Vem får skicka radiovågor i rymden?

Satelliter är inte mycket användbara om de inte kan kommunicera

Förbi

• Mark Harris arkivsida

26 juni 2019

En konceptuell illustration som visar en 'Vänligen ta ett nummer'-automat i rymden Nicolas Ortega

Det blir trångt där uppe. Flockar av cubesats, flottor av kretsande kameror och de första bredbandsinternet-megakonstellationerna från sådana som SpaceX, Amazon och OneWeb fyller snabbt låg omloppsbana runt jorden. Om alla tjänster startar som planerat kan det snart finnas 10 gånger så många satelliter som fungerar i omloppsbana som det finns idag.

Ökningen av farligt rymdskräp är ett bekymmer. Men det finns en mer omedelbar huvudvärk för satellitoperatörer: en skärpning av det radiofrekvensspektrum som krävs för att arbeta från omloppsbana. Kan rymdstartups som tjafsar om att få sin beskärda andel faktiskt hålla tillbaka denna begynnande industri?

Den här historien var en del av vårt julinummer 2019

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Elektromagnetisk strålning spänner över ett brett spektrum av frekvenser och energier, men endast specifika band är användbara för kommunikation till och från rymden. Högfrekventa röntgenstrålar skulle vara farliga; mikrovågssignaler absorberas av atmosfären; Lågfrekventa radiovågor är mindre effektiva när det gäller att överföra information och kräver stora, otympliga antenner.

Precis som folk skriker på en fest kan konkurrerande signaler på samma radiofrekvens störa och försvåra kommunikationen, så spektrumet måste delas upp i lagom stora bitar för olika användningsområden. Multiplexeringssystem tillåter operatörer att dela spektrum genom att finskära tidsluckor och frekvenskanaler samt genom att koda signaler så att många olika meddelanden kan sändas samtidigt. Men frekvensband måste fortfarande tilldelas särskilda användare för att undvika störningar som skulle göra radiospektrum oanvändbart. Många av de mest önskvärda frekvenserna för orbitala länkar tilldelades traditionella radio- och TV-sändningar långt innan de första satelliterna lanserades. Nu, när himlen fylls med fler satelliter, blir jakten på radiofrekvensslots allt mer brådskande. Tillsynsmyndigheter uppmanas att ta itu med fler företag, fler rymdfarkoster och fler tvister än någonsin tidigare. Pappersarbete kan sträcka ut sig i flera år, även när entusiastiska startups försöker störa en konservativ industri.

Swarm Technologies är inte främmande för regulatoriska stridigheter. När denna lilla Silicon Valley-startup lanserade fyra små experimentsatelliter 2018, försummade den att få det nödvändiga godkännandet från US Federal Communications Commission, en av de byråer vars godkännande måste beviljas innan uppskjutning kan ske. FCC fick reda på det och slog företaget med en straffavgift på 900 000 USD.

Företaget vill nu lansera en 150 man stark konstellation för att kommunicera med det växande antalet internetanslutna enheter på jorden. Eftersom dess satelliter är så små och därmed billiga att skjuta upp, räknar Swarm med att dess meddelandetjänster kommer att kosta en storleksordning mindre än befintliga satellitsystem. Allt den behöver är några bitar av VHF-radiospektrum.

Men den långvariga satellitoperatören Orbcomm har gjort anspråk på dessa frekvenser i årtionden, och den driver ett av de mycket meddelandesystem som Swarm strävar efter att störa. I en petition till FCC om att avvisa Swarms konstellationsansökan skrev Orbcomm att startupen helt enkelt försöker ignorera Orbcomms tydligt intjänade … spektrumrättigheter.

Det finns verkligen bristproblem i omloppsbana, säger Thomas Hazlett, ekonomiprofessor vid Clemson University och författare till Det politiska spektrumet . Om du vill sätta upp en satellit för kommunikation kan du ha potentiella konflikter med andra användare. Det finns ett verkligt behov av regler för att samordna denna användning.

International Telecommunications Union (ITU) är det organ som har till uppgift att ta bort dessa konkurrerande anspråk. Bildades i mitten av 1800-talet för att standardisera telegrafteknik, och har hjälpt till att reglera vem som får placera satelliter i omloppsbana sedan rymdålderns begynnelse. Byrån, som också gör det möjligt att ringa telefonsamtal från ett land till ett annat, bland otaliga andra regulatoriska ansvarsområden, är nu en del av FN. Men enskilda länder vill också ha något att säga till om om rymdfarkoster som flyger ovanför. Det innebär att operatörer som Swarm också måste samarbeta med nationella myndigheter i de länder där de har för avsikt att verka (i synnerhet kontrollerar FCC tillgången till den så viktiga amerikanska marknaden).

Föga överraskande ser nykomlingar dessa regler som barriärer avsedda att hålla dem på marken. I ett långt svar till FCC hävdade Swarm att Orbcomm inte har några rättigheter till det spektrum som de vill använda och att företagets oseriösa framställning inte representerar något annat än försöket från en långvarig monopolist att använda licensprocessen för att behålla sina privilegier.

Stabila cirkulära banor runt jorden är förknippade med speciella hastigheter, som varierar med höjden. (Satelliter i elliptiska banor ökar snabbare när de är närmare jorden och saktar ner när de når den längsta punkten i sin omloppsbana.) Vid 35 786 kilometer (22 236 miles) matchar omloppshastigheten jordens rotation. Rymdfarkoster som flyger direkt ovanför ekvatorn på den höjden kommer att framstå som frusna på himlen för en observatör på ytan. Sådana geostationära slots gör det möjligt för en enda stor satellit att betjäna ett brett geografiskt område, vare sig det gäller förmedling av kommunikationer eller, till exempel, övervakning av vädret.

Om man tillåter lite armbågsutrymme mellan närliggande satelliter, finns det kanske 1 800 användbara geostationära platser på denna stora cirkel, av vilka cirka 400 har blivit upptagna under åren. Som man kan förvänta sig finns det mer intresse för platser ovanför rika regioner som Nordamerika och Europa än ovanför glest befolkade Stillahavsöar. Länder tilldelades slots över sin longitud, och sedan fick individuella satelliter bosätta sig enligt först till kvarn-principen.

Nicolas Ortega

Till en början verkade spektrum vara ett lösbart problem. Inte bara behövde frekvenser delas upp mellan bara ett litet antal operatörer i ett område, utan samma frekvenser kunde återanvändas om och om igen runt om i världen. Alla förstod reglerna, säger Tim Farrar på satellitkonsultföretaget TMF Associates.

Spelreglerna förändras dock. Operatörer vill packa små, billiga satelliter på samåkningsraketer och skicka dem till låg omloppsbana om jorden, eller LEO. Från bara några hundra eller tusen kilometer upp har satelliter med kameror en mycket bättre överblick över planeten; för kommunikationssystem kan det kortare avståndet till ytan spara ström och minska latensen. Med en mängd höjder och banor att välja mellan borde det finnas plats för alla.

Spectrum blir nu den begränsande faktorn för vem som får distribuera nya kommunikationskonstellationer. Satelliter i LEO susar runt planeten på några timmar, vilket kan orsaka störningar inte bara för varandra utan för varje geostationär satellit de passerar under. Till en början var ITU:s lösning att göra samma sak som den hade gjort för geostationär omloppsbana: den första operatören som ansökte om att använda en del av spektrumet prioriterades. Alla som följer måste gå med på att inte blanda sig.

Spectrum blir nu den begränsande faktorn för vem som får distribuera nya kommunikationskonstellationer.

Men interferens är ett halt koncept. Geostationär samordning är relativt okomplicerad, säger Diederik Kelder, strategichef på LeoSat, som planerar en konstellation av minst 84 internetsatelliter i LEO. Medan det i [LEO] är en mycket komplex sak. Du behöver mycket sofistikerade modelleringsverktyg för att förstå effekten.

FCC förutsåg en kommande spektrumkris och beslutade att driva på med policyer för spektrumdelning där alla som planerar att använda liknande frekvenser skulle övervägas samtidigt – så kallade bearbetningsrundor som teoretiskt sett skulle skapa en mer rättvis spelplan.

Men det har blivit oavsiktliga konsekvenser. Fler tvister har blossat upp när nya aktörer försöker hitta kryphål i lagstiftningen eller tekniska korrigeringar medan etablerade operatörer försöker skydda sina frekvenser från störningar, vare sig de är verkliga eller inbillade. Incitamentet för företag att ansöka om frekvenser så snart som möjligt innebär också att de måste lämna in förfrågningar till ITU och FCC långt innan deras satelliter har byggts eller ibland till och med helt konstruerade.

SpaceX är den mest ambitiösa av den nya LEO-generationen. 2015 presenterade Elon Musk en plan för att använda en megakonstellation av satelliter kallad Starlink för att leverera globalt bredbandsinternet som skulle nå många utvecklings- och underbetjänade regioner. SpaceX bad ursprungligen om tillåtelse att skjuta upp 4 425 satelliter, men det ökade det till nästan 12 000 2017 – en konstellation som FCC slutligen licensierade i slutet av 2018.

Inför lanseringen av sina första kommersiella satelliter, mixtrade SpaceX med sin plan ännu en gång och bad att flytta några av sina satelliter närmare jorden och ändra frekvenserna de skulle använda. Dess egna analyser visade inga nya störningar, men andra satellitföretag var inte nöjda. Kepler, en annan startup för satellitkommunikation, kallade sina påståenden fundamentalt missvisande. OneWeb, som planerar sin egen megakonstellation av mer än 2 500 internetsatelliter, sa på liknande sätt att SpaceX:s interferensberäkningar [inkluderade] missvisande driftantaganden, en ofullständig analysparameteruppsättning och mycket missvisande slutsatser.

FCC godkände SpaceX:s plan och företaget lanserade sina första 60 Starlink-satelliter i maj. Dess rivaler kommer nu att behöva skjuta upp sina satelliter i hopp om att deras störningsproblem var ogrundade.

Åtminstone löstes detta spottat snabbt. Mardrömmen för nykomlingar är att tvister kan leda till oändliga regelförseningar.

År 2001, till exempel, ansökte ett företag som heter Mobile Satellite Ventures till FCC för att återanvända några av sina satellitfrekvenser för en hybrid satellit/markbaserad kommunikationstjänst. Tio år senare fick företaget, nu kallat LightSquared, ett villkorligt undantag för att fortsätta som snabbt avbröts på grund av farhågor om att det skulle kunna störa GPS-navigeringssignaler. LightSquared ansökte nästan omedelbart om konkurs, men med nästan ytterligare ett decennium, och ytterligare ett namnbyte, fortsätter Ligado Networks LightSquareds kamp. Det har lovat att minska kraften i sina sändningar med över 99 % men står fortfarande inför ihållande stötar från nervösa och möjligen svartsjuka flygkonkurrenter.

Ligados beslut att slösa bort 40 MHz satellitspektrum bör inte belönas med ett oväntat oväntat, skrev rivaliserande satellitoperatör Iridium till FCC i juli 2018. I april noterade Ligado i ett möte med FCC att byrån hade övervägt sin senaste ansökan om över 1 000 dagar. När denna fråga gick i tryck hade FCC ännu inte fattat beslut om det.

Likväl visar Ligados tillvägagångssätt hur teknik kan hjälpa till att dämpa käbbel. Företaget kunde dramatiskt minska sina strömbehov tack vare allt känsligare mottagare. Multiplexsystem fortsätter också att förbättras, på grund av både förbättrad datorkraft och allt mer invecklade, smarta tekniker för kodning och avkodning av signaler.

Högförstärkningsantenner gör att satelliter kan skapa fokuserade punktstrålar som riktar sig mot specifika områden under dem. Ju snävare fokus, desto oftare kan dessa frekvenser återanvändas. Andra nya system planerar att använda ännu mer fokuserade lasrar för en satellit att kommunicera med en annan, vilket minskar efterfrågan på radiofrekvenser. Ny fasad array-teknik innebär att satellitsignaler nu kan tas emot av små och billiga elektroniskt styrda platta antenner snarare än gamla tiders otympliga parabolantenner. GPS-utrustade satelliter och användarterminaler kan programmeras för att undvika sändning mot konkurrerande LEO eller geostationära satelliter.

Vissa experter anser att det bästa sättet att släppa lös teknisk innovation är att regleringen tar tillbaka plats till marknadsbaserade lösningar, som de befintliga auktionerna för markbundet trådlöst spektrum. Men det finns ingen tydlig mekanism för en sådan global spektrumauktion.

Hur som helst, även om en omvandling av gratis tilldelningar av satellitfrekvenser till handelsbara rättigheter kan erbjuda incitament för samarbete kring obstruktion, skulle det vara en svår process på global nivå. Orbitalekonomin domineras redan av en handfull av världens mäktigaste nationer. Att ge företrädesrätt åt de företag med de djupaste fickorna verkar sannolikt bibehålla historiska orättvisor och att utesluta utvecklingsländer som har mest att vinna på att nå nästa tekniska gräns.

Alla ser inte behovet av en revolution i omloppsbana. Farrar tror att satelliter och markstationer regelbundet kommer att tvingas pausa driften tills risken för störningar avtar, vilket drastiskt minskar deras kapacitet och hotar redan skakiga affärsplaner. Det vore en katastrof ur ekonomisk synvinkel om alla får verka, säger han. Men det är otänkbart att [alla dessa företag] kommer att göra vad de har meddelat att de planerar att göra.

I så fall kan en slingrande byråkrati som skjuter upp, försenar och stör affärsplaner vara precis vad utrymmet behöver.

Mark Harris är en författare i Seattle och en frekvent bidragsgivare.

Dölj