SpaceX

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 два-три 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 сегментов

Мы можем оценить размеры каждого сегмента в 3 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: оптимальное 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.

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 два 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 находится гейтвей. Фидерная линия работает в Ка-диапазоне (18/30 ГГц).

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 четыре 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 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) 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 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.

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 четыре 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.

Мини-зоны покрытия спутников Starlink с переиспользованием частот

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 происходить не один раз в пять минут, а минимум в четыре 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:

Технические параметры сети Starlink (из заявки, поданной в FCC 2020 году)

При этом угол диаграммы направленности луча спутника (из космоса на Землю) меняется от 3,5° до 5,5°, 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 два раза (соответствует 3 дБ) выше.

Чем меньше угол диаграммы направленности, тем больше энергии излучается на рабочей частоте и меньше уходит в "боковые" лепестки

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°, 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°, 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°. Исходя из такой геометрии и особенностей антенн спутника Starlink, проекция его лучей на Землю будет выглядеть так:

Проекция 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 (со стороны спутника) на зону видимости, в которой абонентские терминалы видят спутник под углом места 25°.

Проекция со стороны спутника Starlink на зону видимости: абонентские терминалы видят спутник под углом места 25°

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 указала, что в ее 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 заявках о наличии "каналов" и их количестве SpaceX не упоминает.

Федерный и сервисные лучи спутника Starlink

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 км. 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, 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 пять 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 крупносерийного 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 два-три 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 г.) надежность спутников Starlink характеризует следующая таблица:

Но сложнейшим и важнейшим элементом сети Starlink является все-таки наземный комплекс.

Центр управления сетью

Центр управления сетью (ЦУС) обеспечивает управление всей сетью спутниковой связи, координацию работы шлюзовых и абонентских станций, задание единого времени в сети, выделение частотных слотов на спутниках для работы (передачи данных) шлюзовых и абонентских станций, ведение биллинга, сбора данных о переданной и полученной информации, сбор данных о состоянии системы.

Учитывая критическую важность ЦУС, в сети, как правило, предусматривается основной ЦУС и резервный ЦУС, работающий в состоянии горячего резерва.

Оборудование Центра управления сетью для спутниковой сети на геостационарной орбите компании Hughes Network Systems (США)

По сути, ЦУС – это набор серверов, соединенных оптико-волоконными линиями связи с шлюзовыми станциями. Связь ЦУС и гейтвеев по оптическим каналам очень важна, так как обеспечивает передачу пакетов информации ЦУС на гейтвей с постоянной задержкой, что позволяет эффективно управлять процессом передачи информации на спутник и, самое главное, процессом переключения спутника с одного гейтвея на другой, а терминала – между спутниками. Использование любых систем связи, например сотовой или беспроводной, если в них есть протоколы, допускающие плавающую задержку, тут недопустимы.

Согласно заявлению Илона Маска, в сети будет использоваться собственный проприетарный протокол, который будет проще чем ip6 и иметь небольшой размер заголовков: "Will be simpler than IPv6 and have tiny packet overhead. It’s also "definitely" going to be a peer-to-peer connection". Также в сети будет использоваться сквозное шифрование трафика.

Более о ЦУС сети Starlink сейчас практически ничего неизвестно.

Шлюзовые станции (гейтвеи)

Шлюзовые станции (гейтвеи) обеспечивают передачу информации из сети интернет через спутник на абонентские терминалы. Таким образом, в отсутствие межспутниковой связи для функционирования абонентского терминала необходимо, чтобы в зоне покрытия сигнала спутника, через который работает в данный момент абонентский терминал, находился как минимум один гейтвей. Один гейтвей может работать с сотнями и тысячами абонентских терминалов. Типовой гейтвей сети Starlink имеет восемь антенн, каждая из которых может передавать информацию на "свой" спутник.

Поэтому под гейтвеем в рамках сети Starlink надо понимать совокупность отдельных антенных постов, расположенных в одном месте и работающих в Ка-диапазоне. Обычно в гейтвее находятся и абонентские терминалы, служащие для контрольных целей: они проверяют, на каких модуляциях в данных погодных условиях работает сеть в данном районе.

Под радомом (так называется радиопрозрачный колпак) находится что-то похожее на такую антенну:

Примерный вид антенны под радомом (радиопрозрачным колпаком)

Гейтвей должен иметь гарантированное энергообеспечение и подключение к магистральным каналам сети интернет (backbone). При этом точкой входа абонента в сеть интернет будут не ближайший к гейтвею узел какого-либо местного провайдера, а только собственные сервера SpaceX, на которых будет стоять система биллинга, управления трафиком клиента и оборудование СОРМ (Система оперативно-разыскных мероприятий, американское название аналогичного закона об обязанности телеком-оператора дать полиции возможность просматривать трафик – Communications Assistance for Law Enforcement Act, сокращенно CALEA).

Так как требования к серверам для указанных выше сервисов весьма высоки, скорее всего, у Starlink будет четыре-пять точек входа в интернет на территории США на самых известных узлах по обмену трафиком (IX) между интернет-провайдерами. Кстати, это добавит несколько миллисекунд, а может и пару десятков миллисекунд, к общей задержке в сети.

В данный момент Starlink использует на гейтвеях параболические антенны диаметром 1,5 м в радомах собственного производства и с передатчиком мощностью 50 Вт. Особенностью параболических антенн является то, что они, в отличие от антенн с фазированной решеткой, могут работать при малых углах места (в заявке SpaceX указано, что до 5°). В совокупности с тем, что антенны на спутнике для связи с гейтвеем тоже параболические и имеют возможность отклоняться в нужном направлении, это позволяет существенно расширить рабочую зону передачи информации от гейтвея на спутник.

Карта размещения гейтвеев Starlink в США с указанием их теоретической зоны покрытия при угле места 5-10°

Одна из проблем, с которой сталкивается SpaceX при развертывании сети гейтвеев в США, – то, что в США часть Ка-диапазона закреплена за сервисом UMFUS. Последняя аббревиатура – это общее понятие, которым FCC обозначает инновационные услуги фиксированной или подвижной связи, а также интернета вещей (IoT), использующих полосу частот 27,5-28,35 ГГц в Ка-диапазоне. Услуги (или сети), которые могут предоставлять лицензиаты UMFUS, относятся только к технологиям фиксированной и наземной сотовой связи, а также фиксированной спутниковой службы, то есть подвижная спутниковая связь (такая как Starlink) к ним не относится. Поэтому SpaceX должна искать в США районы с очень низкой плотностью населения – не более 450 человек в зоне, где плотность излучения (PFD) от антенн спутниковой связи гейтвея Starlink составляет некий фиксированный предел Х (-77.6 dBm/m2/MHz): там, по мнению FCC, система Starlink не сможет помешать сервисам UMFUS.

Учитывая, что для гейтвеев желателен открытый вид на небо и возможность работы по всем 360° и с минимальными углами места, это условие существенно усложняет процесс поиска подходящего места для гейтвея.

Гейтвеи имеют в своем составе модуляторы и демодуляторы, которые обеспечивают преобразование модулированного радиосигнала в цифровой поток данных и выдачу его в наземную сеть.

Как указывалось выше, единое время и фиксированная задержка в прохождении пакета между ЦУС и гейтвеем играет абсолютно критичную роль в системе Starlink, поэтому размещение гейтвеев на движущихся, даже с минимальной скоростью, объектах (например, плавучих платформах в океане) может быть трудно решаемой задачей.

На данный момент информации о размещении гейтвеев Starlink вне континентальной территории США не имеется.

Абонентский терминал

Абонентский терминал – это индивидуальная станция, устанавливаемая на стационарном объекте (доме) и рассчитанная на обслуживание одного абонента (аккаунта). То есть пользоваться интернетом, который раздается по Wi-Fi, могут все проживающие в доме, но это будет один счет в биллинге. И вероятность того, что SpaceX организует в ближайшее время групповой доступ или несколько аккаунтов на один терминал, я оцениваю как очень низкую.

Технические параметры терминала практически неизвестны. Однако в одном из писем SpaceX приведена вот такая таблица:

Предположительные технические параметры терминала Starlink

Данные по модуляции, особенно на линии "космос – Земля", приведены, скорее всего, с оптимизмом, а вот данные по диаграмме направленности антенны (особенно установленной на спутнике) весьма полезны для понимания, как будет работать сеть Starlink.

Абонентский терминал состоит из двух частей. Антенна диаметром 47 см с фазированной решеткой, которая устанавливается вне дома так, чтобы иметь максимально открытый вид на небо по всем 360°:

Наружная антенна диаметром 47 см с фазированной решеткой абонентского терминала Starlink

Антенна соединяется с блоком питания по кабелю с разъемом Ethernet, который одновременно служит и кабелем питания (технология РоЕ, power over Ethernet).

В доме располагается Wi-Fi-роутер и блок питания.

Первый показ терминала из дома сотрудницы

Вот как будет выглядеть шильдик на роутере

Роутер в руке сотрудника SpaceX, на заднем фоне – антенна (выглядит как белый круглый стол на одной черной ножке).

Так как внешний вид роутера является секретной информацией, то фотографий лучшего качества я представить не могу.

Роутеры производятся на Тайване, а антенны – в США, силами самой SpaceХ.

Еще одним элементом комплекта терминала будет блок питания, обеспечивающий и роутер, и антенну.

Несмотря на известнейший твит Илона Маска про Plug and Play:

– это весьма далеко от истины. До того как "plug" в розетку вилку кабеля блока питания и начать "play", придется заняться интересным мероприятием – монтажом антенны.

Нет 100%-ной уверенности, что поколение Z, привыкшее к айфонам, так легко справится с таким монтажом, когда на конек крыши надо будет затащить и закрепить вот такую конструкцию:

Easy Up EZ PNP Peak - непроникающее крепление антенны Starlink на крыше

Самое сложное во время монтажа – не повредить имеющуюся на крыше гидроизоляцию и обеспечить ее в месте, где кабель попадет в дом.

В случае монтажа в саду или на лужайке (если владельцу дома повезло, и она не затеняется деревьями), опора ставится просто на землю и приваливается грузами (50 фунтов = 20 кг), обычно это мешки с песком (либо бордюрный камень и т.п.). Но тут появляется другая сложность – надо проложить кабель так, чтобы не спотыкаться об него и не разрезать его газонокосилкой.

В общем, по оценке автора, не менее 50% потенциальных абонентов решат прибегнуть к услугам профессионального инсталлятора или строителя, чтобы сэкономить свое время и деньги на будущем ремонте дома.

Сказать о внутреннем устройстве антенны нечего, ибо это корпоративный секрет SpaceX (по крайней мере, до тех пор, пока какой-нибудь терминал не украдут и не вскроют тайные поклонники таланта инженеров SpaceX).

Самым неожиданным в конструкции антенны является наличие электропривода. Судя по конструкции, антенна будет вращаться в горизонтальной плоскости на 360° и отклоняться на 50-60° в вертикальной плоскости. Данное решение (введение электропривода в конструкцию) является весьма спорным, так как любой вращающийся узел – это причина возможных отказов, особенно с учетом самых разнообразных климатических условий, когда антенна может покрываться ледяной коркой, в щели может попадать пыль, песок и т.п.

Судя по всему, ввод электропривода в конструкцию сделан для того, чтобы уйти от необходимости работы при малых углах места – наклон антенны в сторону "рабочего" в данный момент спутника увеличивает эффективную площадь антенны (см. формулу ее расчета ниже) и, соответственно, скорость передачи и приема информации.

Эффективная площадь антенны = sin (угол места) * геометрическая площадь.

То есть при угле места 25° эффективная площадь антенны составляет всего 42% от ее геометрической площади. На данный момент существует точка зрения, что антенна терминала будет поворачиваться только в момент первого включения, однако автор не разделяет эту точку зрения и полагает, что электропривод будет работать практически постоянно, помогая антенне иметь больший угол места в направлении ближайшего спутника. Создание терминала с фазированной решеткой не является сложной технической проблемой, однако главный вызов несет скорее технология. Дело в том, что современные абонентские терминалы для связи с геостационарными спутниками с параболической антенной имеют себестоимость в районе $250 и по принятой в США модели не продаются абоненту, а предоставляются ему на два-три года в составе услуги. В начале проекта Starlink Илон Маск указывал, что $300 – это и есть целевая себестоимость терминала. В то же время современные антенны с фазированной решеткой у других производителей, например Kymeta, стоят в пределах $20-25 тысяч. Поэтому перед технологами SpaceX стоит очень сложная задача – снизить себестоимость абонентского терминала хотя бы до $1000, чтобы бизнес-кейс сошелся в ближайшее время.

В следующем публикации рассмотрим состояние группировки Starlink и ее тестирование.

Автор:

Сергей Пехтерев,

к.т.н., акционер ГК AltegroSky