Wie mag radiogolven de ruimte in sturen?

Satellieten hebben niet veel nut als ze niet kunnen communiceren

Door

• Mark Harris archiefpagina

26 juni 2019

Een conceptuele afbeelding van een 'Neem een ​​nummer'-dispenser in de ruimte Nicolas Ortega

Het wordt druk daarboven. Zwermen kubussen, vloten van in een baan om de aarde draaiende camera's en de eerste mega-constellaties van breedbandinternet van onder meer SpaceX, Amazon en OneWeb vullen de lage baan om de aarde snel. Als alle diensten volgens plan worden gelanceerd, zouden er binnenkort 10 keer zoveel satellieten in een baan om de aarde kunnen zijn als er nu zijn.

De toename van gevaarlijke ruimteafval is een punt van zorg. Maar satellietoperators hebben meer directe hoofdpijn: een krappere druk op het radiofrequentiespectrum dat nodig is om vanuit een baan om de aarde te opereren. Zouden startups in de ruimte die kibbelen over het krijgen van hun deel, deze opkomende industrie kunnen tegenhouden?

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2019

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Elektromagnetische straling omvat een breed scala aan frequenties en energieën, maar alleen specifieke banden zijn nuttig voor communicatie van en naar de ruimte. Hoogfrequente röntgenstralen zouden gevaarlijk zijn; microgolfsignalen worden geabsorbeerd door de atmosfeer; laagfrequente radiogolven zijn minder effectief in het verzenden van informatie en vereisen grote, onhandige antennes.

Net als mensen die schreeuwen op een feestje, kunnen concurrerende signalen op dezelfde radiofrequentie interfereren en communicatie bemoeilijken, dus het spectrum moet worden opgedeeld in hapklare brokken voor verschillende doeleinden. Met multiplexsystemen kunnen operators spectrum delen door tijdsleuven en frequentiekanalen fijn te snijden en door signalen te coderen zodat veel verschillende berichten tegelijkertijd kunnen worden verzonden. Maar frequentiebanden moeten nog steeds aan bepaalde gebruikers worden toegewezen om interferentie te voorkomen die het radiospectrum onbruikbaar zou maken. Veel van de meest wenselijke frequenties voor orbitale verbindingen werden toegewezen aan traditionele radio- en tv-uitzendingen lang voordat de eerste satellieten werden gelanceerd. Nu de hemel zich vult met meer satellieten, wordt de strijd om radiofrequentie-slots steeds hectischer. Regelgevers worden gevraagd om met meer bedrijven, meer ruimtevaartuigen en meer geschillen dan ooit tevoren om te gaan. Papierwerk kan jaren duren, zelfs als enthousiaste startups proberen een conservatieve industrie te ontwrichten.

Swarm Technologies is geen onbekende in regelgevende worsteling. Toen deze kleine startup in Silicon Valley in 2018 vier kleine experimentele satellieten lanceerde, verzuimde het de nodige toestemming te verkrijgen van de Amerikaanse Federal Communications Commission, een van de instanties wiens goedkeuring moet worden verleend voordat de lancering kan plaatsvinden. De FCC kwam erachter en gaf het bedrijf een boete van $ 900.000.

Het bedrijf wil nu een 150-koppige constellatie lanceren om te communiceren met het groeiende aantal met internet verbonden apparaten op aarde. Omdat zijn satellieten zo klein zijn en dus goedkoop om te lanceren, denkt Swarm dat zijn berichtendiensten een orde van grootte minder zullen kosten dan bestaande satellietsystemen. Het enige dat nodig is, zijn een paar splinters VHF-radiospectrum.

De oude satellietoperator Orbcomm heeft echter al tientallen jaren aanspraak op die frequenties en exploiteert een van de berichtensystemen die Swarm wil verstoren. In een petitie aan de FCC om de constellatietoepassing van Swarm af te wijzen, schreef Orbcomm dat de startup probeert om Orbcomms duidelijk verworven … spectrumrechten eenvoudigweg te negeren.

Er zijn echt zorgen over schaarste in de ruimte, zegt Thomas Hazlett, hoogleraar economie aan de Clemson University en auteur van Het politieke spectrum . Als u een satelliet wilt opzetten voor communicatie, kunt u mogelijk conflicten krijgen met andere gebruikers. Er is echt behoefte aan regels om dit gebruik te coördineren.

De International Telecommunications Union (ITU) is de instantie die is belast met het ontrafelen van deze concurrerende claims. Gevormd in het midden van de 19e eeuw om telegraaftechnologieën te standaardiseren, heeft het geholpen bij het reguleren wie satellieten in een baan om de aarde mag plaatsen sinds het begin van het ruimtetijdperk. Het agentschap, dat het ook mogelijk maakt om van het ene land naar het andere te bellen, naast talloze andere regelgevende verantwoordelijkheden, maakt nu deel uit van de Verenigde Naties. Maar individuele landen willen ook iets zeggen over ruimtevaartuigen die overvliegen. Dat betekent dat operators zoals Swarm ook moeten samenwerken met nationale agentschappen in de landen waarin ze willen opereren (met name de FCC controleert de toegang tot de allerbelangrijkste Amerikaanse markt).

Het is niet verwonderlijk dat nieuwkomers deze regelgeving zien als barrières die bedoeld zijn om ze aan de grond te houden. In een lange reactie op de FCC beweerde Swarm dat Orbcomm geen rechten heeft op het spectrum dat het wil gebruiken en dat de frivole petitie van het bedrijf niets meer is dan de poging van een oude monopolist om het licentieproces te gebruiken om zijn privileges te behouden.

Stabiele cirkelvormige banen rond de aarde worden geassocieerd met bepaalde snelheden, die variëren met de hoogte. (Satellieten in elliptische banen versnellen wanneer ze zich dichter bij de aarde bevinden en vertragen wanneer ze het verste punt in hun baan bereiken.) Op 35.786 kilometer (22.236 mijl) komt de baansnelheid overeen met de rotatie van de aarde. Ruimtevaartuigen die op die hoogte direct boven de evenaar vliegen, zullen voor een waarnemer aan de oppervlakte als bevroren in de lucht lijken. Met dergelijke geostationaire slots kan een enkele grote satelliet een groot geografisch gebied bedienen, of het nu gaat om het doorgeven van communicatie of, laten we zeggen, het volgen van het weer.

Met wat bewegingsruimte tussen naburige satellieten, zijn er misschien 1800 bruikbare geostationaire plekken op deze grote cirkel, waarvan er in de loop der jaren ongeveer 400 zijn bezet. Zoals te verwachten is, is er meer belangstelling voor plekken boven rijke regio's zoals Noord-Amerika en Europa dan boven dunbevolkte eilanden in de Stille Oceaan. Landen kregen slots toegewezen boven hun lengtegraad, en vervolgens mochten individuele satellieten hun intrek nemen op basis van wie het eerst komt, het eerst maalt.

Nicolas Ortega

In eerste instantie leek spectrum een ​​oplosbaar probleem. Niet alleen moesten frequenties worden opgedeeld tussen slechts een klein aantal operators in één gebied, maar dezelfde frequenties konden over de hele wereld steeds opnieuw worden hergebruikt. Iedereen begreep de regels, zegt Tim Farrar van satellietadviesbureau TMF Associates.

De spelregels veranderen echter. Exploitanten willen kleine, goedkope satellieten op ride-sharing-raketten verpakken en ze in een lage baan om de aarde of LEO sturen. Vanaf slechts een paar honderd of duizend kilometer hoogte hebben satellieten met camera's een veel beter zicht op de planeet; voor communicatiesystemen kan de kortere afstand tot het oppervlak energie besparen en latentie verminderen. Met een veelvoud aan hoogtes en banen om uit te kiezen, moet er ruimte zijn voor iedereen.

Spectrum wordt nu de beperkende factor in wie nieuwe communicatieconstellaties mag inzetten. Satellieten in LEO suizen in een kwestie van uren rond de planeet en veroorzaken mogelijk interferentie, niet alleen voor elkaar, maar voor elke geostationaire satelliet die ze passeren. In eerste instantie was de oplossing van de ITU om hetzelfde te doen als voor een geostationaire baan: de eerste operator die een aanvraag indiende om een ​​stukje spectrum te gebruiken, kreeg voorrang. Iedereen die volgt, moet ermee instemmen zich niet te bemoeien.

Spectrum wordt nu de beperkende factor in wie nieuwe communicatieconstellaties mag inzetten.

Maar interferentie is een glibberig begrip. Geostationaire coördinatie is relatief eenvoudig, zegt Diederik Kelder, chief strategy officer bij LeoSat, dat een constellatie van ten minste 84 internetsatellieten in LEO plant. Terwijl het in [LEO] een zeer complexe zaak is. Je hebt zeer geavanceerde modelleringstools nodig om de impact te begrijpen.

Met het oog op een naderende spectrumschaarste, besloot de FCC door te gaan met beleid voor het delen van spectrum, waarbij iedereen die van plan was vergelijkbare frequenties te gebruiken, tegelijkertijd in overweging zou worden genomen - zogenaamde verwerkingsrondes die in theorie een eerlijker speelveld zouden creëren.

Maar er zijn onbedoelde gevolgen geweest. Er zijn meer geschillen ontstaan ​​naarmate nieuwkomers proberen mazen in de regelgeving of technische oplossingen te vinden, terwijl gevestigde operators proberen hun frequenties te beschermen tegen interferentie, zowel echt als ingebeeld. De prikkel voor bedrijven om zo snel mogelijk frequenties aan te vragen, betekent ook dat ze aanvragen moeten indienen bij de ITU en FCC lang voordat hun satellieten zijn gebouwd of soms zelfs volledig zijn ontworpen.

SpaceX is de meest ambitieuze van de nieuwe LEO-generatie. In 2015 onthulde Elon Musk een plan om een ​​mega-constellatie van satellieten genaamd Starlink te gebruiken om wereldwijd breedbandinternet te leveren dat veel ontwikkelings- en achtergestelde regio's zou bereiken. SpaceX vroeg oorspronkelijk toestemming om 4.425 satellieten te lanceren, maar het verhoogde dat tot bijna 12.000 in 2017 - een constellatie die de FCC eind 2018 eindelijk in licentie gaf.

In de aanloop naar de lancering van zijn eerste commerciële satellieten, sleutelde SpaceX opnieuw aan zijn plan en vroeg om enkele van zijn satellieten dichter bij de aarde te brengen en de frequenties die ze zouden gebruiken te veranderen. De eigen analyses lieten geen nieuwe interferentie zien, maar andere satellietbedrijven waren niet blij. Kepler, een andere startup voor satellietcommunicatie, noemde zijn beweringen fundamenteel misleidend. OneWeb, dat zijn eigen mega-constellatie van meer dan 2500 internetsatellieten plant, zei op dezelfde manier dat de interferentieberekeningen van SpaceX misleidende operationele aannames, een onvolledige analyseparameterset en zeer misleidende conclusies bevatten.

De FCC keurde het plan van SpaceX goed en het bedrijf lanceerde in mei zijn eerste 60 Starlink-satellieten. Zijn rivalen zullen nu hun satellieten moeten lanceren in de hoop dat hun bezorgdheid over interferentie ongegrond was.

Deze ruzie was in ieder geval snel bijgelegd. De nachtmerrie voor nieuwkomers is dat geschillen kunnen leiden tot eindeloze vertragingen in de regelgeving.

In 2001 heeft een bedrijf genaamd Mobile Satellite Ventures bijvoorbeeld een aanvraag ingediend bij de FCC om een ​​aantal van zijn satellietfrequenties te hergebruiken voor een hybride satelliet-/terrestrische communicatiedienst. Tien jaar later ontving het bedrijf, dat nu LightSquared heet, een voorwaardelijke ontheffing om door te gaan, die snel werd opgeschort vanwege bezorgdheid dat het GPS-navigatiesignalen zou kunnen verstoren. LightSquared vroeg vrijwel onmiddellijk faillissement aan, maar met het verstrijken van bijna nog een decennium, en nog een andere naamsverandering, zet Ligado Networks de strijd van LightSquared voort. Het heeft beloofd het vermogen van zijn transmissies met meer dan 99% te verminderen, maar wordt nog steeds geconfronteerd met aanhoudende tegenwerking van nerveuze en mogelijk jaloerse luchtvaartconcurrenten.

Ligado's besluit om 40 MHz satellietspectrum te verspillen mag niet worden beloond met een meevaller, schreef rivaliserende satellietoperator Iridium in juli 2018 aan de FCC. In april merkte Ligado in een vergadering met de FCC op dat het bureau zijn laatste aanvraag voor meer dan 1.000 dagen. Toen deze kwestie ter perse ging, moest de FCC er nog over beslissen.

Desalniettemin laat de aanpak van Ligado zien hoe technologie kan helpen bij het onderdrukken van ruzies. Het bedrijf was in staat om zijn stroombehoefte drastisch te verminderen dankzij steeds gevoeligere ontvangers. Multiplexsystemen worden ook steeds beter, zowel vanwege de verbeterde rekenkracht als vanwege de steeds ingewikkelder wordende, slimme technieken voor het coderen en decoderen van signalen.

High-gain antennes stellen satellieten in staat om gerichte spotbeams te creëren die gericht zijn op specifieke gebieden eronder. Hoe strakker die focus, hoe vaker die frequenties kunnen worden hergebruikt. Andere nieuwe systemen zijn van plan om nog scherper gefocuste lasers te gebruiken om de ene satelliet met de andere te laten communiceren, waardoor de vraag naar radiofrequenties wordt verminderd. Dankzij nieuwe phased array-technologieën kunnen satellietsignalen nu worden ontvangen door kleine en goedkope elektronisch gestuurde flatpanel-antennes in plaats van de logge parabolische schotels van weleer. Met GPS uitgeruste satellieten en gebruikersterminals kunnen worden geprogrammeerd om te voorkomen dat ze naar rivaliserende LEO- of geostationaire satellieten zenden.

Sommige deskundigen zijn van mening dat de beste manier om technologische innovatie te ontketenen, is door regelgeving achter zich te laten bij op de markt gebaseerde oplossingen, zoals de bestaande veilingen voor terrestrisch draadloos spectrum. Maar er is geen duidelijk mechanisme voor zo'n wereldwijde spectrumveiling.

Hoe dan ook, hoewel het omzetten van gratis toewijzingen van satellietfrequenties in verhandelbare rechten prikkels zou kunnen bieden voor samenwerking in plaats van obstructie, zou het op wereldschaal een beladen proces zijn. De orbitale economie wordt al gedomineerd door een handvol van 's werelds machtigste landen. Door preferentiële toegang te verlenen aan bedrijven met de diepste zakken, lijkt het waarschijnlijk dat de historische ongelijkheid in stand wordt gehouden en dat ontwikkelingslanden die het meeste te winnen hebben, worden uitgesloten van het bereiken van de volgende technologische grens.

Niet iedereen ziet de noodzaak in van een revolutie in de ruimte. Farrar is van mening dat satellieten en grondstations regelmatig zullen worden gedwongen hun werking te pauzeren totdat het risico op interferentie afneemt, waardoor hun capaciteit drastisch wordt verminderd en de toch al wankele bedrijfsplannen worden bedreigd. Het zou economisch gezien een ramp zijn als iedereen aan de slag zou kunnen, zegt hij. Maar het is ondenkbaar dat [al deze bedrijven] zullen doen wat ze hebben aangekondigd dat ze van plan zijn te doen.

In dat geval is een kronkelige bureaucratie die bedrijfsplannen uitstelt, vertraagt ​​en verstoort misschien precies wat de ruimte nodig heeft.

Mark Harris is een schrijver in Seattle en levert regelmatig bijdragen.

zich verstoppen