Isenção de responsabilidade . O artigo é uma tradução suplementada, revisada e atualizada de uma publicação de Nathan Hurst. Algumas informações do artigo sobre nanossatélites também foram utilizadas na construção do material final.
Existe uma teoria (ou talvez uma história de aviso) entre os astrônomos chamada síndrome de Kessler, em homenagem ao astrofísico da NASA que a propôs em 1978. Nesse cenário, um satélite em órbita ou outro objeto atinge acidentalmente outro e se parte em pedaços. Essas partes giram em torno da Terra a uma velocidade de dezenas de milhares de quilômetros por hora, destruindo tudo em seu caminho, incluindo outros satélites. Ele lança uma reação em cadeia catastrófica que termina em uma nuvem de milhões de pedaços de detritos espaciais não funcionais que giram infinitamente ao redor do planeta.
Tal evento pode tornar o espaço próximo à Terra inútil, destruindo quaisquer novos satélites enviados a ele e possivelmente bloqueando o acesso ao espaço como um todo.
Portanto, quando a SpaceX
solicitou à FCC (Comissão Federal de Comunicações - Estados Unidos) o envio de 4.425 satélites para baixa órbita terrestre (LEO) para fornecer a Internet global de alta velocidade, a FCC estava preocupada com isso. Por mais de um ano, a empresa
respondeu a perguntas das comissões e petições dos concorrentes arquivadas para recusar uma declaração, incluindo a apresentação de um "plano para reduzir detritos orbitais" para dissipar os temores do apocalipse de Kessler. Em 28 de março, a FCC concedeu a oferta da SpaceX.
Detritos espaciais não são a única preocupação da FCC, e a SpaceX não é a única organização que tenta construir constelações de satélites da próxima geração. Um punhado de empresas, novas e antigas, usa novas tecnologias, desenvolve novos planos de negócios e solicita à FCC o acesso a partes do espectro de comunicações necessárias para alcançar a Terra com uma Internet rápida e confiável.
Grandes nomes estão envolvidos - de Richard Branson a Elon Musk - junto com muito dinheiro. Atualmente, o OneWeb da Branson levantou US $ 1,7 bilhão e o presidente e diretor de operações da SpaceX, Gwinn Shotwell, estimou o projeto em US $ 10 bilhões.
É claro que existem grandes problemas, e a história sugere que eles afetam bastante adversamente. Mocinhos tentam superar o fosso digital em regiões carentes, enquanto bandidos tentam instalar satélites ilegais em mísseis. E tudo isso se deve ao fato de haver um rápido aumento na demanda por entrega de dados: em 2016, o tráfego global da Internet excedeu 1 sextilhão de bytes, de acordo com um relatório da Cisco, encerrando a era dos zettabytes.
Se o objetivo é fornecer um bom acesso à Internet onde antes não existia, os satélites são uma maneira inteligente de conseguir isso. De fato, as empresas fazem isso há décadas com a ajuda de grandes satélites geoestacionários (GSOs), que estão em órbita muito alta, onde o período de rotação é igual à velocidade de rotação da Terra, devido à qual eles são fixados em uma determinada região. Mas, com exceção de algumas tarefas de foco estreito, por exemplo, levar a superfície da Terra usando 175 satélites de baixa órbita e transmitir 7 petabytes de dados para a Terra a uma velocidade de 200 Mbps, ou a tarefa de rastrear carga ou fornecer acesso a uma rede em bases militares, esse tipo de comunicação via satélite não era rápido e confiável o suficiente para competir com a Internet de fibra óptica ou cabo de hoje.
Os não-GSOs incluem satélites que operam em órbita terrestre (MEO) em altitudes de 1900 a 35000 km acima da superfície da Terra, e satélites de baixa órbita (órbita baixa da terra, LEO), cujas órbitas estão localizadas em altitudes inferiores a 1900 km. Hoje, os LEOs estão se tornando extremamente populares e, em um futuro próximo, espera-se que, se nem todos os satélites forem assim, a maioria esteja certa.
Enquanto isso, as regulamentações para satélites não geoestacionários existem há muito e estão divididas entre agências dentro e fora dos Estados Unidos: NASA, FCC, DOD, FAA e até a União Internacional de Telecomunicações das Nações Unidas - tudo neste jogo.
No entanto, do ponto de vista tecnológico, existem algumas grandes vantagens. O custo de construção de um satélite caiu à medida que os giroscópios e as baterias melhoravam devido ao desenvolvimento de telefones celulares. Seu lançamento também ficou mais barato, em parte devido ao tamanho menor dos próprios satélites. A capacidade aumentou, as comunicações entre satélites tornaram os sistemas mais rápidos e as placas grandes apontando para o céu já estão fora de moda.
11 empresas se inscreveram na FCC, juntamente com a SpaceX, cada uma das quais resolve o problema à sua maneira.
Elon Musk anunciou o programa SpaceX Starlink em 2015 e abriu uma filial em Seattle. Ele disse à equipe: "Queremos revolucionar o sistema de comunicações via satélite da mesma maneira que a ciência dos foguetes".
Em 2016, a empresa apresentou uma solicitação à Comissão Federal de Comunicações dos EUA, que solicita permissão para lançar 1.600 (posteriormente, o número foi reduzido para 800) satélites a partir de agora até 2021 e, em seguida, para lançar os satélites restantes até 2024. Esses satélites próximos à Terra orbitarão em 83 planos orbitais diferentes. A constelação, o chamado grupo de satélites, se comunicará através de linhas de comunicação óptica (laser) de bordo, para que os dados possam ser refletidos no céu e não retornados ao solo - passando por uma longa "ponte" e não sendo enviados para cima e para baixo.
Em campo, os clientes instalarão um novo tipo de terminal com antenas controladas eletronicamente que se conectarão automaticamente ao satélite, que atualmente oferece o melhor sinal - semelhante à maneira como um telefone celular seleciona torres. À medida que os satélites LEO se movem em relação à Terra, o sistema alterna entre eles a cada 10 minutos. E como milhares de pessoas usarão o sistema, de acordo com Patricia Cooper, vice-presidente de gerenciamento de satélites da SpaceX, sempre haverá pelo menos 20 disponíveis.
O terminal terrestre deve ser mais barato e fácil de instalar do que as antenas parabólicas tradicionais, que devem estar fisicamente orientadas para a parte do céu onde o satélite geoestacionário correspondente está localizado. A SpaceX diz que o terminal não será maior que uma caixa de pizza (embora não indique o tamanho da pizza).
A comunicação será fornecida em duas bandas do espectro de frequências: Ka e Ku. Ambos pertencem ao espectro de rádio, embora usem frequências muito mais altas do que aquelas usadas para estéreo. A banda Ka é a mais alta das duas, com frequências entre 26,5 GHz e 40 GHz, enquanto a banda Ku está localizada de 12 GHz a 18 GHz no espectro. A Starlink recebeu permissão da FCC para usar determinadas frequências, geralmente o uplink do terminal para o satélite funcionará em frequências de 14 GHz a 14,5 GHz e o downlink de 10,7 GHz a 12,7 GHz, e o restante será usado para telemetria, rastreamento e controle, bem como para conectar satélites à Internet terrestre.
Além dos aplicativos da FCC, a SpaceX é silenciosa e ainda não falou sobre seus planos. E é difícil descobrir detalhes técnicos, porque a SpaceX fornece toda a operação do sistema, desde componentes que serão usados em satélites até foguetes que os levarão ao céu. Mas, para o sucesso do projeto, isso dependerá do fato de o serviço oferecer velocidades comparáveis ou melhores que a fibra óptica pelo mesmo preço, juntamente com a confiabilidade e uma boa interface do usuário.
Em fevereiro, a SpaceX lançou seus dois primeiros protótipos de satélites Starlink, uma forma cilíndrica com painéis solares em forma de asas. Tintin A e B têm cerca de um metro de comprimento, e Musk confirmou via Twitter que eles se comunicaram com sucesso. Se os protótipos continuarem funcionando, centenas de outros se juntarão a eles até 2019. Assim que o sistema for colocado em operação, o SpaceX substituirá os satélites desativados continuamente para evitar o aparecimento de detritos espaciais, o sistema os instruirá a baixar suas órbitas em um determinado momento, após o que começarão a cair e queimar na atmosfera. Abaixo na figura, você pode ver como a rede Starlink se parece após o início de 6.
Um pouco de história
Nos anos 80, a HughesNet era inovadora em tecnologia de satélite. Você conhece as antenas cinza do tamanho de um prato pequeno que o DirecTV monta fora das casas? Eles vêm da HughesNet, que surgiu graças ao pioneiro da aviação Howard Hughes. "Nós inventamos a tecnologia que nos permite fornecer comunicações interativas via satélite", diz o vice-presidente executivo Mike Cook.
Naqueles dias, a então Hughes Network Systems possuía a DirecTV e controlava grandes satélites geoestacionários que transmitiam informações para as televisões. Na época, a empresa também oferecia serviços às empresas, por exemplo, processando transações com cartão de crédito em postos de gasolina. O primeiro cliente comercial foi o Walmart, que queria conectar funcionários em todo o país a um escritório em Bentonville.
Em meados dos anos 90, a empresa criou um sistema híbrido de Internet chamado DirecPC: o computador de um usuário enviou uma solicitação de conexão discada a um servidor da Web e recebeu uma resposta via satélite, que enviou as informações solicitadas para a placa do usuário a uma velocidade muito mais rápida do que a comunicação discada poderia fornecer. .
Por volta do ano 2000, a Hughes começou a oferecer serviços de acesso à rede bidirecional. Mas manter o custo do serviço, incluindo o custo do equipamento do cliente, baixo o suficiente para as pessoas comprarem, era uma tarefa assustadora. Para isso, a empresa decidiu que precisava de seus próprios satélites e, em 2007, lançou o Spaceway. De acordo com Hughes, esse satélite, usado até o momento, foi especialmente importante no lançamento, pois foi o primeiro a suportar a tecnologia de comutação de pacotes a bordo; na verdade, foi o primeiro comutador espacial a remover um salto adicional na forma de uma estação terrestre de comunicação assinantes entre si. Sua capacidade é superior a 10 Gbit / s, 24 transponders de 440 Mbit / s cada, permitindo que assinantes individuais tenham até 2 Mbit / s para transmissão e até 5 Mbit / s para download. O espaço 1 foi fabricado pela Boeing com base na plataforma de satélite Boeing 702. O peso de lançamento do dispositivo era de 6080 kg. Atualmente, a Spaceway 1 é uma das naves espaciais comerciais mais pesadas (SC) - quebrou o recorde do satélite Inmarsat 4 F1 (5959 kg) lançado com o lançador de foguetes Atlas 5 um mês antes. Enquanto o GSO comercial mais pesado, de acordo com a Wikipedia, lançado em 2018, tem uma massa de 7 toneladas. O dispositivo está equipado com uma faixa Ka de carga útil de relé (PN). O PN inclui um conjunto de antenas em fase controlada de 2 metros, composto por 1.500 elementos. A PN forma uma cobertura de feixe múltiplo para fornecer a transmissão de várias redes de programas de TV em diferentes regiões. Essa antena permite o uso flexível dos recursos das naves espaciais nas mudanças nas condições do mercado.
Enquanto isso, uma empresa chamada Viasat passou cerca de dez anos em pesquisa e desenvolvimento antes de lançar seu primeiro satélite em 2008. Este satélite, apelidado de ViaSat-1, incluiu algumas novas tecnologias, como a reutilização do espectro. Isso possibilitou ao satélite escolher entre diferentes larguras de banda, a fim de transmitir dados para a Terra sem interferência, mesmo que transmitisse dados junto com o feixe de outro satélite, poderia reutilizar essa faixa espectral em compostos que não são adjacentes.
Isso proporcionou maior velocidade e desempenho. De acordo com o presidente da Viasat, Rick Baldridge, quando foi colocado em operação, o rendimento era de 140 Gb / s - mais do que todos os outros satélites combinados cobrindo os Estados Unidos.
"O mercado de satélites era realmente para pessoas que não tinham escolha", diz Boldridge. “Se você não podia acessar de outra maneira, era a tecnologia de último recurso. De fato, tinha ampla cobertura, mas na verdade não permitia a transferência de muitos dados. Portanto, essa tecnologia foi usada principalmente para tarefas como transações em postos de gasolina. ”
Ao longo dos anos, a HughesNet (atualmente de propriedade da EchoStar) e a Viasat criaram satélites geoestacionários cada vez mais rápidos. A HughesNet lançou o EchoStar XVII (120 Gb / s) em 2012, o EchoStar XIX (200 Gb / s) em 2017 e planeja lançar o EchoStar XXIV em 2021, que a empresa diz que oferecerá aos consumidores 100 Mb / s.
O ViaSat-2 foi lançado em 2017 e agora tem uma largura de banda de cerca de 260 Gb / s, e três diferentes ViaSat-3 estão planejados para 2020 ou 2021, cada um dos quais cobrindo diferentes partes do globo. Viasat disse que cada um desses três sistemas ViaSat-3 é projetado para ter uma taxa de transferência de terabit por segundo, o dobro de todos os outros satélites que orbitam a Terra juntos.
“Temos tanta capacidade no espaço que muda toda a dinâmica de fornecer esse tráfego. Não há limite para o que pode ser fornecido ”, diz D. K. Sachdev, consultor de tecnologia de satélite e telecomunicações que trabalha para a LeoSat, uma das empresas que lança a constelação LEO. "Hoje, todas as falhas dos satélites estão sendo eliminadas uma a uma."
Toda essa corrida de velocidades não apareceu por acaso, desde que a Internet (comunicação bidirecional) começou a suplantar a televisão (comunicação unidirecional) como um serviço para o qual os satélites são usados.
"O setor de satélites está em um frenesi muito antigo, descobrindo como será a transmissão de vídeo unidirecional para dados completos", diz Ronald van der Breggen, diretor de conformidade da LeoSat. "Há muitas opiniões sobre como fazer isso, o que fazer e em qual mercado atender."
Um problema permanece
Atraso Diferentemente da velocidade geral, latência é o tempo necessário para enviar uma solicitação do seu computador para o destino e vice-versa. Suponha que você clique em um link em um site, essa solicitação deve chegar ao servidor e voltar (que o servidor tenha recebido a solicitação com sucesso e fornecerá o conteúdo solicitado), após o qual a página da web será carregada.
Quanto tempo leva para carregar um site depende da velocidade da conexão. O tempo necessário para concluir a solicitação de download é um atraso. Geralmente é medido em milissegundos - portanto, não é perceptível quando você assiste à web, mas desempenha um papel importante quando você joga jogos online. No entanto, existem fatos em que usuários da Federação Russa conseguiram e conseguiram jogar alguns dos jogos on-line, mesmo quando a taxa de atraso (ping) está próxima de um segundo.
O atraso no sistema de fibra depende da distância, mas geralmente alguns microssegundos por quilômetro, a latência principal é introduzida pelo equipamento, embora com links ópticos de comprimento considerável o atraso seja mais significativo devido ao fato de que a velocidade da luz em uma linha de comunicação de fibra óptica (FOCL) é apenas 60% da velocidade da luz no vácuo e também muito dependente do comprimento de onda. De acordo com Baldridge, o atraso ao enviar uma solicitação ao satélite GSO é de cerca de 700 ms - a luz viaja no vácuo espacial mais rapidamente do que em uma fibra, mas esse tipo de satélite está longe, e é por isso que demora tanto. Além dos jogos, esse problema é significativo para videoconferência, transações financeiras e mercado de ações, controle da “Internet das coisas” e outros aplicativos que dependem da velocidade da interação.
Mas quão significativo é o problema do atraso? A maior parte da largura de banda usada no mundo é para vídeo. Assim que o vídeo é iniciado e armazenado em buffer adequadamente, o atraso deixa de desempenhar um grande papel e a velocidade se torna muito mais importante. Sem surpresa, o Viasat e o HughesNet tendem a minimizar a importância da latência para a maioria dos aplicativos, embora ambos trabalhem para minimizá-la em seus sistemas. A HughesNet usa um algoritmo para priorizar o tráfego com base no que os usuários prestam atenção para otimizar a entrega de dados. A Viasat anunciou a introdução de uma constelação de satélite de órbita média (MEO) para complementar sua rede existente, o que deve reduzir a latência e expandir a cobertura, inclusive em altas latitudes, onde os GSOs equatoriais têm um grande atraso.
"Realmente focamos em um grande volume e em um custo de capital muito, muito baixo para implantar esse volume", diz Baldridge. "O atraso é tão importante quanto as outras funções para o mercado que apoiamos?"
No entanto, existe uma solução, os satélites LEO estão muito mais próximos dos usuários. Assim, empresas como SpaceX e LeoSat escolheram esse caminho, planejando implantar uma constelação de satélites muito menores e mais próximos, com um atraso esperado de 20 a 30 milissegundos para os usuários.
“A desvantagem é que, como eles estão em uma órbita mais baixa, você recebe menos atraso do sistema LEO, mas possui um sistema mais complexo”, diz Cook. « , , , , … , ».
. 90- Teledesic , . 840 ( 288) LEO. 1994 FCC Ka-. ?
Teledesic 9 , 2003 .
« - , , », —
, , LEO , Teledesic . « ».
, LEO . . Teledesic, . 90- Iridium, Globalstar Orbcomm 100 .
« , , , », — , . « , , , , , ».
. , , , . SpaceX Iridium .
« , — . « ».
Concorrência
SpaceX 11 ( ) . OneWeb , , , 2021 2023 1000 / 2025 . O3b, SAS, 16 MEO, . Telesat GSO, LEO 2021 , 30 50 .
Upstart Astranis , . , , - .
LeoSat 2019 , «» 2022 . 1400 , -. , , LeoSat, FCC.
, , . «»: , . , , .
« — Cisco », — . «, , — … ».
LeoSat 78 , 1200 . Iridium, ( ) . , . V . LEO , , .
, , -, . , , , . , , , , , , . ? ? () , , . , . , , , LEO, , . , 112 , 186, .
, , . — .
, , . , . , , . : , , , , , -.
« , . , - LEO, GEO», — HughesNet. « , , , GEO . , , …, LEO — ».
, HughesNet OneWeb , .
, , , LeoSat , SpaceX, 10 . , , LeoSat . O3b , Royal Caribbean, , .
Kepler Communications CubeSats ( ) , , 5 10 , , , . , , 20 / 50 / , «», — 120 / 150 / . , Viasat ; United, JetBlue American, Qantas, SAS .
, , « » , , , ? . LEO ( ) , , , . , — .
« , , , », — . « , , , , , , ( )».
. , , , . SpaceX OneWeb, , -.
, . , , . « », — . « , — ».
?
Dois grandes problemas que a SpaceX teve que resolver com a FCC eram como o espectro das comunicações via satélite existentes (e futuras) seria distribuído e como evitar detritos espaciais. A primeira pergunta é a competência da FCC, mas a segunda parece mais apropriada para a NASA ou o Departamento de Defesa dos EUA. Ambos rastreiam objetos orbitais para evitar colisões, mas nenhum deles é um órgão regulador.
"Realmente não existe uma boa política coordenada sobre o que devemos fazer com os detritos espaciais", diz Stanford Manchester. "No momento, essas pessoas não estão se comunicando efetivamente e não há uma política consistente".
O problema é ainda mais complicado porque os satélites LEO passam por muitos países. A União Internacional de Telecomunicações desempenha um papel semelhante ao da FCC, atribuindo espectros, mas para o trabalho doméstico, uma empresa deve obter permissão desse país. Portanto, os satélites LEO devem poder variar os intervalos espectrais usados, dependendo do país em que estão localizados.
“Você realmente quer que a SpaceX tenha o monopólio da conectividade nesta região?”, Pergunta a imprensa. "É necessário regular suas atividades, e quem tem o direito de fazê-lo?" Eles são supranacionais. A FCC não tem jurisdição em outros países. ”
No entanto, isso não torna a FCC impotente. No final do ano passado, uma pequena startup do Vale do Silício chamada Swarm Technologies teve permissão para lançar quatro protótipos de satélites de comunicação LEO, cada um menor que um livro de bolso. A principal objeção da FCC era que pequenos satélites podem ser muito complicados de rastrear e, portanto, imprevisíveis e perigosos.
Enxame os lançou de qualquer maneira. Uma empresa de órbita de satélites de Seattle os enviou para a Índia, onde foram lançados em um foguete carregando dezenas de satélites maiores, segundo o IEEE Spectrum. A FCC descobriu isso e multou a empresa em US $ 900.000, que deve ser paga dentro de 5 anos. Agora, o pedido de Swarm para quatro satélites maiores está no limbo, a empresa trabalha secretamente. No entanto, alguns dias atrás, havia notícias de que a aprovação foi recebida
para 150 pequenos satélites . Em geral, o dinheiro e a capacidade de negociar - decididos. O peso dos satélites é de 310 a 450 gramas, no momento existem 7 satélites em órbita e a rede completa será implantada em meados de 2020. O último relatório sugere que cerca de US $ 25 milhões já foram investidos na empresa, o que abre o acesso ao mercado, não apenas para empresas globais.
Para outras futuras empresas de Internet via satélite e as já existentes explorando novos truques, os próximos quatro a oito anos serão cruciais - eles determinarão se há uma demanda por sua tecnologia aqui e agora, ou veremos uma repetição da história com a Teledesic e a Iridium. Mas o que acontecerá depois? Marte, de acordo com Mask, seu objetivo é usar o Starlink para fornecer renda para a exploração de Marte, além de realizar um teste.
"Poderíamos usar o mesmo sistema para criar uma rede em Marte", disse ele à sua equipe. "Marte também precisará de um sistema de comunicação global, e não há linhas de fibra ótica, fios ou qualquer coisa".
Um pouco de publicidade :)
Obrigado por ficar conosco. Você gosta dos nossos artigos? Deseja ver materiais mais interessantes? Ajude-nos fazendo um pedido ou recomendando a seus amigos, um
desconto de 30% para os usuários da Habr em um servidor analógico exclusivo que inventamos para você: Toda a verdade sobre o VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 núcleos) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps de US $ 20 ou como dividir o servidor? (as opções estão disponíveis com RAID1 e RAID10, até 24 núcleos e até 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 vezes mais barato? Somente temos
2 TVs Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV a partir de US $ 199 na Holanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - a partir de US $ 99! Leia sobre
Como criar um prédio de infraestrutura. classe usando servidores Dell R730xd E5-2650 v4 custando 9.000 euros por um centavo?