Для Starlink все началось в 2014 году. Совместно с Грегом Вайлером, основателем компании WorldVu (сейчас известной как OneWeb), Илон Маск размышлял над концептом созвездия, состоящего из 700 спутников-ретрансляторов WorldVu, размещенных на низкой околоземной орбите (LEO). Суммарно они могли бы покрывать всю площадь Земли широкополосным интернет-сигналом.
Идея была весьма амбициозной, поскольку на начало 2014 года самым масштабным спутниковым созвездием, развернутым на орбите, оставалось Iridium (о котором мы рассказывали в предыдущей части). Однако, обладая наиболее ценным универсальным ресурсом для доставки полезной нагрузки на орбиту — собственными возвратными ракетами, Маск сумел воплотить ее в реальность первым.
От первого концепта до старта разработки
Уже к середине 2014-го бизнес-пути Маска и Вайлера разошлись. Во второй половине года SpaceX в одиночку подала заявку в Международный союз по телекоммуникациям (ITU) через норвежского регулятора STEAM на регистрацию своего спутникового созвездия. Для сегмента США его назвали Starlink (это случилось только в 2017 году), что было отсылкой к научно-фантастическому роману Джона Грина «Вина наших звезд». Основателями компании значились Илон и его младший брат Кимбал Маск, а также президент и главный исполнительный директор SpaceX Гвен Шотвелл.
16 января 2015 года на закрытом мероприятии в Seattle Center Илон Маск впервые публично рассказал о планах развернуть спутниковое созвездие Starlink. Тогда же мир узнал и крупицы информации о будущем созвездии на LEO, на развертывание которого бизнесмен планировал потратить $10 млрд. К слову, SpaceX не единственная разглядела перспективы спутников связи на низкой околоземной орбите: в том же 2014 году о намерениях разместить свои созвездия на LEO заявили OneWeb и Amazon. Каждое из них должно было состоять не менее чем из 1000 спутников.
Согласно предварительным оценкам SpaceX, только на территории США в новом спутниковом сервисе должны быть заинтересованы порядка 60 млн людей, проживающих в труднодоступной для прокладки оптоволоконного кабеля местности. Глобальный рынок сулил еще более внушительное количество потенциальных клиентов. Маск рассчитывал заработать от $30 млрд до $50 млрд, которые будут направлены на воплощение самой заветной мечты бизнесмена — создание марсианской базы. Starlink был всего лишь переходным этапом для достижения этой цели и потенциально хорошим тестом для оттачивания будущей технологии марсианской связи.
На презентации в 2015 году Маск раскрыл и первые подробности об орбите для спутников Starlink, которая изначально должна была составить 750 км. Глава SpaceX сообщил, что полное созвездие Starlink будет состоять не более чем из 4000 спутников (привет, 2023 год). Тогда же были озвучены и ориентировочные сроки, когда именно интернет-сервис станет активен для пользователей — не ранее чем через пять лет.
Скорее всего, Маск предполагал, что помимо разработки такого количества спутников, не меньше времени понадобится на получение лицензии на запуск и вещание от Федеральной комиссии связи (FCC). Его опасения не были напрасны: только в марте 2018 года лицензия на вещание для первых 4425 спутников Starlink, работающих в Кu (12-18 ГГц) и Ка (26,5-40 Ггц) частотных диапазонах, была одобрена FCC. К ноябрю того же года комиссия связи лицензировала еще 7518 спутников, осуществляющих широкополосное вещание в V-диапазоне частот (40-75 ГГц). Эта лицензия была пересмотрена по инициативе SpaceX и окончательна утверждена FCC лишь в апреле 2019 года. Ее действие ограничено девятью годами со дня выдачи.
Наконец у SpaceX появилась возможность отвлечься от бюрократии и полностью сосредоточиться на разработке группировки.
Особенности орбиты: почему Starlink выиграл?
Этот вопрос сложнее, чем может показаться на первый взгляд. И правда, ведь до появления Starlink уже существовал спутниковый интернет. Что особенного собирался предложить Илон Маск своим потенциальным клиентам?
Начиная с 2003 года, первые спутники — ретрансляторы широкополосной связи (интернета) размещались на геостационарной орбите (GEO), на высоте порядка 36 000 км над Землей. На тот момент это было единственно верным решением, поскольку оно позволяло всего одному спутнику покрывать сигналом почти половину земного шара. Однако, чем дальше от Земли располагался космический аппарат, тем дольше до него (и обратно) шел сигнал. Для конечного пользователя на Земле это выражалось в большей задержке сигнала (пинг), и как следствие — в достаточно посредственной скорости интернет-соединения.
Новое поколение спутников с высокой пропускной способностью отчасти решало эту проблему. У ViaSat-1 (от компании Viasat), выведенного на геосинхронную орбиту 19 октября 2011 года, была пропускная способность в 140 Гбит/с. Последовавший за ним ViaSat-2, выведенный на орбиту в 2017-м и начавший свое вещание в феврале 2018 года, обладал еще более высокой пропускной способностью в 300 Гбит/с. Он предоставил абонентам довольно неплохую скорость соединения (120-150 Мбит/с — для скачивания и 3 Мбит/с — для загрузки данных) по весьма конкурентной цене: месячный тариф в Viasat начинался от $50 в месяц и доходил до $300.
И тем не менее, высота орбиты обоих спутников ViaSat скрывала множество подводных камней, очень скоро о себе напомнивших. Так, проблемы с двумя из четырех приемных антенн ViaSat-2 обнаружились уже в первый год эксплуатации спутника и понизили его заявленную пропускную способность с 300 Гбит/с до 260 Гбит/с. И Viasat могла только смириться со случившимся. Спутники на геосинхронной и геостационарной орбитах были очень громоздкими и технически сложными в реализации, что сказывалось на сроках их производства и себестоимости.
В 2013 году четыре спутника (к которым позже присоединится еще 16) созвездия O3b предприняли первую попытку снизить орбиту для коммерческих спутников связи, разместившись на средней околоземной орбите (MEO), на высоте уже в 8063 км над Землей. Это позволило значительно уменьшить массу и технически упростить спутники связи, разрабатываемые O3b — вес одного аппарата составлял всего 700 кг.
Но для Starlink и MEO была слишком высока, поэтому ставку сделали именно на низкую орбиту. Итак, были выбраны три основные высотные орбиты («орбитальные оболочки») для функционирования спутников созвездия:
- Очень низкая околоземная орбита (VLEO) — ее высота достигает всего 340 км. Именно здесь обеспечивался самый быстрый отклик сигнала.
- Низкая околоземная орбита (LEO) — высотный порог 550-600 км.
- Орбита выше LEO — высотный порог 1150-1200 км над Землей.
Такое распределение было необходимо для организации многоуровневой системы связи, которая в процессе работы на различных высотах сможет быстрее передавать широкополосный интернет-сигнал от спутника к спутнику, и от спутника к пользователю. Помимо этого, аппараты использовали разные частоты вещания для облегчения нагрузки на каналы приема и передачи сигнала. SpaceX решила выводить спутники на каждую из орбит последовательно, начав с реализации плана по заполнению LEO высотой 550 км.
Важно понимать, что все спутники созвездия Starlink пребывают в постоянном движении. Подобное перманентное движение по орбите позволяет расширить площадь спутникового покрытия, в частности, для труднодоступных зон: горной и холмистой местности, а также низин. Пролетая над поверхностью Земли, угол падения спутникового сигнала изменяется, в результате чего он заполняет собой весь рельеф. Сама концепция интернет-связи у Starlink организована значительно лучше, чем у геостационарных и геосинхронных спутников, которые вещают, оставаясь в фиксированном положении над Землей.
Низкая околоземная орбита позволила SpaceX существенно снизить вес проектируемых спутников, а также упростить их дизайн. Как несложно догадаться — это напрямую сказалось на себестоимости космических аппаратов. Хотя официально SpaceX никогда не называла точных цифр, в 2019 году Шотвелл и Маск заявили, что цена одного спутника значительно ниже $500 000. Многие аналитики сходятся во мнении, что сегодня один космический аппарат может стоить от $250 000 до $300 000. Сравните это со стоимостью производства ViaSat-2 в $624 млн, и вы поймете, почему SpaceX остановила свой выбор именно на низкой орбите. Один ViaSat-2, размещенный на GEO, стоил приблизительно как 2080 спутников Starlink на LEO. И возвратные первые ступени ракет Falcon 9 еще больше удешевляли процесс их вывода на орбиту.
Последним аргументом в пользу LEO была скорость. На высоте в 550 км сигнал доходил до конечного пользователя в среднем в 25-30 раз быстрее, чем от спутника, расположенного на высоте 36 000 км. Цифры задержки интернет-сигнала говорили сами за себя: запаздывание у Starlink варьировалось в пределах 20-40 мс, в то время как пинг ViaSat (и подобных спутников связи на GEO) был в районе 594-624 мс. И поскольку SpaceX нацелилась сделать всемирно востребованную технологию спутникового интернета — выбор низкой орбиты был оптимальным решением.
Когда концепция орбиты была определена, SpaceX приступила к разработке системы высокоскоростной межспутниковой связи, а также начала думать, как наиболее эффективно сократить риск столкновения такого большого количества спутников на орбите.
Межспутниковая лазерная связь и маневренность
Для того чтобы создать надежную топологию межспутниковой коммуникации, SpaceX обратилась к самому быстрому источнику передачи информации во Вселенной — свету. Скорость распространения света, равная 299 792 458 м/с, позволяла за доли секунды передавать данные от одного спутника к другому посредством сообщения между собой по перекрестным лазерным межспутниковым каналам связи (LISL). Упрощая, можно сказать, что подобная связь выглядит как «стрельба» спутников лазерными импульсами друг по другу.
Здесь важно уточнить, что не все аппараты Starlink используют лазер для сообщения между собой. Так, спутникам первого поколения для передачи сигнала служили радиоканалы связи. Первые же зонды, в которых была реализована лазерная связь, стали появляться только в январе 2021 года, со стартом запуска спутников версии 1.5 (v1.5).
Сейчас уже очевидно, что SpaceX не свернет со своего «пути света», и в будущих модификациях спутников лазерное сообщение полностью заменит радиопередачу. Аргументов за подобный переход более чем достаточно.
Скорость распространения света в космическом вакууме значительно выше, чем скорость распространения света по оптоволоконному кабелю, поскольку фотоны сталкиваются с меньшим сопротивлением среды. Это особенно заметно при передаче сигнала на дальние расстояния. Представленная ниже модель, построенная профессором Марком Хэндли, демонстрирует, что задержка при лазерной передаче спутникового сигнала от Нью-Йорка до Лондона составит всего 50 мс, тогда как оптоволоконное соединение будет значительно медленнее — 70 мс. При увеличении дистанции преимущество межспутниковой лазерной связи еще очевиднее. Так, у лазерного сообщения Лондона с Сингапуром будет задержка сигнала в 90 мс, при 159 мс в случае передачи сигнала по оптоволоконному кабелю.
Преимущество лазерной связи было более чем очевидным. Следующим вызовом, который необходимо было решить инженерам Starlink, стало проектирование системы дистанционного ухода от столкновения спутников друг с другом, поскольку каждый из них двигался по орбите со средней скоростью ≈ 7 км/с.
Для осуществления орбитальных маневров каждый Starlink оснащается одним ионным двигателем (также известным как двигатель Холла). Первое поколение спутников в качестве топлива для двигателей использовало инертный газ криптон. Тяга в двигателях Холла достигается посредством бомбардировки нейтральных атомов газа негативно заряженными электронами через специальную электронную пушку. Вследствие столкновения с электронами газ криптон теряет позитивно заряженные ионы, которые отбираются c помощью магнита и пропускаются через негативно и позитивно заряженные ускоряющие решетки (ускоряющие электроды), искусственно разгоняющие ионы. Финальный процесс нейтрализации разогнанных ионов катодом и создает конечную тягу в двигателе.
Ионные двигатели позволяют спутникам Starlink избегать столкновений как между собой, так и с другими космическими объектами, данные о которых есть в системах космической ситуационной осведомленности. С помощью ионной тяги осуществляется и корректировка орбиты, а по истечении пятилетнего эксплуатационного срока бортовая силовая установка позволяет спутнику сойти с рабочей орбиты и сгореть в атмосфере Земли. SpaceX утверждает, что в процессе сгорания уничтожается 95% материала, из которого сделан аппарат.
После того как в июле 2021 года SpaceX приобрела компанию по производству наноспутников Swarm Technologies, было заявлено, что второе поколение зондов Starlink v2 (или Gen2) будет использовать в качестве топлива инертный одноатомный газ аргон. Возможно, при переезде в новый офис Swarm Technologies не забыла разослать инвайты своим инженерам, ответственным за разработку ионных двигателей. Как отмечал сам Маск, переход на аргон, как более дешевое топливо, было тяжелым, но необходимым решением для компании. В результате новые модели ионных двигателей на аргоне способны вырабатывать в 2,4 раза больше тяги и в 1,5 раза больший удельный импульс, чем у прошлого поколения криптоновых ионных двигателей.
Оснащая свои спутники ионными двигателями, работающими в связке с оптической навигационной системой Star tracker, SpaceX словно заглянула в будущее. В последующие восемь лет все больше спутниковых компаний устанавливали на свои зонды подобные бортовые двигатели. Так, на двигателях Холла от украинской компании SETS работает EOS SAT-1 — первый спутник созвездия точного земледелия от компании EOSDA. Последние «Рекомендации по уменьшению количества мусора в космической промышленности», представленные на Всемирном экономическом форуме в июне 2023 года, и вовсе обязали производителей спутников, поставивших подписи под соглашением, оборудовать свои космические аппараты подобными бортовыми двигателями для лучшего контроля и прогнозируемости полета.
Для космоса все казалось отточенным и слаженным. Но прежде чем приступить к развертыванию группировки, SpaceX следовало решить последнюю задачу — разработать и сконструировать компактные, мощные, и в то же время недорогие пользовательские терминалы для приема интернет-сигнала.
Приемный терминал Starlink Dish
В 2019 году SpaceX Services Inc. (дочерняя компания SpaceX) подала в FCC запрос на получение лицензии для эксплуатации 1 млн наземных приемных терминалов. Это был еще один уникальный элемент в спутниковой архитектуре связи от Starlink. Комплект состоял из модема и компактной линзообразной приемной тарелки — фазовой антенной решетки, принимающей сигнал с тысяч спутников.
Внешний вид у них и вправду был футуристическим.
Source: PC Mag, Credit: Brian Westover
Однако приемная антенна уникальна не из-за своего внешнего вида, а прежде всего ввиду своего функционала. Starlink Dish является своего рода компьютером, оснащенным процессором ARM и оперативной памятью, с помощью которой устройство работает с программным обеспечением от SpaceX. ПО дает возможность антенне автоматически подстраиваться под наилучшее положение для приема спутникового сигнала. Для корректной работы антенна Starlink должна всегда устремляться в небо. Инженеры еще и оборудовали ее нагревательным элементом, чтобы в случае необходимости растопить скопившийся на ней снег.
По состоянию на сегодня, для обеспечения лучшего приема сигнала антенну Starlink следует направлять на север в Северном полушарии Земли, и на юг в Южном полушарии, поскольку именно на этих участках неба сосредотачивается наибольшее количество спутников созвездия. Тем не менее, с наращиванием спутниковой группировки некоторые из этих правил могут утратить актуальность.
Стандартную пользовательскую версию своей антенны SpaceX продает за $599, однако у компании имеется стратегия по уменьшению цены для приемного терминала пользователя в будущем. В настоящее время есть вариации антенны для бизнеса (Starlink Business), а в июле 2022-го FCC разрешила использовать антенны в транспортных средствах: для судоходства и коммерческой авиации. Так появилась серия приемных антенн для сервиса Starlink RV. С ростом размеров возросли и цены — сейчас одна приемная антенна Starlink Maritime для судов стоит $10 000 при ежемесячном тарифе в $5000. В компании представлены и мобильные приемные терминалы.
В будущем компания планирует уменьшить форм-фактор своих приемных тарелок и довести их до размеров среднего ноутбука (0,29×0,25 м). Для сравнения, оригинальная пользовательская приемная антенна стоимостью в $599 имеет размеры 0,51×0,24 м, что почти вдвое длиннее разрабатываемой новой модели. SpaceX уже подала заявку в FCC для получения соответствующей лицензии на производство.
Имеются и свои недостатки, хотя они свойственны не столько антеннам Starlink, сколько для спутникового интернета в целом. Приемные терминалы перестают работать при внешних помехах: сигнал фактически не проходит через листья деревьев, его качество существенно ухудшается и в дождливую погоду. Помимо этого, стандартную антенну (за исключением Starlink Mobile) нельзя использовать в движении. Учитывая стоимость приемного терминала в $599 и месячной подписки, многие потенциальные клиенты по-прежнему не спешат подключаться к сервису, ожидая, когда Starlink развернет полное созвездие и сможет выполнить данные ею обещания касательно скорости интернет-соединения для пользователя.
И здесь пришло время для самого главного вопроса.
Только ли коммерческий интернет доступен?
И да, и нет. Исторический первый запуск 60 спутников Starlink (если не считать тестовых экземпляров) произошел 24 мая 2019 года. С этого момента расширение созвездия уже было не остановить — к концу года SpaceX анонсировала, что будет ежемесячно выводить на орбиту партию по 44+ спутника, чтобы за 60-месячный период довести количество спутников в созвездии до 2200. Эти обещания перевыполнены гораздо раньше заявленного срока.
Впоследствии SpaceX развивала свою бизнес-модель и внедрила ряд платных услуг, расширяющих функционал созвездия Starlink для тех, кто готов за это платить. Так, функция приоритезации доступа Starlink for RVs за дополнительную плату предлагает пользователю пропустить списки ожидания и подключаться к спутникам без получения фиксированного адреса. Другие платные сервисы позволяют повысить месячный лимит на скачивание файлов и заполучить более высокую скорость интернет-соединения, опять же, за счет приоритезации доступа.
Но даже несмотря на множество стандартных для такого большого сервиса хитростей, активных пользователей неуклонно становится больше: на сегодняшний день у Starlink имеется более 1,5 млн клиентов из 54 стран мира.
Быстрое расширение числа активных подписчиков играет для Starlink и негативную роль. Для некоторых регионов подобная «перенаселенность» является главным фактором, в конечном итоге приводящим к снижению скорости интернет-соединения — количество одновременных абонентов перегружает весь трафик. Для решения проблемы SpaceX пришлось даже пойти на ряд вынужденных мер, таких как ограничение скорости скачивания данных до 1 Тб в месяц. Но всегда можно доплатить SpaceX, чтобы получить больше.
Согласно спидтестам, которые приводит Ookla, за І квартал 2023 года для некоторых регионов можно наблюдать отрицательную динамику в скорости интернет-соединения. Ситуация несколько улучшилась в сравнении с тестами 2022-го, когда падение скорости интернет-соединения было характерно для большинства стран, в которых работал сервис. Теперь картина стабильнее, правда, для некоторых регионов скорость соединения демонстрирует медленный, но уверенный прирост, а вот для других — довольно неприятное падение.
SpaceX продолжает убеждать своих пользователей, что постепенный вывод большего количества спутников в итоге приведет к решению проблемы. Но пока этого не произошло, людям в регионах, где много активных подписчиков, придется мириться с низкой скоростью скачивания и загрузки данных.
В сухом остатке можно увидеть, как постепенное развертывание созвездия Starlink, хотя и движется к своей конечной цели (предоставлению глобального высокоскоростного интернета), подвергается шквалу справедливой критики от своих же пользователей. На данный момент SpaceX далеко не всегда способна обеспечить людям обещанный ранее сервис. И возможно, если бы в этой истории все держалось исключительно на гражданском коммерческом интернете, созвездие Маска было бы менее популярно.
Впрочем, в случае со Starlink есть одна составляющая, которая долго еще будет гарантировать актуальность технологии. Заинтересованность Пентагона в возможностях спутниковой группировки Starlink фактически подарила созвездию новую жизнь и новое предназначение. Гражданские подписки уступили место приоритетам национальной безопасности. Читайте об этом в заключительной части нашего материала.
