Stormi di cubi, flotte di telecamere orbitanti e le prime mega-costellazioni di Internet a banda larga stanno rapidamente riempiendo l’orbita bassa della Terra.
di Mark Harris
Il numero dei satelliti cresce senza sosta e l’aumento della spazzatura spaziale pericolosa rappresenta una preoccupazione reale. Ma c’è un problema più immediato per gli operatori satellitari: una stretta stringente sullo spettro delle radiofrequenze necessarie per operare dall’orbita.
Se sarà così, le start-up del settore spaziale concorrendo tra loro per aggiudicarsene una quota, non ostacoleranno di fatto lo sviluppo di questa nascente industria?
La radiazione elettromagnetica si estende su un’ampia gamma di frequenze ed energie, ma solo le bande specifiche sono utili per la comunicazione da e verso lo spazio.
Le altre possibilità presentano una serie di limiti: i raggi X ad alta frequenza sono dannosi; i segnali a microonde sono assorbiti dall’atmosfera; le onde radio a bassa frequenza sono meno efficaci nel trasmettere informazioni e richiedono antenne grandi e pesanti.
Come le persone che urlano a una festa, i segnali concorrenti sulla stessa frequenza radio possono interferire e rendere difficile la comunicazione, quindi lo spettro deve essere suddiviso in blocchi di piccole dimensioni.
I sistemi di multiplazione consentono agli operatori di condividere lo spettro suddividendo in modo preciso le fasce orarie e i canali di frequenza nonché i segnali di codifica in modo che possano essere trasmessi simultaneamente molti messaggi diversi.
Ma ora le bande di frequenza devono essere assegnate con grande attenzione, per evitare interferenze che renderebbero inutilizzabile lo spettro radio. Molte delle frequenze più desiderabili per i collegamenti orbitali sono già state assegnate ai canali radiofonici e televisivi tradizionali molto prima del lancio dei primi satelliti.
Il problema è che il cielo si riempie sempre più di satelliti e inevitabilmente la corsa alle frequenze radio diventa sempre più accesa. Gli enti regolatori si trovano di fronte a una pletora di richieste e scontri legali. Le pratiche burocratiche possono accumularsi per anni.
Swarm Technologies non è nuova alle controversie normative. Questa piccola startup della Silicon Valley ha lanciato quattro piccoli satelliti sperimentali nel 2018, senza la necessaria autorizzazione della Federal Communications Commission statunitense. La FCC lo ha scoperto e ha comminato alla società una multa di 900.000 dollari.
L’azienda vuole ora lanciare una sua costellazione satellitare di 150 elementi per comunicare con il crescente numero di dispositivi connessi a Internet sulla Terra. Poiché i suoi satelliti sono piccoli e a basso costo, Swarm sarebbe in grado di offrire servizi di messaggistica più economici dei sistemi satellitari esistenti. Ma per farlo ha bisogno di una frazione dello spettro radio VHF.
Il problema è che l’operatore satellitare di lunga data Orbcomm rivendica quelle frequenze da decenni e gestisce uno dei sistemi di messaggistica nel mirino di Swarm. In un ricorso presentato alla FCC per respingere la richiesta di Swarm, Orbcomm ha scritto che l’azienda concorrente “tenta semplicemente di ignorare i diritti sullo spettro chiaramente conferiti a Orbcomm”.
“Ci sono davvero problemi di sovraffollamento in orbita”, dice Thomas Hazlett, professore di economia alla Clemson University e autore di The Political Spectrum. “Se si vuole lanciare un satellite per le comunicazioni, si deve fare grande attenzione ai potenziali conflitti con altri utenti. C’è un reale bisogno di regole per coordinare questo settore”.
L’International Telecommunications Union (ITU) è l’agenzia incaricata di mantenere l’ordine. Fondata alla metà del XIX secolo per definire gli standard delle tecnologie del telegrafo, ha contribuito a regolamentare l’invio dei satelliti in orbita sin dagli albori dell’era spaziale.
L’agenzia, che consente anche di effettuare telefonate da un paese all’altro, oltre a una miriade di altre responsabilità normative, fa ora parte delle Nazioni Unite.
Ci sono, inoltre, le singole nazioni che vogliono esercitare una qualche forma di controllo sulle navicelle che volano sopra i loro territori. Ciò significa che operatori come Swarm devono collaborare con le agenzie nazionali dei paesi in cui intendono operare (in particolare, la FCC controlla l’accesso all’imponente mercato americano).
Non sorprende che i nuovi arrivati vedano questi regolamenti come barriere destinate a tenerli a terra. In una lunga risposta alla FCC, Swarm ha controbattuto che Orbcomm non ha diritti sullo spettro che vuole utilizzare e che il ricorso della azienda “non rappresenta che il tentativo di un monopolista di lunga data di mantenere i suoi privilegi”.
Le orbite circolari stabili attorno alla Terra sono associate a particolari velocità, che variano con l’altitudine (i satelliti in orbita ellittica accelerano quando sono più vicini alla Terra e rallentano quando raggiungono il punto più lontano della loro orbita).
A 35.786 chilometri, la velocità orbitale corrisponde a quella della rotazione terrestre. I veicoli spaziali che volano direttamente sopra l’equatore a quella quota appariranno come un punto fisso nel cielo a un osservatore sulla superficie terrestre.
Tali slot geostazionari consentono a un unico grande satellite di servire un’ampia area geografica, sia nella trasmissione delle comunicazioni sia nel monitoraggio delle condizioni meteorologiche.
Considerando un minimo di spazio tra i satelliti vicini, ci sono forse 1.800 punti geostazionari utili in questo grande cerchio, circa 400 dei quali sono stati occupati nel corso degli anni.
Come è ovvio, c’è maggiore interesse per le zone al di sopra delle nazioni ricche come il Nord America e l’Europa rispetto alle isole del Pacifico scarsamente popolate. Ai paesi sono state assegnate bande orarie sopra la loro longitudine, e quindi i singoli satelliti sono stati autorizzati a occupare un posto secondo il principio “chi primo arriva, meglio alloggia”.
All’inizio, lo spettro sembrava essere un problema risolvibile. Non solo le frequenze dovevano essere suddivise solo tra un piccolo numero di operatori in un’area, ma le stesse frequenze si potevano riutilizzare in tutto il mondo. Tutti avevano chiare le regole, afferma Tim Farrar di TMF Associates, un’azienda di consulenza satellitare.
Le regole del gioco stanno cambiando. Gli operatori vogliono “impacchettare” piccoli satelliti a basso costo sui razzi e inviarli nell’orbita terrestre bassa o LEO. A distanze minori, i satelliti con telecamere hanno una visione di gran lunga migliore del pianeta; per i sistemi di comunicazione, la vicinanza con la superficie terrestre permette di risparmiare energia e ridurre i tempi di latenza. Con una moltitudine di altitudini e orbite tra cui scegliere, dovrebbe esserci spazio per tutti.
Lo spettro sta diventando un vincolo stringente per chi vuole lanciare nuove costellazioni satellitari per la comunicazione. I satelliti in LEO sfrecciano attorno al pianeta nel giro di poche ore, causando potenziali interferenze non solo tra loro, ma con tutti i satelliti geostazionari che incontrano al loro passaggio.
Inizialmente, la soluzione dell’UIT è stata di applicare la stessa soluzione adottata per l’orbita geostazionaria: il primo operatore a occupare lo spettro aveva la precedenza. Tutti quelli che arrivavano dopo non dovevano interferire.
Ma l’interferenza è un concetto scivoloso. “Il coordinamento geostazionario è relativamente semplice”, afferma Diederik Kelder, Chief Strategy Officer di LeoSat, che sta progettando una costellazione di almeno 84 satelliti Internet in LEO,”mentre nell’orbita terrestre bassa assume aspetti molto complessi. Servono strumenti di modellazione molto sofisticati per valutarne l’impatto”.
Prevedendo le difficoltà future, la FCC ha deciso di portare avanti politiche di condivisione dello spettro in cui tutti coloro che pianificano di utilizzare frequenze simili si siedono allo stesso tavolo per stabilire le regole del gioco.
Ma la situazione ha preso una piega imprevista. Nuovi problemi sono sorti quando gli ultimi arrivati hanno cercato di trovare scappatoie normative o soluzioni tecniche e gli operatori affermati hanno tentano di proteggere le loro frequenze da vere o presunte interferenze.
L’invito alle aziende a richiedere le frequenze il più presto possibile significa anche che devono depositare le richieste presso l’ITU e la FCC molto prima che i loro satelliti siano stati costruiti o, a volte, persino progettati.
SpaceX è l’azienda più ambiziosa della nuova generazione LEO. Nel 2015, Elon Musk ha svelato un piano per dispiegare una mega-costellazione di satelliti denominata Starlink per fornire Internet a banda larga a livello mondiale e raggiungere quei territori che non usufruisono del servizio o sono mal collegati.
Originariamente SpaceX ha chiesto il permesso di lanciare 4.425 satelliti, ma lo ha portato a circa 12.000 nel 2017, una costellazione che la FCC alla fine ha autorizzato alla fine del 2018.
In vista del lancio dei suoi primi satelliti commerciali, SpaceX ha modificato ancora il suo piano, chiedendo di spostare alcuni dei suoi satelliti più vicino alla Terra e di cambiare le frequenze precedentemente stabilite.
Le sue richieste presumibilmente non avrebbero creato nuove interferenze, ma altre aziende satellitari hanno protestato. Kepler, un’altra startup di comunicazioni satellitari, ha definito “immotivati” i cambiamenti proposti.
OneWeb, che pianifica la propria mega-costellazione di oltre 2.500 satelliti internet, ha detto che i calcoli di interferenza di SpaceX “includevano ipotesi operative confuse, un set di parametri di analisi incompleto e conclusioni altamente fuorvianti”.
La FCC ha approvato il piano di SpaceX e l’azienda ha lanciato i suoi primi 60 satelliti Starlink a maggio. I suoi rivali dovranno ora lanciare i loro satelliti sperando che effettivamente non si creino problemi di interferenza.
Almeno questa controversia è stato risolta rapidamente. L’incubo per i nuovi arrivati è che le dispute si possano trascinare per anni e portare a continui ritardi normativi.
Nel 2001, per esempio, Mobile Satellite Ventures si è rivolta alla FCC per riutilizzare alcune delle sue frequenze satellitari per un servizio ibrido di comunicazione satellitare / terrestre.
Nel 2011 l’azienda, diventata LightSquared, ha ricevuto una diffida a continuare nel servizio a causa di possibili interferenze con i segnali di navigazione GPS.
LightSquared ha immediatamente presentato istanza di fallimento, ma con il trascorrere di quasi un decennio e un altro cambio di nome, Ligado Networks continua la lotta di LightSquared. Ha promesso di ridurre la potenza delle sue trasmissioni di oltre il 99 per cento, ma sta ancora subendo le pressioni da parte delle aziende concorrenti del settore aerospaziale.
“La decisione di Ligado di sottoutilizzare 40 MHz di spettro satellitare dovrebbe essere sanzionata”, ha scritto l’azienda rivale Iridium alla FCC nel luglio 2018. Ad aprile, Ligado ha fatto notare in un incontro con la FCC che l’agenzia stava esaminando la sua ultima richiesta da oltre 1.000 giorni e non aveva ancora deciso in merito.
Tuttavia, la storia di Ligado mostra come la tecnologia possa aiutare a sedare i litigi. L’azienda è stata in grado di ridurre drasticamente i suoi consumi di energia con l’adozione di ricevitori sempre più sensibili. Anche i sistemi di multiplazione continuano a migliorare, grazie alla cresciuta potenza di calcolo e al miglioramento delle tecniche di codifica e decodifica dei segnali.
Le antenne ad alte prestazioni consentono ai satelliti di creare fasci focalizzati mirati per le aree specifiche sottostanti. Più stretta è la messa a fuoco, più spesso queste frequenze possono essere riutilizzate.
Altri nuovi sistemi prevedono di utilizzare laser ancora più focalizzati per consentire a un satellite di comunicare con un altro, riducendo la domanda di frequenze radio.
Le nuove tecnologie phased array significano che i segnali satellitari possono ora essere ricevuti da antenne a pannello piatto orientate elettronicamente, piccole e poco costose, invece che dalle tradizionali parabole.
I satelliti e i terminali utente dotati di GPS possono essere programmati per evitare la trasmissione verso il LEO rivale o i satelliti geostazionari.
Alcuni esperti ritengono che il modo migliore per favorire l’innovazione tecnologica sia che la regolamentazione passi in secondo piano rispetto alle soluzioni basate sul mercato; un buon esempio è rappresentato dalle aste esistenti per lo spettro wireless terrestre, anche se non esiste un meccanismoaltrettanto chiaro per un’asta dello spettro globale.
In ogni caso, anche se convertire allocazioni libere di frequenze satellitari in diritti negoziabili potrebbe aprire la strada alla cooperazione, si tratterebbe di un meccanismo “ambiguo” su scala globale.
L’economia orbitale è già dominata dalle nazioni più potenti del mondo. Dare accesso preferenziale alle aziende più ricche porterà probabilmente a perpetuare le disuguaglianze storiche e a escludere i paesi in via di sviluppo dai profitti promessi dalla prossima frontiera tecnologica.
Non tutti vedono la necessità di una rivoluzione nel settore LEO. Farrar ritiene che i satelliti e le stazioni terrestri saranno regolarmente costretti a sospendere le operazioni a causa del rischio di interferenze, riducendo così drasticamente la loro capacità e mettendo ulteriormente a rischio piani aziendali già traballanti.
“Sarebbe un disastro da un punto di vista economico se tutte le aziende dovessero fare quello che hanno annunciato di voler fare”, conclude Farrar.
(rp)
