Hvem får sende radiobølger i verdensrommet?

Satellitter er ikke mye nyttig hvis de ikke kan kommunisere

Av

• Mark Harris arkivside

26. juni 2019

En konseptuell illustrasjon som viser en 'Vennligst ta et nummer'-dispenser i rommet Nicolas Ortega

Det blir folksomt der oppe. Flokker med cubesats, flåter av kretsende kameraer og de første bredbåndsinternettmegakonstellasjonene fra slike som SpaceX, Amazon og OneWeb fyller raskt lav jordbane. Hvis alle tjenestene starter som planlagt, kan det snart være 10 ganger så mange satellitter som opererer i bane som det er i dag.

Økningen i farlig romsøppel er en bekymring. Men det er en mer umiddelbar hodepine for satellittoperatører: en strammere klem på radiofrekvensspekteret som kreves for å operere fra bane. Kan oppstart av romfart som krangler om å få sin rettferdige andel faktisk holde tilbake denne gryende industrien?

Denne historien var en del av vår utgave av juli 2019

• Se resten av saken
• Abonnere

Elektromagnetisk stråling spenner over et bredt spekter av frekvenser og energier, men bare spesifikke bånd er nyttige for kommunikasjon til og fra verdensrommet. Høyfrekvente røntgenstråler ville være farlig; mikrobølgesignaler absorberes av atmosfæren; lavfrekvente radiobølger er mindre effektive til å overføre informasjon og krever store, klønete antenner.

I likhet med folk som roper på en fest, kan konkurrerende signaler på samme radiofrekvens forstyrre og gjøre kommunikasjon vanskelig, så spekteret må pakkes ut i små biter for forskjellig bruk. Multiplekssystemer lar operatører dele spektrum ved å finskjære tidsluker og frekvenskanaler samt ved å kode signaler slik at mange forskjellige meldinger kan overføres samtidig. Men frekvensbånd må fortsatt tildeles bestemte brukere for å unngå interferens som vil gjøre radiospekteret ubrukelig. Mange av de mest ønskelige frekvensene for baneforbindelser ble allokert til tradisjonelle radio- og TV-sendinger lenge før de første satellittene ble skutt opp. Nå, ettersom himmelen fylles med flere satellitter, blir kampen etter radiofrekvensspor stadig mer hektisk. Regulatorer blir bedt om å håndtere flere selskaper, flere romfartøyer og flere tvister enn noen gang før. Papirarbeid kan strekke seg i årevis, selv når entusiastiske startups forsøker å forstyrre en konservativ industri.

Swarm Technologies er ikke fremmed for regulatoriske stridigheter. Da denne lille Silicon Valley-oppstarten lanserte fire bittesmå eksperimentelle satellitter i 2018, unnlot den å innhente den nødvendige autorisasjonen fra US Federal Communications Commission, et av byråene hvis godkjenning må gis før oppskyting kan finne sted. FCC fant ut og ga selskapet en straff på 900 000 dollar.

Selskapet ønsker nå å lansere en 150-sterk konstellasjon for å kommunisere med det økende antallet Internett-tilkoblede enheter på jorden. Fordi satellittene er så små, og dermed billige å lansere, regner Swarm med at meldingstjenestene vil koste en størrelsesorden mindre enn eksisterende satellittsystemer. Alt den trenger er noen stykker VHF-radiospektrum.

Imidlertid har den mangeårige satellittoperatøren Orbcomm gjort krav på disse frekvensene i flere tiår, og den driver et av de samme meldingssystemene som Swarm har som mål å forstyrre. I en begjæring til FCC om å avvise Swarms konstellasjonssøknad, skrev Orbcomm at oppstarten forsøker å bare ignorere Orbcomms klart opptjente ... spektrumrettigheter.

Det er virkelig knapphetsproblemer i bane, sier Thomas Hazlett, en økonomiprofessor ved Clemson University og forfatter av Det politiske spekteret . Hvis du ønsker å sette opp en satellitt for kommunikasjon, kan du få potensielle konflikter med andre brukere. Det er et reelt behov for regler for å bidra til å koordinere denne bruken.

Den internasjonale telekommunikasjonsunionen (ITU) er organet som har til oppgave å fjerne disse konkurrerende påstandene. Den ble dannet på midten av 1800-tallet for å standardisere telegrafteknologier, og har bidratt til å regulere hvem som får plassere satellitter i bane siden romalderens begynnelse. Byrået, som også gjør det mulig å ringe fra ett land til et annet, blant utallige andre regulatoriske oppgaver, er nå en del av FN. Men individuelle land vil også ha noe å si om romfartøy som flyr over hodet. Det betyr at operatører som Swarm også må samarbeide med nasjonale byråer i landene de har tenkt å operere i (spesielt kontrollerer FCC tilgangen til det viktige amerikanske markedet).

Ikke overraskende ser nykommere på disse forskriftene som barrierer som skal holde dem på bakken. I et lengre svar til FCC hevdet Swarm at Orbcomm ikke har noen rettigheter til spekteret det ønsker å bruke, og at selskapets useriøse begjæring ikke representerer noe annet enn forsøket til en mangeårig monopolist på å bruke lisensieringsprosessen for å opprettholde privilegiene sine.

Stabile sirkulære baner rundt jorden er assosiert med bestemte hastigheter, som varierer med høyden. (Satellitter i elliptiske baner øker når de er nærmere Jorden og bremser ned når de når det fjerneste punktet i sin bane.) Ved 35 786 kilometer (22 236 miles), samsvarer banehastigheten med Jordens rotasjon. Romfartøyer som flyr rett over ekvator i den høyden vil virke frosset på himmelen for en observatør på overflaten. Slike geostasjonære spor gjør det mulig for en enkelt stor satellitt å betjene et bredt geografisk område, enten det er i videresending av kommunikasjon eller for eksempel overvåking av været.

For å gi rom for litt albuerom mellom nabosatellitter, er det kanskje 1800 nyttige geostasjonære punkter på denne store sirkelen, hvorav rundt 400 har blitt okkupert i løpet av årene. Som man kan forvente, er det mer interesse for steder over rike regioner som Nord-Amerika og Europa enn over tynt befolkede stillehavsøyer. Land ble tildelt spilleautomater over lengdegrad, og deretter fikk individuelle satellitter lov til å bosette seg etter førstemann til mølla-prinsippet.

Nicolas Ortega

Til å begynne med så spekteret ut til å være et løsbart problem. Ikke bare måtte frekvenser deles opp mellom bare et lite antall operatører i ett område, men de samme frekvensene kunne gjenbrukes om og om igjen over hele kloden. Alle forsto reglene, sier Tim Farrar i satellittkonsulentfirmaet TMF Associates.

Spillereglene er imidlertid i endring. Operatører ønsker å pakke små, billige satellitter inn på ride-sharing raketter og sende dem inn i lav jordbane, eller LEO. Fra bare noen hundre eller tusen kilometer opp har satellitter med kameraer mye bedre utsikt over planeten; for kommunikasjonssystemer kan kortere avstand til overflaten spare strøm og redusere ventetiden. Med et mangfold av høyder og baner å velge mellom, bør det være plass til alle.

Spektrum er nå i ferd med å bli den begrensende faktoren for hvem som får distribuere nye kommunikasjonskonstellasjoner. Satellitter i LEO suser rundt på planeten i løpet av få timer, og kan potensielt forårsake interferens ikke bare for hverandre, men for alle geostasjonære satellitter de passerer under. Til å begynne med var ITUs løsning å gjøre det samme den hadde gjort for geostasjonær bane: den første operatøren som søkte om å bruke en del av spekteret ble prioritert. Alle som følger må gå med på å ikke blande seg inn.

Spektrum er nå i ferd med å bli den begrensende faktoren for hvem som får distribuere nye kommunikasjonskonstellasjoner.

Men interferens er et glatt konsept. Geostasjonær koordinering er relativt grei, sier Diederik Kelder, strategisjef i LeoSat, som planlegger en konstellasjon av minst 84 internettsatellitter i LEO. Mens i [LEO] er det en veldig kompleks ting. Du trenger svært sofistikerte modelleringsverktøy for å forstå virkningen.

FCC forutså en kommende spektrumkrise, og bestemte seg for å presse frem med retningslinjer for deling av spektrum der alle som planlegger å bruke lignende frekvenser vil bli vurdert samtidig – såkalte behandlingsrunder som teoretisk sett vil skape et mer rettferdig spillefelt.

Men det har fått utilsiktede konsekvenser. Flere tvister har brøt ut ettersom nye aktører prøver å finne smutthull i reguleringen eller tekniske rettelser mens etablerte operatører forsøker å beskytte frekvensene sine mot forstyrrelser, enten de er reelle eller innbilte. Insentivet for bedrifter til å søke om frekvenser så snart som mulig betyr også at de må sende inn forespørsler til ITU og FCC lenge før satellittene deres er bygget eller noen ganger til og med ferdig designet.

SpaceX er den mest ambisiøse av den nye LEO-generasjonen. I 2015 avduket Elon Musk en plan for å bruke en megakonstellasjon av satellitter kalt Starlink for å levere globalt bredbåndsinternett som ville nå mange utviklings- og underbetjente regioner. SpaceX ba opprinnelig om tillatelse til å skyte opp 4.425 satellitter, men det økte det til nesten 12.000 i 2017 – en konstellasjon som FCC endelig lisensierte i slutten av 2018.

I forkant av oppskytingen av sine første kommersielle satellitter, fiklet SpaceX med planen sin nok en gang, og ba om å flytte noen av satellittene nærmere jorden og endre frekvensene de ville bruke. Dets egne analyser viste visstnok ingen ny interferens, men andre satellittselskaper var ikke fornøyde. Kepler, en annen oppstart av satellittkommunikasjon, kalte påstandene sine grunnleggende misvisende. OneWeb, som planlegger sin egen megakonstellasjon av mer enn 2500 internettsatellitter, sa på samme måte at SpaceXs interferensberegninger [inkluderte] misvisende operasjonelle forutsetninger, et ufullstendig analyseparametersett og svært misvisende konklusjoner.

FCC godkjente SpaceXs plan, og selskapet lanserte sine første 60 Starlink-satellitter i mai. Konkurrentene vil nå måtte skyte opp satellittene sine i håp om at bekymringene deres for interferens var ubegrunnede.

I det minste ble dette spyttet raskt avgjort. Marerittet for nykommere er at tvister kan føre til uendelige reguleringsforsinkelser.

I 2001, for eksempel, søkte et selskap ved navn Mobile Satellite Ventures FCC om å gjenbruke noen av sine satellittfrekvenser for en hybrid satellitt/jordbasert kommunikasjonstjeneste. Ti år senere mottok selskapet, nå kalt LightSquared, en betinget dispensasjon for å fortsette som raskt ble suspendert på grunn av bekymring for at det kunne forstyrre GPS-navigasjonssignaler. LightSquared begjærte seg nesten umiddelbart konkurs, men med nesten et tiår til, og enda et navneendring, fortsetter Ligado Networks LightSquareds kamp. Den har lovet å redusere kraften til overføringene sine med over 99 %, men står fortsatt overfor vedvarende tilbakeslag fra nervøse, og muligens sjalu, luftfartskonkurrenter.

Ligados avgjørelse om å kaste bort 40 MHz med satellittspektrum bør ikke belønnes med en uventing, skrev rivaliserende satellittoperatør Iridium til FCC i juli 2018. I april bemerket Ligado i et møte med FCC at byrået hadde vurdert sin siste søknad om over 1000 dager. Da denne saken gikk i trykken, hadde FCC ennå ikke tatt stilling til det.

Likevel viser Ligados tilnærming hvordan teknologi kan bidra til å dempe krangel. Firmaet var i stand til å redusere strømbehovet dramatisk takket være stadig mer følsomme mottakere. Multiplekssystemer fortsetter også å forbedre seg, på grunn av både forbedret datakraft og stadig mer intrikate, smarte teknikker for koding og dekoding av signaler.

Høyforsterkede antenner lar satellitter lage fokuserte punktstråler som retter seg mot bestemte områder under dem. Jo strammere fokus er, desto oftere kan disse frekvensene gjenbrukes. Andre nye systemer planlegger å bruke enda tettere fokuserte lasere for en satellitt for å kommunisere med en annen, noe som reduserer etterspørselen etter radiofrekvenser. Nye fasede array-teknologier betyr at satellittsignaler nå kan mottas av små og billige elektronisk styrte flatskjerm-antenner i stedet for de uhåndterlige parabolantenne fra gammelt av. GPS-utstyrte satellitter og brukerterminaler kan programmeres for å unngå å sende mot rivaliserende LEO eller geostasjonære satellitter.

Noen eksperter mener at den beste måten å slippe løs teknologisk innovasjon på er at reguleringen tar et baksete til markedsbaserte løsninger, som de eksisterende auksjonene for bakkebasert trådløst spektrum. Men det er ingen klar mekanisme for en slik global spektrumauksjon.

Uansett, selv om det å konvertere gratis tildelinger av satellittfrekvenser til omsettelige rettigheter kan tilby insentiver for samarbeid om obstruksjon, vil det være en omfattende prosess i global skala. Orbitaløkonomien er allerede dominert av en håndfull av verdens mektigste nasjoner. Å gi fortrinnsrett til de selskapene med de dypeste lommene ser ut til å opprettholde historiske ulikheter, og å ekskludere utviklingsland som har mest å tjene på å nå den neste teknologiske grensen.

Ikke alle ser behovet for en revolusjon i bane. Farrar mener at satellitter og bakkestasjoner jevnlig vil bli tvunget til å pause driften inntil faren for forstyrrelser avtar, og dermed redusere kapasiteten dramatisk og truer allerede vaklende forretningsplaner. Det ville vært en katastrofe fra et økonomisk synspunkt om alle får drive, sier han. Men det er utenkelig at [alle disse selskapene] vil gjøre det de har kunngjort at de planlegger å gjøre.

I så fall kan et kronglete byråkrati som utsetter, forsinker og forstyrrer forretningsplaner være akkurat det plassen trenger.

Mark Harris er forfatter i Seattle og en hyppig bidragsyter.

gjemme seg