Для Starlink усе почалося 2014 року. Спільно з Грегом Вайлером, засновником компанії WorldVu (зараз відомої як OneWeb), Ілон Маск розмірковував над концептом сузір’я, що складатиметься з 700 супутників-ретрансляторів WorldVu, розміщених на низькій навколоземній орбіті (LEO). Сумарно вони могли б покривати всю площу Землі широкосмуговим інтернет-сигналом.
Ідея була дуже амбітною, оскільки на початок 2014 року наймасштабнішим супутниковим сузір’ям, розгорнутим на орбіті, залишалось Iridium (про яке ми розповідали у попередній частині). Однак, маючи найцінніший універсальний ресурс для доставки корисного навантаження на орбіту — власні зворотні ракети, Маск зумів втілити її у реальність першим.
Від першого концепту до старту розробки
Уже до середини 2014-го бізнес-шляхи Маска та Вайлера розійшлися. У другій половині року SpaceX сама подала заявку до Міжнародного союзу з телекомунікацій (ITU) через норвезького регулятора STEAM на реєстрацію свого супутникового сузір’я. Для сегмента США його назвали Starlink (це сталося тільки 2017 року), що було відсиланням до науково-фантастичного роману Джона Гріна “Провина наших зірок”. Засновниками компанії значилися Ілон та його молодший брат Кімбал Маск, а також президентка і головна виконавча директорка SpaceX Гвен Шотвелл.
16 січня 2015 року на закритому заході у Seattle Center Ілон Маск уперше публічно розповів про плани розгорнути супутникове сузір’я Starlink. Тоді ж світ дізнався і крихти інформації про майбутнє сузір’я на LEO, на розгортання якого бізнесмен планував витратити $10 млрд. До речі, SpaceX не єдина розгледіла перспективи супутників зв’язку на низькій навколоземній орбіті: того ж 2014 року про наміри розмістити свої сузір’я на LEO оголосили OneWeb і Amazon. Кожне з них мало складатися не менше ніж з 1000 супутників.
За попередніми оцінками SpaceX, лише на території США в новому супутниковому сервісі мають бути зацікавлені близько 60 млн людей, які проживають у важкодоступній для прокладання оптоволоконного кабелю місцевості. Глобальний ринок обіцяв ще вагомішу кількість потенційних клієнтів. Маск розраховував заробити від $30 млрд до $50 млрд, які мали бути спрямовані на втілення найзаповітнішої мрії бізнесмена — створення марсіанської бази. Starlink був лише перехідним етапом для досягнення цієї мети і потенційно хорошим тестом для відточування майбутньої технології марсіанського зв’язку.
На презентації 2015 року Маск розкрив і перші подробиці щодо орбіти для супутників Starlink, яка спочатку мала становити 750 км. За словами глави SpaceX, повне сузір’я Starlink мало складатися не більш ніж із 4000 супутників (привіт, 2023 рік). Тоді ж були озвучені й орієнтовні терміни, коли інтернет-сервіс стане активним для користувачів — не раніше ніж за п’ять років.
Найімовірніше, Маск припускав, що крім розробки такої кількості супутників, не менше часу може знадобитися на отримання ліцензії на запуск та мовлення від Федеральної комісії зв’язку (FCC). Його побоювання не були марними: тільки в березні 2018 року ліцензія на мовлення для перших 4425 супутників Starlink, що працюють у Кu (12-18 ГГц) та Ка (26,5-40 Ггц) частотних діапазонах, була схвалена FCC. До листопада того ж року комісія зв’язку ліцензувала ще 7518 супутників, що здійснюють широкосмугове мовлення в V-діапазоні частот (40-75 ГГц). Ця ліцензія була переглянута з ініціативи SpaceX і остаточно затверджена FCC лише у квітні 2019 року. Її дія обмежена дев’ятьма роками від дня видачі.
Відтак у SpaceX з’явилася можливість відволіктися від бюрократії і повністю зосередитися на розробці угруповання.
Особливості орбіти: чому Starlink переміг?
Це питання складніше, ніж може здаватися на перший погляд. І справді, адже до появи Starlink уже існував супутниковий інтернет. Що особливого збирався запропонувати Ілон Маск своїм потенційним клієнтам?
Починаючи з 2003 року, перші супутники — ретранслятори широкосмугового зв’язку (інтернету) розміщувалися на геостаціонарній орбіті (GEO), на висоті близько 36 000 км над Землею. На той момент це було єдино вірним рішенням, оскільки воно дозволяло лише одному супутнику покривати сигналом майже половину земної кулі. Однак, що далі від Землі був розташований космічний апарат, то довше до нього (і назад) йшов сигнал. Для кінцевого користувача на Землі це було помітно у більшій затримці сигналу (пінг), і як наслідок — у досить посередній швидкості інтернет-з’єднання як такого.
Нове покоління супутників із високою пропускною спроможністю частково вирішувало цю проблему. ViaSat-1 (від компанії Viasat), виведений на геосинхронну орбіту 19 жовтня 2011 року, мав пропускну здатність 140 Гбіт/с. ViaSat-2, що слідував за ним, був виведений на орбіту 2017-го і почав своє мовлення в лютому 2018 року. Його пропускна здатність була ще вища — 300 Гбіт/с. Він надав абонентам досить непогану швидкість з’єднання (120-150 Мбіт/с — для скачування і 3 Мбіт/с — для завантаження даних) за вельми конкурентною ціною: місячний тариф у Viasat починався від $50 на місяць і доходив до $300.
Утім, висота орбіти обох супутників ViaSat містила безліч підводних каменів, які не забарилися про себе нагадати. Так, проблеми з двома із чотирьох приймальних антен ViaSat-2 виявилися вже у перший рік експлуатації супутника та знизили його заявлену пропускну здатність з 300 Гбіт/с до 260 Гбіт/с. І Viasat могла тільки змиритися з тим, що сталося. Супутники на геосинхронній та геостаціонарній орбітах були дуже громіздкими і технічно складними у реалізації, що позначалося на термінах їхнього виробництва та собівартості.
У 2013 році чотири супутники (до яких пізніше приєднається ще 16) сузір’я O3b зробили першу спробу знизити орбіту для комерційних супутників зв’язку, розмістившись на середній навколоземній орбіті (MEO), на висоті 8063 км над Землею. Це дозволило значно зменшити масу та технічно спростити супутники зв’язку O3b — вага одного апарата становила лише 700 кг.
Але для Starlink навіть MEO була занадто висока, тому ставку зробили саме на низьку орбіту. Тож були обрані три основні висотні орбіти (“орбітальні оболонки”) для функціонування супутників сузір’я:
- Дуже низька навколоземна орбіта (VLEO) — її висота сягає лише 340 км. Саме тут забезпечувався найшвидший відгук сигналу.
- Низька навколоземна орбіта (LEO) — висотний поріг 550-600 км.
- Орбіта вище LEO — висотний поріг 1150-1200 км над Землею.
Такий розподіл був потрібний для організації багаторівневої системи зв’язку, яка у процесі роботи на різних висотах зможе швидше передавати широкосмуговий інтернет-сигнал від супутника до супутника, і від супутника до користувача. Крім цього, апарати використовували різні частоти мовлення для полегшення навантаження на канали прийому і передачі сигналу. SpaceX вирішила виводити супутники на кожну з орбіт послідовно, розпочавши з реалізації плану заповнення LEO висотою 550 км.
Важливо розуміти, що всі супутники сузір’я Starlink перебувають у постійному русі. Подібний перманентний рух орбітою дозволяє розширити площу супутникового покриття, зокрема, для важкодоступних зон: гірської та горбистої місцевості, а також низин. Пролітаючи над поверхнею Землі, кут падіння супутникового сигналу змінюється, у результаті чого згодом він заповнює собою весь рельєф. Сама концепція інтернет-зв’язку у Starlink організована значно краще, ніж у геостаціонарних та геосинхронних супутників, які ведуть мовлення, перебуваючи у фіксованому положенні над Землею.
Низька навколоземна орбіта дозволила SpaceX істотно знизити вагу розроблюваних супутників, а також спростити їхній дизайн. Як нескладно здогадатися, це прямо позначилося на вартості космічних апаратів. Хоча офіційно SpaceX ніколи не називала точних цифр, 2019 року Шотвелл і Маск заявили, що ціна одного супутника значно нижча за $500 000. Багато аналітиків сходяться на думці, що сьогодні один космічний апарат може коштувати від $250 000 до $300 000. Порівняйте це з вартістю виробництва ViaSat-2 у $624 млн, і ви зрозумієте, чому SpaceX зупинила свій вибір саме на низькій орбіті. Один ViaSat-2, розміщений на GEO, коштував приблизно як 2080 супутників Starlink на LEO. І зворотні перші ступені ракет Falcon 9 ще більше здешевлювали процес їхнього виведення на орбіту.
Останнім аргументом на користь LEO була швидкість. На висоті 550 км сигнал доходив до кінцевого користувача в середньому в 25-30 разів скоріше, ніж від супутника, розташованого на висоті 36 000 км. Цифри затримки інтернет-сигналу говорили самі за себе: запізнення у Starlink варіювалося в межах 20-40 мс, тоді як пінг ViaSat (і подібних супутників зв’язку на GEO) був у районі 594-624 мс. І оскільки SpaceX націлилася створити всесвітньо потрібну технологію супутникового інтернету — вибір низької орбіти був оптимальним рішенням.
Визначивши концепцію орбіти, SpaceX перейшла до розробки системи високошвидкісного міжсупутникового зв’язку, і навіть почала думати над тим, як ефективно мінімізувати ризик зіткнення такої великої кількості супутників на орбіті.
Міжсупутниковий лазерний зв’язок та маневреність
Для того щоб створити надійну топологію міжсупутникової комунікації, SpaceX звернулася до найшвидшого джерела передачі інформації у Всесвіті — світла. Швидкість розповсюдження світла, рівна 299 792 458 м/с, дозволяла за частки секунди передавати дані від одного супутника до іншого шляхом їхнього сполучення між собою перехресними лазерними міжсупутниковими каналами зв’язку (LISL). Спрощуючи, можна сказати, що такий зв’язок скидається на “стрілянину” супутників лазерними імпульсами один в одного.
Тут важливо уточнити, що не всі апарати Starlink використовують лазер для сполучення між собою. Так, супутникам першого покоління для передачі сигналу слугували радіоканали зв’язку. Перші ж зонди, в яких було реалізовано лазерний зв’язок, почали з’являтися лише у січні 2021 року, зі стартом запуску супутників версії 1.5 (v1.5).
Наразі вже очевидно, що SpaceX не зверне зі свого “шляху світла”, і в майбутніх модифікаціях супутників лазерне сполучення повністю замінить радіопередачу. Аргументів за подібний перехід більш ніж достатньо.
Швидкість розповсюдження світла в космічному вакуумі значно вища за швидкість розповсюдження світла оптоволоконним кабелем, оскільки фотони стикаються з меншим спротивом середовища. Це особливо помітно під час передачі сигналу на далекі відстані. Наведена нижче модель, побудована професором Марком Гендлі, демонструє, що затримка при лазерній передачі супутникового сигналу від Нью-Йорка до Лондона становитиме всього 50 мс, тоді як оптоволоконне з’єднання буде значно повільніше — 70 мс. За збільшення дистанції перевага міжсупутникового лазерного зв’язку ще очевидніша. Так, лазерне сполучення Лондона з Сінгапуром матиме затримку сигналу 90 мс, при 159 мс у разі передачі сигналу оптоволоконним кабелем.
Перевага лазерного зв’язку була більш ніж очевидною. Наступним викликом, який необхідно було вирішити інженерам Starlink, стало проєктування системи дистанційного уникнення зіткнення супутників один із одним, оскільки кожен з них рухався орбітою із середньою швидкістю ≈ 7 км/с.
Для орбітальних маневрів кожен Starlink оснащується одним іонним двигуном (також відомим як двигун Голла). Перше покоління супутників у якості палива для двигунів використовувало інертний газ криптон. Тяга в двигунах Голла досягається бомбардуванням нейтральних атомів газу негативно зарядженими електронами через спеціальну електронну гармату. Внаслідок зіткнення з електронами газ криптон втрачає позитивно заряджені іони, які відбираються за допомогою магніту і пропускаються через негативно і позитивно заряджені решітки (прискорювальні електроди), що штучно розганяють іони. Фінальний процес нейтралізації розігнаних іонів катодом і створює кінцеву тягу в двигуні.
Іонні двигуни дозволяють супутникам Starlink запобігати зіткненням як між собою, так і з іншими космічними об’єктами, дані про які є в системах космічної ситуаційної обізнаності. За допомогою іонної тяги також здійснюється коригування орбіти, а в кінці п’ятирічного експлуатаційного терміну бортова силова установка дозволяє супутникові зійти з робочої орбіти і згоріти в атмосфері Землі. SpaceX стверджує, що в процесі згоряння знищується 95% матеріалу, з якого зроблений апарат.
Після того, як у липні 2021 року SpaceX придбала компанію з виробництва наносупутників Swarm Technologies, було заявлено, що друге покоління зондів Starlink v2 (або Gen2) використовуватиме як паливо інертний одноатомний газ аргон. Можливо, при переїзді в новий офіс Swarm Technologies не забула розіслати інвайти своїм інженерам, відповідальним за розробку іонних двигунів. Як зазначав сам Маск, перехід на аргон, як більш дешеве паливо, було важким, але необхідним кроком для компанії. В результаті нові моделі іонних двигунів на аргоні здатні виробляти в 2,4 разу більше тяги і в 1,5 разу більший питомий імпульс, ніж у попереднього покоління іонних криптонових двигунів.
Оснащуючи свої супутники іонними двигунами, що працюють у зв’язці з оптичною навігаційною системою Star tracker, SpaceX ніби зазирнула в майбутнє. В подальші вісім років усе більше супутникових компаній встановлювали на свої зонди подібні бортові двигуни. Так, на двигунах Голла від української компанії SETS працює EOS SAT-1 — перший супутник сузір’я точного землеробства від компанії EOSDA. Останні “Рекомендації щодо зменшення кількості сміття в космічній промисловості”, представлені на Всесвітньому економічному форумі у червні 2023 року, взагалі зобов’язали виробників супутників, що підписалися під угодою, обладнати свої космічні апарати подібними бортовими двигунами для кращого контролю та прогнозованості польоту.
Для космосу все здавалося відточеним та злагодженим. Але перш ніж розпочати розгортання угруповання, SpaceX мала вирішити останнє завдання — розробити і сконструювати компактні, потужні і водночас недорогі термінали користувача для прийому інтернет-сигналу.
Приймальний термінал Starlink Dish
У 2019 році SpaceX Services Inc. (дочірня компанія SpaceX) подала до FCC запит на отримання ліцензії для експлуатації 1 млн наземних приймальних терміналів. Це був ще один унікальний елемент у супутниковій архітектурі зв’язку від Starlink. Комплект складався з модема та компактної лінзоподібної приймальної тарілки — фазової антенної решітки, яка приймає сигнал із тисяч супутників.
Зовнішній вигляд у них і справді був футуристичним.
Source: PC Mag, Credit: Brian Westover
Однак приймальна антена унікальна не лише через свій зовнішній вигляд, а насамперед завдяки своєму функціоналу. Starlink Dish це свого роду комп’ютер, оснащений процесором ARM та оперативною пам’яттю, за допомогою якої пристрій працює із програмним забезпеченням від SpaceX. ПЗ дає змогу антені автоматично підлаштовуватися під найкраще положення для прийому супутникового сигналу. Для коректної роботи антена Starlink має завжди спрямовуватись в небо. Інженери обладнали її ще й нагрівальним елементом, аби розтопити на ній сніг у разі його скупчення.
Станом на сьогодні для забезпечення кращого прийому сигналу антену Starlink слід спрямовувати на північ у Північній півкулі Землі, та на південь у Південній півкулі, оскільки саме на цих ділянках неба зосереджується найбільша кількість супутників сузір’я. Звісно, з нарощуванням супутникового угруповання деякі з цих правил можуть втратити актуальність.
Стандартну користувальницьку версію своєї антени SpaceX продає за $599, однак компанія має стратегію зменшення ціни для приймального термінала користувача в майбутньому. Зараз є варіації антени для бізнесу (Starlink Business), а в липні 2022-го FCC дозволила використовувати антени у транспортних засобах: у судноплавстві та комерційній авіації. Так з’явилася серія приймальних антен для сервісу Starlink RV. Зі зростанням розмірів зросли й ціни — наразі одна приймальна антена Starlink Maritime для суден коштує $10 000 при щомісячному тарифі у $5000. У компанії представлені і мобільні приймальні термінали.
У майбутньому компанія планує зменшити форм-фактор своїх приймальних тарілок та довести їх до розмірів середнього ноутбука (0,29×0,25 м). Для порівняння, оригінальна користувальницька приймальна антена вартістю $599 має розміри 0,51×0,24 м, це майже вдвічі довше за нову модель, що розробляється. SpaceX вже подала заявку до FCC для отримання відповідної ліцензії на виробництво.
Є й свої недоліки, хоча вони властиві не стільки для антен Starlink, скільки для супутникового інтернету в цілому. Приймальні термінали перестають працювати при зовнішніх перешкодах: сигнал практично не проходить через листя дерев, його якість значно погіршується і в дощ. Крім цього, стандартну антену (за винятком Starlink Mobile) не можна використовувати під час руху. З огляду на вартість приймального термінала в $599 та місячної підписки, багато потенційних клієнтів, як і раніше, не поспішають підключатися до сервісу, чекаючи, коли Starlink розгорне повне сузір’я і зможе виконати дані нею обіцянки щодо швидкості інтернет-з’єднання для користувача.
І тут час для найголовнішого запитання.
Чи доступний тільки комерційний інтернет?
І так, і ні. Історичний перший запуск 60 супутників Starlink (якщо не брати до уваги тестові екземпляри) стався 24 травня 2019 року. З цього моменту розширення сузір’я було вже не зупинити — до кінця року SpaceX анонсувала, що щомісяця планує виводити на орбіту партію по 44+ супутники, щоб за 60-місячний термін довести кількість супутників у сузір’ї до 2200. Ці обіцянки перевиконані набагато раніше заявленого терміну.
SpaceX розвиває свою бізнес-модель і впроваджує низку платних послуг, аби розширити функціонал сузір’я Starlink для тих, хто готовий за це платити. Так, функція пріоритезації доступу Starlink for RVs за додаткову плату пропонує користувачеві пропустити списки очікування та підключатися до супутників без отримання фіксованої адреси. Інші платні сервіси дозволяють підвищити місячний ліміт на скачування файлів і мати вищу швидкість інтернет-з’єднання, знову ж таки, за рахунок пріоритезації доступу.
Але навіть попри безліч стандартних для такого великого сервісу хитрощів, активних користувачів невпинно більшає: на сьогодні Starlink має понад 1,5 млн клієнтів з 54 країн світу.
Швидке розширення кількості активних передплатників відіграє для Starlink і негативну роль. Для деяких регіонів подібна “перенаселеність” є головним фактором, який зрештою призводить до зниження швидкості інтернет-з’єднання — кількість одночасних абонентів перевантажує весь трафік. Для розв’язання проблеми SpaceX довелося навіть зважитися на низку вимушених заходів, таких як обмеження швидкості скачування даних до 1 Тб на місяць. Але завжди можна доплатити SpaceX, щоб отримати більше.
Згідно зі спідтестами, які наводить Ookla, за I квартал 2023 року для деяких регіонів можна спостерігати негативну динаміку у швидкості інтернет-з’єднання. Ситуація дещо покращилася порівняно з тестами 2022-го, коли падіння швидкості інтернет-з’єднання було характерним для більшості країн, в яких працював сервіс. Тепер картина куди стабільніша, щоправда, для деяких регіонів швидкість з’єднання демонструє повільний, але впевнений приріст, а от для інших — доволі неприємне падіння.
SpaceX продовжує переконувати своїх користувачів, що поступове виведення більшої кількості супутників у підсумку призведе до розв’язання проблеми. Проте допоки цього не сталося, людям у регіонах, де багато активних передплатників, доведеться змиритися з низькою швидкістю скачування та завантаження даних.
У сухому залишку можна побачити, як поступове розгортання сузір’я Starlink, хоча і рухається до своєї кінцевої мети (надання глобального високошвидкісного інтернету), зазнає шквалу праведної критики від своїх користувачів. На цей момент SpaceX не завжди здатна забезпечити людям обіцяний раніше сервіс. І можливо, якби в цій історії все трималося виключно на цивільному комерційному інтернеті, сузір’я Маска було б менш популярним.
Однак, у випадку Starlink є одна складова, яка ще довго гарантуватиме актуальність технології. Зацікавлення Пентагону у можливостях супутникового угруповання Starlink фактично подарувало сузір’ю нове життя та нове призначення. Громадянські підписки поступилися місцем пріоритетам національної безпеки. Читайте про це у заключній частині нашого матеріалу.
