Todo sobre el proyecto de Internet por satélite de Starlink. Parte 2. Red Starlink

Parte 1 ‣ Parte 2 Las naves espaciales Starlink



están especialmente diseñadas para el lanzamiento grupal con dos pilas de 30 satélites cada una debajo del carenado de un cohete Falcon 9 y tienen dimensiones: largo - 3.2 m, ancho - 1.6 m, alto - 0.2 m (estimación de tamaño hecha de la foto de abajo).





La foto muestra la colocación de satélites Starlink bajo el carenado de un cohete Falcon 9. Las antenas parabólicas para un enlace de alimentación con pasarelas de banda Ka están encerradas en un círculo rojo.





Los satélites Starlink en el momento de la separación de la segunda etapa del cohete Falcon 9. Las antenas parabólicas para una línea de comunicación de alimentación con pasarelas de banda Ka están marcadas con un círculo en azul.



Aquí puede ver un video de la separación de los satélites del cohete FALKON





Después de poner un grupo de satélites en una órbita de referencia (por regla general, son 280 km), los satélites abren las baterías solares, establecen contacto con el centro de control de tierra y realizan una verificación de operabilidad y ausencia de daños al separarse del cohete, luego activan los motores de cohetes eléctricos (ERE) en criptón y comienzan movimiento a la órbita de trabajo, que toma 2-3 meses.



En el lanzamiento, los paneles solares se pliegan como un acordeón y tienen 12 segmentos, donde el lado largo de cada segmento es igual al ancho del satélite (3,2 m)





Podemos estimar las dimensiones de cada segmento en 3 mx 0,8 m , por lo que el área total del panel solar es 12 x 3 x 0,8 = 28,8 m2.



Debido a las pérdidas entre las células solares y en los bordes (factor de relleno 0,9 ), este valor se puede redondear a 26 m2.



Tomemos la densidad de flujo de radiación solar como 1300 W / m2, la eficiencia del panel al 18% y obtenemos aproximadamente 6 kW de potencia eléctrica máxima (pico). (A modo de comparación, los satélites "Express" en la plataforma "Express -1000" que pesan 1450 kg tienen una capacidad de batería solar de aproximadamente 3 kW, pero tal vez este sea un valor promedio).



La potencia real depende de la posición de los paneles solares en relación con el Sol: la incidencia óptima de los rayos en el panel está en ángulo recto.



Para mover un satélite desde una órbita de referencia de 280 km a una órbita de trabajo de 550 km y mantenerlo en él, se utilizan propulsores de plasma o ERE. Si partimos de EJE para satélites pequeños como el ruso SPD-100 o el extranjero BHT-1500, entonces su consumo de energía es de aproximadamente 1,5 kW, y el empuje es de 100 mN, con un impulso específico de 1700-1800 segundos. El EJE se parece a esto (consulte la figura siguiente) y tiene unas dimensiones de aproximadamente 20x20x15 cm.





Los EJE tienen un suministro de criptón de aproximadamente 5-10 kg, que se envasa en globos de alta presión. Este margen permitirá elevar el satélite a una órbita circular de 550 km, mantener el satélite en él durante cinco años, y luego cambiar la órbita de circular a elíptica, cambiando el perigeo de 550 km a, digamos, 250 km, donde, debido a la desaceleración del resto de la atmósfera, el satélite es suficiente. desacelerar y quemar rápidamente.



La carga útil principal del satélite Starlink son 2 complejos de antenas para la comunicación con estaciones de pasarela (pasarelas) y con terminales de abonado.



El complejo de antenas para la comunicación con pasarelas (o línea de alimentación) son antenas parabólicas que apuntan durante el vuelo al punto de la Tierra donde se encuentra la pasarela. La línea de alimentación opera en la banda Ka (18/30 MHz).





Como se desprende de la tabla, el satélite tiene 2100 MHz a su disposición en la dirección de la estación de entrada al satélite y 1300 MHz en la dirección opuesta. Utilizando ambas opciones de polarización (izquierda y derecha en el caso de circular), esto permite utilizar un máximo de 4200 MHz desde la pasarela al satélite y 2600 MHz en la dirección opuesta para la transmisión del tráfico.



También a bordo hay 4 antenas cuadradas planas con una matriz en fase: tres para transmitir información desde el satélite al terminal de abonado y una para recibir una señal desde el terminal.





Figura: Vista de cuatro antenas cuadradas de arreglo en fase de banda Ku antes y después del recubrimiento para reducir la visibilidad desde el suelo.



La comunicación entre el terminal de abonado y el satélite se realiza en la banda Ku, mientras que 2000 MHz se pueden utilizar para la transmisión del satélite al abonado, y solo 500 MHz del abonado al satélite. Dadas las dos polarizaciones para la transmisión del tráfico, el satélite posiciona 4000 MHz hacia abajo y recibe a 1000 MHz.



También a bordo hay un conjunto de equipos para el radioenlace de comando y transmisión de telemetría, utilizando 150 MHz, respectivamente, en las bandas Ka y Ku.



El satélite Starlink es un repetidor y no procesa información: a bordo solo cambia la frecuencia de la señal recibida y su amplificación. Además, los satélites de la primera generación no tienen comunicación entre satélites (ISL - Inter Satellite Link) y solo pueden recibir y transmitir información a la Tierra. Como estación TT&C (comando, control, recepción de telemetría) se declaran 4 estaciones terrenas, incluido el telepuerto Brustner ubicado en el estado de Washington. El satélite Starlink está en la zona de visibilidad de la estación TT&C durante no más de cinco minutos, mientras que la cantidad de datos recopilados de la constelación fue de aproximadamente 5 TB por día en junio de 2020, es decir, al menos 10 GB de un satélite por día.



Cada satélite Starlink tiene alrededor de 70 procesadores Linux separados y alrededor de 10 microcontroladores a bordo.



Al estar en una órbita de 550 km, el satélite puede cubrir con su señal un punto de la Tierra con un radio de 950 km (es decir, con un diámetro de aproximadamente 1900 km), siempre que el ángulo de elevación del terminal de abonado no sea inferior a 25 °. Tenga en cuenta que el funcionamiento eficaz de antenas de red en fase plana es posible en un ángulo de elevación de 40 ° o más.





Figura: El radio del campo de visión del satélite en un ángulo de 25 grados, dependiendo de su altura.





Es fácil calcular cuántos satélites se necesitan para proporcionar una cobertura del 100% de la Tierra entre los 50 paralelos norte y sur, siempre que la señal del satélite cubra todo el campo de visión del satélite en la Tierra. La superficie de la Tierra entre los 50 paralelos norte y sur es de 300,4 millones de metros cuadrados. km (la superficie total del globo es 510 millones de kilómetros cuadrados). Dado que necesitamos una cobertura del 100% sin espacios, los círculos de la zona se superpondrán y se asegurará una cobertura del 100% si solo usamos los "cuadrados" en el círculo de la zona clara. El lado de dicho cuadrado es L = D / _√2



O, en nuestro caso, L = 1356 km, y el área cubierta por el cuadrado es 1,84 millones de kilómetros cuadrados. Entonces, ¿solo 164 satélites proporcionarán una cobertura del 100% de la Tierra entre 50 paralelos norte y sur?

Entonces, ¿por qué Space X 1584 AES?

Y aquí debemos hablar de un parámetro de cualquier sistema de antena como el patrón direccional de la antena.







El patrón de radiación de la antena es un parámetro de antena muy importante, y el criterio característico aquí es el ángulo en el que la potencia de la señal es 2 veces (y en DeciBels esto corresponde a 3 dB) más alta.





El ángulo del patrón de radiación de la antena depende de su diámetro (área), factor de utilización de superficie (UUF) y frecuencia de la señal. En este caso, la instrumentación está determinada por la distribución de la amplitud del campo sobre la superficie de trabajo de la antena, la fuga de energía más allá de los bordes del espejo de la antena y otras pérdidas. Además del lóbulo principal del patrón de radiación, la antena también tiene lóbulos laterales y un lóbulo posterior. Estos pétalos son secundarios y toman energía del pétalo principal del DN. Al diseñar antenas, el objetivo es aumentar la relación entre la energía del lóbulo principal y el primer lóbulo lateral (el más grande).



Cuanto mayor sea el diámetro (área) de la antena, menor será el ángulo del patrón de radiación y mayor será su ganancia (Cus).



Entonces, ¿cuáles son los patrones de antena de StarLink? Para un terminal de suscriptor en 2020 en documentos presentados ante la FCC, Space X publicó la siguiente tabla:





Si nos centramos en el diámetro mencionado anteriormente del punto del haz en el suelo a 45 km, esto corresponde al ángulo del patrón del haz del satélite (desde el espacio a la Tierra) a 4,5 grados (cuando se desvía de la línea del nadir, el ángulo aparentemente puede cambiar de 3 a 5 grados, cuanto más lejos de la línea del nadir, mayor es el ángulo), lo que se correlaciona bien con los parámetros de una antena plana de este tamaño.



La presentación inicial de SpaceX de 2016 indicó que el rayo tendría 45 km de diámetro. (página 80 del Apéndice A de la Parte técnica de la presentación de la FCC de SpaceX con fecha del 15 de noviembre de 2016).



Para evaluar y visualizar el área de cobertura de StarLink, suponga que el ángulo del patrón del haz de la antena en el satélite cambia de 3.5 grados (nadir) a 5.5 grados en el borde del área. Los cálculos del diámetro del área de cobertura muestran que el diámetro del haz correspondiente a un ángulo de haz de 3,5 grados directamente debajo del satélite será de 34 km. A medida que el haz se desvía de la línea del nadir, el ángulo del patrón de radiación aumenta: según los datos de SpaceX en la tabla anterior, será de 5,5 grados para el borde de la zona, mientras que el diámetro del área de cobertura de un haz en la Tierra aumenta y alcanza unos 210 km en la periferia de la zona de visibilidad. AES con un ángulo de inclinación de 25 grados. En base a esta geometría y las características de las antenas satelitales StarLink, la proyección de sus rayos sobre la Tierra se verá así:





Teóricamente, un satélite de esta forma puede tener hasta 300 haces de este tipo en su área de cobertura. Aquí hay una proyección (vista desde el lado del satélite) en la línea de visión, en la que los terminales de abonado ven el satélite en un ángulo de elevación de 25 grados.



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cantidad de haces que se organizarán en el satélite StarLink no se puede entender directamente a partir de los documentos de Space X; sin embargo, podemos determinar fácilmente el número máximo de haces que se pueden operar en la línea de visión de un satélite StaRLink utilizando el hecho que en la banda Ku es imposible usar más Megahercios para transmitir información desde el satélite al terminal de abonado que los que tenemos en la banda Ka para transmitir por la línea de alimentación desde la puerta de enlace al satélite - es decir, 4200 Megahercios en el caso de usar ambas polarizaciones.



Aquí hacemos la siguiente suposición de que el satélite StarLink pertenece al tipo de "tubería doblada", es decir, sin procesamiento de información a bordo (es decir, sin demodular la señal de radio en paquetes IP y reenviarlos), es decir, ya que todos los satélites de comunicación modernos de tamaños mucho mayores funcionan y vida útil Hasta ahora, no hay evidencia de que el satélite StarLink de primera generación pueda estar procesando datos.



Como se puede ver en la tabla de parámetros del terminal de abonado (ver sección Terminal de abonado StarLink) que el canal de satélite desde el satélite al terminal de abonado tiene un ancho máximo de 240 MHz en la dirección descendente y 60 Megahertz en la dirección ascendente del satélite. En tal configuración, que es óptima desde el punto de vista de la eficiencia de uso del recurso de frecuencia en el área de cobertura de un satélite, no podrán operar más de 16 haces, que utilizan completamente el recurso de frecuencia de 4000 MHz disponible en la banda Ku (teniendo en cuenta los intervalos de guarda y las frecuencias para el enlace de radio de comando y la transmisión de telemetría) utilizando ambas polarizaciones al transmitir desde el satélite al terminal de abonado.





Tenga en cuenta que se utiliza una antena parabólica para el haz de alimentación de banda Ka, que proporciona "elevación" del tráfico de Internet a bordo del satélite. Para garantizar el máximo rendimiento con una banda de frecuencia de banda Ka disponible fija, es necesario garantizar la máxima relación señal / ruido aumentando la potencia de la señal del satélite, y para ello es necesario minimizar el área de cobertura en la Tierra tanto como sea posible; en los sistemas modernos, trabajando con satélites HTS, su diámetro es de unos 100 kilómetros. Teniendo en cuenta que los satélites StarLink se encuentran a una altitud mucho menor que los satélites geoestacionarios, el diámetro de la zona del haz alimentador puede ser incluso menor. Una ventaja adicional del punto estrecho de banda Ka es que la señal del satélite no interfiere con otros sistemas de banda Ka en la Tierra.



El control de la desviación del haz desde el nadir en el área de cobertura será una antena en fase del satélite, que puede desviar el haz en cualquier dirección (haz orientable) e incluso cambiar su forma (modelable) según la aplicación Space X a la FCC.



A una altitud de 550 km, el satélite se mueve a tal velocidad que el tiempo de su vuelo en la zona de visibilidad de la Terminal de Suscriptores es de 4.1 minutos, o aproximadamente 250 segundos. Si el sistema StarLink implementa la ideología del tiempo máximo de sesión del satélite con un grupo de terminales ubicados en la misma zona y el número mínimo de traspaso del terminal a diferentes, entonces esto se ilustra en la siguiente figura, en la que el satélite controla su haz instalándolo en un grupo de terminales en un área geográfica.





Otra opción supone que el haz del satélite está fijo en alguna posición (ángulo de inclinación) a la Tierra y la tarea de la antena del terminal de abonado es "entrar" en este haz. Esta opción requiere una gran cantidad de satélites, teniendo en cuenta que el patrón de radiación de la antena del terminal de abonado también es pequeño.



La pequeña cantidad de haces a bordo del satélite dificulta que Space X cubra el 100% del territorio y da una respuesta a la pregunta de por qué Space X se ve obligado a lanzar tantos satélites. Aún más interesante, estos mismos cálculos dan la respuesta por qué Space X se ve obligada a reducir el ángulo de elevación mínimo de 40 grados a 25 grados, a pesar de que esto reduce drásticamente la eficiencia de su antena de matriz de fase.



El diámetro de la zona de visibilidad AES con un ángulo de elevación de hasta 25 grados a una altura AES de 550 km es de aproximadamente 1900 km, el área de esta zona es 2835 294 km cuadrados



La siguiente tabla calcula el número de haces de satélite necesarios para cubrir completamente el área visible desde el satélite en la superficie de la Tierra en dentro de un ángulo de elevación superior a 25 grados. El diámetro de la antena del terminal de abonado se toma como 48 cm.





Obviamente, desde el punto de vista de cubrir el área máxima, es más eficiente trabajar con haces dirigidos desde el satélite no al nadir (punto sub-satélite), sino a la periferia de la zona de visibilidad, a pesar de que allí el área efectiva de la antena (y por lo tanto su rendimiento) disminuye drásticamente. ...



Ahora también es posible estimar el número de haces y, por lo tanto, el número de satélites necesarios para una cobertura del 100% de cualquier paralelo, por ejemplo, el paralelo 50 de latitud norte (su longitud es de 25740 km, donde actualmente se están



realizando pruebas beta cerradas. A un ángulo de elevación de poco menos de 40 grados y el diámetro del haz de 160 km, el ancho garantizado del área de cobertura (el ancho es igual al lado del cuadrado inscrito en el círculo del haz) es de 113,5 km y corresponde a 227 satélites visibles desde el paralelo 50 en toda su longitud alrededor de la Tierra.



El área de la superficie terrestre entre 53 paralelos es de 300,4 millones de km. Si tomamos el área de cobertura efectiva de 1 haz como 113.5 por 113.5 = 12876 kilómetros cuadrados, entonces el número requerido de haces será 23330, y si hay 16 haces en un satélite, necesitamos al menos 1458 satélites para una cobertura completa, lo cual es muy cerca de 1584 anunciado por Space X para la primera fase del despliegue de StarLink.



También queda claro que la razón de la aparición del mecanismo de accionamiento en el terminal StarLink está relacionada precisamente con la necesidad de girar la antena hacia el satélite para proporcionar un ángulo más o menos decente entre el plano en fase y la dirección del satélite en pequeños ángulos de elevación del terminal (idealmente 90 grados).





La coordinación y el control generales de toda la red de satélites, pasarelas y terminales de abonados los lleva a cabo el Centro de operaciones de red; esta es la parte más desconocida, invisible y no revelada del sistema Starlink.



La vida útil del satélite Starlink en una órbita de 550 km es de aproximadamente 5 años, después de los cuales finaliza el suministro del fluido de trabajo de criptón, y el satélite, a la orden, baja su órbita a capas densas de la atmósfera o, en caso de pérdida de comunicación con la Tierra, disminuye gradualmente, desacelerado por los remanentes de la atmósfera. y se quema (se escribirá más sobre esto en la sección sobre desechos espaciales).



Los satélites Starlink se están produciendo por primera vez en el mundo en modo de producción casi a gran escala. Según SpaceX, su capacidad de producción es capaz de producir hasta 120 satélites Starlink por mes. Tenga en cuenta que el tiempo medio de producción de un satélite de comunicaciones para una órbita geoestacionaria es ahora de 2-3 años.



Sin lugar a dudas, tal tasa de producción reduce en gran medida el ciclo de prueba e inspección, y también observamos que para ahorrar dinero en el satélite, se utilizan componentes y componentes más baratos, en particular, el xenón costoso se reemplaza por un criptón mucho más barato como el fluido de trabajo del EP.



Así, la reducción de los requisitos de componentes y del ciclo de pruebas en tierra se refleja tanto en el recurso como en la fiabilidad de los satélites, cuyo diseño se está finalizando en base a los resultados de las pruebas en el espacio.



El 13 de septiembre de 2020) la confiabilidad de los satélites Starlink se caracterizó por la siguiente tabla:





El 1 de octubre de 2020, Space X publicó nueva información, presentando los conceptos de "Muerto" - pérdida de comunicación con el satélite, y "no maniobrable" - falla del control remoto. Así es como se veía el estado de la constelación de satélites StarLink el 1 de octubre.





A continuación, hablaremos sobre el elemento más complejo e importante de la red Starlink: el complejo terrestre.