Mạng Internet vệ tinh tư nhân Starlink mở đầu kỷ nguyên mới trong chiến tranh công nghệ caoKỳ II: Quá trình hình thành hệ thống Internet Starlink

Để triển khai một hệ thống viễn thông vệ tinh quy mô toàn cầu, SpaceX phải được cấp phép sử dụng quỹ đạo và phổ tần vô tuyến. Tháng 11-2016, SpaceX chính thức nộp hồ sơ lên Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ (FCC) đề nghị cấp phép cho mạng lưới gồm 4.425 vệ tinh hoạt động ở độ cao từ 1.110km đến 1.325km.

Đây là một trong những hồ sơ vệ tinh lớn nhất từng được trình lên FCC. Theo đề xuất ban đầu, 1.600 vệ tinh hoạt động ở băng tần Ku; 2.825 vệ tinh hoạt động ở băng tần Ka; quỹ đạo bay của các vệ tinh có độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo khác nhau để có thể phủ sóng toàn cầu.

Việc xin FCC cấp phép không hề đơn giản, bởi dự án Starlink đặt ra nhiều câu hỏi pháp lý và kỹ thuật như quản lý phổ tần quốc tế, nguy cơ va chạm giữa các vệ tinh trên quỹ đạo, tác động đối với các hệ thống vệ tinh hiện có, khả năng tín hiệu của vệ tinh bị gây nhiễu.

Sau nhiều vòng thẩm định, FCC đã phê duyệt phần lớn đề xuất của SpaceX trong tháng 3-2018. Đây được xem là bước ngoặt quan trọng, mở đường cho việc triển khai dự án Starlink trong thực tế.

Thử nghiệm thành công các vệ tinh Tintin A và Tintin B. Một trong những cột mốc quan trọng nhất của giai đoạn đầu xây dựng hệ thống Starlink là ngày 22-2-2018, SpaceX phóng thành công 2 vệ tinh Tintin A và Tintin B.

Tên gọi “Tintin” được lấy cảm hứng từ nhân vật truyện tranh nổi tiếng mà Elon Musk rất yêu thích. Hai vệ tinh thử nghiệm được đưa lên quỹ đạo bằng tên lửa Falcon 9 từ căn cứ không quân Vandenberg ở California.

Mục tiêu của chương trình thử nghiệm này bao gồm: đánh giá hệ thống liên lạc, kiểm tra khả năng điều khiển quỹ đạo của vệ tinh, đánh giá chất lượng tín hiệu và thử nghiệm phần mềm điều hành mạng. Kết quả thu được vượt quá kỳ vọng của SpaceX.

Các vệ tinh hoạt động ổn định và cung cấp dữ liệu tin cậy để thiết kế thế hệ Starlink thương mại đầu tiên. Thành công của Tintin A và Tintin B chứng minh rằng, ý tưởng xây dựng mạng Internet vệ tinh quỹ đạo thấp là hoàn toàn khả thi về mặt kỹ thuật.

Thiết kế kỹ thuật của thế hệ Starlink đầu tiên. Trong năm 2019, SpaceX hoàn thiện bản thiết kế thương mại đầu tiên của hệ thống Internet vệ tinh Starlink.

Theo đó, mỗi vệ tinh có khối lượng khoảng 260kg; được lắp hệ thống truyền dẫn băng tần Ku và Ka, anten mạng pha điện tử, hệ thống định vị GPS, động cơ ion Krypton và máy tính điều khiển tự động.

So với các vệ tinh viễn thông truyền thống nặng vài tấn, vệ tinh Starlink có kích thước nhỏ hơn đáng kể nhưng vẫn có hiệu năng cao truyền dẫn tín hiệu rất cao.

Thiết kế này cho phép SpaceX sản xuất hàng loạt vệ tinh theo quy mô công nghiệp, tương tự dây chuyền sản xuất ô tô. Đây là một trong những yếu tố quyết định giúp Starlink có thể triển khai với tốc độ nhanh chưa từng có.

Vụ phóng Starlink đầu tiên thành công, mở đầu kỷ nguyên Internet vệ tinh. Ngày 24-5-2019 đánh dấu cột mốc lịch sử không chỉ đối với SpaceX mà còn đối với toàn bộ ngành công nghiệp vũ trụ thế giới.

Từ bệ phóng SLC-40 tại Cape Canaveral, Florida, tên lửa Falcon 9 đưa đồng thời 60 vệ tinh Starlink đầu tiên lên quỹ đạo thấp của Trái đất. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử nhân loại, một số lượng lớn vệ tinh viễn thông được phóng đồng thời để xây dựng mạng lưới Internet trong không gian vũ trụ có quy mô toàn cầu.

Khác với các vệ tinh viễn thông truyền thống thường được triển khai riêng lẻ, 60 vệ tinh Starlink được thiết kế theo mô hình sản xuất hàng loạt. Sau khi tách khỏi tầng trên của tên lửa Falcon 9, các vệ tinh tự phân tán và tự điều chỉnh vào quỹ đạo hoạt động.

Sự kiện này chứng tỏ SpaceX đã sẵn sàng bước sang giai đoạn triển khai thực tế sau nhiều năm nghiên cứu và thử nghiệm. Đối với giới công nghiệp vũ trụ, đây được xem là sự khởi đầu của kỷ nguyên hình thành chòm sao vệ tinh quy mô lớn (Mega-Constellation Era).

Lô vệ tinh đầu tiên thuộc phiên bản Starlink v0.9 là thế hệ tiền thương mại được sử dụng để kiểm tra khả năng vận hành thực tế, đánh giá độ ổn định của mạng, hoàn thiện phần mềm điều khiển và kiểm chứng công nghệ tự động tránh va chạm.

Mỗi vệ tinh có khối lượng khoảng 227kg và được trang bị hệ thống liên lạc băng tần Ku và băng tần Ka, bộ điều khiển quỹ đạo, cảm biến định vị và động cơ ion sử dụng khí Krypton.

Việc sử dụng Krypton, thay vì Xenon, giúp giảm đáng kể chi phí vận hành mà vẫn bảo đảm hiệu quả kỹ thuật. Hệ thống tự động tránh va chạm dựa trên dữ liệu theo dõi vật thể trong vũ trụ là bước tiến có ý nghĩa đột phá trong quản lý chòm sao vệ tinh quy mô lớn.

Tháng 11-2019, SpaceX triển khai lô vệ tinh Starlink v1.0 đầu tiên. So với v0.9, phiên bản mới có nhiều cải tiến như: công suất truyền dẫn lớn hơn, hệ thống điều khiển ổn định hơn, sử dụng phần mềm tự động nâng cấp, có khả năng tránh va chạm tốt hơn và có tuổi thọ kéo dài từ 5 - 7 năm.

Đặc biệt, Starlink v1.0 được thiết kế để hỗ trợ dịch vụ Internet thương mại. Đây là nền tảng kỹ thuật để hình thành mạng lưới Starlink trong giai đoạn tiếp theo. Đến cuối năm 2020, SpaceX đã đưa hơn 1.000 vệ tinh Starlink lên quỹ đạo, trở thành nhà khai thác vệ tinh lớn nhất thế giới.

Vai trò quyết định của tên lửa Falcon 9. Một trong những nguyên nhân quan trọng nhất giúp Starlink phát triển với tốc độ chưa từng có là khả năng tái sử dụng tên lửa đẩy Falcon 9. Trước khi SpaceX hoàn thiện công nghệ tái sử dụng, mỗi lần phóng vệ tinh phải tiêu tốn chi phí rất lớn.

Thông thường, sau khi hoàn thành nhiệm vụ, tầng đẩy của tên lửa sẽ bị loại bỏ. Do đó, chi phí cho mỗi lần phóng có thể lên tới hàng trăm triệu USD. Falcon 9 đã thay đổi hoàn toàn mô hình này. Sau khi đưa vệ tinh lên quỹ đạo, tầng 1 của Falcon 9 có thể quay trở lại và hạ cánh an toàn trên bãi đáp hoặc trên tàu không người lái đậu trên biển.

Nhờ tái sử dụng tên lửa đẩy nhiều lần, chi phí phóng vệ tinh giảm mạnh, tần suất phóng tăng lên và tiến độ triển khai Starlink được nhanh hơn. Trong giai đoạn 2019 - 2022, hầu hết các vệ tinh Starlink đều được phóng bằng các tầng Falcon 9 đã qua sử dụng. Đây là lợi thế mà các đối thủ cạnh tranh với SpaceX không có được.

Hệ thống cổng kết nối trên mặt đất (Gateway). Ngoài vệ tinh trên quỹ đạo, hệ thống Starlink còn có mạng lưới Gateway - có chức năng kết nối mạng vệ tinh với mạng Internet toàn cầu, truyền dữ liệu giữa người dùng và hệ thống cáp quang và điều phối lưu lượng mạng.

Trong giai đoạn đầu, SpaceX xây dựng hàng chục Gateway tại Mỹ, Canada, Đức, Anh, Australia và New Zealand. Các Gateway này đóng vai trò trung gian giữa không gian và hạ tầng viễn thông mặt đất.

Tuy nhiên, SpaceX cũng nhận thức được rằng phụ thuộc quá nhiều vào Gateway sẽ hạn chế khả năng mở rộng ra toàn cầu. Do đó, SpaceX phát triển công nghệ liên kết bằng laser giữa các vệ tinh trong những năm tiếp theo.

Thiết bị đầu cuối của người dùng. Một thành phần quan trọng khác là thiết bị đầu cuối của Starlink (User Terminal). SpaceX phát triển loại anten điện tử đặc biệt có khả năng tự động định hướng tới các vệ tinh đang bay.

Thiết bị này thường được người dùng gọi vui là Dishy McFlatface (chảo vệ tinh). Khác với các chảo vệ tinh truyền thống được điều chỉnh thủ công, thiết bị đầu cuối của Starlink có thể tự động dò tìm vệ tinh trong mọi thời tiết.

Cấu tạo cơ bản của thiết bị đầu cuối của Starlink gồm anten mạng pha điện tử, bộ xử lý tín hiệu, bộ phát wifi và hệ thống cấp nguồn. Quá trình lắp đặt rất đơn giản là yếu tố quan trọng giúp Starlink nhanh chóng thu hút khách hàng.

Mở rộng quy mô lên 12.000 vệ tinh. Sau khi hoàn thành giai đoạn thử nghiệm ban đầu, SpaceX nhanh chóng điều chỉnh kế hoạch phát triển. Tháng 11- 2018, SpaceX nộp thêm hồ sơ lên FCC xin cấp phép cho khoảng 7.500 vệ tinh bổ sung hoạt động ở độ cao thấp hơn.

Khi kết hợp với đề án ban đầu, tổng số vệ tinh của Starlink vượt 12.000 chiếc. Quy mô này vượt xa tất cả các hệ thống vệ tinh từng được triển khai trong lịch sử.

Theo SpaceX, việc gia tăng số lượng vệ tinh nhằm tăng dung lượng mạng; nâng cao chất lượng dịch vụ; giảm độ trễ tín hiệu; đáp ứng nhu cầu của hàng tỷ người dùng

Những tranh cãi đầu tiên về rác vũ trụ. Ngay từ khi kế hoạch Starlink được công bố, cộng đồng khoa học đã bày tỏ nhiều quan ngại. Trong đó, vấn đề lớn nhất là nguy cơ gia tăng rác vũ trụ.

Các nhà nghiên cứu cảnh báo rằng, hàng nghìn vệ tinh hoạt động trên quỹ đạo có thể làm tăng nguy cơ va chạm dây chuyền (Kessler Syndrome). Nếu xảy ra va chạm lớn, số lượng mảnh vỡ tạo ra có thể đe dọa nhiều hoạt động khác trong vũ trụ.

Để giải quyết vấn đề này, SpaceX áp dụng một số giải pháp như áp dụng công nghệ tự động tránh va chạm, chủ động đưa vệ tinh hết hạn xuống khí quyển, thiết kế vệ tinh có khả năng cháy hoàn toàn khi tái nhập khí quyển. Nhờ đó, SpaceX cam kết rằng Starlink có mức độ an toàn cao hơn tất cả các hệ thống vệ tinh truyền thống.

Tranh cãi với giới thiên văn học. Một vấn đề khác xuất hiện sau các vụ phóng thử nghiệm là ảnh hưởng của Starlink đối với hoạt động quan sát thiên văn. Các nhà thiên văn học nhận thấy rằng, vệ tinh Starlink phản xạ ánh sáng Mặt trời khá mạnh, tạo thành các vệt sáng trên ảnh chụp bầu trời đêm.

Điều này đặc biệt ảnh hưởng tới đài thiên văn đặt trên mặt đất, kính thiên văn khảo sát bầu trời và các chương trình nghiên cứu vật thể gần Trái đất.

Để giảm thiểu những tác động tiêu cực này, SpaceX nghiên cứu phát triển vệ tinh có độ phát quang thấp DarkSat và VisorSat, dùng lớp phủ hấp thụ ánh sáng và điều chỉnh góc hoạt động của tấm pin Mặt trời. Các biện pháp này giúp giảm đáng kể độ sáng biểu kiến của vệ tinh.

Mở rộng dịch vụ Internet vệ tinh trên phạm vi toàn cầu. Năm 2021, SpaceX bắt đầu mở rộng dịch vụ ra ngoài Bắc Mỹ. Các quốc gia đầu tiên được cung cấp dịch vụ là Anh, Đức, Pháp, Hà Lan, Australia và New Zealand. Sau đó Starlink tiếp tục tiến vào Bắc Âu, Đông Âu và Mỹ Latinh.

Việc mở rộng phạm vi hoạt động ra toàn cầu đòi hỏi SpaceX phải giải quyết nhiều vấn đề như xin giấy phép viễn thông, phân bổ dải tần số, quy định an ninh quốc gia và hợp tác với các nhà quản lý địa phương.

Dù gặp nhiều thách thức, Starlink vẫn phát triển với tốc độ nhanh hơn bất kỳ hệ thống Internet vệ tinh nào trước đó. Đại dịch COVID-19 vô tình tạo ra cơ hội phát triển cho Starlink. Khi hàng triệu người chuyển sang làm việc từ xa, học và hội nghị trực tuyến, nhu cầu Internet băng rộng tăng mạnh.

Nhiều khu vực nông thôn không có kết nối ổn định bắt đầu tìm đến Starlink như một giải pháp thay thế. Tình hình này góp phần thúc đẩy tốc độ tăng trưởng khách hàng trong giai đoạn 2020 - 2022.

Dịch vụ Direct-to-Cell. Một bước tiến đột phá của Dự án Starlink là Chương trình Direct-to-Cell. Mục tiêu của chương trình này là cho phép điện thoại di động thông thường kết nối trực tiếp với vệ tinh Starlink mà không cần thiết bị đầu cuối chuyên dụng.

Ý tưởng này mở ra khả năng liên lạc khẩn cấp tại các vùng hẻo lánh; phủ sóng di động toàn cầu, hỗ trợ cứu hộ trong thiên tai và kết nối với hàng tỷ người dùng mới. Sau khi triển khai trên quy mô lớn, Direct-to-Cell có thể tạo ra cuộc cách mạng mới trong ngành viễn thông.

Dự báo đến năm 2035. Dựa trên các xu hướng hiện nay, có thể đưa ra một số dự báo. Thứ nhất, số lượng vệ tinh trên quỹ đạo thấp trên thế giới sẽ tiếp tục tăng mạnh. Thứ hai, mạng Internet vệ tinh sẽ trở thành một thành phần quan trọng của hạ tầng viễn thông toàn cầu.

Thứ ba, ranh giới giữa mạng viễn thông mặt đất và mạng viễn thông vũ trụ sẽ ngày càng mờ nhạt. Thứ tư, các chòm sao vệ tinh sẽ đóng vai trò ngày càng lớn trong kinh tế số, quốc phòng và an ninh. Thứ năm, cạnh tranh giữa các cường quốc trong lĩnh vực công nghệ vũ trụ sẽ tiếp tục gia tăng.

Trong bối cảnh đó, Starlink nhiều khả năng vẫn giữ vai trò tiên phong, mặc dù sẽ phải đối mặt với sự cạnh tranh ngày càng quyết liệt từ các đối thủ mới./.

Kỳ 3: Tác động của hệ thống Internet vệ tinh Starlink