Все про проект «Супутниковий інтернет Starlink». Частина 2. Мережа Starlink

Космічні апарати Starlink спеціально сконструйовані для групового запуску двома стопками по 30 супутників під обтічником ракети Falcon 9 і мають розміри: довжина - 3,2 м, ширина - 1,6 м, висота - 0,2 м (оцінка розмірів зроблена по фото нижче) .

На фото показано укладання супутників Starlink під обтічником ракети Falcon 9. Обведені параболічні антени для фідерної лінії зв'язку з гейтвеями в Ка-діапазоні

Супутники Starlink в момент відокремлення від другого ступеня ракети Falcon 9. Синім обведені параболічні антени для фідерної лінії зв'язку з гейтвеями в Ка-діапазоні

Тут можна побачити відео відділення супутників від ракети Falcon9

Після виведення групи супутників на опорну орбіту (як правило це 280 км) супутники розкривають сонячні батареї, встановлюють контакт із наземним Центром управління та проводять перевірку на працездатність та відсутність пошкоджень при відокремленні від ракети, далі вони активують електроракетні двигуни (ЕРД) на криптоні та починають рух на робочу орбіту, що займає 2-3 місяці.

Сонячні батареї при запуску складені «гармошкою» і мають 12 сегментів, де довга сторона кожного сегмента дорівнює ширині супутника (3,2 м).

Ми можемо оцінити розміри кожного сегмента в 3 м х 0,8 м. Таким чином, загальна площа сонячної батареї становить 12 х 3 х 0,8 = 28,8 м2.

Через втрати між сонячними елементами та по краях (коефіцієнт заповнення дорівнює 0,9) можна округлити це значення до 26 м2.

Приймемо щільність потоку сонячного випромінювання як 1300 W/м2, ККД панелей 18% і отримаємо приблизно 6 кВт максимальної (пікової) електричної потужності.(Для порівняння супутники "Експрес" на платформі "Експрес -1000" вагою 1450 кг мають потужність сонячних батарей близько 3 кВт, але можливе це середнє значення).

Реальна потужність залежить від положення панелей сонячних батарей щодо Сонця: оптимальне падіння променів на панель – під прямим кутом.

Для переміщення супутника з опорної орбіти 280 км. на робочу 550 км. і утримання його на ній використовуються плазмові двигуни або ЕРД. Якщо відштовхуватися від ЕРД для малих супутників типу російських СПД-100 чи зарубіжних BHT-1500, їх споживана потужність дорівнює приблизно 1,5 кВт, а тяга 100 мН, при питомому імпульсі лише на рівні 1700-1800 секунд. ЕРД виглядає приблизно так (див. малюнок нижче) та має габарити приблизно 20х20х15 см.

ЕРД мають запас криптону орієнтовно 5-10 кг, який заправлений шаробаллонами високого тиску. Даний запас дозволить підняти супутник на кругову орбіту 550 км, утримати супутник на ній протягом п'яти років, а потім змінити орбіту з кругової на еліптичну, змінивши перігею з 550 км до, припустимо, 250 км, де за рахунок гальмування про залишки атмосфери супутник достатньо швидко загальмується та згорить.

Основним корисним навантаженням супутника Starlink є 2 антенних комплекси для зв'язку зі шлюзовими станціями (гейтвеями) та з абонентськими терміналами.

Антенний комплекс для зв'язку з гейтвеями (або фідерна лінія) є параболічні антени, що наводяться в процесі польоту на точку Землі, де знаходиться гейтвей. Фідерна лінія працює у Ка-діапазоні (18/30 ГГц).

Як випливає з таблиці, у розпорядженні супутника є 2100 МГц у напрямку від шлюзової станції до супутника та 1300 МГц у зворотному напрямку.При використанні обох варіантів поляризації (лівої та правої у разі кругової) це дозволяє використовувати для передачі трафіку максимум 4200 МГц від гейтвею на супутник та 2600 МГц у зворотному напрямку.

Також на борту знаходяться 4 плоскі квадратні антени з фазованими ґратами — три на передачу інформації від супутника на абонентський термінал та одна для прийому сигналу від терміналу.

Мал. Вид чотирьох квадратних антен з фазованими гратами К-діапазону до нанесення покриття для зменшення видимості із Землі та після.

Зв'язок між абонентським терміналом та супутником здійснюється в Кu-діапазоні, при цьому для передачі від супутника до абонента можна використовувати 2000 МГц, а від абонента до супутника лише 500 МГц. З урахуванням двох поляризацій для передачі трафіку супутник має 4000 МГц вниз і прийом на 1000 МГц.

Також на борту є комплекс обладнання для командної радіолінії та передачі телеметрії, що використовує по 150 МГц відповідно в Ка та Кu діапазонах.

Супутник Starlink є ретранслятором і не робить обробки інформації: на його борту відбувається лише зміна частоти сигналу, що приймається, і його посилення. Також супутники першого покоління немає міжсупутникового зв'язку (ISL – Inter Satellite Link) і можуть отримувати і передавати інформацію лише Землю. Як станція TT&C (управління, контролю, прийому телеметрії) заявлено 4 земні станції, у тому числі телепорт Брюстнер, розташований у штаті Вашингтон. У зоні видимості станції TT&C супутник Starlink знаходиться не більше п'яти хвилин, при цьому обсяг даних, що збираються з угруповання, становив у червні 2020 близько 5 Тбайт на добу, тобто не менше 10 Гбайт з одного супутника на добу.

На борту кожного супутника Starlink знаходиться близько 70 окремих процесорів під керуванням Linux та близько 10 мікроконтролерів.

Перебуваючи на орбіті 550 км, супутник може покрити своїм сигналом пляма Землі радіусом 950 км (тобто діаметром приблизно 1900 км) за умови, що кут місця абонентського терміналу буде менше 25°. Зазначимо, що ефективна робота антен з плоскими фазованими гратами можлива при куті місця 40° і більше.

Мал. Радіус зони видимості супутника під кутом 25 градусів, залежно від його висоти.

Можна легко розрахувати скільки потрібно супутників, щоб забезпечити 100% покриття Землі між північною та південною 50 паралелями, за умови, що сигнал із супутника покриває всю зону видимості супутника на Землі. Площа поверхні Землі між північною та південною 50 паралелями дорівнює 300,4 млн кв. км (вся поверхня земної кулі 510 млн кв. км). Так як нам необхідно 100% покриття без пробілів, кола зон накладатимуться один на одного і 100% покриття забезпечене, якщо ми будемо використовувати тільки квадрати в колі зони освітлення. Сторона такого квадрата дорівнює L=D/_√2

Або в нашому випадку L=1356 км, а площа, що закривається квадратом 1,84 млн. квадратних кілометрів. Таким чином, лише 164 супутники забезпечать 100% покриття Землі між 50 північною і південною паралелями?

То навіщо ж Space X 1584 ШСЗ?

І тут ми повинні поговорити про такий параметр будь-якої антени як діаграма спрямованості антени.

Діаграма спрямованості антени - дуже важливий параметр антени, і характеризує критерієм тут є кут, на якому потужність сигналу в 2 рази нижча за своє максимальне значення (див. малюнок) (а в ДециБелах це відповідає зниженню на 3 дБ)

Ширина головної пелюстки (ШГЛ) спрямованості антени залежить від її діаметра (площі), коефіцієнта використання поверхні (КІП) та частоти сигналу. При цьому КВП визначається розподілом амплітуди поля по робочій поверхні антени, витоком потужності за краї дзеркала антени та іншими втратами. Крім основної пелюстки діаграми спрямованості антена має ще бічні пелюстки і задню пелюсток. Ці пелюстки є побічними і забирають енергію з основної пелюстки ДН. При конструюванні антен прагнуть збільшити відношення енергії основної пелюстки до першої (найбільшої) бічної пелюстки.

Чим більший діаметр (площа) антени, тим менший кут діаграми спрямованості та більший її коефіцієнт посилення (Кус).

Тож які діаграми антен Starlink? Для абонентського терміналу у 2020 році в документах, поданих до FCC, Спейс Х опублікував таку таблицю:

Якщо орієнтуватися на згадуваний вище діаметр плями променя на землі в 45 км, то це відповідає куту діаграми спрямованості променя супутника (з космосу на Землю) в 4,5 градуса (при відхиленні від лінії надиру кут може змінюватися швидше за все від 3 до 5 градусів, чим далі від лінії надиру, тим більше кут), що добре корелює з параметрами плоскої антени таких розмірів.

У первинній заявці SpaceX від 2016 зазначено, що діаметр такого променя буде 45 км. (стор. 80 Додатка А Технічної частини до заявки SpaceX до FCC від 15 листопада 2016 р.).

Для оцінки та візуалізації зони покриття Starlink припустимо, що кут діаграми спрямованості антени ФАР на супутнику змінюється від 2,5 градусів (надир) до 4 градусів край зони. Розрахунки діаметра зони покриття показують, що діаметр променя, що відповідає куту ДН 2,5 градуса, безпосередньо під супутником становитиме 24 км.
Ось умовне зображення зони покриття одного променя із репортажу Спейс Х під час запуску ШСЗ Starlink у листопаді 2020 року.

У міру відхилення променя у бік від лінії надиру, кут діаграми спрямованості збільшується: згідно з даними SpaceX в таблиці вище, для краю зони становитиме 4 градуси, при цьому діаметр зони покриття одного променя на Землі збільшується і досягає приблизно 80 км на периферії зони видимості ШСЗ. Виходячи з такої геометрії та особливостей антен супутника Starlink, проекція його променів на Землю буде виглядати так:

Один супутник у такий спосіб може теоретично мати до 300 таких променів (beam) у зоні свого обслуговування. Ось проекція (вид з боку супутника) на зону видимості, де абонентські термінали бачать супутник під кутом місця 25 градусів.

Скільки променів буде організовано на супутнику Starlink прямо зрозуміти з документів Space X не можна, однак, ми можемо легко визначити максимальну кількість променів, яка може працювати в зоні видимості одного супутника Starlink, використовуючи той факт, що в діапазоні Ку не можна задіяти більше Мегагерц для передачі інформації з супутника на абонентський термінал, ніж у нас є в Ка діапазоні для передачі по фідерній лінії з гейтвея на супутник – тобто 4200 Мегагерц у разі використання обох поляризацій.

Тут ми робимо таке припущення, що супутник Starlink відноситься до типу «bent pipe», тобто без обробки інформації на борту (тобто без демодуляції радіосигналу в IP пакети та їх переадресації), тобто працюють всі сучасні супутники зв'язку набагато більших розмірів та ресурсу роботи Поки ніяких даних про те, що на супутнику Starlink першого покоління може бути обробка даних немає.

Як видно з таблиці параметрів абонентського терміналу (див. Розділ Абонентський термінал Starlink), що супутниковий канал від супутника до абонентського терміналу має максимальну ширину 240 МГц у напрямку вниз і 60 Мегагерц в напрямку вгору до ШСЗ. ефективності використання частотного ресурсу в зоні покриття одного ШСЗ зможуть працювати не більше 16 променів, які повністю використовують доступні 4000 МГц частотного ресурсу в Ку діапазоні (з урахуванням захисних інтервалів та частот для командної радіолінії та передачі телеметрії) при використанні обох поляризацій при передачі з супутника на абонентський термінал.

Діаметр зони видимості ШСЗ з кутом місця до 25 градусів при висоті ШСЗ 550 км становить приблизно 1900 км, площа цієї зони 2 835 294 кв.

У таблиці нижче розраховано кількість променів на супутнику, необхідні повного покриття видимої з супутника зони поверхні Землі межах кута місця понад 25 градусів.

Однак тут виникає питання, якщо ШСЗ Starlink може мати тільки 16 променів, кожен з яких має діаметр приблизно 5-40 км, то як же SpaceX вдалося забезпечити практично суцільне покриття на півночі США вздовж 50 паралелі? І тут я маю гіпотезу, як працює Starlink. Справа в тому, що швидкість сканування фазованої антени з електронним керуванням променем становить кілька мікросекунд, приймемо це значення рівним 5 мікросекундам. Припустимо, що поверхня Землі розбита на ділянки рівного розміру діаметром близько 30 км, і що промінь зі Starlink "стрибає" по них, перемикаючись, кожні 5 мікросекунд.

Вище приклад розбиття поверхні на 8 і 20 фрагментів, промінь ШСЗ переходить з одного фрагмента на інший, обмінюється інформацією з терміналами, що знаходяться в даному фрагменті і переходить на наступний фрагмент. При цьому треба розуміти, що чим більше фрагментів має обійти промінь, тим менша реальна швидкість, яку “бачить” абонентський термінал та програма Speedtest і тим більша затримка.
Як ми пам'ятаємо, є цікавий уривок з листа Space X в FCC (https://fcc.report/IBFS/SAT-MOD-20200417-00037/2729898.pdf)

З нього випливає, що групуючи термінали меншими групами, ми зменшуємо затримку і збільшуємо швидкість у 2,5 рази.
Саме такий ефект ми отримаємо, якщо замінимо необхідність проходу одного променя по 20 зон на 8. Час одного циклу скоротитися, а загальна швидкість передачі для кожного з фрагментів зросте.

Зазначимо, що тести StarLink показують співвідношення сигналу шуму (параметр SNR) в районі 11-12 дБ, що відповідає можливості реалізації спектральної ефективності в районі 3 біт/Гц (16 APSK ⅚).Тобто в каналі шириною 240 МГц можна передати 720 Мбіт. Якщо ми будемо одним променем обслуговувати 20 фрагментів, швидкість для кожного фрагмента не перевищить 36 Мбіт, якщо 8 фрагментів, то 90 Мбіт. Однак, якщо промінь "скакатиме", тільки між 2 фрагментами, то швидкість досягне максимально 360 Мбіт. Це показує, навіщо SpaceX потрібно так багато супутників, бо чим більше, тим вище буде якість сервісу для абонента. А на початковому етапі доводиться поставити на перший план покриття.

Зазначимо, що для фідерного променя в Ка-діапазоні, який забезпечує «підйом» інтернет-трафіку на борт супутника, використовується параболічна антена. Для того щоб забезпечити максимальну пропускну здатність при фіксованій доступній смузі частот у Ка-діапазоні, необхідно забезпечити максимальне співвідношення «сигнал/шум» за рахунок збільшення потужності сигналу з борту супутника, і для цього потрібно максимально звузити зону покриття на Землі - в сучасних системах, працюючих з HTS-супутниками, її діаметр становить близько 100 кілометрів. Враховуючи, що супутники Starlink знаходяться на набагато меншій висоті, ніж геостаціонарні ШСЗ, діаметр зони фідерного променя може бути ще меншим. Додатковою перевагою вузької плями в Ка-діапазоні є те, що сигнал із супутника не створює перешкод іншим системам на Землі, що працюють в Ка-діапазоні.

Управлінням відхилення променя від надира в зоні покриття буде фазована антена супутника, яка може відхиляти промінь у будь-якому напрямку (steerable beam) і навіть згідно з заявкою Space X FCC змінювати його форму (shapeable).

На висоті 550 км супутник рухається з такою швидкістю, що час його прольоту в зоні видимості Абонентського терміналу становить 4,1 хвилини або приблизно 250 секунд. Якщо в системі Starlink буде реалізована ідеологія максимального часу сеансу ШСЗ з групою терміналів, що знаходяться в одному районі та мінімально кількості перемикань (handover) терміналу на різні, то це ілюструє наступний малюнок, в якому супутник керує своїм променем, встановивши його на одній групі терміналів одному географічному районі.

Невелика кількість променів, що є на борту ШСЗ, ускладнює для Space X завдання 100% покриття території і дає відповідь на питання навіщо Space X змушений запускати так багато супутників. Що ще цікавіше, ці розрахунки дають відповідь, чому Space X змушений зменшити мінімальний кут місця з 40 до 25 градусів, незважаючи на те, що при цьому різко знижується ефективність його антени з фазовими гратами.

Очевидно, що з точки зору покриття максимальної площі ефективніше працювати з променями, спрямованими від ШСЗ не в надір (підсупутникову точку), а в периферію зони видимості, незважаючи на те, що там ефективна площа антени (а отже, і її пропускна здатність) різко знижується .
Так само стає зрозумілим причина появи механізму приводу в терміналі StarLink пов'язана саме з необхідністю повороту антени у бік супутника, щоб забезпечити оптимальний кут між площиною фазованих ґрат та напрямком на ШСЗ (в ідеалі 90 градусів).

Загальну координацію та керування всією мережею із супутників, гейтвеїв та абонентських терміналів веде Центр управління мережею – це найневідоміша, невидима та неафішована частина системи Starlink.

Термін життя супутника Starlink на орбіті 550 км становить приблизно 5 років, після чого запас робочого тіла криптону закінчується, і супутник або по команді здійснює зниження орбіти до щільних шарів атмосфери, або, у разі втрати зв'язку із Землею, знижується поступово, гальмується залишками атмосфери, і згоряє (докладніше про це буде написано у розділі про космічне сміття).

Супутники Starlink вперше у світі виробляються практично в режимі серійного виробництва. За даними SpaceX, її виробничі потужності дозволяють виробляти до 120 супутників Starlink на місяць. Зазначимо, що середній термін виробництва супутника зв'язку для геостаціонарної орбіти зараз становить 2-3 роки.

Безумовно такий темп виробництва сильно скорочує цикл випробувань і перевірок, а також зазначимо, що для економії коштів у супутнику використовуються дешевші комплектуючі та компоненти, зокрема, дорогий ксенон замінений значно дешевшим криптоном як робоче тіло ЕРД.

Таким чином, зниження вимог до комплектуючих та циклу наземних випробувань відбивається і на ресурсі, і на надійності супутників, конструкція яких допрацьовується за результатами випробувань у космосі.

На 13 вересня 2020 року) надійність супутників Starlink характеризувала наступна таблиця:

На 1 жовтня 2020 року Space X опублікував нову інформацію, ввівши поняття «Dead» - втрата зв'язку з ШСЗ, і «non-maneuverable» - вихід з ладу ДУ. Ось як виглядало на 1 жовтня стан угруповання супутників StarLink.