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 ниже своего макси­маль­ного значения (см.рисунок) (а в ДециБелах это соответствует снижению на 3 дБ)

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 (К_ус).

Так каковы диаграммы антенн Starlink? 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 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 2,5 градусов (надир) до 4 градусов край зоны. Рас­че­ты диаметра зоны покрытия показывают, что диаметр луча, соответствующий углу ДН 2,5 градуса, непосредственно под спутником составит 24 км.

Вот условное изображение зоны покрытия одного луча из репортажа Спейс Х во время запуска ИСЗ Starlink в ноябре 2020.

По мере отклонения луча в сторону от линии надира, угол диаграммы направленности увеличивается: согласно данным SpaceX в таблице выше, для края зоны составит 4 градуса, при этом диаметр зоны покрытия одного луча на Земле увеличивается и достигает примерно 80 км на периферии зоны видимости ИСЗ. 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.

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.

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

Однако тут возникает вопрос, если ИСЗ Starlink может имеет только 16 лучей, каждый из ко­торых имеет диаметр примерно 5-40 км, то как же SpaceX удалось обеспечить практически сплошное покрытие на севере США вдоль 50 параллели?? И здесь у меня есть гипотеза, как работает Starlink.

Дело в том, что скорость сканирования фазированной антенны с электронным управлением лучом составляет “несколько микросекунд”, примем это значение равным 5 микросекундам. Пред­ставим, что поверхность Земли разбита на участки равного размера диаметром около 30 км, и что луч со Starlink “прыгает” по ним, переключаясь, каждые 5 микросекунд –

Выше пример разбиения поверхности на 8 и 20 фрагментов, луч ИСЗ переходит с одного фрагмента на другой, обменивается информацией с терминалами находящимися в данном фрагменте и переходит на следующий фрагмент. При этом, надо понимать, что чем больше фрагментов должен обойти луч, тем меньше реальная скорость, которую “видит” абонентский терминал и программа Speedtest и тем больше задержка.

Как мы помним имеется интересный отрывок из письма Space X в FCC (https://fcc.report/IBFS/SAT-MOD-20200417-00037/2729898.pdf)

Из него следует, что группируя терминалы более малыми группами, мы уменьшаем задержку и увеличиваем скорость в 2,5 раза.

Именно такой эффект мы получим, если заменим необходимость прохода одного луча по 20 зонам на 8. Время одного цикла сократиться, а общая скорость передачи информации для каждого из фрагментов возрастет.

Отметим, что тесты StarLink показывают соотношение сигнал шум (параметр SNR) в районе 11-12 дБ, что cоответствует возможности реализации спектральной эффективности в районе 3 бит/Гц (16 APSK ⅚). То есть в имеющемся канале шириной 240 МГц можно передать 720 МБит. Если мы будем одним лучом обслуживать 20 фрагментов, то скорость для каждого фрагмента не превысит 36 Мбит, если 8 фрагментов, то 90 Мбит. Однако, если луч будет “скакать”, только между 2 фрагментами, то скорость достигнет максимально 360 Мбит. Это показывает, зачем SpaceX нужно так много спутников, ибо чем их больше, тем выше будет качество сервиса для абонента. А на начальном этапе приходится поставить на первый план покрытие.

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.

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.

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 становится понятной причина появления механизма привода в терминале StarLink. Она связана именно с необходимостью поворота антенны в сторону спутника, чтобы обеспечить оптималь­ный угол между плоскостью фазированной решетки 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:

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%

 

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.