Starlink is a big deal


Spread the love

Starlink is a big deal

Starlink – SpaceX's plan to distribute the Internet through tens of thousands of satellites is the main theme in the space press. Articles about the latest achievements are published weekly. If, in general, the scheme is clear, but after reading the reports in the Federal Communications Commission, a well-motivated person (say, your humble servant) can accumulate a lot of details. However, there are still many misconceptions associated with this new technology, even among enlightened observers. Often there are articles in which Starlink is compared with OneWeb and Kuiper (among others) as if they are competing on an equal footing. Other authors, clearly preoccupied with the good of the planet, shout about space debris, space law, the standards and safety of astronomy. I hope that after reading this rather long article, the reader will better understand and imbue the idea of ​​Starlink.

The previous article unexpectedly touched a sensitive thread in the souls of my few readers. In it, I explained how Starship will lead SpaceX into the lead for a long time and at the same time provide a mechanism for new space exploration. The subtext is that the traditional satellite industry is unable to keep up with SpaceX, which is steadily increasing its power and reducing the cost of the Falcon rocket family, putting SpaceX in a difficult position. On the one hand, it formed a market worth, at best, several billion a year. On the other hand, it inflamed an indefatigable appetite for money – to build a huge rocket, on which, however, there was almost no one to send to Mars, and there was no reason to wait for immediate profit.

The solution to this pairing problem is Starlink. By assembling and launching its own satellites, SpaceX would be able to create and define a new market for highly efficient and democratized access to communications through space, provide an influx of finance for building a rocket before it drowned the company, and increase its economic value to trillions. Do not underestimate the scope of Ilon’s ambitions. In total, there are not so many industries where trillions of dollars revolve: energy, high-speed transport, communications, IT, healthcare, agriculture, government, defense. Despite common misconceptions, space drilling, moon water production and space solar panels are not viable businesses. Ilon invaded the energy sector with his Tesla, but only telecommunications will provide a reliable and capacious market for satellites and rocket launches.

For the first time, Elon Musk turned his gaze toward space, when he wanted to invest $ 80 million in a mission to grow plants on a Martian probe without a trace. The construction of a city on Mars will probably cost 100,000 times more, so Starlink is Mask’s main bet on providing a sea of ​​money, which is so necessary for sponsoring an autonomous city on Mars.

For what?

I had been planning this article a long time ago, but only last week I had a complete picture. Then SpaceX President Gwynn Shotwell gave Rob Baron a terrific interview, which she then covered for CNBC in a magnificent Twitter thread Michael Schitz, and to whom several articles have been dedicated. This interview showed a huge difference in the approaches to satellite communications between SpaceX and everyone else.

The Starlink concept was born in 2012, when SpaceX realized that their customers – mainly satellite service providers – had huge amounts of money. Launch pads break prices for the deployment of satellites and at the same time, in a way, miss one stage of work – how so? Ilon dreamed of creating a satellite constellation for the Internet and, unable to resist the almost impossible task, spun the process. The development of Starlink was not without difficulties, but by the end of this article you, my reader, will probably be surprised how really these difficulties are small – given the scope of the idea.

Is such a huge grouping necessary for the Internet at all? And why now?

Only in my memory did the Internet turn from purely academic pampering into the first and only revolutionary infrastructure. This is not a topic that a detailed article should be devoted to, but I will assume that globally the need for the Internet and the income it brings will continue to grow by about 25% per year.

Today, almost all of us get the Internet from a small number of geographically isolated monopolies. In the USA, AT&T, Time Warner, Comcast, and a handful of smaller players divided the territory to avoid competition, tearing for services in three skins and basking in the rays of almost universal hatred.

For non-competitive behavior, providers have a good reason – in addition to all-consuming greed. Building infrastructure for the Internet — microwave cell towers and fiber optics — is very, very expensive. The wonderful nature of the Internet is easy to forget. My grandmother first went to work in World War II as a signalman, and the telegraph then competed for a leading strategic role with carrier pigeons! For most of us, the information superhighway is something ephemeral, intangible, but bits travel through the physical world, in which there are borders, rivers, mountains, oceans, storms, natural disasters and other obstacles. Back in 1996, when the first fiber optic line was laid across the ocean floor, Neil Stevenson wrote an exhaustive essay on cyber tourism. With his signature sharp style, he vividly describes the sheer cost and complexity of laying these lines, along which later the damned "cottages" are worn all the same. For most of the 2000s, cables were pulled so much that the deployment cost was astounding.

At one time, I worked in an optical laboratory and (if memory serves), we broke the record of that time by issuing a multiplex transmission speed of 500 Gb / s. Limitations in electronics allowed each fiber to be loaded at 0.1% of theoretical throughput. Fifteen years later, we are ready to exceed the threshold: if the data transfer goes beyond it, the fiber will melt, and we are already very close to this.

And it is necessary to raise the data stream above the sinful earth – into space, where in five years the satellite freely flies around the “ball” 30,000 times. An obvious, it would seem, solution – so why didn’t anyone take it before?

The Iridium satellite constellation, developed and deployed by Motorola in the early 1990s (still remember them?), Became the first global low-orbit communications network (as it is tempting to describe in this book). By the time it was deployed, the niche ability to route small packets of data from asset trackers turned out to be its only use: cell phones became so cheaper that satellite phones did not enter. Iridium had 66 satellites (plus a few more spare ones) in 6 orbits – the minimum set to cover the entire planet.

If Iridium had 66 satellites, then why SpaceX tens of thousands? How is she so different?

SpaceX entered this business from the opposite end – it started with launches. She became a pioneer in the field of preservation of the launch vehicle and thus took possession of the market for cheap launch pads. Attempts to interrupt their offer at a lower price will not bring a lot of money, so the only way to somehow weld on their excess capacity is to become their client. The cost of SpaceX to launch its own satellites is one tenth of the cost (per 1 kg) of Iridium, and therefore they are able to enter a much wider market.

Starlink's worldwide reach will provide you with high-quality internet access anywhere in the world. For the first time, Internet access will depend not on the proximity of a country or city to the fiber line, but on the purity of the sky above your head. Users all over the world will have access to the free from the shackles of the global Internet, regardless of their own, in varying degrees, bad and / or dishonest government monopolies. Starlink's ability to break these monopolies catalyzes incredible, scaled-up positive changes that will finally bring billions of people together into the global cyber community of the future.

A little lyrical digression: what does this even mean?

For people today, in an era of ubiquitous connectivity, the Internet is like the air we breathe. He just is. But this – if you forget about his incredible power to bring positive changes – and we are already in their very center. With the help of the Internet, people can call their leaders to account, communicate with other people on the other side of the world, share their thoughts, invent something new. The Internet unites humanity. The history of modernization is the history of the development of data exchange capabilities. First, through speeches and epic poetry. Then – on a letter that gives a voice to the dead, and they turn to the living; writing allows you to store data and makes asynchronous communication possible. The print press has put news production on stream. Electronic communication – accelerated data transfer around the world. Personal devices for storing notes gradually became more complex, evolving from notebooks to cell phones, each of which is a computer connected to the Internet, stuffed with sensors and every day better predicting our needs.

A person who uses writing and a computer in the process of cognition is more likely to overcome the limitations of an imperfectly developed brain. Even more encouraging is that cell phones are both powerful data storage devices and a mechanism for exchanging ideas. If earlier people, sharing their thoughts, relied on the speech that was scribbled in notebooks, today it’s the norm – if notebooks themselves share ideas that people generated. The traditional scheme has undergone inversion. The logical continuation of the process is a form of collective metacognition, through personal devices that are even more tightly integrated into our brain and connected to each other. And even though we are still nostalgic for the lost connection with nature and solitude, it is important to remember that technology and only technology is responsible for the lion's share of our liberation from the “natural” cycles of ignorance, premature death (which can be avoided), violence, hunger and tooth decay.

How?

Let's talk about the business model and architecture of the Starlink project.

For Starlink to become a profitable enterprise, the inflow of funds must exceed the cost of construction and operation. Traditionally, investment involves increased upfront costs, the use of sophisticated specialized financing and insurance mechanisms – all to launch a satellite. A geostationary communications satellite can cost $ 500 million, and assembly and launch can take 5 years. Therefore, companies in this area are simultaneously building jet ships or container ships. Gigantic spending, an inflow of funds that barely covers financing costs, and a relatively small operating budget. Conversely, the collapse of the original Iridium was that Motorola forced the operator to pay deadly license fees, bankrupt the company in just a few months.

To conduct such a business, traditional satellite companies had to serve private customers and charge high data transfer rates. Airlines, remote outposts, ships, war zones and key infrastructure facilities pay about $ 5 per 1 MB, which is 5,000 times more expensive than traditional ADSL communications, despite the delay in data transfer and the relatively low satellite bandwidth.

Starlink plans to compete with terrestrial service providers, which means it will have to deliver data cheaper and, ideally, take much less than $ 1 per 1 MB. Is this possible? Or, if this is possible, one should ask: how is this possible?

The first ingredient in the new dish is a cheap launch. Today, Falcon sells a launch of 24 tons for about $ 60 million, which is $ 2,500 per 1 kg. It turns out, however, far more internal costs. Starlink satellites will be launched on reusable launch vehicles, so the marginal cost of a single launch is the cost of a new second stage (somewhere around $ 4 million), fairings (1 million) and ground support (~ 1 million). Total: somewhere around 100 thousand dollars per satellite, i.e. more than 1000 times cheaper than launching a conventional communications satellite.

Most Starlink satellites, however, will be launched on Starship. Indeed, the evolution of Starlink, as updated reports from the FCC show, provides some insight into how, as the Starship idea came to fruition, the internal architecture of the project developed. The total number of satellites in the constellation increased from 1,584 to 2,825, then to 7,518 and, finally, to 30,000. According to gross accumulations, the figure is even higher. The minimum number of satellites for the first stage of development for a project to be viable is 60 pieces in 6 orbits (360 in total), while 24 orbits of 60 satellites (1440 in total) are required for full coverage within 53 degrees from the equator. This is 24 launches for Falcon for some $ 150 million in domestic costs. Starship is designed to launch up to 400 satellites at a time, at about the same price. Starlink satellites will be replaced every 5 years, so 6,000 satellites will require 15 Starship launches per year. It will cost some 100 million / year, or 15 thousand / satellite. Each satellite displayed on the Falcon weighs 227 kg; satellites raised on Starship could weigh 320 kg and carry third-party devices, be slightly larger and at the same time not exceed the permissible load.

What is the cost of satellites made up of? Among the brethren, Starlink satellites are somewhat unusual. They are assembled, stored and launched in a flat form and are therefore extremely simple in mass production. As experience shows, the production cost should roughly equal the cost of the launcher. If the price difference is large, then resources are allocated incorrectly, since a comprehensive reduction in marginal costs while lowering costs is not so great. Is it really 100 thousand dollars per satellite for the first batch of several hundred – is this real? In other words, is the Starlink satellite in the device no more complex than a machine?

To fully answer this question, you need to understand why the cost of an orbital communication satellite is 1000 times higher, even if it is not 1000 times more complicated. To put it simply, with what joy is the space “iron” so expensive? There are many reasons for this, but the most compelling in this case is this: if launching a satellite into orbit (before Falcon) costs more than 100 million, it should be guaranteed to work for many years – in order to bring at least some profit. To ensure such reliability in the operation of the first and only product is a painful process and can drag on for years, requiring the efforts of hundreds of people. Add to this the costs, and now it’s easy to justify additional processes, since the launch is already expensive.

Starlink breaks this paradigm by creating hundreds of satellites, quickly correcting early design flaws and using mass-production techniques to manage costs. It’s easy for me personally to imagine the Starlink conveyor, on which the technician integrates something new into the structure and fastens everything with a plastic screed (NASA level, of course) in an hour or two, maintaining the required replacement level of 16 satellites / day. The Starlink satellite consists of many tricky details, but I don’t see the reasons why by the thousandth unit coming off the assembly line, its cost can not be lowered to 20 thousand. Indeed, in May, Ilon wrote on Twitter that the cost of producing a satellite is already lower than the cost of launch .

Take the average case and analyze the payback time by rounding the numbers. One Starlink satellite, which costs 100 thousand to assemble and launch, has been operating for 5 years. Will he pay for himself, and if so, how soon?

For 5 years, the Starlink satellite will fly around the Earth 30,000 times. In each of these one and a half hour rounds, he will spend most of the time over the ocean and, probably, 100 seconds over a densely populated city. In this short window, he broadcasts data in a hurry to earn money. If we assume that the antenna supports 100 beams, and each beam transmits 100 Mb / s using a modern coding such as 4096QAM, then the satellite generates $ 1,000 profit per revolution – at a subscription price of $ 1 per 1 GB. This is enough to pay back the deployment cost of 100 thousand in a week and greatly simplifies the capital structure. The remaining 29,900 turns are profit, net of fixed costs.

Estimated figures can vary greatly, and in both directions. But in any case, if you are able to launch a low-quality satellite constellation for 100,000 – or even for 1 million / unit – this is a serious request. Even taking into account the ridiculously short time of use, the Starlink satellite is capable of delivering 30 Pb of data during its operational life – at an amortized cost of $ 0.003 per 1 GB. At the same time, when transferring to longer distances, marginal costs practically do not increase.

To understand the significance of this model, let's quickly compare it with two other models of delivering data to consumers: the traditional one is fiber optic cable, and the satellite constellation offered by a company that does not specialize in satellite launches.

SEA-WE-ME — крупный подводный интернет-кабель, соединяющий Францию и Сингапур, был введен в эксплуатацию в 2005 году. Пропускная способность — 1,28 Тб/сек., стоимость развертывания — 500 млн. долларов. Если он 10 лет будет работать на 100% мощности, а накладные расходы составят 100% капитальных издержек, то цена передачи выйдет 0,02 доллара за 1 Гб. Трансатлантические кабели короче и немного дешевле, однако подводный кабель — лишь одна сущность в длинной цепочке людей, которые хотят денег за передачу данных. Усредненная оценка для Starlink оказывается в 8 раз дешевле, и при этом у них «все включено».

Как такое возможно? Спутник Starlink включает всю сложную начинку для электронной коммутации, какая нужна для связи оптоволоконных кабелей, только для передачи данных вместо дорогого и хрупкого провода используется вакуум. Передача через космическое пространство сокращает число уютных и отживающих свой век монополий, позволяя пользователям связываться посредством еще меньшего количества «железа».

Сравним с конкурирующим разработчиком спутников OneWeb. OneWeb планирует создать группировку из 600 спутников, которые запустит через коммерческих поставщиков по цене примерно в 20 000 долларов за 1 кг. Вес одного спутника — 150 кг, т.е., при идеальном раскладе, запуск одного юнита составит примерно 3 млн. Стоимость спутникового «железа» оценивается в 1 млн. на спутник, т.е. к 2027 году стоимость всей группировки составит 2,6 млрд. Тесты, которые провел OneWeb, показали пропускную способность в 50 Мб/сек. на пике, в идеале, на каждый из 16 лучей. Следуя той же схеме, по которой мы высчитывали стоимость Starlink, получаем: каждый спутник OneWeb генерирует 80 долларов за виток, а всего за 5 лет принесет 2,4 млн. — едва покрывая расходы на запуск, если считать еще и передачу данных в отдаленные регионы. Итого получаем 1,70 долларов за 1 Гб.

Недавно процитировали слова Гвинн Шотвелл о том, что Starlink якобы в 17 раз дешевле и быстрее OneWeb, а это подразумевает конкурентную цену в 0,10 долларов за 1 Гб. И это еще при первоначальной конфигурации Starlink: с менее оптимизированным производством, запуском на Falcon и ограничениями в передаче данных — и только с покрытием севера США. Получается, у SpaceX неоспоримое преимущество: уже сегодня они могут запустить куда более годный спутник по цене (за юнит) в 15 раз ниже, чем у конкурентов. Starship увеличит отрыв в 100 раз, если не больше, так что нетрудно представить, как к 2027 году SpaceX запускает 30 000 спутников менее чем за 1 млрд. долларов, большая часть которого она обеспечит из собственного кошелька.

Уверен, есть и более оптимистичные анализы касательно OneWeb и других подающих надежды разработчиков спутниковых группировок, но я пока не знаю, как у них что устроено.

Недавно Морган Стенли подсчитал, что спутники Starlink обойдутся по 1 млн. за сборку и 830 тыс. за запуск. Гвинн Шотвелл, ответила: он-де «дал такоооооого маху». Любопытно, что цифры аналогичны нашим подсчетам касательно расходов OneWeb, и, грубо, в 10 раз выше оценки первоначальной версии Starlink. Использование Starship и промышленного производства спутников может снизить стоимость развертывания спутников до примерно 35 тыс./юнит. А это — поразительно низкая цифра.

Остался последний пункт — сравнить прибыль на 1 Вт солнечной энергии, генерируемой для Starlink. Согласно фотографиям на их сайте, солнечная батарея каждого спутника имеет площадь примерно в 60 кв.м., т.е. в среднем генерирует примерно 3 КВт или 4,5 КВт/ч за виток. По приблизительной оценке, каждый виток будет давать 1000 долларов, а каждый спутник генерирует примерно 220 долларов на КВт/ч. Это в 10 000 раз больше оптовой стоимости солнечной энергии, что лишний раз подтверждает: добывать солнечную энергию в космосе — предприятие безнадежное. А модуляция микроволн для передачи данных — непомерная добавленная стоимость.

Архитектура

В предыдущем разделе я довольно грубо представил нетривиально существенную часть архитектуры Starlink — то, как она работает с крайне неравномерной плотностью населения планеты. Спутник Starlink испускает сфокусированные лучи, которые образуют пятна на поверхности планеты. Подписчики в пределах пятна делят одну ширину полосы. Размеры пятна определяются фундаментальной физикой: изначально ее ширина это (высота спутника х длина микроволны / диаметр антенны), что для спутника Starlink, в лучшем случае, составляет пару километров.

В большинстве городов плотность населения — примерно 1000 чел./кв.км., хотя местами и выше. В некоторых районах Токио или на Манхеттене на пятно может приходиться более 100 000 человек. К счастью, в любом подобном густонаселенном городе есть конкурентный внутренний рынок широкополосного интернета, не говоря уже высокоразвитой сети мобильных телефонов. Но, как бы то ни было, если в любой отдельно взятый момент времени над городом присутствует множество спутников одной группировки, пропускную способность можно увеличить путем пространственного разнесения антенн, как и распределением частот. Другими словами, десятки спутников могут сфокусировать самый мощный луч в одной точке, а пользователи в этом регионе будут использовать наземные терминалы, которые распределят запрос между спутниками.

Если на начальных этапах наиболее подходящий рынок сбыта услуг — отдаленные, сельские или пригородные районы, то средства на дальнейшие запуски поступят от более качественных услуг именно густонаселенным городам. Сценарий — прямо противоположен стандартной схеме расширения рынка, при которой конкурентные услуги, ориентированные на города, неизбежно терпят снижение прибыли — по мере попыток расширения в сторону более бедных и слабозаселенных районов.

Несколько лет назад, когда я провел подсчеты, это была лучшая карта плотности населения.

Я взял данные с этого изображения и составил 3 приведенных ниже графика. Первый показывает частоту земной площади по плотности заселения. Самое интересное — это то, что большая часть Земли вообще не заселена, тогда как практически ни в одном регионе нет больше 100 чел./кв.км.

Второй график демонстрирует частоту людей по плотности населения. И хотя большая часть планеты не заселена, основная часть людей живет в районах, где людей 100–1000 на кв.км. Расширенная природа этого пика (на порядок больше) отражает бимодальность в схемах урбанизации. 100 чел./кв.км. — это относительно слабо населенная сельская местность, тогда как цифра в 1000 чел./кв.км. характерна уже для пригорода. Центры городов легко показывают 10 000 чел./кв.км., а вот население Манхеттена — 25 000 чел./кв.км.

Третий график показывает плотность заселения по широте. Видно, что почти все люди сосредоточены в пределах от 20–40 градусов северной широты. Так, по большому счету, сложилось географически и исторически, поскольку огромную часть южного полушария занимает океан. И все же такая плотность населения — пугающий вызов для архитекторов группировки, т.к. в обоих полушариях спутники проводят равное количество времени. Более того, спутник, обращающийся вокруг Земли, под углом, скажем, в 50 градусов, больше времени будет находиться ближе к указанным границам по широте. Вот почему Starlink для обслуживания севера США требуется всего 6 орбит, тогда как для покрытия экватора — 24.

И правда, если совместить график плотности населения с графиком плотности спутниковой группировки, выбор орбит становится очевиден. Каждая гистограмма представляет один из четырех отчетов SpaceX в ФКС. Лично мне кажется, что каждый новый отчет — как дополненный предыдущий, но в любом случае, нетрудно заметить, как дополнительные спутники увеличивают пропускную способность над соответствующими регионами в северном полушарии. В противовес этому, внушительная неиспользуемая пропускная способность сохраняется над южным полушарием — возрадуйся, родимая Австралия!

Что происходит с пользовательскими данными, когда они достигают спутника? В первоначальной версии спутник Starlink немедленно передавал их назад на выделенную наземную станцию близ зон обслуживания. Такая конфигурация называется «прямая ретрансляция». В будущем спутники Starlink получат возможность связываться друг с другом по лазеру. Своего пика обмен данными будет достигать над густонаселенными городами, но данные можно будет распределять по сети лазеров в двух измерениях. На практике это означает, что существует огромная возможность для скрытой транспортной сети связи в сети спутников, то есть пользовательские данные можно «вторично передавать на Землю» в любом подходящем месте. На практике, мне кажется, наземные станции SpaceX будут сочетаться с узлами обмена трафиком за пределами городов.

Оказывается, связь спутник–спутник — нетривиальная задача, если спутники не движутся совместно. В самых свежих отчетах в ФКС сообщается об 11 выраженных орбитальных группах спутников. В пределах конкретной группы спутники движутся на одной высоте, под одним наклоном, с равным эксцентриситетом, а это значит, что лазеры могут находить спутники в непосредственной близости относительно легко. Но скорости сближения между группами измеряются в км/сек., поэтому коммуникация между группами, если таковая и возможна, должна осуществляться посредством коротких, быстро управляемых микроволновых соединений.

Топология орбитальных групп — это как корпускулярно-волновая теория света и не особенно относится к нашему примеру, но, как по мне, она прекрасна, поэтому я включил ее в статью. Если вас этот раздел не интересует, переходите сразу к «Ограничениям фундаментальной физики».

Тор — или пончик — это математический объект, определяемый двумя радиусами. На поверхности тора нарисовать окружности довольно просто: параллельно либо перпендикулярно его форме. Для вас, возможно, станет интересным открытие — есть еще два других семейства кругов, которые можно изобразить на поверхности тора, и оба проходят через отверстие в его центре и вокруг контура. Это т.н. «окружности Валларсо», и я использовал эту конструкцию, когда в 2015-м проектировал тороид для катушки Тесла «Горящий человек».

И хотя орбиты спутников — это, строго говоря, эллипсы, а не круги, та же конструкция применима и в случае Starlink. Группировка из 4500 спутников на нескольких орбитальных плоскостях, все под одним углом, образуют над поверхностью Земли непрерывно движущийся пласт. Направленный в сторону севера пласт над заданной точкой широты разворачивается и движется обратно к югу. Во избежание столкновений орбиты будут слегка вытянуты, так что движущийся на север пласт окажется на несколько километров выше (или ниже) того, что движется на юг. Вместе оба этих пласта образуют тор выдутой формы, как показано ниже на сильно утрированной схеме.

Напомню, что в пределах этого тора коммуникация осуществляется между соседними спутниками. В общих чертах, между спутниками в разных пластах нет прямых и продолжительных соединений, поскольку скорости сближения для лазерного наведения чересчур высоки. Траектория передачи данных между пластами, в свою очередь, проходит над или под тором.

Суммарно 30 000 спутников будут расположены в 11 вложенных торах, далеко отстающими от орбиты МКС! На этой схеме показано, как упакованы все эти пласты, без преувеличенного эксцентриситета.

И, наконец, следует задуматься об оптимальной высоте полета. Существует дилемма: малая высота, которая дает большую пропускную способность при меньших размерах лучей, или большая — которая позволяет покрыть всю планету при меньшем количестве спутников? С течением времени в отчетах в ФКС от SpaceX говорилось о все более малых высотах, ведь, совершенствуясь, Starship делает возможным быстрое развертывание более крупных группировок.

Низкая высота имеет и другие преимущества, включая сниженный риск столкновения с космическим мусором или негативные последствия отказа оборудования. Из-за усиленного атмосферного сопротивления расположенные ниже прочих спутники Starlink (330 км) будут сгорать в пределах нескольких недель после потери управления ориентацией. И правда, 300 км — высота, на которой спутники почти не летают, и поддержание высоты потребует встроенного электроракетного двигателя Krypton, так же как и обтекаемой конструкции. Теоретически, спутник достаточно заостренной формы, на электроракетном двигателе может стабильно поддерживать высоту в 160 км, но вряд ли SpaceX станет запускать спутники так низко, ведь в запасе есть еще несколько трюков для увеличения пропускной способности.

Ограничения фундаментальной физики

Кажется маловероятным, что цены на размещение спутника когда-либо опустятся сильно ниже 35 тыс., даже если производство будет продвинутым и полностью автоматизированным, а корабли Starship полностью многоразовыми, к тому же еще не до конца известно, какие ограничения наложит на спутник физика. Приведенный выше анализ предполагает пиковую пропускную способность в 80 Гб/сек. (если округлять до 100 лучей, каждый из которых способен передавать 100 МБ/сек).

Крайний предел пропускной способности канала установлен в теореме Шеннона-Хартли и дается в статистике по ширине полосы (1+SNR). Ширина полосы зачастую ограничена доступным спектром, тогда как SNR — доступной энергией спутника, фоновым шумом и помехами на канале ввиду неидеальности антенн. Еще одно заметное препятствие — скорость обработки. Новейшие FPGA Xilinx Ultrascale+ имеют GTM-серийную пропускную способность до 58 Гб/сек., что хорошо при текущих ограничениях информационной емкости канала без разработки пользовательских ASIC. Но даже тогда 58 Гб/сек. потребуют внушительного распределения частот, вероятнее всего в полосах Ка- или V-диапазона. V (40–75ГГц) имеет более доступные циклы, но подвержен большему поглощению атмосферой, особенно в областях повышенной влажности.

Практичны ли 100 лучей? У этой проблемы два аспекта: ширина луча и плотность элемента фазированной антенной решетки. Ширина луча определяется длиной волны, поделенной на диаметр антенны. Цифровая фазированная антенная решетка — все еще специализированная технология, но максимальные полезные размеры определяются шириной печи оплавления (ок. 1м), а пользоваться радиочастотными коммуникациями — себе дороже. Ширина волны в Ка-диапазоне — около 1 см, при этом ширина луча должна быть 0,01 радиана — при ширине спектра на уровне 50% амплитуды. Предположим, что телесный угол луча в 1 стерадиан (аналогично охвату объектива 50-миллиметровой камеры), тогда в этой области 2500 отдельных лучей будет достаточно. Линейность подразумевает, что 2500 лучей потребуют минимум 2500 элементов антенны в пределах решетки, что, в принципе, реально, хоть и трудновыполнимо. А еще все это будет сильно греться!

Целиком 2500 каналов, каждый из которых поддерживает 58 Гб/сек., — это огромный объем информации — если грубо, то 145 Тб/сек. Для сравнения, весь интернет-трафик в 2020 году ожидается в среднем на уровне 640 Тб/сек. Хорошие новости для тех, кто обеспокоен принципиально низкой шириной полосы спутникового интернета. Если группировка в 30 000 спутников заработает к 2026 году, глобальный интернет-трафик потенциально составит 800 Тб/сек. Если половина этого объема будет поставляться ~500 спутниками над густонаселенными районами в любой отдельно взятый момент времени, то пиковая пропускная способность на каждый спутник составит примерно 800 Гб/сек., а это в 10 раз выше, чем по нашим изначальным основным подсчетам, т.е. приток финансов потенциально вырастает в 10 раз.

Для спутника на 330-километровой орбите, луч в 0,01 радиана покрывает площадь в 10 кв.км. В особенно густонаселенных районах вроде Манхеттена на такой площади проживает до 300 000 человек. А если они все разом засядут смотреть Netflix (7 Мб/сек. в HD-качестве)? Общий запрос данных составит 2000 ГБ/сек., что примерно в 35 раз превышает текущее строгое ограничение, наложенное ПЛИС-интерфейсом последовательного вывода. Из этой ситуации есть два выхода, из которых физически возможен только один.

Первый — это вывести на орбиту побольше спутников, чтобы в любой отдельно взятый момент времени над областями повышенного запроса висело больше 35 штук. Если снова взять 1 стерадиан для приемлемого адресуемого участка неба и средней орбитальной высоты в 400 км, получаем плотность группировки в 0,0002/кв.км, или 100 000 всего — если равномерно распределить их над всей поверхностью земного шара. Напомним, что избранные орбиты SpaceX резко увеличивают плотность покрытия над густонаселенными областями в пределах 20–40 градусов северной широты, и вот уже число в 30 000 спутников кажется магическим.

Вторая идея намного круче, но, как ни печально, нереализуема. Напомним, что ширина луча определяется шириной фазированной антенной решетки. Что если множество решеток на нескольких спутниках соединят мощности, создав более узкий луч — прямо как радиотелескопы вроде того же VLA (очень большая антенная система)? Этот метод сопряжен со одной сложностью: базис между спутниками нужно будет вычислять тщательно — с точностью до субмиллиметра, — чтобы стабилизировать фазу луча. И даже если бы такое было возможно, получившийся в результате луч едва ли сдержит боковые лепестки, ввиду малой плотности спутниковой группировки в небе. На земле ширина луча сузилась бы до нескольких миллиметров (достаточно, чтобы отследить антенну сотового телефона), но их были бы миллионы — из-за слабого промежуточного обнуления. Спасибо проклятию прореженной антенной решетки.

Оказывается, разделение каналов угловым разнесением — ведь спутники разнесены по небу — обеспечивает адекватные улучшения в пропускной способности без нарушения законов физики.

Применение

Каков профиль клиента Starlink? По умолчанию, это сотни миллионов пользователей, у которых на крышах домов антенны размером с коробку из-под пиццы, но есть и прочие источники высокого дохода.

В отдаленных и сельских районах наземным станциями не нужны фазированные антенные решетки для максимизации ширины луча, так что возможно применение меньшего абонентского устройства: от IoT asset tracker'ов до карманных спутниковых телефонов, аварийных маяков или научных приборов для отслеживания животных.

В густонаселенных городских средах Starlink обеспечит первичную и резервную транспортную сеть для сотовой сети. На каждую сотовую вышку можно будет установить сверху высокопроизводительную наземную станцию, но использовать наземные источники питания для усиления и передачи через «последнюю милю».

И наконец, даже в перенаселенных районах во время первичного выката есть возможность применения для низкоорбитальных спутников с исключительно минимальной задержкой. Финансовые компании сами суют вам в руки немалые деньги — лишь бы хоть немного быстрее получать жизненно важные данные из всех уголков мира. И пусть даже данным через Starlink предстоит путь длиннее привычного — через космос, — скорость распространения света в вакууме на 50% выше, чем в кварцевом стекле, а это с лихвой окупает разницу при передаче на бОльшие дистанции.

Негативные последствия

Последний раздел посвящен негативным последствиям. Цель статьи — избавить вас от заблуждений относительно проекта, а потенциальные негативные последствия споров вызывают больше всего. Я приведу кое-какие сведения, воздержавшись от излишних толкований. Я все же не ясновидящий, да и инсайдов из SpaceX у меня нет.

Самые, на мой взгляд, серьезные последствия несет увеличенный доступ к интернету. Даже в моей родной Пасадене, оживленном и технически развитом городе-миллионнике, где размещается несколько обсерваторий, университет мирового класса и крупнейший центр НАСА, выбор, когда дело доходит до интернет-услуг, весьма ограничен. По всей территории США и остальной части мира интернет превратился в рентоориентирвоанную коммунальную услугу, а провайдерам лишь бы слупить свои 50 млн. долларов в месяц в уютной, неконкурентной обстановке. Пожалуй, любая услуга, поставляемая в квартиры и жилых дома, — коммуналка, но качество интернет-услуг менее ровное, нежели воды, электричества или газа.

Проблема статуса-кво в том, что, в отличие от воды, электроэнергии или газа, интернет все еще молод и быстро развивается. Мы постоянно находим ему новое применение. Самое революционное до сих пор не открыто, но пакетные планы душат возможность конкуренции и инноваций. Миллиарды людей остаются за бортом цифровой революции в силу обстоятельств рождения, или потому что их страна слишком далеко от магистрали подводного кабеля. В крупные регионы планеты интернет до сих пор доставляют геостационарные спутники, по грабительской цене.

Starlink же, непрерывно раздающий интернет с неба, нарушает эту модель. Мне пока не знаком иной лучший способ, как подключить к интернету миллиарды людей. SpaceX на пути к тому, чтобы стать интернет-провайдером и, потенциально, интернет-компанией, которая потягается с Google и Facebook. Держу пари, вы о таком и не думали.

То, что спутниковый интернет — наилучший из вариантов, не очевидно. SpaceX и только SpaceX в том положении, чтобы быстро создать обширную группировку спутников, ведь только она убила десятилетие на то, чтобы нарушить правительственно-военную монополию на запуск космических кораблей. Даже если бы Iridium обогнала на рынке сотовые телефоны в десять раз, она бы все равно не добилась широкого применения, используя традиционные пусковые площадки. Без SpaceX и ее уникальной бизнес-модели велика вероятность, что глобальный спутниковый интернет попросту никогда не случится.

Второй крупный удар придется по астрономии. После запуска первых 60 спутников Starlink пошла волна критики от международного астрономического сообщества, мол, многократно увеличенное количество спутников перекроет им доступ к ночному небу. Есть такая поговорка: среди астрономов тот круче, у кого телескоп больше. Без преувеличения, заниматься астрономией в современную эпоху — задача архитрудная, напоминает непрерывную борьбу за улучшение качества анализа на фоне растущего светового загрязнения и прочих источников шума.

Меньше всего астроному нужны тысячи ярких спутников, мелькающих в фокусе телескопа. И правда, первая группировка Iridium снискала дурную славу за то, что давала «засветы» из-за крупных панелей, отражавших солнечный свет на небольшие участки Земли. Случалось, что они достигали яркости четверти Луны и порой даже случайно повреждали чувствительные астрономические датчики. Небезосновательны и страхи, что Starlink вторгнется в радиодиапазоны, используемые в радиоастрономии.

Если скачать приложение для отслеживания спутников, то можно увидеть десятки спутников летающих в небе ясным вечером. Спутники видно после заката и перед рассветом, но лишь когда их подсвечивают солнечные лучи. Позднее, в течение ночи спутники невидимы в тени Земли. Крохотные, чрезвычайно далекие, они очень быстро движутся. Есть шанс, что они меньше чем на миллисекунду заслонят далекую звезду, но, думаю, даже засечь это — тот еще геморрой.

Сильная обеспокоенность из-за засветки неба родилась оттого, что пласт спутников первого запуска был выстроен близко к терминатору Земли, т.е. ночь за ночью Европа — а дело было летом — наблюдала эпичную картину, как спутники пролетают в небе в вечерних сумерках. Далее, симуляции на основе отчетов в ФКС показали, что спутники на орбите в 1150 км будет видно даже после того, как пройдут астрономические сумерки. Вообще, сумерки проходят три стадии: гражданскую, морскую и астрономическую, — т.е. когда солнце находится в 6, 12 и 18 градусах ниже линии горизонта соответственно. В конце астрономических сумерек солнечные лучи находятся примерно в 650 км от поверхности в зените, далеко за пределами атмосферы и большей части низкой околоземной орбиты. Основываясь на данных с сайта Starlink, я считаю, что все спутники разместят на высоте ниже 600 км. В этом случае их можно будет видеть в сумерках, но не после наступления ночи, что существенно снизит потенциальные последствия для астрономии.

Третья проблема — мусор на орбите. В предыдущем посте я указал на то, что спутники и мусор ниже 600 км сойдут с орбиты в течение нескольких лет — из-за сопротивления атмосферы, сильно снижая возможность синдрома Кесслера. SpaceX мешают с грязью, как будто они совсем не думают о космическом мусоре. Вот я просматриваю детали реализации Starlink, и мне трудно вообразить лучший способ снизить количество мусора на орбите.

Спутники выводятся на высоту 350 км, затем на встроенных двигателях отлетают на предназначенную им орбиту. Всякий спутник, погибший при запуске, сойдет с орбиты через несколько недель, и его не будет мотать где-то еще выше ближайшие тысячи лет. Такое размещение стратегически предполагает тестирование на свободный вход. Далее, спутники Starlink плоские в сечении, а значит, что, теряя контроль высоты, они входят в плотные слои атмосферы.

Мало кто знает, что SpaceX стала пионером в космонавтике, начав использовать альтернативные виды крепления вместо пиропатронов. Практически все пусковые площадки используют пиропатроны при развертывании ступеней, спутников, обтекателей и проч., проч., увеличивая тем самым потенциальное количество мусора. Еще SpaceX намеренно сводит с орбиты верхние ступени, не давая им болтаться в космосе вечно, чтобы они там не ветшали и не распадались в жесткой космической среде.

И наконец, последняя проблема, о которой я хотел бы упомянуть, это шанс того, что SpaceX вытеснит существующую монополию на интернет, создав собственную. В своей нише SpaceX уже монополизировала запуски. Лишь желание соперничающих правительств получить гарантированный доступ в космос не дает списать в утиль дорогостоящие и устаревшие ракеты, которые часто собираются крупными монополистичными подрядчиками-оборонщиками.

Не так уж и трудно вообразить, как в 2030 году SpaceX станет запускать по 6000 своих спутников ежегодно, плюс несколько шпионских спутников — по старой памяти. Дешевые и надежные спутники SpaceX станут продавать «стойко-место» под сторонние приборы. Любой университет, создавший пригодную для использования в космосе камеру, сможет вывести ее на орбиту, и не придется покрывать затраты на постройку целой космической платформы. С таким продвинутым и неограниченным доступом в космос Starlink уже ассоциируется со спутниками, тогда как исторические производители уходят в прошлое.

В истории есть примеры дальновидных компаний, которые заняли такую огромную нишу на рынке, что их названия стали нарицательными: Hoover, Westinghouse, Kleenex, Google, Frisbee, Xerox, Kodak, Motorola, IBM.

Проблема может возникнуть тогда, когда компания-пионер возьмется за анти-конкурентные практики, дабы сохранить свою долю на рынке, хотя со времен президента Рейгана это зачастую не возбраняется. SpaceX может сохранить монополию Starlink, вынудив прочих разработчиков спутниковых группировок запускать спутники на старинных советских ракетах. Схожие действия, предпринятые United Aircraft and Transportation company, вкупе с фиксацией цен на перевозку почты, привела ее в 1934 году к краху. К счастью, SpaceX вряд ли навсегда сохранит абсолютную монополию на ракеты многоразового использования.

Еще больше опасений вызывает то, что развертывание SpaceX десятков тысяч спутников на низкой орбите может быть спроектировано как кооптация общего достояния. Частная компания, преследуя личную выгоду, заграбастает в постоянную собственность некогда общедоступные и никем не занятые орбитальные позиции. И хотя инновации SpaceX позволили реально делать деньги на вакууме, большая часть интеллектуального капитала SpaceX была построена на миллиарды долларов, выделенных из бюджета на исследования.

С одной стороны, нужны законы, которые защитят средства частных инвестиций, исследований и разработок. Без этой защиты новаторы не смогут финансировать амбициозные проекты или же переместят свои компании туда, где такую защиту им обеспечат. В любом случае, общественность страдает, потому что не формируется прибыль. С другой стороны, нужны законы, которые защитят людей, номинальных владельцев всеобщего достояния включая небо — от рентоориентированных частных сущностей, которые аннексируют общественные блага. Само по себе ни то, ни то не верно и даже не возможно. Разработки SpaceX дают шанс найти золотую середину на этом новом рынке. Мы поймем, что она найдена, когда максимизируем частоту инноваций и формирования общественного благосостояния.

Мысли напоследок

Эту статью я написал сразу же, как завершил другую — про Starship. Горячая выдалась неделька. И Starship, и Starlink — революционные технологии, которые создаются прямо на наших глазах, при наших жизнях. Если я увижу, как взрослеют мои внуки, они больше подивятся тому, что я старше Starlink, а не тому, что в моем детстве не было сотовых (музейных экспонатов) или общедоступного интернета как такового.

Богатеи и военные уже давненько пользуются спутниковым интернетом, но повсеместный, общий и дешевый Starlink без Starship попросту невозможен.

О запуске уже давно говорят, однако Starship, вполне дешевая и потому интересная площадка, невозможна без Starlink.

О пилотируемой космонавтике говорят уже давно, и если вы — пилот реактивного истребителя, а заодно и нейрохирург, то вам зеленый свет. Со Starship и Starlink освоение космоса человеком — достижимое, близкое будущее, в котором рукой подать от орбитального аванпоста до промышленно развитых городов в дальнем космосе.

@import 'https://fonts.googleapis.com/css?family=Exo+2-00-0000,500,700&subset=cyrillic';
                        .rio2016-card {
                            background-color: rgba (250, 250, 250, 1);
                            border: 1px solid #ccc;

                            width: 660px;
                            margin: auto;
                            padding: 20px;
                            padding-top: 10px;
                            padding-bottom: 10px;
                            margin-top: 30px;
                            margin-bottom: 0px;
                            font-family: 'Exo 2', sans-serif;
                        }
                        .rio2016-card: last-child {
                            margin-bottom: 30px;
                        }
                        .rio2016-card * {
                            font-family: 'Exo 2', sans-serif;
                        }
                        .rio2016-card h2 {
                            text-align: center;
                        }
                        .rio2016-card p {
                            font-size: 18px;
                        }
                        .rio2016-card-position {
                            display: block;
                            font-size: 30px;
                            text-align: center;
                            color: # da0202;
                            font-family: 'Exo 2', sans-serif;
                            margin-bottom: 10px;
                        }
                        .rio2016-card-image {
                            margin-top: 0px;
                            border: 1px solid #ccc;
                            width: 660px! important;
                        }
                        .rio2016-cards iframe {
                            margin: auto;
                            margin-top: 0px;
                            border: 1px solid #ccc;
                        }

.(tagsToTranslate)Newsland(t)новости(t)свежие новости(t)Starlink — дело крупное