¿Quién puede enviar ondas de radio al espacio?

Los satélites no sirven de mucho si no pueden comunicarse

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26 de junio de 2019

Una ilustración conceptual que muestra un dispensador 'Tome un número' en el espacio Nicolas Ortega

Arriba se está llenando. Bandadas de cubesats, flotas de cámaras en órbita y las primeras megaconstelaciones de Internet de banda ancha de empresas como SpaceX, Amazon y OneWeb están llenando rápidamente la órbita terrestre baja. Si todos los servicios se lanzan según lo planeado, pronto podría haber 10 veces más satélites operando en órbita que los que hay hoy.

El aumento de la peligrosa basura espacial es motivo de preocupación. Pero hay un dolor de cabeza más inmediato para los operadores de satélites: una reducción cada vez mayor del espectro de radiofrecuencia necesario para operar desde la órbita. ¿Podrían las nuevas empresas espaciales que se pelean por obtener su parte justa frenar esta industria naciente?

Esta historia fue parte de nuestra edición de julio de 2019

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La radiación electromagnética abarca una amplia gama de frecuencias y energías, pero solo bandas específicas son útiles para la comunicación hacia y desde el espacio. Los rayos X de alta frecuencia serían peligrosos; las señales de microondas son absorbidas por la atmósfera; Las ondas de radio de baja frecuencia son menos efectivas para transmitir información y requieren antenas grandes y poco elegantes.

Al igual que las personas que gritan en una fiesta, las señales que compiten en la misma frecuencia de radio pueden interferir y dificultar la comunicación, por lo que el espectro debe dividirse en fragmentos pequeños para diferentes usos. Los sistemas de multiplexación permiten a los operadores compartir el espectro dividiendo finamente los intervalos de tiempo y los canales de frecuencia, así como codificando señales para que muchos mensajes diferentes puedan transmitirse simultáneamente. Pero las bandas de frecuencia aún deben asignarse a usuarios particulares, para evitar interferencias que harían inutilizable el espectro de radio. Muchas de las frecuencias más deseables para los enlaces orbitales se asignaron a las transmisiones tradicionales de radio y televisión mucho antes de que se lanzaran los primeros satélites. Ahora, a medida que los cielos se llenan de más satélites, la lucha por las ranuras de radiofrecuencia se vuelve cada vez más conflictiva. Se les pide a los reguladores que se ocupen de más empresas, más naves espaciales y más disputas que nunca. El papeleo puede prolongarse durante años, incluso cuando las nuevas empresas entusiastas intentan alterar una industria conservadora.

Swarm Technologies no es ajeno a las disputas regulatorias. Cuando esta pequeña startup de Silicon Valley lanzó cuatro diminutos satélites experimentales en 2018, se olvidó de obtener la autorización necesaria de la Comisión Federal de Comunicaciones de EE. UU., una de las agencias cuya aprobación debe otorgarse antes de que pueda llevarse a cabo el lanzamiento. La FCC se enteró y abofeteó a la compañía con una multa de $900,000.

La compañía ahora quiere lanzar una constelación fuerte de 150 para comunicarse con el creciente número de dispositivos conectados a Internet en la Tierra. Debido a que sus satélites son tan pequeños y, por lo tanto, baratos de lanzar, Swarm considera que sus servicios de mensajería costarán un orden de magnitud menos que los sistemas satelitales existentes. Todo lo que necesita son unas pocas astillas de espectro de radio VHF.

Sin embargo, el operador de satélite Orbcomm desde hace mucho tiempo ha reclamado esas frecuencias durante décadas y opera uno de los mismos sistemas de mensajería que Swarm pretende interrumpir. En una petición a la FCC para desestimar la solicitud de constelación de Swarm, Orbcomm escribió que la startup intenta simplemente ignorar los derechos de espectro claramente adquiridos de Orbcomm.

Realmente hay preocupaciones de escasez en órbita, dice Thomas Hazlett, profesor de economía en la Universidad de Clemson y autor de El espectro político . Si desea instalar un satélite para comunicaciones, es posible que tenga conflictos potenciales con otros usuarios. Hay una necesidad real de reglas para ayudar a coordinar este uso.

La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) es el organismo encargado de desmantelar estos reclamos en competencia. Formado a mediados del siglo XIX para estandarizar las tecnologías del telégrafo, ha ayudado a regular quién pone los satélites en órbita desde los albores de la era espacial. La agencia, que también hace posible hacer llamadas telefónicas de un país a otro, entre otras muchas responsabilidades regulatorias, ahora es parte de las Naciones Unidas. Pero los países individuales también quieren opinar sobre las naves espaciales que vuelan por encima. Eso significa que los operadores como Swarm también tienen que trabajar con agencias nacionales en los países en los que pretenden operar (en particular, la FCC controla el acceso al importante mercado estadounidense).

Como era de esperar, los recién llegados ven estas regulaciones como barreras destinadas a mantenerlos sobre el terreno. En una larga respuesta a la FCC, Swarm afirmó que Orbcomm no tiene derechos sobre el espectro que quiere usar y que la petición frívola de la compañía no representa más que el intento de un monopolista de larga data de usar el proceso de licencia para mantener sus privilegios.

Las órbitas circulares estables alrededor de la Tierra están asociadas con velocidades particulares, que varían con la altitud. (Los satélites en órbitas elípticas aumentan su velocidad cuando están más cerca de la Tierra y disminuyen su velocidad cuando alcanzan el punto más lejano de su órbita). A 35 786 kilómetros (22 236 millas), la velocidad orbital coincide con la rotación de la Tierra. Las naves espaciales que vuelan directamente sobre el ecuador a esa altitud aparecerán congeladas en el cielo para un observador en la superficie. Estas ranuras geoestacionarias permiten que un solo satélite grande preste servicio a una amplia área geográfica, ya sea para retransmitir comunicaciones o, por ejemplo, para monitorear el clima.

Permitiendo algo de espacio entre los satélites vecinos, hay quizás 1.800 puntos geoestacionarios útiles en este gran círculo, alrededor de 400 de los cuales se han ocupado a lo largo de los años. Como era de esperar, hay más interés en lugares sobre regiones ricas como América del Norte y Europa que sobre islas del Pacífico escasamente pobladas. A los países se les asignaron espacios por encima de su longitud, y luego se permitió que los satélites individuales tomaran residencia por orden de llegada.

Nicolas Ortega

Al principio, el espectro parecía ser un problema solucionable. No solo había que dividir las frecuencias entre un pequeño número de operadores en un área, sino que las mismas frecuencias podían reutilizarse una y otra vez en todo el mundo. Todos entendieron las reglas, dice Tim Farrar de la consultora de satélites TMF Associates.

Sin embargo, las reglas del juego están cambiando. Los operadores quieren empaquetar satélites pequeños y baratos en cohetes de viaje compartido y enviarlos a la órbita terrestre baja, o LEO. Desde unos cientos o miles de kilómetros de altura, los satélites con cámaras tienen una vista mucho mejor del planeta; para los sistemas de comunicaciones, la distancia más corta a la superficie puede ahorrar energía y reducir la latencia. Con una multitud de altitudes y órbitas para elegir, debería haber espacio para todos.

Spectrum ahora se está convirtiendo en el factor limitante en quién puede implementar nuevas constelaciones de comunicaciones. Los satélites en LEO giran alrededor del planeta en cuestión de horas, lo que puede causar interferencias no solo entre sí, sino también con todos los satélites geoestacionarios por los que pasan. Al principio, la solución de la UIT fue hacer lo mismo que había hecho con la órbita geoestacionaria: se le dio prioridad al primer operador que solicitara el uso de una porción de espectro. Todos los siguientes tendrían que estar de acuerdo en no interferir.

Spectrum ahora se está convirtiendo en el factor limitante en quién puede implementar nuevas constelaciones de comunicaciones.

Pero la interferencia es un concepto resbaladizo. La coordinación geoestacionaria es relativamente sencilla, dice Diederik Kelder, director de estrategia de LeoSat, que está planeando una constelación de al menos 84 satélites de Internet en LEO. Mientras que en [LEO] es algo muy complejo. Necesita herramientas de modelado muy sofisticadas para captar el impacto.

Previendo una próxima crisis de espectro, la FCC decidió seguir adelante con las políticas de uso compartido de espectro donde todos los que planean usar frecuencias similares serían considerados al mismo tiempo, las llamadas rondas de procesamiento que teóricamente crearían un campo de juego más justo.

Pero ha habido consecuencias no deseadas. Han surgido más disputas a medida que los nuevos participantes intentan encontrar lagunas regulatorias o arreglos técnicos, mientras que los operadores establecidos intentan proteger sus frecuencias de la interferencia, ya sea real o imaginaria. El incentivo para que las empresas soliciten frecuencias lo antes posible también significa que deben presentar solicitudes ante la UIT y la FCC mucho antes de que se hayan construido sus satélites o, a veces, incluso de que se hayan diseñado por completo.

SpaceX es el más ambicioso de la nueva generación LEO. En 2015, Elon Musk dio a conocer un plan para utilizar una megaconstelación de satélites llamada Starlink para ofrecer Internet de banda ancha global que llegaría a muchas regiones en desarrollo y desatendidas. SpaceX originalmente solicitó permiso para lanzar 4425 satélites, pero aumentó a casi 12 000 en 2017, una constelación que la FCC finalmente autorizó a fines de 2018.

En el período previo al lanzamiento de sus primeros satélites comerciales, SpaceX modificó su plan una vez más, solicitando acercar algunos de sus satélites a la Tierra y cambiar las frecuencias que utilizarían. Sus propios análisis supuestamente no mostraron nuevas interferencias, pero otras compañías de satélites no estaban contentas. Kepler, otra empresa emergente de comunicaciones por satélite, calificó sus afirmaciones como fundamentalmente engañosas. OneWeb, que planea su propia megaconstelación de más de 2500 satélites de Internet, dijo de manera similar que los cálculos de interferencia de SpaceX [incluyeron] suposiciones operativas engañosas, un conjunto de parámetros de análisis incompleto y conclusiones altamente engañosas.

La FCC aprobó el plan de SpaceX y la compañía lanzó sus primeros 60 satélites Starlink en mayo. Sus rivales ahora tendrán que lanzar sus satélites con la esperanza de que sus preocupaciones por la interferencia sean infundadas.

Al menos esta disputa se resolvió rápidamente. La pesadilla para los recién llegados es que las disputas pueden provocar interminables retrasos regulatorios.

En 2001, por ejemplo, una empresa llamada Mobile Satellite Ventures solicitó a la FCC reutilizar algunas de sus frecuencias satelitales para un servicio híbrido de comunicaciones satelitales/terrestres. Diez años más tarde, la empresa, ahora llamada LightSquared, recibió una exención condicional para proceder que se suspendió rápidamente por temor a que pudiera interferir con las señales de navegación GPS. LightSquared se declaró en bancarrota casi de inmediato, pero con el paso de casi otra década y otro cambio de nombre, Ligado Networks continúa la lucha de LightSquared. Ha prometido reducir la potencia de sus transmisiones en más del 99%, pero aún enfrenta un rechazo sostenido de los competidores aeroespaciales nerviosos y posiblemente celosos.

La decisión de Ligado de desperdiciar 40 MHz de espectro satelital no debe ser recompensada con ganancias inesperadas, escribió el operador satelital rival Iridium a la FCC en julio de 2018. En abril, Ligado señaló en una reunión con la FCC que la agencia había estado considerando su última solicitud para más de 1.000 días. Al momento de enviar este tema a la imprenta, la FCC aún no se había pronunciado al respecto.

Sin embargo, el enfoque de Ligado muestra cómo la tecnología podría ayudar a sofocar las disputas. La empresa pudo reducir drásticamente sus requisitos de energía gracias a receptores cada vez más sensibles. Los sistemas de multiplexación también continúan mejorando, debido tanto a la potencia informática mejorada como a técnicas cada vez más complejas e inteligentes para codificar y decodificar señales.

Las antenas de alta ganancia permiten que los satélites creen haces puntuales enfocados en áreas específicas debajo de ellos. Cuanto más estricto sea ese enfoque, más a menudo se podrán reutilizar esas frecuencias. Otros sistemas nuevos planean usar láseres aún más enfocados para que un satélite se comunique con otro, reduciendo la demanda de frecuencias de radio. Las nuevas tecnologías de matriz en fase significan que las señales de los satélites ahora pueden recibirse mediante antenas de panel plano dirigidas electrónicamente, pequeñas y económicas, en lugar de las antenas parabólicas difíciles de manejar de antaño. Tanto los satélites equipados con GPS como los terminales de usuario pueden programarse para evitar la transmisión hacia satélites LEO o geoestacionarios rivales.

Algunos expertos creen que la mejor manera de desencadenar la innovación tecnológica es que la regulación pase a un segundo plano frente a las soluciones basadas en el mercado, como las subastas existentes para el espectro inalámbrico terrestre. Pero no existe un mecanismo claro para una subasta de espectro global de este tipo.

En cualquier caso, aunque convertir las asignaciones gratuitas de frecuencias satelitales en derechos negociables podría ofrecer incentivos para la cooperación sobre la obstrucción, sería un proceso tenso a escala global. La economía orbital ya está dominada por un puñado de las naciones más poderosas del mundo. Es probable que dar acceso preferencial a aquellas empresas con los bolsillos más profundos perpetúe las desigualdades históricas y excluya a los países en desarrollo que tienen más que ganar al alcanzar la próxima frontera tecnológica.

No todos ven la necesidad de una revolución en órbita. Farrar cree que los satélites y las estaciones terrestres se verán obligados a pausar regularmente su funcionamiento hasta que disminuya el riesgo de interferencia, lo que reducirá drásticamente su capacidad y amenazará los planes comerciales que ya son inestables. Sería un desastre desde el punto de vista económico si todos se ponen a operar, dice. Pero es inconcebible que [todas estas empresas] hagan lo que han anunciado que planean hacer.

En cuyo caso, una burocracia tortuosa que difiere, retrasa e interrumpe los planes comerciales podría ser justo lo que necesita el espacio.

Mark Harris es escritor en Seattle y colaborador frecuente.

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