211service.com
Hvem kan sende radiobølger i rummet?
Satellitter er ikke meget nyttige, hvis de ikke kan kommunikere
26. juni 2019
En konceptuel illustration, der viser en 'Please take a number'-dispenser i rummet Nicolas Ortega
Det bliver trængt deroppe. Flokke af cubesats, flåder af kredsende kameraer og de første bredbåndsinternet-megakonstellationer fra f.eks. SpaceX, Amazon og OneWeb fylder hurtigt lavt kredsløb om Jorden. Hvis alle tjenester starter som planlagt, kan der snart være 10 gange så mange satellitter, der opererer i kredsløb, som der er i dag.
Stigningen i farligt rumskrot er en bekymring. Men der er en mere umiddelbar hovedpine for satellitoperatører: et strammere klem på det radiofrekvensspektrum, der kræves for at operere fra kredsløb. Kunne rumstartups, der skændes om at få deres rimelige andel, faktisk holde denne begyndende industri tilbage?
Denne historie var en del af vores juli 2019-udgave
- Se resten af problemet
- Abonner
Elektromagnetisk stråling spænder over en bred vifte af frekvenser og energier, men kun specifikke bånd er nyttige til kommunikation til og fra rummet. Højfrekvente røntgenstråler ville være farlige; mikrobølgesignaler absorberes af atmosfæren; lavfrekvente radiobølger er mindre effektive til at transmittere information og kræver store, klodsede antenner.
Ligesom folk, der råber til en fest, kan konkurrerende signaler på samme radiofrekvens forstyrre og besværliggøre kommunikationen, så spektret skal udstykkes i små bidder til forskellige formål. Multiplekssystemer gør det muligt for operatører at dele spektrum ved at finskære tidsslots og frekvenskanaler samt ved at indkode signaler, så mange forskellige beskeder kan transmitteres samtidigt. Men frekvensbånd skal stadig tildeles bestemte brugere for at undgå interferens, der ville gøre radiospektrum ubrugeligt. Mange af de mest ønskværdige frekvenser til orbitale forbindelser blev tildelt traditionelle radio- og tv-udsendelser længe før de første satellitter blev opsendt. Nu, efterhånden som himlen fyldes med flere satellitter, bliver kampen om radiofrekvensslots stadig mere voldsom. Regulatorer bliver bedt om at håndtere flere virksomheder, flere rumfartøjer og flere tvister end nogensinde før. Papirarbejde kan strække sig i årevis, selv når entusiastiske startups forsøger at forstyrre en konservativ industri.
Swarm Technologies er ikke fremmed for reguleringsstridigheder. Da denne lille Silicon Valley-startup lancerede fire bittesmå eksperimentelle satellitter i 2018, forsømte den at indhente den nødvendige tilladelse fra US Federal Communications Commission, et af de agenturer, hvis godkendelse skal gives, før opsendelsen kan finde sted. FCC fandt ud af det og gav virksomheden en bøde på 900.000 USD.
Virksomheden ønsker nu at lancere en 150 mand stor konstellation til at kommunikere med det voksende antal internet-tilsluttede enheder på Jorden. Fordi dets satellitter er så små og dermed billige at opsende, regner Swarm med, at deres beskedtjenester vil koste en størrelsesorden mindre end eksisterende satellitsystemer. Det eneste, den behøver, er et par stykker VHF-radiospektrum.
Men den mangeårige satellitoperatør Orbcomm har gjort krav på disse frekvenser i årtier, og den driver et af de meget beskedsystemer, som Swarm sigter mod at forstyrre. I et andragende til FCC om at afvise Swarms konstellationsansøgning skrev Orbcomm, at opstarten forsøger blot at ignorere Orbcomms klart overbeviste … spektrumrettigheder.
Der er virkelig mangel på bekymringer i kredsløb, siger Thomas Hazlett, økonomiprofessor ved Clemson University og forfatter til Det politiske spektrum . Hvis du ønsker at sætte en satellit op til kommunikation, kan du have potentielle konflikter med andre brugere. Der er et reelt behov for regler for at hjælpe med at koordinere denne brug.
International Telecommunications Union (ITU) er det organ, der har til opgave at fjerne disse konkurrerende krav. Den blev dannet i midten af det 19. århundrede for at standardisere telegrafteknologier og har hjulpet med at regulere, hvem der må placere satellitter i kredsløb siden rumalderens begyndelse. Agenturet, som også gør det muligt at foretage telefonopkald fra et land til et andet, blandt utallige andre regulatoriske ansvarsområder, er nu en del af FN. Men individuelle lande ønsker også noget at sige om rumfartøjer, der flyver over hovedet. Det betyder, at operatører som Swarm også skal arbejde med nationale agenturer i de lande, hvor de har til hensigt at operere (især FCC kontrollerer adgangen til det altafgørende amerikanske marked).
Ikke overraskende ser nytilkomne disse regler som barrierer, der skal holde dem på jorden. I et længere svar til FCC hævdede Swarm, at Orbcomm ikke har nogen rettigheder til det spektrum, det ønsker at bruge, og at virksomhedens useriøse andragende ikke repræsenterer andet end forsøget fra en mangeårig monopolist på at bruge licensprocessen til at opretholde sine privilegier.
Stabile cirkulære baner omkring Jorden er forbundet med særlige hastigheder, som varierer med højden. (Satelitter i elliptiske kredsløb accelererer, når de er tættere på Jorden og sænker farten, når de når det fjerneste punkt i deres kredsløb.) Ved 35.786 kilometer (22.236 miles) svarer kredsløbshastigheden til Jordens rotation. Rumfartøjer, der flyver direkte over ækvator i den højde, vil fremstå frosset på himlen for en observatør på overfladen. Sådanne geostationære slots gør det muligt for en enkelt stor satellit at betjene et bredt geografisk område, hvad enten det drejer sig om videresendelse af kommunikation eller f.eks. overvågning af vejret.
Giver der mulighed for lidt albuerum mellem nabosatellitter, er der måske 1.800 nyttige geostationære steder på denne store cirkel, hvoraf omkring 400 er blevet besat gennem årene. Som det kunne forventes, er der mere interesse for steder over rige regioner som Nordamerika og Europa end over tyndt befolkede stillehavsøer. Lande fik tildelt slots over deres længdegrad, og derefter fik individuelle satellitter lov til at tage ophold efter først-til-mølle-princippet.
Nicolas Ortega
I starten så spektrum ud til at være et løseligt problem. Ikke alene skulle frekvenser skæres op mellem blot et lille antal operatører i ét område, men de samme frekvenser kunne genbruges igen og igen over hele kloden. Alle forstod reglerne, siger Tim Farrar fra satellitkonsulentfirmaet TMF Associates.
Spillereglerne ændrer sig dog. Operatører ønsker at pakke små, billige satellitter på ride-sharing raketter og sende dem i lav kredsløb om jorden, eller LEO. Fra blot et par hundrede eller tusinde kilometer op har satellitter med kameraer et meget bedre udsyn til planeten; for kommunikationssystemer kan den kortere afstand til overfladen spare strøm og reducere latens. Med et væld af højder og baner at vælge imellem, burde der være plads til alle.
Spektrum er nu ved at blive den begrænsende faktor for, hvem der får mulighed for at implementere nye kommunikationskonstellationer. Satellitter i LEO suser rundt på planeten i løbet af få timer, hvilket potentielt forårsager interferens ikke kun for hinanden, men for hver geostationær satellit, de passerer under. I første omgang var ITU's løsning at gøre det samme, som det havde gjort for geostationær kredsløb: den første operatør, der ansøgte om at bruge et udsnit af spektrum, blev prioriteret. Alle, der følger, skal være enige om ikke at blande sig.
Spektrum er nu ved at blive den begrænsende faktor for, hvem der får mulighed for at implementere nye kommunikationskonstellationer.
Men interferens er et glat koncept. Geostationær koordinering er relativt ligetil, siger Diederik Kelder, strategichef hos LeoSat, som planlægger en konstellation af mindst 84 internetsatellitter i LEO. Hvorimod det i [LEO] er en meget kompleks ting. Du har brug for meget sofistikerede modelleringsværktøjer for at forstå virkningen.
FCC forudså en kommende frekvensknas og besluttede at skubbe frem med frekvensdelingspolitikker, hvor alle, der planlægger at bruge lignende frekvenser, vil blive overvejet på samme tid - såkaldte behandlingsrunder, der teoretisk ville skabe et mere retfærdigt spillefelt.
Men der har været utilsigtede konsekvenser. Flere stridigheder er opstået, efterhånden som nye aktører forsøger at finde smuthuller i lovgivningen eller tekniske rettelser, mens etablerede operatører forsøger at beskytte deres frekvenser mod interferens, uanset om de er reelle eller indbildte. Incitamentet for virksomheder til at ansøge om frekvenser så hurtigt som muligt betyder også, at de skal indgive anmodninger til ITU og FCC længe før deres satellitter er blevet bygget eller nogle gange endda fuldt designet.
SpaceX er den mest ambitiøse af den nye LEO-generation. I 2015 afslørede Elon Musk en plan om at bruge en mega-konstellation af satellitter kaldet Starlink til at levere globalt bredbåndsinternet, der ville nå mange udviklings- og underbetjente regioner. SpaceX bad oprindeligt om tilladelse til at opsende 4.425 satellitter, men det øgede det til næsten 12.000 i 2017 - en konstellation, som FCC endelig gav licens i slutningen af 2018.
I opløbet til lanceringen af sine første kommercielle satellitter, fik SpaceX endnu en gang rodet med sin plan og bad om at flytte nogle af sine satellitter tættere på Jorden og ændre de frekvenser, de ville bruge. Dets egne analyser viste angiveligt ingen ny interferens, men andre satellitselskaber var ikke tilfredse. Kepler, en anden opstart af satellitkommunikation, kaldte sine påstande grundlæggende vildledende. OneWeb, som planlægger sin egen megakonstellation af mere end 2.500 internetsatellitter, sagde på samme måde, at SpaceX's interferensberegninger [inkluderede] vildledende operationelle antagelser, et ufuldstændigt analyseparametersæt og meget misvisende konklusioner.
FCC godkendte SpaceX's plan, og virksomheden lancerede sine første 60 Starlink-satellitter i maj. Dets rivaler bliver nu nødt til at opsende deres satellitter i håb om, at deres bekymringer om interferens var ubegrundede.
I det mindste blev dette spyt hurtigt afgjort. Mareridtet for nytilkomne er, at tvister kan føre til uendelige reguleringsforsinkelser.
I 2001, for eksempel, ansøgte et selskab ved navn Mobile Satellite Ventures FCC om at genbruge nogle af sine satellitfrekvenser til en hybrid satellit/jordbaseret kommunikationstjeneste. Ti år senere modtog virksomheden, nu kaldet LightSquared, en betinget dispensation for at fortsætte, som hurtigt blev suspenderet på grund af bekymringer om, at det kunne forstyrre GPS-navigationssignaler. LightSquared indgav næsten øjeblikkeligt en konkursbegæring, men med næsten endnu et årti, og endnu et navneskifte, fortsætter Ligado Networks LightSquareds kamp. Det har lovet at reducere kraften af sine transmissioner med over 99%, men står stadig over for vedvarende tilbageslag fra nervøse og muligvis jaloux luftfartskonkurrenter.
Ligados beslutning om at spilde 40 MHz af satellitspektrum bør ikke belønnes med et vindfald, skrev den rivaliserende satellitoperatør Iridium til FCC i juli 2018. I april bemærkede Ligado på et møde med FCC, at agenturet havde overvejet sin seneste ansøgning vedr. over 1.000 dage. Da dette spørgsmål gik i trykken, havde FCC endnu ikke taget stilling til det.
Ikke desto mindre viser Ligados tilgang, hvordan teknologi kan hjælpe med at dæmpe skænderier. Virksomheden var i stand til at reducere sine strømbehov dramatisk takket være stadig mere følsomme modtagere. Multiplekssystemer fortsætter også med at forbedre sig på grund af både forbedret computerkraft og stadig mere indviklede, smarte teknikker til indkodning og afkodning af signaler.
Antenner med høj forstærkning gør det muligt for satellitter at skabe fokuserede spotstråler rettet mod specifikke områder under dem. Jo strammere fokus er, jo oftere kan disse frekvenser genbruges. Andre nye systemer planlægger at bruge endnu mere stramt fokuserede lasere til en satellit til at kommunikere med en anden, hvilket reducerer efterspørgslen efter radiofrekvenser. Nye fasede array-teknologier betyder, at satellitsignaler nu kan modtages af små og billige elektronisk styrede fladskærmsantenner frem for gamle tiders uhåndterlige parabolantenner. GPS-udstyrede satellitter og brugerterminaler kan programmeres til at undgå at sende mod rivaliserende LEO eller geostationære satellitter.
Nogle eksperter mener, at den bedste måde at frigøre teknologisk innovation på er, at reguleringen tager en bagsædet til markedsbaserede løsninger, såsom de eksisterende auktioner for jordbaseret trådløst spektrum. Men der er ingen klar mekanisme for en sådan global spektrumauktion.
Under alle omstændigheder, selvom konvertering af gratis tildelinger af satellitfrekvenser til omsættelige rettigheder kan give incitamenter til samarbejde om obstruktion, ville det være en omfattende proces på globalt plan. Orbitaløkonomien er allerede domineret af en håndfuld af verdens mest magtfulde nationer. At give fortrinsadgang til de virksomheder med de dybeste lommer ser ud til at fastholde historiske uligheder og udelukke udviklingslande, der har mest at vinde ved at nå den næste teknologiske grænse.
Ikke alle ser behovet for en revolution i kredsløb. Farrar mener, at satellitter og jordstationer regelmæssigt vil blive tvunget til at sætte driften på pause, indtil risikoen for interferens aftager, og dermed reducere deres kapacitet dramatisk og truer allerede vaklende forretningsplaner. Det ville være en katastrofe ud fra et økonomisk synspunkt, hvis alle kommer i gang, siger han. Men det er utænkeligt, at [alle disse virksomheder] vil gøre, hvad de har annonceret, at de planlægger at gøre.
I så fald kan et indviklet bureaukrati, der udskyder, forsinker og forstyrrer forretningsplaner, være lige hvad pladsen har brug for.
Mark Harris er forfatter i Seattle og en hyppig bidragyder.