Ada banyak desas-desus tentang Starlink dan internet satelit baru-baru ini. Hanya sedikit orang di luar industri teknologi yang memahami mengapa Starlink dan layanan internet satelit Orbit Rendah Bumi lainnya benar-benar berbeda dari penawaran internet satelit sebelumnya. Artikel ini memberikan ikhtisar tingkat tinggi tentang perbedaannya, bagi mereka yang bukan insinyur atau ilmuwan roket.

Pada akhir tahun 2010-an, beberapa perusahaan mengajukan aplikasi ke Federal Communications Commission (FCC) untuk membuat layanan internet berbasis satelit Low Earth Orbit (LEO). Tiga perusahaan terkemuka yang mengejar LEO adalah SpaceX, Amazon, dan OneWeb. Dari ketiganya, hanya SpaceX, yang telah meluncurkan lebih dari 3.000 satelit LEO, yang menawarkan layanan komersial yang layak, dengan nama merek Starlink .

Satelit komunikasi dapat dianggap sebagai reflektor. Terminal pengguna (piringan satelit) mengirimkan sinyal ke satelit, yang mengirimkan salinan sinyal kembali ke Bumi, pada frekuensi yang berbeda, ke titik tetap yang disebut gateway. Gateway memiliki susunan antena berdaya tinggi dan koneksi serat berkapasitas tinggi ke internet publik. Beberapa gateway tersebar di seluruh Bumi sehingga satelit memiliki "visibilitas" ke satu atau lebih gateway kapan pun mereka menyediakan akses internet ke permukaan di bawah. Untuk jalur sebaliknya, dari internet publik ke terminal pengguna, digunakan frekuensi yang berbeda, dari antena yang sama. Sinyal berasal dari gateway, memantul dari satelit, dan kembali ke Bumi di terminal pengguna. Hal ini berlaku terlepas dari jenis satelit apa (tradisional atau LEO) yang digunakan.

Perbedaan utama antara Orbit Bumi Rendah dan orbit yang digunakan dalam layanan internet satelit tradisional adalah jarak dari permukaan Bumi ke satelit. Jarak itu menentukan jumlah satelit yang dibutuhkan untuk menutupi planet ini, serta kapasitas sistem secara keseluruhan, latensi, dan karakteristik operasional lainnya.

Pengecatan Permukaan

Bayangkan menggunakan cat semprot untuk mengecat bola basket. Jika Anda memegang cat semprot dua inci dari bola, itu hanya menutupi area kecil, tetapi memberikan cakupan cat yang tebal ke titik itu, dalam waktu singkat. Jika Anda memegang kaleng sejauh satu kaki, Anda mungkin bisa menutupi hampir separuh bola, tetapi hanya dengan sedikit debu cat. Cara yang mungkin paling efektif untuk mengecat bola adalah dengan berlari di atas permukaan berkali-kali berturut-turut, beberapa inci di atasnya. Itulah filosofi desain di balik internet satelit Low Earth Orbit.

Gambar 1. Semakin dekat kaleng dengan bola, semakin sedikit permukaan yang tertutup. Sumber: DALL-E, OpenAI

Orbit Geosinkron

Orbit adalah hal yang aneh. Anda tidak bisa begitu saja menempatkan satelit di mana pun di ruang angkasa dan membiarkannya tetap di sana; hukum fisika tidak bekerja seperti itu. Bergantung pada tujuan penggunaan satelit, ada beberapa jenis orbit yang dapat dipilih. Orbit geosinkron adalah orbit di mana satelit selalu berada tepat di atas titik yang sama di bumi setiap hari, pada waktu yang sama. Misalnya, jika satelit melakukan geosinkronisasi dengan rumah Anda pada pukul 15.14, satelit itu akan berada tepat di atas rumah Anda setiap hari pada pukul 15.14, tetapi hanya sesaat.

Ini dilakukan dengan menempatkan satelit di orbit pada ketinggian 22.236 mil. Di lokasi itu, satelit menyelesaikan orbit dalam waktu yang persis sama dengan Bumi menyelesaikan satu rotasi (hari sideris). Jika Anda menggunakan satelit geosinkron seperti ini untuk akses internet, Anda hanya akan terhubung selama beberapa menit per hari; bukan pengalaman pengguna yang baik.

Namun, jika Anda menempatkan satelit di atas garis khatulistiwa , pada jarak 22.236 mil, sesuatu yang ajaib terjadi: Satelit tersebut tampaknya tetap berada di langit pada titik yang persis sama, selamanya. Jadi daripada melihat lurus ke atas setiap hari pada waktu yang sama untuk melihat satelit, Anda cukup mengarahkan piringan Anda ke titik selatan, dan satelit akan selalu ada di sana. Kasus khusus orbit geosinkron ini disebut orbit geostasioner .

Ini adalah orbit yang digunakan oleh layanan internet tradisional. Sejumlah kecil satelit (mungkin hanya dua atau tiga) ditempatkan di atas khatulistiwa pada orbit 22.236 mil. Orbit geostasioner memungkinkan terminal pengguna yang relatif murah untuk digunakan karena mereka tidak perlu "melacak" satelit saat melintas di atas kepala. Setelah dipasang, terminal pengguna satelit geostasioner (piringan) hanya menunjuk ke lokasi yang sama di langit, 24/7, dan satelit bergerak serempak dengan orbit Bumi, dan terminal pengguna. Layanan geostasioner yang umum dikenal termasuk DirectTV, radio XM (asli, bukan Sirius), dan Dish Network, tetapi banyak satelit komunikasi lainnya menggunakan orbit dan teknik ini.

Antena parabola berbiaya rendah ini selalu mengarah ke satelit yang berada di lokasi tetap di atas khatulistiwa, membuat sirkuit dan peranti lunaknya tidak terlalu rumit. Karena hanya beberapa satelit yang diperlukan untuk menjangkau seluruh benua, biaya penggelaran satelit relatif rendah. Selama beberapa dekade, beginilah cara kerja sistem komunikasi tingkat konsumen.

Rasi bintang

Hanya ada satu orbit di mana karakteristik geostasioner ajaib ini terjadi. Orbit lain berarti bahwa satelit bergerak relatif terhadap permukaan bumi. Anda tidak bisa begitu saja menempatkan satelit 500 mil di atas kota dan memarkirnya di sana; hukum fisika tidak bekerja seperti itu. Hasilnya adalah kebutuhan konstelasi satelit, dan teknologi pelacakan satelit di setiap terminal pengguna. Kedua masalah ini membuat komunikasi non-geostasioner-orbit (NGSO) jauh lebih mahal dan kompleks: diperlukan lebih banyak satelit, dan terminal pengguna sangat kompleks, dibandingkan dengan layanan berbasis geostasioner.

Diagram di bawah menunjukkan seperti apa konstelasi 1.584 satelit itu. Ada 22 satelit di setiap pesawat. Ada 72 pesawat berbeda, di mana satelit berputar mengelilingi Bumi dalam perkembangan linier. Dengan mengatur jarak antarpesawat secara merata di sekitar planet, dan mengatur jarak satelit di setiap bidang secara merata, seluruh planet dapat "ditutupi" tanpa titik di Bumi yang berjarak lebih dari beberapa ratus mil dari satelit pada saat tertentu. Kutub juga ditutupi oleh Starlink, menggunakan sejumlah kecil satelit di orbit kutub. Itu adalah kasus sudut yang tidak akan kami diskusikan, tetapi ketahuilah, bahwa pada akhirnya, setiap titik di permukaan akan terlihat oleh satelit LEO.

SpaceX telah menempatkan sebagian besar satelitnya sekitar 350 mil di atas Bumi, jauh lebih dekat daripada 22.236 mil ke orbit geosinkron. Pada ketinggian Orbit Bumi Rendah, satelit melintas di atas kepala dengan kecepatan sekitar 16.000 mil per jam, relatif terhadap suatu titik di permukaan; mengelilingi planet ini setiap satu setengah jam.

Gambar 2. Contoh konstelasi LEO. Sumber: Wikipedia

Roket yang Dapat Digunakan Kembali dan Teknologi Pelacakan Berbiaya Rendah

Bagaimana terminal pengguna melacak aliran satelit tanpa henti yang melintas di atas kepala dengan kecepatan 16.000 mil per jam? Ini tidak mudah. Itu sebabnya, selama beberapa dekade, satelit geostasioner telah menjadi solusi bagi konsumen internet. Menunjuk ke satu tempat di langit selatan jauh lebih mudah daripada melacak satelit saat mereka terbang di atas kepala. Layanan Orbit Bumi Rendah membutuhkan dua hal yang tidak mungkin dilakukan hingga saat ini. Pertama, dibutuhkan sejumlah besar satelit untuk membuat konstelasi yang layak. Sampai munculnya roket murah yang dapat digunakan kembali yang dipelopori oleh SpaceX, biaya peluncuran ribuan satelit menghalangi model bisnis yang layak. Kedua, biaya teknologi yang mampu melacak satelit sangat tinggi hingga saat ini.

Sumber yang bagus untuk memvisualisasikan konstelasi SpaceX Starlink secara langsung dan memahami orbitnya adalah:https://satellitemap.space

Cuplikan situs tersebut ditampilkan di bawah. Lingkaran menunjukkan proyeksi sinyal dari setiap satelit ke Bumi, yang dapat Anda anggap sebagai “area jangkauan” satelit tersebut. Seperti yang Anda lihat, kaleng cat semprot cukup dekat dengan permukaan. Artinya, ada banyak kapasitas dari setiap satelit yang terfokus pada sebagian kecil permukaan bumi pada satu waktu. Inilah salah satu alasan mengapa layanan LEO bisa jauh lebih cepat, dalam hal bit per detik, daripada layanan geostasioner.

Gambar 3. Cuplikan peta liputan langsung konstelasi Starlink.https://satellitemap.space

Pada gambar di atas, gumpalan lingkaran kuning mewakili satelit yang baru diluncurkan yang belum menyebar ke posisi akhirnya. Seperti yang Anda lihat, mereka berada dalam garis lurus, satu demi satu. Pada akhirnya, setiap rumpun akan ditempatkan secara merata di sekeliling Bumi, semua pada sudut kemiringan yang sama, relatif terhadap ekuator.

Karena satelit LEO jauh lebih rendah ke permukaan, waktu yang dibutuhkan sinyal pengguna untuk mencapai satelit dan kembali ke Bumi sangat berkurang. Ini berarti bahwa satelit LEO memberikan latensi yang jauh lebih rendah (waktu yang dibutuhkan data untuk melakukan perjalanan ke satelit dan sebaliknya) dan dapat mendukung video dan audio langsung. Satelit geostasioner tipikal akan memiliki latensi 600 milidetik atau lebih, membuat audio langsung sangat rumit jika bukan tidak mungkin. Latensi Starlink biasanya sekitar 50 milidetik: dua belas kali lebih baik daripada geostasioner.

Selain itu, karena ada ribuan satelit di konstelasi LEO; total kapasitas jaringan adalah ratusan, bahkan ribuan, kali lebih besar dari jaringan geosinkron tradisional. Karena kapasitasnya lebih besar, lebih banyak pengguna dapat terhubung ke satelit LEO pada saat yang sama tanpa saling mempengaruhi. Hal ini memungkinkan SpaceX untuk menawarkan layanan Starlink tanpa batas data pengguna yang biasanya ditemukan di layanan internet satelit dan seluler tradisional.

Array Bertahap: Kunci Konsumen LEO

Di masa lalu, untuk melacak satelit non-geostasioner, terminal pengguna akan memiliki motor dan piringan akan secara fisik mengikuti satelit melalui langit. Tindakan ini biasanya terlihat di film fiksi ilmiah dan video NASA tentang astronomi radio. Beberapa dekade yang lalu, militer memelopori teknologi radar yang disebut "antena array bertahap". Dengan menggunakan teknik ini, susunan elemen antena dapat digunakan untuk mengarahkan sinyal yang ditransmisikan ke arah tertentu. Antena dengan sejumlah besar elemen antena yang dapat dialamatkan secara individual digunakan. Dengan memvariasikan waktu antara sinyal yang ditransmisikan pada masing-masing elemen, sistem dapat mengarahkan sinyal yang ditransmisikan tanpa ada bagian yang bergerak.

Gambar 4. Piringan Starlink dipasang di atap. Sumber: SpaceX

Namun, proses penghitungan penundaan individual yang diperlukan untuk masing-masing dari ratusan elemen antena intensif secara komputasi dan hingga saat ini tidak tersedia bagi konsumen dengan harga yang wajar. SpaceX telah menggunakan teknologi ini untuk membuat terminal pengguna yang secara fisik tetap pada posisi dan arah tetapi menggunakan teknik susunan bertahap untuk melacak satelit saat melintas di atas kepala. Komersialisasi teknologi array bertahap untuk konsumen adalah salah satu terobosan terbesar dekade ini dan berarti terminal pengguna yang terjangkau yang tidak perlu diputar dapat dipasang di lingkungan perumahan.

Gambar 5. Peta gerbang yang melayani North Carolina. Sumber:https://satellitemap.space

Pada diagram di atas, lokasi Wise, NC dan Mandale, NC adalah dua gerbang Starlink yang berlokasi di Carolina Utara. Penduduk Carolina Utara kemungkinan besar akan memanfaatkan ini (serta gerbang di negara bagian yang berbatasan), untuk layanan. Gateway ini memiliki koneksi fiber berkapasitas sangat besar ke jaringan backbone Starlink dan internet publik. Foto di bawah ini menunjukkan seperti apa gateway yang khas. Gateway ini memiliki sembilan antena gateway, serta lima terminal pengguna, kemungkinan besar digunakan untuk pengujian.

Karena setiap satelit Starlink melintas di atas kepala, ia tidak hanya melacak satu atau lebih gerbang tetapi juga berpotensi ribuan terminal pengguna. Setiap terminal pengguna harus melacak beberapa satelit LEO karena merencanakan "roaming" dari satelit ke satelit setiap beberapa menit. Komputasi yang luas diperlukan untuk membuat sistem bekerja. Ini sangat luar biasa dan semua perusahaan yang menciptakan layanan LEO pasti memiliki bakat teknik yang luar biasa.

Gambar 6. Gerbang Starlink. Sumber: darkpenguin22 melalui Reddit r/SpaceXLounge

Laser

Seolah-olah teknologi ini belum cukup menakjubkan, SpaceX mengambil satu langkah lebih jauh dalam generasi baru satelit mereka. Satelit-satelit baru memiliki laser, yang memungkinkan mereka mengirimkan data antara satu sama lain di luar angkasa. Jadi, alih-alih hanya menjadi reflektor sederhana, akan ada jaringan di luar angkasa, dengan satelit yang dapat merutekan data di antara mereka sendiri. Data masih akan diteruskan antara terminal pengguna dan gateway, tetapi sekarang mungkin ada lebih dari satu satelit di jalur tersebut.

Ini berarti bahwa lokasi yang jauh dari gateway masih dapat dijangkau oleh layanan tersebut: bayangkan lautan atau pegunungan yang sangat terpencil. Meskipun topik ini layak untuk seluruh artikel, pertimbangkan bahwa kecepatan cahaya di ruang kosong sekitar sepertiga lebih cepat daripada kecepatan cahaya dalam serat. Ini berarti bahwa benua dapat dihubungkan melalui tautan laser ini di ruang angkasa yang berpotensi lebih cepat daripada serat lintas samudra yang digunakan saat ini, meskipun dengan kapasitas yang relatif lebih rendah.

Kesimpulan

Saya harap artikel ini telah menyelesaikan beberapa misteri seputar internet satelit Orbit Rendah Bumi dan mengapa sangat penting bagi FCC untuk mempromosikan dan memastikannya tetap menjadi pilihan yang layak bagi mereka yang jauh dari serat.

Fakta Menarik: Satelit SpaceX sepenuhnya dapat dihancurkan , yang berarti bahwa setiap bagian dari satelit akan terbakar di atmosfer saat masuk kembali. Hampir tidak ada risiko sebagian satelit menghantam permukaan bumi. Ini adalah poin desain penting ketika Anda mempertimbangkan lusinan satelit pada akhirnya akan memasuki kembali atmosfer setiap minggu.