Liaisons inter-satellites
Le 3 septembre 2020, SpaceX a annoncé les premiers tests de liaison inter-satellite (ISL).
La présence de tels canaux dans la constellation Starlink a été annoncée au tout début, mais plus tard, ils ont été abandonnés dans les satellites de première génération pour gagner du temps et de l'argent.
Les canaux inter-satellites permettraient de résoudre le problème de la communication dans les régions de la planète où il est impossible d'installer une passerelle sur terre avec une liaison en fibre optique connectée pour accéder à Internet. Actuellement, Starlink ne peut pas fournir de services dans les mers et les océans, sauf à une courte distance du littoral, se coupant ainsi des marchés très lucratifs des navires de croisière et du transport maritime commercial, ainsi que de la plupart des vols longue distance de l'aviation civile mondiale. ...
Un autre avantage largement discuté de l'ISL est que la vitesse de propagation d'un signal dans l'espace est égale à la vitesse de la lumière, mais dans le câble optique, elle est moindre, et théoriquement, le délai lors de l'utilisation de satellites Starlink avec ISL sera moindre que lors de l'utilisation de câbles sous-marins transatlantiques reliant les États-Unis. avec l'Europe, l'Asie et l'Australie, ce qui attirera les courtiers qui négocient sur les bourses de ces continents.
Avant de passer à la discussion, parlons un peu, en fait, de la technologie de communication laser.
Déjà aujourd'hui, les lasers sont largement utilisés pour transférer d'énormes quantités de données sur des câbles à fibre optique. Leur utilisation dans l'espace a un potentiel encore plus grand, l'absence de support physique de transmission permettra d'obtenir une vitesse de transfert d'informations élevée. Un autre avantage des lasers est que la lumière a une longueur d'onde 10 000 fois plus courte que les longueurs d'onde des ondes radio utilisées dans les communications spatiales (ou une fréquence de transmission 10 000 fois plus élevée). Cela signifie que la lumière laser peut se déplacer dans un faisceau plus étroit et nécessitera des récepteurs plus petits afin de recevoir un signal suffisant pour traiter l'amplitude. En plus d'augmenter le niveau de sécurité des communications spatiales, cela réduira le poids, les dimensions des équipements de communication,beaucoup d'argent est dépensé pour la livraison dans l'espace.
Figure: Vue de l'ensemble embarqué pour la communication laser LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration), qui a participé à l'expérience NASA LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) en 2013: communication entre la Terre et un vaisseau spatial en orbite autour de la Lune.
Il convient de noter que la bande passante du canal de communication est déterminée, entre autres, par le diamètre de l'optique de réception, par exemple, la station de réception au sol pour cette expérience ressemblait à ceci:
Dans le même temps, le débit de transmission depuis l'orbite de la lune atteignait 622 Mbit / s, mais le débit de transmission dans le sens opposé, malgré la grande taille de la station émettant depuis la Terre, n'était pas supérieur à 20 Mbit / s. Autrement dit, la taille de l'optique de réception et la distance entre l'émetteur et le récepteur du signal jouent un rôle clé.
Actuellement, l'accent est mis sur l'utilisation des communications laser pour communiquer entre la Terre et les satellites artificiels de la Terre. Par exemple, un kit de développement embarqué de Mynaric AG (Allemagne) pour la communication laser pèse 7 à 15 kg. Ce kit peut transmettre 10 Gbps sur 4500 km. Le fabricant envisage 100 Gbps, mais ses produits actuels tournent à 10 Gbps. Notez que le terminal de réception sur Terre pour recevoir des données à de telles vitesses a des dimensions plus qu'impressionnantes.
La figure montre le terminal laser au sol Mynaric.
Selon Mynaric, le ciblage, la capture et le suivi d'un vaisseau spatial est le problème le plus difficile des communications spatiales laser. Le compromis fondamental ici est de trouver un compromis entre la précision de visée et la puissance du faisceau lumineux: plus la divergence (diffusion) du faisceau lumineux est faible, plus le signal au récepteur est élevé, mais dans ce cas l'exigence de précision de pointage est plus élevée. La divergence d'un faisceau laser moderne peut atteindre 10 mrad (ou 0,00057 degrés). Notez que dans ce cas, le faisceau de lumière à une distance de 1000 km a un diamètre de seulement 10 mètres, et la tâche de le «frapper» avec un autre satellite sera extrêmement difficile pour le système de guidage.
Il faut rappeler qu'avec une connexion entre un satellite et la Terre, on a d'un côté un objet rigidement fixé dans l'espace, avec un canal de communication inter-satellite, la complexité d'organiser une session de communication double pratiquement.
Si l'équipement sur le satellite ne peut pas fournir une telle précision de pointage, il reste alors à supporter la diffusion du faisceau large, qui, avec une puissance d'émission fixe à bord du satellite et la taille du récepteur optique, réduit considérablement le débit d'un tel canal de communication.
Nous notons également un autre point: si pour un seul satellite pour sa communication avec la Terre, un ensemble de communication laser suffit, qui dans une session de communication sera orienté vers la Terre, alors dans un système aussi complexe et multi-satellite que Starlink pour organiser un service, c'est-à-dire un canal de communication continu à tout heure de la journée, chaque satellite doit avoir 4 ensembles de modules de communication laser, orientés dans les quatre directions. Dans le même temps, il est important que même avec quatre modules, il soit nécessaire d'assurer la déviation du faisceau dans le module dans la plage de 90 ° (plus / moins 45 ° de l'axe), ce qui rend la conception d'un tel module extrêmement complexe et peut nécessiter des dispositifs rotatifs mécaniques dans le module de communication laser. ... Si l'angle de déviation de 45 ° n'est pas automatiquement garanti,puis il y a des zones "mortes" pour la réception / transmission d'un satellite particulier, ce qui conduira au fait que la communication ne sera pas organisée le long de la route la plus courte, et le contrôle de la transmission ISL nécessitera le calcul continu des "zones mortes" pour chaque satellite à chaque instant et en tenant compte lors de la pose d'un "itinéraire".
Un autre problème est la disposition du placement des modules sur le satellite. Le satellite Starlink est désormais optimisé pour s'adapter le plus étroitement possible à l'intérieur du carénage d'une fusée Falcon 9 et est de forme rectangulaire avec une hauteur assez basse, mais c'est sur ce côté «court» qu'il faudra placer les modules optiques (un de chaque côté). La question est de savoir s'il sera possible de les intégrer dans la conception actuelle du satellite, même en tenant compte du fait que SpaceX concevra lui-même les modules de communications laser et leur optique. A en juger par la description de l'équipement de communication optique, le contrôle de la direction du faisceau est mis en œuvre par un système de lentilles, et une telle partie optique nécessite des dimensions assez importantes lorsqu'il s'agit de transmission à haut débit.
Notez également que les émetteurs pour la communication laser sont de nouveaux consommateurs d'énergie à bord et que leur efficacité ne dépasse pas 25%, c'est-à-dire que le problème se pose d'utiliser et de déverser dans l'espace les 75% restants de l'énergie consommée, qui, bien que non critique, est néanmoins tâche nécessitant une solution d'ingénierie.
Un problème distinct, beaucoup plus complexe et important est la gestion du trafic dirigé vers le canal de communication optique. Rappelons que les satellites de communication "classiques" existants en orbite géostationnaire sont des répéteurs, c'est-à-dire avec des miroirs. Ils reçoivent un signal de la Terre à une fréquence et le transmettent d'un satellite à la Terre sur une autre, mais sans changer la modulation et les autres paramètres du signal lui-même.
Pour la compréhension, nous montrerons avec un exemple élémentaire ce qu'est la modulation et comment les informations utiles sont transmises dans un signal radio.
Une distinction est faite entre une onde porteuse et un signal en bande de base. Si nous parlons de la transmission d'un signal analogique, alors un autre signal est superposé à la fréquence porteuse, modifiant l'amplitude de la fréquence porteuse:
A) le type du signal de fréquence porteuse,
B) le type du signal de modulation (informations utiles), C
) le type du signal transmis avec des informations utiles.
Pour transmettre des informations numériques, la fréquence porteuse et le signal modulé avec des informations utiles ressemblent à ceci:
L'essentiel ici est le manque de traitement du signal (démodulation) à bord du satellite et, par conséquent, de l'équipement pour cela.
Ainsi, lors du fonctionnement dans la bande Ku, le signal est transmis de la passerelle au satellite à des fréquences de 14-14,5 GHz, à bord le signal change la fréquence porteuse et avec une modulation constante (informations utiles) est transmis au terminal d'abonné aux fréquences 10,7-11 , 2 GHz. Cependant, l'inclusion de canaux de communication laser dans l'architecture du réseau Starlink nécessitera un routage à bord du satellite et une séparation des flux d'informations du terminal d'abonné vers ceux qui seront transmis vers la passerelle ou plus loin via le canal inter-satellite. Le moyen le plus simple sans compliquer considérablement la conception du satellite lui-même est l'attribution d'une gamme de fréquences spéciale dans la bande commune, le long de laquelle le signal et les informations transmis, lorsqu'ils pénètrent dans le satellite, sont envoyés exclusivement au canal de communication inter-satellites. Autrement dit, un signal radio haute fréquence transportant des donnéessuperposé au signal lumineux avant transmission via un canal optique d'une longueur d'onde de 1000 à 1500 nm (technologie RF sur fibre). C'est plus simple, mais cela signifie:
A) le débit des canaux inter-satellites sera initialement limité,
B) toute la ressource de fréquence utilisée pour transmettre les informations transmises ultérieurement par les canaux de communication inter-satellites sera exclue pour desservir les abonnés ordinaires pendant la période où le satellite survole une zone où il y a suffisamment de passerelles et il n'y a pas besoin dans les canaux inter-satellites,
B) avec un degré de probabilité élevé, des terminaux d'abonnés spéciaux fonctionnant en mode bi-fréquence seront nécessaires.
Une alternative à cette option est le traitement des informations à bord du satellite. C'est-à-dire que le signal radio reçu du terminal d'abonné est démodulé et décodé au niveau des paquets IP, envoyés au routeur, qui distribue déjà les informations à la fréquence radio ou au canal de communication optique.
Cette méthode permet une utilisation flexible de toute la gamme de fréquences disponibles et ne nécessite pas de terminaux d'abonnés spéciaux, mais nécessite un routeur embarqué capable de traiter des paquets à des vitesses allant jusqu'à 20 Gbit / s. Dans le même temps, le processeur d'un tel routeur ne doit pas fonctionner dans une pièce strictement climatisée d'un centre de données avec une plage de températures de fonctionnement étroite, mais dans un espace ouvert, où les températures, même en présence d'un puissant COTR (système de refroidissement et de thermorégulation), seront dans une plage de température plus large. Dans le même temps, la présence d'un puissant SOTR affectera sans aucun doute les paramètres de masse et de taille du satellite.
Notez, cependant, que tous les problèmes ci-dessus sont de nature technique et, en principe, peuvent être résolus.
La présence de canaux optiques inter-satellites conduira à l'émergence de services différents pour le consommateur. Il peut accéder à Internet via une passerelle régulière aux tarifs de base et avec un délai «standard» dans le canal, ou il peut choisir l'option de connexion «rapide», lorsque ses informations sont envoyées via des canaux de communication inter-satellites et «descendent» sur Terre uniquement au plus proche du point final passerelle. Bien entendu, ce transfert de données "rapide" sera plus coûteux, et le coût du trafic ainsi transmis sera naturellement plus élevé.
Bien entendu, une tâche purement commerciale distincte consiste à calculer combien le coût d'un tel trafic «rapide» devrait être plus élevé que d'habitude, et l'essentiel est de savoir s'il y aura un nombre suffisant de clients prêts à payer pour un changement aussi fondamental dans l'architecture du réseau et les investissements associés dans le segment spatial.
Permettez-moi de vous rappeler à cet égard les paroles de Jonathan Hofeller, vice-président des ventes commerciales de SpaceX: «Nous devons nous assurer que c'est rentable avant de créer ce (SL) et de l'implémenter dans la constellation Starlink.»
Il y a un autre aspect des liaisons inter-satellites dans la constellation. Starlink, qui n'a peut-être pas attiré l'attention des spécialistes de SpaceX jusqu'à présent L'introduction d'ISL permettra à un abonné Starlink d'accéder à Internet depuis le territoire d'un autre pays ou de transférer des informations d'un terminal à un autre, en contournant les centres de communication au sol.
Cependant, presque tous les pays, et encore plus les pays développés, ont des normes dans leur législation qui obligent tous les opérateurs de télécommunications à veiller à ce que des services spéciaux puissent accéder au trafic transmis sur leurs réseaux. C'est précisément la garantie d'assurer l'accès, que les services spéciaux lisent ou non la correspondance, cela relève déjà du tribunal et d'autres normes de la législation locale. Mais les opérateurs de télécommunications doivent fournir cela. Aux États-Unis, cela est réglementé par le Communications Assistance for Law Enforcement Act (CALEA), adopté à l'époque de Bill Clinton, avant même les événements du 11 septembre. Les normes de cette loi et les exigences pour les opérateurs de télécommunications aux États-Unis ne sont pas loin de la législation russe sur la SORM et des exigences correspondantes pour les opérateurs de télécommunications russes, la même situation est dans la plupart des autres États.
Les exigences pour garantir la SORM posent deux groupes de problèmes. L'un est purement américain - comment SpaceX peut convaincre le FBI qu'il est conforme aux exigences de CALEA. Peut-être que ce sera une liste d'abonnés Starlink pré-approuvés par le FBI qui peuvent utiliser le service avec ISL, il peut être interdit d'envoyer du trafic en provenance de l'extérieur des États-Unis à un abonné aux États-Unis, peut-être que ISL transmettra le trafic généré uniquement via des passerelles aux États-Unis. En général, les options sont nombreuses et elles font l'objet de discussions entre SpaceX et le FBI, après tout, Elon Musk est un bon citoyen des États-Unis et un patriote de ce pays.
Mais la question de l'accès des services spéciaux au trafic des abonnés commence à être complètement différente si nous parlons d'un autre pays.
Si, avant l'introduction des canaux de communication inter-satellites, SpaceX pouvait convaincre n'importe quel régulateur national des télécommunications que tout le trafic pour les abonnés de ce pays proviendra de la passerelle sur son territoire, sur laquelle les services spéciaux / la police fourniront le dispositif d'interception de police approprié, alors avec la présence d'ISL, ils devront soit prendre la parole d'une société privée américaine, soit signer une sorte d'accord de coopération avec le FBI, transférant au FBI une partie de l'autorité pour intercepter le trafic de criminels potentiels de ce pays. Dans tous les cas, nous parlerons de limiter la souveraineté nationale sur leur propre territoire pour les abonnés du réseau Starlink.
Bien sûr, il sera très probablement possible d'établir un échange de données au sein des États-Unis et de ses alliés de l'OTAN ou du monde occidental, mais même dans ces pays il y a des conflits internes, comme, par exemple, en Espagne - la question du séparatisme de Catalogne, ou en Turquie - la confrontation entre Erdogan et ses opposants là où il n'y a pas de crime ou de terrorisme, mais que les autorités du pays restreignent ou peuvent restreindre certains sites sur Internet ou sont intéressées par la correspondance de citoyens individuels. C'est-à-dire qu'en fait, l'Espagne ou la Turquie devraient obliger les États-Unis à surveiller leurs opposants politiques, même si le gouvernement des États-Unis ne les considère pas comme des criminels.Et
si nous rappelons l'Arabie saoudite (alliée des États-Unis), il est peu probable qu'elle soit prête à ouvrir à ses citoyens le plein accès à sites de contenu érotique ou de ressources Web qui critiquent le monarque actuel.
En bref, l'introduction de canaux de communication inter-satellites dans la constellation SpaceX posera de sérieux problèmes pour son entrée sur les marchés des communications commerciales d'autres pays.
Ainsi, on peut dire que SpaceX est à la croisée des chemins. Si des canaux de communication inter-satellites sont introduits, alors son service suscitera un intérêt significatif de la part des militaires, ainsi que des compagnies de croisière et de navigation basées aux États-Unis, mais les chances de fournir des services de communication commerciale sur les marchés d'autres pays se détérioreront considérablement.
- Tout sur le projet Internet par satellite Starlink. Partie 1. Naissance du projet
- Tout sur le projet Internet par satellite Starlink. Partie 2. Réseau Starlink
- Tout sur le projet Internet par satellite Starlink. Partie 3. Complexe au sol
- Tout sur le projet Internet par satellite Starlink. Partie 4. Terminal d'abonné
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- Tout sur le projet Internet par satellite Starlink. Partie 13. Retard du réseau satellite et accès au spectre des fréquences radio