وصلات بين الأقمار الصناعية
في 3 سبتمبر 2020 ، أعلنت شركة SpaceX عن الاختبارات الأولى للرابط بين الأقمار الصناعية (ISL).
تم الإعلان عن وجود مثل هذه القنوات في كوكبة Starlink في البداية ، ولكن تم التخلي عنها لاحقًا في الجيل الأول من الأقمار الصناعية لتوفير الوقت والمال.
ستجعل القنوات بين الأقمار الصناعية من الممكن حل مشكلة الاتصال في تلك المناطق من الكوكب حيث يستحيل تركيب بوابة على الأرض مع وصلة ألياف ضوئية متصلة بها للوصول إلى الإنترنت. حاليًا ، لا تستطيع Starlink تقديم خدمات في البحار والمحيطات ، باستثناء مسافة قصيرة من الساحل ، وبالتالي تنأى بنفسها عن السفن السياحية المربحة للغاية وأسواق الشحن البحري التجاري ، وكذلك عن معظم الرحلات الجوية الطويلة في الطيران المدني العالمي. ...
ميزة أخرى مثيرة للجدل على نطاق واسع لـ ISL هي أن سرعة انتشار الإشارة في الفضاء تساوي سرعة الضوء ، لكنها أقل في الكبل البصري ، ومن الناحية النظرية ، فإن التأخير عند استخدام أقمار Starlink الصناعية مع ISL سيكون أقل من عند استخدام الكابلات البحرية عبر المحيط الأطلسي التي تربط الولايات المتحدة مع أوروبا وآسيا وأستراليا ، وهذا سيجذب سماسرة الأسهم الذين يتداولون في بورصات هذه القارات.
قبل الانتقال إلى المناقشة ، دعنا نتحدث قليلاً ، في الواقع ، عن تقنية الاتصال بالليزر.
اليوم ، تُستخدم أشعة الليزر على نطاق واسع لنقل كميات هائلة من البيانات عبر كابلات الألياف الضوئية. إن استخدامها في الفضاء له إمكانات أكبر ؛ فغياب وسيط نقل مادي سيجعل من الممكن الحصول على سرعة عالية لنقل المعلومات. ميزة أخرى لليزر هي أن الضوء له طول موجي أقصر بـ 10000 مرة من الأطوال الموجية لموجات الراديو المستخدمة في الاتصالات الفضائية (أو تردد إرسال أعلى بـ 10000 مرة). هذا يعني أن ضوء الليزر يمكن أن ينتقل في شعاع أضيق ، وسوف يتطلب مستقبلات أصغر من أجل استقبال إشارة كافية لمعالجة السعة. بالإضافة إلى زيادة مستوى أمان الاتصالات الفضائية ، سيؤدي ذلك إلى تقليل وزن وأبعاد معدات الاتصالات ،يتم إنفاق الكثير من الأموال على توصيلها إلى الفضاء.
الشكل: منظر للمجموعة المدمجة للاتصال بالليزر LLCD (عرض اتصال الليزر القمري) ، والتي شاركت في تجربة NASA LADEE (مستكشف الغلاف الجوي القمري وبيئة الغبار) في عام 2013: الاتصال بين الأرض ومركبة فضائية في مدار القمر.
تجدر الإشارة إلى أن عرض النطاق الترددي لقناة الاتصال يتم تحديده ، من بين أمور أخرى ، من خلال قطر البصريات المستقبلة ، على سبيل المثال ، بدت محطة الاستقبال الأرضية لهذه التجربة على النحو التالي:
في الوقت نفسه ، بلغ معدل الإرسال من المدار القمري 622 ميجابت / ثانية ، لكن معدل الإرسال في الاتجاه المعاكس ، على الرغم من الحجم الكبير للمحطة المرسلة من الأرض ، لم يكن أكثر من 20 ميجابت / ثانية. أي أن حجم بصريات الاستقبال والمسافة بين المرسل والمستقبل للإشارة يلعبان دورًا رئيسيًا.
في الوقت الحالي ، ينصب التركيز الرئيسي على استخدام الاتصالات بالليزر للتواصل بين الأرض والأقمار الصناعية الأرضية. على سبيل المثال ، تزن مجموعة تطوير واحدة على متن الطائرة من Mynaric AG (ألمانيا) للاتصالات بالليزر 7-15 كجم. يمكن لهذه المجموعة نقل 10 جيجابت في الثانية على مدى 4500 كم. تدرس الشركة المصنعة 100 جيجابت في الثانية ، لكن منتجاتها الحالية تعمل بسرعة 10 جيجابت في الثانية. لاحظ أن محطة الاستقبال على الأرض لاستقبال البيانات بهذه السرعات لها أبعاد أكثر من رائعة.
يوضح الشكل محطة الليزر الأرضية Mynaric.
وفقًا لمايناريك ، فإن استهداف المركبة الفضائية والتقاطها وتعقبها هي المشكلة الأكثر تحديًا في اتصالات الليزر الفضائية. تتمثل المقايضة الأساسية هنا في إيجاد حل وسط بين دقة التصويب وقوة حزمة الضوء: فكلما قل تباعد (تشتت) الحزمة الضوئية ، زادت الإشارة عند المستقبِل ، ولكن في هذه الحالة تكون متطلبات دقة التوجيه أعلى. يمكن أن يصل تباين شعاع ضوء الليزر الحديث إلى 10 مراد (أو 0.00057 درجة). لاحظ أنه في هذه الحالة ، يبلغ قطر شعاع الضوء على مسافة 1000 كم 10 أمتار فقط ، وستكون مهمة "ضربها" بقمر صناعي آخر صعبة للغاية على نظام التوجيه.
يجب أن نتذكر أنه مع الاتصال بين القمر الصناعي والأرض ، لدينا على جانب واحد كائن ثابت بشكل صارم في الفضاء ، مع قناة اتصال بين الأقمار الصناعية ، فإن تعقيد تنظيم جلسة اتصال يتضاعف عمليًا.
إذا لم تتمكن المعدات الموجودة على القمر الصناعي من توفير دقة التوجيه هذه ، فلا يزال يتعين عليك تحمل تشتت الحزمة العريضة ، والتي ، مع وجود قوة إرسال ثابتة على متن القمر الصناعي وحجم جهاز الاستقبال البصري ، يقلل بشكل كبير من سرعة نقل قناة الاتصال هذه.
نلاحظ أيضًا نقطة أخرى: إذا كانت مجموعة واحدة من الاتصالات بالليزر كافية لقمر صناعي واحد لتواصله مع الأرض ، والتي ستكون موجهة في جلسة الاتصال إلى الأرض ، ثم في نظام معقد ومتعدد الأقمار الصناعية مثل Starlink لتنظيم خدمة ، أي قناة اتصال مستمرة في أي مكان. في الوقت من اليوم ، يجب أن يحتوي كل قمر صناعي على 4 مجموعات من وحدات الاتصال بالليزر الموجهة في جميع الاتجاهات الأربعة. في الوقت نفسه ، من المهم أنه حتى مع وجود أربع وحدات ، سيكون من الضروري ضمان انحراف الحزمة في الوحدة في نطاق 90 درجة (زائد / ناقص 45 درجة من المحور) ، مما يجعل تصميم مثل هذه الوحدة معقدًا للغاية وقد يتطلب أجهزة دوارة ميكانيكية في وحدة الاتصال بالليزر. ... إذا لم يتم ضمان زاوية الانحراف بزاوية 45 درجة تلقائيًا ،ثم هناك مناطق "ميتة" للاستقبال / الإرسال من قمر صناعي معين ، مما سيؤدي إلى حقيقة أن الاتصال لن يتم تنظيمه على طول أقصر طريق ، وسيتطلب التحكم في إرسال ISL حسابًا مستمرًا لـ "المناطق الميتة" لكل قمر صناعي في كل لحظة من الوقت مع أخذ ذلك في الاعتبار عند وضع "الطريق".
قضية منفصلة هي تخطيط وضع الوحدات على القمر الصناعي. تم تحسين القمر الصناعي Starlink الآن ليلائم بإحكام قدر الإمكان داخل هيكل صاروخ Falcon 9 وهو مستطيل الشكل بارتفاع منخفض إلى حد ما ، ولكن في هذا الجانب "القصير" يجب وضع الوحدات البصرية (واحدة على كل جانب). السؤال هو ما إذا كان من الممكن ملاءمتها مع التصميم الحالي للقمر الصناعي ، حتى مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن SpaceX ستصمم بنفسها الوحدات النمطية للاتصالات بالليزر والبصريات الخاصة بها. انطلاقًا من وصف معدات الاتصال البصري ، يتم تنفيذ التحكم في اتجاه الحزمة بواسطة نظام العدسة ، ويتطلب هذا الجزء البصري أبعادًا كبيرة إلى حد ما عندما يتعلق الأمر بالإرسال مع الإنتاجية العالية.
لاحظ أيضًا أن أجهزة الإرسال لاتصالات الليزر هي مستهلكات طاقة جديدة على متنها ، وكفاءتها لا تتجاوز 25٪ ، أي أن المشكلة تنشأ في استخدام وإلقاء 75٪ المتبقية من الطاقة المستهلكة في الفضاء ، والتي ، على الرغم من أنها ليست حرجة ، مهمة تتطلب حلا هندسيا.
هناك مشكلة منفصلة وأكثر تعقيدًا وأهمية تتمثل في إدارة حركة المرور الموجهة إلى قناة الاتصال البصري. دعونا نتذكر أن أقمار الاتصالات "الكلاسيكية" الموجودة في المدار الثابت بالنسبة للأرض هي مكررات ، أي مع المرايا. يستقبلون إشارة من الأرض على تردد واحد وينقلونها من قمر صناعي إلى الأرض على آخر ، ولكن دون تغيير التشكيل والمعلمات الأخرى للإشارة نفسها.
من أجل الفهم ، سنعرض بمثال أولي ما هو التعديل وكيف يتم إرسال المعلومات المفيدة في إشارة الراديو.
يتم التمييز بين الموجة الحاملة وإشارة النطاق الأساسي. إذا كنا نتحدث عن إرسال إشارة تناظرية ، فسيتم فرض إشارة أخرى على تردد الموجة الحاملة ، وتغيير سعة تردد الموجة الحاملة:
أ) نوع إشارة تردد الموجة الحاملة ،
ب) نوع إشارة التعديل (معلومات مفيدة) ، ج
) نوع الإشارة المرسلة بمعلومات مفيدة.
لإرسال المعلومات الرقمية ، يبدو تردد الموجة الحاملة والإشارة المعدلة بمعلومات مفيدة على النحو التالي:
الشيء الرئيسي هنا هو الافتقار إلى معالجة الإشارات (إزالة التشكيل) على متن القمر الصناعي ، وبالتالي ، المعدات الخاصة بذلك.
لذلك ، عند العمل في النطاق Ku ، يتم إرسال الإشارة من البوابة إلى القمر الصناعي بترددات تتراوح من 14 إلى 14.5 جيجاهرتز ، وتغير الإشارة على متن الطائرة تردد الموجة الحاملة ومع التعديل المستمر (معلومات مفيدة) يتم نقلها إلى محطة المشترك عند الترددات 10.7-11 ، 2 جيجاهرتز. ومع ذلك ، فإن إدراج قنوات اتصال الليزر في بنية شبكة Starlink سيتطلب التوجيه على متن القمر الصناعي وفصل تدفقات المعلومات من محطة المشترك إلى تلك التي سيتم نقلها إلى البوابة أو عبر القناة بين الأقمار الصناعية. إن أبسط طريقة دون تعقيد كبير في تصميم القمر الصناعي نفسه هي تخصيص نطاق تردد خاص داخل النطاق المشترك ، حيث يتم إرسال الإشارة والمعلومات المرسلة ، عند دخولها إلى القمر الصناعي ، حصريًا إلى قناة الاتصال بين الأقمار الصناعية. أي إشارة لاسلكية عالية التردد تحمل البياناتمتراكب على إشارة الضوء قبل الإرسال عبر قناة بصرية بطول موجة يتراوح من 1000 إلى 1500 نانومتر (RF عبر تقنية الألياف). إنه أبسط ، لكنه يعني:
أ) سيكون معدل نقل القنوات بين الأقمار الصناعية محدودًا في البداية ،
ب) سيتم استبعاد مورد التردد بالكامل المستخدم لنقل المعلومات المرسلة بشكل أكبر من خلال قنوات الاتصال بين الأقمار الصناعية لخدمة المشتركين العاديين خلال الفترة التي يحلق فيها القمر الصناعي فوق منطقة يوجد بها بوابات كافية ولا توجد حاجة في القنوات بين الأقمار الصناعية ،
ب) بدرجة عالية من الاحتمال ، ستكون هناك حاجة إلى مطاريف مشترك خاصة تعمل في وضع التردد المزدوج.
بديل لهذا الخيار هو معالجة المعلومات على متن القمر الصناعي. أي أن الإشارة الراديوية المستلمة من طرف المشترك يتم إعادة تشكيلها وفك تشفيرها إلى مستوى حزم IP ، المرسلة إلى جهاز التوجيه ، الذي يوزع بالفعل المعلومات على تردد الراديو أو قناة الاتصال البصري.
تتيح هذه الطريقة الاستخدام المرن لكامل نطاق التردد المتاح ولا تتطلب محطات خاصة للمشتركين ، ولكنها تتطلب موجهًا داخليًا قادرًا على معالجة الحزم بسرعات تصل إلى 20 جيجابت في الثانية. في الوقت نفسه ، لا ينبغي أن يعمل معالج هذا الموجه في غرفة مكيفة بشكل صارم في مركز بيانات مع نطاق ضيق من درجات حرارة التشغيل ، ولكن في مساحة مفتوحة ، حيث ستكون درجات الحرارة ، حتى في وجود نظام تبريد وتنظيم حراري قوي ، في نطاق درجة حرارة أكبر. في الوقت نفسه ، سيؤثر وجود SOTR قوي بلا شك على معلمات كتلة وحجم القمر الصناعي.
لاحظ ، مع ذلك ، أن جميع المشكلات المذكورة أعلاه ذات طبيعة فنية ويمكن حلها من حيث المبدأ.
سيؤدي وجود قنوات بصرية بين الأقمار الصناعية إلى ظهور خدمات مختلفة للمستهلك. يمكنه الوصول إلى الإنترنت من خلال بوابة عادية بالتعريفات الأساسية وبتأخير "قياسي" في القناة ، أو يمكنه اختيار خيار الاتصال "السريع" ، عندما يتم إرسال معلوماته عبر قنوات الاتصال بين الأقمار الصناعية و "تنزل" إلى الأرض فقط عند الأقرب إلى نقطة النهاية بوابة. بالطبع ، سيكون نقل البيانات "السريع" هذا أكثر تكلفة ، وستكون تكلفة نقل البيانات بهذه الطريقة أعلى بطبيعة الحال.
بطبيعة الحال ، هناك مهمة تجارية بحتة منفصلة وهي حساب مقدار تكلفة هذه الحركة "السريعة" التي يجب أن تكون أعلى من المعتاد ، والشيء الرئيسي هو ما إذا كان سيكون هناك عدد كافٍ من العملاء المستعدين للدفع مقابل مثل هذا التغيير الأساسي في بنية الشبكة والاستثمارات المرتبطة بها في قطاع الفضاء.
دعني أذكرك في هذا الصدد بكلمات جوناثان هوفيلر ، نائب رئيس المبيعات التجارية لشركة SpaceX: "نحتاج إلى التأكد من أنها فعالة من حيث التكلفة قبل إنشاء هذا (SL) وتنفيذه في كوكبة Starlink."
هناك جانب آخر لوجود روابط بين الأقمار الصناعية في الكوكبة Starlink ، التي ربما لم تجذب انتباه المتخصصين في SpaceX حتى الآن ، سيسمح إدخال ISL لمشترك Starlink بالوصول إلى الإنترنت من أراضي دولة أخرى أو نقل المعلومات من محطة إلى أخرى ، متجاوزًا أي مراكز اتصالات أرضية.
ومع ذلك ، فإن جميع البلدان تقريبًا ، وحتى الأكثر تقدمًا ، لديها معايير في تشريعاتها تلزم جميع مشغلي الاتصالات بضمان إمكانية وصول الخدمات الخاصة إلى حركة المرور المنقولة في شبكاتهم. يتعلق الأمر على وجه التحديد بضمان ضمان الوصول ، سواء كانت الخدمات الخاصة ستقرأ المراسلات أم لا ، فهذا بالفعل مسألة للمحكمة وغيرها من قواعد التشريع المحلي. لكن يجب على مشغلي الاتصالات توفير ذلك. في الولايات المتحدة ، يتم تنظيم هذا من خلال قانون مساعدة الاتصالات لإنفاذ القانون (CALEA) ، المعتمد في عهد بيل كلينتون ، حتى قبل أحداث 11 سبتمبر. قواعد هذا القانون ومتطلبات مشغلي الاتصالات في الولايات المتحدة ليست بعيدة عن التشريعات الروسية بشأن SORM والمتطلبات المقابلة لمشغلي الاتصالات الروسية ، ونفس الوضع في معظم الولايات الأخرى.
تشكل متطلبات دعم SORM مجموعتين من المشاكل. أحدهما أمريكي بحت - كيف يمكن لـ SpaceX إقناع مكتب التحقيقات الفيدرالي بأنه يتوافق مع متطلبات CALEA. ربما تكون هذه قائمة بمشتركي Starlink المعتمدين مسبقًا من قبل مكتب التحقيقات الفيدرالي (FBI) الذين يمكنهم استخدام الخدمة مع ISL ، وقد يُحظر إرسال حركة المرور الصادرة من خارج الولايات المتحدة إلى مشترك في الولايات المتحدة ، أو قد تقوم ISL بنقل حركة المرور التي تم رفعها فقط من خلال بوابات في الولايات المتحدة. بشكل عام ، هناك العديد من الخيارات وهي موضوع نقاش بين SpaceX ومكتب التحقيقات الفيدرالي ، بعد كل شيء ، يعد Elon Musk مواطنًا صالحًا للولايات المتحدة ووطنيًا لهذا البلد.
لكن مسألة الوصول إلى الخدمات الخاصة لحركة المشتركين تبدأ في الظهور بشكل مختلف تمامًا إذا كنا نتحدث عن بلد آخر.
إذا كان بإمكان سبيس إكس ، قبل إدخال قنوات الاتصال بين الأقمار الصناعية ، إقناع أي منظم اتصالات وطني بأن جميع حركة المرور للمشتركين في هذا البلد ستنتقل من البوابة الموجودة على أراضيها ، حيث ستقوم الخدمات الخاصة / الشرطة بتزويد جهاز اعتراض الشرطة المناسب ، فعند وجود ISL سيتعين عليهم القيام بذلك. إما أن تأخذ كلمة شركة أمريكية خاصة ، أو توقع نوعًا من اتفاقية التعاون مع مكتب التحقيقات الفيدرالي ، مما يمنح مكتب التحقيقات الفيدرالي جزءًا من السلطة لاعتراض حركة المجرمين المحتملين من هذا البلد. على أي حال ، سنتحدث عن تقييد السيادة الوطنية على أراضيهم لمشتركي Starlink.
بالطبع ، سيكون من الممكن على الأرجح إنشاء تبادل بيانات داخل الولايات المتحدة وحلفائها في الناتو أو العالم الغربي ، ولكن حتى في هذه البلدان هناك صراعات داخلية ، على سبيل المثال ، في إسبانيا - قضية انفصالية كاتالونيا ، أو في تركيا - المواجهة بين أردوغان وخصومه حيث لا توجد جريمة أو إرهاب ، لكن سلطات الدولة تقيد أو قد تقيد مواقع معينة على الإنترنت أو تهتم بمراسلات المواطنين الأفراد. في الواقع ، يجب على إسبانيا أو تركيا إلزام الولايات المتحدة بمراقبة خصومها السياسيين ، حتى لو لم تعتبرهم حكومة الولايات المتحدة مجرمين ،
وإذا تذكرنا المملكة العربية السعودية (حليفة الولايات المتحدة) ، فمن غير المرجح أن تكون مستعدة لفتح الوصول الكامل لمواطنيها إلى مواقع ذات محتوى جنسي أو موارد ويب تنتقد العاهل الحالي.
باختصار ، سيؤدي إدخال قنوات الاتصال بين الأقمار الصناعية في كوكبة SpaceX إلى مشاكل خطيرة لدخولها إلى أسواق الاتصالات التجارية في البلدان الأخرى.
وبالتالي ، يمكننا القول أن سبيس إكس على مفترق طرق. إذا تم إدخال قنوات الاتصال بين الأقمار الصناعية ، فستولد خدمتها اهتمامًا كبيرًا من الجيش ، وكذلك شركات الرحلات البحرية والشحن الموجودة في الولايات المتحدة ، لكن فرص تقديم خدمات الاتصالات التجارية في أسواق البلدان الأخرى ستتدهور بشكل كبير.
- كل شيء عن مشروع Starlink Satellite Internet. الجزء 1. ولادة المشروع
- كل شيء عن مشروع Starlink Satellite Internet. الجزء 2. شبكة Starlink
- كل شيء عن مشروع Starlink Satellite Internet. الجزء 3. مجمع الأرض
- كل شيء عن مشروع Starlink Satellite Internet. الجزء 4. محطة المشترك
- « Starlink». 5. Starlink -
- « Starlink». 6. -
- « Starlink». 7. Starlink RDOF
- « Starlink». 8.
- « Starlink». 9.
- « Starlink». 10. Starlink
- « Starlink». 11. Starlink
- « Starlink». 12. Starlink
- كل شيء عن مشروع Starlink Satellite Internet. الجزء 13. تأخير الشبكة الساتلية والوصول إلى طيف الترددات الراديوية