Recentemente, houve muitos rumores sobre Starlink e internet via satélite. Poucas pessoas fora da indústria de tecnologia entendem por que o Starlink e outros serviços de internet via satélite Low Earth Orbit são completamente diferentes das ofertas anteriores de internet via satélite. Este artigo fornece uma visão geral de alto nível das diferenças, para aqueles que não são engenheiros ou cientistas de foguetes.

No final da década de 2010, várias empresas entraram com pedidos na Comissão Federal de Comunicações (FCC) para criar serviços de Internet baseados em satélite de órbita terrestre baixa (LEO). As três empresas notáveis ​​que buscam o LEO são SpaceX, Amazon e OneWeb. Desses três, apenas a SpaceX, que lançou mais de 3.000 satélites LEO, oferece um serviço comercial viável, sob a marca Starlink .

Os satélites de comunicação podem ser considerados como refletores. Um terminal de usuário (parabólica) transmite um sinal para um satélite, que envia uma cópia do sinal de volta para a Terra, em uma frequência diferente, para um ponto fixo chamado gateway. O gateway abriga um conjunto de antenas de alta potência e conexões de fibra de alta capacidade para a Internet pública. Vários gateways estão espalhados pela Terra para que os satélites tenham “visibilidade” para um ou mais gateways sempre que estiverem fornecendo acesso à Internet para a superfície abaixo. Para o caminho inverso, da internet pública ao terminal do usuário, são utilizadas diferentes frequências, das mesmas antenas. O sinal se origina no gateway, é refletido no satélite e volta para a Terra no terminal do usuário. Isso é verdade independentemente do tipo de satélite (tradicional ou LEO) que está sendo usado.

A principal diferença entre a órbita baixa da Terra e as órbitas usadas nos serviços tradicionais de internet via satélite é a distância da superfície da Terra até o satélite. Essa distância determina o número de satélites necessários para cobrir o planeta, bem como a capacidade geral do sistema, latência e outras características operacionais.

Pintando a Superfície

Imagine usar tinta spray para pintar uma bola de basquete. Se você segurar a tinta spray a dois centímetros da bola, ela cobrirá apenas uma pequena área, mas fornecerá uma cobertura espessa de tinta naquele local, em um curto período de tempo. Se você segurar a lata a trinta centímetros de distância, provavelmente poderá cobrir quase metade da bola, mas com apenas uma leve camada de tinta. A maneira mais provável de pintar a bola com mais eficiência seria correr sobre a superfície várias vezes seguidas, alguns centímetros acima dela. Essa é precisamente a filosofia de design por trás da Internet via satélite Low Earth Orbit.

Figura 1. Quanto mais próxima a lata estiver da bola, menor será a superfície coberta. Fonte: DALL-E, OpenAI

órbitas geossíncronas

Órbitas são coisas estranhas. Você não pode simplesmente colocar um satélite em qualquer lugar do espaço e deixá-lo lá; as leis da física simplesmente não funcionam dessa maneira. Dependendo de como o satélite será usado, existem vários tipos diferentes de órbitas para escolher. Uma órbita geossíncrona é aquela em que o satélite está sempre diretamente sobre o mesmo ponto da Terra todos os dias, no mesmo horário. Por exemplo, se um satélite for geossíncrono com sua casa às 15h14, ele estará diretamente acima de sua casa todos os dias às 15h14, mas apenas por um breve segundo.

Isso é feito colocando o satélite em órbita a uma altitude de 22.236 milhas. Nesse local, o satélite completa uma órbita exatamente na mesma quantidade de tempo que a Terra completa uma rotação (um dia sideral). Se você usasse um satélite geossíncrono como este para acesso à Internet, ficaria conectado apenas alguns minutos por dia; não é uma boa experiência do usuário.

Se, no entanto, você colocar o satélite acima do equador , a 22.236 milhas, algo mágico acontece: o satélite parece permanecer fixo no céu exatamente no mesmo ponto, para sempre. Portanto, em vez de olhar diretamente para cima todos os dias à mesma hora para ver o satélite, basta apontar sua antena para um ponto ao sul e o satélite sempre estará lá. Este caso especial de uma órbita geossíncrona é chamado de órbita geoestacionária .

Esta é a órbita que os serviços tradicionais de internet têm usado. Um pequeno número de satélites (talvez apenas dois ou três) é colocado acima do equador em uma órbita de 22.236 milhas. Órbitas geoestacionárias permitem que terminais de usuário relativamente baratos sejam usados ​​porque eles não precisam “rastrear” um satélite enquanto ele passa por cima. Uma vez instalado, um terminal de usuário de satélite geoestacionário (prato) simplesmente aponta para o mesmo local no céu, 24 horas por dia, 7 dias por semana, e o satélite se move em sincronia com a órbita da Terra e o terminal do usuário. Os serviços geoestacionários comumente conhecidos incluem DirectTV, rádio XM (o original, não Sirius) e Dish Network, mas muitos outros satélites de comunicação usam essa órbita e técnica.

Essas antenas parabólicas de baixo custo sempre apontam para um satélite que está em um local fixo sobre o equador, tornando seus circuitos e software menos complexos. Uma vez que apenas alguns satélites são necessários para cobrir um continente inteiro, o custo de implantação dos satélites é relativamente baixo. Por décadas, é assim que os sistemas de comunicação de nível de consumidor funcionaram.

constelações

Existe apenas uma única órbita onde ocorre essa característica geoestacionária mágica. Qualquer outra órbita significa que os satélites estão se movendo em relação à superfície da Terra. Você não pode simplesmente colocar um satélite 500 milhas acima de uma cidade e estacioná-lo lá; as leis da física não funcionam assim. O resultado é a necessidade de uma constelação de satélites e tecnologia de rastreamento por satélite em cada terminal do usuário. Essas duas questões tornam as comunicações em órbita não geoestacionária (NGSO) muito mais caras e complexas: são necessários muito mais satélites e os terminais de usuário são muito complexos, em comparação com o serviço baseado em geoestacionário.

O diagrama abaixo mostra como seria uma constelação de 1.584 satélites. Existem 22 satélites em cada plano. São 72 planos diferentes, nos quais os satélites giram em torno da Terra em uma progressão linear. Espaçando uniformemente os planos ao redor do planeta e espaçando uniformemente os satélites em cada plano, o planeta inteiro pode ser “coberto” sem que nenhum ponto na Terra esteja a mais de algumas centenas de quilômetros de um satélite em um determinado momento. Os pólos também são cobertos pelo Starlink, usando um pequeno número de satélites em órbita polar. Esse é um caso de canto que não discutiremos, mas esteja ciente de que, virtualmente, eventualmente, todos os pontos na superfície estarão à vista de um satélite LEO.

A SpaceX colocou a maioria de seus satélites a cerca de 350 milhas acima da Terra, muito mais perto do que as 22.236 milhas de uma órbita geossíncrona. Em altitudes de órbita baixa da Terra, os satélites estão passando por cima a cerca de 16.000 milhas por hora, em relação a um ponto na superfície; circulando o planeta a cada hora e meia.

Figura 2. Exemplo de constelação LEO. Fonte: Wikipédia

Foguetes reutilizáveis ​​e tecnologias de rastreamento de baixo custo

Como um terminal de usuário rastreia um fluxo interminável de satélites passando por cima a 16.000 milhas por hora? Não é fácil. É por isso que, há décadas, os satélites geoestacionários são a solução para a internet do consumidor. Apontar para um ponto no céu do sul é muito mais fácil do que rastrear satélites enquanto eles sobrevoam. O serviço de órbita terrestre baixa exigia duas coisas que não eram possíveis até recentemente. Primeiro, um grande número de satélites é necessário para fazer uma constelação viável. Até o advento do foguete reutilizável de baixo custo, pioneiro da SpaceX, o custo de lançamento de milhares de satélites impedia um modelo de negócios viável. Em segundo lugar, o custo da tecnologia capaz de rastrear satélites era muito alto, até recentemente.

Um ótimo recurso para visualizar a constelação SpaceX Starlink ao vivo e entender as órbitas é:https://satellitemap.space

Um instantâneo desse site é mostrado abaixo. Os círculos mostram a projeção do sinal de cada satélite na Terra, que você pode imaginar como a “área de cobertura” desse satélite. Como você pode ver, a lata de tinta spray está bem próxima da superfície. Isso significa que há muita capacidade de cada satélite focado em uma pequena porção da superfície da Terra a qualquer momento. Esta é uma das razões pelas quais o serviço LEO pode ser muito mais rápido, em termos de bits por segundo, do que o serviço geoestacionário.

Figura 3. Instantâneo de um mapa de cobertura ao vivo da constelação Starlink.https://satellitemap.space

Na imagem acima, os aglomerados de círculos amarelos representam satélites lançados recentemente que ainda não se espalharam em sua posição final. Como você pode ver, eles estão em linha reta, um após o outro. Eventualmente, cada aglomerado será espaçado uniformemente ao redor da Terra, todos no mesmo ângulo de inclinação, em relação ao equador.

Como os satélites LEO estão muito mais abaixo da superfície, o tempo que leva para o sinal do usuário chegar ao satélite e retornar à Terra é bastante reduzido. Isso significa que os satélites LEO fornecem latência muito menor (o tempo que leva para os dados viajarem até o satélite e vice-versa) e podem oferecer suporte a vídeo e áudio ao vivo. Um satélite geoestacionário típico terá uma latência de 600 milissegundos ou mais, tornando o áudio ao vivo muito complicado, se não impossível. A latência do Starlink é normalmente de cerca de 50 milissegundos: doze vezes melhor que o geoestacionário.

Além disso, como existem milhares de satélites em uma constelação LEO; a capacidade total da rede é centenas, senão milhares, de vezes maior que as redes geossíncronas tradicionais. Como há mais capacidade, mais usuários podem se conectar aos satélites LEO ao mesmo tempo sem afetar uns aos outros. Isso permite que a SpaceX ofereça o serviço Starlink sem limites de dados do usuário que são comumente encontrados em serviços tradicionais de internet via satélite e celular.

Phased Array: chave para o consumidor LEO

No passado, para rastrear satélites não geoestacionários, um terminal de usuário teria motores e a antena seguiria fisicamente o satélite pelo céu. Essa ação pode ser comumente vista em filmes de ficção científica e vídeos da NASA sobre radioastronomia. Muitas décadas atrás, os militares foram os pioneiros na tecnologia de radar chamada “phased array antenas”. Usando esta técnica, uma matriz de elementos de antena pode ser usada para apontar um sinal transmitido em uma direção específica. É utilizada uma antena com um grande número de elementos de antena endereçáveis ​​individualmente. Ao variar o tempo entre a transmissão do sinal em cada elemento individual, o sistema pode direcionar o sinal transmitido sem partes móveis.

Figura 4. Uma antena Starlink montada em um telhado. Fonte: SpaceX

No entanto, o processo de cálculo dos atrasos individuais necessários para cada uma das centenas de elementos de antena é computacionalmente intensivo e até recentemente não estava disponível para os consumidores a um preço razoável. A SpaceX utilizou essa tecnologia para criar um terminal de usuário fisicamente fixo em posição e direção, mas que usa técnicas de Phased Array para rastrear os satélites à medida que eles passam por cima. A comercialização da tecnologia phased array para consumidores é um dos maiores avanços da década e significa que terminais de usuário acessíveis que não precisam girar podem ser instalados em ambientes residenciais.

Figura 5. Mapa de gateways que atendem a Carolina do Norte. Fonte:https://satellitemap.space

No diagrama acima, as localizações de Wise, NC e Mandale, NC são os dois gateways Starlink localizados na Carolina do Norte. Os residentes da Carolina do Norte provavelmente os utilizarão (assim como os gateways nos estados vizinhos) para serviços. Esses gateways têm conexões de fibra de grande capacidade para a rede de backbone Starlink e a Internet pública. A foto abaixo mostra como é um gateway típico. Este gateway possui nove antenas de gateway, bem como cinco terminais de usuário, provavelmente usados ​​para teste.

À medida que cada satélite Starlink passa por cima, ele não está apenas rastreando um ou mais gateways, mas potencialmente milhares de terminais de usuários também. Cada terminal de usuário deve rastrear vários satélites LEO enquanto planeja seu “roaming” de satélite para satélite a cada poucos minutos. Extensa computação é necessária para fazer o sistema funcionar. É notável e todas as empresas que criam serviços LEO devem ter um talento incrível em engenharia.

Figura 6. Um portal Starlink. Fonte: darkpenguin22 via Reddit r/SpaceXLounge

lasers

Como se essa tecnologia já não fosse incrível o suficiente, a SpaceX está dando um passo adiante na nova geração de seus satélites. Os novos satélites têm lasers, permitindo que transmitam dados entre si no espaço. Assim, em vez de serem apenas simples refletores, haverá uma rede no espaço, com os satélites podendo encaminhar dados entre si. Os dados ainda serão transmitidos entre um terminal de usuário e um gateway, mas pode haver mais de um satélite no caminho agora.

Isso significa que locais distantes de um gateway ainda podem ser alcançados pelo serviço: pense no oceano ou em montanhas muito remotas. Embora este tópico mereça um artigo inteiro, considere que a velocidade da luz no espaço livre é cerca de um terço mais rápida que a velocidade da luz na fibra. Isso significa que os continentes podem ser conectados por meio desses links de laser no espaço potencialmente mais rápido do que as fibras transoceânicas usadas hoje, embora com capacidade relativamente menor.

Conclusão

Espero que este artigo tenha esclarecido parte do mistério em torno da Internet via satélite de órbita baixa da Terra e por que é tão importante para a FCC promover e garantir que continue sendo uma opção viável para aqueles que estão longe da fibra.

Curiosidade: os satélites da SpaceX são totalmente descartáveis , o que significa que todas as partes do satélite queimarão na atmosfera após a reentrada. Praticamente não há risco de uma parte do satélite atingir a superfície da Terra. Este é um ponto de projeto importante quando você considera que dezenas de satélites eventualmente estarão reentrando na atmosfera a cada semana.