Space Mission โครงการ Starlink ของ SpaceX ทำงานอย่างไร แบบละเอียด
โครงการ Starlink ของ SpaceX ทำงานอย่างไร แบบละเอียด

Nutn0n in Orbital Physics

โครงการ Starlink ของ SpaceX ทำงานอย่างไร แบบละเอียด

May 21, 2019

เป็นที่พูดถึงกันพอสมควรสำหรับโครงการ Starlink ของ SpaceX ที่อธิบายง่าย ๆ ก็คือโครงการดาวเทียมอินเทอร์เน็ต ซึ่งหลายครั้งถูกเอาไป Over simplify กันว่าเป็นการยิงดาวเทียมเพื่อไปให้ใช้บริการ Wifi ฟรีให้กับคนบนโลก แถมคนก็ยังเชื่อว่าเป็นแบบนั้นเสียด้วย สร้างเสริมภาพลักษณ์ความเท่ให้กับ Elon Musk ไปอีก แต่จริง ๆ แล้ว เบื้องหลังของโครงการ Starlink ไม่ใช่แค่ดาวเทียมให้บริการ Wifi อย่างที่หลายคนเข้าใจกัน รวมถึงก็ยังมีภาพต่าง ๆ ที่อ้างว่าเป็นค่าบริการ (ที่ถูกกว่าค่ายมือถือ) ออกมาหลอกกันเป็นระยะ ๆ

วันนี้ผู้เขียนจะพาทุกคนมาทำความเข้าใจโครงการ Starlink ในแบบที่ละเอียดยิบแถมยังเข้าใจง่าย จะได้สามารถอธิบายสิ่งที่มันกำลังจะเกิดได้อย่างถูกต้อง

จรวด Falcon 9 ในภารกิจการปล่อยดาวเทียม Starlink ครั้งแรก

ก่อนจะไปเรื่องดาวเทียม เรามาเข้าใจกันก่อนว่าทุกวันนี้อินเทอร์เน็ตทำงานอย่างไร อธิบายง่าย ๆ อินเทอร์เน็ตมันก็คือการเอาคอมพิวเตอร์ทั่วโลกมาเชื่อมกัน ซึ่งเมื่อก่อน ก็ทำได้ แต่อาจจะแค่ในระดับห้อง หรือองค์กรเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าคอมพิวเตอร์สองเครื่องขึ้นไปสามารถพูดคุยกันได้เป็นเวลาพอสมควรแล้วผ่าน Network รูปแบบต่าง ๆ แต่การจะเอาคอมพิวเตอร์ทั่วโลกมาเชื่อมกันนั้นเป็นงานใหญ่พอสมควร

แต่ทุกวันนี้ด้วยเทคโนโลยีการลากสายใยแก้วนำแสงใต้สมุทร (Submarine Fiber Optic Cable) ทำให้เราสามารถคุยกับคนที่อยู่อีกฝั่งหนึ่งของโลกได้ ให้ลองนึกภาพว่าเรากำลัง FaceTime กับเพื่อนที่อยู่ที่อเมริกา สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือ สัญญาณภาพของเราถูกส่งจากตัว iPhone ไปที่ Wifi Router จากนั้น Wifi Router ส่งต่อไปยัง Fiber Optic ที่ทางผู้ให้บริการอินเทอร์เน็ตลากมาที่บ้านเรา จากนั้นก็จะส่งต่อไปยัง Gateway ของประเทศ ออกสู่เส้นใยแก้วใต้ทะเล ไปเข้า Gateway ของประเทศนั้น ๆ แล้วต่อไปยังเส้นของผู้ให้บริการเข้าบ้านเพื่อน และ Wifi Router ของเพื่อนก็กระจายสัญญาณไปที่ iPhone ของเพื่อนเรา ซึ่งสิ่งนี้เกิดขึ้นได้ในเวลาระดับเสี้ยวของเสี้ยววินาที เราเรียกอัตราการหน่วงของสัญญาณว่า ping ถ้า ping เยอะก็จะ lag คุยกันสะดุดติด ๆ ขัด ๆ พูดไป 5 วิเพื่อนเพิ่งได้ยิน

แผนที่ของเส้นใยแก้วนำแสงใต้สมุทรที่เป็นโครงข่ายอินเทอร์เน็ตให้กับเราทุกวันนี้

คำถามก็คือ แล้วเราสามารถส่งสัญญาณแบบนี้ผ่านดาวเทียมได้ไหม คำตอบก็คือได้ แต่ก็มีข้อเสียอยู่ การส่งสัญญาณผ่านไปกับสายใยแก้วใต้สมุทรนี้มีความหน่วงน้อยที่สุด ถ้าคิดกันแบบเร็ว ๆ เส้นรอบวงของโลกอยู่ที่ 40,075 กิโลเมตร ในขณะที่วงโคจรค้างฟ้าของดาวเทียม 42,164 กิโลเมตรสูงขึ้นไป นั่นหมายความว่า ถ้าสัญญาณเดินทางด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วแสงในสุญญากาศ (เปรียบเทียบเฉย ๆ แสงจะเดินทางช้าลงในอากาศและ Fiber Optic) การส่งสัญญาณผ่านดาวเทียม ยังไงก็จะมี latency หรือความหน่วงมากกว่า ไม่ว่ากรณีใด ๆ แถมยังมีโอกาส loss ของสัญญาณเยอะกว่าแบบวิ่งในเส้นด้วย

ดังนั้นอินเทอร์เน็ตผ่านดาวเทียมนั้น แม่งทั้ง latency, loss, noise อะไรก็ไม่รู้เต็มไปหมด ทำให้ทุกวันนี้อินเทอร์เน็ตผ่านดาวเทียมยังจำกัดอยู่แค่อุตสาหกรรมบางตัวเช่น เรือเดินสมุทร, อากาศยาน หรือแท่นขุดเจาะกลางทะเล, การสำรวจพื้นที่ห่างไกลที่ไม่มีการลากสาย Fiber ไปถึง ประมาณนี้เท่านั้น

สังเกตบริเวณหลังของเครื่องบิน เหนือคำว่า Japan Airline จะมีอะไรนูน ๆ อยู่ อันนั้นคือเครื่องรับสัญญาณดาวเทียม ที่ทำให้เราเล่นอินเทอร์เน็ตบนเครื่องบินได้ ที่มา – Anna Zvereva

คำถามต่อไปก็คือ ก็ถ้าในเมื่อปัญหาคือดาวเทียมอยู่ไกล ทำไมเราไม่เอาดาวเทียมเข้ามาโคจรใกล้ ๆ เอาไปไว้ทำไมตั้ง 42,164 กิโลเมตร จริง ๆ แล้วตัวเลข 42,164 กิโลเมตรนี้เขาไม่ได้ส่งไปโคจรมั่ว ๆ แต่ที่ต้องอยู่ห่างขนาดนั้นเพราะว่า เป็นระดับความสูงที่ตัวดาวเทียมจะรักษาระดับการโคจรให้อยู่เหนือจุดใดจุดหนึ่งของโลกพอดี เช่นถ้าเราต้องการจะให้มันโคจรอยู่เหนือทวีปเอเชีย เราก็ต้องส่งขึ้นไปที่ความสูง 42,164 กิโลเมตร เรียกว่าวงโคจรค้างฟ้า หรือ Geosynchronous Orbit ความเร็วการโคจรของมันจะสัมพันธ์กับความเร็วการหมุนของโลกพอดี ทำให้ดาวเทียมดวงนั้นอยู่เหนือหัวเราเสมอ สำคัญมากถ้าเราต้องการสื่อสารผ่านดาวเทียม วิธีคิดง่าย ๆ ก็คือให้ลองไปดูจานดาวเทียมที่บ้านตัวเอง จะเห็นว่าจานจะติดตั้งอยู่ที่มุมส่าย 239.92 องศา และมุมเงย 54.72 องศา (ตัวเลขนี้เป็นของกรุงเทพ ถ้าจังหวัดอื่นก็จะมีเพิ่มลดเล็กน้อย) ก็คือหันไปยังดาวเทียม Thaicom 5 นั่นเอง นั่นหมายความว่า Thaicom 5 จะไม่เปลี่ยนตำแหน่ง เพราะมันโคจรไปพร้อม ๆ กับการหมุนของประเทศไทยนั่นเอง

แผนที่ดาวเทียมบน Geosynchronous Orbit ที่มา – Boeing

ถ้าเอาดาวเทียมมาใกล้กว่านี้มันจะโคจรเร็วขึ้นก็จะไม่ sync กับการหมุนของโลก ถ้าเอาไปไกลกว่านี้มันก็จะโคจรช้าลงก็จะไม่ sync กันอีก ดังนั้นเราจึงต้องเอาดาวเทียมไปไว้ที่ความสูงระดับนั้นเท่านั้น

เราเรียกบริเวณที่อยู่ภายใต้อำนาจการรับและส่งสัญญาณของดาวเทียมว่า Footprint ซึ่งดาวเทียมแต่ละดวงก็จะมี Footprint ครอบคลุมเฉพาะบางประเทศหรือบางทวีปเท่านั้น

Footprint ในการให้บริการของดาวเทียม Thaicon 4 IPSTAR ที่มา – Thaicom

ดาวเทียม Thaicom 4 ของเราเป็นดาวเทียมที่ให้บริการอินเทอร์เน็ต ก็โคจรอยู่ที่วงโคจรค้างฟ้าเหมือนกัน ดังนั้น ถ้าเรามี Thaicom 4 ดวงเดียวเราก็จะสื่อสารกับคนอเมริกาไม่ได้ใช่ไหม คำตอบคือใช่ เพราะอเมริกาอยู่อีกฝั่งนึงของโลก และไม่ได้อยู่ใต้ Footprint ของ Thaicom แต่ทำไม Thaicom 4 ถึงให้บริการอินเทอร์เน็ตได้ ?

เราจะมาลองออกแบบวิธีแก้ปัญหากันดู โดยกติกาก็คือห้ามดาวเทียมสื่อสารกันเอง อย่างแรกก็คือ ใช้ดาวเทียม 3 ดวง A B C ดวงนึงอยู่เหนือไทย ดวงนึงอยู่เหนือแปซิฟิก อีกดวงอยู่เหนืออเมริกา แต่ละดวงมี Footprint ที่ Intersec กันเล็กน้อย เราตั้งจาน 2 ตัวที่จุด Intersec จานนึงหันหา A อีกจานหันหา B ส่วนอีกจุด Intersec นึงก็อีกตัวอันหา B อีกตัวหันหา C แบบนี้เราก็จะส่งข้อมูล ขึ้น ลง ขึ้น ลง ขึ้น ลง ไปยังสหรัฐอเมริกาได้ ซึ่งอย่าลืมว่าขึ้น ๆ ลง ๆ 42,164 กิโลเมตร 6 ครั้ง รวมกันเป็น 252,984 กิโลเมตร (อีกแค่แสนกิโลเมตรก็จะไปดวงจันทร์อยู่แล้ว) สัญญาณ loss, noise, latency ชิบหายวายวอดแน่ ๆ ดังนั้นวิธีนี้ไม่จำเป็นจริง ๆ ก็ไม่เวิร์ค

วิธีที่สองคือก็ส่งขึ้นดาวเทียมเท่าที่จำเป็นเท่านั้น ที่เหลือวิ่งใน Fiber Optic ใต้ทะเลเหมือนเดิมนี่แหละ ดังนั้นถามว่าเวลาที่เราเล่นอินเทอร์เน็ตกันบนเครื่องบินเหนือน่านฟ้าญี่ปุ่น แล้วเราคุยกับเพื่อนที่อเมริกา สัญญาณก็จะมาจากดาวเทียม และจานรับส่งสัญญาณบนโลก ที่ต่อเข้ากับโครงข่ายอินเทอร์เน็ต Fiber Optic ใต้ทะเลเหมือนเดิม

โจทย์ก็คือเราจะทำดาวเทียมอินเทอร์เน็ตยังไง ให้ เร็วแรงไม่กาก และไม่ต้องพึ่งพาสถานีบนพื้นโลก อย่างแรกก็คือเอาดาวเทียมมาโคจรใกล้ ๆ ก่อน ลองซัก 550 กิโลเมตร ดาวเทียมก็จะโคจรของมันไป ซึ่งถ้าคิดตามกลศาสตร์ของนิวตัน ดาวเทียมจะโคจรอยู่ที่ความเร็ว 7.35 กิโลเมตรต่อวินาที ถ้าเราให้มันโคจรทำมุม 90 องศาจากการหมุนของโลก เมื่อเวลาผ่านไป มันจะเคยบินผ่านทุกบริเวณซอกมุมของโลก กวาดไปตั้งแต่ขั้วโลกเหนือไปขั้วโลกใต้วนกลับมาขั้วเหนืออีก ในขณะที่โลกก็หมุนรอบตัวเอง กวาด ๆ ไปแปบเดียวก็ครบทุกมุม

การวางดาวเทืยมแบบ Low Earth Constellation ที่มา – Airbus

ทีนี้นึกภาพเดียวกัน แต่เราไม่ได้มีดาวเทียม 550 กิโลเมตรดวงเดียว แต่มีซัก 100 ดวง แต่ละดวงรักษาระยะห่างระหว่างกัน เพราะโคจรด้วยความเร็วเดียวกัน (7.35) หันซ้ายไปก็เจอเพื่อน หันขวาไปก็เจอเพื่อน แต่ละดวงมี Footprint เป็นของตัวเอง ถ้าเราดู Footprint ของทั้ง 100 ดวง จะพบว่า ตอนนี้ Footprint ทั้งหมดครอบคลุมทั้งโลกแล้ว

ทีนี้ ถ้าเราให้ดาวเทียมแต่ละดวงสามารถสื่อสารด้วยกันเอง (ซึ่งทำได้ไม่ยาก เพราะไม่ได้อยู่ห่างกันมาก และแต่ละตัวรู้ตำแหน่งของเพื่อนมันแน่ ๆ เพราะรักษาระยะห่างระหว่างกันเท่าเดิม) เราก็ให้มันคุยกัน เรียกเทคนิคนี้ว่า “Cross Link”

SpaceX ไม่ใช่บริษัทแรกที่ทำแบบนี้ แต่แนวคิดเรื่อง Constellation มีมาตั้งแต่ยุคปี 1990 และบริษัทแรกที่ใช้เทคนิคนี้ในการสร้าง Constellation บน Low Earth Orbit ได้สำเร็จก็คือ Iridium โดยใช้เวลาในการปล่อยดาวเทียม 98 ดวงตั้งแต่ปี 1997 – 2002 ด้วยกองทัพจรวดจากทุกมุมโลก สหรัฐอเมริกา รัสเซีย จีน รวมงบประมาณมากกว่า 5 พันล้านเหรียญสหรัฐฯ และผลที่ได้ก็คือเจ๊งในปีนั้นเลย

หลังจากนั้นในปี 2009 Iridium ก็เอาอีก เปิดตัวโครงการ Iridium Next ซึ่งอันนี้ก็ปล่อยเสร็จสิ้นสมบูรณ์ไปแล้ว เป็นการสร้าง Constellation ใหม่ ร่วมกับของเดิมที่มีอยู่ ทำให้ตอนนี้ Iridium มีดาวเทียมที่ส่งขึ้นไปใหม่เพิ่ม 66 ดวง (ซึ่งส่วนมากก็ใช้การปล่อยโดย SpaceX ด้วย) ทำให้ตอนนี้บริษัทแรกและบริษัทเดียวที่สร้าง Constellation การสื่อสารโดยไม่ต้องผ่านพื้นโลกสำเร็จเป็นเจ้าแรกก็คือ Iridium ด้วยความเร็ว 1.4 Mb/s (และ SpaceX ก็ได้เรียนรู้เทคนิค การออกแบบวงโคจร และซ้อมปล่อยไปกะเขาด้วย)

การติดตั้งดาวเทียม Iridium NEXT เข้ากับ Payload Fairing ของ Falcon 9 ที่มา – SpaceX

ยังมีโครงการแนว ๆ นี้อีกหลาย ๆ ตัวเช่น OneWeb (ประมาณไว้ที่ 882-1,980 ดวง) หรือ Telesat LEO (ประมาณไว้ที่ 117-512) ที่ยังไม่ได้เริ่มยิง แต่ยิงรุ่นทดสอบไปบ้างแล้ว

กับอีกอันนึงที่คล้าย ๆ กันก็คือ กลุ่มดาวเทียมของบริษัท SES และ Orbcomm ซึ่งก็ไม่ได้เชิง Constellation ในด้านของจำนวน คือมีแค่ประมาณ 20 ดวง แต่มีการทำ Cross Link ซึ่งอันนี้ไม่ได้หวังคลุมทั้งโลก แต่เอื้อให้ธุรกิจการบินและเรือเดินสมุทร

อธิบายง่าย ๆ ก็คือ Starlink เป็นกลุ่มดาวเทียมแบบ Constellation ที่ลงทุนและทำโดย SpaceX โดยจะใช้ดาวเทียมประมาณ 4,425-11,943 ดวง โดยในระยะที่ 1 จะปล่อยที่ระดับความสูง 550 กิโลเมตร จำนวน 1,600  ดวง

จรวด Falcon 9 ในภารกิจ Paz พร้อมดาวเทียมทดสอบ 2 ดวงในปี 2018 ที่มา – SpaceX

22 กุมภาพันธ์ปี 2018 SpaceX ได้ปล่อยดาวเทียมทดสอบ 2 ดวง ไปที่ระดับความสูง 514 กิโลเมตร ด้วยการแทรกมันเข้าไปในภารกิจ Paz และในเดือนพฤษภาคม 2019 การปล่อยช่วงแรกก็เริ่มต้นขึ้น ด้วยการปล่อยดาวเทียม 60 ดวงพร้อมกัน ซึ่ง Elon Musk บอกว่าเป็นภารกิจการปล่อย Falcon 9 ที่หนักที่สุดที่เคยมีมา คือ 18.5 ตัน คือเฉลี่ยดวงละ 300 กิโลกรัม

การยัดดาวเทียมกว่า 60 ดวงเข้าไปใน Payload Fairing ของจรวด Falcon 9 ที่มา – Elon Musk (Twitter)

และด้วยการจัดวางแบบเต็มรูปแบบใน Payload Faring ของ Falcon 9 ทำให้บอกได้ว่านี่คือขีดจำกัดที่สุดเท่าที่ Falcon 9 จะแบกรับได้แล้ว ดังนั้นภารกิจการปล่อย Starlink จึงยาก และน่าจับตามองมองมากที่สุดในแง่ของการผลักดันเทคโนโลยีจรวด

ทีนี้ถามว่า Service ที่เราจะได้รับนั้นมาในรูปแบบไหน ต้องบอกก่อนว่าข้อดีของการทำ Constellation ก็คือ เราสามารถรู้ปัญหาได้ทันทีถ้าเกิดมีอะไรผิดพลาดขึ้นมา เพราะเรารู้ตำแหน่งของดาวเทียมแต่ละดวง เรารู้ว่าดวงไหนพัง (ก็ไปใช้ดวงอื่นหรือส่งขึ้นไปใหม่) และอีกอย่างก็คือ เราไม่ต้องพึ่งการสื่อสารด้วยสายบนพื้นดินอีกต่อไป ซึ่งอันนี้จะทำให้อินเทอร์เน็ตผ่าน Starlink ทุกที่ ทั่วโลกมีความเร็วเท่ากันหมด ก็ขึ้นอยู่กับว่า SpaceX จะขายการ Connection ของ Starlink ให้กับ Internet Provider อีกที หรือจะขายให้กับกลุ่มลูกค้าโดยตรงด้วยก็ได้ ก็จะอารมณ์ประมาณ ได้จานมาจานนึงเล็ก ๆ เหมือนถ้วยคว่ำ ๆ ติดไว้บนหลังคาบ้าน หรือรถยนต์ ก็ใช้อินเทอร์เน็ตผ่าน Wifi ที่กระจายออกมาได้เลย หรือถ้าโชคดี เรามีเทคโนโลยีการรับส่งสัญญาณที่ดีกว่านี้ เราอาจจะฝังเสาแบบนี้ไว้ในมือถือ แล้วทำให้มันเชื่อมต่อเป็นอินเทอร์เน็ตมือถือได้เลย โดยที่ไม่ต้องใช้ Cellular จากเสามือถือ หรือเราจะเปลี่ยนเป็นตั้งเสามือถือที่ไหนก็ได้ แต่ไม่ต้องลาก Fiber เป็นยิงสัญญาณขึ้น Starlink แทน ก็แล้วแต่ว่าจะมีการออกแบบแบบไหน

อย่างไรก็ตาม ครั้งหนึ่งอินเทอร์เน็ตเคยเปลี่ยนโลกของการสื่อสารไปแล้ว ตอนนี้เรากำลังจะอยู่ในยุคที่อินเทอร์เน็ตจะไม่ถูกจำกัดด้วยสายอีกต่อไป แต่ถูกยกขึ้นไปเหนือหัวเราแทน เทคโนโลยีนี้จะ shape เทคโนโลยีอื่น ๆ และการใช้ชีวิตของมนุษย์ไปในทางไหนบ้างก็ต้องรอติดตามกัน

เรียบเรียงโดย ทีมงาน Spaceth.co





MORE