Все-симки.ру Межспутниковые каналы связи (inter-satellite links)
3 сентября 2020 года SpaceX сообщила о первых тестах межспутниковых каналов связи (Inter-satellite link, ISL).
О наличии таких каналов в группировке Starlink заявлялось еще в самом начале, однако позднее в спутниках первого поколения для экономии времени и средств от них отказались.
Межспутниковые каналы позволили бы решить проблему связи в тех районах планеты, где на земле невозможно установить гейтвей с подведенной к нему ВОЛС для доступа в интернет. В настоящее время Starlink не может предоставлять услуги в морях и океанах, кроме как на небольшом расстоянии от береговой линии, тем самым отрезая себя от весьма прибыльных рынков круизных лайнеров и коммерческих судов морского флота, а также и от большей части дальних полетов в мировой гражданской авиации.
Еще одним широко и горячо обсуждаемым достоинством ISL является то, что скорость распространения сигнала в космосе равна скорости света, а вот в оптическом кабеле она меньше, и теоретически задержка при использовании спутников Starlink с ISL будет меньше, чем при использовании трансатлантических подводных кабелей, связывающих США с Европой, Азией и Австралией, и это привлечет биржевых брокеров, торгующих на биржах этих континентов.
Перед тем как перейти к обсуждению, расскажем немного, собственно, о технологии лазерной связи. Уже сегодня лазеры широко используются при передаче огромных объемов данных по волоконно-оптическим кабелям.
Их использование в космосе обладает еще большим потенциалом, отсутствие физической среды передачи позволит получить высокую скорость передачи информации. Другое преимущество лазеров заключается в том, что свет имеет длину волны, меньшую в 10 тысяч раз, чем длина волны используемых в космических коммуникациях радиоволн (или частота передачи в 10000 раз выше).
Это означает, что свет лазера может распространяться более узконаправленным лучом, и будет требовать меньших по размерам приемных устройств для того, чтобы получить сигнал достаточной для обработки амплитуды. Помимо увеличения уровня безопасности космических коммуникаций, это позволит уменьшить вес, габариты коммуникационного оборудования, на доставку которого в космос тратятся немалые средства.
Рис. Вид бортового комплекта для лазерной связи LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration), участвовавшего в эксперименте NASA LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) в 2022 году: связь между Землей и космическим аппаратом на орбите Луны.
Необходимо отметить, что пропускная способность канала связи определяется, в том числе, и диаметром приемной оптики, например, наземная приемная станция для данного эксперимента выглядела так:
Наземная приемная станция для эксперимента с лазерной связьюНаземная приемная станция для эксперимента с лазерной связью
При этом скорость передачи с орбиты Луны достигла 622 Мбит/с, но скорость передачи в обратном направлении, несмотря на большой размер передающей с Земли станции, составила не более 20 Мбит/с. То есть размер приемной оптики и расстояние между передатчиком и приемником сигнала играют ключевую роль.
В настоящее время основной упор делается на использовании лазерной связи для связи Земли и искусственных спутников Земли. Например, один бортовой комплект разработки Mynaric AG (Германия) для лазерной связи весит 7-15 кг.
Этот комплект может передавать 10 Гбит/с на 4500 км. Производитель рассматривает скорость 100 Гбит/с, но его текущие продукты работают на скорости 10 Гбит/с. Отметим, что приемный терминал на Земле для получения данных на таких скоростях имеет более чем внушительные размеры.
На рисунке показан наземный лазерный терминал Mynaric.
Наземный лазерный терминал Mynaric Наземный лазерный терминал Mynaric
По данным Mynaric, наведение, захват и слежение за космическим аппаратом – самая сложная проблема в космической лазерной связи. Фундаментальный компромисс здесь заключается в поиске компромисса между точностью наведения и мощностью светового пучка: чем меньше расходимость (рассеяние) светового пучка, тем выше сигнал на приемнике, но в этом случае выше требование по точности наведения.
Расходимость пучка света современного лазера может достигать 10 мкрад (или 0,00057 градуса). Отметим, что в этом случае пучок света на расстоянии в 1000 км имеет диаметр всего 10 метров, и задача “попасть” им в другой спутник будет чрезвычайно сложной для системы наведения.
При этом необходимо помнить, что при связи между спутником и Землей мы имеем на одной стороне жестко фиксированный в пространстве объект, при межспутниковом канале связи сложность организации сеанса связи практически удваивается.
Если же аппаратура на спутнике не может обеспечить такую точность наведения, то остается смириться с широким рассеянием луча, что при фиксированной мощности передатчика на борту спутника и размером оптического приемника значительно уменьшает пропускную способность такого канала связи.
Также отметим еще один момент: если для одиночного спутника для его связи с Землей достаточно одного комплекта лазерной связи, который в сеансе связи будет сориентирован на Землю, то в такой сложной и многоспутниковой системе как Starlink для организации сервиса – то есть непрерывного канала связи в любое время суток – каждый спутник должен иметь 4 комплекта лазерных коммуникационных модулей, сориентированных по всем четырем направлениям.
При этом отметим, что даже с четырьмя модулями необходимо будет обеспечить отклонение луча в модуле в диапазоне 90° (плюс /минус 45° от оси), что делает конструкцию такого модуля чрезвычайно сложной и, возможно, потребует наличия механических поворотных устройств в модуле лазерной связи.
Если же угол отклонения в 45° не будет гарантирован автоматически, то возникают “мертвые” зоны для приема/передачи у конкретного спутника, что приведет к тому, что связь будет организована не по кратчайшему маршруту, а управление передачей по ISL потребует непрерывного расчета “мертвых зон” у каждого спутника в каждый момент времени и учета этого при прокладке “маршрута” .
Отдельным вопросом является компоновка размещения модулей на спутнике. Спутник Starlink сейчас оптимизирован для максимально плотной укладки внутри обтекателя ракеты Falcon 9 и имеет форму прямоугольника с достаточно малой высотой, но именно на этой “короткой” стороне будет необходимо разместить оптические модули, по одному на каждую сторону.
Вопрос в том, удастся ли вписать их в нынешнюю конструкцию спутника, даже с учетом того, что SpaceX будет сама проектировать модули для лазерной связи и их оптику. Судя по описанию аппаратуры оптической связи, управление направлением луча реализуется системой линз, и такая оптическая часть требует достаточно больших габаритов, если речь идет о передаче с высокой пропускной способностью.
Отметим также, что передатчики для лазерной связи являются новыми потребителями энергии на борту, а их КПД не превышает 25%, то есть возникает задача утилизации и сброса в космос оставшихся 75% затраченной энергии, что является хотя и не критической, но, тем не менее, требующей инженерного решения задачей.
Отдельной, гораздо более сложной и важной проблемой является управление трафиком, направляемым в оптический канал связи. Напомним, что существующие “классические” спутники связи на геостационарной орбите являются ретрансляторами, то есть по сути зеркалами, они получают с Земли сигнал на одной частоте и передают его со спутника на Землю на другой, но не меняя модуляцию и другие параметры самого сигнала.
Для понимания покажем на элементарном примере, что такое модуляция и как передается полезная информация в радиосигнале.
Различают несущую частоту (carrier wave) и модулирующий сигнал. Если мы говорим о передаче аналогового сигнала, то на несущую частоту накладывается другой сигнал, меняя амплитуду несущей частоты:
А) вид сигнала несущей частоты,
Б) вид модулирующего сигнала (полезной информации),
В) вид передаваемого сигнала с полезной информацией.
Модуляция и передача полезной информации в радиосигналеМодуляция и передача полезной информации в радиосигнале
Для передачи цифровой информации несущая частота и модулированный сигнал с полезной информацией выглядят так:
Несущая частота и модулированный сигнал с полезной информациейНесущая частота и модулированный сигнал с полезной информацией
Главным здесь является отсутствие обработки (демодуляции) сигнала на борту спутника и, соответственно, аппаратуры для этого.
Так, при работе в Кu-диапазоне сигнал передается с гейтвея на борт спутника на частотах 14-14,5 ГГц, на борту сигнал меняет несущую частоту и с неизменной модуляцией (полезной информацией) передается вниз на абонентский терминал на частотах 10,7-11,2 ГГц.
Однако включение в архитектуру сети Starlink лазерных каналов связи потребует наличия на борту спутника маршрутизации и разделения информационных потоков от абонентского терминала на те, которые будут переданы вниз на гейтвей или далее по межспутниковому каналу.
Самый простой путь без существенного усложнения конструкции самого спутника – это выделение специального диапазона частот в рамках общей полосы, по которому передаваемые сигнал и информация при попадании на борт спутника направляются исключительно в межспутниковый канал связи.
То есть радиосигнал высокой частоты, несущий данные, накладывается на световой сигнал перед передачей по оптическому каналу с длиной волны 1000-1500 нм (технология типа RF over fiber). Это проще, но означает, что:
а) пропускная способность межспутниковых каналов будет изначально ограничена,
б) весь частотный ресурс, задействованный для передачи информации, передаваемой далее по межспутниковым каналам связи, будет исключен для обслуживания обычных абонентов в тот период, когда спутник летит над территорией, где достаточно гейтвеев и нет нужды в межспутниковых каналах,
В) с большой долей вероятности будут нужны особенные абонентские терминалы, работающие в двухчастотном режиме.
Альтернатива данному варианту — это обработка информации на борту спутника. То есть полученный от абонентского терминала радиосигнал демодулируется и декодируется до уровня IP-пакетов, направляется в маршрутизатор, который уже распределяет информацию в радиочастотный или оптический канал связи.
Данный метод позволяет гибко использовать весь доступный частотный диапазон, не требует специальных абонентских терминалов, но требует наличия на борту маршрутизатора, способного обработать пакеты на скорости до 20 Гбит/с.
При этом процессор такого маршрутизатора должен работать не в строго климатизированном помещении дата-центра с узким диапазоном рабочих температур, а в условиях открытого космоса, где температуры даже при наличии мощной СОТР (системы охлаждения и терморегуляции) будут находиться в большем диапазоне температур.
Заметим, однако, что все вышеуказанные проблемы носят технический характер и в принципе решаемы.
Наличие межспутниковых оптических каналов приведет к появлению разных услуг для потребителя. Он может получить доступ в интернет через обычный гейтвей по базовым тарифам и со “стандартной” задержкой в канале, а может выбрать опцию “быстрой” связи, когда его информация отправится по межспутниковым каналам связи и “опустится” на Землю только на ближайшем к конечному пункту гейтвее.
Безусловно, отдельная чисто коммерческая задача — это расчет того, насколько стоимость такого “быстрого” трафика должна быть выше, чем обычного, и главное – найдется ли достаточное число клиентов, готовых оплатить такое принципиальное изменение архитектуры сети и связанные с этим инвестиции в космический сегмент.
Напомню в этой связи слова Джонатана Хофеллера, вице-президента по коммерческим продажам SpaceX: “Мы должны убедиться, что это рентабельно, перед тем как создать это [SL] и внедрить в группировку Starlink”.
Есть еще один аспект наличия межспутниковых линий связи в группировке Starlink, который, возможно, не привлек пока внимания специалистов SpaceX. Внедрение ISL позволит абоненту сети Starlink выходить в интернет с территории другой страны или передавать информацию с одного терминала на другой, минуя какие-либо наземные узлы связи.
Однако практически все страны, и уж тем более развитые, имеют в своем законодательстве нормы, обязывающие всех операторов связи обеспечить возможность доступа спецслужб к передаваемому в их сетях трафику.
Речь идет именно о гарантии обеспечения доступа, будут ли спецслужбы читать переписку или нет, это уже вопрос суда и других норм местного законодательства. А вот операторы связи должны это обеспечить. В США это регулирует The Communications Assistance for Law Enforcement Act (CALEA), принятый в эпоху Билла Клинтона, еще до событий 9/11.
Нормы этого закона и требования к телеком-операторам в США недалеко ушли от российского законодательства по СОРМ и соответствующих требований к российским операторам связи, такая же ситуация и в большинстве других государств.
Требования обеспечения СОРМ ставят две группы проблем. Одна из них – чисто внутриамериканская – как SpaceX убедить ФБР, что она выполняет требования CALEA. Возможно, это будет список предварительно одобренных ФБР абонентов Starlink, которые могут использовать сервис с ISL, может будет запрещено направлять абоненту в США трафик с происхождением вне территории США, может ISL будет передавать трафик, поднятый только через гейтвеи на территории США.
Но вопрос доступа спецслужб к трафику абонентов начинает смотреться совсем иначе, если мы говорим о другой стране.
Если до внедрения межспутниковых каналов связи SpaceX могла убедить любого национального регулятора в сфере телекоммуникаций в том, что весь трафик для абонентов данной страны пойдет с гейтвея на ее территории, на котором спецслужбы/полиция поставят соответствующее устройство police interceptor, то с наличием ISL они должны будут либо поверить на слово частной американской компании, либо подписать некое соглашение о сотрудничестве с ФБР, передав ФБР часть полномочий в перехвате трафика потенциальных преступников из этой страны.
Безусловно наладить обмен данными внутри США и их союзников по НАТО или Западному миру будет, скорее всего, возможно, однако даже в этих странах есть внутренние конфликты, как, например, в Испании – вопрос сепаратизма Каталонии, или в Турции – противостояние Эрдогана и его противников, где нет криминала или терроризма, но власти страны ограничивают или могут ограничить отдельные сайты в интернете или интересоваться перепиской отдельных своих граждан.
А если мы вспомним Саудовскую Аравию (союзника США), то вряд ли она будет готова открыть своим гражданам полный доступ к сайтам эротического содержания или веб-ресурсам, критикующим действующего монарха.
Одним словом, внедрение межспутниковых каналов связи в группировке SpaceX вызовет серьезнейшие проблемы для ее выхода на коммерческие рынки связи других стран.
Таким образом, можно сказать, что Спейс SpaceX стоит на распутье. Если внедрить межспутниковые каналы связи, то ее сервис вызовет значительный интерес со стороны военных, а также круизных и судоходных компаний, базирующихся в США, но шансы на предоставление коммерческих услуг связи на рынках других стран значительно ухудшатся.
Состав группировки starlink
Говоря о составе низкоорбитальной группировки Starlink компании SpaceX надо отметить, что она состоит как минимум из двух отдельных спутниковых сетей. Первая сеть изначально (согласно заявке SpaceX в FCC от 15 ноября 2022 г.) планировалась из 4425 спутников. Эта заявка одобрена FCC 29 марта 2022 г.
Высота орбиты, км | Наклонение орбиты, градусов | Число орбит/плоскостей с данным наклонением | Кол-во спутников в каждой плоскости |
1150 | 53 | 32 | 50 |
1110 | 53,8 | 32 | 50 |
1130 | 74 | 8 | 50 |
1275 | 81 | 5 | 75 |
1325 | 70 | 6 | 75 |
Выглядеть это должно было так:
Группировка Starlink. Разные наборы орбит окрашены в разный цвет Группировка Starlink. Разные наборы орбит окрашены в разный цвет
Вторая сеть из 7518 спутников должна будет работать в V-диапазоне (заявка подана 1 марта 2022 г., одобрена 19 ноября 2022 г.).
Группировка VLEO системы Starlink:
Кол-во спутников на орбите | 2,54 | 2,478 | 2,493 |
Высота орбиты, км | 345,6 | 340,8 | 335,9 |
Наклонение, град. | 53 | 48 | 42 |
Потом SpaceX вносила изменения в 2022 году, понизив орбиту до 550 км. В таблице ниже приведен состав группировки, согласно последней заявки SpaceX в FCC (Федеральную комиссию по связи США) 17 апреля 2020 г. (заявка на данный момент еще не одобрена FCC):
Число орбит/плоскостей с данным наклонением | 72 | 72 | 36 | 6 | 4 |
Кол-во спутников в каждой плоскости | 22 | 22 | 20 | 58 | 43 |
Высота орбиты, км | 550 | 540 | 570 | 560 | 560 |
Наклонение, град. | 53 | 53,2 | 70 | 97,6 | 97,6 |
Также отметим, что в начале июня 2020 года SpaceX направила в FCC еще одну заявку, названную Generation 2, согласно которой планируется еще почти 30 тыс. спутников на следующих орбитах:
Высота орбиты, км | Наклонение, град. | Число орбит/плоскостей с данным наклонением | Кол-во спутников в каждой плоскости |
328 | 30 | 1 | 7 178 |
334 | 40 | 1 | 7 178 |
345 | 53 | 1 | 7 178 |
360 | 96,9 | 40 | 50 |
373 | 75 | 1 | 1 998 |
499 | 53 | 1 | 4 000 |
604 | 148 | 12 | 12 |
614 | 115,7 | 18 | 18 |
Однако, в данном обзоре мы сконцентрируемся на анализе первого этапа сети в Кu/Ка-диапазонах, которая реально разворачивается сейчас и имеет шанс начать предоставление доступа в интернет в ближайшее время (конец 2020 г.).
На данный момент SpaceX видит ее в следующем виде: 72 орбитальные плоскости с наклонением 53 градуса по 22 спутника в каждой на высоте 550 километров (возможно, что и это не окончательный вариант). Выглядит это так:
Текущий облик группировки Starlink: 72 орбитальные плоскости с наклонением 53° по 22 спутника в каждой на высоте 550 кмТекущий облик группировки Starlink: 72 орбитальные плоскости с наклонением 53° по 22 спутника в каждой на высоте 550 км
Спутник starlink
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).
Укладка спутников Starlink под обтекателем ракеты Falcon 9. Красным обведены параболические антенны для фидерной линии связи с гейтвеями в Ка-диапазонеУкладка спутников Starlink под обтекателем ракеты Falcon 9. Красным обведены параболические антенны для фидерной линии связи с гейтвеями в Ка-диапазоне
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).
Солнечные батареи спутников Starlink при запуске сложены гармошкой и имеют 12 сегментовСолнечные батареи спутников Starlink при запуске сложены гармошкой и имеют 12 сегментов
Мы можем оценить размеры каждого сегмента в 3 м x 0,8 м. Таким образом, общая площадь солнечной батареи составляет 12 x 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).
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.
Внешний вид электроракетного двигателя (ЭРД)Внешний вид электроракетного двигателя (ЭРД)
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).
Тип канала связи и направление приема-передачи | Диапазоны частот, ГГц | Доступно МГц в одной поляризации |
Услуга: Вниз на абонентский терминал (со спутника на абонентский терминал) | 10,7 – 12,7 | 2000 |
Услуга: Вниз на Гейтвей (Со спутника на Гейтвей) | 17,8 – 18,6 18,8 – 19,3 | 800 500 |
Услуга: Вверх от абонентского терминала (от абонентского терминала на спутник) | 14,0 – 14,5 | 500 |
Услуга: Вверх от гейтвея (от гейтвея на спутник) | 27,5 – 29,1 29,5 – 30,0 | 1600 500 |
Телеметрия и управление вниз (со спутника на станцию контроля) | 12,15 – 12,25 18,55 – 18,60 | 100 50 |
Телеметрия и управление вверх (от станции контроля на спутник) | 13,85 – 14,00 | 150 |
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.
Вид четырех квадратных антенн с фазированной решеткой Кu-диапазона до нанесения покрытия для уменьшения видимости с Земли и послеВид 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°.
Радиус зоны видимости спутника под углом 25 градусов в зависимости от его высотыРадиус зоны видимости спутника под углом 25 градусов в зависимости от его высоты
Орбита “а”, км | 540 | 560 | 570 |
Max угол отклонения α (в градусах) | 56,7 | 56,4 | 56,3 |
Зона покрытия “r”, км | 926,8 | 954,6 | 968,4 |
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.
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 антенныДиаграмма 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.
Чем меньше угол диаграммы направленности, тем больше энергии излучается на рабочей частоте и меньше уходит в “боковые” лепесткиЧем меньше угол диаграммы направленности, тем больше энергии излучается на рабочей частоте и меньше уходит в “боковые” лепестки
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 2022 года указано, что диаметр такого луча будет 45 км. (стр. 80 Приложения А Технической части к заявке SpaceX в FCC от 15 ноября 2022 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.
Проекция лучей спутника Starlink на Землю, с учетом геометрии и особенностей антеннПроекция лучей спутника Starlink на Землю, с учетом геометрии и особенностей антенн
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.
Проекция со стороны спутника Starlink на зону видимости: абонентские терминалы видят спутник под углом места 25°Проекция со стороны спутника Starlink на зону видимости: абонентские терминалы видят спутник под углом места 25°
Сколько лучей будет организовано на спутнике StarLink впрямую понять из документов SpaceX 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 абонентского терминала “попасть” в этот луч. Для этого варианта необходимо весьма большое число ИСЗ с учетом того, что диаграмма направленности антенны абонентского терминала также 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.
Угол места, градусов | Диаметр зоны луча, км | Площадь зоны луча, км2 | Кол -во лучей для полного покрытия зоны | Эффективная площадь антенны, м2 |
80 | 40 | 1 257 | 2 256 | 0,178 |
70 | 50 | 1 964 | 1 444 | 0,170 |
60 | 60 | 2 827 | 1 003 | 0,157 |
50 | 80 | 5 027 | 564 | 0,138 |
40 | 130 | 13 273 | 214 | 0,116 |
30 | 210 | 34 636 | 82 | 0,090 |
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.
Также 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.
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:
Тип | Всего запущено | Сведено с орбиты по команде с Земли | Неуправляемый сход с орбиты | Не маневрируют (вероятно, вышли из строя) | % оставшихся на орбите |
Версия 0 (ИСЗ ТинТин) | 2 (2022 год) | 2 | 0 | 0 | 0% |
Версия 1 ИСЗ тип 0.9 | 60 (2022 год) | 14 | 0 | 8 | 63% |
Версия 2 ИСЗ тип 1.0 | 653 (с 2022 по нв) | 4 | 1 | 8 | 98% |
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
Но сложнейшим и важнейшим элементом сети Starlink является все-таки наземный комплекс.
Шлюзовые станции (гейтвеи)
Шлюзовые станции (GateWay) основная часть наземного комплекса, создаваемого SpaceX.
Основная часть гейтвеев SpaceX размещена на территории США, при этом сеть этих гейтвеев постоянно увеличивается.
Рис. Карта расположения гейтвеев на территории США, август, 2021Рис. Карта расположения гейтвеев на территории США, август, 2021
Полный список известных мест расположения гейтвеев в сети SpaceX приведен в данной таблице.
Также сегодня имеется больше информации об устройстве самих гейтвеев
Рис. Внешний вид антенного поля гейтвея с размещением антенн по принципу 3х3Рис. Внешний вид антенного поля гейтвея с размещением антенн по принципу 3х3.
Рис. Другой вариант размещения антенн в гейтвее – линейный: все 9 в одну линиюРис. Другой вариант размещения антенн в гейтвее – линейный: все 9 в одну линию
Рис. Общий вид гейтвея Starlink Рис. Общий вид гейтвея Starlink
Типовое количество антенн – девять. Что позволяет одному Гейтвею работать с четырьмя спутниками, каждый ИСЗ требует две антенны (одна “ведет” его, а вторая возвращается в исходное положение, чтобы навестись на новый ИСЗ. Девятая антенна, скорее всего, находится в горячем резерве.
Вот схема антенны, которая при работе накрыта радиопрозрачным радомом:
Рис. Схема антенны гейтвея Рис. Схема антенны гейтвея 
Рис. Схема антенны гейтвея Рис. Схема антенны гейтвея
Судя по фото, радиочастотное оборудование собирается в самом SpaceX из узлов внешних поставщиков.
Рис. Фото aнтенны и радиочастотного оборудования гейтвеяРис. Фото aнтенны и радиочастотного оборудования гейтвея
Базовые характеристики антенны гейтвея приведены в следующей таблице:
Радиочастотные параметры антенны гейтвея приведены в таблице:
Как видно из таблицы, антенна гейтвея поставляется полностью собранная, включая бетонную опору весом 1200 кг.
Как видно из таблицы выше, сейчас на территории США находится 30 гейтвеев , уже получивших разрешение на частоты (работу) от FCC. Учитывая, что при полностью развернутой группировке первого этапа (72 плоскости по 22 ИСЗ = 1584 спутника) над территорией США находится примерно 60 ИСЗ, можно сказать, что сейчас один гейтвей обслуживает два спутника, то есть в два раза меньше его номинальных возможностей.
Тип | Диапазон частот | Расположение | Разрешение регулятора на работу | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
На территории США | ||||||
В Ку-диапазоне для работы ИСЗ первой серии, версия 0.9 | ||||||
Шлюз | Ку | Мерриллан, Висконсин | Merrillan, WI | Нет | ||
Шлюз | Ку | Гринвилл, Пенсильвания | Greenville, PA | Нет | ||
Шлюз | Ку | Редмонд, Вашингтон | Redmond, WA | Нет | ||
Шлюз | Ку | Хоторн, Калифорния | Hawthorne, CA | Нет | ||
Шлюз | Ку | Норт-Бенд, Вашингтон | North Bend, WA | Нет | ||
Шлюз | Ку | Конрад, MT | Conrad, MT | Есть | ||
Шлюз | Ку | Макгрегор, Техас | McGregor, TX | Нет | ||
Шлюз | Ку | Гонолулу, Гавайи | Honolulu, HI | Нет | ||
В Ка-диапазоне для работы основной версии ИСЗ версия, 1.0 и выше | ||||||
Шлюз | Ка | Мерриллан, Висконсин | Merrillan, WI | Есть | ||
Шлюз | Ка | Гринвилл, Пенсильвания | Greenville, PA | Есть | ||
Шлюз | Ка | Редмонд, Вашингтон | Redmond, WA | Есть | ||
Шлюз | Ка | Хоторн, Калифорния | Hawthorne, CA | Есть | ||
Шлюз | Ка | Конрад, MT | Conrad, MT | Нет | ||
Шлюз | Ка | Лоринг, ME | Loring, ME | Есть | ||
Шлюз | Ка | Калама, Вашингтон | Kalama, WA | Нет | ||
Шлюз | Ка | Арбакл, Калифорния | Arbuckle, CA | Есть | ||
Шлюз | Ка | Бикмантаун, штат Нью-Йорк | Beekmantown, NY | Нет | ||
Шлюз | Ка | Панака, Невада | Panaca, NV | Есть | ||
Шлюз | Ка | Чарльстон, штат Орегон | Charleston, OR | Есть | ||
Шлюз | Ка | Бока-Чика, Техас | Boca Chica, TX | Есть | ||
Шлюз | Ка | Макгрегор, Техас | McGregor, TX | Есть | ||
Шлюз | Ка | Литчфилд, Коннектикут | Litchfield, CT | Нет | ||
Шлюз | Ка | Уоррен, Миссури | Warren, MO | Есть | ||
Шлюз | Ка | Немаха, NE | Nemaha, NE | Есть | ||
Шлюз | Ка | Манистик, Мичиган | Manistique, MI | Нет | ||
Шлюз | Ка | Слоуп-Каунти, Северная Дакота | Slope County, ND | Есть | ||
Шлюз | Ка | Аделанто, Калифорния (область Лос-Анджелеса) | Adelanto, CA (LA area) | Есть | ||
Шлюз | Ка | Касс-Каунти, Северная Дакота | Cass County, ND | Есть | ||
Шлюз | Ка | Сандерсон, Техас | Sanderson, TX | Есть | ||
Шлюз | Ка | Спрингер, хорошо | Springer, OK | Есть | ||
Шлюз | Ка | Колберн, ID | Colburn, ID | Нет | ||
Шлюз | Ка | Butte, MT | Butte, MT | Есть | ||
Шлюз | Ка | Тионеста, Калифорния | Tionesta, CA | Есть | ||
Шлюз | Ка | Хиттердал, Миннесота | Hitterdal, MN | Есть | ||
Шлюз | Ка | Бэксли, Джорджия | Baxley, GA | Есть | ||
Шлюз | Ка | Робертсдейл, Алабама | Robertsdale, AL | Нет | ||
Шлюз | Ка | Проссер, Вашингтон | Prosser, WA | Есть | ||
Шлюз | Ка | Roll, AZ | Roll, AZ | Нет | ||
Шлюз | Ка | Вернон, Юта | Vernon, UT | Нет | ||
Шлюз | Ка | Инман, К.С. | Inman, KS | Нет | ||
Шлюз | Ка | Эванстон, Вайоминг | Evanston, WY | Есть | ||
Шлюз | Ка | Пунта-Горда, Флорида | Punta Gorda, FL | Есть | ||
Шлюз | Ка | Трейси-Сити, Теннесси | Tracy City, TN | Есть | ||
Шлюз | Ка | Купарук АК | Kuparuk, AK | Есть | ||
Шлюз | Ка | Гаффни, Южная Каролина | Gaffney, SC | Нет | ||
Шлюз | Ка | Роббинс, Калифорния | Robbins, CA | Нет | ||
Шлюз | Ка | Мудрый, Северная Каролина | Wise, NC | Нет | ||
Шлюз | Ка | Мандале, Северная Каролина | Mandale, NC | Нет | ||
Шлюз | Ка | Дюма, Техас | Dumas, TX | Нет | ||
Шлюз | Ка | Хэмшир, Техас | Hamshire, TX | Нет | ||
Шлюз | Ка | Марселл, Миннесота | Marcell, MN | Нет | ||
Шлюз | Ка | Локпорт, Нью-Йорк | Lockport, New York | Нет | ||
Шлюз | Ка | Хиллман, Мичиган | Hillman, MI | Нет | ||
Шлюз | Ка | Бродвью, Иллинойс | Broadview, IL | Нет | ||
Шлюз | Ка | Лоуренс, KS | Lawrence, KS | Есть | ||
Шлюз | Ка | Норкросс, Джорджия | Norcross, GA | Есть | ||
Шлюз | Ка | Форт-Лодердейл, Флорида | Fort Lauderdale, FL | Есть | ||
Шлюз | Ка | Луненбург, VT | Lunenburg, VT | Нет | ||
Шлюз | Ка | Салливан, штат Мэн | Sullivan, ME | Нет | ||
Шлюз | Ка | Кетчикан, АК | Ketchikan, AK | Нет | ||
Шлюз | Ка | Ролетт, Северная Дакота | Rolette, ND | Нет | ||
Шлюз | Ка | Фэрбенкс, AK | Fairbanks, AK | Нет | ||
Шлюз | Ка | Нью-Браунфелс, Техас | New Braunfels, TX | Нет | ||
Шлюз | Ка | Ном, AK | Nome, AK | Есть | ||
Шлюз | Ка | Кенансвилл, Флорида | Kenansville, FL | Нет | ||
Шлюз | Ка | Эльберт, Колорадо? | Elbert, CO? | Нет | ||
В отличие от высказанной в первой версии Энциклопедии точки зрения, что каждый гейтвей имеет резервированное энергообеспечение и резервный канал в интернет, по последним заявлениям SpaceX , гейтвеи не имеют резервирования ни по энергообеспечению (нет резервного дизель-генератора), ни по оптике.
