Kto może wysyłać fale radiowe w kosmos?

Satelity nie są zbyt przydatne, jeśli nie mogą się komunikować

Za pomocą

• Mark Harris strona archiwum

26 czerwca 2019 r.

Koncepcyjna ilustracja przedstawiająca dozownik „Proszę weź numer” w kosmosie Nicolas Ortega

Robi się tam tłoczno. Stada satelitów, floty orbitujących kamer i pierwsze megakonstelacje szerokopasmowego internetu, takie jak SpaceX, Amazon i OneWeb, szybko wypełniają niską orbitę okołoziemską. Jeśli wszystkie usługi zostaną uruchomione zgodnie z planem, wkrótce na orbicie może działać 10 razy więcej satelitów niż obecnie.

Niepokojący jest wzrost ilości niebezpiecznych kosmicznych śmieci. Ale operatorzy satelitarni odczuwają bardziej bezpośredni ból głowy: zaostrzenie częstotliwości radiowej wymaganej do działania z orbity. Czy kosmiczne start-upy, które kłócą się o uzyskanie sprawiedliwego udziału, mogą powstrzymać ten rodzący się przemysł?

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2019 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje szeroki zakres częstotliwości i energii, ale tylko określone pasma są przydatne do komunikacji z kosmosem i z kosmosu. Promieniowanie rentgenowskie o wysokiej częstotliwości byłoby niebezpieczne; sygnały mikrofalowe są pochłaniane przez atmosferę; Fale radiowe o niskiej częstotliwości są mniej skuteczne w przesyłaniu informacji i wymagają dużych, niezgrabnych anten.

Podobnie jak ludzie krzyczący na imprezie, konkurujące sygnały na tej samej częstotliwości radiowej mogą zakłócać i utrudniać komunikację, więc widmo musi być podzielone na kawałki wielkości kęsa do różnych zastosowań. Systemy multipleksowania umożliwiają operatorom współdzielenie widma poprzez precyzyjne wycinanie szczelin czasowych i kanałów częstotliwości, a także przez kodowanie sygnałów, dzięki czemu wiele różnych wiadomości może być przesyłanych jednocześnie. Jednak pasma częstotliwości nadal muszą być przypisane poszczególnym użytkownikom, aby uniknąć zakłóceń, które uniemożliwiłyby korzystanie z widma radiowego. Wiele z najbardziej pożądanych częstotliwości dla łączy orbitalnych zostało przydzielonych tradycyjnym transmisjom radiowym i telewizyjnym na długo przed wystrzeleniem pierwszych satelitów. Teraz, gdy niebo zapełnia się większą liczbą satelitów, walka o szczeliny częstotliwości radiowej staje się coraz bardziej zacięta. Organy regulacyjne są proszone o zajęcie się większą liczbą firm, większą liczbą statków kosmicznych i większą liczbą sporów niż kiedykolwiek wcześniej. Papierkowa robota może trwać latami, nawet gdy entuzjastyczne start-upy próbują zakłócić konserwatywną branżę.

Swarm Technologies nie są obce bijatyki regulacyjnej. Kiedy ten mały start-up z Doliny Krzemowej wystrzelił w 2018 roku cztery małe eksperymentalne satelity, zaniedbał uzyskanie niezbędnego zezwolenia od amerykańskiej Federalnej Komisji Łączności, jednej z agencji, której zgodę należy udzielić przed wystrzeleniem. FCC dowiedziała się o tym i uderzyła firmę karą w wysokości 900 000 $.

Firma chce teraz uruchomić 150-osobową konstelację, aby komunikować się z rosnącą liczbą urządzeń podłączonych do Internetu na Ziemi. Ponieważ jego satelity są tak małe, a przez to tanie do wystrzelenia, Swarm szacuje, że jego usługi przesyłania wiadomości będą kosztować o rząd wielkości mniej niż istniejące systemy satelitarne. Wystarczy kilka skrawków widma radiowego VHF.

Jednak długoletni operator satelitarny Orbcomm od dziesięcioleci zgłasza roszczenia do tych częstotliwości i obsługuje jeden z tych systemów przesyłania wiadomości, które Swarm ma na celu zakłócić. W petycji do FCC o odrzucenie wniosku dotyczącego konstelacji Swarm, Orbcomm napisał, że startup próbuje po prostu zignorować wyraźnie nabyte przez Orbcomm … prawa do widma.

Na orbicie naprawdę istnieją obawy związane z niedoborem, mówi Thomas Hazlett, profesor ekonomii na Clemson University i autor książki Widmo polityczne . Jeśli chcesz wystawić satelitę do komunikacji, możesz mieć potencjalne konflikty z innymi użytkownikami. Istnieje rzeczywista potrzeba ustanowienia zasad, które pomogą koordynować to wykorzystanie.

Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) jest organem, którego zadaniem jest rozpatrzenie tych sprzecznych roszczeń. Utworzony w połowie XIX wieku w celu standaryzacji technologii telegraficznych, pomógł regulować, kto może umieszczać satelity na orbicie od zarania ery kosmicznej. Agencja, która umożliwia również wykonywanie połączeń telefonicznych z jednego kraju do drugiego, wśród niezliczonych innych obowiązków regulacyjnych, jest teraz częścią Organizacji Narodów Zjednoczonych. Ale poszczególne kraje chcą również wypowiedzieć się na temat statków kosmicznych latających nad naszymi głowami. Oznacza to, że operatorzy tacy jak Swarm muszą również współpracować z agencjami narodowymi w krajach, w których zamierzają działać (w szczególności FCC kontroluje dostęp do niezwykle ważnego rynku amerykańskiego).

Nic dziwnego, że nowicjusze postrzegają te przepisy jako bariery mające na celu utrzymanie ich na ziemi. W długiej odpowiedzi udzielonej FCC Swarm twierdził, że Orbcomm nie ma żadnych praw do widma, z którego chce korzystać, a frywolna petycja firmy nie jest niczym innym jak próbą wykorzystania procesu licencjonowania w celu utrzymania swoich przywilejów przez długoletniego monopolistę.

Stabilne orbity kołowe wokół Ziemi wiążą się z określonymi prędkościami, które zmieniają się wraz z wysokością. (Satelity na eliptycznych orbitach przyspieszają, gdy zbliżają się do Ziemi i zwalniają, gdy osiągają najdalszy punkt na swojej orbicie.) Przy 35 786 kilometrach (22 236 mil) prędkość orbity odpowiada rotacji Ziemi. Statek kosmiczny lecący bezpośrednio nad równikiem na tej wysokości będzie wydawał się zamrożony na niebie dla obserwatora na powierzchni. Takie szczeliny geostacjonarne umożliwiają jednemu dużemu satelitowi obsługę szerokiego obszaru geograficznego, czy to w przekazywaniu komunikacji, czy, powiedzmy, monitorowaniu pogody.

Mając trochę miejsca między sąsiednimi satelitami, na tym wielkim okręgu znajduje się prawdopodobnie 1800 użytecznych punktów geostacjonarnych, z których około 400 zostało zajętych na przestrzeni lat. Jak można się spodziewać, większe zainteresowanie cieszą się miejscami nad bogatymi regionami, takimi jak Ameryka Północna i Europa, niż nad słabo zaludnionymi wyspami Pacyfiku. Krajom przydzielono sloty powyżej ich długości geograficznej, a następnie pozwolono poszczególnym satelitom zamieszkiwać na zasadzie „kto pierwszy, ten lepszy”.

Nicolas Ortega

Początkowo widmo wydawało się problemem, który można rozwiązać. Częstotliwości nie tylko musiały być podzielone między niewielką liczbę operatorów w jednym obszarze, ale te same częstotliwości mogły być ponownie wykorzystywane na całym świecie. Wszyscy rozumieli zasady, mówi Tim Farrar z firmy konsultingowej TMF Associates.

Zmieniają się jednak zasady gry. Operatorzy chcą pakować małe, tanie satelity do rakiet współużytkowanych i wysyłać je na niską orbitę okołoziemską, czyli LEO. Z odległości zaledwie kilkuset lub tysięcy kilometrów w górę satelity z kamerami mają znacznie lepszy widok na planetę; w przypadku systemów komunikacyjnych krótsza odległość od powierzchni może oszczędzać energię i zmniejszać opóźnienia. Mając do wyboru wiele wysokości i orbit, powinno być miejsce dla wszystkich.

Spectrum staje się teraz czynnikiem ograniczającym, kto może wdrażać nowe konstelacje komunikacyjne. Satelity w LEO krążą wokół planety w ciągu kilku godzin, potencjalnie powodując zakłócenia nie tylko między sobą, ale także z każdym satelitą geostacjonarnym, który przelatują pod nimi. Początkowo rozwiązanie ITU miało zrobić to samo, co w przypadku orbity geostacjonarnej: pierwszeństwo otrzymał pierwszy operator, który złożył wniosek o wykorzystanie fragmentu widma. Wszyscy podążający za nim musieliby zgodzić się, żeby się nie wtrącać.

Spectrum staje się teraz czynnikiem ograniczającym, kto może wdrażać nowe konstelacje komunikacyjne.

Ale interferencja to śliska koncepcja. Koordynacja geostacjonarna jest stosunkowo prosta, mówi Diederik Kelder, dyrektor ds. strategii w LeoSat, który planuje konstelację co najmniej 84 satelitów internetowych w LEO. Podczas gdy w [LEO] to bardzo złożona sprawa. Potrzebujesz bardzo wyrafinowanych narzędzi do modelowania, aby uchwycić wpływ.

Przewidując nadchodzący kryzys w zakresie widma, FCC postanowiła posunąć się naprzód z polityką współdzielenia widma, w której wszyscy planujący użycie podobnych częstotliwości byliby rozważani w tym samym czasie – tak zwane rundy przetwarzania, które teoretycznie stworzyłyby bardziej sprawiedliwe warunki gry.

Ale były niezamierzone konsekwencje. Wybuchło więcej sporów, ponieważ nowi uczestnicy próbują znaleźć luki regulacyjne lub poprawki techniczne, podczas gdy operatorzy o ugruntowanej pozycji próbują chronić swoje częstotliwości przed zakłóceniami, zarówno rzeczywistymi, jak i urojonymi. Zachęta dla firm do ubiegania się o częstotliwości tak szybko, jak to możliwe, oznacza również, że muszą składać wnioski w ITU i FCC na długo przed zbudowaniem, a czasem nawet w pełni zaprojektowanym ich satelitami.

SpaceX jest najbardziej ambitnym z nowej generacji LEO. W 2015 r. Elon Musk ujawnił plan wykorzystania megakonstelacji satelitów o nazwie Starlink do dostarczania globalnego Internetu szerokopasmowego, który dotarłby do wielu rozwijających się i niedostatecznie obsługiwanych regionów. SpaceX pierwotnie poprosił o pozwolenie na wystrzelenie 4425 satelitów, ale podniósł to do prawie 12 000 w 2017 roku – konstelacja, którą FCC ostatecznie uzyskała licencję pod koniec 2018 roku.

W ramach przygotowań do wystrzelenia swoich pierwszych komercyjnych satelitów SpaceX po raz kolejny majstrował przy swoim planie, prosząc o przeniesienie niektórych satelitów bliżej Ziemi i zmianę częstotliwości, z których będą korzystać. Jego własne analizy podobno nie wykazały żadnych nowych zakłóceń, ale inne firmy satelitarne nie były zadowolone. Kepler, inny startup zajmujący się komunikacją satelitarną, nazwał swoje twierdzenia fundamentalnie mylącymi. OneWeb, który planuje własną megakonstelację ponad 2500 satelitów internetowych, podobnie powiedział, że obliczenia zakłóceń SpaceX [w tym] mylące założenia operacyjne, niekompletny zestaw parametrów analizy i wysoce mylące wnioski.

FCC zatwierdziła plan SpaceX, a firma wypuściła swoje pierwsze 60 satelitów Starlink w maju. Jego rywale będą teraz musieli wystrzelić swoje satelity z nadzieją, że ich obawy związane z zakłóceniami są bezpodstawne.

Przynajmniej ten spór został szybko rozwiązany. Koszmar dla przybyszów polega na tym, że spory mogą prowadzić do niekończących się opóźnień regulacyjnych.

Na przykład w 2001 r. firma Mobile Satellite Ventures zwróciła się do FCC o zmianę przeznaczenia niektórych częstotliwości satelitarnych na hybrydową usługę łączności satelitarnej/naziemnej. Dziesięć lat później firma, obecnie nazywana LightSquared, otrzymała warunkowe zrzeczenie się możliwości kontynuowania, które zostało szybko zawieszone z powodu obaw, że może zakłócać sygnały nawigacji GPS. LightSquared niemal natychmiast ogłosił upadłość, ale z upływem prawie kolejnej dekady i kolejną zmianą nazwy Ligado Networks kontynuuje walkę LightSquared. Obiecał zmniejszyć moc swoich transmisji o ponad 99%, ale wciąż napotyka na ciągłe odpychanie ze strony nerwowych i prawdopodobnie zazdrosnych konkurentów z branży lotniczej.

Decyzja Ligado o marnowaniu 40 MHz widma satelitarnego nie powinna być nagradzana gratką, rywalizujący operator satelitarny Iridium napisał do FCC w lipcu 2018 r. W kwietniu Ligado zauważył na spotkaniu z FCC, że agencja rozważała jego najnowszy wniosek o ponad 1000 dni. Gdy sprawa trafiła do druku, FCC jeszcze nie wydała w tej sprawie orzeczenia.

Niemniej jednak podejście Ligado pokazuje, w jaki sposób technologia może pomóc w stłumieniu sprzeczek. Firma była w stanie radykalnie zmniejszyć zapotrzebowanie na energię dzięki coraz bardziej czułym odbiornikom. Systemy multipleksowania również ulegają ciągłej poprawie, zarówno ze względu na zwiększoną moc obliczeniową, jak i coraz bardziej skomplikowane, sprytne techniki kodowania i dekodowania sygnałów.

Anteny o wysokim zysku umożliwiają satelitom tworzenie skupionych wiązek punktowych skierowanych na określone obszary pod nimi. Im mocniej to skupienie, tym częściej te częstotliwości mogą być ponownie wykorzystywane. Inne nowe systemy planują wykorzystać jeszcze mocniej skupione lasery, aby jeden satelita komunikował się z innym, zmniejszając zapotrzebowanie na częstotliwości radiowe. Nowe technologie szyków fazowanych oznaczają, że sygnały satelitarne mogą być teraz odbierane przez małe i tanie elektronicznie sterowane płaskie anteny, a nie przez nieporęczne anteny paraboliczne. Satelity wyposażone w GPS i terminale użytkownika można zaprogramować tak, aby uniknąć transmisji do konkurencyjnych satelitów LEO lub satelitów geostacjonarnych.

Niektórzy eksperci uważają, że najlepszym sposobem na uwolnienie innowacji technologicznych jest wycofanie się przepisów z rozwiązań rynkowych, takich jak istniejące aukcje naziemnego widma bezprzewodowego. Ale nie ma jasnego mechanizmu takiej globalnej aukcji widma.

W każdym razie, chociaż zamiana bezpłatnych przydziałów częstotliwości satelitarnych na prawa zbywalne może stanowić zachętę do współpracy w zakresie przeszkód, byłby to trudny proces w skali globalnej. Gospodarka orbitalna jest już zdominowana przez garstkę najpotężniejszych narodów świata. Przyznanie preferencyjnego dostępu tym firmom, które mają najgłębsze kieszenie, prawdopodobnie utrwali historyczne nierówności i wykluczy kraje rozwijające się, które mogą najwięcej zyskać na osiągnięciu kolejnej granicy technologicznej.

Nie każdy widzi potrzebę rewolucji na orbicie. Farrar uważa, że ​​satelity i stacje naziemne będą regularnie zmuszane do wstrzymywania działania, dopóki ryzyko zakłóceń nie zmniejszy się, co radykalnie zmniejszy ich przepustowość i zagrozi już niepewnym planom biznesowym. To byłaby katastrofa z ekonomicznego punktu widzenia, gdyby wszyscy zaczęli działać, mówi. Ale jest nie do pomyślenia, że ​​[wszystkie te firmy] zrobią to, co zapowiedzieli, że planują zrobić.

W takim przypadku kręta biurokracja, która odracza, opóźnia i zakłóca plany biznesowe, może być właśnie tym, czego potrzebuje przestrzeń.

Mark Harris jest pisarzem z Seattle i częstym współpracownikiem.

ukryć