siffran 10 personer / kvadratkilometer. utmärkande för förorten. Stadskärnor visar lätt 000 25 invånare/sq.km, men Manhattans befolkning är 000 XNUMX personer/sq.km.
Den tredje grafen visar befolkningstätheten efter latitud. Det kan ses att nästan alla människor är koncentrerade i området från 20-40 grader nordlig latitud. Så i stort sett har det utvecklats geografiskt och historiskt, eftersom en stor del av det södra halvklotet är ockuperat av havet. Ändå är denna befolkningstäthet en skrämmande utmaning för gruppens arkitekter, som satelliter tillbringar lika lång tid på båda halvkloten. Dessutom kommer en satellit som kretsar runt jorden, i en vinkel på, säg, 50 grader, att tillbringa mer tid närmare de angivna gränserna i latitud. Det är därför Starlink bara behöver 6 banor för att betjäna norra USA, medan 24 för att täcka ekvatorn.
Om vi kombinerar befolkningstäthetsgrafen med satellitkonstellationsdensitetsgrafen blir valet av banor uppenbart. Varje stapeldiagram representerar en av fyra SpaceX-rapporter till FCC. Personligen förefaller det mig som att varje ny rapport är som ett tillägg till den tidigare, men i alla fall är det inte svårt att se hur ytterligare satelliter ökar kapaciteten över motsvarande regioner på norra halvklotet. Däremot finns det en imponerande mängd outnyttjad bandbredd över det södra halvklotet - gläd dig, kära Australien!
Vad händer med användardata när den når satelliten? I den ursprungliga versionen sände Starlink-satelliten dem omedelbart tillbaka till en dedikerad markstation nära serviceområdena. Denna konfiguration kallas "direktrelä". I framtiden kommer Starlink-satelliter att kunna kommunicera med varandra via laser. Datautbytet kommer att toppa över tätbefolkade städer, men data kan distribueras över ett nätverk av lasrar i två dimensioner. I praktiken betyder det att det finns en enorm möjlighet för en dold backhaul i ett nätverk av satelliter, det vill säga att användardata kan "återföras till jorden" på vilken lämplig plats som helst. I praktiken verkar det för mig att SpaceX markstationer kommer att kombineras med utanför städerna.
Det visar sig att satellit-till-satellit-kommunikation inte är en trivial uppgift om satelliterna inte rör sig tillsammans. De senaste rapporterna till FCC rapporterar 11 olika satellitomloppsgrupper. Inom en given grupp rör sig satelliterna på samma höjd, i samma lutning, med samma excentricitet, vilket gör att lasrar relativt lätt kan hitta satelliter i närheten. Men stängningshastigheterna mellan grupper mäts i km/sek, så kommunikation mellan grupper bör om möjligt ske via korta, snabba kontrollerade mikrovågslänkar.
Topologin för orbitalgrupper är som våg-partikelteorin om ljus och stämmer inte riktigt med vårt exempel, men jag tycker att det är jättebra, så jag tog med det i artikeln. Om du inte är intresserad av det här avsnittet, hoppa direkt till "Begränsningar för grundläggande fysik".
En torus - eller munk - är ett matematiskt objekt som definieras av två radier. Det är ganska enkelt att rita cirklar på ytan av en torus: parallella eller vinkelräta mot dess form. Du kanske tycker att det är intressant att upptäcka att det finns två andra familjer av cirklar som kan ritas på ytan av en torus, och båda passerar genom ett hål i dess centrum och runt konturen. Detta är den så kallade. , och jag använde den här designen när jag designade toroid för Burning Man Tesla Coil 2015.
Och även om satelliternas banor strängt taget är ellipser, inte cirklar, gäller samma konstruktion i fallet med Starlink. En konstellation av 4500 satelliter på flera orbitalplan, alla i samma vinkel, bildar ett kontinuerligt rörligt lager ovanför jordens yta. Ett norrutvänt lager ovanför en given latitudpunkt vänder sig och flyttar sig tillbaka söderut. För att undvika kollisioner kommer banorna att vara något långsträckta, så att det norrutgående lagret blir flera kilometer högre (eller lägre) än det som rör sig söderut. Tillsammans bildar båda dessa lager en blåst-formad torus, som visas nedan i ett mycket överdrivet diagram.
Låt mig påminna er om att inom denna torus sker kommunikation mellan närliggande satelliter. Generellt sett finns det inga direkta och långsiktiga kopplingar mellan satelliter i olika lager, eftersom konvergenshastigheterna för laserstyrning är för höga. Banan för dataöverföring mellan skikten passerar i sin tur över eller under torus.
Totalt 30 000 satelliter kommer att finnas i 11 kapslade tori långt bakom ISS-banan! Detta diagram visar hur alla dessa lager är packade, utan överdriven excentricitet.
Och slutligen bör du tänka på den optimala flyghöjden. Det finns ett dilemma: låg höjd, som ger mer genomströmning med mindre strålstorlekar, eller hög höjd, som gör att du kan täcka hela planeten med färre satelliter? Med tiden har rapporter till FCC från SpaceX talat om allt lägre höjder när Starship förbättras för att möjliggöra snabbare utplacering av större konstellationer.
Låg höjd har också andra fördelar, inklusive en minskad risk för påverkan av rymdskräp eller de negativa effekterna av utrustningsfel. På grund av ökat luftmotstånd kommer de lägsta Starlink-satelliterna (330 km) att brinna ut inom några veckor efter att de förlorat attitydkontrollen. Faktum är att 300 km är en höjd på vilken satelliter nästan aldrig flyger, och för att bibehålla höjden krävs en inbyggd Krypton elektrisk raketmotor, såväl som en strömlinjeformad design. Teoretiskt sett kan en satellit med en ganska spetsig form, som drivs av en elektrisk raketmotor, hålla en stabil höjd på 160 km, men SpaceX kommer sannolikt inte att skjuta upp satelliter så lågt, eftersom det fortfarande finns några knep på gång för att öka genomströmningen.
Grundläggande fysiks begränsningar
Det verkar osannolikt att priserna på satellitdistribution någonsin kommer att sjunka mycket under $35 80, även om tillverkningen är avancerad och helt automatiserad, och Starship-skepp är helt återanvändbara, och det är ännu inte helt känt vilka restriktioner fysiken kommer att lägga på en satellit. Ovanstående analys antar en toppkapacitet på 100 Gb/s. (om de avrundas upp till 100 strålar, som var och en kan sända XNUMX Mb/s).
Kanalens bandbreddsgräns är inställd på och ges i bandbreddsstatistiken (1+SNR). Bandbredden är ofta begränsad , medan SNR är tillgänglig satellitenergi, bakgrundsbrus och kanalstörningar pga . Ett annat anmärkningsvärt hinder är bearbetningshastigheten. De senaste Xilinx Ultrascale+ FPGA:erna har , vilket är bra med tanke på de nuvarande bandbreddsbegränsningarna utan att utveckla anpassade ASIC:er. Men även då 58 Gb/s. kommer att kräva en imponerande frekvensfördelning, troligen i Ka-bandet eller V-bandet. V (40-75 GHz) har mer tillgängliga cykler, men är föremål för mer absorption av atmosfären, särskilt i områden med hög luftfuktighet.
Är 100 strålar praktiskt? Detta problem har två aspekter: strålbredd och fasad arrayelementdensitet. Strålbredden bestäms av våglängden dividerad med antennens diameter. Digital phased array antenn är fortfarande en specialiserad teknik, men de maximala användbara dimensionerna bestäms av bredden (ca 1 m), och att använda radiofrekvenskommunikation är dyrare. Vågbredden i Ka-bandet är cirka 1 cm, medan strålbredden ska vara 0,01 radianer – med en spektrumbredd på 50 % av amplituden. Om man antar en strålesolidvinkel på 1 steradian (liknande täckningen av en 50 mm kameralins), så skulle 2500 individuella strålar vara tillräckligt i detta område. Linjäritet innebär att 2500 strålar skulle kräva minst 2500 antennelement inom arrayen, vilket i princip är möjligt, även om det är svårt. Och allt kommer att bli väldigt varmt!
Totalt 2500 kanaler, som var och en stöder 58 Gb/s, är en enorm mängd information - om ungefär, så 145 Tb/s. Som jämförelse, all internettrafik 2020 . Goda nyheter för dem som är oroade över den fundamentalt låga bandbredden för satellitinternet. Om en konstellation med 30 000 satelliter är i drift till 2026, kommer global internettrafik potentiellt att nå 800 Tb/s. Om hälften av detta levereras av ~500 satelliter över tätbefolkade områden vid en given tidpunkt, så är den maximala genomströmningen per satellit cirka 800 Gb/s, vilket är 10 gånger högre än vår ursprungliga baslinjeuppskattning, d.v.s. inflödet av finansiering växer potentiellt 10 gånger.
För en satellit i en bana på 330 km täcker en stråle på 0,01 radianer en yta på 10 kvadratkilometer. I särskilt tätbefolkade områden som Manhattan bor upp till 300 000 människor i detta område. Tänk om de alla sätter sig ner för att titta på Netflix (7 Mbps i HD-kvalitet) samtidigt? Den totala databegäran kommer att vara 2000 GB/s, vilket är ungefär 35 gånger den nuvarande hårda gränsen som den seriella utgången FPGA ställer. Det finns två vägar ut ur denna situation, varav endast en är fysiskt möjlig.
Det första är att sätta fler satelliter i omloppsbana, så att vid varje given tidpunkt hänger mer än 35 stycken över områden med ökad efterfrågan. Om vi återigen tar 1 steradian för ett rimligt adresserbart område av himlen och en genomsnittlig omloppshöjd på 400 km, får vi en konstellationstäthet på 0,0002/sq km, eller 100 000 totalt - om de är jämnt fördelade över hela ytan av världen. Kom ihåg att SpaceX:s utvalda banor dramatiskt ökar täckningen över tätbefolkade områden inom 20-40 grader nordlig latitud, och nu verkar antalet 30 000 satelliter magiskt.
Den andra idén är mycket coolare, men tyvärr orealiserbar. Kom ihåg att strålbredden bestäms av bredden på den fasstyrda antennuppsättningen. Tänk om många arrayer på flera satelliter kombinerar krafterna och skapar en smalare stråle - precis som radioteleskop som samma (mycket stort antennsystem)? Denna metod kommer med en komplikation: basen mellan satelliterna kommer att behöva beräknas noggrant - med sub-millimeters noggrannhet - för att stabilisera strålens fas. Och även om detta var möjligt, skulle den resulterande strålen knappast innehålla sidoloberna, på grund av den låga tätheten hos satellitkonstellationen på himlen. På marken skulle strålbredden minska till några millimeter (tillräckligt för att spåra en mobiltelefonantenn), men det skulle finnas miljontals av dem på grund av svag mellanliggande nollning. Tack .
Det visar sig att kanalseparation genom vinkelseparation – eftersom satelliterna är placerade över himlen – ger tillräckliga förbättringar av genomströmningen utan att bryta mot fysikens lagar.
Ansökan
Vad är Starlinks kundprofil? Som standard är det hundratals miljoner användare som har antenner lika stora som en pizzakartong på sina hustak, men det finns andra källor till höga inkomster.
I avlägsna och landsbygdsområden behöver markstationer inte fasade arrayantenner för att maximera strålbredden, så mindre användarutrustning kan användas, från IoT-tillgångsspårare till ficksatellittelefoner, nödsignaler eller vetenskapliga djurspårningsinstrument.
I täta stadsmiljöer kommer Starlink att tillhandahålla den primära och backup-backhaul för mobilnätet. Varje celltorn skulle kunna ha en högpresterande markstation ovanpå, men använd markströmförsörjning för förstärkning och överföring under den sista milen.
Och slutligen, även i trånga områden under den första utrullningen, finns det möjlighet att använda satelliter med låg omloppsbana med exceptionellt minimal fördröjning. Finansiella företag lägger själva mycket pengar i dina händer – bara lite snabbare för att få viktig data från hela världen. Och även om datan genom Starlink kommer att ha en längre väg än vanligt – genom rymden – är ljusets utbredningshastighet i vakuum 50 % högre än i kvartsglas, och detta mer än betalar för skillnaden vid sändning över längre avstånd.
Negativa konsekvenser
Det sista avsnittet ägnas åt negativa konsekvenser. Syftet med artikeln är att befria dig från missuppfattningar om projektet, och de potentiella negativa konsekvenserna av tvister orsakar mest. Jag kommer att ge lite information och avstå från onödiga tolkningar. Jag är fortfarande inte en klärvoajant, och jag har inga insiders från SpaceX heller.
De största, enligt min mening, allvarligaste konsekvenserna är ökad tillgång till Internet. Till och med i min hemstad Pasadena, en livlig och teknikrik stad med en befolkning på över en miljon, hem till flera observatorier, ett universitet i världsklass och NASA:s största anläggning, är utbudet begränsat när det kommer till internettjänster. Över hela USA och resten av världen har Internet blivit en hyressökande tjänst, där Internetleverantörer bara pressar ut sina 50 miljoner dollar i månaden i en mysig, icke-konkurrensutsatt miljö. Kanske är alla tjänster som tillhandahålls till lägenheter och bostadshus en gemensam lägenhet, men kvaliteten på internettjänsterna är mindre jämn än vatten, el eller gas.
Problemet med status quo är att internet, till skillnad från vatten, elektricitet eller gas, fortfarande är ungt och utvecklas snabbt. Vi hittar hela tiden nya användningsområden för den. Det mest revolutionerande är fortfarande inte öppet, men paketplaner kväver möjligheten till konkurrens och innovation. Miljarder människor är kvar på grund av födelseförhållanden eller för att deras land ligger för långt från den huvudsakliga undervattenskabeln. I stora delar av planeten levereras Internet fortfarande av geostationära satelliter, till höga priser.
Starlink å andra sidan, som kontinuerligt distribuerar Internet från himlen, bryter mot denna modell. Jag vet ännu inte om något annat bättre sätt att koppla miljarder människor till Internet. SpaceX är på god väg att bli en ISP och potentiellt ett internetföretag som konkurrerar med Google och Facebook. Jag slår vad om att du inte tänkte på det.
Att satellitinternet är det bästa alternativet är inte självklart. SpaceX, och bara SpaceX, är i en position att snabbt skapa en stor konstellation av satelliter som ensam har dödat ett decennium för att bryta det regerings-militära monopolet på uppskjutning av rymdfarkoster. Även om Iridium skulle sälja mer än mobiltelefoner med en faktor tio, skulle det fortfarande inte uppnå utbredd användning med traditionella lanseringsplattor. Utan SpaceX och dess unika affärsmodell är chansen stor att globalt satellitinternet helt enkelt aldrig kommer att hända.
Det andra stora slaget kommer till astronomi. Efter uppskjutningen av de första 60 Starlink-satelliterna kom det en våg av kritik från det internationella astronomiska samfundet, som sa att det flerdubbla antalet satelliter skulle blockera deras tillgång till natthimlen. Det finns ett talesätt: bland astronomer är han coolare som har ett större teleskop. Utan att överdriva är att göra astronomi i modern tid en extremt svår uppgift, som påminner om en kontinuerlig kamp för att förbättra analyskvaliteten mot bakgrund av växande ljusföroreningar och andra bullerkällor.
Det sista en astronom behöver är tusentals ljusstarka satelliter som blinkar i ett teleskops fokus. Den ursprungliga konstellationen Iridium var faktiskt ökända för att ha "blomningar" på grund av att stora paneler reflekterade solljus på små områden på jorden. Det hände att de nådde ljusstyrkan på en fjärdedel av månen och ibland till och med av misstag skadade känsliga astronomiska sensorer. Rädslan för att Starlink ska invadera radiobanden som används inom radioastronomi är inte heller ogrundad.
Om du laddar ner en satellitspårningsapplikation kan du se dussintals satelliter flyga på himlen en klar kväll. Satelliter är synliga efter solnedgången och före gryningen, men bara när de är upplysta av solens strålar. Senare, under natten, är satelliterna osynliga i jordens skugga. Små, extremt avlägsna, de rör sig väldigt snabbt. Det finns en chans att de kommer att skymma en avlägsen stjärna i mindre än en millisekund, men jag tror att det är ytterligare en hemorrojder att upptäcka detta.
Den starka oron för skyflare föddes från det faktum att lagret av satelliter vid den första uppskjutningen var uppradat nära jordens terminator, d.v.s. natt efter natt såg Europa - och det var sommar - den episka bilden av satelliter som flög genom himlen i kvällsskymningen. Vidare har simuleringar baserade på FCC-rapporter visat att satelliter i 1150 km omloppsbana kommer att vara synliga även efter det att astronomisk skymning har passerat. I allmänhet går skymningen igenom tre stadier: civil, maritima och astronomiska, d.v.s. när solen står 6, 12 respektive 18 grader under horisonten. I slutet av den astronomiska skymningen befinner sig solens strålar cirka 650 km från ytan i zenit, långt utanför atmosfären och större delen av den låga jordens omloppsbana. Baserat på data från , jag tror att alla satelliter kommer att placeras på en höjd under 600 km. I det här fallet kan de ses i skymningen, men inte efter natten, vilket avsevärt kommer att minska de potentiella konsekvenserna för astronomi.
Det tredje problemet är skräp i omloppsbana. I Jag påpekade att satelliter och skräp under 600 km skulle gå ur omloppsbana inom några år på grund av luftmotståndet, vilket kraftigt minskar risken för Kesslers syndrom. SpaceX bråkar med smuts som om de inte bryr sig om rymdskräp alls. Här tittar jag på detaljerna kring implementeringen av Starlink, och det är svårt för mig att föreställa mig ett bättre sätt att minska mängden skräp i omloppsbana.
Satelliterna skjuts upp till en höjd av 350 km och flyger sedan iväg på inbyggda motorer till sin avsedda bana. Alla satelliter som dör vid uppskjutning kommer att vara utanför omloppsbana inom några veckor och kommer inte att rulla någon annanstans på tusentals år. Denna placering innebär strategiskt testning för gratis inträde. Starlink-satelliter är dessutom platta i tvärsnitt, vilket innebär att genom att förlora höjdkontrollen kommer de in i atmosfärens täta lager.
Få människor vet att SpaceX har blivit en pionjär inom astronautik och börjat använda alternativa typer av montering istället för squibs. Praktiskt taget alla uppskjutningsramper använder squibs vid utplacering av scener, satelliter, radomer, etc., vilket ökar risken för skräp. SpaceX vänder också medvetet om de övre stadierna, vilket hindrar dem från att hänga i rymden för alltid, så att de inte förfaller och sönderfaller i den hårda rymdmiljön.
Slutligen, den sista frågan jag skulle vilja nämna är chansen att SpaceX kommer att ersätta det befintliga internetmonopolet genom att skapa ett eget. I sin nisch har SpaceX redan monopoliserat lanseringar. Endast rivaliserande regeringars önskan att få garanterad tillgång till rymden förhindrar att dyra och föråldrade raketer, som ofta monteras av stora monopolistiska försvarsentreprenörer, skrotas.
Det är inte svårt att föreställa sig SpaceX att skjuta upp 2030 6000 av sina satelliter om året XNUMX, plus några spionsatelliter för god åtgärd. Billiga och pålitliga SpaceX-satelliter kommer att sälja "rackutrymme" för tredjepartsenheter. Alla universitet som bygger en rymdkapabel kamera kan sätta den i omloppsbana utan att behöva stå för kostnaderna för att bygga en hel rymdplattform. Med så avancerad och obegränsad tillgång till rymden är Starlink redan förknippat med satelliter, medan historiska tillverkare håller på att bli ett minne blott.
Det finns exempel i historien på visionära företag som har ockuperat en så stor nisch på marknaden att deras namn har blivit kända namn: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Problemet kan uppstå när ett pionjärföretag ägnar sig åt konkurrensbegränsande metoder för att behålla sin marknadsandel, även om detta ofta har varit tillåtet sedan president Reagan. SpaceX skulle kunna behålla Starlinks monopol genom att tvinga andra konstellationsutvecklare att skjuta upp satelliter på gamla sovjetiska raketer. Liknande åtgärder vidtagits , tillsammans med prisfastställelse för transport av post, ledde till att den kollapsade 1934. Lyckligtvis är det osannolikt att SpaceX kommer att behålla ett absolut monopol på återanvändbara raketer för alltid.
Ännu mer oroande är att SpaceX:s utplacering av tiotusentals satelliter med låg omloppsbana skulle kunna utformas som ett tillval av allmänningen. Ett privat företag, som strävar efter personlig vinning, tar till permanent ägande de en gång offentliga och obesatta orbitala positionerna. Och medan SpaceX innovationer gjorde det möjligt att faktiskt tjäna pengar i ett vakuum, byggdes mycket av SpaceX intellektuella kapital med miljarder dollar i forskningsbudgetar.
Å ena sidan behöver vi lagar som skyddar medlen för privata investeringar, forskning och utveckling. Utan detta skydd kommer innovatörer inte att kunna finansiera ambitiösa projekt, eller så kommer de att flytta sina företag dit ett sådant skydd ges dem. Allmänheten lider i alla fall för att vinster inte genereras. Å andra sidan behövs lagar för att skydda människorna, de nominella ägarna av det offentliga området inklusive himlen, från hyressökande privata enheter som annekterar kollektiva nyttigheter. I och för sig är ingetdera sant eller ens möjligt. SpaceX-utvecklingen ger en chans att hitta ett lyckligt medium på denna nya marknad. Vi kommer att inse att det har hittats när vi maximerar frekvensen av innovation och skapandet av social välfärd.
Slutgiltiga tankar
Jag skrev den här artikeln så fort jag slutfört en annan - . Det har varit en varm vecka. Både Starship och Starlink är revolutionerande teknologier som skapas mitt framför våra ögon, i våra liv. Om jag ser mina barnbarn växa upp kommer de att bli mer förvånade över att jag är äldre än Starlink, och inte att det i min barndom inte fanns något mobilt (museiföremål) eller offentligt internet i sig.
De rika och militärerna har använt satellitinternet under lång tid, men allmänt förekommande, generiska och billiga Starlink är helt enkelt inte möjligt utan Starship.
Lanseringen har pratats om länge, men Starship, som är ganska billigt och därför en intressant plattform, är omöjligt utan Starlink.
Det har pratats om bemannad astronautik länge, och om du — då har du grönt ljus. Med Starship och Starlink är utforskning av mänskligt rymd en möjlig, nära framtid, med ett stenkast från en orbital utpost till industrialiserade städer i rymden.
Källa: will.com