โครงการ Starlink ของ SpaceX ทำงานอย่างไร แบบละเอียด



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