Ця стаття із серії, присвяченої .
— план SpaceX роздавати інтернет через десятки тисяч супутників — головна тема у пресі, присвяченій космосу. Щотижня виходять статті про останні досягнення. Якщо загалом схема ясна, та ознайомившись з , добре мотивована людина (скажімо, ваш покірний слуга) може накопати дуже багато деталей. Проте з цією новою технологією, як і раніше, пов'язано багато помилок, навіть у освічених оглядачів. Нерідко трапляються статті, в яких Starlink порівнюють з OneWeb та Kuiper (серед інших) так, ніби вони конкурують на рівних. Інші автори, явно стурбовані благом планети, кричать про космічне сміття, космічне право, стандарти та безпеку астрономії. Сподіваюся, що дочитавши цю досить довгу статтю, читач краще зрозуміє і перейметься ідеєю Starlink.
несподівано торкнулася чутливої струнки в душах моїх нечисленних читачів. У ній я пояснював, як Starship надовго виведе SpaceX у лідери і водночас забезпечить механізм нових досліджень космосу. Підтекст такий, що традиційна супутникова індустрія не в змозі наздогнати SpaceX, яка стабільно нарощує потужності і знижує витрати на сімейство ракет Falcon, ставлячи SpaceX у скрутне становище. З одного боку, вона формувала ринок вартістю, у кращому разі, кілька мільярдів на рік. З іншого, розпалювала в собі невгамовний апетит до грошей — для будівництва величезної ракети, на якій, проте, майже нема кого відправляти на Марс, та й негайного прибутку чекати не доводиться.
Вирішення цієї парної проблеми - Starlink. Збираючи та запускаючи власні супутники, SpaceX змогла б створити та визначити новий ринок для високоефективного та демократизованого доступу до зв'язку через космос, забезпечити приплив фінансів для будівництва ракети, поки та ще не втопила компанію, та підвищити свою економічну цінність до трильйонів. Не варто недооцінювати масштаб амбіцій Ілона. Усього існує не так і багато галузей, де крутяться трильйони доларів: енергетика, високошвидкісне транспортне сполучення, зв'язок, ІТ, охорона здоров'я, сільське господарство, уряд, оборона. Незважаючи на поширені помилки, , и - Бізнес не життєздатний. Ілон вторгся у сферу енергетики зі своєю Tesla, але надійний та ємний ринок для супутників та запусків ракет забезпечать лише телекомунікації.
Вперше Ілон Маск звернув погляд у бік космосу, коли захотів безоплатно вкласти 80 млн. доларів у місію з вирощування рослин на марсіанському зонді. Будівництво міста на Марсі обійдеться, напевно, в 100 000 разів дорожче, так що Starlink - основна ставка Маска на те, щоб забезпечити море грошей, необхідних для спонсорства. .
Для чого?
Я вже давно планував цю статтю, але тільки минулого тижня у мене склалася цілісна картинка. Тоді президент SpaceX Гвінн Шотвелл дала Робу Берону приголомшливе інтерв'ю, яке потім висвітлив для CNBC у чудовій Майкл Шітц, і якому присвятили . Це інтерв'ю показало величезну різницю у підходах до супутникового зв'язку у SpaceX та інших.
Концепція народилася в 2012 році, коли в SpaceX усвідомили, що у їхніх клієнтів — переважно провайдерів супутникового зв'язку — величезні запаси грошей. Пускові майданчики заламують ціни за розгортання супутників і при цьому певним чином упускають один етап роботи — як же так? Ілон мріяв створити супутникове угруповання для інтернету і, не в силах встояти перед практично нездійсненним завданням, закрутив процес. Розробка Starlink , Але до кінця цієї статті ви, мій читач, напевно здивуєтеся, як насправді ці проблеми малі - враховуючи розмах ідеї.
Чи потрібне взагалі для інтернету таке величезне угруповання? І чому зараз?
Тільки на моїй пам'яті інтернет із суто академічного пустощів перетворився на першу та єдину революційну інфраструктуру. Це — не та тема, якій варто присвячувати розгорнуту статтю, але я припускаю, що глобально потреба в інтернеті і дохід, який він приносить, і далі зростатимуть приблизно на 25% на рік.
Сьогодні майже всі ми отримуємо інтернет від невеликої кількості географічно ізольованих монополій. У США AT&T, Time Warner, Comcast та жменька гравців дрібніше поділили територію, щоб уникнути конкуренції, б'ють за послуги в три шкури і купаються в променях чи не вселенської ненависті.
Для неконкурентної поведінки у провайдерів є вагома причина — крім жадібності, що всепоглинає. Побудувати інфраструктуру для інтернету — мікрохвильові стільникові вежі та оптоволокно — це дуже дорого. Про чудову природу інтернету легко забути. Моя бабуся вперше пішла працювати у Другу світову зв'язківцем, адже телеграф тоді конкурував за провідну стратегічну роль із поштовими голубами! Для більшості з нас інформаційна супермагістраль — це щось ефемерне, нематеріальне, проте біти подорожують фізичним світом, у якому є межі, річки, гори, океани, бурі, стихійні лиха та інші перешкоди. Ще в 1996 році, коли проклали першу оптоволоконну лінію по океанському дну, . Своїм фірмовим гострим стилем він жваво описує голу вартість і складність прокладки цих ліній, за якими потім все одно гасають прокляті «котеги». За більшу частину 2000-х кабелю тягнули стільки, що вартість розгортання вражала.
У свій час я працював в оптичній лабораторії і (якщо пам'ять не змінює) ми побили рекорд того часу, видавши швидкість мультиплексної передачі в 500 Гб/сек. Обмеження електронікою дозволяли навантажувати кожне волокно на 0,1% від теоретичної пропускної спроможності. Через п'ятнадцять років ми готові перевищити поріг: якщо передача даних вийде за нього, волокно розплавиться, і ми до цього вже дуже близькі.
А треба підняти потік даних над грішною землею — у космос, де супутник за п'ять років безперешкодно облітає «кульку» 30 000 разів. Очевидне, начебто, рішення — то чому раніше ніхто за нього не брався?
Угруповання супутників Iridium, розроблене та розгорнуте на початку 1990-х компанією Motorola (ще пам'ятаєте їх?), стало першою глобальною низькоорбітальною комунікаційною мережею (як привабливо розповідається в ). На той час, як її розгорнули, нішева здатність маршрутизувати маленькі пакети даних від asset trackers виявилася її єдиним використанням: стільникові так подешевшали, що супутникові телефони так і не зайшли. Iridium мав 66 супутників (плюс ще кілька запасних) на 6 орбітах — мінімальний набір для покриття всієї планети.
Якщо Iridium вистачало 66 супутників, то навіщо SpaceX десятки тисяч? Чим вона так відрізняється?
SpaceX зайшла в цей бізнес із протилежного кінця — починала із запусків. Стала піонером у сфері збереження ракети-носія і таким чином оволоділа ринком дешевих пускових майданчиків. Спроби перебити їхню пропозицію нижчою ціною багато грошей не принесуть, тож єдиний спосіб якось наваритися на їхній надмірній потужності — стати їх клієнтом. Витрати SpaceX на запуск своїх супутників (на 1 кг) Iridium, а тому вони в змозі вийти на значно ширший ринок.
Всесвітнє охоплення Starlink забезпечить доступ до високоякісного інтернету в будь-якому куточку світу. Вперше доступність інтернету залежатиме не від близькості країни чи міста до лінії оптоволокна, а від чистоти неба над головою. Користувачі по всьому світу отримають доступ до вільного від кайданів глобального інтернету незалежно від своїх власних поганих і/або нечистих на руку урядових монополій. Здатність Starlink порушити ці монополії каталізує неймовірні за масштабом позитивні зміни, які нарешті об'єднають мільярди людей у глобальну кібернетичну спільноту майбутнього.
Невеликий ліричний відступ: що це взагалі означає?
Для людей, які зростають сьогодні, в епоху сполучності, що всюди існує, інтернет — як повітря, яким ми дихаємо. Він просто їсти. Але це — якщо забути про його неймовірну силу нести позитивні зміни — і ми вже в їхньому центрі. За допомогою інтернету люди можуть закликати до відповідальності своїх лідерів, спілкуватися з іншими на іншому кінці світу, ділитися думками, винаходити щось нове. Інтернет поєднує людство. Історія модернізацій - це історія розвитку можливостей для обміну даними. Спершу — шляхом промов та епічної поезії. Потім на листі, який дає голос мертвим, і вони звертаються до живих; лист дозволяє зберігати дані та уможливлює асинхронну комунікацію. Друкована преса поставила виробництво новин на потік. Електронна комунікація прискорила передачу даних по світу. Персональні пристрої для зберігання нотаток поступово ставали складніше, еволюціонуючи від записників до стільникових телефонів, кожен з яких - це підключений з інтернету комп'ютер, напханий датчиками і з кожним днем все краще передбачає наші потреби.
Людина, яка використовує лист і комп'ютер у процесі пізнання, має більше шансів подолати обмеження нерозвиненого мозку. Ще більше тішить те, що стільникові телефони – це потужні пристрої для зберігання даних, і механізм обміну ідеями. Якщо раніше люди, ділячись думками, покладалися на промову, яку накидали в блокнотах, то сьогодні норма — якщо записники самі діляться ідеями, які згенерували люди. Традиційна схема зазнала інверсії. Логічне продовження процесу - якась форма колективного метапізнання, за допомогою персональних пристроїв, та пов'язаних один з одним. І нехай ми ще ностальгуємо за втраченим зв'язком з природою та усамітненням, важливо пам'ятати, що технологія і лише технологія відповідає за левову частку нашого звільнення від «природних» циклів незнання, передчасної смерті (якої можна уникнути), насильства, голоду та псування зубів.
Як?
Поговоримо про бізнес-модель та архітектуру проекту Starlink.
Щоб Starlink став прибутковим підприємством, приплив коштів має перевищувати витрати на будівництво та експлуатацію. Традиційно капіталовкладення має на увазі підвищені початкові витрати, використання витонченого спеціалізованого фінансування та механізмів страховки — і все, щоби запустити супутник. Геостаціонарний супутник зв'язку може коштувати 500 млн. доларів, а складання та запуск зайняти 5 років. Тому компанії у цій сфері одночасно будують реактивні судна чи контейнеровози. Гігантські витрати, приплив коштів, що ледве покриває витрати на фінансування, та порівняно малий оперативний бюджет. І навпаки, крах початкового Iridium полягав у тому, що Motorola змусила оператора виплатити вбивчі ліцензійні збори, збанкрутувавши підприємство всього за кілька місяців.
Щоб вести такий бізнес, традиційним супутниковим компаніям доводилося обслуговувати приватних клієнтів та стягувати високі тарифи за передачу даних. Авіалінії, віддалені аванпости, кораблі, зони бойових дій та ключові інфраструктурні об'єкти платять приблизно по 5 доларів за 1 МБ, що в 5000 разів дорожче за вартість традиційного ADSL-зв'язку, і це незважаючи на затримку в передачі даних та відносно низьку пропускну здатність супутникового з'єднання.
Starlink планує конкурувати з наземними постачальниками послуг, а отже, має доставляти дані дешевше і, в ідеалі, брати набагато менше 1 долара за 1 МБ. Чи можливе таке? Або, якщо це можливо, слід запитати: як таке можливо?
Перший інгредієнт нової страви – дешевий запуск. На сьогодні Falcon продає запуск на 24 тонни приблизно за 60 млн. доларів, а це 2500 доларів за 1 кг. Виходить, проте, набагато більше внутрішніх витрат. Супутники Starlink запускатимуться на ракетах-носіях багаторазового використання, тож маржинальні витрати одного запуску — це вартість нового другого ступеня (десь 4 млн. доларів), обтічників (1 млн.) та наземного обслуговування (~1 млн.). Разом: приблизно 100 тис. доларів за супутник, тобто. більш ніж у 1000 разів дешевше за запуск звичайного супутника зв'язку.
Більшість супутників Starlink, однак, запускатимуться на Starship. І справді, еволюція Starlink, як показують оновлені звіти у ФКС, дає деяке Внутрішня архітектура проекту. Загальна кількість супутників у групуванні зросла з 1 до 584, потім до 2 і, нарешті, до 825 7. Якщо вірити валовим накопиченням, цифра ще вище. Мінімальна кількість супутників для першого етапу розробки, щоб проект був життєздатний, - це 518 штук на 30 орбітах (всього 000), тоді як для повного покриття в межах 60 градусів від екватора потрібно 6 орбіти по 360 супутників (всього 53). Це 24 запуски для Falcon за якихось 60 млн доларів внутрішніх витрат. Starship розрахований на запуск до 1440 супутників за один раз, приблизно за ту ж ціну. Супутники Starlink доведеться замінювати кожні 24 років, таким чином 150 супутників вимагатимуть 400 запусків Starship на рік. Це коштуватиме якихось 5 млн./рік, або 6000 тис./супутник. Кожен супутник, що виводиться на Falcon, важить 15 кг; супутники, що піднімаються на Starship, могли б важити і 100 кг і нести на собі сторонні прилади, бути дещо більшими і при цьому не перевищувати допустимого навантаження.
З чого складається вартість супутників? Серед побратимів супутники Starlink дещо незвичайні. Вони збираються, зберігаються і запускаються в плоскому вигляді і тому дуже прості в масовому виробництві. Як показує досвід, виробнича вартість повинна орієнтовно дорівнювати вартості пускової установки. Якщо різниця в ціні велика, отже, неправильно розподіляються ресурси, оскільки комплексне зниження маржинальних витрат при зниженні витрат не так вже й велике. Невже по 100 тисяч доларів за супутник за першої партії у кілька сотень — це реально? Іншими словами, невже супутник Starlink у пристрої не складніший за машину?
Щоб повністю відповісти на це питання, треба зрозуміти, чому вартість орбітального супутника зв'язку в 1000 разів вища, нехай і не в 1000 разів складніша. Якщо говорити зовсім просто, то з якої радості космічне залізо коштує так дорого? На те є безліч причин, але найвагоміша в даному випадку така: якщо запуск супутника на орбіту (до Falcon) коштує більше 100 млн., він має гарантовано відпрацювати багато років, щоб принести хоч якийсь прибуток. Забезпечити таку надійність в експлуатації першого та єдиного виробу — процес болісний і може затягнутися на роки, зажадавши зусиль сотень людей. Додайте до цього витрати, і ось вже легко виправдати додаткові процеси, якщо вже запуск і так дорого обходиться.
Starlink ламає цю парадигму, створюючи сотні супутників, швидко виправляючи ранні недоліки у проектуванні та залучаючи техніки масового виробництва для управління витратами. Мені особисто легко уявити конвеєр Starlink, на якому технік інтегрує в конструкцію щось нове і скріплює все пластиковою стяжкою (рівня NASA, звичайно ж) за годину-другу, підтримуючи необхідний рівень заміни в 16 супутників/день. Супутник Starlink складається з безлічі складних деталей, але я не бачу причин, з яких до тисячного юніта, що сходить з конвеєра, його вартість не можна опустити до 20 тис. І правда, в травні Ілон писав у Twitter, що вартість виробництва супутника вже нижча за вартість запуску .
Візьмемо середній випадок та проаналізуємо час окупності, округляючи числа. Один супутник Starlink, зібрати та запустити який коштує 100 тис., працює 5 років. Чи окупить він себе, і якщо так, то як скоро?
За 5 років супутник Starlink облетить Землю 30 000 разів. У кожен із таких півторагодинних витків він більшу частину часу проведе над океаном і, напевно, 100 секунд над густонаселеним містом. У це коротке вікно він і транслює дані, поспішаючи заробити гроші. Якщо припустити, що антена підтримує 100 променів, а кожен промінь передає 100 Мб/сек., використовуючи сучасне кодування типу , Супутник генерує 1000 доларів прибутку за один виток - при ціні підписки в 1 долар за 1 Гб. Цього достатньо, щоб за тиждень окупити вартість розгортання в 100 тис. і дуже спрощує структуру капіталу. Решта 29 900 витків - це прибуток, за вирахуванням постійних витрат.
Передбачувані цифри можуть сильно змінюватись, причому в обидві сторони. Але в будь-якому випадку, якщо ти здатний вивести на низьку орбіту якісне угруповання супутників за 100 000 — або навіть за 1 млн./юніт, — це серйозна заявка. Навіть враховуючи сміховинно малий час використання, супутник Starlink здатний за термін експлуатації доставити 30 Пб даних - за амортизованої вартості 0,003 долара за 1 Гб. У цьому під час передачі більш далекі відстані маржинальні витрати мало зростають.
Щоб зрозуміти значущість цієї моделі, давайте порівняємо її з двома іншими моделями поставки даних споживачам: традиційне — оптоволоконний кабель, і супутникове угруповання, пропоноване компанією, яка не спеціалізується на запусках супутників.
, що з'єднує Францію та Сінгапур, було введено в експлуатацію у 2005 році. Пропускна спроможність – 1,28 Тб/сек., вартість розгортання – 500 млн. доларів. Якщо він 10 років працюватиме на 100% потужності, а накладні витрати становитимуть 100% капітальних витрат, то ціна передачі вийде 0,02 долара за 1 Гб. Трансатлантичні кабелі коротші і дешевші, проте підводний кабель — лише одна сутність у довгому ланцюжку людей, які хочуть грошей за передачу даних. Усереднена оцінка для Starlink виявляється у 8 разів дешевшою, і при цьому у них «все включено».
Як таке можливо? Супутник Starlink включає всю складну начинку для електронної комутації, яка потрібна для зв'язку оптоволоконних кабелів, тільки для передачі даних замість дорогого та тендітного дроту використовується вакуум. Передача через космічний простір скорочує кількість затишних монополій, що відживають свій вік, дозволяючи користувачам зв'язуватися за допомогою ще меншої кількості «заліза».
Порівняємо з конкуруючим розробником супутників OneWeb. OneWeb планує створити угруповання з 600 супутників, які запустить через комерційних постачальників за ціною приблизно 20 000 доларів за 1 кг. Вага одного супутника — 150 кг, тобто, при ідеальному розкладі, запуск одного юніту становитиме приблизно 3 млн. Вартість супутникового «заліза» оцінюється в 1 млн. супутник, тобто. до 2027 року вартість всього угруповання складе 2,6 млрд. Тести, які провів OneWeb, показали пропускну спроможність 50 Мб/сек. на піку, в ідеалі, на кожен із 16 променів. Наслідуючи ту саму схему, за якою ми вираховували вартість Starlink, отримуємо: кожен супутник OneWeb генерує 80 доларів за виток, а всього за 5 років принесе 2,4 млн. — ледве покриваючи витрати на запуск, якщо вважати ще й передачу даних у віддалені регіони . Разом отримуємо 1,70 доларів за 1 Гб.
Нещодавно процитували слова Гвін Шотвелл про те, що , а це має на увазі конкурентну ціну в 0,10 доларів за 1 Гб. І це ще за первісної конфігурації Starlink: з менш оптимізованим виробництвом, запуском на Falcon та обмеженнями у передачі даних — і лише з покриттям півночі США. Виходить, у SpaceX незаперечна перевага: вже сьогодні вони можуть запустити куди більш придатний супутник за ціною (за юніт) у 15 разів нижчою, ніж у конкурентів. Starship збільшить відрив у 100 разів, якщо не більше, так що неважко уявити, як до 2027 SpaceX запускає 30 000 супутників менш ніж за 1 млрд. доларів, більша частина якого вона забезпечить з власного гаманця.
Упевнений, є і більш оптимістичні аналізи щодо OneWeb та інших розробників супутникових угруповань, що подають надії, але я поки не знаю, як у них що влаштовано.
Нещодавно Морган Стенлі , що супутники Starlink обійдуться по 1 млн. за складання та 830 тис. за запуск. . Цікаво, що цифри аналогічні нашим підрахункам щодо витрат OneWeb, і, грубо, в 10 разів вище за оцінку початкової версії Starlink. Використання Starship та промислового виробництва супутників може знизити вартість розгортання супутників до приблизно 35 тис./юніт. А це — напрочуд низька цифра.
Залишився останній пункт - порівняти прибуток на 1 Вт сонячної енергії, що генерується для Starlink. Згідно з фотографіями на їхньому сайті, сонячна батарея кожного супутника має площу приблизно 60 кв.м., тобто. у середньому генерує приблизно 3 кВт або 4,5 кВт/год за виток. За приблизною оцінкою, кожен виток даватиме 1000 доларів, а кожен супутник генерує приблизно 220 доларів на кВт/год. Це в 10 000 разів більше за оптову вартість сонячної енергії, що вкотре підтверджує: . А модуляція мікрохвиль передачі даних — непомірна додана вартість.
Архітектура
У попередньому розділі я досить грубо представив нетривіально суттєву частину архітектури Starlink — те, як вона працює із вкрай нерівномірною густотою населення планети. Супутник Starlink випускає сфокусовані промені, що утворюють плями на поверхні планети. Передплатники в межах плями поділяють одну ширину смуги. Розміри плями визначаються фундаментальною фізикою: спочатку її ширина це (висота супутника х довжина мікрохвилі/діаметр антени), що для супутника Starlink, у кращому випадку, становить пару кілометрів.
Більшість міст щільність населення — приблизно 1000 чел./кв.км., хоча місцями й вище. У деяких районах Токіо або Манхеттені на пляму може припадати понад 100 000 осіб. На щастя, в будь-якому подібному густонаселеному місті є конкурентний внутрішній ринок широкосмугового інтернету, не кажучи вже про високорозвинену мережу мобільних телефонів. Але, як би там не було, якщо в будь-який окремо взятий момент часу над містом є безліч супутників одного угруповання, пропускну здатність можна збільшити шляхом просторового рознесення антен, як і розподілом частот. Іншими словами, десятки супутників можуть сфокусувати найпотужніший промінь в одній точці, а користувачі цього регіону будуть використовувати наземні термінали, які розподілять запит між супутниками.
Якщо на початкових етапах найбільш відповідний ринок збуту послуг — віддалені, сільські чи приміські райони, то кошти на подальші запуски надійдуть від якісніших послуг саме густонаселеним містам. Сценарій — прямо протилежний стандартній схемі розширення ринку, за якої конкурентні послуги, орієнтовані на міста, неминуче зазнають зниження прибутку — у міру спроб розширення у бік бідніших і заселених районів.
Кілька років тому, коли я провів підрахунки, .
Я взяв дані з цього зображення і становив 3 наведених нижче графіка. Перший показує частоту земної площі за густиною заселення. Найцікавіше — це те, що більшість Землі взагалі не заселена, тоді як практично в жодному регіоні немає більше 100 чол./кв.км.
Другий графік демонструє частоту людей за густотою населення. І хоча більшість планети не заселена, переважна більшість людей живе у районах, де людей 100–1000 на кв.км. Розширена природа цього піку (на порядок більше) відбиває бимодальность у схемах урбанізації. 100 чол./кв. — це відносно слабко населена сільська місцевість, тоді як цифра 1000 чол./кв. характерна вже передмістя. Центри міст легко показують 10 000 чол./кв.км., а населення Манхеттена — 25 000 чол./кв.км.
Третій графік показує густину заселення по широті. Видно, що багато людей зосереджені в межах від 20-40 градусів північної широти. Так, за великим рахунком, склалося географічно та історично, оскільки більшу частину південної півкулі займає океан. І все-таки така щільність населення — лякаючий виклик архітекторів угруповання, т.к. в обох півкуль супутники проводять рівну кількість часу. Більше того, супутник, що обертається навколо Землі, під кутом, скажімо, в 50 градусів, більше часу перебуватиме ближче до вказаних кордонів по широті. Ось чому Starlink для обслуговування півночі США потрібно всього 6 орбіт, тоді як покриття екватора — 24.
І справді, якщо поєднати графік щільності населення з графіком щільності супутникового угруповання, вибір орбіт стає очевидним. Кожна гістограма представляє один із чотирьох звітів SpaceX у ФКС. Особисто мені здається, що кожен новий звіт — як доповнений попередній, але у будь-якому разі неважко помітити, як додаткові супутники збільшують пропускну спроможність над відповідними регіонами у північній півкулі. На противагу цьому, велика пропускна здатність, що не використовується, зберігається над південною півкулею — радуйся, рідна Австралія!
Що відбувається з даними користувача, коли вони досягають супутника? У початковій версії супутник Starlink негайно передавав їх назад на наземну станцію поблизу зон обслуговування. Така конфігурація називається "пряма ретрансляція". У майбутньому супутники Starlink отримають можливість зв'язуватися один з одним лазером. Свого піку обмін даними досягатиме над густонаселеними містами, але дані можна буде розподіляти по мережі лазерів у двох вимірах. На практиці це означає, що існує величезна можливість для прихованої транспортної мережі зв'язку в мережі супутників, тобто дані користувача можна «вторинно передавати на Землю» в будь-якому відповідному місці. На практиці, мені здається, наземні станції SpaceX будуть поєднуватися з за межами міст.
Виявляється, зв'язок супутник-супутник - нетривіальне завдання, якщо супутники не рухаються разом. У найсвіжіших звітах у ФКС повідомляється про 11 виражених орбітальних групах супутників. В межах конкретної групи супутники рухаються на одній висоті, під одним нахилом, з рівним ексцентриситетом, а це означає, що лазери можуть знаходити супутники в безпосередній близькості відносно легко. Але швидкості зближення між групами вимірюються в км/сек., тому комунікація між групами, якщо така і можлива, повинна здійснюватися за допомогою коротких мікрохвильових з'єднань, що швидко керуються.
Топологія орбітальних груп - це як корпускулярно-хвильова теорія світла і не особливо відноситься до нашого прикладу, але, як на мене, вона прекрасна, тому я включив її до статті. Якщо вас цей розділ не цікавить, переходьте одразу до «Обмеження фундаментальної фізики».
Тор - або пончик - це математичний об'єкт, який визначається двома радіусами. На поверхні тора намалювати кола досить легко: паралельно чи перпендикулярно його формі. Для вас, можливо, стане цікавим відкриття - є ще два інших сімейства кіл, які можна зобразити на поверхні тора, і обидва проходять через отвір у його центрі та навколо контуру. Це т.зв. , і я використав цю конструкцію, коли у 2015-му проектував тороїд для котушки Тесла «Гаряча людина».
І хоча орбіти супутників - це, строго кажучи, еліпси, а не кола, та ж конструкція застосовна і у випадку Starlink. Угруповання з 4500 супутників на декількох орбітальних площинах, всі під одним кутом, утворюють над поверхнею Землі пласт, що безперервно рухається. Спрямований у бік півночі пласт над заданою точкою широти розвертається і рухається до півдня. Щоб уникнути зіткнень орбіти будуть злегка витягнуті, так що пласт, що рухається на північ, виявиться на кілька кілометрів вище (або нижче) того, що рухається на південь. Разом обидва ці пласти утворюють тор видутої форми, як показано нижче на сильно перебільшеній схемі.
Нагадаю, що в межах цього тора комунікація здійснюється між сусідніми супутниками. Загалом, між супутниками у різних пластах немає прямих і тривалих з'єднань, оскільки швидкості зближення для лазерного наведення надто високі. Траєкторія передачі між пластами, своєю чергою, проходить над чи під тором.
Сумарно 30 000 супутників будуть розташовані в 11 вкладених торах, що далеко відстають від орбіти МКС! На цій схемі показано, як упаковані всі ці пласти, без перебільшеного ексцентриситету.
І, нарешті, слід подумати про оптимальну висоту польоту. Існує дилема: мала висота, яка дає більшу пропускну спроможність при менших розмірах променів, або велика, яка дозволяє покрити всю планету при меншій кількості супутників? З часом у звітах у ФКС від SpaceX говорилося про дедалі менші висоти, адже, удосконалюючись, Starship уможливлює швидке розгортання більших угруповань.
Низька висота має інші переваги, включаючи знижений ризик зіткнення з космічним сміттям або негативні наслідки відмови обладнання. Через посилений атмосферний опір розташовані нижче за інші супутники Starlink (330 км) згорятимуть в межах кількох тижнів після втрати управління орієнтацією. І справді, 300 км - висота, на якій супутники майже не літають, і підтримка висоти вимагатиме вбудованого електроракетного двигуна Krypton, так само як і конструкції, що обтікає. Теоретично, супутник досить загостреної форми, на електроракетному двигуні може стабільно підтримувати висоту в 160 км, але навряд чи SpaceX запускатиме супутники так низько, адже в запасі є ще кілька трюків для збільшення пропускної спроможності.
Обмеження фундаментальної фізики
Здається малоймовірним, що ціни на розміщення супутника колись опустяться значно нижче 35 тис., навіть якщо виробництво буде просунутим і повністю автоматизованим, а кораблі Starship повністю багаторазовими, до того ж ще не до кінця відомо, які обмеження накладе на супутник фізика. Наведений вище аналіз передбачає пікову пропускну здатність 80 Гб/сек. (якщо округлювати до 100 променів, кожен із яких здатний передавати 100 Мб/сек).
Крайня межа пропускної спроможності каналу встановлена в та дається у статистиці за шириною смуги (1+SNR). Ширина смуги часто обмежена , тоді як SNR - доступною енергією супутника, фоновим шумом та перешкодами на каналі через . Ще одна помітна перешкода – швидкість обробки. Найновіші FPGA Xilinx Ultrascale+ мають , що добре при поточних обмеженнях інформаційної ємності каналу без розробки ASIC. Але навіть тоді 58 Гб/с. зажадають значного розподілу частот, найімовірніше у смугах Ка- чи V-діапазону. V (40-75ГГц) має більш доступні цикли, але схильний до більшого поглинання атмосферою, особливо в областях підвищеної вологості.
Чи практичні 100 променів? У цієї проблеми два аспекти: ширина променя та щільність елемента фазованої антеної решітки. Ширина променя визначається довжиною хвилі, поділеної діаметр антени. Цифрові фазовані антенні грати — все ще спеціалізована технологія, але максимальні корисні розміри визначаються шириною (бл. 1м), а користуватися радіочастотними комунікаціями – собі дорожче. Ширина хвилі в Ка-діапазоні – близько 1 см, при цьому ширина променя має бути 0,01 радіана – при ширині спектра на рівні 50% амплітуди. Припустимо, що тілесний кут променя в 1 стерадіан (аналогічно охопленню об'єктива 50-міліметрової камери), тоді в цій області 2500 окремих променів буде достатньо. Лінійність має на увазі, що 2500 променів вимагають мінімум 2500 елементів антени в межах решітки, що, в принципі, реально, хоч і важко здійснити. А ще все це сильно грітиметься!
Цілком 2500 каналів, кожен із яких підтримує 58 Гб/сек., — це величезний обсяг інформації — якщо грубо, то 145 Тб/сек. Для порівняння, весь інтернет-трафік у 2020 році . Хороші новини для тих, хто стурбований принципово низькою шириною смуги супутникового Інтернету. Якщо угрупування в 30 000 супутників почне працювати до 2026 року, глобальний інтернет-трафік потенційно складе 800 Тб/сек. Якщо половина цього обсягу постачатиметься ~500 супутниками над густонаселеними районами в будь-який окремо взятий момент часу, то пікова пропускна спроможність на кожен супутник складе приблизно 800 Гб/сек., а це в 10 разів вище, ніж за нашими початковими основними підрахунками. е. приплив фінансів потенційно зростає удесятеро.
Для супутника на 330-кілометровій орбіті, промінь 0,01 радіана покриває площу в 10 кв.км. В особливо густонаселених районах на зразок Манхеттена на такій площі мешкає до 300 000 осіб. А якщо вони всі разом засядуть дивитись Netflix (7 Мб/сек. в HD-якості)? Загальний запит даних складе 2000 ГБ/сек., що приблизно в 35 разів перевищує поточне обмеження, накладене ПЛІС-інтерфейсом послідовного виведення. Із цієї ситуації є два виходи, з яких фізично можливий лише один.
Перший — це вивести на орбіту більше супутників, щоб у будь-який окремо взятий момент часу над областями підвищеного запиту висіло більше 35 штук. Якщо знову взяти 1 стерадіан для прийнятної адресованої ділянки піднебіння та середньої орбітальної висоти в 400 км, отримуємо щільність угруповання в 0,0002/кв.км, або 100 000 всього - якщо рівномірно розподілити їх над усією поверхнею земної кулі. Нагадаємо, що обрані орбіти SpaceX різко збільшують щільність покриття над густонаселеними областями в межах 20-40 градусів північної широти, і ось уже число 30 000 супутників здається магічним.
Друга ідея набагато крутіша, але, як не сумно, нереалізована. Нагадаємо, що ширина променя визначається шириною фазованої антеної решітки. Що якщо безліч грат на кількох супутниках з'єднають потужності, створивши вужчий промінь — прямо як радіотелескопи на кшталт того ж (дуже велика антенна система)? Цей спосіб пов'язаний з однією складністю: базис між супутниками потрібно буде обчислювати ретельно - з точністю до субміліметра - щоб стабілізувати фазу променя. І навіть якби таке було можливо, промінь, що вийшов, навряд чи стримає бічні пелюстки, зважаючи на малу щільність супутникового угруповання в небі. На землі ширина променя звузилася б до кількох міліметрів (достатньо, щоб відстежити антену стільникового телефону), але їх були б мільйони через слабке проміжне обнулення. Дякую .
Виявляється, поділ каналів кутовим рознесенням — адже супутники рознесені небом — забезпечує адекватні поліпшення пропускної спроможності без порушення законів фізики.
Застосування
Яким є профіль клієнта Starlink? За замовчуванням це сотні мільйонів користувачів, у яких на дахах будинків антени розміром з коробку з-під піци, але є й інші джерела високого доходу.
У віддалених і сільських районах наземними станціями не потрібні фазовані антенні решітки для максимізації ширини променя, тому можливе застосування меншого абонентського пристрою: від IoT asset tracker'ів до кишенькових супутникових телефонів, аварійних маяків або наукових приладів для відстеження тварин.
У густонаселених міських середовищах Starlink забезпечить первинну та резервну транспортну мережу для мережі. На кожну стільникову вишку можна буде встановити зверху високопродуктивну наземну станцію, але використовувати наземні джерела живлення для посилення та передачі через останню милю.
І нарешті, навіть у перенаселених районах під час первинного викочування є можливість застосування для низькоорбітальних супутників із виключно мінімальною затримкою. Фінансові компанії самі пхають вам у руки чималі гроші — аби хоч трохи швидше отримувати життєво важливі дані з усіх куточків світу. І нехай навіть цим через Starlink чекає шлях довший за звичний — через космос, — швидкість поширення світла у вакуумі на 50% вища, ніж у кварцовому склі, а це з лишком окупає різницю при передачі на великі дистанції.
Негативні наслідки
Останній розділ присвячений негативним наслідкам. Мета статті — позбавити вас помилок щодо проекту, а потенційні негативні наслідки суперечок викликають найбільше. Я наведу деякі відомості, утримавшись від зайвих тлумачень. Я все ж таки не ясновидець, та й інсайдів з SpaceX у мене немає.
Найбільші, на мою думку, серйозні наслідки несе збільшений доступ до Інтернету. Навіть у моїй рідній Пасадені, жвавому та технічно розвиненому місті-мільйоннику, де розміщується кілька обсерваторій, університет світового класу та найбільший центр НАСА, вибір, коли справа доходить до інтернет-послуг, дуже обмежений. По всій території США та решті світу інтернет перетворився на рентоорієнтовану комунальну послугу, а провайдерам аби злупити свої 50 млн. доларів на місяць у затишній, неконкурентній обстановці. Мабуть, будь-яка послуга, що постачається в квартири та житлові будинки, — комуналка, але якість інтернет-послуг менш рівна, ніж води, електрики чи газу.
Проблема статусу-кво в тому, що, на відміну від води, електроенергії чи газу, інтернет все ще молодий та швидко розвивається. Ми завжди знаходимо йому нове застосування. Найреволюційніше досі не відкрито, але пакетні плани душать можливість конкуренції та інновацій. Мільярди людей залишаються за бортом через обставини народження, або тому що їх країна надто далеко від магістралі підводного кабелю. У великі регіони планети інтернет досі доставляють геостаціонарні супутники за грабіжницькою ціною.
Starlink ж, який безперервно роздає інтернет з неба, порушує цю модель. Мені поки не знайомий інший найкращий спосіб, як підключити до інтернету мільярди людей. SpaceX на шляху до того, щоб стати інтернет-провайдером і потенційно інтернет-компанією, яка потягається з Google і Facebook. Тримаю парі, ви про таке і не думали.
Те, що супутниковий інтернет — найкращий варіант, не очевидно. SpaceX і тільки SpaceX у тому становищі, щоб швидко створити велике угруповання супутників, адже тільки воно вбило десятиліття на те, щоб порушити урядово-військову монополію на запуск космічних кораблів. Навіть якби Iridium обігнала на ринку стільникові телефони вдесятеро, вона все одно не домоглася б широкого застосування, використовуючи традиційні пускові майданчики. Без SpaceX та її унікальної бізнес-моделі велика ймовірність, що глобальний супутниковий інтернет просто ніколи не станеться.
Другий великий удар припаде на астрономію. Після запуску перших 60 супутників Starlink пішла хвиля критики від міжнародної астрономічної спільноти, мовляв, багаторазово збільшена кількість супутників перекриє їм доступ до нічного неба. Є така приказка: серед астрономів той крутіший, у кого телескоп більше. Без перебільшення, займатися астрономією в сучасну епоху — завдання архітрудне, нагадує безперервну боротьбу за поліпшення якості аналізу на тлі світлового забруднення, що росте, та інших джерел шуму.
Найменше астроному потрібні тисячі яскравих супутників, що мелькають у фокусі телескопа. І справді, перше угруповання Iridium здобуло погану славу за те, що давало «засвіти» через великі панелі, що відбивали сонячне світло на невеликі ділянки Землі. Траплялося, що вони досягали яскравості чверті Місяця і часом навіть випадково ушкоджували чутливі астрономічні датчики. Небезпідставними є і страхи, що Starlink вторгнеться в радіодіапазони, що використовуються в радіоастрономії.
Якщо завантажити програму для відстеження супутників, то можна побачити десятки супутників, що літають у небі ясним вечором. Супутники видно після заходу сонця і перед світанком, але тільки коли їх підсвічують сонячні промені. Пізніше протягом ночі супутники невидимі в тіні Землі. Крихітні, надзвичайно далекі, вони швидко рухаються. Є шанс, що вони менше ніж на мілісекунду заслонять далеку зірку, але, гадаю, навіть засікти це — той ще геморой.
Сильна стурбованість через засвічення неба народилася тому, що пласт супутників першого запуску було побудовано близько до термінатора Землі, тобто. ніч за ніч Європа — а справа була влітку — спостерігала епічну картину, як супутники пролітають у небі у вечірніх сутінках. Далі, симуляції на основі звітів у ФКС показали, що супутники на орбіті в 1150 км буде видно навіть після того, як пройдуть астрономічні сутінки. Взагалі, сутінки минають три стадії: цивільну, морську та астрономічну, тобто. коли сонце знаходиться у 6, 12 та 18 градусах нижче лінії горизонту відповідно. Наприкінці астрономічних сутінків сонячні промені знаходяться приблизно за 650 км від поверхні в зеніті, далеко за межами атмосфери та більшої частини низької навколоземної орбіти. Грунтуючись на даних з я вважаю, що всі супутники розмістять на висоті нижче 600 км. У цьому випадку їх можна буде бачити в сутінках, але не після настання ночі, що суттєво знизить потенційні наслідки для астрономії.
Третя проблема – сміття на орбіті. У я вказав на те, що супутники і сміття нижче 600 км зійдуть з орбіти протягом кількох років через опір атмосфери, сильно знижуючи можливість синдрому Кесслера. SpaceX заважають із брудом, ніби вони зовсім не думають про космічне сміття. Ось я переглядаю деталі реалізації Starlink, і мені важко уявити найкращий спосіб знизити кількість сміття на орбіті.
Супутники виводяться на висоту 350 км, потім на вбудованих двигунах відлітають на призначену орбіту. Кожен супутник, який загинув під час запуску, зійде з орбіти за кілька тижнів, і його не мотатиме десь ще вище за найближчі тисячі років. Таке розміщення стратегічно передбачає тестування на вільний вхід. Далі супутники Starlink плоскі в перерізі, а значить, втрачаючи контроль висоти, вони входять у щільні шари атмосфери.
Мало хто знає, що SpaceX стала піонером у космонавтиці, почавши використовувати альтернативні види кріплення замість піропатронів. Практично всі пускові майданчики використовують піропатрони при розгортанні щаблів, супутників, обтічників та ін., інше, збільшуючи тим самим потенційну кількість сміття. Ще SpaceX навмисно зводить з орбіти верхні щаблі, не даючи їм бовтатися в космосі вічно, щоб вони там не занепадали і не розпадалися в жорсткому космічному середовищі.
І, нарешті, остання проблема, про яку я хотів би згадати, це шанс того, що SpaceX витіснить існуючу монополію на інтернет, створивши власну. У своїй ніші SpaceX вже монополізувала запуски. Лише бажання урядів, що змагаються, отримати гарантований доступ до космосу не дає списати в брухт дорогі та застарілі ракети, які часто збираються великими монополістичними підрядниками-оборонниками.
Не так вже й важко уявити, як у 2030 році SpaceX запускатиме по 6000 своїх супутників щорічно, плюс кілька шпигунських супутників — по старій пам'яті. Дешеві та надійні супутники SpaceX продаватимуть «стійко-місце» під сторонні прилади. Будь-який університет, який створив придатну для використання в космосі камеру, зможе вивести її на орбіту, і не доведеться покривати витрати на будівництво цілої космічної платформи. З таким просунутим і необмеженим доступом до космосу Starlink вже асоціюється із супутниками, тоді як історичні виробники йдуть у минуле.
В історії є приклади далекоглядних компаній, які зайняли таку величезну нішу на ринку, що їх назви стали загальними: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.
Проблема може виникнути тоді, коли компанія-піонер візьметься за антиконкурентні практики, щоб зберегти свою частку на ринку, хоча з часів президента Рейгана це часто не забороняється. SpaceX може зберегти монополію Starlink, змусивши інших розробників супутникових угруповань запускати супутники старовинних радянських ракетах. Подібні події, вжиті , разом із фіксацією цін на перевезення пошти, призвела її у 1934 році до краху. На щастя, SpaceX навряд чи назавжди збереже абсолютну монополію на багаторазові ракети використання.
Ще більше побоювань викликає те, що розгортання SpaceX десятків тисяч супутників на низькій орбіті може бути спроектоване як кооптація загального надбання. Приватна компанія, переслідуючи особисту вигоду, заграбастає у постійну власність колись загальнодоступні та ніким не зайняті орбітальні позиції. І хоча інновації SpaceX дозволили реально робити гроші на вакуумі, більшість інтелектуального капіталу SpaceX була побудована на мільярди доларів, виділених з бюджету на дослідження.
З одного боку, потрібні закони, які захистять кошти приватних інвестицій, досліджень та розробок. Без цього захисту новатори не зможуть фінансувати амбітні проекти чи перемістять свої компанії туди, де такий захист їм забезпечать. У будь-якому разі, громадськість страждає, тому що не формується прибуток. З іншого боку, потрібні закони, які захистять людей, номінальних власників загального надбання, включаючи небо, — від рентоорієнтованих приватних сутностей, які анексують суспільні блага. Саме собою ні те, ні те вірно і навіть неможливо. Розробки SpaceX дають шанс знайти золоту середину цього нового ринку. Ми зрозуміємо, що її знайдено, коли максимізуємо частоту інновацій та формування суспільного добробуту.
Думки насамкінець
Цю статтю я написав відразу ж, як завершив іншу. . Гарячий видався тиждень. І Starship, і Starlink — революційні технології, які створюються просто на наших очах, за наших житті. Якщо я побачу, як дорослішають мої онуки, вони більше подивляться тому, що я старший за Starlink, а не тому, що в моєму дитинстві не було стільникових (музейних експонатів) або загальнодоступного інтернету як такого.
Багатії та військові вже давненько користуються супутниковим інтернетом, але повсюдний, загальний та дешевий Starlink без Starship просто неможливий.
Про запуск вже давно говорять, проте Starship, цілком дешевий і тому цікавий майданчик, неможливий без Starlink.
Про пілотовану космонавтику говорять уже давно, і якщо ви - то вам зелене світло. З Starship і Starlink освоєння космосу людиною - досяжне, близьке майбутнє, в якому рукою подати від орбітального аванпоста до промислово розвинених міст у далекому космосі.
Джерело: habr.com