Ha habido mucho revuelo sobre Starlink e Internet satelital recientemente. Pocas personas fuera de la industria de la tecnología entienden por qué Starlink y otros servicios de Internet satelital de órbita terrestre baja son completamente diferentes de las ofertas anteriores de Internet satelital. Este artículo proporciona una descripción general de alto nivel de las diferencias, para aquellos que no son ingenieros ni científicos espaciales.

A fines de la década de 2010, varias empresas presentaron solicitudes ante la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) para crear servicios de Internet basados ​​en satélites de órbita terrestre baja (LEO). Las tres compañías notables que buscan LEO son SpaceX, Amazon y OneWeb. De esos tres, solo SpaceX, que ha lanzado más de 3.000 satélites LEO, ofrece un servicio comercial viable, bajo la marca Starlink .

Los satélites de comunicaciones se pueden considerar como reflectores. Un terminal de usuario (antena parabólica) transmite una señal a un satélite, que transmite una copia de la señal a la Tierra, en una frecuencia diferente, a un punto fijo llamado puerta de enlace. La puerta de enlace alberga un conjunto de antenas de alta potencia y conexiones de fibra de alta capacidad a la Internet pública. Varias puertas de enlace están dispersas por la Tierra para que los satélites tengan "visibilidad" a una o más puertas de enlace en cualquier momento que brinden acceso a Internet a la superficie debajo. Para el camino inverso, desde la internet pública hasta el terminal del usuario, se utilizan diferentes frecuencias, desde las mismas antenas. La señal se origina en la puerta de enlace, rebota en el satélite y regresa a la Tierra en la terminal de un usuario. Esto es cierto independientemente del tipo de satélite (tradicional o LEO) que se esté utilizando.

La diferencia clave entre la órbita terrestre baja y las órbitas utilizadas en los servicios tradicionales de Internet por satélite es la distancia desde la superficie de la Tierra hasta el satélite. Esa distancia dicta la cantidad de satélites necesarios para cubrir el planeta, así como la capacidad general del sistema, la latencia y otras características operativas.

Pintar la superficie

Imagina usar pintura en aerosol para pintar una pelota de baloncesto. Si sostiene la pintura en aerosol a dos pulgadas de la pelota, solo cubre un área pequeña, pero proporciona una cobertura gruesa de pintura en ese lugar, en un corto período de tiempo. Si sostiene la lata a un pie de distancia, probablemente podría cubrir casi la mitad de la pelota, pero con solo una capa muy ligera de pintura. La forma más probable de pintar la pelota de manera más efectiva sería correr sobre la superficie muchas veces seguidas, unas pocas pulgadas por encima de ella. Esa es precisamente la filosofía de diseño detrás del Internet satelital en órbita terrestre baja.

Figura 1. Cuanto más cerca está la lata de la pelota, menos superficie está cubierta. Fuente: DALL-E, OpenAI

órbitas geosincrónicas

Las órbitas son cosas extrañas. No puede simplemente colocar un satélite en cualquier lugar del espacio y hacer que permanezca allí; las leyes de la física simplemente no funcionan de esa manera. Dependiendo de para qué se utilizará el satélite, hay varios tipos diferentes de órbitas para elegir. Una órbita geosíncrona es aquella en la que el satélite siempre está directamente sobre el mismo punto de la tierra todos los días, a la misma hora. Por ejemplo, si un satélite es geosíncrono con su hogar a las 3:14 p. m., estará directamente sobre su hogar todos los días a las 3:14 p. m., pero solo por un breve segundo.

Esto se logra colocando el satélite en órbita a una altitud de 22,236 millas. En ese lugar, el satélite completa una órbita exactamente en la misma cantidad de tiempo que la Tierra completa una rotación (un día sideral). Si usara un satélite geosíncrono como este para acceder a Internet, solo estaría conectado durante unos minutos por día; no es una buena experiencia de usuario.

Sin embargo, si coloca el satélite sobre el ecuador , a 22,236 millas, sucede algo mágico: el satélite parece permanecer fijo en el cielo exactamente en el mismo punto, para siempre. Entonces, en lugar de mirar directamente hacia arriba todos los días a la misma hora para ver el satélite, simplemente apunte su plato a un lugar del sur y el satélite siempre estará allí. Este caso especial de una órbita geosíncrona se denomina órbita geoestacionaria .

Esta es la órbita que han utilizado los servicios tradicionales de Internet. Un pequeño número de satélites (quizás solo dos o tres) se colocan sobre el ecuador en una órbita de 22,236 millas. Las órbitas geoestacionarias permiten el uso de terminales de usuario relativamente económicos porque no necesitan "rastrear" un satélite cuando pasa por encima. Una vez instalado, un terminal de usuario de satélite geoestacionario (dish) simplemente apunta a la misma ubicación en el cielo, 24/7, y el satélite se mueve sincrónicamente con la órbita de la Tierra y el terminal de usuario. Los servicios geoestacionarios comúnmente conocidos incluyen DirectTV, radio XM (el original, no Sirius) y Dish Network, pero muchos otros satélites de comunicaciones utilizan esta órbita y esta técnica.

Estas antenas parabólicas de bajo costo siempre apuntan hacia un satélite que se encuentra en una ubicación fija sobre el ecuador, lo que hace que su circuito y software sean menos complejos. Dado que solo se necesitan unos pocos satélites para cubrir todo un continente, el costo de desplegar los satélites es relativamente bajo. Durante décadas, así es como han funcionado los sistemas de comunicaciones de nivel de consumidor.

constelaciones

Solo hay una única órbita donde se produce esta mágica característica geoestacionaria. Cualquier otra órbita significa que los satélites se están moviendo en relación con la superficie de la Tierra. No puede simplemente colocar un satélite a 500 millas sobre una ciudad y estacionarlo allí; las leyes de la física no funcionan de esa manera. El resultado es la necesidad de una constelación de satélites y tecnología de seguimiento de satélites en cada terminal de usuario. Estos dos problemas hacen que las comunicaciones en órbita no geoestacionaria (NGSO) sean mucho más costosas y complejas: se necesitan muchos más satélites y los terminales de usuario son muy complejos, en comparación con el servicio geoestacionario.

El siguiente diagrama muestra cómo se vería una constelación de 1584 satélites. Hay 22 satélites en cada plano. Hay 72 planos diferentes, en los que los satélites giran alrededor de la Tierra en progresión lineal. Espaciando uniformemente los planos alrededor del planeta y espaciando uniformemente los satélites en cada plano, se puede "cubrir" todo el planeta sin que ningún punto de la Tierra esté a más de unos pocos cientos de millas de un satélite en un momento dado. Los polos también están cubiertos por Starlink, utilizando un pequeño número de satélites en una órbita polar. Ese es un caso de esquina que no discutiremos, pero solo tenga en cuenta que, virtualmente, eventualmente, cada punto en la superficie estará a la vista de un satélite LEO.

SpaceX ha colocado la mayoría de sus satélites a unas 350 millas sobre la Tierra, mucho más cerca que las 22,236 millas de una órbita geosincrónica. En altitudes de órbita terrestre baja, los satélites pasan por encima a unas 16,000 millas por hora, en relación con un punto en la superficie; dando vueltas al planeta aproximadamente cada hora y media.

Figura 2. Ejemplo de constelación LEO. Fuente: Wikipedia

Cohetes reutilizables y tecnologías de seguimiento de bajo costo

¿Cómo rastrea una terminal de usuario un flujo interminable de satélites que pasan por encima a 16,000 millas por hora? No es facil. Por eso, durante décadas, los satélites geoestacionarios han sido la solución para el consumo de internet. Apuntar a un punto en el cielo del sur es mucho más fácil que rastrear satélites mientras vuelan por encima. El servicio de órbita terrestre baja requería dos cosas que no eran posibles hasta hace poco. Primero, se necesita una gran cantidad de satélites para hacer una constelación viable. Hasta la llegada del cohete reutilizable de bajo costo del que fue pionero SpaceX, el costo de lanzar miles de satélites prohibía un modelo comercial viable. En segundo lugar, el costo de la tecnología capaz de rastrear satélites era muy alto, hasta hace poco tiempo.

Un gran recurso para visualizar la constelación SpaceX Starlink en vivo y comprender las órbitas es:https://satellitemap.space

Una instantánea de ese sitio se muestra a continuación. Los círculos muestran la proyección de la señal de cada satélite en la Tierra, que puede considerar como el "área de cobertura" de ese satélite. Como puede ver, la lata de pintura en aerosol está bastante cerca de la superficie. Esto significa que hay mucha capacidad de cada satélite enfocada en una pequeña porción de la superficie de la Tierra en un momento dado. Esta es una de las razones por las que el servicio LEO puede ser mucho más rápido, en términos de bits por segundo, que el servicio geoestacionario.

Figura 3. Instantánea de un mapa de cobertura en vivo de la constelación Starlink.https://satellitemap.space

En la imagen de arriba, los grupos de círculos amarillos representan satélites lanzados recientemente que aún no se han extendido a su posición final. Como puedes ver, están en línea recta, uno tras otro. Eventualmente, cada grupo estará espaciado uniformemente alrededor de la Tierra, todo en el mismo ángulo de inclinación, en relación con el ecuador.

Dado que los satélites LEO están mucho más abajo de la superficie, el tiempo que tarda la señal del usuario en llegar al satélite y regresar a la Tierra se reduce considerablemente. Esto significa que los satélites LEO brindan una latencia mucho más baja (el tiempo que tardan los datos en viajar hasta el satélite y regresar) y pueden admitir video y audio en vivo. Un satélite geoestacionario típico tendrá una latencia de 600 milisegundos o más, lo que hace que el audio en vivo sea muy engorroso, si no imposible. La latencia de Starlink suele ser de unos 50 milisegundos: doce veces mejor que la geoestacionaria.

Además, dado que hay miles de satélites en una constelación LEO; la capacidad total de la red es cientos, si no miles, de veces mayor que las redes geosincrónicas tradicionales. Dado que hay más capacidad, más usuarios pueden conectarse a los satélites LEO al mismo tiempo sin afectarse entre sí. Esto permite a SpaceX ofrecer el servicio Starlink sin los límites de datos de usuario que se encuentran comúnmente en los servicios tradicionales de Internet satelital y celular.

Phased Array: clave para el consumidor LEO

En el pasado, para rastrear satélites no geoestacionarios, una terminal de usuario tenía motores y el plato seguía físicamente al satélite a través del cielo. Esta acción se puede ver comúnmente en películas de ciencia ficción y videos de la NASA sobre radioastronomía. Hace muchas décadas, los militares fueron pioneros en la tecnología de radar llamada "antenas de matriz en fase". Usando esta técnica, se podría usar una matriz de elementos de antena para apuntar una señal transmitida en una dirección específica. Se utiliza una antena con un gran número de elementos de antena direccionables individualmente. Al variar el tiempo entre la transmisión de la señal en cada elemento individual, el sistema puede dirigir la señal transmitida sin partes móviles.

Figura 4. Un plato Starlink montado en un techo. Fuente: SpaceX

Sin embargo, el proceso de cálculo de los retrasos individuales necesarios para cada uno de los cientos de elementos de la antena es computacionalmente intensivo y hasta hace poco no estaba disponible para los consumidores a un precio razonable. SpaceX ha utilizado esta tecnología para crear una terminal de usuario que está físicamente fija en posición y dirección, pero utiliza técnicas de matriz en fase para rastrear los satélites a medida que pasan por encima. La comercialización de la tecnología de matriz en fase para los consumidores es uno de los mayores avances de la década y significa que los terminales de usuario asequibles que no necesitan rotar se pueden instalar en entornos residenciales.

Figura 5. Mapa de las puertas de enlace que dan servicio a Carolina del Norte. Fuente:https://satellitemap.space

En el diagrama anterior, las ubicaciones de Wise, NC y Mandale, NC son las dos puertas de enlace Starlink ubicadas en Carolina del Norte. Los residentes de Carolina del Norte probablemente los utilizarán (así como las puertas de enlace en los estados limítrofes) para el servicio. Estas puertas de enlace tienen conexiones de fibra de gran capacidad a la red troncal de Starlink y al Internet público. La foto a continuación muestra el aspecto de una puerta de enlace típica. Esta puerta de enlace tiene nueve antenas de puerta de enlace, así como cinco terminales de usuario, probablemente utilizadas para pruebas.

A medida que cada satélite Starlink pasa por encima, no solo rastrea una o más puertas de enlace, sino también potencialmente miles de terminales de usuario. Cada terminal de usuario debe rastrear varios satélites LEO mientras planifica su "roaming" de satélite a satélite cada pocos minutos. Se requiere una computación extensa para que el sistema funcione. Es bastante notable y todas las empresas que crean servicios LEO deben tener un talento de ingeniería increíble.

Figura 6. Una puerta de enlace Starlink. Fuente: darkpenguin22 a través de Reddit r/SpaceXLounge

Láseres

Como si esta tecnología no fuera lo suficientemente sorprendente, SpaceX la está llevando un paso más allá en la nueva generación de sus satélites. Los nuevos satélites tienen láseres, lo que les permite transmitir datos entre sí en el espacio. Entonces, en lugar de ser simples reflectores, habrá una red en el espacio, con los satélites capaces de enrutar datos entre ellos. Se seguirán pasando datos entre un terminal de usuario y una puerta de enlace, pero ahora puede haber más de un satélite en la ruta.

Esto significa que el servicio aún puede llegar a lugares alejados de una puerta de enlace: piense en el océano o en montañas muy remotas. Si bien este tema merece un artículo completo, considere que la velocidad de la luz en el espacio libre es aproximadamente un tercio más rápida que la velocidad de la luz en la fibra. Esto significa que los continentes se pueden conectar a través de estos enlaces láser en el espacio potencialmente más rápido que las fibras transoceánicas que se usan hoy en día, aunque con una capacidad relativamente menor.

Conclusión

Espero que este artículo haya aclarado parte del misterio en torno al Internet satelital de órbita terrestre baja y por qué es tan importante que la FCC promueva y garantice que sigue siendo una opción viable para aquellos que están lejos de la fibra.

Dato curioso: los satélites de SpaceX son totalmente desmontables , lo que significa que cada parte del satélite se quemará en la atmósfera al volver a entrar. Prácticamente no hay riesgo de que una parte del satélite golpee la superficie de la Tierra. Este es un punto de diseño importante cuando considera que docenas de satélites eventualmente volverán a ingresar a la atmósfera cada semana.