Tudo sobre o projeto Starlink Satellite Internet. Parte 2. Rede Starlink

Parte 1 ‣ Parte 2 As



naves espaciais Starlink são especialmente projetadas para lançamento em grupo com duas pilhas de 30 satélites cada uma sob a carenagem de um foguete Falcon 9 e têm dimensões: comprimento - 3,2 m, largura - 1,6 m, altura - 0,2 m (estimativa de tamanho feita da foto abaixo).





A foto mostra a colocação de satélites Starlink sob a carenagem de um foguete Falcon 9. As antenas parabólicas para um link de alimentação com gateways de banda Ka estão circuladas em vermelho.





Satélites Starlink no momento da separação do segundo estágio do foguete Falcon 9. Antenas parabólicas para uma linha de alimentação com gateways de banda Ka estão circuladas em azul.



Aqui você pode assistir a um vídeo da separação de satélites do foguete FALKON





Depois de colocar um grupo de satélites em uma órbita de referência (como regra, é 280 km), os satélites abrem as baterias solares, estabelecem contato com o centro de controle de solo e conduzem uma verificação de operabilidade e ausência de danos ao se separarem do foguete, então eles ativam motores elétricos de foguete (ERE) no criptônio e iniciam movimento para a órbita de trabalho, que leva 2-3 meses.



No lançamento, os painéis solares são dobrados como uma sanfona e possuem 12 segmentos, onde o lado comprido de cada segmento é igual à largura do satélite (3,2 m)





Podemos estimar as dimensões de cada segmento em 3 mx 0,8 m. Assim, a área total do painel solar é 12 x 3 x 0,8 = 28,8 m2.



Devido às perdas entre as células solares e nas bordas (fator de preenchimento 0,9 ), este valor pode ser arredondado para até 26 m2.



Vamos tomar a densidade do fluxo de radiação solar como 1300 W / m2, a eficiência do painel em 18%, e obteremos aproximadamente 6 kW de potência elétrica máxima (pico). (Para efeito de comparação, os satélites "Express" na plataforma "Express -1000" pesando 1450 kg têm uma capacidade de bateria solar de cerca de 3 kW, mas talvez este seja um valor médio).



A potência real depende da posição dos painéis solares em relação ao Sol: a incidência ideal de raios no painel está em um ângulo reto.



Para mover um satélite de uma órbita de referência de 280 km para uma órbita de trabalho de 550 km e mantê-lo nela, são usados ​​propulsores de plasma ou ERE. Se começarmos com EJE para pequenos satélites como o russo SPD-100 ou estrangeiro BHT-1500, então seu consumo de energia será de aproximadamente 1,5 kW e o empuxo será de 100 mN, com um impulso específico de 1700-1800 segundos. O EJE se parece com algo assim (veja a figura abaixo) e tem dimensões de aproximadamente 20x20x15 cm.





Os EJEs têm um suprimento de criptônio de aproximadamente 5-10 kg, que é colocado em balões de alta pressão. Essa margem permitirá elevar o satélite a uma órbita circular de 550 km, mantê-lo nela por cinco anos e depois mudar a órbita de circular para elíptica, mudando o perigeu de 550 km para, digamos, 250 km, onde, devido à desaceleração do resto da atmosfera, o satélite é suficiente desacelerar rapidamente e queimar.



A carga útil principal do satélite Starlink é de 2 complexos de antenas para comunicação com estações de gateway (gateways) e terminais de assinantes.



O complexo de antenas para comunicação com gateways (ou linha de alimentação) são antenas parabólicas apontadas durante o vôo para o ponto da Terra onde o gateway está localizado. A linha alimentadora opera na banda Ka (18/30 MHz).





Como se segue da tabela, o satélite tem 2100 MHz na direção da estação de gateway para o satélite e 1300 MHz na direção oposta. Usando ambas as opções de polarização (esquerda e direita no caso de circular), isso permite um máximo de 4200 MHz do gateway para o satélite e 2600 MHz na direção oposta para serem usados ​​para transmissão de tráfego.



Também a bordo estão 4 antenas planas quadradas com um phased array - três para transmitir informações do satélite para o terminal de assinante e uma para receber um sinal do terminal.





Figura: Vista de quatro antenas quadradas phased array de banda Ku antes e depois do revestimento para reduzir a visibilidade do solo.



A comunicação entre o terminal de assinante e o satélite é realizada na banda Ku, enquanto 2.000 MHz podem ser usados ​​para transmissão do satélite para o assinante e apenas 500 MHz do assinante para o satélite. Dadas as duas polarizações para transmissão de tráfego, o satélite posiciona 4000 MHz para baixo e recebe em 1000 MHz.



Também a bordo está instalado um conjunto de equipamentos para link de rádio de comando e transmissão de telemetria, utilizando 150 MHz, respectivamente, nas bandas Ka e Ku.



O satélite Starlink é um repetidor e não processa informações: a bordo apenas altera a freqüência do sinal recebido e sua amplificação. Além disso, os satélites de primeira geração não possuem comunicação inter-satélite (ISL - Inter Satellite Link) e só podem receber e transmitir informações para a Terra. Como uma estação TT&C (comando, controle, recepção de telemetria) 4 estações terrestres são declaradas, incluindo o teletransporte Brustner localizado no estado de Washington. O satélite Starlink fica na zona de visibilidade da estação TT&C por não mais que cinco minutos, enquanto a quantidade de dados coletados da constelação era de cerca de 5 TB por dia em junho de 2020, ou seja, pelo menos 10 GB de um satélite por dia.



Cada satélite Starlink tem cerca de 70 processadores Linux separados e cerca de 10 microcontroladores a bordo.



Estando em uma órbita de 550 km, o satélite pode cobrir com seu sinal um ponto na Terra com raio de 950 km (ou seja, com diâmetro de aproximadamente 1900 km), desde que o ângulo de elevação do terminal de assinante não seja inferior a 25 °. Observe que a operação efetiva de antenas flat phased array é possível em um ângulo de elevação de 40 ° ou mais.





Figura: O raio da zona de visibilidade do satélite em um ângulo de 25 graus, dependendo de sua altura.





É fácil calcular quantos satélites são necessários para fornecer 100% de cobertura da Terra entre os paralelos norte e sul 50, desde que o sinal do satélite cubra todo o campo de visão do satélite na Terra. A área da superfície da Terra entre os paralelos norte e sul 50 é de 300,4 milhões de metros quadrados. km (toda a superfície do globo é 510 milhões de quilômetros quadrados). Visto que queremos uma cobertura de 100% sem lacunas, os círculos da zona se sobreporão e a cobertura de 100% será garantida se usarmos apenas os “quadrados” no círculo da zona clara. O lado desse quadrado é L = D / _√2



Ou, em nosso caso, L = 1356 km, e a área coberta pelo quadrado é 1,84 milhão de quilômetros quadrados. Assim, apenas 164 satélites fornecerão 100% de cobertura da Terra entre 50 paralelos norte e sul?

Então, por que o Space X 1584 é AES?

E aqui devemos falar sobre um parâmetro de qualquer sistema de antena como o padrão direcional da antena.







O padrão de radiação da antena é um parâmetro muito importante da antena, e o critério característico aqui é o ângulo em que a potência do sinal é 2 vezes (e em DeciBels isso corresponde a 3 dB) mais alta.





O ângulo do padrão de radiação da antena depende de seu diâmetro (área), fator de utilização de superfície (UUF) e frequência do sinal. Nesse caso, a instrumentação é determinada pela distribuição da amplitude do campo sobre a superfície de trabalho da antena, vazamento de energia além das bordas do espelho da antena e outras perdas. Além do lóbulo principal do padrão de radiação, a antena também possui lóbulos laterais e um lóbulo posterior. Essas pétalas são secundárias e retiram energia da pétala principal do DN. Ao projetar antenas, o objetivo é aumentar a proporção da energia do lóbulo principal para o primeiro (maior) lóbulo lateral.



Quanto maior o diâmetro (área) da antena, menor o ângulo do padrão de radiação e maior o seu ganho (Cus).



Então, quais são os padrões da antena StarLink? Para um terminal de assinante em 2020 em documentos protocolados na FCC, o Space X publicou a seguinte tabela:





Se nos concentrarmos no diâmetro acima mencionado do ponto do feixe no solo a 45 km, então isso corresponde ao ângulo do padrão do feixe do satélite (do espaço para a Terra) em 4,5 graus (ao se desviar da linha do nadir, o ângulo pode aparentemente mudar de 3 a 5 graus, quanto mais longe da linha do nadir, maior o ângulo), o que se correlaciona bem com os parâmetros de uma antena plana deste tamanho.



O depósito inicial da SpaceX de 2016 indicou que o feixe teria 45 km de diâmetro. (página 80 do Apêndice A da Parte Técnica do arquivo FCC da SpaceX datado de 15 de novembro de 2016).



Para avaliar e visualizar a área de cobertura do StarLink, suponha que o ângulo do padrão do feixe da antena no satélite mude de 3,5 graus (nadir) para 5,5 graus na borda da área. Os cálculos do diâmetro da área de cobertura mostram que o diâmetro do feixe correspondente a um ângulo de feixe de 3,5 graus diretamente abaixo do satélite será de 34 km. À medida que o feixe se desvia da linha do nadir, o ângulo do padrão de radiação aumenta: de acordo com os dados da SpaceX na tabela acima, será de 5,5 graus para a borda da zona, enquanto o diâmetro da área de cobertura de um feixe na Terra aumenta e atinge cerca de 210 km na periferia da zona de visibilidade AES com ângulo de inclinação de 25 graus. Com base nessa geometria e nas características das antenas do satélite StarLink, a projeção de seus raios na Terra ficará assim:





Um satélite dessa forma pode teoricamente ter até 300 desses feixes em sua área de cobertura. Aqui está uma projeção (vista do lado do satélite) na linha de visão, na qual os terminais de assinantes veem o satélite em um ângulo de elevação de 25 graus.



<img src = " " align = "center">

Quantos feixes serão organizados no satélite StarLink não podem ser entendidos diretamente a partir dos documentos do Space X, no entanto, podemos facilmente determinar o número máximo de feixes que podem funcionar na linha de visão de um satélite StaRLink usando o fato que na banda Ku é impossível usar mais Megahertz para transmitir informações do satélite para o terminal de assinante do que temos na banda Ka para transmissão pela linha de alimentação do gateway para o satélite - ou seja, 4200 Megahertz no caso de usar ambas as polarizações.



Aqui fazemos a seguinte suposição de que o satélite StarLink pertence ao tipo "tubo curvo", isto é, sem processamento de informações a bordo (ou seja, sem demodular o sinal de rádio em pacotes IP e encaminhá-los), ou seja, uma vez que todos os satélites de comunicação modernos de tamanhos muito maiores funcionam e vida útil Até agora, não há informações de que o processamento de dados no satélite StarLink de primeira geração possa ser.



Como pode ser visto na tabela de parâmetros do terminal de assinante (consulte a seção Terminal de Assinante StarLink), o canal do satélite para o terminal de assinante tem uma largura máxima de 240 MHz na direção descendente e 60 Megahertz na direção ascendente para o satélite. Em tal configuração, que é ótima do ponto de vista da eficiência do uso do recurso de frequência na área de cobertura de um satélite, não mais do que 16 feixes poderão operar, os quais usam totalmente o recurso de frequência de 4000 MHz disponível na banda Ku (levando em consideração os intervalos de guarda e frequências para o enlace de rádio de comando e transmissão de telemetria) em usando ambas as polarizações ao transmitir do satélite para o terminal de assinante.





Observe que uma antena parabólica é usada para o feixe alimentador da banda Ka, que fornece "elevação" do tráfego da Internet a bordo do satélite. A fim de garantir a máxima taxa de transferência com uma banda de frequência de banda Ka disponível fixa, é necessário garantir a relação sinal-ruído máxima, aumentando a potência do sinal do satélite, e para isso é necessário estreitar a área de cobertura na Terra tanto quanto possível - em sistemas modernos, trabalhando com satélites HTS, seu diâmetro é de cerca de 100 quilômetros. Considerando que os satélites StarLink estão em uma altitude muito menor do que os satélites geoestacionários, o diâmetro da zona do feixe alimentador pode ser ainda menor. Uma vantagem adicional do ponto estreito da banda Ka é que o sinal do satélite não interfere com outros sistemas da banda Ka na Terra.



O controle do desvio do feixe do nadir na área de cobertura será uma antena em fase do satélite, que pode desviar o feixe em qualquer direção (feixe orientável) e até mesmo mudar sua forma (modelável) de acordo com o aplicativo do Space X para o FCC.



A uma altitude de 550 km, o satélite se move a uma velocidade tal que o tempo de seu vôo na zona de visibilidade do Terminal de Assinante é de 4,1 minutos, ou aproximadamente 250 segundos. Se o sistema StarLink implementa a ideologia do tempo máximo de sessão do satélite com um grupo de terminais localizados na mesma área e o número mínimo de handover do terminal para outros diferentes, então isso é ilustrado pela figura a seguir, na qual o satélite controla seu feixe instalando-o em um grupo de terminais em uma área geográfica.





Outra opção assume que o feixe do satélite está fixado em alguma posição (ângulo de inclinação) em relação à Terra e a tarefa da antena do terminal do assinante é "entrar" nesse feixe. Esta opção requer um número muito grande de satélites, levando em consideração que o padrão de radiação da antena do terminal de assinante também é pequeno.



O pequeno número de feixes a bordo do satélite torna difícil para o Espaço X cobrir 100% do território e dá uma resposta à pergunta de por que o Espaço X é forçado a lançar tantos satélites. Ainda mais interessante, esses mesmos cálculos fornecem a resposta por que o Espaço X é forçado a reduzir o ângulo mínimo de elevação de 40 graus para 25 graus, apesar do fato de que isso reduz drasticamente a eficiência de sua antena de matriz de fase.



O diâmetro da zona de visibilidade AES com um ângulo de elevação de até 25 graus a uma altura AES de 550 km é de aproximadamente 1900 km, a área desta zona é 2 835 294 km2.



A tabela abaixo calcula o número de feixes de satélite necessários para cobrir totalmente a área visível do satélite na superfície da Terra em dentro de um ângulo de elevação superior a 25 graus. O diâmetro da antena do terminal de assinante é de 48 cm.





Obviamente, do ponto de vista da cobertura da área máxima, é mais eficiente trabalhar com feixes direcionados do satélite não para o nadir (ponto sub-satélite), mas para a periferia da zona de visibilidade, apesar do fato de que lá a área efetiva da antena (e, portanto, seu rendimento) diminui drasticamente ...



Também agora é possível estimar o número de feixes e, portanto, o número de satélites necessários para 100% de cobertura de qualquer paralelo, por exemplo, o 50º paralelo de latitude norte (seu comprimento é 25740 km, onde o teste beta fechado está



ocorrendo atualmente. Em um ângulo de elevação ligeiramente inferior a 40 graus e um feixe de diâmetro de 160 km, a largura garantida da área de cobertura (a largura é igual ao lado do quadrado inscrito no círculo do feixe) é 113,5 km e corresponde a 227 satélites visíveis do 50º paralelo ao longo de todo o seu comprimento ao redor da Terra.



A área da superfície terrestre entre os paralelos 53 é de 300,4 milhões de km. Se tomarmos a área de cobertura efetiva de 1 feixe como 113,5 por 113,5 = 12.876 km2, então o número necessário de feixes será 23330, e se houver 16 feixes em um satélite, precisamos de pelo menos 1458 satélites para cobertura total, o que é muito perto de 1584 anunciado pelo Space X para a primeira fase de implantação do StarLink.



Também fica claro que a razão para o aparecimento do mecanismo de acionamento no terminal StarLink está conectado precisamente com a necessidade de girar a antena em direção ao satélite, a fim de fornecer um ângulo mais ou menos decente entre o plano de fase e a direção para o satélite em pequenos ângulos de elevação do terminal (idealmente 90 graus).





A coordenação e gestão geral de toda a rede de satélites, gateways e terminais de assinantes é realizada pelo Centro de Operações de Rede - esta é a parte mais desconhecida, invisível e não divulgada do sistema Starlink.



A vida útil do satélite Starlink em uma órbita de 550 km é de cerca de 5 anos, após os quais o fornecimento do meio de trabalho de criptônio termina, e o satélite ou sob comando abaixa sua órbita para camadas densas da atmosfera, ou, em caso de perda de comunicação com a Terra, diminui gradualmente, desacelerado pelos remanescentes da atmosfera. e queima (mais sobre isso será escrito na seção sobre detritos espaciais).



Os satélites Starlink estão sendo produzidos pela primeira vez no mundo em modo de produção quase em grande escala. De acordo com a SpaceX, sua capacidade de produção é capaz de produzir até 120 satélites Starlink por mês. Observe que o tempo médio de produção de um satélite de comunicação para uma órbita geoestacionária é agora de 2-3 anos.



Sem dúvida, tal taxa de produção reduz bastante o ciclo de teste e inspeção, e também observamos que, para economizar dinheiro no satélite, são usados ​​componentes e componentes mais baratos, em particular, o xenônio caro é substituído por um criptônio muito mais barato como fluido de trabalho do EP.



Assim, uma diminuição dos requisitos de componentes e do ciclo de teste de solo se reflete tanto no recurso quanto na confiabilidade dos satélites, cujo projeto está sendo finalizado com base nos resultados dos testes no espaço.



Em 13 de setembro de 2020) a confiabilidade dos satélites Starlink foi caracterizada pela seguinte tabela:





Em 1º de outubro de 2020, o Space X publicou novas informações, apresentando os conceitos de “Dead” - perda de comunicação com o satélite, e “não manobrável” - falha do controle remoto. Este é o estado da constelação de satélites StarLink em 1º de outubro.





A seguir, falaremos sobre o elemento mais complexo e mais importante da rede Starlink - o complexo terrestre.