Descargo de responsabilidad . El artículo es una traducción complementada, revisada y actualizada de una publicación de Nathan Hurst. Parte de la información del artículo sobre nanosatelites también se utilizó en la construcción del material final.
Existe una teoría (o quizás una historia de advertencia) entre los astrónomos llamada síndrome de Kessler, llamada así por el astrofísico de la NASA que la propuso en 1978. En este escenario, un satélite en órbita u otro objeto golpea accidentalmente a otro y se rompe en pedazos. Estas partes giran alrededor de la Tierra a una velocidad de decenas de miles de kilómetros por hora, destruyendo todo a su paso, incluidos otros satélites. Lanza una reacción en cadena catastrófica que termina en una nube de millones de piezas de desechos espaciales no funcionales que giran sin cesar alrededor del planeta.
Tal evento puede hacer que el espacio cercano a la Tierra sea inútil, destruyendo cualquier satélite nuevo que se le envíe y posiblemente bloqueando el acceso al espacio en su conjunto.
Por lo tanto, cuando SpaceX
solicitó a la FCC (Comisión Federal de Comunicaciones - Estados Unidos) que enviara 4.425 satélites a órbita terrestre baja (LEO) para proporcionar Internet de alta velocidad global, la FCC estaba preocupada por esto. Durante más de un año, la compañía ha
respondido preguntas de las comisiones de los competidores y peticiones presentadas para rechazar una declaración, incluida la presentación de un "plan para reducir los desechos orbitales" para disipar los temores del apocalipsis de Kessler. El 28 de marzo, la FCC otorgó la oferta de SpaceX.
Los desechos espaciales no son la única preocupación de la FCC, y SpaceX no es la única organización que intenta construir constelaciones satelitales de próxima generación. Un puñado de empresas, tanto nuevas como antiguas, utilizan nuevas tecnologías, desarrollan nuevos planes de negocios y solicitan a la FCC el acceso a partes del espectro de comunicaciones que necesitan para llegar a la Tierra con un Internet rápido y confiable.
Los grandes nombres están involucrados, desde Richard Branson hasta Elon Musk, junto con mucho dinero. Actualmente, OneWeb de Branson ha recaudado $ 1.7 mil millones, y el presidente y director de operaciones de SpaceX, Gwinn Shotwell, ha estimado el costo del proyecto en $ 10 mil millones.
Por supuesto, hay grandes problemas, y la historia sugiere que afectan de manera bastante adversa. Los buenos intentan superar la brecha digital en regiones desatendidas, mientras que los malos intentan instalar satélites ilegales en misiles. Y todo esto se debe al hecho de que hay un rápido aumento en la demanda de entrega de datos: en 2016, el tráfico global de Internet excedió 1 sextillón de bytes, según un informe de Cisco, terminando la era de los zettabytes.
Si el objetivo es proporcionar un buen acceso a Internet donde antes no existía, entonces los satélites son una forma inteligente de lograrlo. De hecho, las empresas han estado haciendo esto durante décadas con la ayuda de grandes satélites geoestacionarios (OSG), que están en órbita muy alta, donde el período de rotación es igual a la velocidad de rotación de la Tierra, debido a que están fijos en una determinada región. Pero con la excepción de algunas tareas muy específicas, por ejemplo, tomar la superficie de la Tierra usando 175 satélites de órbita baja y transmitir 7 petabytes de datos a la Tierra a una velocidad de 200 Mbps, o la tarea de rastrear carga o proporcionar acceso a una red en bases militares, este tipo de comunicación satelital no era lo suficientemente rápido y confiable como para competir con la fibra óptica o Internet por cable de hoy.
Los no OSG incluyen satélites que operan en órbita terrestre media (órbita terrestre media, MEO) a altitudes de 1900 a 35000 km sobre la superficie de la Tierra, y satélites de órbita baja (órbita terrestre baja, LEO), cuyas órbitas se encuentran en Altitudes inferiores a 1900 km. Hoy en día, los LEO se están volviendo extremadamente populares, y en el futuro cercano se espera que si no todos los satélites son así, la mayoría están seguros.
Mientras tanto, las regulaciones para satélites no geoestacionarios han existido durante mucho tiempo y se dividen entre agencias dentro y fuera de los Estados Unidos: NASA, FCC, DOD, FAA e incluso la Unión Internacional de Telecomunicaciones de las Naciones Unidas, todo en este juego.
Sin embargo, desde un punto de vista tecnológico, hay algunas grandes ventajas. El costo de construir un satélite disminuyó a medida que los giroscopios y las baterías mejoraron debido al desarrollo de teléfonos celulares. Su lanzamiento también se hizo más barato, en parte debido al menor tamaño de los satélites. La capacidad ha aumentado, las comunicaciones entre satélites han hecho que los sistemas sean más rápidos y las placas grandes que apuntan al cielo ya están pasadas de moda.
11 empresas han aplicado a la FCC, junto con SpaceX, cada una de las cuales resuelve el problema a su manera.
Elon Musk anunció el programa SpaceX Starlink en 2015 y abrió una filial en Seattle. Le dijo al personal: "Queremos revolucionar el sistema de comunicaciones por satélite de la misma manera que la ciencia de cohetes".
En 2016, la compañía presentó una solicitud ante la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU., Que solicita permiso para lanzar 1,600 satélites (posteriormente el número se redujo a 800) desde ahora hasta 2021, y luego lanzar los satélites restantes hasta 2024. Estos satélites cercanos a la Tierra orbitarán en 83 planos orbitales diferentes. La constelación, el llamado grupo de satélites, se comunicará entre sí a través de líneas de comunicación ópticas (láser) a bordo, de modo que los datos puedan reflejarse a través del cielo y no volver al suelo, pasando a través de un largo "puente", y no enviados hacia abajo y hacia arriba.
En el campo, los clientes instalarán un nuevo tipo de terminal con antenas controladas electrónicamente que se conectarán automáticamente al satélite, que actualmente ofrece la mejor señal, similar a cómo un teléfono celular selecciona torres. A medida que los satélites LEO se mueven en relación con la Tierra, el sistema cambiará entre ellos cada 10 minutos más o menos. Y dado que miles de personas usarán el sistema, según Patricia Cooper, vicepresidenta de gestión de satélites de SpaceX, siempre habrá al menos 20 disponibles.
La terminal terrestre debería ser más barata y más fácil de instalar que las antenas satelitales tradicionales, que deberían estar orientadas físicamente a la parte del cielo donde se encuentra el satélite geoestacionario correspondiente. SpaceX dice que el terminal no será más grande que una caja de pizza (aunque no indica de qué tamaño es la pizza).
La comunicación se proporcionará en dos bandas del espectro de frecuencias: Ka y Ku. Ambos pertenecen al espectro de radio, aunque usan frecuencias mucho más altas que las usadas para estéreo. La banda Ka es la más alta de las dos, con frecuencias entre 26.5 GHz y 40 GHz, mientras que la banda Ku se encuentra entre 12 GHz y 18 GHz en el espectro. Starlink recibió permiso de la FCC para usar ciertas frecuencias, generalmente el enlace ascendente desde el terminal al satélite funcionará a frecuencias de 14 GHz a 14.5 GHz, y el enlace descendente de 10.7 GHz a 12.7 GHz, y el resto se usará para telemetría, seguimiento y control, así como para conectar satélites a Internet terrestre.
Además de las aplicaciones de la FCC, SpaceX es silencioso y aún no ha hablado sobre sus planes. Y es difícil encontrar detalles técnicos, porque SpaceX proporciona la operación de todo el sistema, desde componentes que se utilizarán en satélites hasta cohetes que los llevarán al cielo. Pero para el éxito del proyecto, esto dependerá de si se dice que el servicio puede ofrecer velocidades comparables o mejores que la fibra óptica al mismo precio, junto con confiabilidad y una buena interfaz de usuario.
En febrero, SpaceX lanzó sus dos primeros prototipos de satélites Starlink, una forma cilíndrica con paneles solares en forma de alas. Tintín A y B tienen aproximadamente un metro de longitud, y Musk confirmó a través de Twitter que se comunicaron con éxito. Si los prototipos continúan funcionando, cientos de otros se unirán a ellos en 2019. Tan pronto como el sistema se ponga en funcionamiento, SpaceX reemplazará los satélites desmantelados de forma continua para evitar la aparición de desechos espaciales, el sistema les indicará que bajen sus órbitas en un determinado momento, después de lo cual comenzarán a caerse y quemarse en la atmósfera. A continuación, en la figura, puede ver cómo se ve la red Starlink después de 6 inicios.
Un poco de historia
En los años 80, HughesNet fue un innovador en tecnología satelital. ¿Conoces las antenas grises del tamaño de un plato pequeño que DirecTV monta fuera de las casas? Provienen de HughesNet, que surgió gracias al pionero de la aviación Howard Hughes. "Inventamos tecnología que nos permite proporcionar comunicaciones interactivas por satélite", dice el vicepresidente ejecutivo Mike Cook.
En esos días, la entonces empresa Hughes Network Systems era propietaria de DirecTV y controlaba grandes satélites geoestacionarios que transmitían información a los televisores. Entonces y ahora, la compañía también ofrecía servicios a empresas, por ejemplo, procesando transacciones con tarjeta de crédito en estaciones de servicio. El primer cliente comercial fue Walmart, que quería conectar a los empleados de todo el país con una oficina en casa en Bentonville.
A mediados de los 90, la compañía creó un sistema de Internet híbrido llamado DirecPC: la computadora de un usuario envió una solicitud de conexión de acceso telefónico a un servidor web y recibió una respuesta por satélite, que envió la información solicitada a la placa de un usuario a una velocidad mucho más rápida que la que puede proporcionar la comunicación de acceso telefónico. .
Alrededor del año 2000, Hughes comenzó a ofrecer servicios de acceso bidireccional a la red. Pero mantener el costo del servicio, incluido el costo del equipo del cliente, lo suficientemente bajo como para que la gente lo compre, fue una tarea desalentadora. Para esto, la compañía decidió que necesitaba sus propios satélites y en 2007 lanzó Spaceway. Según Hughes, este satélite, utilizado hasta ahora, fue especialmente importante en el lanzamiento, ya que fue el primero en admitir la tecnología de conmutación de paquetes a bordo, de hecho, fue el primer interruptor espacial que eliminó un salto adicional en forma de una estación terrestre para la comunicación suscriptores entre ellos. Su capacidad es superior a 10 Gbit / s, 24 transpondedores de 440 Mbit / s, lo que permite a los suscriptores individuales tener hasta 2 Mbit / s para la transmisión y hasta 5 Mbit / s para la descarga. Spaceway 1 fue fabricado por Boeing sobre la base de la plataforma satelital Boeing 702. El peso de lanzamiento del dispositivo fue de 6080 kg. Actualmente, Spaceway 1 es una de las naves espaciales comerciales (SC) más pesadas: rompió el récord del satélite Inmarsat 4 F1 (5959 kg) lanzado con el lanzacohetes Atlas 5 un mes antes. Mientras que el GSO comercial más pesado, según Wikipedia, lanzado en 2018, tiene una masa de 7 toneladas. El dispositivo está equipado con un rango Ka de carga útil de relé (PN). PN incluye un conjunto controlado de antenas en fase de 2 metros que consta de 1.500 elementos. PN forma una cobertura de haces múltiples para proporcionar la transmisión de varias redes de programas de TV en diferentes regiones. Dicha antena permite un uso flexible de las capacidades de las naves espaciales en condiciones cambiantes del mercado.
Mientras tanto, una compañía llamada Viasat pasó cerca de diez años en investigación y desarrollo antes de lanzar su primer satélite en 2008. Este satélite, denominado ViaSat-1, ha incluido algunas nuevas tecnologías, como la reutilización del espectro. Esto hizo posible que el satélite eligiera entre diferentes anchos de banda, para transmitir datos a la Tierra sin interferencia, incluso si transmitía datos junto con el haz de otro satélite, podría reutilizar este rango espectral en compuestos que no son adyacentes.
Esto proporcionó mayor velocidad y rendimiento. Según el presidente de Viasat, Rick Baldridge, cuando se puso en funcionamiento, el rendimiento fue de 140 Gb / s, más que todos los demás satélites combinados que cubren los Estados Unidos.
"El mercado satelital era realmente para personas que no tenían otra opción", dice Boldridge. “Si no podía acceder de otra manera, era la tecnología de último recurso. De hecho, tenía una cobertura generalizada, pero de hecho no permitía la transferencia de muchos datos. Por lo tanto, esta tecnología se utilizó principalmente para tareas como transacciones en estaciones de servicio ".
Con los años, HughesNet (actualmente propiedad de EchoStar) y Viasat han creado más y más satélites geoestacionarios rápidos. HughesNet lanzó EchoStar XVII (120 Gb / s) en 2012, EchoStar XIX (200 Gb / s) en 2017 y planea lanzar EchoStar XXIV en 2021, que según la compañía ofrecerá a los consumidores 100 Mb / s.
ViaSat-2 se lanzó en 2017 y ahora tiene un ancho de banda de aproximadamente 260 Gb / s, y se planean tres ViaSat-3 diferentes para 2020 o 2021, cada uno de los cuales cubrirá diferentes partes del mundo. Viasat dijo que se proyecta que cada uno de estos tres sistemas ViaSat-3 tendrá un rendimiento de terabit por segundo, el doble que el de todos los demás satélites que orbitan la tierra combinados.
“Tenemos tanta capacidad en el espacio que cambia toda la dinámica de proporcionar este tráfico. No hay límite para lo que se puede proporcionar ”, dice D. K. Sachdev, un consultor de tecnología satelital y de telecomunicaciones que trabaja para LeoSat, una de las compañías que está lanzando la constelación LEO. "Hoy, todos los defectos de los satélites se están eliminando uno por uno".
Toda esta carrera de velocidades no apareció por casualidad, ya que Internet (comunicación bidireccional) comenzó a suplantar a la televisión (comunicación unidireccional) como un servicio para el que se utilizan los satélites.
"La industria satelital está en un frenesí muy antiguo, descubriendo cómo pasará de transmitir video unidireccional a datos completos", dijo Ronald van der Breggen, Director de Cumplimiento de LeoSat. "Hay muchas opiniones sobre cómo hacer esto, qué hacer, a qué mercado servir".
Queda un problema
Retraso A diferencia de la velocidad general, la latencia es la cantidad de tiempo que se tarda en enviar una solicitud desde su computadora al destino y viceversa. Supongamos que hace clic en un enlace de un sitio web, esta solicitud debe llegar al servidor y volver (que el servidor ha recibido con éxito la solicitud y le va a dar el contenido solicitado), después de lo cual se carga la página web.
El tiempo que lleva cargar un sitio depende de la velocidad de conexión. El tiempo requerido para completar la solicitud de descarga es un retraso. Por lo general, se mide en milisegundos; por lo tanto, no se nota cuando mira la web, pero juega un papel importante cuando juega juegos en línea. Sin embargo, hay hechos cuando los usuarios de la Federación de Rusia tuvieron éxito y lograron jugar algunos de los juegos en línea, incluso cuando la tasa de retraso (ping) es cercana a un segundo.
El retraso en el sistema de fibra depende de la distancia, pero generalmente unos pocos microsegundos por kilómetro, el equipo introduce la latencia principal, aunque con enlaces ópticos de longitud considerable, el retraso es más significativo debido al hecho de que la velocidad de la luz en una línea de comunicación de fibra óptica (FOCL) es solo 60% de la velocidad de la luz en el vacío, y también muy dependiente de la longitud de onda. Según Baldridge, la demora cuando envía una solicitud al satélite OSG es de aproximadamente 700 ms: la luz viaja en un vacío espacial más rápido que en una fibra, pero este tipo de satélite está muy lejos, y es por eso que tarda tanto. Además de los juegos, este problema es importante para las videoconferencias, las transacciones financieras y el mercado de valores, el control de la "Internet de las cosas" y otras aplicaciones que dependen de la velocidad de la interacción.
Pero, ¿qué tan significativo es el problema del retraso? La mayor parte del ancho de banda utilizado en todo el mundo es para video. Tan pronto como el video se inicia y se almacena correctamente, el retraso deja de jugar un papel importante y la velocidad se vuelve mucho más importante. Como era de esperar, Viasat y HughesNet tienden a minimizar la importancia de la latencia para la mayoría de las aplicaciones, aunque ambas trabajan para minimizarla en sus sistemas. HughesNet utiliza un algoritmo para priorizar el tráfico en función de lo que los usuarios prestan atención para optimizar la entrega de datos. Viasat anunció la introducción de una constelación de satélites de órbita media (MEO) para complementar su red existente, que debería reducir la latencia y expandir la cobertura, incluso en latitudes altas, donde las OSG ecuatoriales tienen un gran retraso.
"Realmente nos enfocamos en un gran volumen y un costo de capital muy, muy bajo para implementar este volumen", dice Baldridge. "¿Es el retraso tan importante como las otras funciones para el mercado que respaldamos?"
Sin embargo, hay una solución, los satélites LEO están mucho más cerca de los usuarios. Por lo tanto, compañías como SpaceX y LeoSat eligieron este camino, planeando desplegar una constelación de satélites mucho más pequeños y más cercanos, con un retraso esperado de 20 a 30 milisegundos para los usuarios.
"La compensación es que, dado que están en una órbita más baja, el sistema LEO te retrasa menos, pero tienes un sistema más complejo", dice Cook. « , , , , … , ».
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Competencia
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Kepler Communications CubeSats ( ) , , 5 10 , , , . , , 20 / 50 / , «», — 120 / 150 / . , Viasat ; United, JetBlue American, Qantas, SAS .
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Según Sachdev, la interfaz de usuario será importante para este mercado. Debes cubrir la Tierra con un sistema que sea fácil de usar, eficiente y económico. "Pero eso no es suficiente", dice Sachdev. "Necesita una cantidad suficiente de capacidades, y antes de eso debe proporcionar precios asequibles para el equipo del cliente".¿Quién es responsable de la regulación?
Dos grandes problemas que SpaceX tuvo que resolver con la FCC fueron cómo se distribuiría el espectro de las comunicaciones satelitales existentes (y futuras) y cómo evitar los desechos espaciales. La primera pregunta es la competencia de la FCC, pero la segunda parece más apropiada para la NASA o el Departamento de Defensa de los EE. UU. Ambos rastrean objetos orbitales para evitar colisiones, pero ninguno de ellos son organismos reguladores.
"De hecho, no existe una buena política coordinada con respecto a lo que debemos hacer con los desechos espaciales", dice Stanford Manchester. "En este momento, estas personas no se comunican entre sí de manera efectiva, y no existe una política coherente".
El problema es aún más complicado porque los satélites LEO pasan por muchos países. La Unión Internacional de Telecomunicaciones desempeña un papel similar al de la FCC, asignando espectros, pero para el trabajo doméstico, una empresa debe obtener el permiso de ese país. Por lo tanto, los satélites LEO deberían poder variar los rangos espectrales utilizados según el país en el que se encuentren.
"¿Realmente quieres que SpaceX tenga el monopolio de la conectividad en esta región?", Pregunta Press. "Es necesario regular sus actividades, y ¿quién tiene derecho a hacerlo?" Son supranacionales. La FCC no tiene jurisdicción en otros países ".
Sin embargo, esto no deja a la FCC impotente. A fines del año pasado, a una pequeña startup de Silicon Valley llamada Swarm Technologies se le denegó el permiso para lanzar cuatro prototipos de satélites de comunicaciones LEO, cada uno más pequeño que un libro de bolsillo. La principal objeción de la FCC era que los satélites pequeños pueden ser demasiado complicados de rastrear y, por lo tanto, impredecibles y peligrosos.
Enjambre los lanzó de todos modos. Una compañía de satélites en órbita con sede en Seattle los envió a la India, donde viajaron en un cohete que transportaba docenas de satélites más grandes, según IEEE Spectrum. La FCC descubrió esto y multó a la compañía con $ 900,000, que deben pagarse dentro de los 5 años, y ahora la solicitud de Swarm para cuatro satélites más grandes está en el limbo, la compañía trabaja en secreto. Sin embargo, hace unos días hubo noticias de que se recibió la aprobación
de 150 satélites pequeños . En general, el dinero y la capacidad de negociar - decidido. El peso de los satélites es de 310 a 450 gramos, en este momento hay 7 satélites en órbita, y la red completa se desplegará a mediados de 2020. El último informe sugiere que ya se han invertido alrededor de $ 25 millones en la compañía, lo que abre el acceso al mercado no solo para las corporaciones globales.
Para otras futuras compañías de Internet satelital y las existentes que exploren nuevos trucos, los próximos cuatro u ocho años serán cruciales: determinarán si existe una demanda de su tecnología aquí y ahora, o veremos una repetición de la historia con Teledesic e Iridium. ¿Pero qué pasará después? Marte, según Mask, su objetivo es usar Starlink para proporcionar ingresos para la exploración de Marte, así como realizar una prueba.
"Podríamos usar el mismo sistema para crear una red en Marte", dijo a su personal. "Marte también necesitará un sistema de comunicación global, y no hay líneas de fibra óptica, ni cables, ni nada".
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