![](https://novosti-kosmonavtiki.ru/wp-content/uploads/iblock/b74/солнечные%20батареи.jpg)
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 Укладка спутников Starlink под обтекателем ракеты Falcon 9.jpg](/upload/medialibrary/050/Укладка%20спутников%20Starlink%20под%20обтекателем%20ракеты%20Falcon%209.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 |
Но сложнейшим и важнейшим элементом сети Starlink является все-таки наземный комплекс.
Продолжение следует…
Автор: Сергей Пехтерев
P/S В следующей части поговорим о Центре управления сетью