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- SpaceX 通過數万顆衛星分發互聯網的計劃是太空媒體的主要話題。 每週發布有關最新成果的文章。 如果，一般來說，方案是明確的，但閱讀後 ，一個有上進心的人（比如說，真正的人）可以挖掘出很多細節。 然而，即使在開明的觀察者中，仍然存在許多與這項新技術相關的誤解。 將 Starlink 與 OneWeb 和 Kuiper（以及其他）進行比較的文章並不少見，就好像它們是在平等競爭中一樣。 其他顯然關心地球利益的作者，對空間碎片、空間法、天文學的標準和安全大聲疾呼。 希望讀者看完這篇——比較長的文章後，能更好地理解和感受星鏈的理念。
出乎意料地觸動了我少數讀者靈魂中敏感的心弦。 在其中，我解釋了 Starship 如何讓 SpaceX 長期處於領先地位，同時為新的太空探索提供一種機制。 言下之意，傳統衛星產業跟不上SpaceX，後者正在穩步提升獵鷹系列火箭的運力和削減成本，使SpaceX陷入困境。 一方面，它形成了一個充其量一年幾十億的市場。 另一方面，它本身點燃了一種無法抑制的金錢慾望——建造一枚巨大的火箭，然而，幾乎沒有人可以用它去火星，也不能指望立即獲利。
這個孿生問題的解決方案是 Starlink。 通過組裝和發射自己的衛星，SpaceX 可以創建和定義一個新的市場，以高效和民主化地訪問天基通信，在公司被淹沒之前獲得建造火箭的資金，並將其經濟價值提高到數万億美元。 不要低估埃隆的野心。 總的來說，沒有那麼多行業有數万億美元在運轉：能源、高速運輸、通信、IT、醫療保健、農業、政府、國防。 儘管存在普遍的誤解， , и 該業務不可行。 埃隆憑藉他的特斯拉進入了能源行業，但只有電信才能為衛星和火箭發射提供可靠而廣闊的市場。
當埃隆·馬斯克想捐贈 80 萬美元用於在火星探測器上種植植物的任務時，埃隆·馬斯克第一次將目光投向了太空。 在火星上建造一座城市可能要花費 100 萬倍以上，因此星鍊是馬斯克爭取海量急需贊助資金的主要賭注。 .
為了什麼？
這篇文章我已經計劃了很長時間，但直到上週我才有了一個完整的圖景。 然後 SpaceX 總裁 Gwynne Shotwell 對 Rob Baron 進行了一次精彩的採訪，他後來在 CNBC 的一次精彩採訪中進行了報導 Michael Schitz，以及他們獻給的人 . 這次採訪顯示了 SpaceX 與其他所有人在衛星通信方法上的巨大差異。
概念 誕生於 2012 年，當時 SpaceX 意識到他們的客戶——主要是衛星供應商——擁有巨額資金儲備。 發射台抬高了部署衛星的價格，而在這樣做的過程中，不知何故，錯過了工作的一個步驟——這是怎麼回事？ 埃隆夢想為互聯網創建一個衛星星座，但無法抗拒一項幾乎不可能完成的任務，因此擱置了這個過程。 星鏈開發 ，但是到本文結束時，您，我的讀者，可能會驚訝於考慮到這個想法的範圍，這些困難實際上是多麼的小。
互聯網真的需要如此龐大的群體嗎？ 為什麼是現在？
僅在我的記憶中，互聯網已經從純粹的學術縱容髮展成為第一個也是唯一一個革命性的基礎設施。 這不是一個值得在長篇文章中討論的話題，但我認為在全球範圍內，對互聯網的需求及其產生的收入將繼續以每年約 25% 的速度增長。
今天，我們幾乎所有人都從少數地理上孤立的壟斷企業獲得互聯網。 在美國，AT&T、時代華納、康卡斯特和少數小公司瓜分地盤以避免競爭，為服務而戰三層皮，沐浴在幾乎普遍仇恨的光芒中。
除了無所不在的貪婪之外，ISP 有充分的理由採取非競爭行為。 建設互聯網基礎設施——微波信號塔和光纖——非常非常昂貴。 人們很容易忘記 Internet 的美妙本質。 我奶奶先是去二戰當信號員，然後是電報，然後和信鴿爭奪戰略主導地位！ 對我們大多數人來說，信息高速公路是短暫的、無形的，但比特在物理世界中穿行，這個世界有邊界、河流、山脈、海洋、風暴、自然災害和其他障礙。 早在 1996 年，當第一條光纖線路鋪設在海底時， . 憑藉其標誌性的犀利風格，他生動地描述了鋪設這些線條的成本和復雜性，然後該死的“kotegas”仍然沿用。 在 2000 年代的大部分時間裡，電纜被拉得如此之多，以至於部署成本驚人。
有一次我在一家光學實驗室工作，（如果沒記錯的話）我們打破了當時的記錄，發布了 500 Gb/s 的多路復用傳輸速率。 電子限制允許每根光纖加載理論帶寬的 0,1%。 十五年後，我們已經準備好超越閾值：如果數據傳輸超過閾值，光纖就會熔化，而我們已經非常接近這一點。
但有必要將數據流提升到罪惡的地球之上——進入太空，衛星在太空中繞“球”飛行 30 年 000 圈。 這似乎是一個顯而易見的解決方案——那麼為什麼之前沒有人接受它呢？
摩托羅拉在 1990 年代初期開發和部署的銥星星座（還記得它們嗎？）成為第一個全球低軌道通信網絡（如 ). 到部署時，從資產跟踪器路由小數據包的利基能力是它的唯一用途：手機太便宜了，衛星電話從來沒有出現過。 銥星在 66 個軌道上有 6 顆衛星（外加幾顆備用衛星）——覆蓋整個地球的最小設置。
如果銥星需要 66 顆衛星，那麼 SpaceX 為什麼需要數万顆？ 為什麼她如此不同？
SpaceX 從另一端進入這項業務——它從發射開始。 成為運載火箭保全領域的先行者，從而佔領了廉價發射台的市場。 試圖以更低的價格打敗他們賺不到多少錢，因此從他們的過剩產能中獲利的唯一途徑就是成為客戶。 SpaceX 花錢發射自己的衛星—— （每 1 公斤）銥，因此它們能夠進入更廣闊的市場。
Starlink 的全球覆蓋範圍將使您能夠在世界任何地方訪問高質量的互聯網。 第一次，互聯網的可用性將不再取決於一個國家或城市與光纖線路的距離，而是取決於頭頂天空的純淨度。 世界各地的用戶將可以不受束縛地訪問全球互聯網，無論他們自己不同程度的不良和/或不誠實的政府壟斷。 Starlink 打破這些壟斷的能力正在催化巨大的積極變化，最終將數十億人團結到未來的全球控制論社區中。
一個小小的抒情題外話：這到底是什麼意思？
對於今天在無處不在的連接時代成長的人們來說，互聯網就像我們呼吸的空氣。 他只是。 但是這個 - 如果你忘記他帶來積極變化的不可思議的力量 - 我們已經處於他們的中心。 在互聯網的幫助下，人們可以向他們的領導問責，與世界另一端的其他人交流，分享想法，發明新事物。 互聯網團結了人類。 升級的歷史就是數據共享能力的進化史。 首先，通過演講和史詩。 然後-在一封給死者發聲的信上，他們轉向生者； 寫入允許存儲數據並使異步通信成為可能。 印刷機已將新聞製作投入生產。 電子通訊——加速了全球數據的傳輸。 個人筆記設備逐漸變得更加複雜，從筆記本電腦發展到手機，每台手機都是一台連接互聯網的電腦，裡面裝滿了傳感器，並且每天都在更好地預測我們的需求。
在認知過程中使用書寫和計算機的人更有可能克服大腦發育不完善的局限性。 更令人鼓舞的是，手機既是強大的存儲設備，也是交流思想的工具。 如果早先人們分享想法依賴於他們在筆記本上勾勒的演講，那麼今天筆記本本身分享人們產生的想法是常態。 傳統方案發生了倒置。 這個過程的邏輯延續是某種形式的集體元認知，通過個人設備， 並且相互關聯。 雖然我們可能仍然懷念與自然和孤獨失去聯繫，但重要的是要記住，技術和技術本身就是我們從無知、過早死亡（這是可以避免的）“自然”循環中解放出來的最大部分。 、暴力、飢餓和蛀牙。
怎麼樣？
下面說說星鏈項目的商業模式和架構。
星鏈要成為盈利企業，資金的流入必須要超過建設和運營的成本。 傳統上，資本投資涉及增加啟動成本、使用複雜的專門資金和保險機制，以及發射衛星的一切。 一顆地球靜止通信衛星可能耗資 500 億美元，建造和發射需要五年時間。 因此，該領域的公司正在同時建造噴氣式飛機或集裝箱船。 巨大的支出，勉強覆蓋融資成本的資金流入，以及相對較小的運營預算。 相比之下，最初的 Iridium 的失敗是摩托羅拉迫使運營商支付了一筆致命的許可費，使企業在短短幾個月內破產。
為開展此類業務，傳統衛星公司必須為私人客戶提供服務並收取高數據費率。 航空公司、偏遠前哨站、船舶、戰區和關鍵基礎設施站點每 MB 支付約 5 美元，這是傳統 ADSL 成本的 1 倍，儘管數據延遲和衛星帶寬相對較低。
Starlink 計劃與地面服務提供商競爭，這意味著它必須以更便宜的價格提供數據，理想情況下，每 1 MB 收費遠低於 1 美元。 是否可以？ 或者，既然這是可能的，就應該問：這怎麼可能？
新菜的第一個成分是廉價推出。 如今，獵鷹以約 24 萬美元的價格出售重達 60 噸的發射器，即每公斤 2500 美元。 然而，事實證明，內部成本要高得多。 Starlink 衛星將在可重複使用的運載火箭上發射，因此單次發射的邊際成本是新的第二級（約 1 萬美元）、整流罩（4 萬）和地面支持（約 1 萬）的成本。 總計：一顆衛星約1萬美元，即比發射傳統通信衛星便宜 100 多倍。
然而，大多數 Starlink 衛星將在 Starship 上發射。 事實上，正如 FCC 的最新報告所示，Starlink 的發展提供了一些 項目的內部架構。 星座中的衛星總數從1顆增加到584顆，然後增加到2顆，最後增加到825顆，按照總節省量計算，這個數字更高。 該項目第一階段開發的最低衛星數量為 7 個軌道上的 518 顆衛星（總共 30 顆），而赤道 000 度範圍內的完整覆蓋需要 60 顆衛星的 6 個軌道（總共 360 顆）。 這是獵鷹的 53 次發射，內部支出約為 24 億美元。 另一方面，Starship 的設計目的是一次發射多達 60 顆衛星，價格大致相同。 Starlink 衛星必須每 1440 年更換一次，因此 24 顆衛星每年需要 150 次 Starship 發射。 這將花費大約400億/年，或5萬/顆衛星。 每顆獵鷹衛星重 6000 公斤； 在 Starship 上吊運的衛星可能重 15 公斤並攜帶第三方設備，更大一些但仍不超過允許的負載。
衛星的成本是多少？ 在兄弟中，星鏈衛星有些不同尋常。 它們是平裝組裝、存儲和發射的，因此非常容易批量生產。 經驗表明，生產成本應大致等於發射器的成本。 如果價格差異很大，說明資源配置不正確，因為在降低成本的同時邊際成本的綜合降低幅度不大。 首批幾百顆真的是100萬美金嗎？ 換句話說，設備中的星鏈衛星不比機器複雜嗎？
要完全回答這個問題，您需要了解為什麼在軌通信衛星的成本要高出 1000 倍，即使它並不復雜 1000 倍。 簡單來說，太空硬件為何如此昂貴？ 這有很多原因，但在這種情況下最引人注目的是：如果將一顆衛星送入軌道（在獵鷹之前）的成本超過 100 億美元，則必須保證它可以工作很多年——為了至少帶來一些利潤。 要確保第一個也是唯一一個產品運行的可靠性是一個痛苦的過程，可能會持續數年，需要數百人的努力。 再加上成本，當啟動成本已經很高時，很容易證明額外的流程是合理的。
Starlink 打破了這種模式，它建造了數百顆衛星，迅速修復了早期的設計缺陷，並引入了大規模生產技術人員來管理成本。 我個人很容易想像一個 Starlink 管道，技術人員在一兩個小時內將一些新東西集成到設計中並用塑料紮帶（當然是 NASA 級別）固定所有東西，保持所需的 16 顆衛星/天的更換率。 一顆星鏈衛星由很多複雜的部件組成，但我看不出有什麼理由不能將下線的第 20 顆成本降低到 XNUMX 萬。事實上，XNUMX 月份，Elon 在 Twitter 上寫道，成本製造一顆衛星的成本已經低於發射成本。
讓我們以平均情況為例，通過對數字進行四捨五入來分析投資回收期。 一顆星鏈衛星，組裝發射成本100萬，已經運行了5年。 它會收回成本嗎？如果是，多快？
5年後，星鏈衛星將繞地球30萬圈。 在這一個半小時的軌道中，他將花費大部分時間在海洋上空，並且可能在人口稠密的城市上空停留 000 秒。 在這短暫的窗口中，他播報數據，急著賺錢。 假設天線支持 100 個波束，每個波束傳輸 100 Mbps，使用像這樣的現代編碼 , 然後衛星每軌道產生 1000 美元的利潤 - 訂閱價格為每 1 GB 1 美元。 這足以在一周內償還 100 美元的部署成本，並大大簡化了資本結構。 剩下的 29 轉是利潤減去固定成本。
估計數字可能會有很大差異，而且是雙向的。 但無論如何，如果你能以 100 顆——甚至 000 萬顆/顆的速度將高質量的衛星星座送入低軌道——這就是一個嚴肅的應用。 即使使用時間極短，Starlink 衛星也能夠在其整個生命週期內傳輸 1 Pb 的數據——攤銷成本為每 GB 30 美元。 同時，當傳輸距離更長時，邊際成本幾乎不會增加。
為了理解這種模式的重要性，讓我們將其與其他兩種向消費者傳輸數據的模式進行簡單比較：傳統的光纖電纜，以及由一家不專門從事衛星發射的公司提供的衛星星座。
連接法國和新加坡的鐵路於 2005 年投入運營。 帶寬 - 1,28 Tb/s，部署成本 - 500 億美元。 如果它以 10% 的容量運行 100 年，並且管理費用是資本成本的 100%，那麼轉移價格將為每 0,02 GB 1 美元。 跨大西洋電纜更短，也稍微便宜一些，但海底電纜只是一大群想要錢來進行數據傳輸的人中的一個實體。 Starlink 平均估價便宜 8 倍，同時他們還有“全包”。
這怎麼可能？ Starlink 衛星包括連接光纖電纜所需的所有復雜電子交換設備，只是它使用真空而不是昂貴且脆弱的電線進行數據傳輸。 空間傳輸減少了舒適和過時的壟斷數量，允許用戶通過更少的硬件進行通信。
可與競爭衛星開發商 OneWeb 相媲美。 OneWeb 計劃創建一個由 600 顆衛星組成的星座，它將通過商業供應商以每 20 公斤約 000 美元的價格發射。 一顆衛星重量為1公斤，即在理想情況下，發射一顆衛星約為150萬顆，衛星硬件成本估算為每顆衛星3萬顆，即到1年，整個分組的成本將達到2027億，OneWeb進行的測試顯示吞吐量為2,6Mb/s。 理想情況下，對於 50 條光束中的每一條都在峰值處。 按照我們計算 Starlink 成本的相同方案，我們得到：每顆 OneWeb 衛星每軌道產生 16 美元，而在短短 80 年內它將帶來 5 萬美元——如果我們還算上遠程數據傳輸，這幾乎不足以支付發射成本地區。 2,4 GB 總計 1,70 美元。
Gwynn Shotwell 最近被引述說 ，這意味著每 GB 0,10 美元的競爭價格。 這是最初的 Starlink 配置：生產優化較少，在獵鷹上發射和數據傳輸限制 - 並且僅覆蓋美國北部。 事實證明，SpaceX 有一個不可否認的優勢：今天他們可以以比競爭對手低 1 倍的價格（每單位）發射一顆更合適的衛星。 Starship 將領先優勢提高 15 倍，甚至更多，因此不難想像 SpaceX 到 100 年將以不到 2027 億美元的價格發射 30 顆衛星，其中大部分將由自己的錢包提供。
我敢肯定，對於 OneWeb 和其他嶄露頭角的星座開發商有更樂觀的分析，但我還不知道他們是如何運作的。
最近摩根士丹利 星鏈衛星組裝成本1萬，發射成本830萬。 . 奇怪的是，這些數字與我們對 OneWeb 支出的計算結果相似，大約是 Starlink 最初估計的 10 倍。 使用星際飛船和商業衛星製造可以將部署衛星的成本降低到大約 35 顆/顆。 這是一個低得驚人的數字。
最後一點仍然存在——比較 Starlink 產生的每 1 W 太陽能的利潤。 根據他們網站上的照片，每顆衛星的太陽能電池陣列大約有 60 平方米。 每轉平均產生大約 3 kW 或 4,5 kWh。 據估計，每個軌道將產生 1000 美元，每顆衛星每千瓦時將產生約 220 美元。 這是太陽能批發成本的一萬倍，再次印證： . 用於數據傳輸的微波調製是一項過高的附加成本。
架構
在上一節中，我相當粗略地介紹了 Starlink 架構的一個非常重要的部分——它如何在地球上高度不均勻的人口密度下工作。 Starlink 衛星發射聚焦光束，在行星表面形成斑點。 現場內的訂戶共享一個帶寬。 光斑的尺寸由基礎物理學決定：最初它的寬度是（衛星高度 x 微波長度 / 天線直徑），對於 Starlink 衛星來說，最多只有幾公里。
在大多數城市，人口密度約為 1000 人/平方公里，儘管在某些地方更高。 在東京或曼哈頓的某些地區，每個地點可容納超過 100 人。 幸運的是，任何這樣人口稠密的城市都有競爭激烈的國內寬帶互聯網市場，更不用說高度發達的移動電話網絡了。 但儘管如此，如果在任何給定時間城市上空有許多相同星座的衛星，則可以通過在空間上分散天線以及分配頻率來提高吞吐量。 換句話說，幾十顆衛星可以將最強大的波束聚焦在一個點上，該地區的用戶將使用地面終端在衛星之間分發請求。
如果在初始階段最適合銷售服務的市場是偏遠、農村或郊區，那麼進一步推出的資金將來自更好的服務，特別是針對人口密集城市的服務。 這種情況與標準的市場擴張模式完全相反，在這種模式下，競爭激烈的以城市為中心的服務在試圖擴展到更貧窮和人口密度較低的地區時，不可避免地會遭受利潤下降。
幾年前我做數學題的時候， .
我從這張圖片中獲取數據並編譯了下面的 3 個圖。 第一個顯示按人口密度劃分的土地面積頻率。 最有趣的是，地球上的大部分地區根本無人居住，幾乎沒有哪個地區每平方公里的人口超過 100 人。
第二張圖顯示了按人口密度劃分的人員頻率。 儘管地球上大部分地區無人居住，但大多數人居住在每平方公里 100-1000 人的地區。 這個峰值的擴展性質（大一個數量級）反映了城市化模式的雙峰性。 100人/平方公里——這是一個相對人煙稀少的農村地區，而這個數字為1000人/平方公里。 郊區的特點。 市中心很容易顯示 10 人/平方公里，但曼哈頓的人口是 000 人/平方公里。
第三張圖顯示了各緯度的人口密度。 可以看到幾乎所有的人都集中在北緯20-40度範圍內。 因此，總的來說，它在地理和歷史上得到了發展，因為南半球的很大一部分被海洋佔據。 然而，這種人口密度對於該集團的建築師來說是一項艱鉅的挑戰，因為衛星在兩個半球花費的時間相等。 此外，以 50 度角繞地球運行的衛星將花費更多時間靠近指定的緯度邊界。 這就是為什麼 Starlink 只需要 6 個軌道來服務美國北部，而 24 個軌道來覆蓋赤道。
事實上，如果我們將人口密度圖與衛星星座密度圖結合起來，軌道的選擇就變得顯而易見了。 每個條形圖代表 SpaceX 向 FCC 提交的四份報告中的一份。 就我個人而言，在我看來，每一份新報告都像是對前一份報告的補充，但無論如何，不難看出額外的衛星如何增加北半球相應地區的容量。 相比之下，南半球有大量未使用的帶寬——慶幸吧，親愛的澳大利亞！
當用戶數據到達衛星時會發生什麼？ 在原始版本中，Starlink 衛星會立即將它們傳回服務區附近的專用地面站。 這種配置稱為“直接中繼”。 未來，星鏈衛星將能夠通過激光相互通信。 數據交換將在人口稠密的城市達到頂峰，但數據可以在二維激光網絡上分佈。 實際上，這意味著在衛星網絡中存在隱藏回程的巨大機會，即用戶數據可以在任何合適的位置“重新傳輸到地球”。 實際上，在我看來，SpaceX 地面站將與 在城市之外。
事實證明，如果衛星不一起移動，衛星到衛星的通信並不是一項微不足道的任務。 FCC 的最新報告報告了 11 個不同的衛星軌道群。 在給定的一組中，衛星以相同的高度、相同的傾角和相同的偏心率移動，這意味著激光可以相對容易地找到附近的衛星。 但是群體之間接近的速度是以千米每秒來衡量的，所以群體之間的通信，如果可能的話，應該通過短的、快速控制的微波鏈路。
軌道群拓撲就像光的波粒理論，並不真正適用於我們的示例，但我認為它很棒，所以我將其包含在文章中。 如果您對此部分不感興趣，請直接跳至“基礎物理的局限性”。
環面 - 或甜甜圈 - 是由兩個半徑定義的數學對象。 在圓環的表面畫圓非常簡單：平行或垂直於它的形狀。 您可能會發現有趣的是，可以在圓環體的表面上繪製另外兩類圓，它們都穿過圓環中心和輪廓周圍的孔。 這就是所謂的。 ，我在 2015 年為火人節特斯拉線圈設計環形線圈時使用了這個設計。
儘管嚴格來說衛星的軌道是橢圓而不是圓形，但同樣的構造也適用於 Starlink。 一個由 4500 顆衛星組成的星座位於多個軌道平面上，它們都處於相同的角度，在地球表面上方形成一個連續移動的層。 給定緯度點上方的朝北層轉向並向南移動。 為了避免碰撞，軌道將稍微拉長，這樣向北移動的層將比向南移動的層高（或低）幾公里。 這兩層一起形成了一個吹塑形環面，如下面的放大圖所示。
讓我提醒您，在這個圓環內，通信是在相鄰衛星之間進行的。 一般來說，不同層的衛星之間沒有直接和長期的連接，因為激光制導的收斂率太高。 層與層之間的數據傳輸軌跡依次通過環面上方或下方。
總共 30 顆衛星將位於遠離國際空間站軌道的 000 個嵌套圓環中！ 該圖顯示了所有這些層是如何打包的，沒有誇大的偏心率。
最後，您應該考慮最佳飛行高度。 有一個兩難選擇：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，它允許您用更少的衛星覆蓋整個星球？ 隨著時間的推移，SpaceX 向 FCC 提交的報告談到，隨著星際飛船的改進，可以更快地部署更大的星座，飛行高度會越來越低。
低空還有其他好處，包括降低空間碎片撞擊的風險或設備故障的負面影響。 由於大氣阻力增加，最低的 Starlink 衛星（330 公里）將在失去姿態控制的幾週內燒毀。 的確，300 公里是衛星幾乎無法飛行的高度，而保持該高度需要內置氪電火箭發動機，以及流線型設計。 從理論上講，一顆形狀相當尖的衛星，由電動火箭發動機提供動力，可以保持 160 公里的穩定高度，但 SpaceX 不太可能將衛星發射到如此低的高度，因為還有一些技巧可以提高吞吐量。
基礎物理學的局限性
衛星部署價格似乎不太可能降到 35 美元以下，即使製造是先進的和完全自動化的，星際飛船是完全可重複使用的，而且目前還不完全知道物理學會對衛星施加什麼限制。 上述分析假設峰值吞吐量為 80 Gb/s。 （如果四捨五入到 100 個波束，每個波束都能夠傳輸 100 Mb/s）。
通道的帶寬限制設置為 並在帶寬統計中給出 (1+SNR)。 帶寬通常是有限的 , 而 SNR 是可用的衛星能量、背景噪聲和信道干擾 . 另一個值得注意的障礙是處理速度。 最新的 Xilinx Ultrascale+ FPGA 具有 ，考慮到當前的帶寬限制，無需開發定制 ASIC，這很好。 但即便如此，還是 58 Gb/s。 將需要令人印象深刻的頻率分佈，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，但更易被大氣吸收，尤其是在高濕度區域。
100條射線實用嗎？ 這個問題有兩個方面：波束寬度和相控陣元件密度。 波束寬度由波長除以天線直徑決定。 數字相控陣天線仍然是一項專門技術，但最大可用尺寸由寬度決定 （約 1m），並且使用射頻通信更昂貴。 Ka 波段的波寬約為 1 厘米，而波束寬度應為 0,01 弧度 - 頻譜寬度為振幅的 50%。 假設光束立體角為 1 個球面度（類似於 50 毫米相機鏡頭的覆蓋範圍），那麼在該區域中 2500 個單獨的光束就足夠了。 線性意味著 2500 個波束需要陣列內至少有 2500 個天線元件，這在原則上是可行的，儘管很困難。 一切都會變得很熱！
總共 2500 個通道，每個通道支持 58 Gb/s，這是一個巨大的信息量——如果粗略的話，那麼 145 Tb/s。 作為比較，2020 年所有互聯網流量 . 對於那些擔心衛星互聯網帶寬基本較低的人來說，這是個好消息。 如果到 30 年由 000 顆衛星組成的星座投入運行，全球互聯網流量可能會達到 2026 Tb/s。 如果其中一半是由約 800 顆衛星在任何給定時間在人口稠密地區提供的，那麼每顆衛星的峰值吞吐量約為 500 Gb/s，比我們最初的基線估計高 800 倍，即資金流入可能增長10倍。
對於330公里軌道上的衛星，0,01弧度的波束覆蓋面積為10平方公里。 在曼哈頓等人口特別稠密的地區，多達 300 萬人居住在該地區。 如果他們都坐下來同時觀看 Netflix（高清質量為 000 Mbps）怎麼辦？ 總數據請求將為 7 GB/s，大約是串行輸出 FPGA 當前硬限制的 2000 倍。 有兩種方法可以擺脫這種情況，其中只有一種是物理上可行的。
首先是將更多衛星送入軌道，以便在任何給定時間都有超過 35 顆衛星懸掛在需求增加的地區。 如果我們再次將 1 球面度用於合理的可尋址天空區域和 400 公里的平均軌道高度，我們得到的星座密度為 0,0002/平方公里，或者總共 100 - 如果它們均勻分佈在整個表面上地球的。 回想一下，SpaceX 的選定軌道極大地增加了北緯 000-20 度內人口稠密地區的覆蓋範圍，現在 40 顆衛星的數量似乎很神奇。
第二個想法更酷，但遺憾的是，無法實現。 回想一下，波束寬度由相控天線陣列的寬度決定。 如果幾顆衛星上的許多陣列結合功率，產生更窄的波束會怎樣——就像射電望遠鏡一樣 （非常大的天線系統）？ 這種方法有一個複雜性：需要仔細計算衛星之間的基差 - 具有亞毫米精度 - 以穩定光束的相位。 即使這是可能的，由於天空中衛星星座的密度低，產生的波束也幾乎不會包含旁瓣。 在地面上，波束寬度會縮小到幾毫米（足以跟踪手機天線），但由於中間調零較弱，波束寬度將達到數百萬。 謝謝 .
事實證明，通過角度分離的信道分離——因為衛星在天空中間隔開——在不違反物理定律的情況下提供了吞吐量的充分改進。
應用
Starlink 的客戶資料是什麼？ 默認情況下，這些是數以億計的用戶，他們在屋頂上安裝了披薩盒大小的天線，但還有其他高收入來源。
在偏遠和農村地區，地面站不需要相控陣天線來最大化波束寬度，因此可以使用更小的用戶設備，從物聯網資產跟踪器到袖珍衛星電話、緊急信標或科學動物跟踪儀器。
在密集的城市環境中，Starlink 將為蜂窩網絡提供主要和備用回程。 每個蜂窩塔的頂部都可以有一個高性能的地面站，但在最後一英里使用地面電源進行放大和傳輸。
最後，即使在最初推出期間的擁擠區域，也有可能以極小的延遲用於低軌道衛星。 金融公司本身正在將大量資金投入您的手中 - 只需稍微快一點即可從世界各地獲取重要數據。 即使通過 Starlink 的數據路徑比平時更長——通過太空——但光在真空中的傳播速度比在石英玻璃中高 50%，這在長距離傳輸時足以彌補差異。
負面後果
最後一節專門討論負面後果。 文章的目的是為了讓大家消除對項目的誤解，而糾紛造成的潛在負面後果最多。 我會提供一些信息，避免不必要的解釋。 我仍然不是千里眼，我也沒有 SpaceX 的內部人員。
在我看來，最嚴重的後果是增加了對互聯網的訪問。 即使在我的家鄉帕薩迪納，一座擁有超過一百萬人口、數個天文台、一所世界一流大學和 NASA 最大設施的繁華科技城市，在互聯網服務方面的選擇也是有限的。 在美國和世界其他地方，互聯網已經成為一種尋租的公用事業服務，互聯網服務提供商在一個舒適、非競爭的環境中每個月只能榨取 50 萬美元。 也許，提供給公寓和住宅樓的任何服務都是公用公寓，但互聯網服務的質量甚至不如水、電或氣。
現狀的問題在於，與水、電或煤氣不同，互聯網還很年輕並且發展迅速。 我們不斷地為它尋找新的用途。 最具革命性的仍然是不開放，而是一攬子計劃扼殺了競爭和創新的可能性。 數十億人被拋在後面 由於出生的情況，或者因為他們的國家離主要的海底電纜太遠。 在地球的大部分地區，互聯網仍然由靜止衛星以高昂的價格提供。
另一方面，Starlink 不斷從空中分發互聯網，違反了這種模式。 我還不知道還有什麼其他更好的方法可以將數十億人連接到互聯網。 SpaceX 正朝著成為 ISP 的方向邁進，並有可能成為與穀歌和 Facebook 競爭的互聯網公司。 我打賭你沒有想到這一點。
衛星互聯網是最好的選擇並不明顯。 SpaceX，而且只有 SpaceX，能夠迅速創建一個龐大的衛星星座，僅靠這些衛星就打破了政府-軍方對發射航天器的壟斷。 即使 Iridium 的銷量超過手機的十分之一，它仍然無法使用傳統的發射台實現廣泛採用。 如果沒有 SpaceX 及其獨特的商業模式，全球衛星互聯網很可能永遠不會發生。
第二個重大打擊將來自天文學。 首批60顆星鏈衛星發射後，國際天文學界掀起批評浪潮，稱衛星數量成倍增加將阻礙它們進入夜空。 有句話說：天文學家，誰的望遠鏡大，誰帥。 毫不誇張地說，在現代從事天文學是一項極其艱鉅的任務，這讓人想起在光污染和其他噪音源日益嚴重的背景下不斷努力提高分析質量。
天文學家最不需要的就是成千上萬顆明亮的衛星在望遠鏡的焦點中閃爍。 事實上，最初的銥星星座因大面板將陽光反射到地球的小區域而產生“光華”而臭名昭著。 碰巧它們達到了四分之一月球的亮度，有時甚至不小心損壞了敏感的天文傳感器。 擔心 Starlink 會侵入射電天文學中使用的無線電波段也不是沒有根據的。
如果你下載一個衛星跟踪應用程序，你可以在晴朗的傍晚看到數十顆衛星在天空中飛翔。 衛星在日落之後和黎明之前可見，但只有在它們被太陽光線照亮時才可見。 稍後，在夜間，衛星在地球的陰影中是看不見的。 微小的，極其遙遠的，他們移動得非常快。 他們有可能在不到一毫秒的時間內遮住一顆遙遠的星星，但我認為即使檢測到它也是一個痔瘡。
對天空耀斑的強烈擔憂源於這樣一個事實，即首次發射的衛星層靠近地球的終結者排列，即夜復一夜，歐洲——當時是夏天——觀看了黃昏時分衛星在天空中飛過的史詩畫面。 此外，基於 FCC 報告的模擬表明，即使在天文暮色過去後，1150 公里軌道上的衛星也將可見。 一般來說，暮色會經曆三個階段：民用、航海和天文，即當太陽分別在地平線以下 6、12 和 18 度時。 在天文暮色結束時，太陽光線在天頂距離地表約 650 公里，遠離大氣層和大部分近地軌道。 根據來自的數據 ，我相信所有的衛星都會被放置在 600 公里以下的高度。 在這種情況下，它們可以在黃昏時看到，但在夜幕降臨後看不到，這將大大減少對天文學的潛在影響。
第三個問題是軌道碎片。 在 我指出，由於大氣阻力，600 公里以下的衛星和碎片將在幾年內脫離軌道，大大降低了凱斯勒綜合症的可能性。 SpaceX 到處亂扔垃圾，就像他們根本不關心太空垃圾一樣。 在這裡，我正在查看 Starlink 的實施細節，我很難想像有更好的方法來減少軌道上的碎片數量。
這些衛星被發射到 350 公里的高度，然後通過內置發動機飛向預定軌道。 任何在發射時死亡的衛星都將在幾週內脫離軌道，並且幾千年內都不會在其他任何地方搖搖欲墜。 該安置戰略性地涉及免費入場測試。 此外，星鏈衛星的橫截面是扁平的，這意味著失去高度控制後，它們會進入緻密的大氣層。
很少有人知道 SpaceX 已經成為航天領域的先驅，開始使用替代類型的安裝方式代替引爆裝置。 幾乎所有發射台在部署級、衛星、天線罩等時都使用引爆裝置，增加了碎片的可能性。 SpaceX 還特意將上面幾級脫軌，防止它們永遠懸在太空中，以免它們在惡劣的太空環境中腐爛解體。
最後，我想提的最後一個問題是 SpaceX 有可能通過創建自己的方式來取代現有的互聯網壟斷。 在其利基市場，SpaceX 已經壟斷了發射。 只有敵對政府希望獲得有保障的進入太空的願望，才能防止報廢昂貴且過時的火箭，這些火箭通常由大型壟斷國防承包商組裝。
不難想像 SpaceX 在 2030 年每年發射 6000 顆衛星，外加幾顆間諜衛星。 廉價可靠的 SpaceX 衛星將為第三方設備出售“機架空間”。 任何建造太空相機的大學都可以將其送入軌道，而無需承擔建造整個太空平台的成本。 憑藉如此先進且不受限制的太空訪問，Starlink 已經與衛星聯繫在一起，而歷史悠久的製造商正在成為歷史。
歷史上有一些有遠見的公司在市場上佔據瞭如此巨大的利基市場，以至於他們的名字家喻戶曉：Hoover、Westinghouse、Kleenex、Google、Frisbee、Xerox、Kodak、Motorola、IBM。
當一家先驅公司為了維持其市場份額而採取反競爭做法時，就會出現問題，儘管自裡根總統以來，這種做法經常被允許。 SpaceX 可以通過迫使其他星座開發商用老式蘇聯火箭發射衛星來保持 Starlink 的壟斷地位。 採取類似行動 ，再加上郵件運輸的定價，導致它在 1934 年倒閉。 幸運的是，SpaceX 不太可能永遠保持對可重複使用火箭的絕對壟斷。
更令人擔憂的是，SpaceX 部署的數万顆低軌衛星可能被設計為公地的共同選擇。 一家追求個人利益的私營公司正在永久擁有曾經公開且無人居住的軌道位置。 雖然 SpaceX 的創新讓真正在真空中賺錢成為可能，但 SpaceX 的大部分智力資本都是用數十億美元的研究預算建立起來的。
一方面，我們需要保護私人投資、研發手段的法律。 沒有這種保護，創新者將無法為雄心勃勃的項目提供資金，或者他們會將公司轉移到提供這種保護的地方。 無論如何，公眾因為沒有產生利潤而受苦。 另一方面，需要法律來保護人民，包括天空在內的公共領域的名義所有者，免受兼併公共物品的尋租私人實體的侵害。 就其本身而言，兩者都不是真的，甚至是不可能的。 SpaceX 的發展提供了在這個新市場中找到快樂媒介的機會。 當我們最大限度地提高創新頻率和創造社會福利時，我們就會意識到它已經被發現。
最後的想法
我一完成另一篇文章就寫了這篇文章 - . 這是炎熱的一周。 Starship 和 Starlink 都是革命性的技術，它們就在我們眼前，在我們的生活中被創造出來。 如果我看到我的孫子長大，他們會更驚訝我比 Starlink 還大，而不是我的童年沒有蜂窩（博物館藏品）或公共互聯網本身。
富人和軍人長期以來一直在使用衛星互聯網，但如果沒有 Starship，無處不在、通用且廉價的 Starlink 根本不可能實現。
發射已經被談論了很長時間，但是沒有 Starlink 是不可能的，Starship 非常便宜，因此是一個有趣的平台。
載人航天已經被談論了很長時間，如果你—— 那麼你就有了綠燈。 有了 Starship 和 Starlink，人類太空探索在不久的將來是可以實現的，從軌道前哨基地到深空工業化城市僅一步之遙。
來源： www.habr.com