Ostatnio dużo mówi się o Starlink i internecie satelitarnym. Niewiele osób spoza branży technologicznej rozumie, dlaczego Starlink i inne satelitarne usługi internetowe na niskiej orbicie okołoziemskiej są zupełnie inne niż poprzednie oferty satelitarnego Internetu. Ten artykuł zawiera ogólny przegląd różnic dla tych, którzy nie są inżynierami ani naukowcami zajmującymi się rakietami.

Pod koniec 2010 roku kilka firm złożyło wnioski do Federalnej Komisji Łączności (FCC) w celu stworzenia satelitarnych usług internetowych na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO). Trzy godne uwagi firmy realizujące LEO to SpaceX, Amazon i OneWeb. Z tych trzech tylko SpaceX, który wystrzelił ponad 3000 satelitów LEO, oferuje realną usługę komercyjną pod marką Starlink .

Satelity komunikacyjne można traktować jako reflektory. Terminal użytkownika (antena satelitarna) wysyła sygnał do satelity, który przesyła kopię sygnału z powrotem na Ziemię, na innej częstotliwości, do stałego punktu zwanego bramą. W bramie znajduje się układ anten o dużej mocy i połączenia światłowodowe o dużej przepustowości z publicznym Internetem. Kilka bram jest rozsianych po całej Ziemi, dzięki czemu satelity mają „widoczność” dla jednej lub więcej bram za każdym razem, gdy zapewniają dostęp do Internetu na powierzchni poniżej. Dla ścieżki zwrotnej, z publicznego Internetu do terminala użytkownika, wykorzystywane są różne częstotliwości z tych samych anten. Sygnał pochodzi z bramki, odbija się od satelity i wraca na Ziemię do terminala użytkownika. Dzieje się tak niezależnie od tego, jaki typ satelity (tradycyjny czy LEO) jest używany.

Kluczową różnicą między niską orbitą okołoziemską a orbitami używanymi w tradycyjnych satelitarnych usługach internetowych jest odległość od powierzchni Ziemi do satelity. Ta odległość określa liczbę satelitów potrzebnych do pokrycia planety, a także ogólną pojemność systemu, opóźnienia i inne cechy operacyjne.

Malowanie powierzchni

Wyobraź sobie, że używasz farby w sprayu do malowania piłki do koszykówki. Jeśli trzymasz farbę w sprayu dwa cale od piłki, pokrywa ona tylko niewielki obszar, ale zapewnia grube pokrycie farby w tym miejscu w krótkim czasie. Jeśli trzymasz puszkę w odległości stopy, prawdopodobnie możesz pokryć prawie połowę piłki, ale tylko przy bardzo lekkim odkurzeniu farby. Prawdopodobnym sposobem na najskuteczniejsze pomalowanie piłki byłoby wielokrotne bieganie po powierzchni kilka cali nad nią. Taka jest właśnie filozofia projektowania internetu satelitarnego na niskiej orbicie okołoziemskiej.

Rysunek 1. Im bliżej kuli znajduje się puszka, tym mniejsza powierzchnia jest pokryta. Źródło: DALL-E, OpenAI

Orbity geosynchroniczne

Orbity to dziwna rzecz. Nie można po prostu umieścić satelity w dowolnym miejscu w kosmosie i pozwolić mu tam pozostać; prawa fizyki po prostu tak nie działają. W zależności od tego, do czego satelita będzie używany, do wyboru jest kilka różnych rodzajów orbit. Orbita geosynchroniczna to taka, na której satelita znajduje się zawsze dokładnie nad tym samym miejscem na Ziemi każdego dnia, o tej samej porze. Na przykład, jeśli satelita jest geosynchroniczny z Twoim domem o 15:14, będzie znajdował się bezpośrednio nad Twoim domem codziennie o 15:14, ale tylko przez krótką sekundę.

Osiąga się to poprzez umieszczenie satelity na orbicie na wysokości 22 236 mil. W tym miejscu satelita okrąża orbitę dokładnie w takim samym czasie, w jakim Ziemia wykonuje obrót (dzień gwiezdny). Gdybyś korzystał z satelity geosynchronicznego takiego jak ten do uzyskiwania dostępu do Internetu, byłbyś połączony tylko przez kilka minut dziennie; nie jest dobrym doświadczeniem użytkownika.

Jeśli jednak umieścisz satelitę nad równikiem , na wysokości 22 236 mil, stanie się coś magicznego: satelita wydaje się pozostawać nieruchomy na niebie dokładnie w tym samym punkcie, na zawsze. Więc zamiast patrzeć prosto w górę każdego dnia o tej samej porze, aby zobaczyć satelitę, po prostu skieruj swoją antenę na południe, a satelita zawsze tam będzie. Ten szczególny przypadek orbity geostacjonarnej nazywany jest orbitą geostacjonarną .

Jest to orbita, z której korzystały tradycyjne usługi internetowe. Niewielka liczba satelitów (może tylko dwa lub trzy) jest umieszczona nad równikiem na orbicie 22 236 mil. Orbity geostacjonarne umożliwiają korzystanie ze stosunkowo niedrogich terminali użytkownika, ponieważ nie muszą one „śledzić” satelity, gdy ten przelatuje nad głową. Po zainstalowaniu geostacjonarny satelitarny terminal użytkownika (antena) po prostu wskazuje to samo miejsce na niebie, 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, a satelita porusza się synchronicznie z orbitą Ziemi i terminalem użytkownika. Powszechnie znane usługi geostacjonarne obejmują DirectTV, radio XM (oryginalne, nie Sirius) i Dish Network, ale wiele innych satelitów komunikacyjnych korzysta z tej orbity i techniki.

Te niedrogie anteny talerzowe zawsze skierowane są w stronę satelity, który znajduje się w stałej lokalizacji nad równikiem, dzięki czemu ich obwody i oprogramowanie są mniej skomplikowane. Ponieważ potrzeba tylko kilku satelitów do pokrycia całego kontynentu, koszt rozmieszczenia satelitów jest stosunkowo niski. Od dziesięcioleci tak działają systemy komunikacyjne klasy konsumenckiej.

konstelacje

Jest tylko jedna orbita, na której występuje ta magiczna cecha geostacjonarna. Każda inna orbita oznacza, że ​​satelity poruszają się względem powierzchni Ziemi. Nie można po prostu umieścić satelity 500 mil nad miastem i tam go zaparkować; prawa fizyki tak nie działają. Rezultatem jest potrzeba konstelacji satelitów i technologii śledzenia satelitów w każdym terminalu użytkownika. Te dwie kwestie sprawiają, że komunikacja na orbicie niegeostacjonarnej (NGSO) jest znacznie bardziej kosztowna i złożona: potrzeba znacznie więcej satelitów, a terminale użytkowników są bardzo złożone w porównaniu z usługami opartymi na usługach geostacjonarnych.

Poniższy schemat pokazuje, jak wyglądałaby konstelacja 1584 satelitów. W każdej płaszczyźnie znajdują się 22 satelity. Istnieją 72 różne płaszczyzny, w których satelity krążą wokół Ziemi w postępie liniowym. Dzięki równomiernemu rozmieszczeniu płaszczyzn wokół planety i równomiernemu rozmieszczeniu satelitów w każdej płaszczyźnie, cała planeta może być „pokryta” tak, aby żadne miejsce na Ziemi nie znajdowało się dalej niż kilkaset mil od satelity w danym momencie. Bieguny są również pokrywane przez Starlink, używając niewielkiej liczby satelitów na orbicie polarnej. Jest to przypadek narożny, którego nie będziemy omawiać, ale pamiętajmy, że praktycznie w końcu każde miejsce na powierzchni będzie w zasięgu wzroku satelity LEO.

SpaceX umieścił większość swoich satelitów na wysokości około 350 mil nad Ziemią, znacznie bliżej niż 22 236 mil od orbity geosynchronicznej. Na niskich wysokościach orbity okołoziemskiej satelity przelatują nad głową z prędkością około 16 000 mil na godzinę względem punktu na powierzchni; okrążając planetę mniej więcej co półtorej godziny.

Rysunek 2. Przykład konstelacji LEO. Źródło: Wikipedia

Rakiety wielokrotnego użytku i tanie technologie śledzenia

W jaki sposób terminal użytkownika śledzi niekończący się strumień satelitów przelatujących nad głową z prędkością 26 000 mil na godzinę? To nie jest łatwe. Dlatego od dziesięcioleci satelity geostacjonarne są rozwiązaniem dla Internetu konsumenckiego. Wskazywanie jednego punktu na południowym niebie jest znacznie łatwiejsze niż śledzenie satelitów przelatujących nad nimi. Usługa Low Earth Orbit wymagała dwóch rzeczy, które do niedawna nie były możliwe. Po pierwsze, do stworzenia zdolnej do życia konstelacji potrzebna jest ogromna liczba satelitów. Aż do pojawienia się niedrogiej rakiety wielokrotnego użytku, której pionierem był SpaceX, koszt wystrzelenia tysięcy satelitów uniemożliwiał opłacalny model biznesowy. Po drugie, do niedawna koszt technologii umożliwiającej śledzenie satelitów był bardzo wysoki.

Świetnym źródłem do wizualizacji konstelacji SpaceX Starlink na żywo i zrozumienia orbit jest:https://satellitemap.space

Migawka tej witryny jest pokazana poniżej. Okręgi pokazują projekcję sygnału z każdego satelity na Ziemię, którą można traktować jako „obszar pokrycia” tego satelity. Jak widać, puszka z farbą w sprayu znajduje się dość blisko powierzchni. Oznacza to, że każdy satelita ma dużą pojemność skupioną na niewielkiej części powierzchni Ziemi w dowolnym momencie. Jest to jeden z powodów, dla których usługa LEO może być o wiele szybsza pod względem liczby bitów na sekundę niż usługa geostacjonarna.

Rysunek 3. Migawka mapy zasięgu na żywo konstelacji Starlink.https://satellitemap.space

Na powyższym zdjęciu kępki żółtych okręgów przedstawiają niedawno wystrzelone satelity, które jeszcze nie rozłożyły się na swojej ostatecznej pozycji. Jak widać, są one w linii prostej, jedna po drugiej. Ostatecznie każda grudka będzie równomiernie rozmieszczona na całej kuli ziemskiej, wszystkie pod tym samym kątem nachylenia w stosunku do równika.

Ponieważ satelity LEO znajdują się znacznie niżej od powierzchni, czas potrzebny na dotarcie sygnału użytkownika do satelity i powrót na Ziemię jest znacznie skrócony. Oznacza to, że satelity LEO zapewniają znacznie mniejsze opóźnienia (czas potrzebny na przesłanie danych do satelity iz powrotem) i mogą obsługiwać obraz i dźwięk na żywo. Typowy satelita geostacjonarny będzie miał opóźnienie 600 milisekund lub więcej, przez co transmisja dźwięku na żywo będzie bardzo kłopotliwa, jeśli nie niemożliwa. Opóźnienie Starlink wynosi zwykle około 50 milisekund: dwanaście razy lepsze niż geostacjonarne.

Dodatkowo, ponieważ w konstelacji LEO znajdują się tysiące satelitów; całkowita przepustowość sieci jest setki, jeśli nie tysiące razy większa niż w przypadku tradycyjnych sieci geosynchronicznych. Ponieważ istnieje większa pojemność, więcej użytkowników może łączyć się z satelitami LEO w tym samym czasie bez wpływu na siebie nawzajem. Dzięki temu SpaceX może oferować usługę Starlink bez ograniczeń danych użytkownika, które są powszechnie spotykane w tradycyjnych satelitarnych i komórkowych usługach internetowych.

Phased Array: klucz do LEO konsumenta

W przeszłości, aby śledzić satelity niegeostacjonarne, terminal użytkownika miał silniki, a czasza fizycznie podążała za satelitą po niebie. To działanie często można zobaczyć w filmach science fiction i filmach NASA o radioastronomii. Wiele dziesięcioleci temu wojsko było pionierem technologii radarowej zwanej „antenami fazowymi”. Korzystając z tej techniki, można użyć szeregu elementów antenowych do skierowania transmitowanego sygnału w określonym kierunku. Stosowana jest antena z dużą liczbą indywidualnie adresowalnych elementów antenowych. Zmieniając czas między transmisją sygnału na każdym pojedynczym elemencie, system może kierować przesyłanym sygnałem bez żadnych ruchomych części.

Rysunek 4. Antena Starlink zamontowana na dachu. źródło: SpaceX

Jednak proces obliczania indywidualnych opóźnień potrzebnych dla każdego z setek elementów anteny wymaga intensywnych obliczeń i do niedawna nie był dostępny dla konsumentów za rozsądną cenę. SpaceX wykorzystał tę technologię do stworzenia terminala użytkownika, który jest fizycznie ustalony w pozycji i kierunku, ale wykorzystuje techniki Phased Array do śledzenia satelitów, gdy przelatują nad nimi. Komercjalizacja technologii Phased Array dla konsumentów jest jednym z największych przełomów dekady i oznacza, że ​​niedrogie terminale użytkownika, które nie muszą się obracać, mogą być instalowane w środowiskach mieszkalnych.

Rysunek 5. Mapa bram obsługujących Karolinę Północną. Źródło:https://satellitemap.space

Na powyższym schemacie lokalizacje Wise, NC i Mandale, NC to dwie bramy Starlink znajdujące się w Północnej Karolinie. Mieszkańcy Karoliny Północnej prawdopodobnie wykorzystają je (a także bramy w stanach graniczących) do obsługi. Bramy te mają połączenia światłowodowe o bardzo dużej przepustowości z siecią szkieletową Starlink i publicznym Internetem. Poniższe zdjęcie pokazuje, jak wygląda typowa brama. Ta bramka ma dziewięć anten bramowych, a także pięć terminali użytkownika, prawdopodobnie używanych do testowania.

Gdy każdy satelita Starlink przelatuje nad głową, śledzi nie tylko jedną lub więcej bramek, ale potencjalnie także tysiące terminali użytkowników. Każdy terminal użytkownika musi śledzić kilka satelitów LEO, planując swój „roaming” z satelity na satelitę co kilka minut. Aby system działał, wymagane są rozległe obliczenia. Jest to dość niezwykłe i wszystkie firmy tworzące usługi LEO muszą mieć niesamowity talent inżynierski.

Rysunek 6. Bramka Starlink. Źródło: darkpinguin22 przez Reddit r/SpaceXLounge

Lasery

Jakby ta technologia nie była już wystarczająco niesamowita, SpaceX idzie o krok dalej w nowej generacji swoich satelitów. Nowe satelity mają lasery, które pozwalają im przesyłać między sobą dane w przestrzeni kosmicznej. Więc zamiast być zwykłymi reflektorami, w kosmosie powstanie sieć, w której satelity będą mogły przesyłać dane między sobą. Dane będą nadal przesyłane między terminalem użytkownika a bramą, ale teraz na ścieżce może znajdować się więcej niż jeden satelita.

Oznacza to, że usługa nadal może dotrzeć do miejsc oddalonych od bramy: pomyśl o oceanie lub bardzo odległych górach. Chociaż ten temat jest wart całego artykułu, weź pod uwagę, że prędkość światła w wolnej przestrzeni jest o około jedną trzecią większa niż prędkość światła w światłowodzie. Oznacza to, że kontynenty mogą być łączone za pomocą tych łączy laserowych w kosmosie potencjalnie szybciej niż stosowane obecnie włókna transoceaniczne, aczkolwiek o stosunkowo mniejszej przepustowości.

Wniosek

Mam nadzieję, że ten artykuł wyjaśnił niektóre tajemnice związane z Internetem satelitarnym na niskiej orbicie okołoziemskiej i dlaczego tak ważne jest, aby FCC promowała i zapewniała, że ​​pozostaje on realną opcją dla tych, którzy są daleko od światłowodu.

Ciekawostka : Satelity SpaceX można całkowicie zniszczyć , co oznacza, że ​​każda część satelity spłonie w atmosferze po ponownym wejściu. Nie ma praktycznie żadnego ryzyka uderzenia części satelity w powierzchnię Ziemi. Jest to ważny punkt projektowy, jeśli weźmie się pod uwagę, że dziesiątki satelitów będą ostatecznie co tydzień ponownie wchodzić w atmosferę.