Enlaces entre satélites
El 3 de septiembre de 2020, SpaceX anunció las primeras pruebas de enlace entre satélites (ISL).
La presencia de tales canales en la constelación Starlink se anunció al principio, pero luego se abandonaron en los satélites de primera generación para ahorrar tiempo y dinero.
Los canales intersatélites permitirían solucionar el problema de la comunicación en aquellas regiones del planeta donde es imposible instalar una pasarela en tierra con un enlace de fibra óptica conectado para el acceso a Internet. Actualmente, Starlink no puede proporcionar servicios en los mares y océanos, excepto a una corta distancia de la costa, lo que se separa de los altamente lucrativos mercados de cruceros y transporte marítimo comercial, así como de la mayoría de los vuelos de larga distancia en la aviación civil mundial. ...
Otra ventaja ampliamente discutida de ISL es que la velocidad de propagación de una señal en el espacio es igual a la velocidad de la luz, pero en el cable óptico es menor y, en teoría, el retraso cuando se usan satélites Starlink con ISL será menor que cuando se usan cables submarinos transatlánticos que conectan los Estados Unidos. con Europa, Asia y Australia, y esto atraerá a los corredores de bolsa que cotizan en las bolsas de estos continentes.
Antes de pasar a la discusión, hablemos un poco, de hecho, sobre la tecnología de comunicación láser.
Ya en la actualidad, los láseres se utilizan ampliamente para transferir grandes cantidades de datos a través de cables de fibra óptica. Su uso en el espacio tiene un potencial aún mayor, la ausencia de un medio de transmisión físico permitirá obtener una alta velocidad de transferencia de información. Otra ventaja de los láseres es que la luz tiene una longitud de onda 10,000 veces más corta que las longitudes de onda de las ondas de radio utilizadas en las comunicaciones espaciales (o una frecuencia de transmisión 10,000 veces mayor). Esto significa que la luz láser puede viajar en un haz más estrecho y requerirá receptores más pequeños para recibir una señal suficiente para procesar la amplitud. Además de aumentar el nivel de seguridad de las comunicaciones espaciales, esto reducirá el peso, las dimensiones del equipo de comunicación,se gasta una gran cantidad de dinero en la entrega al espacio.
Figura: Vista del set a bordo para comunicación láser LLCD (Demostración de comunicación láser lunar), que participó en el experimento LADEE (Explorador del entorno de polvo y atmósfera lunar) de la NASA en 2013: comunicación entre la Tierra y una nave espacial en órbita de la Luna.
Cabe señalar que el ancho de banda del canal de comunicación está determinado, entre otras cosas, por el diámetro de la óptica receptora, por ejemplo, la estación receptora terrestre para este experimento se veía así:
Al mismo tiempo, la velocidad de transmisión desde la órbita de la luna alcanzó los 622 Mbit / s, pero la velocidad de transmisión en la dirección opuesta, a pesar del gran tamaño de la estación que transmite desde la Tierra, no superaba los 20 Mbit / s. Es decir, el tamaño de la óptica receptora y la distancia entre el transmisor y el receptor de la señal juegan un papel clave.
Actualmente, el enfoque principal está en el uso de comunicaciones láser para comunicarse entre la Tierra y los satélites terrestres artificiales. Por ejemplo, un kit de desarrollo a bordo de Mynaric AG (Alemania) para comunicación láser pesa entre 7 y 15 kg. Este kit puede transmitir 10 Gbps a más de 4500 km. El fabricante está considerando 100 Gbps, pero sus productos actuales funcionan a 10 Gbps. Tenga en cuenta que el terminal de recepción en la Tierra para recibir datos a tales velocidades tiene dimensiones más que impresionantes.
La figura muestra el terminal láser de tierra Mynaric.
Según Mynaric, apuntar, capturar y rastrear una nave espacial es el problema más difícil en las comunicaciones láser espaciales. La compensación fundamental aquí es encontrar un compromiso entre la precisión de apuntado y la potencia del haz de luz: cuanto menor es la divergencia (dispersión) del haz de luz, mayor es la señal en el receptor, pero en este caso el requisito de precisión de apuntado es mayor. La divergencia de un rayo de luz láser moderno puede alcanzar los 10 mrad (o 0,00057 grados). Tenga en cuenta que en este caso el haz de luz a una distancia de 1000 km tiene un diámetro de solo 10 metros, y la tarea de "golpearlo" con otro satélite será extremadamente difícil para el sistema de guía.
Cabe recordar que con una conexión entre un satélite y la Tierra, tenemos por un lado un objeto rígidamente fijo en el espacio, con un canal de comunicación entre satélites, la complejidad de organizar una sesión de comunicación prácticamente se duplica.
Si el equipo en el satélite no puede proporcionar tal precisión de puntería, entonces queda aguantar la dispersión del haz ancho, que, con una potencia de transmisión fija a bordo del satélite y el tamaño del receptor óptico, reduce significativamente el rendimiento de dicho canal de comunicación.
También señalamos un punto más: si para un solo satélite para su comunicación con la Tierra, basta un conjunto de comunicación láser, que en una sesión de comunicación estará orientada a la Tierra, entonces en un sistema tan complejo y multisatélite como Starlink para organizar un servicio, es decir, un canal de comunicación continuo en cualquier hora del día, cada satélite debe tener 4 conjuntos de módulos de comunicación láser orientados en las cuatro direcciones. Al mismo tiempo, es importante que incluso con cuatro módulos, será necesario garantizar la desviación del haz en el módulo en el rango de 90 ° (más / menos 45 ° desde el eje), lo que hace que el diseño de dicho módulo sea extremadamente complejo y puede requerir dispositivos rotativos mecánicos en el módulo de comunicación láser. ... Si el ángulo de deflexión de 45 ° no se garantiza automáticamente,luego existen zonas "muertas" para la recepción / transmisión de un satélite en particular, lo que conducirá al hecho de que la comunicación no se organizará por la ruta más corta, y el control de la transmisión ISL requerirá el cálculo continuo de "zonas muertas" para cada satélite en cada momento y teniendo esto en cuenta al colocar una "ruta".
Un tema aparte es el diseño de la ubicación de los módulos en el satélite. El satélite Starlink ahora está optimizado para encajar lo más apretado posible dentro del carenado de un cohete Falcon 9 y tiene forma rectangular con una altura bastante baja, pero es en este lado "corto" donde los módulos ópticos deberán colocarse (uno a cada lado). La pregunta es si será posible encajarlos en el diseño actual del satélite, incluso teniendo en cuenta que SpaceX diseñará por sí mismo los módulos para la comunicación láser y su óptica. A juzgar por la descripción del equipo de comunicación óptica, el control de la dirección del haz se implementa mediante un sistema de lentes, y tal parte óptica requiere dimensiones bastante grandes cuando se trata de transmisión con alto rendimiento.
Nótese también que los transmisores para comunicación láser son nuevos consumidores de energía a bordo, y su eficiencia no supera el 25%, es decir, surge el problema de utilizar y verter al espacio el 75% restante de la energía consumida, que, aunque no es crítica, es sin embargo tarea que requiere una solución de ingeniería.
Un problema separado, mucho más complejo e importante, es la gestión del tráfico dirigido al canal de comunicación óptica. Recordemos que los satélites de comunicación "clásicos" existentes en órbita geoestacionaria son repetidores, es decir, con espejos. Reciben una señal de la Tierra en una frecuencia y la transmiten de un satélite a la Tierra en otra, pero sin cambiar la modulación y otros parámetros de la propia señal.
Para su comprensión, mostraremos con un ejemplo elemental qué es la modulación y cómo se transmite información útil en una señal de radio.
Se hace una distinción entre una onda portadora y una señal de banda base. Si estamos hablando de la transmisión de una señal analógica, entonces se superpone otra señal a la frecuencia portadora, cambiando la amplitud de la frecuencia portadora:
A) el tipo de señal de frecuencia portadora,
B) el tipo de señal moduladora (información útil), C
) el tipo de señal transmitida con información útil.
Para transmitir información digital, la frecuencia portadora y la señal modulada con información útil se ven así:
Lo principal aquí es la falta de procesamiento de señales (demodulación) a bordo del satélite y, en consecuencia, el equipo para esto.
Entonces, cuando se opera en la banda Ku, la señal se transmite desde la puerta de enlace al satélite a frecuencias de 14-14.5 GHz, a bordo la señal cambia la frecuencia portadora y con modulación constante (información útil) se transmite al terminal del suscriptor en las frecuencias 10.7-11 , 2 GHz. Sin embargo, la inclusión de canales de comunicación láser en la arquitectura de la red Starlink requerirá el enrutamiento a bordo del satélite y la separación de los flujos de información desde el terminal de abonado hacia los que se transmitirán hasta la pasarela o más adelante a través del canal entre satélites. La forma más sencilla sin complicar significativamente el diseño del propio satélite es la asignación de un rango de frecuencia especial dentro de la banda común, a lo largo del cual la señal y la información transmitida, cuando ingresa al satélite, se envía exclusivamente al canal de comunicación entre satélites. Es decir, una señal de radio de alta frecuencia que transporta datossuperpuesto a la señal de luz antes de la transmisión a través de un canal óptico con una longitud de onda de 1000-1500 nm (tecnología RF sobre fibra). Es más simple, pero significa:
A) el rendimiento de los canales entre satélites será inicialmente limitado,
B) todo el recurso de frecuencia utilizado para transmitir la información transmitida a través de los canales de comunicación entre satélites se excluirá para dar servicio a los abonados ordinarios durante el período en que el satélite sobrevuela un área donde hay suficientes pasarelas y no hay necesidad en canales entre satélites,
B) con un alto grado de probabilidad, se necesitarán terminales de abonado especiales que funcionen en modo de doble frecuencia.
Una alternativa a esta opción es el procesamiento de información a bordo del satélite. Es decir, la señal de radio recibida desde el terminal de abonado se demodula y decodifica al nivel de paquetes IP, enviados al enrutador, que ya distribuye la información al canal de comunicación de radiofrecuencia o óptica.
Este método permite un uso flexible de todo el rango de frecuencia disponible y no requiere terminales de abonado especiales, pero requiere un enrutador integrado capaz de procesar paquetes a velocidades de hasta 20 Gbit / s. Al mismo tiempo, el procesador de dicho enrutador no debería funcionar en una habitación con aire acondicionado estricto de un centro de datos con un rango estrecho de temperaturas de funcionamiento, sino en un espacio abierto, donde las temperaturas, incluso en presencia de un potente COTR (sistema de refrigeración y termorregulación), estarán en un rango de temperatura más amplio. Al mismo tiempo, la presencia de un potente SOTR afectará sin duda a los parámetros de masa y tamaño del satélite.
Sin embargo, tenga en cuenta que todos los problemas anteriores son de naturaleza técnica y, en principio, pueden resolverse.
La presencia de canales ópticos entre satélites conducirá a la aparición de diferentes servicios para el consumidor. Puede acceder a Internet a través de una puerta de enlace regular con tarifas básicas y con un retraso "estándar" en el canal, o puede elegir la opción de conexión "rápida", cuando su información se envía a través de canales de comunicación entre satélites y "desciende" a la Tierra solo en el punto más cercano al final. puerta. Por supuesto, esta transferencia de datos "rápida" será más cara y, naturalmente, el coste del tráfico transmitido de esta forma será mayor.
Por supuesto, una tarea puramente comercial separada es calcular cuánto debería ser el costo de un tráfico tan "rápido" más alto de lo habitual, y lo principal es si habrá un número suficiente de clientes dispuestos a pagar por un cambio tan fundamental en la arquitectura de la red y las inversiones asociadas en el segmento espacial.
Permítanme recordarles a este respecto las palabras de Jonathan Hofeller, vicepresidente de ventas comerciales de SpaceX: "Necesitamos asegurarnos de que sea rentable antes de crear este (SL) e implementarlo en la constelación Starlink".
Hay otro aspecto de tener enlaces entre satélites en la constelación Starlink, que puede no haber atraído la atención de los especialistas de SpaceX hasta ahora La introducción de ISL permitirá a un suscriptor de Starlink acceder a Internet desde el territorio de otro país o transferir información de un terminal a otro, sin pasar por los centros de comunicaciones terrestres.
Sin embargo, casi todos los países, y aún más desarrollados, tienen normas en su legislación que obligan a todos los operadores de telecomunicaciones a asegurar que los servicios especiales puedan acceder al tráfico transmitido en sus redes. Se trata precisamente de la garantía de asegurar el acceso, ya sea que los servicios especiales lean la correspondencia o no, esto ya es asunto del tribunal y otras normas de la legislación local. Pero los operadores de telecomunicaciones deben proporcionar esto. En los Estados Unidos, esto está regulado por la Ley de Asistencia en Comunicaciones para el Cumplimiento de la Ley (CALEA), adoptada en la era de Bill Clinton, incluso antes de los eventos del 11 de septiembre. Las normas de esta ley y los requisitos para los operadores de telecomunicaciones en los Estados Unidos no están lejos de la legislación rusa sobre SORM y los requisitos correspondientes para los operadores de telecomunicaciones rusos, la misma situación ocurre en la mayoría de los demás estados.
Los requisitos para asegurar SORM plantean dos grupos de problemas. Uno es puramente estadounidense: cómo SpaceX puede convencer al FBI de que cumple con los requisitos de CALEA. Quizás será una lista de suscriptores de Starlink preaprobados por el FBI que pueden usar el servicio con ISL, puede estar prohibido enviar tráfico que se origina fuera de los Estados Unidos a un suscriptor en los Estados Unidos, tal vez ISL transmita tráfico generado solo a través de pasarelas en los Estados Unidos. En general, hay muchas opciones y son objeto de discusión entre SpaceX y el FBI, al fin y al cabo, Elon Musk es un buen ciudadano de Estados Unidos y un patriota de este país.
Pero el tema del acceso de servicios especiales al tráfico de suscriptores comienza a verse completamente diferente si hablamos de otro país.
Si, antes de la introducción de los canales de comunicación entre satélites, SpaceX pudo convencer a cualquier regulador nacional de telecomunicaciones de que todo el tráfico para los suscriptores de este país irá desde la puerta de enlace en su territorio, en la que los servicios especiales / policía suministrarán el dispositivo interceptor policial apropiado, entonces, con la presencia de ISL, deberán hacerlo. o tomar la palabra de una empresa privada estadounidense, o firmar algún tipo de acuerdo de cooperación con el FBI, transfiriendo al FBI parte de la autoridad para interceptar el tráfico de posibles delincuentes de este país. En cualquier caso, hablaremos de limitar la soberanía nacional en su propio territorio para los suscriptores de Starlink.
Por supuesto, lo más probable es que se pueda establecer un intercambio de datos dentro de Estados Unidos y sus aliados en la OTAN o en el mundo occidental, pero incluso en estos países hay conflictos internos, como, por ejemplo, en España -el tema del separatismo de Cataluña, o en Turquía- el enfrentamiento entre Erdogan y sus oponentes. donde no hay crimen o terrorismo, pero las autoridades del país restringen o pueden restringir ciertos sitios en Internet o están interesados en la correspondencia de ciudadanos individuales. Es decir, de hecho, España o Turquía deberían obligar a Estados Unidos a monitorear a sus oponentes políticos, incluso si el gobierno de Estados Unidos no los considera criminales, y
si recordamos a Arabia Saudita (un aliado de Estados Unidos), entonces es poco probable que esté listo para abrir a sus ciudadanos el pleno acceso a sitios de contenido erótico o recursos web que critican al monarca actual.
En definitiva, la introducción de canales de comunicación entre satélites en la constelación SpaceX provocará serios problemas para su entrada en los mercados de comunicaciones comerciales de otros países.
Por tanto, podemos decir que SpaceX se encuentra en una encrucijada. Si se introducen canales de comunicación entre satélites, su servicio generará un interés significativo por parte del ejército, así como de las compañías de cruceros y navieras con sede en los Estados Unidos, pero las posibilidades de brindar servicios de comunicación comercial en los mercados de otros países se deteriorarán significativamente.
- Todo sobre el proyecto Starlink Satellite Internet. Parte 1. Nacimiento del proyecto
- Todo sobre el proyecto Starlink Satellite Internet. Parte 2. Red Starlink
- Todo sobre el proyecto Starlink Satellite Internet. Parte 3. Complejo terrestre
- Todo sobre el proyecto Starlink Satellite Internet. Parte 4. Terminal de abonado
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- Todo sobre el proyecto Starlink Satellite Internet. Parte 13. Retraso de la red de satélite y acceso al espectro de radiofrecuencia