Мини-энциклопедия Starlink. Часть 2. Сеть Starlink

Архитектура сети Starlink

На рисунке изображена архитектура сети Starlink и ее важнейшие компоненты, а именно:

Космический сегмент — это спутники на низкой орбите (на данный момент разворачиваются первые 1600 спутников на орбите высотой 550 км с наклонением 53 градуса);
Наземный сегмент:

— Центр управления сетью (Network Management System),

— Шлюзовые станции (Gateway),

— Абонентский терминал (User Terminal).

Что касается наземной сети, то, по сути, она построена на сети Google. На саму SpaceX зарегистрировано две автономных сети — AS14593 и AS27277 (последняя, возможно, используется для внутренней ИТ-сети SpaceX). Судя по имеющимся данным, трафик абонентов SpaceX будет маршрутизироваться по арендованным ВОЛС (преимущественно собственной сети Google, где это возможно) на ближайшие узлы/точки обмена трафиком в США: LAX (Лос Анжелос), SEA (Сиэтл), ORD (Орландо), LGA (НьюЙорк), SJC (Сан-Хосе), DFW (Даллас), IAD (Вашингтон). В своем твите от 2.10.2020 Elon Musk сообщил, что компания будет стараться размещать Гейтвеи прямо на зданиях , где находятся «сервера» , подразумевая видимо именно центры обмена интернет трафиком

Теперь опишем функционал каждого элемента сети.

Спутник Starlink

Укладка спутников Starlink под обтекателем ракеты Falcon 9.jpg

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. На фото слева показана укладка 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).

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). 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 20х20х15 см.

BHT-1500 Hall Effect Thruster

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

Услуга: Вниз на абонентский терминал

(со спутника на абонентский терминал)

10,7 – 12,7

Услуга: Вниз на гейтвей

(Со спутника на Гейтвей)

17,8 – 18,6

18,8 – 19,3

Услуга: Вверх от абонентского терминала

(от абонентского терминала на спутник)

14,0 – 14,5

Услуга: Вверх от гейтвея

(от гейтвея на спутник)

27,5 – 29,1

29,5 – 30,0

Телеметрия и управление вниз

(со спутника на станцию контроля)

12,15 – 12,25

18,55 – 18,60

Телеметрия и управление вверх

(от станции контроля на спутник)

13,85 – 14,00

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 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.

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) заявлен телепорт Брюстнер, расположенный в штате Вашингтон. Несмотря на то, что в сети всего лишь одна станция TT&C, в зоне видимости которой спутник Starlink находится не более пяти минут, объем данных, собираемый 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 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.

Радиус 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

Скорость, с которой спутник движется относительно абонентского терминала, составляет примерно 410 км в минуту. Таким образом, в зоне видимости одного абонентского терминала и/или гейтвея спутник будет не более пяти минут (для гейтвея может быть дольше, так как для его параболических антенн возможна работа при меньших углах места — до 10° и даже 5°, если не будет препятствий). Соответственно, наземные терминалы с параболическими антеннами (например, на гейтвеях) должны иметь достаточно скоростной привод, обеспечивающий угловую скорость не менее 25° в минуту.

Необходимо отметить, что по данным SpaceX один спутник должен обеспечить пропускную способность не менее 17 Гбит/с. Учитывая, что на линии «вниз» спутник располагает только 4000 МГц, и малые размеры антенн абонентских терминалов, в системе будет применяться переиспользование (reuse) частот, как это делается в действующих спутниках типа HTS (High Throughput Satellite) — например, ViaSat-2, KA-SAT, Jupiter. В этом случае внутри зоны видимости со спутника формируются мини-зоны покрытия, каждая со своей частотой и поляризацией. Обычно используется 4 типа таких зон (на рисунке ниже раскрашены в разные цвета).

Для сети Starlink это может выглядеть так:

Тип 1 -Зеленый — частоты с 10700 до 11700, поляризация Левая,
Тип 2 — Желтый — частоты с 11700 до 12700, поляризация Левая,
Тип 3 — Малиновый — частоты с 10700 до 11700, поляризация Правая,
Тип 4 — Синий — частоты с 11700 до 12700, поляризация Правая.

В этом случае для передачи трафика уже имеется не 4000 МГц, а 14000 МГц, но для абонентского терминала это обозначает, что изменение его рабочей частоты должно происходит не 1 раз в 5 минут, а минимум в 4 раза чаще. Для спутника задача несколько проще. Фазированная решетка его антенны формирует подобные «пятна» на Земле, при этом повышается мощность сигнала, так как каждое пятно формируется своим лучом, и плотность мощности сигнала (ЭИИМ) в нем выше, чем если бы она была размазана по всему пятну в 1900 км диаметром. В первичной заявке SpaceX от 2016 года указано, что диаметр такого «шестигранного луча» будет 45 км. (стр. 80 Приложения А Технической части к заявке SpaceX в FCC от 15 ноября 2016 г.).

В 2020 году в документах, поданных в FCC, указаны следующие значения:

При этом угол диаграммы направленности луча спутника (из космоса на Землю) меняется от 3,5 до 5,5 градуса, что хорошо коррелирует с параметрами плоской антенны таких размеров.

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 антенна эффективнее, больше энергии излучается на рабочей частоте и меньше уходит в «боковые» лепестки, которые по сути являются помехой для соседних частот/сигналов.

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.

Будет ли спутник задействовать их все или только часть из них, и в каком порядке — неизвестно. Также открыт вопрос о ширине частотного диапазона в одном луче. Здесь можно упомянуть, что в своей заявке в FCC от ноября 2018 года в Приложении S SpaceX указал, что в его сети будут каналы (channels) шириной по 50 МГц, при этом число «каналов», работающих на передачу, равно 275, а на прием — 247. Однако, в более новых своих заявках, о наличии «каналов» и их количестве SpaceX не упоминает.

Отметим, что для фидерного луча в Ка-диапазоне, который обеспечивает «подъем» интернет-трафика на борт спутника, на нем 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. Дополнительным преимуществом узкого пятна в Ка-диапазоне является то, что сигнал со спутника не создает помеху другим системам на Земле, работающим в Ка-диапазоне.

Также здесь возникает вопрос о том, что когда орбиты двух спутников пересекаются, должно происходить отключение «конфликтующих» пятен с идентичными частотами и поляризацией, при этом информация о работающем в данный момент пятне должна доводиться и до терминала, чтобы он успел переключиться в этот момент на другой спутник.

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, тормозясь 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 данный момент (3 сентября 2020 года) надежность спутников Starlink характеризует 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 (2018 год)	2	0	0	0
Версия 1 ИСЗ тип 0.9	60 (2019 год)	14	0	8	63
Версия 2 ИСЗ тип 1.0	653 (с 2019 по нв)	4	1	8	98