เมื่อเร็ว ๆ นี้มีข่าวลือมากมายเกี่ยวกับ Starlink และอินเทอร์เน็ตผ่านดาวเทียม มีคนไม่กี่คนที่อยู่นอกอุตสาหกรรมเทคโนโลยีที่เข้าใจว่าเหตุใด Starlink และบริการอินเทอร์เน็ตผ่านดาวเทียมวงโคจรต่ำอื่นๆ จึงแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากบริการอินเทอร์เน็ตผ่านดาวเทียมก่อนหน้านี้ บทความนี้ให้ภาพรวมระดับสูงของความแตกต่าง สำหรับผู้ที่ไม่ใช่วิศวกรหรือนักวิทยาศาสตร์ด้านจรวด

ในช่วงปลายปี 2010 หลายบริษัทได้ยื่นคำร้องต่อ Federal Communications Commission (FCC) เพื่อสร้างบริการอินเทอร์เน็ตผ่านดาวเทียม Low Earth Orbit (LEO) บริษัทที่มีชื่อเสียงสามแห่งที่ติดตาม LEO ได้แก่ SpaceX, Amazon และ OneWeb ในจำนวนทั้งสามนั้น มีเพียง SpaceX ซึ่งเปิดตัวดาวเทียม LEO มากกว่า 3,000 ดวงเท่านั้นที่ให้บริการเชิงพาณิชย์ภายใต้ชื่อแบรนด์Starlink

ดาวเทียมสื่อสารสามารถใช้เป็นตัวสะท้อนแสงได้ สถานีผู้ใช้ (จานรับสัญญาณดาวเทียม) จะส่งสัญญาณไปยังดาวเทียม ซึ่งจะฉายสำเนาของสัญญาณกลับลงมายังพื้นโลกด้วยความถี่ที่แตกต่างกัน ไปยังจุดคงที่ที่เรียกว่าเกตเวย์ เกตเวย์ประกอบด้วยเสาอากาศกำลังสูงและการเชื่อมต่อไฟเบอร์ความจุสูงกับอินเทอร์เน็ตสาธารณะ เกตเวย์หลายแห่งกระจายอยู่ทั่วโลก เพื่อให้ดาวเทียมมี "การมองเห็น" ไปยังเกตเวย์อย่างน้อยหนึ่งเกตเวย์ทุกเวลาที่มีการเข้าถึงอินเทอร์เน็ตไปยังพื้นผิวด้านล่าง สำหรับเส้นทางย้อนกลับ จากอินเทอร์เน็ตสาธารณะไปยังสถานีผู้ใช้ จะใช้ความถี่ที่แตกต่างกันจากเสาอากาศเดียวกัน สัญญาณเริ่มต้นที่เกตเวย์ เด้งออกจากดาวเทียม และกลับมายังโลกที่สถานีปลายทางของผู้ใช้ สิ่งนี้เป็นจริงไม่ว่าจะใช้ดาวเทียมประเภทใด (แบบดั้งเดิมหรือ LEO)

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างวงโคจรโลกต่ำและวงโคจรที่ใช้ในบริการอินเทอร์เน็ตผ่านดาวเทียมแบบดั้งเดิมคือระยะทางจากพื้นผิวโลกถึงดาวเทียม ระยะทางดังกล่าวเป็นตัวกำหนดจำนวนดาวเทียมที่จำเป็นในการครอบคลุมดาวเคราะห์ รวมถึงความจุของระบบโดยรวม เวลาแฝง และลักษณะการทำงานอื่นๆ

ทาสีพื้นผิว

จินตนาการว่าใช้สีสเปรย์พ่นลูกบาสเก็ตบอล หากคุณถือสีสเปรย์ห่างจากลูกบอลสองนิ้ว สีสเปรย์จะครอบคลุมพื้นที่เล็กๆ เท่านั้น แต่ให้สีพ่นปกคลุมจุดนั้นอย่างหนาในระยะเวลาสั้นๆ หากคุณถือกระป๋องไว้ห่างหนึ่งฟุต คุณอาจจะครอบคลุมลูกบอลได้เกือบครึ่ง แต่ใช้สีปัดฝุ่นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น วิธีที่น่าจะเป็นไปได้ที่คุณจะระบายสีลูกบอลอย่างมีประสิทธิภาพที่สุดคือวิ่งผ่านพื้นผิวหลายๆ ครั้งติดต่อกัน โดยให้อยู่เหนือลูกบอลไม่กี่นิ้ว นั่นคือปรัชญาการออกแบบที่อยู่เบื้องหลังอินเทอร์เน็ตดาวเทียมวงโคจรต่ำ

รูปที่ 1 ยิ่งกระป๋องอยู่ใกล้ลูกบอลมากเท่าไหร่ พื้นผิวที่ปิดก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ที่มา: DALL-E, OpenAI

วงโคจรจีโอซิงโครนัส

วงโคจรเป็นสิ่งแปลก คุณไม่สามารถวางดาวเทียมไว้ที่ใดก็ได้ในอวกาศและปล่อยให้มันอยู่ที่นั่น กฎของฟิสิกส์ไม่ได้ทำงานแบบนั้น มีวงโคจรหลายประเภทให้เลือกขึ้นอยู่กับว่าจะใช้ดาวเทียมดวงใด วงโคจร แบบจีโอซิงโครนัส คือวงโคจรที่ดาวเทียมจะโคจรผ่านจุดเดิมบนพื้นโลกทุกวันในเวลาเดียวกันเสมอ ตัวอย่างเช่น หากดาวเทียมรับสัญญาณจีโอซิงโครนัสที่บ้านของคุณเวลา 15:14 น. ดาวเทียมจะอยู่เหนือบ้านของคุณโดยตรงทุกวันเวลา 15:14 น. แต่เป็นเพียงเสี้ยววินาทีเท่านั้น

สิ่งนี้ทำได้โดยการวางดาวเทียมในวงโคจรที่ระดับความสูง 22,236 ไมล์ ที่ตำแหน่งนั้น ดาวเทียมจะโคจรจนครบในระยะเวลาเดียวกับที่โลกหมุนรอบตัวเอง (หนึ่งวันตามดาวฤกษ์) หากคุณใช้ดาวเทียมจีโอซิงโครนัสแบบนี้ในการเข้าถึงอินเทอร์เน็ต คุณจะเชื่อมต่อได้เพียงไม่กี่นาทีต่อวัน ไม่ใช่ประสบการณ์การใช้งานที่ดี

อย่างไรก็ตาม หากคุณวางดาวเทียมเหนือเส้นศูนย์สูตรที่ระยะ 22,236 ไมล์ สิ่งมหัศจรรย์ก็เกิดขึ้น: ดูเหมือนว่าดาวเทียมจะยังคงตรึงอยู่บนท้องฟ้า ณ จุดเดิมตลอดไป ดังนั้น แทนที่จะมองตรงขึ้นทุกวันพร้อมๆ กันเพื่อดูดาวเทียม คุณเพียงแค่เล็งจานของคุณไปที่ตำแหน่งทางใต้ แล้วดาวเทียมก็จะอยู่ที่นั่นเสมอ กรณีพิเศษของวงโคจรจีโอซิงโครนัสนี้เรียกว่าวงโคจรจีโอสเตชั่น

นี่คือวงโคจรที่ใช้บริการอินเทอร์เน็ตแบบดั้งเดิม ดาวเทียมจำนวนน้อย (อาจเพียงสองหรือสามดวง) อยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรที่วงโคจร 22,236 ไมล์ วงโคจรค้างฟ้าทำให้สามารถใช้เทอร์มินัลผู้ใช้ที่มีราคาย่อมเยาได้ เนื่องจากไม่จำเป็นต้อง "ติดตาม" ดาวเทียมเมื่อผ่านเหนือศีรษะ เมื่อติดตั้งแล้ว เทอร์มินอลผู้ใช้ดาวเทียมแบบ geostationary (จาน) จะชี้ไปยังตำแหน่งเดียวกันบนท้องฟ้าทุกวันตลอด 24 ชั่วโมง และดาวเทียมจะเคลื่อนที่ไปพร้อมกันกับวงโคจรของโลกและเทอร์มินอลผู้ใช้ บริการ geostationary ที่รู้จักกันทั่วไป ได้แก่ DirectTV วิทยุ XM (เดิมไม่ใช่ Sirius) และ Dish Network แต่ดาวเทียมสื่อสารอื่น ๆ จำนวนมากใช้วงโคจรและเทคนิคนี้

เสาอากาศแบบจานราคาประหยัดเหล่านี้จะชี้ไปที่ดาวเทียมซึ่งอยู่ในตำแหน่งคงที่เหนือเส้นศูนย์สูตรเสมอ ทำให้วงจรและซอฟต์แวร์มีความซับซ้อนน้อยลง เนื่องจากต้องใช้ดาวเทียมเพียงไม่กี่ดวงเพื่อให้ครอบคลุมทั้งทวีป ค่าใช้จ่ายในการติดตั้งดาวเทียมจึงค่อนข้างต่ำ นี่คือวิธีการทำงานของระบบสื่อสารระดับผู้บริโภคมานานหลายทศวรรษ

กลุ่มดาว

มีเพียงวงโคจรเดียวเท่านั้นที่เกิดลักษณะพิเศษของ geostationary วงโคจรอื่นหมายความว่าดาวเทียมกำลังเคลื่อนที่เมื่อเทียบกับพื้นผิวโลก คุณไม่สามารถวางดาวเทียม 500 ไมล์เหนือเมืองและจอดไว้ที่นั่นได้ กฎของฟิสิกส์ไม่ได้ทำงานอย่างนั้น ผลลัพธ์คือความต้องการกลุ่มดาวบริวารและ เทคโนโลยี การติดตาม ดาวเทียม ในเทอร์มินัลของผู้ใช้แต่ละราย ประเด็นทั้งสองนี้ทำให้การสื่อสารแบบ non-geostationary-orbit (NGSO) มีค่าใช้จ่ายสูงและซับซ้อนขึ้นมาก จำเป็นต้องใช้ดาวเทียมจำนวนมากขึ้น และสถานีปลายทางของผู้ใช้ก็ซับซ้อนมาก เมื่อเทียบกับบริการแบบ geostationary-based

แผนภาพด้านล่างแสดงลักษณะของกลุ่มดาวบริวาร 1,584 ดวง มีดาวเทียม 22 ดวงในแต่ละระนาบ มีระนาบที่แตกต่างกัน 72 ระนาบซึ่งดาวเทียมหมุนรอบโลกในแนวเส้นตรง ด้วยการเว้นระยะห่างระนาบรอบโลกเท่าๆ กัน และระยะห่างของดาวเทียมในแต่ละระนาบให้เท่าๆ กัน ดาวเคราะห์ทั้งดวงสามารถถูก "ปกคลุม" โดยไม่มีจุดใดบนโลกอยู่ห่างจากดาวเทียมเกินสองสามร้อยไมล์ในช่วงเวลาใดก็ตาม ขั้วโลกถูกปกคลุมด้วย Starlink โดยใช้ดาวเทียมจำนวนน้อยในวงโคจรขั้วโลก นั่นเป็นกรณีหักมุมที่เราจะไม่พูดถึง แต่โปรดทราบว่าในที่สุดแล้ว ทุกจุดบนพื้นผิวจะอยู่ในมุมมองของดาวเทียม LEO

SpaceX ได้วางดาวเทียมส่วนใหญ่ไว้ที่ระดับความสูงประมาณ 350 ไมล์เหนือพื้นโลก ซึ่งอยู่ใกล้วงโคจรแบบจีโอซิงโครนัสมากกว่า 22,236 ไมล์ ที่ระดับความสูงวงโคจรต่ำของโลก ดาวเทียมจะเคลื่อนผ่านเหนือศีรษะด้วยความเร็วประมาณ 16,000 ไมล์ต่อชั่วโมง เมื่อเทียบกับจุดหนึ่งบนพื้นผิว โคจรรอบโลกทุก ๆ ชั่วโมงครึ่ง

รูปที่ 2 ตัวอย่างกลุ่มดาว LEO ที่มา: วิกิพีเดีย

จรวดที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้และเทคโนโลยีการติดตามต้นทุนต่ำ

เทอร์มินัลผู้ใช้ติดตามกระแสของดาวเทียมที่ไม่สิ้นสุดที่ความเร็ว 16,000 ไมล์ต่อชั่วโมงได้อย่างไร มันไม่ง่ายเลย. นั่นคือเหตุผลที่ดาวเทียมค้างฟ้าเป็นทางออกสำหรับอินเทอร์เน็ตของผู้บริโภคมานานหลายทศวรรษ การชี้ไปที่จุดหนึ่งในท้องฟ้าทางตอนใต้นั้นง่ายกว่าการติดตามดาวเทียมในขณะที่บินอยู่เหนือศีรษะมาก บริการวงโคจรต่ำของโลกต้องการสองสิ่งที่ไม่สามารถทำได้จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ ประการแรก ต้องใช้ดาวเทียมจำนวนมากเพื่อสร้างกลุ่มดาวที่ทำงานได้ จนกระทั่งการกำเนิดของจรวดต้นทุนต่ำที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ซึ่งบุกเบิกโดย SpaceX ค่าใช้จ่ายในการปล่อยดาวเทียมหลายพันดวงทำให้ไม่สามารถสร้างโมเดลธุรกิจที่ทำงานได้ ประการที่สอง ต้นทุนของเทคโนโลยีที่สามารถติดตามดาวเทียมได้นั้นสูงมากจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้

ทรัพยากรที่ดีในการมองเห็นกลุ่มดาว SpaceX Starlink แบบสดและเข้าใจวงโคจรคือ:https://satellitemap.space

ภาพรวมของไซต์นั้นแสดงอยู่ด้านล่าง วงกลมแสดงการฉายสัญญาณจากดาวเทียมแต่ละดวงมายังโลก ซึ่งคุณอาจคิดว่าเป็น "พื้นที่ครอบคลุม" ของดาวเทียมดวงนั้น อย่างที่คุณเห็น กระป๋องสเปรย์อยู่ใกล้พื้นผิวพอสมควร ซึ่งหมายความว่ามีความจุจำนวนมากจากดาวเทียมแต่ละดวงที่มุ่งความสนใจไปที่ส่วนเล็กๆ ของพื้นผิวโลก ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้บริการ LEO เร็วกว่าบริการ geostationary ในแง่ของบิตต่อวินาที

รูปที่ 3 ภาพรวมของแผนที่การแพร่ภาพสดของกลุ่มดาว Starlinkhttps://satellitemap.space

ในภาพด้านบน ก้อนวงกลมสีเหลืองหมายถึงดาวเทียมที่เพิ่งเปิดตัวซึ่งยังไม่กระจายออกไปยังตำแหน่งสุดท้าย อย่างที่คุณเห็นพวกมันอยู่ในแนวเส้นตรงต่อกัน ในที่สุด แต่ละกอจะมีระยะห่างเท่าๆ กันรอบโลก ทั้งหมดอยู่ในมุมเอียงเดียวกัน เมื่อเทียบกับเส้นศูนย์สูตร

เนื่องจากดาวเทียม LEO อยู่ต่ำกว่าพื้นผิวมาก เวลาที่ผู้ใช้ส่งสัญญาณไปถึงดาวเทียมและกลับสู่พื้นโลกจึงลดลงอย่างมาก ซึ่งหมายความว่าดาวเทียม LEO ให้เวลาแฝงที่ต่ำกว่ามาก (เวลาที่ข้อมูลใช้ในการเดินทางไปยังดาวเทียมและย้อนกลับ) และสามารถรองรับวิดีโอและเสียงสดได้ ดาวเทียมค้างฟ้าโดยทั่วไปจะมีเวลาแฝงที่ 600 มิลลิวินาทีขึ้นไป ทำให้การแสดงเสียงสดเป็นเรื่องยุ่งยากหากไม่สามารถทำได้ โดยทั่วไปเวลาแฝงของ Starlink จะอยู่ที่ประมาณ 50 มิลลิวินาที: ดีกว่า geostationary ถึงสิบสองเท่า

นอกจากนี้ เนื่องจากมีดาวเทียมหลายพันดวงในกลุ่มดาว LEO; ความจุของเครือข่ายทั้งหมดนั้นมากกว่าเครือข่าย geosynchronous แบบดั้งเดิมหลายร้อยเท่าหากไม่นับพันเท่า เนื่องจากมีความจุมากขึ้น ผู้ใช้จำนวนมากขึ้นจึงสามารถเชื่อมต่อกับดาวเทียม LEO ได้ในเวลาเดียวกันโดยไม่กระทบกัน ซึ่งช่วยให้ SpaceX สามารถให้บริการ Starlink ได้โดยไม่ต้องจำกัดข้อมูลผู้ใช้ซึ่งพบได้ทั่วไปในบริการอินเทอร์เน็ตผ่านดาวเทียมและเซลลูลาร์แบบดั้งเดิม

Phased Array: กุญแจสู่ผู้บริโภค LEO

ในอดีต เพื่อติดตามดาวเทียมที่ไม่อยู่ในวงโคจร สถานีผู้ใช้จะมีมอเตอร์และจานจะติดตามดาวเทียมผ่านท้องฟ้า การกระทำนี้มักจะเห็นได้ในภาพยนตร์นิยายวิทยาศาสตร์และวิดีโอของ NASA เกี่ยวกับดาราศาสตร์วิทยุ หลายทศวรรษที่ผ่านมา กองทัพได้บุกเบิกเทคโนโลยีสำหรับเรดาร์ที่เรียกว่า การใช้เทคนิคนี้ อาจใช้อาร์เรย์ขององค์ประกอบเสาอากาศเพื่อชี้สัญญาณที่ส่งไปยังทิศทางเฉพาะ มีการใช้เสาอากาศที่มีองค์ประกอบเสาอากาศที่สามารถระบุตำแหน่งได้จำนวนมาก ด้วยการเปลี่ยนเวลาระหว่างสัญญาณที่ส่งในแต่ละองค์ประกอบ ระบบสามารถกำหนดทิศทางสัญญาณที่ส่งโดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

รูปที่ 4 จาน Starlink ติดตั้งบนหลังคา ที่มา: SpaceX

อย่างไรก็ตาม กระบวนการคำนวณความล่าช้าแต่ละรายการที่จำเป็นสำหรับองค์ประกอบเสาอากาศแต่ละชิ้นนั้นต้องใช้การคำนวณอย่างมาก และจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ผู้บริโภคไม่สามารถหาซื้อได้ในราคาที่สมเหตุสมผล SpaceX ใช้เทคโนโลยีนี้เพื่อสร้างเทอร์มินัลผู้ใช้ที่ถูกกำหนดตำแหน่งและทิศทางทางกายภาพ แต่ใช้เทคนิคอาร์เรย์แบบแบ่งขั้นตอนเพื่อติดตามดาวเทียมเมื่อผ่านเหนือศีรษะ การนำเทคโนโลยี Phased Array ไปใช้ในเชิงพาณิชย์สำหรับผู้บริโภคถือเป็นหนึ่งในความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่ที่สุดแห่งทศวรรษ และหมายความว่าเทอร์มินัลผู้ใช้ราคาไม่แพงที่ไม่จำเป็นต้องหมุนเวียนก็สามารถติดตั้งได้ในสภาพแวดล้อมที่อยู่อาศัย

รูปที่ 5 แผนที่ของเกตเวย์ที่ให้บริการ North Carolina แหล่งที่มา:https://satellitemap.space

ในแผนภาพด้านบน ตำแหน่งของ Wise, NC และ Mandale, NC คือเกตเวย์ Starlink สองแห่งที่ตั้งอยู่ใน North Carolina ผู้อยู่อาศัยใน North Carolina มักจะใช้สิ่งเหล่านี้ (รวมถึงเกตเวย์ในรัฐที่มีพรมแดนติด) เพื่อรับบริการ เกตเวย์เหล่านี้มีการเชื่อมต่อไฟเบอร์ความจุขนาดใหญ่มากกับเครือข่ายหลัก Starlink และอินเทอร์เน็ตสาธารณะ ภาพด้านล่างแสดงลักษณะของเกตเวย์ทั่วไป เกตเวย์นี้มีเสาอากาศเกตเวย์เก้าเสา รวมถึงเทอร์มินัลผู้ใช้ห้าเครื่อง ซึ่งน่าจะใช้สำหรับการทดสอบ

เมื่อดาวเทียม Starlink แต่ละดวงเคลื่อนผ่านเหนือศีรษะ ไม่เพียงแต่การติดตามหนึ่งเกตเวย์หรือมากกว่านั้นเท่านั้น แต่ยังรวมถึงปลายทางของผู้ใช้นับพันอีกด้วย สถานีผู้ใช้ทุกแห่งต้องติดตามดาวเทียม LEO หลายดวงในขณะที่วางแผน "โรมมิ่ง" จากดาวเทียมไปยังดาวเทียมทุกสองสามนาที จำเป็นต้องมีการคำนวณอย่างกว้างขวางเพื่อให้ระบบทำงานได้ มันค่อนข้างน่าทึ่งและทุกบริษัทที่สร้างบริการ LEO จะต้องมีพรสวรรค์ด้านวิศวกรรมที่น่าทึ่ง

รูปที่ 6 เกตเวย์ Starlink ที่มา: darkpenguin22 ผ่าน Reddit r/SpaceXLounge

เลเซอร์

ราวกับว่าเทคโนโลยีนี้ยังไม่น่าทึ่งพอ SpaceX กำลังก้าวไปอีกขั้นในดาวเทียมรุ่นใหม่ ดาวเทียมดวงใหม่มีเลเซอร์ที่ช่วยให้สามารถส่งสัญญาณข้อมูลระหว่างกันในอวกาศได้ ดังนั้นแทนที่จะเป็นแค่แผ่นสะท้อนแสงธรรมดา จะมีเครือข่ายในอวกาศ โดยดาวเทียมสามารถกำหนดเส้นทางข้อมูลระหว่างกันได้ ข้อมูลจะยังคงส่งผ่านระหว่างเทอร์มินัลผู้ใช้และเกตเวย์ แต่ขณะนี้อาจมีดาวเทียมมากกว่าหนึ่งดวงในเส้นทาง

ซึ่งหมายความว่าสถานที่ห่างไกลจากเกตเวย์ยังคงสามารถเข้าถึงได้โดยบริการ: ลองนึกถึงมหาสมุทรหรือภูเขาที่ห่างไกล แม้ว่าหัวข้อนี้จะคู่ควรกับบทความทั้งเล่ม แต่ให้พิจารณาว่าความเร็วของแสงในพื้นที่ว่างนั้นเร็วกว่าความเร็วของแสงในไฟเบอร์ประมาณหนึ่งในสาม ซึ่งหมายความว่าสามารถเชื่อมต่อทวีปต่าง ๆ ผ่านเลเซอร์ลิงก์เหล่านี้ในอวกาศได้เร็วกว่าเส้นใยข้ามมหาสมุทรที่ใช้กันในปัจจุบัน แม้ว่าจะมีความจุค่อนข้างต่ำก็ตาม

บทสรุป

ฉันหวังว่าบทความนี้จะไขความลึกลับบางอย่างเกี่ยวกับอินเทอร์เน็ตดาวเทียมวงโคจรต่ำ และเหตุใดจึงมีความสำคัญสำหรับ FCC ในการส่งเสริมและตรวจสอบให้แน่ใจว่ายังคงเป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้สำหรับผู้ที่อยู่ห่างไกลจากใยแก้วนำแสง

เรื่องน่ารู้ :ดาวเทียม SpaceX นั้นสามารถแยกส่วนได้อย่างสมบูรณ์ซึ่งหมายความว่าทุกส่วนของดาวเทียมจะถูกเผาไหม้ในชั้นบรรยากาศเมื่อกลับเข้ามาใหม่ แทบไม่มีความเสี่ยงที่ส่วนหนึ่งของดาวเทียมจะกระทบพื้นผิวโลก นี่เป็นจุดสำคัญในการออกแบบเมื่อคุณพิจารณาว่าในที่สุดแล้วดาวเทียมหลายสิบดวงจะกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศในแต่ละสัปดาห์