Всё о проекте «Спутниковый интернет Starlink». Часть 2. Сеть Starlink
Часть 1 ‣ Часть2
Космические аппараты Starlink специально сконструированы для группового запуска двумя стопками по 30 спутников под обтекателем ракеты Falcon 9 и имеют размеры: длина — 3,2 м, ширина — 1,6 м, высота — 0,2 м (оценка размеров сделана по фото ниже).
На фото показана укладка спутников Starlink под обтекателем ракеты Falcon 9. Красным обведены параболические антенны для фидерной линии связи с гейтвеями в Ка-диапазоне
Cпутники Starlink в момент отделения от второй ступени ракеты Falcon 9. Синим обведены параболические антенны для фидерной линии связи с гейтвеями в Ка-диапазоне
Здесь можно посмотреть видео отделения спутников от ракеты ФАЛКОН
После вывода группы спутников на опорную орбиту (как правило это 280 км) спутники раскрывают солнечные батареи, устанавливают контакт с наземным Центром управления и проводят проверку на работоспособность и отсутствие повреждений при отделении от ракеты, далее они активируют электроракетные двигатели (ЭРД) на криптоне и начинают движение на рабочую орбиту, которое занимает 2–3 месяца.
Солнечные батареи при запуске сложены «гармошкой» и имеют 12 сегментов, где длинная сторона каждого сегмента равна ширине спутника (3,2 м)
Мы можем оценить размеры каждого сегмента в 3 м x 0,8 м. Таким образом, общая площадь солнечной батареи составляет 12×3 x 0,8 = 28,8 м2.
Из-за потерь между солнечными элементами и по краям (коэффициент заполнения равен 0,9) можно округлить это значение до 26 м2.
Примем плотность потока солнечного излучения как 1300 W/м2, КПД панелей в 18% и получим примерно 6 кВт максимальной (пиковой) электрической мощности. (Для сравнения спутники «Экспресс» на платформе «Экспресс -1000» весом 1450 кг имеют мощность солнечных батарей около 3 кВт, но возможно это среднее значение).
Реальная мощность зависит от положения панелей солнечных батарей относительно Солнца: оптимально падение лучей на панель — под прямым углом.
Для перемещения спутника с опорной орбиты 280 км на рабочую 550 км и удержания его на ней используются плазменные двигатели или ЭРД. Если отталкиваться от ЭРД для малых спутников типа российских СПД-100 либо зарубежных BHT-1500, то их потребляемая мощность равна примерно 1,5 кВт, а тяга 100 мН, при удельном импульсе на уровне 1700–1800 секунд. ЭРД выглядит примерно так (см. рисунок ниже) и имеет габариты примерно 20×20х15 см.
ЭРД имеют запас криптона ориентировочно 5–10 кг, который заправлен в шаробаллоны высокого давления. Данный запас позволит поднять спутник на круговую орбиту 550 км, удержать спутник на ней в течение пяти лет, а потом изменить орбиту с круговой на эллиптическую, изменив перигей с 550 км до, допустим, 250 км, где за счет торможения об остатки атмосферы спутник достаточно быстро затормозится и сгорит.
Основной полезной нагрузкой спутника Starlink являются 2 антенных комплекса для связи со шлюзовыми станциями (гейтвеями) и с абонентскими терминалами.
Антенный комплекс для связи с гейтвеями (или фидерная линия) представляет собой параболические антенны, наводимые в процессе полета на точку Земли, где находиться гейтвей. Фидерная линия работает в Ка-диапазоне (18/30 МГц).
Как следует из таблицы, в распоряжении спутника имеется 2100 МГц в направлении от шлюзовой станции к спутнику и 1300 МГц в обратном направлении. При использовании обоих вариантов поляризации (левой и правой в случае круговой) это позволяет использовать для передачи трафика максимум 4200 МГц от гейтвея на спутник и 2600 МГц в обратном направлении.
Также на борту находятся 4 плоские квадратные антенны с фазированной решеткой — три на передачу информации от спутника на абонентский терминал и одна для приема сигнала от терминала.
Рис. Вид четырех квадратных антенн с фазированной решеткой Кu-диапазона до нанесения покрытия для уменьшения видимости с Земли и после.
Связь между абонентским терминалом и спутником осуществляется в Кu-диапазоне, при этом для передачи от спутника к абоненту можно использовать 2000 МГц, а от абонента к спутнику только 500 МГц. С учетом двух поляризаций для передачи трафика спутник располагает 4000 МГц вниз и прием на 1000 МГц.
Также на борту имеется комплекс оборудования для командной радиолинии и передачи телеметрии, использующий по 150 МГц соответственно в Ка и Кu диапазонах.
Спутник Starlink является ретранслятором и не производит обработки информации: на его борту происходит только изменение частоты принимаемого сигнала и его усиление. Также спутники первого поколения не имеют межспутниковой связи (ISL — Inter Satellite Link) и могут получать и передавать информацию только на Землю. В качестве станции TT&C (управления, контроля, приема телеметрии) заявлены 4 земные станции, в том числе телепорт Брюстнер, расположенный в штате Вашингтон. В зоне видимости станции TT&C спутник Starlink находится не более пяти минут, при этом объем данных, собираемых с группировки, составлял в июне 2020 года около 5 Тбайт в сутки, то есть не менее 10 Гбайт с одного спутника в сутки.
На борту каждого спутника Starlink находится около 70 отдельных процессоров под управлением Linux и порядка 10 микроконтроллеров.
Находясь на орбите в 550 км, спутник может покрыть своим сигналом пятно на Земле радиусом 950 км (то есть диаметром примерно 1900 км) при условии, что угол места для абонентского терминала не будет менее 25°. Отметим, что эффективная работа антенн с плоской фазированной решеткой возможна при угле места 40° и более.
Рис. Радиус зоны видимости спутника под углом 25 градусов в зависимости от его высоты.
Можно легко рассчитать сколько нужно спутников, чтобы обеспечить 100% покрытие Земли между северной и южной 50 параллелями, при условии, что сигнал со спутника покрывает всю зону видимости спутника на Земле. Площадь поверхности Земли между северной и южной 50 параллелями равна 300,4 млн кв. км (вся поверхность земного шара 510 млн кв.км). Так как нам необходимо 100% покрытие без пробелов, круги зон будут накладываться друг на друга и 100% покрытие обеспечено, если мы будем использовать только «квадраты» в круге зоны освещения. Сторона такого квадрата равна L=D/√2
Или в нашем случае L=1356 км, а площадь закрываемая квадратом 1,84 млн квадратных километров. Таким образом, всего лишь 164 спутника обеспечат 100% покрытие Земли между 50 северной и южной параллелями?
Так зачем же Space X 1584 ИСЗ?
И здесь мы должны поговорить о таком параметре любой антенной системы как диаграмма направленности антенны.
Диаграмма направленности антенны — весьма важный параметр антенны, и характеризующим критерием здесь является угол, на котором мощность сигнала в 2 раза (а в ДециБелах это соответствует 3 дБ) выше.
Угол диаграммы направленности антенны зависит от ее диаметра (площади), коэффициента использования поверхности (КИП) и частоты сигнала. При этом КИП определяется распределением амплитуды поля по рабочей поверхности антенны, утечкой мощности за края зеркала антенны и другими потерями. Помимо основного лепестка диаграммы направленности антенна имеет еще боковые лепестки и задний лепесток. Эти лепестки являются побочными и забирают энергию из основного лепестка ДН. При конструировании антенн стремятся увеличить отношение энергии основного лепестка к первому (самому большому) боковому лепестку.
Чем больше диаметр (площадь) антенны, тем меньше угол диаграммы направленности и больше ее коэффициент усиления (Кус).
Так каковы диаграммы антенн СтарЛинка? Для абонентского терминала в 2020 году в документах, поданных в FCC, Спейс Х опубликовал такую таблицу:
Если ориентироваться на упоминаемый выше диаметр пятна луча на земле в 45 км, то это соответствует углу диаграммы направленности луча спутника (из космоса на Землю) в в 4,5 градуса (при отклонении от линии надира угол видимо может меняться скорее всего от 3 до 5 градусов, чем дальше от линии надира, тем больше угол), что хорошо коррелирует с параметрами плоской антенны таких размеров.
В первичной заявке SpaceX от 2016 года указано, что диаметр такого луча будет 45 км. (стр. 80 Приложения А Технической части к заявке SpaceX в FCC от 15 ноября 2016 г.).
Для оценки и визуализации зоны покрытия StarLink предположим, что угол диаграммы направленности антенны ФАР на спутнике меняется от 3,5 градусов (надир) до 5,5 градусов край зоны. Расчеты диаметра зоны покрытия показывают, что диаметр луча, соответствующий углу ДН 3,5 градуса, непосредственно под спутником составит 34 км. По мере отклонения луча в сторону от линии надира, угол диаграммы направленности увеличивается: согласно данным SpaceX в таблице выше, для края зоны составит 5,5 градуса, при этом диаметр зоны покрытия одного луча на Земле увеличивается и достигнет примерно 210 км на периферии зоны видимости ИСЗ с углом наклонения в 25 градусов. Исходя из такой геометрии и особенностей антенн спутника StarLink, проекция его лучей на Землю будет выглядеть так:
Один спутник таким образом может теоретически иметь до 300 таких лучей (beam) в зоне своего обслуживания. Вот проекция (вид со стороны спутника) на зону видимости, в которой абонентские терминалы видят спутник под углом места 25 градусов.
» align=«center»>
Сколько лучей будет организовано на спутнике StarLink впрямую понять из документов Space X нельзя, однако, мы можем легко определить максимальное количество лучей, которое может работать в зоне видимости одного спутника StaRLink, используя тот факт, что в Ку диапазоне нельзя задействовать больше Мегагерц для передачи информации со спутника на абонентский терминал, чем у нас есть в Ка диапазоне для передачи по фидерной линии с гейтвея на спутник — то есть, 4200 Мегагерц в случае использования обеих поляризаций.
Здесь мы делаем следующее предположение, что спутник StarLink относится к типу «bent pipe», то есть без обработки информации на борту (то есть без демодуляции радиосигнала в IP пакеты и их переадресации), то есть так как работают все современные спутники связи гораздо больших размеров и ресурса работы Пока никаких данных о том, что на спутнике StarLink первого поколения может быть обработка данных нет.
Как видно из таблицы параметров абонентского терминала (см. Раздел Абонентский терминал StarLink), что спутниковый канал от спутника к абонентскому терминалу имеет максимальную ширину в 240 МГц в направлении вниз и 60 Мегагерц в направлении вверх к ИСЗ. В такой конфигурации, оптимальной с точки зрения эффективности использования частотного ресурса в зоне покрытия одного ИСЗ смогут работать не более 16 лучей, которые полностью используют доступные 4000 МГц частотного ресурса в Ку диапазоне (с учетом защитных интервалов и частот для командной радиолинии и передачи телеметрии) при использовании обеих поляризаций при передаче со спутника на абонентский терминал.
Отметим, что для фидерного луча в Ка-диапазоне, который обеспечивает «подъем» интернет-трафика на борт спутника, используется параболическая антенна. Для того чтобы обеспечить максимальную пропускную способность при фиксированной доступной полосе частот в Ка-диапазоне, необходимо обеспечить максимальное соотношение «сигнал/шум» за счет увеличения мощности сигнала с борта спутника, и для этого нужно максимально сузить зону покрытия на Земле — в современных системах, работающих с HTS-спутниками, ее диаметр составляет порядка 100 километров. Учитывая, что спутники StarLink находятся на гораздо меньшей высоте, чем геостационарные ИСЗ диаметр зоны фидерного луча может быть еще меньше. Дополнительным преимуществом узкого пятна в Ка-диапазоне является то, что сигнал со спутника не создает помеху другим системам на Земле, работающим в Ка-диапазоне.
Управлением отклонения луча от надира в зоне покрытия будет фазированная антенна спутника, которая может отклонять луч в любом направлении (steerable beam) и даже согласно заявке Space X в FCC менять его форму (shapeable).
На высоте 550 км спутник движется с такой скоростью, что время его пролета в зоне видимости Абонентского терминала составляет 4,1 минуту или примерно 250 секунд. Если в системе StarLink будет реализована идеология максимального времени сеанса ИСЗ с группой терминалов, находящихся в одном районе и минимально количества переключений (handover) терминала на разные, то это иллюстрирует следующий рисунок, в котором спутник управляет своим лучом, установив его на одной группе терминалов в одном географическом районе.
Другой вариант предполагает, что луч на спутнике зафиксирован в каком то одном положении (угле наклона) на Землю и задача антенны абонетского терминала «попасть» в этот луч. Для этого варианта необходимо весьма большое число ИСЗ с учетом того, что диаграмма направленности антенны абонентского терминала так же невелика.
Небольшое число лучей, имеющееся на борту ИСЗ осложняет для Space X задачу 100% покрытия территории и дает ответ на вопрос зачем Space X вынужден запускать так много спутников. Что еще интереснее, эти же расчеты дают ответ, почему Space X вынужден уменьшить минимальный угол места с 40 до 25 градусов, несмотря на то, что при этом резко снижается эффективность его антенны с фазовой решеткой.
Диаметр зоны видимости ИСЗ с углом места до 25 градусов при высоте ИСЗ 550 км составляет примерно 1900 км, площадь этой зоны 2 835 294 кв.км
В таблице ниже рассчитано количество лучей на спутнике, необходимых для полного покрытия видимой со спутника зоны на поверхности Земли в пределах угла места более 25 градусов. Диаметр антенны абонентского терминала принят как 48 см.
Очевидно, что с точки зрения покрытия максимальной площади эффективнее работать с лучами, направленными от ИСЗ не в надир (подспутниковую точку), а в периферию зоны видимости, несмотря на то, что там эффективная площадь антенны (а значит и ее пропускная способность) резко снижается.
Так же теперь можно оценить количество лучей, а значит и число ИСЗ необходимых для 100% покрытия какой либо параллели, например, 50 й параллели северной широты (ее длина составляет 25740 км, где сейчас проходит закрытое бета тестирование.
При угле места чуть менее 40 градусов и диаметре луча в 160 км гарантированная ширина зоны покрытия (ширина равна стороне квадрата, вписанный в круг луча) составляет 113,5 км и соответствует 227 ИСЗ, видимым с 50-й параллели на всей ее длине вокруг Земли.
Площадь земной поверхности между 53-ми параллелями составляет 300,4 млн км. Если мы примем эффективную площадь покрытия 1 луча как 113,5 на 113,5 = 12876 кв.км, то необходимое количество лучей составит 23330, а при наличии 16 лучей на одном спутнике нам, необходимо не менее 1458 ИСЗ для полного покрытия, что очень близко к числу 1584, которое заявлено Space X для первого этапа развертывания сети StarLink.
Так же становится понятным причина появления механизма привода в терминале StarLink связано именно с необходимостью поворота антенны в сторону спутника, чтобы обеспечить при малых углах места терминала более менее приличный угол между плоскостью фазированной и направлением на ИСЗ (в идеале 90 градусов).
Общую координацию и управление всей сетью из спутников, гейтвеев и абонентских терминалов ведет Центр управления сетью — это самая неизвестная, невидимая и неафишируемая часть системы Starlink.
Срок жизни спутника Starlink на орбите 550 км составляет примерно 5 лет, после чего запас рабочего тела криптона заканчивается, и спутник либо по команде производит снижение орбиты до плотных слоев атмосферы, либо, в случае потери связи с Землей, снижается постепенно, тормозится остатками атмосферы, и сгорает (подробнее об этом будет написано в разделе о космическом мусоре).
Спутники Starlink впервые в мире производятся практически в режиме крупно серийного производства. По данным SpaceX, ее производственные мощности позволяют производить до 120 спутников Starlink в месяц. Отметим, что средний срок производства спутника связи для геостационарной орбиты составляет сейчас 2–3 года.
Безусловно такой темп производства сильно сокращает цикл испытаний и проверок, а также отметим, что для экономии средств в спутнике используются более дешевые комплектующие и компоненты, в частности, дорогой ксенон заменен на значительно более дешевый криптон в качестве рабочего тела ЭРД.
Таким образом, снижение требований к комплектующим и циклу наземных испытаний отражается и на ресурсе, и на надежности спутников, конструкция которых дорабатывается по результатам испытаний в космосе.
На 13 сентября 2020 года) надежность спутников Starlink характеризовала следующая таблица:
На 1 октября 2020 Space X опубликовал новую информацию, введя понятия «Dead» — потеря связи c ИСЗ, и «non-maneuverable» — выход из строя ДУ. Вот как выглядело на 1 октября состояние группировки спутников StarLink.
Далее речь пойдет о сложнейшим и важнейшим элементом сети Starlink — наземном комплексе.
