Duas tecnologias de ponta são essenciais para tornar as redes de banda larga por satélite de baixa órbita terrestre (LEO) mais rápidas e econômicas: Lasers e antena ativamente orientada eletronicamente (AESA). O rápido desenvolvimento de ambos é essencial para reduzir a latência e o custo.

Raios laser malditos

Links de laser, ou comunicações ópticas entre satélites, são a base da próxima geração de satélites SpaceX Starlink, bem como para os satélites Telesat e Amazon Project Kuiper . Duas empresas a serem observadas neste campo são BridgeComm e Mynaric.

Usar relés de comunicação entre satélites não é novidade. A rede Iridium atualmente em operação e os satélites OneWeb em implantação usam links de rádio para mover as comunicações de satélite para satélite sem ter que usar uma estação retransmissora na superfície da Terra. Essa é uma vantagem importante quando não há uma maneira acessível de construir uma estação em lugares como o meio do oceano ou nos pólos. O uso de links intersatélite também reduz a latência, uma vez que os pacotes não passam por uma estação terrestre e conectividade de rede terrestre para retransmitir sinais entre locais conectados por satélite em diferentes partes do mundo.

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Da mesma forma, o conceito de comunicações ópticas em espaço livre não é nada novo no mundo das telecomunicações, com equipamentos terrestres fornecendo comunicações ponto a ponto de alta velocidade no solo por vários quilômetros em velocidades de até gigabit em tempo claro, com chuva e nevoeiro diminuindo ou bloqueando a transmissão - bom para áreas desérticas como Arizona ou Nevada, menos em Seattle ou Vancouver.

Clientes preocupados com a segurança, como militares e empresas dos Estados Unidos, preferem comunicações a laser ponto a ponto porque são extremamente difíceis de interceptar quando comparadas à RF.

Os defensores do laser citam duas vantagens adicionais para links intersatélite. A luz viaja 31% mais devagar passando pelo cabo de fibra ótica do que o vácuo, portanto, livrar-se da fibra como meio de transmissão resulta em maior velocidade da rede. Em segundo lugar, as comunicações de laser ponto a ponto fornecem um verdadeiro caminho em “linha reta” para os dados, em vez de seguir direitos de passagem e outros caminhos sinuosos que acontecem quando a fibra é puxada por conduítes e implantada no fundo do mar.

O desafio para os lasers espaciais é ser capaz de apontar com precisão um feixe de luz e mantê-lo focado em um receptor com satélites voando a velocidades de milhares de milhas por hora e construir hardware qualificado para o espaço nas quantidades necessárias para centenas e milhares de satélites. Cada satélite requer um mínimo de quatro módulos de comunicação a laser para conectar-se com os satélites na frente e atrás dele em órbita e os de cada lado - pense em “esquerda” e “direita” em relação a onde o satélite está voando. Na estrada, um quinto módulo de laser apontando para baixo pode ser incorporado para fornecer comunicação suplementar de alta velocidade entre a constelação em órbita e as redes terrestres.

O desafio para os lasers espaciais é ser capaz de apontar com precisão um feixe de luz e mantê-lo focado em um receptor com satélites voando a velocidades de milhares de quilômetros por hora.

Vários testes em órbita foram realizados e continuam a ocorrer para usar lasers tanto para comunicações intersatélites quanto para satélites terrestres. SpaceX é o mais próximo de lançar links intersatélites em uma base de produção, tendo-os testado em um par de satélites de nave estelar em 2020 e incorporado módulos de laser “v0.9” com um conjunto de 10 satélites lançados em órbita polar em janeiro de 2021. Os lasers são deverá ser equipamento padrão em todos os satélites Starlink em algum momento no futuro. A empresa planejou inicialmente ter links de laser em seus satélites de primeira geração, mas a tecnologia não estava pronta no prazo que a SpaceX precisava.

Tanto a Telesat quanto a Amazon estão incorporando lasers em seus satélites desde o primeiro dia. O OneWeb provavelmente irá incorporar links intersatélites a laser nas futuras gerações de seus satélites.

Santo Graal da LEO - Antenas de baixo custo

Como os satélites LEO estão mais próximos da Terra, menos energia é necessária para a transmissão de dados entre o solo e o satélite e mais dados podem ser transmitidos para qualquer quantidade disponível de espectro de RF. No entanto, “Não existe almoço grátis” se aplica às constelações de satélites LEO tanto quanto qualquer outro avanço tecnológico. Órbitas mais baixas significam que os satélites voam mais rápido no céu, com um único satélite apenas algumas vezes por dia durante alguns minutos.

Para fornecer cobertura de comunicações 24 × 7 contínua, você precisa de um “trem” de satélites acima, com “novos” satélites aparecendo à medida que os “antigos” partem e a capacidade de ter antenas capazes de rastrear vários satélites de uma vez.

Os usuários comerciais e navios de cruzeiro que usam as redes O3b MEO (Medium Earth Orbit) e OneWeb podem usar duas a três antenas mecânicas para rastrear vários satélites, mas esses operadores têm o luxo de ter espaço físico suficiente para vários pratos e os contratos de serviço para consertá-los quando motores e engrenagens quebram.

Entra em AESA, a antena ativamente orientada eletronicamente (AESA). Muitos módulos de transmissão / recepção de rádio são colocados em uma matriz e usam vários feixes gerenciados para "rastrear" os satélites conforme eles cruzam o céu, em vez de mover mecanicamente um prato. O AESA foi usado pela primeira vez em radares militares, resultando em maior confiabilidade e apontamento muito mais rápido e preciso, juntamente com uma forma muito mais plana e menor do que o prato tradicional.

Para aplicativos LEO de consumo e corporativos, AESA é uma solução muito mais desejável do que várias antenas físicas, mas a sofisticação e a quantidade de circuitos tornam a construção terrivelmente cara, com uma antena para um navio marítimo custa mais de $ 20.000 e antenas de aeronaves comerciais começando em $ 50.000 e aumentando rapidamente.

Quão cara e complexa é uma antena AESA em comparação com outros dispositivos? Um telefone celular de última geração pode ter entre quatro rádios e 13 antenas e custar US $ 1.000 ou mais. A antena SpaceX Starlink AESA tem mais de mil elementos de transmissão / recepção (rádios) espalhados por uma placa de circuito físico de 19,75 polegadas por 21,5 polegadas - muito maior do que um telefone celular. Uma estimativa do Business Insider apontou o custo de uma antena Starlink em cerca de US $ 2.400 em quantidades de um milhão.

A Amazon mostrou parte de seu trabalho no desenvolvimento de uma antena AESA de custo mais baixo para seu Projeto Kuiper, enquanto a Isotropic Systems e a Kymeta Corporation estão entre as empresas que trabalham com diferentes tecnologias para reduzir o custo das antenas. OneWeb e Telesat Lightspeed precisarão de um ecossistema de antenas de terceiros saudável para que seus serviços LEO floresçam, uma vez que não estão construindo antenas internamente.

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