Chi può inviare onde radio nello spazio?

I satelliti non sono molto utili se non possono comunicare

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• Marco Harris pagina di archivio

26 giugno 2019

Un'illustrazione concettuale che mostra un distributore 'Prego un numero' nello spazio Nicola Ortega

Lassù si sta affollando. Stormi di cubesat, flotte di telecamere orbitanti e le prime mega-costellazioni Internet a banda larga di artisti del calibro di SpaceX, Amazon e OneWeb stanno rapidamente riempiendo l'orbita terrestre bassa. Se tutti i servizi venissero avviati come previsto, presto potrebbero esserci 10 volte più satelliti operanti in orbita rispetto a oggi.

L'aumento della spazzatura spaziale pericolosa è una preoccupazione. Ma c'è un mal di testa più immediato per gli operatori satellitari: una stretta sempre più stretta sullo spettro delle radiofrequenze necessario per operare dall'orbita. Le startup spaziali che litigano per ottenere la loro giusta quota potrebbero effettivamente frenare questa nascente industria?

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2019

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La radiazione elettromagnetica copre un'ampia gamma di frequenze ed energie, ma solo bande specifiche sono utili per la comunicazione da e verso lo spazio. I raggi X ad alta frequenza sarebbero pericolosi; i segnali a microonde vengono assorbiti dall'atmosfera; le onde radio a bassa frequenza sono meno efficaci nel trasmettere informazioni e richiedono antenne grandi e sgraziate.

Come le persone che urlano a una festa, i segnali in competizione alla stessa frequenza radio possono interferire e rendere difficile la comunicazione, quindi lo spettro deve essere suddiviso in piccoli pezzi per usi diversi. I sistemi multiplexing consentono agli operatori di condividere lo spettro tagliando finemente gli intervalli di tempo e i canali di frequenza, nonché codificando i segnali in modo che molti messaggi diversi possano essere trasmessi contemporaneamente. Ma le bande di frequenza devono ancora essere assegnate a utenti particolari, per evitare interferenze che renderebbero inutilizzabile lo spettro radio. Molte delle frequenze più desiderabili per i collegamenti orbitali sono state assegnate alle tradizionali trasmissioni radiofoniche e televisive molto prima del lancio dei primi satelliti. Ora, mentre i cieli si riempiono di più satelliti, la corsa agli slot di radiofrequenza sta diventando sempre più litigiosa. Ai regolatori viene chiesto di occuparsi di più aziende, più veicoli spaziali e più controversie che mai. Le scartoffie possono durare anni, anche se startup entusiaste tentano di sconvolgere un'industria conservatrice.

Swarm Technologies non è estranea alle lotte normative. Quando questa piccola startup della Silicon Valley ha lanciato quattro minuscoli satelliti sperimentali nel 2018, ha trascurato di ottenere la necessaria autorizzazione dalla Federal Communications Commission degli Stati Uniti, una delle agenzie la cui approvazione deve essere concessa prima che il lancio possa aver luogo. La FCC lo ha scoperto e ha schiaffeggiato la società con una sanzione di $ 900.000.

L'azienda ora vuole lanciare una costellazione di 150 unità per comunicare con il numero crescente di dispositivi connessi a Internet sulla Terra. Poiché i suoi satelliti sono così piccoli e quindi economici da lanciare, Swarm ritiene che i suoi servizi di messaggistica costeranno un ordine di grandezza inferiore rispetto ai sistemi satellitari esistenti. Tutto ciò di cui ha bisogno sono alcune schegge di spettro radio VHF.

Tuttavia, l'operatore satellitare di lunga data Orbcomm ha rivendicato quelle frequenze per decenni e gestisce uno degli stessi sistemi di messaggistica che Swarm mira a interrompere. In una petizione alla FCC per respingere la domanda di costellazione di Swarm, Orbcomm ha scritto che la startup tenta semplicemente di ignorare i diritti chiaramente acquisiti... sullo spettro di Orbcomm.

Ci sono davvero problemi di scarsità in orbita, afferma Thomas Hazlett, professore di economia alla Clemson University e autore di Lo spettro politico . Se vuoi installare un satellite per le comunicazioni, potresti avere potenziali conflitti con altri utenti. C'è un reale bisogno di regole che aiutino a coordinare questo uso.

L'Unione internazionale delle telecomunicazioni (ITU) è l'organismo incaricato di eliminare queste affermazioni concorrenti. Costituito a metà del 19° secolo per standardizzare le tecnologie telegrafiche, ha contribuito a regolare chi può posizionare i satelliti in orbita sin dagli albori dell'era spaziale. L'agenzia, che permette anche di effettuare telefonate da un Paese all'altro, tra una miriade di altre responsabilità normative, fa ora parte delle Nazioni Unite. Ma i singoli paesi vogliono anche dire qualcosa sui veicoli spaziali che volano sopra la testa. Ciò significa che operatori come Swarm devono anche collaborare con le agenzie nazionali nei paesi in cui intendono operare (in particolare, la FCC controlla l'accesso all'importantissimo mercato americano).

Non sorprende che i nuovi arrivati ​​vedano questi regolamenti come barriere intese a mantenerli a terra. In una lunga risposta alla FCC, Swarm ha affermato che Orbcomm non ha diritti sullo spettro che desidera utilizzare e che la frivola petizione della società non rappresenta altro che il tentativo di un monopolista di lunga data di utilizzare il processo di licenza per mantenere i propri privilegi.

Le orbite circolari stabili intorno alla Terra sono associate a velocità particolari, che variano con l'altitudine. (I satelliti in orbite ellittiche accelerano quando sono più vicini alla Terra e rallentano quando raggiungono il punto più lontano della loro orbita.) A 35.786 chilometri (22.236 miglia), la velocità orbitale corrisponde alla rotazione terrestre. Un'astronave che vola direttamente sopra l'equatore a quell'altitudine apparirà congelata nel cielo a un osservatore in superficie. Tali slot geostazionari consentono a un unico grande satellite di servire un'ampia area geografica, sia nell'inoltro di comunicazioni che, ad esempio, nel monitoraggio del tempo.

Tenendo conto di un po' di spazio tra i satelliti vicini, ci sono forse 1.800 punti geostazionari utili su questo grande cerchio, circa 400 dei quali sono stati occupati nel corso degli anni. Come ci si potrebbe aspettare, c'è più interesse per i luoghi sopra le regioni ricche come il Nord America e l'Europa che sopra le isole del Pacifico scarsamente popolate. Ai paesi sono stati assegnati slot al di sopra della loro longitudine e quindi ai singoli satelliti è stato consentito di stabilirsi in base all'ordine di arrivo.

Nicola Ortega

All'inizio, lo spettro sembrava essere un problema risolvibile. Non solo le frequenze dovevano essere suddivise tra un piccolo numero di operatori in un'area, ma le stesse frequenze potevano essere riutilizzate più e più volte in tutto il mondo. Tutti hanno capito le regole, afferma Tim Farrar della società di consulenza satellitare TMF Associates.

Le regole del gioco, però, stanno cambiando. Gli operatori vogliono caricare piccoli satelliti economici su razzi di condivisione del viaggio e inviarli in orbita terrestre bassa, o LEO. Da poche centinaia o migliaia di chilometri in su, i satelliti con telecamere hanno una visione molto migliore del pianeta; per i sistemi di comunicazione, la minore distanza dalla superficie può far risparmiare energia e ridurre la latenza. Con una moltitudine di altitudini e orbite tra cui scegliere, dovrebbe esserci spazio per tutti.

Lo spettro sta ora diventando il fattore limitante per chi può implementare nuove costellazioni di comunicazioni. I satelliti in LEO sfrecciano intorno al pianeta nel giro di poche ore, causando potenzialmente interferenze non solo tra loro, ma anche con ogni satellite geostazionario sotto cui passano. In un primo momento, la soluzione dell'ITU era di fare la stessa cosa che aveva fatto per l'orbita geostazionaria: il primo operatore a richiedere l'utilizzo di una fetta di spettro aveva la priorità. Tutti quelli che seguono dovrebbero accettare di non interferire.

Lo spettro sta ora diventando il fattore limitante per chi può implementare nuove costellazioni di comunicazioni.

Ma l'interferenza è un concetto scivoloso. Il coordinamento geostazionario è relativamente semplice, afferma Diederik Kelder, chief strategy officer di LeoSat, che sta pianificando una costellazione di almeno 84 satelliti Internet in LEO. Mentre in [LEO] è una cosa molto complessa. Sono necessari strumenti di modellazione molto sofisticati per coglierne l'impatto.

Prevedendo un'imminente crisi dello spettro, la FCC ha deciso di portare avanti politiche di condivisione dello spettro in cui tutti coloro che intendono utilizzare frequenze simili sarebbero stati considerati allo stesso tempo, i cosiddetti round di elaborazione che teoricamente creerebbero un campo di gioco più equo.

Ma ci sono state conseguenze indesiderate. Altre controversie sono scoppiate quando i nuovi entranti cercano di trovare scappatoie normative o soluzioni tecniche mentre gli operatori affermati cercano di proteggere le loro frequenze dalle interferenze, reali o immaginarie. L'incentivo per le aziende a richiedere le frequenze il prima possibile significa anche che devono presentare richieste all'ITU e alla FCC molto prima che i loro satelliti siano stati costruiti o, a volte, anche completamente progettati.

SpaceX è il più ambizioso della nuova generazione LEO. Nel 2015, Elon Musk ha presentato un piano per utilizzare una mega-costellazione di satelliti chiamata Starlink per fornire Internet a banda larga globale che raggiungerebbe molte regioni in via di sviluppo e sottoservite. Inizialmente SpaceX aveva chiesto il permesso di lanciare 4.425 satelliti, ma lo ha aumentato a quasi 12.000 nel 2017, una costellazione che la FCC ha finalmente concesso in licenza alla fine del 2018.

In vista del lancio dei suoi primi satelliti commerciali, SpaceX ha armeggiato ancora una volta con il suo piano, chiedendo di avvicinare alcuni dei suoi satelliti alla Terra e cambiare le frequenze che avrebbero utilizzato. Le sue stesse analisi presumibilmente non hanno mostrato nuove interferenze, ma altre società satellitari non erano contente. Kepler, un'altra startup di comunicazioni satellitari, ha definito le sue affermazioni fondamentalmente fuorvianti. OneWeb, che pianifica la propria mega-costellazione di oltre 2.500 satelliti Internet, ha affermato in modo simile i calcoli di interferenza di SpaceX [inclusi] ipotesi operative fuorvianti, un set di parametri di analisi incompleto e conclusioni altamente fuorvianti.

La FCC ha approvato il piano di SpaceX e la società ha lanciato i suoi primi 60 satelliti Starlink a maggio. I suoi rivali ora dovranno lanciare i loro satelliti sperando che le loro preoccupazioni sulle interferenze fossero infondate.

Almeno questo battibecco è stato risolto rapidamente. L'incubo per i nuovi arrivati ​​è che le controversie possono portare a interminabili ritardi normativi.

Nel 2001, ad esempio, una società chiamata Mobile Satellite Ventures ha chiesto alla FCC di riutilizzare alcune delle sue frequenze satellitari per un servizio di comunicazione ibrido satellite/terrestre. Dieci anni dopo l'azienda, ora chiamata LightSquared, ricevette una deroga condizionale a procedere che fu rapidamente sospesa per timore che potesse interferire con i segnali di navigazione GPS. LightSquared ha quasi immediatamente dichiarato bancarotta, ma con il passare di quasi un altro decennio e l'ennesimo cambio di nome, Ligado Networks continua la lotta di LightSquared. Ha promesso di ridurre la potenza delle sue trasmissioni di oltre il 99%, ma deve ancora affrontare un continuo respingimento da parte di concorrenti aerospaziali nervosi e forse gelosi.

La decisione di Ligado di sprecare 40 MHz di spettro satellitare non dovrebbe essere ricompensata con una manna, l'operatore satellitare rivale Iridium ha scritto alla FCC nel luglio 2018. Ad aprile, Ligado ha notato in un incontro con la FCC che l'agenzia aveva preso in considerazione la sua ultima domanda di oltre 1.000 giorni. Quando questo problema è andato in stampa, la FCC doveva ancora pronunciarsi su di esso.

Tuttavia, l'approccio di Ligado mostra come la tecnologia potrebbe aiutare a sedare i litigi. L'azienda è riuscita a ridurre drasticamente il proprio fabbisogno energetico grazie a ricevitori sempre più sensibili. Anche i sistemi di multiplexing continuano a migliorare, grazie sia alla maggiore potenza di calcolo che a tecniche sempre più complesse e intelligenti per la codifica e la decodifica dei segnali.

Le antenne ad alto guadagno consentono ai satelliti di creare fasci spot focalizzati mirati ad aree specifiche sotto di loro. Più stretta è la messa a fuoco, più spesso quelle frequenze possono essere riutilizzate. Altri nuovi sistemi prevedono di utilizzare laser ancora più focalizzati affinché un satellite comunichi con un altro, riducendo la domanda di frequenze radio. Le nuove tecnologie phased array significano che i segnali satellitari possono ora essere ricevuti da piccole ed economiche antenne a pannello piatto a guida elettronica piuttosto che dalle ingombranti antenne paraboliche del passato. Sia i satelliti dotati di GPS che i terminali utente possono essere programmati per evitare la trasmissione verso satelliti LEO o geostazionari rivali.

Alcuni esperti ritengono che il modo migliore per liberare l'innovazione tecnologica sia che la regolamentazione passi in secondo piano rispetto alle soluzioni basate sul mercato, come le aste esistenti per lo spettro wireless terrestre. Ma non esiste un meccanismo chiaro per un'asta di spettro così globale.

In ogni caso, anche se convertire le assegnazioni gratuite di frequenze satellitari in diritti negoziabili potrebbe offrire incentivi per la cooperazione sull'ostruzione, sarebbe un processo arduo su scala globale. L'economia orbitale è già dominata da una manciata di nazioni più potenti del mondo. Concedere un accesso preferenziale alle società con le tasche più profonde sembra probabilmente perpetuare le disuguaglianze storiche ed escludere i paesi in via di sviluppo che hanno più da guadagnare dal raggiungere la prossima frontiera tecnologica.

Non tutti vedono la necessità di una rivoluzione in orbita. Farrar ritiene che i satelliti e le stazioni di terra saranno regolarmente costretti a sospendere il funzionamento fino a quando il rischio di interferenze non sarà diminuito, riducendo così drasticamente la loro capacità e minacciando piani aziendali già traballanti. Sarebbe un disastro dal punto di vista economico se tutti riuscissero ad operare, dice. Ma è inconcepibile che [tutte queste aziende] facciano ciò che hanno annunciato di voler fare.

In tal caso, una burocrazia tortuosa che rinvia, ritarda e interrompe i piani aziendali potrebbe essere proprio ciò di cui lo spazio ha bisogno.

Mark Harris è uno scrittore a Seattle e un collaboratore frequente.

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