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- SpaceX 通过数万颗卫星分发互联网的计划是太空媒体的主要话题。 每周发布有关最新成果的文章。 如果，一般来说，方案是明确的，但阅读后 ，一个有上进心的人（比如说，真正的人）可以挖掘出很多细节。 然而，即使在开明的观察者中，仍然存在许多与这项新技术相关的误解。 将 Starlink 与 OneWeb 和 Kuiper（以及其他）进行比较的文章并不少见，就好像它们是在平等竞争中一样。 其他显然关心地球利益的作者，对空间碎片、空间法、天文学的标准和安全大声疾呼。 希望读者看完这篇——比较长的文章后，能更好地理解和感受星链的理念。
出乎意料地触动了我少数读者灵魂中敏感的心弦。 在其中，我解释了 Starship 如何让 SpaceX 长期处于领先地位，同时为新的太空探索提供一种机制。 言下之意，传统卫星产业跟不上SpaceX，后者正在稳步提升猎鹰系列火箭的运力和削减成本，使SpaceX陷入困境。 一方面，它形成了一个充其量一年几十亿的市场。 另一方面，它本身点燃了一种无法抑制的金钱欲望——建造一枚巨大的火箭，然而，几乎没有人可以用它去火星，也不能指望立即获利。
这个孪生问题的解决方案是 Starlink。 通过组装和发射自己的卫星，SpaceX 可以创建和定义一个新市场，以高效和民主化地访问天基通信，在公司被淹没之前获得建造火箭的资金，并将其经济价值提高到数万亿美元。 不要低估埃隆的野心。 总的来说，没有那么多行业有数万亿美元在运转：能源、高速运输、通信、IT、医疗保健、农业、政府、国防。 尽管存在普遍的误解， , и 该业务不可行。 埃隆凭借他的特斯拉进入了能源行业，但只有电信才能为卫星和火箭发射提供可靠而广阔的市场。
当埃隆·马斯克想捐赠 80 万美元用于在火星探测器上种植植物的任务时，埃隆·马斯克第一次将目光投向了太空。 在火星上建造一座城市可能要花费 100 万倍以上，因此星链是马斯克争取海量急需赞助资金的主要赌注。 .
为了什么？
这篇文章我已经计划了很长时间，但直到上周我才有了一个完整的图景。 然后 SpaceX 总裁 Gwynne Shotwell 对 Rob Baron 进行了一次精彩的采访，他后来在 CNBC 的一次精彩采访中进行了报道 Michael Schitz，以及他们献给的人 . 这次采访显示了 SpaceX 与其他所有人在卫星通信方法上的巨大差异。
概念 诞生于 2012 年，当时 SpaceX 意识到他们的客户——主要是卫星供应商——拥有巨额资金储备。 发射台抬高了部署卫星的价格，而在这样做的过程中，不知何故，错过了工作的一个步骤——这是怎么回事？ 埃隆梦想为互联网创建一个卫星星座，但无法抗拒一项几乎不可能完成的任务，因此搁置了这个过程。 星链开发 ，但是到本文结束时，您，我的读者，可能会惊讶于考虑到这个想法的范围，这些困难实际上是多么的小。
互联网真的需要如此庞大的群体吗？ 为什么是现在？
仅在我的记忆中，互联网已经从纯粹的学术纵容发展成为第一个也是唯一一个革命性的基础设施。 这不是一个值得在长篇文章中讨论的话题，但我认为在全球范围内，对互联网的需求及其产生的收入将继续以每年约 25% 的速度增长。
今天，我们几乎所有人都从少数地理上孤立的垄断企业获得互联网。 在美国，AT&T、时代华纳、康卡斯特和少数小公司瓜分地盘以避免竞争，为服务而战三层皮，沐浴在几乎普遍仇恨的光芒中。
除了无所不在的贪婪之外，ISP 有充分的理由采取非竞争行为。 建设互联网基础设施——微波信号塔和光纤——非常非常昂贵。 人们很容易忘记 Internet 的美妙本质。 我奶奶先是去二战当信号员，然后是电报，然后和信鸽争夺战略主导地位！ 对我们大多数人来说，信息高速公路是短暂的、无形的，但比特在物理世界中穿行，这个世界有边界、河流、山脉、海洋、风暴、自然灾害和其他障碍。 早在 1996 年，当第一条光纤线路铺设在海底时， . 凭借其标志性的犀利风格，他生动地描述了铺设这些线条的成本和复杂性，而该死的“kotegas”仍然沿用这些线条。 在 2000 年代的大部分时间里，电缆被拉得如此之多，以至于部署成本惊人。
有一次我在一家光学实验室工作，（如果没记错的话）我们打破了当时的记录，发布了 500 Gb/s 的多路复用传输速率。 电子限制允许每根光纤加载理论带宽的 0,1%。 十五年后，我们已经准备好超越阈值：如果数据传输超过阈值，光纤就会熔化，而我们已经非常接近这一点。
但有必要将数据流提升到罪恶的地球之上——进入太空，卫星在太空中绕“球”飞行 30 年 000 圈。 这似乎是一个显而易见的解决方案——那么为什么之前没有人接受它呢？
摩托罗拉在 1990 年代初期开发和部署的铱星星座（还记得它们吗？）成为第一个全球低轨道通信网络（如 ). 到部署时，从资产跟踪器路由小数据包的利基能力是它的唯一用途：手机太便宜了，卫星电话从来没有出现过。 铱星在 66 个轨道上有 6 颗卫星（外加几颗备用卫星）——覆盖整个地球的最小设置。
如果铱星需要 66 颗卫星，那么 SpaceX 为什么需要数万颗？ 为什么她如此不同？
SpaceX 从另一端进入这项业务——它从发射开始。 成为运载火箭保全领域的先行者，从而占领了廉价发射台的市场。 试图以更低的价格打败他们赚不到多少钱，因此从他们的过剩产能中获利的唯一途径就是成为客户。 SpaceX 花钱发射自己的卫星—— （每 1 公斤）铱，因此它们能够进入更广阔的市场。
Starlink 的全球覆盖范围将使您能够在世界任何地方访问高质量的互联网。 第一次，互联网的可用性将不再取决于一个国家或城市与光纤线路的距离，而是取决于头顶天空的纯净度。 世界各地的用户将可以不受束缚地访问全球互联网，无论他们自己不同程度的不良和/或不诚实的政府垄断。 Starlink 打破这些垄断的能力正在催化巨大的积极变化，最终将数十亿人团结到未来的全球控制论社区中。
一个小小的抒情题外话：这到底是什么意思？
对于今天在无处不在的连接时代成长的人们来说，互联网就像我们呼吸的空气。 他只是。 但是这个 - 如果你忘记他带来积极变化的不可思议的力量 - 我们已经处于他们的中心。 在互联网的帮助下，人们可以向他们的领导问责，与世界另一端的其他人交流，分享想法，发明新事物。 互联网团结了人类。 升级的历史就是数据共享能力的进化史。 首先，通过演讲和史诗。 然后-在一封给死者发声的信上，他们转向生者； 写入允许存储数据并使异步通信成为可能。 印刷机已将新闻制作投入生产。 电子通讯——加速了全球数据的传输。 个人笔记设备逐渐变得更加复杂，从笔记本电脑发展到手机，每台手机都是一台连接互联网的电脑，里面装满了传感器，并且每天都在更好地预测我们的需求。
在认知过程中使用书写和计算机的人更有可能克服大脑发育不完善的局限性。 更令人鼓舞的是，手机既是强大的存储设备，也是交流思想的工具。 如果早先人们分享想法依赖于他们在笔记本上勾勒的演讲，那么今天笔记本本身分享人们产生的想法是常态。 传统方案发生了倒置。 这个过程的逻辑延续是某种形式的集体元认知，通过个人设备， 并且相互关联。 虽然我们可能仍然怀念与自然和孤独失去联系，但重要的是要记住，技术和技术本身是我们从无知、过早死亡（这是可以避免的）“自然”循环中解放出来的最大部分。 、暴力、饥饿和蛀牙。
怎么样？
下面说说星链项目的商业模式和架构。
星链要成为盈利企业，资金的流入必须要超过建设和运营的成本。 传统上，资本投资涉及增加启动成本、使用复杂的专门资金和保险机制，以及发射卫星的一切。 一颗地球静止通信卫星可能耗资 500 亿美元，建造和发射需要五年时间。 因此，该领域的公司正在同时建造喷气式飞机或集装箱船。 巨大的支出，勉强覆盖融资成本的资金流入，以及相对较小的运营预算。 相比之下，最初的 Iridium 的失败是摩托罗拉迫使运营商支付了一笔致命的许可费，使企业在短短几个月内破产。
为开展此类业务，传统卫星公司必须为私人客户提供服务并收取高数据费率。 航空公司、偏远前哨站、船舶、战区和关键基础设施站点每 MB 支付约 5 美元，这是传统 ADSL 成本的 1 倍，尽管数据延迟和卫星带宽相对较低。
Starlink 计划与地面服务提供商竞争，这意味着它必须以更便宜的价格提供数据，理想情况下，每 1 MB 收费远低于 1 美元。 是否可以？ 或者，既然这是可能的，就应该问：这怎么可能？
新菜的第一个成分是廉价推出。 如今，猎鹰以约 24 万美元的价格出售重达 60 吨的发射器，即每公斤 2500 美元。 然而，事实证明，内部成本要高得多。 Starlink 卫星将在可重复使用的运载火箭上发射，因此单次发射的边际成本是新的第二级（约 1 万美元）、整流罩（4 万）和地面支持（约 1 万）的成本。 总计：一颗卫星约1万美元，即比发射传统通信卫星便宜 100 多倍。
然而，大多数 Starlink 卫星将在 Starship 上发射。 事实上，正如 FCC 的最新报告所示，Starlink 的发展提供了一些 项目的内部架构。 星座中的卫星总数从1颗增加到584颗，然后增加到2颗，最后增加到825颗，按照总节省量计算，这个数字更高。 该项目第一阶段开发的最低卫星数量为 7 个轨道上的 518 颗卫星（总共 30 颗），而赤道 000 度范围内的完整覆盖需要 60 颗卫星的 6 个轨道（总共 360 颗）。 这是猎鹰的 53 次发射，内部支出约为 24 亿美元。 另一方面，Starship 的设计目的是一次发射多达 60 颗卫星，价格大致相同。 Starlink 卫星必须每 1440 年更换一次，因此 24 颗卫星每年需要 150 次 Starship 发射。 这将花费大约400亿/年，或5万/颗卫星。 每颗猎鹰卫星重 6000 公斤； 在 Starship 上吊运的卫星可能重 15 公斤并携带第三方设备，更大一些但仍不超过允许的负载。
卫星的成本是多少？ 在兄弟中，星链卫星有些不同寻常。 它们是平装组装、存储和发射的，因此非常容易批量生产。 经验表明，生产成本应大致等于发射器的成本。 如果价格差异很大，说明资源配置不正确，因为在降低成本的同时边际成本的综合降低幅度不大。 首批几百颗真的是100万美金吗？ 换句话说，设备中的星链卫星不比机器复杂吗？
要完全回答这个问题，您需要了解为什么在轨通信卫星的成本要高出 1000 倍，即使它并不复杂 1000 倍。 简单来说，太空硬件为何如此昂贵？ 这有很多原因，但在这种情况下最引人注目的是：如果将一颗卫星送入轨道（在猎鹰之前）的成本超过 100 亿美元，则必须保证它可以工作很多年——为了至少带来一些利润。 要确保第一个也是唯一一个产品运行的可靠性是一个痛苦的过程，可能会持续数年，需要数百人的努力。 再加上成本，当启动成本已经很高时，很容易证明额外的流程是合理的。
Starlink 打破了这种模式，它建造了数百颗卫星，迅速修复了早期的设计缺陷，并引入了大规模生产技术人员来管理成本。 我个人很容易想象一个 Starlink 管道，技术人员在一两个小时内将一些新东西集成到设计中并用塑料扎带（当然是 NASA 级别）固定所有东西，保持所需的 16 颗卫星/天的更换率。 一颗星链卫星由很多复杂的部件组成，但我看不出有什么理由不能将下线的第 20 颗成本降低到 XNUMX 万。事实上，XNUMX 月份，Elon 在 Twitter 上写道，成本制造一颗卫星的成本已经低于发射成本。
让我们以平均情况为例，通过对数字进行四舍五入来分析投资回收期。 一颗星链卫星，组装发射成本100万，已经运行了5年。 它会收回成本吗？如果是，多快？
5年后，星链卫星将绕地球30万圈。 在这一个半小时的轨道中，他将花费大部分时间在海洋上空，并且可能在人口稠密的城市上空停留 000 秒。 在这短暂的窗口中，他播报数据，急着赚钱。 假设天线支持 100 个波束，每个波束传输 100 Mbps，使用像这样的现代编码 , 然后卫星每轨道产生 1000 美元的利润 - 订阅价格为每 1 GB 1 美元。 这足以在一周内偿还 100 美元的部署成本，并大大简化了资本结构。 剩下的 29 转是利润减去固定成本。
估计数字可能会有很大差异，而且是双向的。 但无论如何，如果你能以 100 颗——甚至 000 万颗/颗的速度将高质量的卫星星座送入低轨道——这就是一个严肃的应用。 即使使用时间极短，Starlink 卫星也能够在其整个生命周期内传输 1 Pb 的数据——摊销成本为每 GB 30 美元。 同时，当传输距离更长时，边际成本几乎不会增加。
为了理解这种模式的重要性，让我们将其与其他两种向消费者传输数据的模式进行简单比较：传统的光纤电缆，以及由一家不专门从事卫星发射的公司提供的卫星星座。
连接法国和新加坡的铁路于 2005 年投入运营。 带宽 - 1,28 Tb/s，部署成本 - 500 亿美元。 如果它以 10% 的容量运行 100 年，并且管理费用是资本成本的 100%，那么转移价格将为每 0,02 GB 1 美元。 跨大西洋电缆更短，也稍微便宜一些，但海底电缆只是一大群想要钱来进行数据传输的人中的一个实体。 Starlink 平均估价便宜 8 倍，同时他们还有“全包”。
这怎么可能？ Starlink 卫星包括连接光纤电缆所需的所有复杂电子交换设备，只是它使用真空而不是昂贵且脆弱的电线进行数据传输。 空间传输减少了舒适和过时的垄断数量，允许用户通过更少的硬件进行通信。
可与竞争卫星开发商 OneWeb 相媲美。 OneWeb 计划创建一个由 600 颗卫星组成的星座，它将通过商业供应商以每 20 公斤约 000 美元的价格发射。 一颗卫星重量为1公斤，即在理想情况下，发射一颗卫星约为150万颗，卫星硬件成本估算为每颗卫星3万颗，即到1年，整个分组的成本将达到2027亿，OneWeb进行的测试显示吞吐量为2,6Mb/s。 理想情况下，对于 50 条光束中的每一条都在峰值处。 按照我们计算 Starlink 成本的相同方案，我们得到：每颗 OneWeb 卫星每轨道产生 16 美元，而在短短 80 年内它将带来 5 万美元——如果我们还算上远程数据传输，这几乎不足以支付发射成本地区。 2,4 GB 总计 1,70 美元。
Gwynn Shotwell 最近被引述说 ，这意味着每 GB 0,10 美元的竞争价格。 这是最初的 Starlink 配置：生产优化较少，在猎鹰上发射和数据传输限制 - 并且仅覆盖美国北部。 事实证明，SpaceX 有一个不可否认的优势：今天他们可以以比竞争对手低 1 倍的价格（每单位）发射一颗更合适的卫星。 Starship 将领先优势提高 15 倍，甚至更多，因此不难想象 SpaceX 到 100 年将以不到 2027 亿美元的价格发射 30 颗卫星，其中大部分将由自己的钱包提供。
我敢肯定，对于 OneWeb 和其他崭露头角的星座开发商有更乐观的分析，但我还不知道他们是如何运作的。
最近摩根士丹利 星链卫星组装成本1万，发射成本830万。 . 奇怪的是，这些数字与我们对 OneWeb 支出的计算结果相似，大约是 Starlink 最初估计的 10 倍。 使用星际飞船和工业卫星制造可以将部署卫星的成本降低到大约 35 颗/颗。 这是一个低得惊人的数字。
最后一点仍然存在——比较 Starlink 产生的每 1 W 太阳能的利润。 根据他们网站上的照片，每颗卫星的太阳能电池阵列大约有 60 平方米。 每转平均产生大约 3 kW 或 4,5 kWh。 据估计，每个轨道将产生 1000 美元，每颗卫星每千瓦时将产生约 220 美元。 这是太阳能批发成本的一万倍，再次印证： . 用于数据传输的微波调制是一项过高的附加成本。
建筑
在上一节中，我相当粗略地介绍了 Starlink 架构的一个非常重要的部分——它如何在地球上高度不均匀的人口密度下工作。 Starlink 卫星发射聚焦光束，在行星表面形成斑点。 现场内的订户共享一个带宽。 光斑的尺寸由基础物理学决定：最初它的宽度是（卫星高度 x 微波长度 / 天线直径），对于 Starlink 卫星来说，最多只有几公里。
在大多数城市，人口密度约为 1000 人/平方公里，尽管在某些地方更高。 在东京或曼哈顿的某些地区，每个地点可容纳超过 100 人。 幸运的是，任何这样人口稠密的城市都有竞争激烈的国内宽带互联网市场，更不用说高度发达的移动电话网络了。 但尽管如此，如果在任何给定时间城市上空有许多相同星座的卫星，则可以通过在空间上分散天线以及分配频率来提高吞吐量。 换句话说，几十颗卫星可以将最强大的波束聚焦在一个点上，该地区的用户将使用地面终端在卫星之间分发请求。
如果在初始阶段最适合销售服务的市场是偏远、农村或郊区，那么进一步推出的资金将来自更好的服务，特别是针对人口密集的城市。 这种情况与标准的市场扩张模式完全相反，在这种模式下，竞争激烈的以城市为中心的服务在试图扩展到更贫穷和人口密度较低的地区时，不可避免地会遭受利润下降。
几年前我做数学题的时候， .
我从这张图片中获取数据并编译了下面的 3 个图。 第一个显示按人口密度划分的土地面积频率。 最有趣的是，地球上的大部分地区根本无人居住，几乎没有哪个地区每平方公里的人口超过 100 人。
第二张图显示了按人口密度划分的人员频率。 尽管地球上大部分地区无人居住，但大多数人居住在每平方公里 100-1000 人的地区。 这个峰值的扩展性质（大一个数量级）反映了城市化模式的双峰性。 100人/平方公里——这是一个相对人烟稀少的农村地区，而这个数字为1000人/平方公里。 郊区的特点。 市中心很容易显示 10 人/平方公里，但曼哈顿的人口是 000 人/平方公里。
第三张图显示了各纬度的人口密度。 可以看到几乎所有的人都集中在北纬20-40度范围内。 因此，总的来说，它在地理和历史上得到了发展，因为南半球的很大一部分被海洋占据。 然而，这种人口密度对于该集团的建筑师来说是一项艰巨的挑战，因为卫星在两个半球花费的时间相等。 此外，以 50 度角绕地球运行的卫星将花费更多时间靠近指定的纬度边界。 这就是为什么 Starlink 只需要 6 个轨道来服务美国北部，而 24 个轨道来覆盖赤道。
事实上，如果我们将人口密度图与卫星星座密度图结合起来，轨道的选择就变得显而易见了。 每个条形图代表 SpaceX 向 FCC 提交的四份报告中的一份。 就我个人而言，在我看来，每一份新报告都像是对前一份报告的补充，但无论如何，不难看出额外的卫星如何增加北半球相应地区的容量。 相比之下，南半球仍有大量未使用的带宽——庆幸吧，亲爱的澳大利亚！
当用户数据到达卫星时会发生什么？ 在原始版本中，Starlink 卫星会立即将它们传回服务区附近的专用地面站。 这种配置称为“直接中继”。 未来，星链卫星将能够通过激光相互通信。 数据交换将在人口稠密的城市达到顶峰，但数据可以在二维激光网络上分布。 实际上，这意味着在卫星网络中存在隐藏回程的巨大机会，即用户数据可以在任何合适的位置“重新传输到地球”。 实际上，在我看来，SpaceX 地面站将与 在城市之外。
事实证明，如果卫星不一起移动，卫星到卫星的通信并不是一项微不足道的任务。 FCC 的最新报告报告了 11 个不同的卫星轨道群。 在给定的一组中，卫星以相同的高度、相同的倾角和相同的偏心率移动，这意味着激光可以相对容易地找到附近的卫星。 但是组之间的接近速度以公里/秒为单位测量，因此组之间的通信，如果可能的话，应该通过短而快速的受控微波链路。
轨道群的拓扑结构就像光的波粒理论，并不真正适用于我们的示例，但我认为它很棒，所以我将其包含在文章中。 如果您对此部分不感兴趣，请直接跳至“基础物理的局限性”。
环面 - 或甜甜圈 - 是由两个半径定义的数学对象。 在圆环的表面画圆非常简单：平行或垂直于它的形状。 您可能会发现有趣的是，可以在圆环体的表面上绘制另外两类圆，它们都穿过圆环中心和轮廓周围的孔。 这就是所谓的。 ，我在 2015 年为火人节特斯拉线圈设计环形线圈时使用了这个设计。
尽管严格来说卫星的轨道是椭圆而不是圆形，但同样的构造也适用于 Starlink。 一个由 4500 颗卫星组成的星座位于多个轨道平面上，它们都处于相同的角度，在地球表面上方形成一个连续移动的层。 给定纬度点上方的朝北层转向并向南移动。 为了避免碰撞，轨道将稍微拉长，这样向北移动的层将比向南移动的层高（或低）几公里。 这两层一起形成了一个吹制的环面，如下面的放大图所示。
让我提醒您，在这个圆环内，通信是在相邻卫星之间进行的。 一般来说，不同层的卫星之间没有直接和长期的连接，因为激光制导的收敛率太高。 层与层之间的数据传输轨迹依次通过环面上方或下方。
总共 30 颗卫星将位于远离国际空间站轨道的 000 个嵌套圆环中！ 该图显示了所有这些层是如何打包的，没有夸大的偏心率。
最后，您应该考虑最佳飞行高度。 有一个两难选择：低海拔，它以更小的波束尺寸提供更大的吞吐量，或者高海拔，它允许您用更少的卫星覆盖整个星球？ 随着时间的推移，SpaceX 向 FCC 提交的报告谈到，随着星际飞船的改进，可以更快地部署更大的星座，飞行高度会越来越低。
低空还有其他好处，包括降低空间碎片撞击的风险或设备故障的负面影响。 由于大气阻力增加，最低的 Starlink 卫星（330 公里）将在失去姿态控制的几周内烧毁。 的确，300 公里是卫星几乎无法飞行的高度，而保持该高度需要内置氪电火箭发动机，以及流线型设计。 从理论上讲，一颗形状相当尖的卫星，由电动火箭发动机提供动力，可以保持 160 公里的稳定高度，但 SpaceX 不太可能将卫星发射到如此低的高度，因为还有一些技巧可以提高吞吐量。
基础物理学的局限性
卫星部署价格似乎不太可能降到 35 美元以下，即使制造是先进的和完全自动化的，星际飞船是完全可重复使用的，而且目前还不完全知道物理学会对卫星施加什么限制。 上述分析假设峰值吞吐量为 80 Gb/s。 （如果四舍五入到 100 个波束，每个波束都能够传输 100 Mb/s）。
通道的带宽限制设置为 并在带宽统计中给出 (1+SNR)。 带宽通常是有限的 , 而 SNR 是可用的卫星能量、背景噪声和信道干扰 . 另一个值得注意的障碍是处理速度。 最新的 Xilinx Ultrascale+ FPGA 具有 ，考虑到当前的带宽限制，无需开发定制 ASIC，这很好。 但即便如此，还是 58 Gb/s。 将需要令人印象深刻的频率分布，最有可能在 Ka 波段或 V 波段。 V (40–75 GHz) 具有更易接近的周期，但更易被大气吸收，尤其是在高湿度区域。
100条射线实用吗？ 这个问题有两个方面：波束宽度和相控阵元件密度。 波束宽度由波长除以天线直径决定。 数字相控阵天线仍然是一项专门技术，但最大可用尺寸由宽度决定 （约 1m），并且使用射频通信更昂贵。 Ka 波段的波宽约为 1 厘米，而波束宽度应为 0,01 弧度 - 频谱宽度为振幅的 50%。 假设光束立体角为 1 个球面度（类似于 50 毫米相机镜头的覆盖范围），那么在该区域中 2500 个单独的光束就足够了。 线性意味着 2500 个波束需要阵列内至少有 2500 个天线元件，这在原则上是可行的，尽管很困难。 一切都会变得很热！
总共 2500 个通道，每个通道支持 58 Gb/s，这是一个巨大的信息量——如果粗略的话，那么 145 Tb/s。 作为比较，2020 年所有互联网流量 . 对于那些担心卫星互联网带宽基本较低的人来说，这是个好消息。 如果到 30 年由 000 颗卫星组成的星座投入运行，全球互联网流量可能会达到 2026 Tb/s。 如果其中一半是由约 800 颗卫星在任何给定时间在人口稠密地区提供的，那么每颗卫星的峰值吞吐量约为 500 Gb/s，比我们最初的基线估计高 800 倍，即资金流入可能增长10倍。
对于330公里轨道上的卫星，0,01弧度的波束覆盖面积为10平方公里。 在曼哈顿等人口特别稠密的地区，多达 300 万人居住在该地区。 如果他们都坐下来同时观看 Netflix（高清质量为 000 Mbps）怎么办？ 总数据请求将为 7 GB/s，大约是串行输出 FPGA 当前硬限制的 2000 倍。 有两种方法可以摆脱这种情况，其中只有一种是物理上可行的。
首先是将更多卫星送入轨道，以便在任何给定时间都有超过 35 颗卫星悬挂在需求增加的地区。 如果我们再次将 1 个球面度用于合理的可寻址天空区域和 400 公里的平均轨道高度，我们得到的星座密度为 0,0002/平方公里，或者总共 100 - 如果它们均匀分布在整个表面上地球的。 回想一下，SpaceX 的选定轨道极大地增加了北纬 000-20 度内人口稠密地区的覆盖范围，现在 40 颗卫星的数量似乎很神奇。
第二个想法更酷，但遗憾的是，无法实现。 回想一下，波束宽度由相控天线阵列的宽度决定。 如果几颗卫星上的许多阵列结合功率，产生更窄的波束会怎样——就像射电望远镜一样 （非常大的天线系统）？ 这种方法有一个复杂性：需要仔细计算卫星之间的基差 - 具有亚毫米精度 - 以稳定光束的相位。 即使这是可能的，由于天空中卫星星座的密度低，产生的波束也几乎不会包含旁瓣。 在地面上，波束宽度会缩小到几毫米（足以跟踪手机天线），但由于中间调零较弱，波束宽度将达到数百万。 谢谢 .
事实证明，通过角度分离的信道分离——因为卫星在天空中间隔开——在不违反物理定律的情况下提供了吞吐量的充分改进。
应用
Starlink 的客户资料是什么？ 默认情况下，这些是数以亿计的用户，他们在屋顶上安装了披萨盒大小的天线，但还有其他高收入来源。
在偏远和农村地区，地面站不需要相控阵天线来最大化波束宽度，因此可以使用更小的用户设备，从物联网资产跟踪器到袖珍卫星电话、紧急信标或科学动物跟踪仪器。
在密集的城市环境中，Starlink 将为蜂窝网络提供主要和备用回程。 每个蜂窝塔的顶部都可以有一个高性能的地面站，但在最后一英里使用地面电源进行放大和传输。
最后，即使在最初推出期间的拥挤区域，也有可能以极小的延迟用于低轨道卫星。 金融公司本身正在将大量资金投入您的手中 - 只需稍微快一点即可从世界各地获取重要数据。 即使通过 Starlink 的数据路径比平时更长——通过太空——但光在真空中的传播速度比在石英玻璃中高 50%，这在长距离传输时足以弥补差异。
负面后果
最后一节专门讨论负面后果。 文章的目的是为了让大家消除对项目的误解，而纠纷造成的潜在负面后果最多。 我会提供一些信息，避免不必要的解释。 我仍然不是千里眼，我也没有 SpaceX 的内部人员。
在我看来，最严重的后果是增加了对互联网的访问。 即使在我的家乡帕萨迪纳，一座拥有超过一百万人口、数个天文台、一所世界一流大学和 NASA 最大设施的繁华科技城市，在互联网服务方面的选择也是有限的。 在美国和世界其他地方，互联网已经成为一种寻租的公用事业服务，互联网服务提供商在一个舒适、非竞争的环境中每个月只能榨取 50 万美元。 也许，提供给公寓和住宅楼的任何服务都是公用公寓，但互联网服务的质量甚至不如水、电或气。
现状的问题在于，与水、电或煤气不同，互联网还很年轻并且发展迅速。 我们不断地为它寻找新的用途。 最具革命性的仍然是不开放，而是一揽子计划扼杀了竞争和创新的可能性。 数十亿人被抛在后面 由于出生的情况，或者因为他们的国家离主要的海底电缆太远。 在地球的大部分地区，互联网仍然由静止卫星以高昂的价格提供。
另一方面，Starlink 不断从空中分发互联网，违反了这种模式。 我还不知道还有什么其他更好的方法可以将数十亿人连接到互联网。 SpaceX 正朝着成为 ISP 的方向迈进，并有可能成为与谷歌和 Facebook 竞争的互联网公司。 我打赌你没有想到这一点。
卫星互联网是最好的选择并不明显。 SpaceX，而且只有 SpaceX，能够迅速创建一个庞大的卫星群，仅凭这些卫星群就打破了政府军对发射航天器的垄断。 即使 Iridium 的销量超过手机的十分之一，它仍然无法使用传统的发射台实现广泛采用。 如果没有 SpaceX 及其独特的商业模式，全球卫星互联网很可能永远不会发生。
第二个重大打击将来自天文学。 首批60颗星链卫星发射后，国际天文学界掀起批评浪潮，称卫星数量成倍增加将阻碍它们进入夜空。 有句话说：天文学家，谁的望远镜大，谁帅。 毫不夸张地说，在现代从事天文学是一项极其艰巨的任务，这让人想起在光污染和其他噪音源日益严重的背景下不断努力提高分析质量。
天文学家最不需要的就是成千上万颗明亮的卫星在望远镜的焦点中闪烁。 事实上，最初的铱星星座因大面板将阳光反射到地球的小区域而产生“光华”而臭名昭著。 碰巧它们达到了四分之一月球的亮度，有时甚至不小心损坏了敏感的天文传感器。 担心 Starlink 会侵入射电天文学中使用的无线电波段也不是没有根据的。
如果你下载一个卫星跟踪应用程序，你可以在晴朗的傍晚看到数十颗卫星在天空中飞翔。 卫星在日落之后和黎明之前可见，但只有在它们被太阳光线照亮时才可见。 稍后，在夜间，卫星在地球的阴影中是看不见的。 微小的，极其遥远的，他们移动得非常快。 他们有可能在不到一毫秒的时间内遮住一颗遥远的星星，但我认为即使检测到它也是一个痔疮。
对天空耀斑的强烈担忧源于这样一个事实，即首次发射的卫星层靠近地球的终结者排列，即夜复一夜，欧洲——当时是夏天——观看了黄昏时分卫星在天空中飞过的史诗画面。 此外，基于 FCC 报告的模拟表明，即使在天文暮色过去后，1150 公里轨道上的卫星也将可见。 一般来说，暮色会经历三个阶段：民用、航海和天文，即当太阳分别在地平线以下 6、12 和 18 度时。 在天文暮色结束时，太阳光线在天顶距离地表约 650 公里，远离大气层和大部分近地轨道。 根据来自的数据 ，我相信所有的卫星都会被放置在 600 公里以下的高度。 在这种情况下，它们可以在黄昏时看到，但在夜幕降临后看不到，这将大大减少对天文学的潜在影响。
第三个问题是轨道碎片。 在 我指出，由于大气阻力，600 公里以下的卫星和碎片将在几年内脱离轨道，大大降低了凯斯勒综合症的可能性。 SpaceX 到处乱扔垃圾，就像他们根本不关心太空垃圾一样。 在这里，我正在查看 Starlink 的实施细节，我很难想象有更好的方法来减少轨道上的碎片数量。
这些卫星被发射到 350 公里的高度，然后通过内置发动机飞向预定轨道。 任何在发射时死亡的卫星都将在几周内脱离轨道，并且几千年内都不会在其他任何地方摇摇欲坠。 该安置战略性地涉及免费入场测试。 此外，星链卫星的横截面是扁平的，这意味着失去高度控制后，它们会进入致密的大气层。
很少有人知道 SpaceX 已经成为航天领域的先驱，开始使用替代类型的安装方式代替引爆装置。 几乎所有发射台在部署级、卫星、天线罩等时都使用引爆装置，增加了碎片的可能性。 SpaceX 还特意将上面几级脱轨，防止它们永远悬在太空中，以免它们在恶劣的太空环境中腐烂解体。
最后，我想提的最后一个问题是 SpaceX 有可能通过创建自己的方式来取代现有的互联网垄断。 在其利基市场，SpaceX 已经垄断了发射。 只有敌对政府希望获得有保障的进入太空的愿望，才能防止报废昂贵且过时的火箭，这些火箭通常由大型垄断国防承包商组装。
不难想象 SpaceX 在 2030 年每年发射 6000 颗卫星，外加几颗间谍卫星。 廉价可靠的 SpaceX 卫星将为第三方设备出售“机架空间”。 任何建造太空相机的大学都可以将其送入轨道，而无需承担建造整个太空平台的成本。 凭借如此先进且不受限制的太空访问，Starlink 已经与卫星联系在一起，而历史悠久的制造商正在成为历史。
历史上有一些有远见的公司在市场上占据了如此巨大的利基市场，以至于他们的名字家喻户晓：Hoover、Westinghouse、Kleenex、Google、Frisbee、Xerox、Kodak、Motorola、IBM。
当一家先驱公司为了维持其市场份额而采取反竞争做法时，就会出现问题，尽管自里根总统以来，这种做法经常被允许。 SpaceX 可以通过迫使其他星座开发商用老式苏联火箭发射卫星来保持 Starlink 的垄断地位。 采取了类似的行动 ，再加上邮件运输的定价，导致它在 1934 年倒闭。 幸运的是，SpaceX 不太可能永远保持对可重复使用火箭的绝对垄断。
更令人担忧的是，SpaceX 部署的数万颗低轨卫星可能被设计为公地的共同选择。 一家追求个人利益的私营公司正在永久拥有曾经公开且无人居住的轨道位置。 虽然 SpaceX 的创新让真正在真空中赚钱成为可能，但 SpaceX 的大部分智力资本都是用数十亿美元的研究预算建立起来的。
一方面，我们需要保护私人投资、研发手段的法律。 没有这种保护，创新者将无法为雄心勃勃的项目提供资金，或者他们会将公司转移到提供这种保护的地方。 无论如何，公众因为没有产生利润而受苦。 另一方面，需要法律来保护人民，包括天空在内的公共领域的名义所有者，免受兼并公共物品的寻租私人实体的侵害。 就其本身而言，两者都不是真的，甚至是不可能的。 SpaceX 的发展提供了在这个新市场中找到快乐媒介的机会。 当我们最大限度地提高创新频率和创造社会福利时，我们就会意识到它已经被发现。
最后的想法
我一完成另一篇文章就写了这篇文章 - . 这是炎热的一周。 Starship 和 Starlink 都是革命性的技术，它们就在我们眼前，在我们的生活中被创造出来。 如果我看到我的孙子长大，他们会更惊讶我比 Starlink 还大，而不是我的童年没有蜂窝（博物馆藏品）或公共互联网本身。
富人和军人长期以来一直在使用卫星互联网，但如果没有 Starship，无处不在、通用且廉价的 Starlink 根本不可能实现。
发射已经被谈论了很长时间，但是没有 Starlink 是不可能的，Starship 非常便宜，因此是一个有趣的平台。
载人航天已经被谈论了很长时间，如果你—— 那么你就有了绿灯。 有了 Starship 和 Starlink，人类太空探索在不久的将来是可以实现的，从轨道前哨站到深空工业化城市仅一步之遥。
来源： habr.com
