Kas gali siųsti radijo bangas į kosmosą?

Palydovai nėra labai naudingi, jei jie negali susisiekti

Autorius

• Markas Harrisas archyvo puslapis

2019 m. birželio 26 d

Konceptuali iliustracija, kurioje erdvėje pavaizduotas dozatorius „Prašome paimti numerį“. Nikolajus Ortega

Ten darosi perpildymas. Pulkai kubetų, orbitinių kamerų parkai ir pirmieji plačiajuosčio interneto mega žvaigždynai iš tokių kaip „SpaceX“, „Amazon“ ir „OneWeb“ greitai užpildo žemą Žemės orbitą. Jei visos paslaugos pradės veikti taip, kaip planuota, greitai orbitoje gali veikti 10 kartų daugiau palydovų nei šiandien.

Susirūpinimą kelia pavojingų kosminių šiukšlių augimas. Tačiau palydovų operatoriams kyla greitesnis galvos skausmas: vis labiau spaudžiamas radijo dažnių spektras, reikalingas veikti iš orbitos. Ar kosmoso startuoliai, besiginčijantys, kad gautų teisingą dalį, iš tikrųjų galėtų sulaikyti šią besikuriančią pramonę?

Ši istorija buvo mūsų 2019 m. liepos mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Elektromagnetinė spinduliuotė apima platų dažnių ir energijos diapazoną, tačiau tik tam tikros juostos yra naudingos ryšiui į kosmosą ir iš jo. Aukšto dažnio rentgeno spinduliai būtų pavojingi; mikrobangų signalus sugeria atmosfera; žemo dažnio radijo bangos yra mažiau veiksmingos perduodant informaciją ir reikalauja didelių, nepatogių antenų.

Kaip ir žmonės, šaukiantys vakarėlyje, konkuruojantys signalai tuo pačiu radijo dažniu gali trukdyti ir apsunkinti ryšį, todėl spektras turi būti padalintas į mažus gabalus, kad būtų galima naudoti įvairiai. Multipleksavimo sistemos leidžia operatoriams dalytis spektru smulkiai suskaidant laiko tarpsnius ir dažnių kanalus, taip pat koduojant signalus, kad vienu metu būtų galima perduoti daug skirtingų pranešimų. Tačiau dažnių juostos vis tiek turi būti priskirtos konkretiems vartotojams, kad būtų išvengta trukdžių, dėl kurių radijo spektras taptų netinkamas naudoti. Daugelis geidžiamiausių dažnių orbitinėms jungtims buvo skirti tradicinėms radijo ir televizijos transliacijoms dar gerokai prieš paleidžiant pirmuosius palydovus. Dabar, kai dangus prisipildo vis daugiau palydovų, grumtynės dėl radijo dažnių laiko tarpsnių tampa vis aštresnės. Reguliavimo institucijų prašoma spręsti daugiau įmonių, daugiau erdvėlaivių ir daugiau ginčų nei bet kada anksčiau. Dokumentų tvarkymas gali užsitęsti metų metus, net jei entuziastingi startuoliai bando sužlugdyti konservatyvią pramonę.

„Swarm Technologies“ nėra svetimi ginčai dėl reguliavimo. Kai šis nedidelis Silicio slėnio startuolis 2018 m. paleido keturis mažyčius eksperimentinius palydovus, jis negavo reikiamo leidimo iš JAV Federalinės ryšių komisijos – vienos iš agentūrų, kurios patvirtinimas turi būti suteiktas prieš paleidimą. FCC tai sužinojo ir skyrė bendrovei 900 000 USD baudą.

Bendrovė dabar nori paleisti 150 žmonių žvaigždyną, kad galėtų susisiekti su vis didėjančiu prie interneto prijungtų įrenginių skaičiumi Žemėje. Kadangi jos palydovai yra tokie maži, todėl juos paleisti pigu, „Swarm“ mano, kad jo pranešimų paslaugos kainuos daug pigiau nei esamos palydovinės sistemos. Tam tereikia kelių VHF radijo spektro gabalėlių.

Tačiau ilgametis palydovų operatorius „Orbcomm“ pretenduoja į šiuos dažnius dešimtmečius ir valdo vieną iš tų pačių pranešimų sistemų, kurias „Swarm“ siekia sutrikdyti. Peticijoje FCC atmesti „Swarm“ konsteliacijos programą „Orbcomm“ rašė, kad startuolis bando tiesiog nepaisyti „Orbcomm“ aiškiai suteiktų … spektro teisių.

Orbitoje tikrai kyla problemų dėl trūkumo, sako Thomas Hazlett, Klemsono universiteto ekonomikos profesorius ir knygos autorius. Politinis spektras . Jei norite prijungti palydovą ryšiui, gali kilti konfliktų su kitais vartotojais. Tikrai reikia taisyklių, kurios padėtų koordinuoti šį naudojimą.

Tarptautinė telekomunikacijų sąjunga (ITU) yra institucija, kuriai pavesta pašalinti šias konkuruojančias pretenzijas. Sukurta XIX amžiaus viduryje, siekiant standartizuoti telegrafo technologijas, ir nuo kosmoso amžiaus aušros padėjo reguliuoti, kas gali iškelti palydovus į orbitą. Agentūra, kuri taip pat suteikia galimybę skambinti telefonu iš vienos šalies į kitą, be daugybės kitų reguliavimo įsipareigojimų, dabar yra Jungtinių Tautų dalis. Tačiau atskiros šalys taip pat nori ką nors pasakyti apie virš galvos skraidančius erdvėlaivius. Tai reiškia, kad operatoriai, tokie kaip „Swarm“, taip pat turi dirbti su nacionalinėmis agentūromis šalyse, kuriose jie ketina veikti (ypač FCC kontroliuoja prieigą prie itin svarbios Amerikos rinkos).

Nenuostabu, kad naujokai mano, kad šios taisyklės yra kliūtys, kuriomis siekiama juos išlaikyti. Ilgame atsakyme FCC „Swarm“ teigė, kad „Orbcomm“ neturi teisių į spektrą, kurį nori naudoti, ir kad bendrovės lengvabūdiška peticija yra ne kas kita, kaip ilgamečio monopolisto bandymas pasinaudoti licencijavimo procesu, kad išlaikytų savo privilegijas.

Stabilios žiedinės orbitos aplink Žemę yra susijusios su tam tikrais greičiais, kurie kinta priklausomai nuo aukščio. (Eliptinėse orbitose esantys palydovai pagreitėja, kai priartėja prie Žemės, ir sulėtėja, kai pasiekia tolimiausią savo orbitos tašką.) Esant 35 786 kilometrų (22 236 mylių) atstumui, orbitos greitis atitinka Žemės sukimąsi. Erdvėlaivis, skriejantis tiesiai virš pusiaujo tame aukštyje, stebėtojui ant paviršiaus atrodys sustingęs danguje. Tokie geostacionarūs laiko tarpsniai leidžia vienam dideliam palydovui aptarnauti plačią geografinę sritį, tiek perduodant ryšius, tiek, pavyzdžiui, stebint orą.

Jei tarp gretimų palydovų liktų tam tikra erdvė, šiame dideliame apskritime yra gal 1800 naudingų geostacionarių taškų, iš kurių maždaug 400 buvo užimti bėgant metams. Kaip ir galima tikėtis, yra daugiau susidomėjimo vietomis virš turtingų regionų, tokių kaip Šiaurės Amerika ir Europa, nei virš retai apgyvendintų Ramiojo vandenyno salų. Šalims buvo skirti laiko tarpsniai virš jų ilgumos, o tada atskiriems palydovams buvo leista apsigyventi eilės tvarka.

Nikolajus Ortega

Iš pradžių spektras atrodė išsprendžiama problema. Ne tik dažniai turėjo būti suskirstyti tarp kelių operatorių vienoje srityje, bet ir tie patys dažniai galėjo būti pakartotinai naudojami visame pasaulyje. Visi suprato taisykles, sako Timas Farraras iš palydovinės konsultacinės įmonės TMF Associates.

Tačiau žaidimo taisyklės keičiasi. Operatoriai nori supakuoti mažus, pigius palydovus į dalijimosi raketas ir išsiųsti jas į žemąją Žemės orbitą arba LEO. Vos keli šimtai ar tūkstančiai kilometrų į viršų palydovai su kameromis daug geriau mato planetą; ryšių sistemoms trumpesnis atstumas iki paviršiaus gali sutaupyti energijos ir sumažinti delsą. Galima rinktis iš daugybės aukščių ir orbitų, todėl vietos turėtų būti visiems.

Spektras dabar tampa ribojančiu veiksniu, kuris gali diegti naujus ryšių žvaigždynus. LEO palydovai apskrieja aplink planetą per kelias valandas, todėl gali trukdyti ne tik vienas kitam, bet ir kiekvienam geostacionariam palydovui, kurį jie praleidžia. Iš pradžių ITU sprendimas buvo padaryti tą patį, ką padarė geostacionariai orbitai: pirmenybė buvo suteikta pirmajam operatoriui, pateikusiam prašymą naudoti spektro pjūvį. Visi sekantys turės sutikti nesikišti.

Spektras dabar tampa ribojančiu veiksniu, kuris gali diegti naujus ryšių žvaigždynus.

Tačiau trukdžiai yra slidi sąvoka. Geostacionarinis koordinavimas yra gana paprastas, sako Diederikas Kelderis, „LeoSat“, planuojančios mažiausiai 84 interneto palydovų konsteliaciją LEO, vyriausiasis strategijos pareigūnas. Tuo tarpu [LEO] tai labai sudėtingas dalykas. Norint suvokti poveikį, reikia labai sudėtingų modeliavimo įrankių.

Numatydamas artėjančią spektro trūkumą, FCC nusprendė toliau taikyti spektro pasidalijimo politiką, pagal kurią visi, planuojantys naudoti panašius dažnius, būtų svarstomi tuo pačiu metu – vadinamieji apdorojimo raundai, kurie teoriškai sukurtų sąžiningesnes sąlygas.

Tačiau atsirado nenumatytų pasekmių. Kilo daugiau ginčų, nes nauji rinkos dalyviai bando rasti reguliavimo spragų ar techninių pataisymų, o įsitvirtinę operatoriai bando apsaugoti savo dažnius nuo trukdžių, tiek realių, tiek įsivaizduojamų. Paskata įmonėms kuo greičiau teikti paraiškas dėl dažnių taip pat reiškia, kad jos turi pateikti užklausas ITU ir FCC gerokai anksčiau nei jų palydovai buvo pastatyti arba kartais net iki galo suprojektuoti.

„SpaceX“ yra ambicingiausias iš naujosios LEO kartos. 2015 m. Elonas Muskas pristatė planą panaudoti milžinišką palydovų žvaigždyną, vadinamą Starlink, kad būtų užtikrintas pasaulinis plačiajuostis internetas, kuris pasiektų daugelį besivystančių ir nepakankamai aptarnaujamų regionų. „SpaceX“ iš pradžių prašė leidimo paleisti 4 425 palydovus, tačiau 2017 m. jų skaičius padidėjo iki beveik 12 000 – žvaigždynui, kurį FCC pagaliau licencijavo 2018 m.

Prieš paleidžiant pirmuosius komercinius palydovus, „SpaceX“ dar kartą sugalvojo savo planą, prašydama perkelti kai kuriuos palydovus arčiau Žemės ir pakeisti jų naudojamus dažnius. Manoma, kad jos pačios analizės neparodė naujų trukdžių, tačiau kitos palydovinės bendrovės nebuvo patenkintos. Kitas palydovinio ryšio startuolis „Kepler“ pavadino savo teiginius iš esmės klaidinančiais. „OneWeb“, planuojantis savo didesnę nei 2500 interneto palydovų konsteliaciją, panašiai teigė, kad „SpaceX“ trukdžių skaičiavimai [apėmė] klaidinančias veiklos prielaidas, neišsamų analizės parametrų rinkinį ir labai klaidinančias išvadas.

FCC patvirtino „SpaceX“ planą, o įmonė gegužę paleido pirmuosius 60 „Starlink“ palydovų. Jos varžovai dabar turės paleisti savo palydovus tikėdamiesi, kad jų susirūpinimas dėl trukdžių buvo nepagrįstas.

Bent jau šis ginčas buvo greitai išspręstas. Naujokų košmaras yra tas, kad ginčai gali sukelti nesibaigiančius reguliavimo vėlavimus.

Pavyzdžiui, 2001 m. bendrovė „Mobile Satellite Ventures“ kreipėsi į FCC, norėdama perskirti kai kuriuos savo palydovų dažnius hibridinei palydovinio ir antžeminio ryšio paslaugai. Po dešimties metų bendrovė, dabar vadinama „LightSquared“, gavo sąlyginį atsisakymą tęsti veiklą, kuri buvo greitai sustabdyta dėl susirūpinimo, kad ji gali trukdyti GPS navigacijos signalams. „LightSquared“ beveik iš karto pateikė bankroto bylą, tačiau, praėjus beveik dešimtmečiui ir dar vienam pavadinimui, „Ligado Networks“ tęsia „LightSquared“ kovą. Jis pažadėjo sumažinti savo transmisijų galią daugiau nei 99%, tačiau vis dar susiduria su nuolatiniu atstūmimu iš nervingų ir galbūt pavydžių oro erdvės konkurentų.

„Ligado“ sprendimas iššvaistyti 40 MHz palydovinio spektro neturėtų būti apdovanotas netikėtai, konkuruojantis palydovų operatorius „Iridium“ 2018 m. liepos mėn. parašė FCC. Balandžio mėn. „Ligado“ susitikime su FCC pažymėjo, kad agentūra svarstė savo naujausią paraišką daugiau nei 1000 dienų. Kai šis klausimas išėjo į spaudą, FCC dar turėjo priimti sprendimą.

Nepaisant to, Ligado požiūris parodo, kaip technologijos gali padėti numalšinti kivirčus. Dėl vis jautresnių imtuvų įmonė sugebėjo smarkiai sumažinti energijos poreikį. Sutankinimo sistemos taip pat toliau tobulėja dėl patobulintos skaičiavimo galios ir vis sudėtingesnių, sumanesnių signalų kodavimo ir dekodavimo metodų.

Didelio stiprumo antenos leidžia palydovams sukurti sufokusuotus taškinius spindulius, nukreiptus į konkrečias sritis po jais. Kuo stipresnis fokusavimas, tuo dažniau tuos dažnius galima naudoti pakartotinai. Kitos naujos sistemos planuoja naudoti dar labiau sufokusuotus lazerius, kad vienas palydovas galėtų susisiekti su kitu, taip sumažinant radijo dažnių poreikį. Naujos fazinės matricos technologijos reiškia, kad palydovinius signalus dabar galima priimti mažomis ir pigiomis elektroniniu būdu valdomomis plokščiaekranėmis antenomis, o ne senais nepatogiais paraboliniais indais. GPS įranga aprūpinti palydovai ir vartotojo terminalai gali būti užprogramuoti taip, kad būtų išvengta perdavimo į konkuruojančius LEO arba geostacionarius palydovus.

Kai kurie ekspertai mano, kad geriausias būdas išlaisvinti technologines naujoves yra reguliavimas atsitraukti į rinka pagrįstus sprendimus, pavyzdžiui, esamus antžeminio belaidžio spektro aukcionus. Tačiau nėra aiškaus tokio pasaulinio spektro aukciono mechanizmo.

Bet kuriuo atveju, nors nemokamų palydovų dažnių paskirstymas paverčiamas prekiaujamomis teisėmis gali paskatinti bendradarbiavimą kovojant su kliūtimis, pasauliniu mastu tai būtų sudėtingas procesas. Orbitinėje ekonomikoje jau dominuoja keletas galingiausių pasaulio valstybių. Panašu, kad suteikus pirmenybę įmonėms, turinčioms giliausias kišenes, istorinė nelygybė išliks ir besivystančios šalys, turinčios daugiausia naudos, pasiekdamos kitą technologijų ribą, neįtrauks.

Ne visi mato, kad reikia revoliucijos orbitoje. Farrar mano, kad palydovai ir antžeminės stotys bus reguliariai priverstos pristabdyti veikimą, kol trukdžių rizika sumažės, taip smarkiai sumažinant jų pajėgumus ir iškilus grėsmei ir taip netvirtais verslo planams. Ekonominiu požiūriu būtų katastrofa, jei visi gautų veiklą, sako jis. Tačiau neįsivaizduojama, kad [visos šios įmonės] darys tai, ką paskelbė, kad ketina daryti.

Tokiu atveju vingiuota biurokratija, kuri atideda, atidėlioja ir trikdo verslo planus, gali būti kaip tik tai, ko reikia erdvės.

Markas Harrisas yra rašytojas Sietle ir dažnas bendradarbis.

paslėpti