Segala sesuatu tentang proyek Internet Starlink Satellite. Bagian 2. Jaringan Starlink

Bagian 1 ‣ Bagian 2 Pesawat ruang angkasa Starlink



dirancang khusus untuk peluncuran grup dengan dua tumpukan masing-masing 30 satelit di bawah fairing roket Falcon 9 dan memiliki dimensi: panjang - 3,2 m, lebar - 1,6 m, tinggi - 0,2 m (perkiraan ukuran dibuat dari foto di bawah).





Foto menunjukkan peletakan satelit Starlink di bawah fairing roket Falcon 9. Antena parabola untuk link feeder dengan gerbang Ka-band dilingkari merah.





Satelit Starlink pada saat pemisahan dari tahap kedua roket Falcon 9. Antena parabola untuk jalur komunikasi feeder dengan gerbang Ka-band dilingkari dengan warna



biru.Di sini Anda dapat menonton video pemisahan satelit dari roket FALKON





Setelah menempatkan sekelompok satelit ke orbit referensi (sebagai aturan, jaraknya 280 km), satelit membuka baterai surya, menjalin kontak dengan pusat kendali tanah dan melakukan pemeriksaan untuk pengoperasian dan tidak adanya kerusakan saat memisahkan dari roket, kemudian mereka mengaktifkan mesin roket listrik (ERE) pada kripton dan memulai pergerakan ke orbit kerja, yang membutuhkan waktu 2-3 bulan.



Saat peluncuran, panel surya dilipat seperti akordeon dan memiliki 12 segmen, di mana sisi panjang setiap segmen sama dengan lebar satelit (3,2 m)





Kita dapat memperkirakan dimensi tiap segmen pada 3 mx 0,8 m , sehingga total luas larik surya adalah 12 x 3 x 0,8 = 28,8 m2.



Karena kehilangan antara sel surya dan di tepinya (faktor pengisian 0,9 ), nilai ini dapat dibulatkan menjadi 26 m2.



Mari kita ambil kerapatan fluks radiasi matahari sebagai 1300 W / m2, efisiensi panel pada 18%, dan kita mendapatkan daya listrik maksimum (puncak) sekitar 6 kW. (Sebagai perbandingan, satelit "Express" pada platform "Express -1000" dengan berat 1.450 kg memiliki kapasitas baterai surya sekitar 3 kW, tetapi mungkin ini adalah nilai rata-rata).



Daya sebenarnya tergantung pada posisi panel surya relatif terhadap Matahari: insiden sinar optimal pada panel berada pada sudut siku-siku.



Untuk memindahkan satelit dari orbit referensi 280 km ke orbit kerja 550 km dan mempertahankannya, pendorong plasma atau EJE digunakan. Jika kita mulai dari EJE untuk satelit kecil seperti SPD-100 Rusia atau BHT-1500 asing, maka konsumsi dayanya sekitar 1,5 kW, dan daya dorongnya 100 mN, dengan impuls spesifik 1700-1800 detik. EJE terlihat seperti ini (lihat gambar di bawah) dan memiliki dimensi kira-kira 20x20x15 cm.





EJE memiliki pasokan kripton sekitar 5-10 kg, yang diisi ke dalam balon bertekanan tinggi. Margin ini akan memungkinkan untuk mengangkat satelit ke orbit melingkar 550 km, menjaga satelit tetap di dalamnya selama lima tahun, dan kemudian mengubah orbit dari lingkaran menjadi elips, mengubah perigee dari 550 km menjadi, katakanlah, 250 km, di mana, karena perlambatan sisa atmosfer, satelit cukup memadai. dengan cepat melambat dan terbakar.



Muatan utama satelit Starlink adalah 2 antena kompleks untuk komunikasi dengan stasiun gateway (gateway) dan terminal pelanggan.



Kompleks antena untuk komunikasi dengan gateway (atau jalur feeder) adalah antena parabola yang diarahkan selama penerbangan ke titik di Bumi tempat gateway tersebut berada. Jalur feeder beroperasi di Ka-band (18/30 MHz).





Berikut dari tabel tersebut, satelit memiliki 2100 MHz yang dapat dialirkan ke arah dari stasiun gateway ke satelit dan 1300 MHz dalam arah yang berlawanan. Menggunakan kedua opsi polarisasi (kiri dan kanan dalam kasus melingkar), ini memungkinkan maksimum 4200 MHz dari gateway ke satelit dan 2600 MHz dalam arah berlawanan digunakan untuk transmisi lalu lintas.



Juga ada 4 antena persegi datar dengan array bertahap - tiga untuk mentransmisikan informasi dari satelit ke terminal pelanggan dan satu untuk menerima sinyal dari terminal.





Angka: Tampilan empat antena persegi bertahap array Ku-band sebelum dan sesudah pelapisan untuk mengurangi jarak pandang dari permukaan tanah.



Komunikasi antara terminal pelanggan dan satelit dilakukan dalam Ku-band, sedangkan 2000 MHz dapat digunakan untuk transmisi dari satelit ke pelanggan, dan hanya 500 MHz dari pelanggan ke satelit. Dengan adanya dua polarisasi untuk transmisi lalu lintas, posisi satelit 4000 MHz turun dan menerima pada 1000 MHz.



Juga di papan ada satu set peralatan untuk command radio link dan transmisi telemetri, masing-masing menggunakan 150 MHz, di pita Ka dan Ku.



Satelit Starlink adalah repeater dan tidak memproses informasi: di atas kapal hanya mengubah frekuensi sinyal yang diterima dan penguatannya. Selain itu, satelit generasi pertama tidak memiliki komunikasi antar satelit (ISL - Inter Satellite Link) dan hanya dapat menerima dan mengirimkan informasi ke Bumi. Sebagai stasiun TT&C (perintah, kontrol, telemetri penerima), 4 stasiun bumi diumumkan, termasuk teleportasi Brustner yang terletak di negara bagian Washington. Satelit Starlink berada dalam bidang pandang stasiun TT&C tidak lebih dari lima menit, sedangkan jumlah data yang dikumpulkan dari konstelasi sekitar 5 TB per hari pada Juni 2020, yaitu setidaknya 10 GB dari satu satelit per hari.



Setiap satelit Starlink memiliki sekitar 70 prosesor Linux terpisah dan sekitar 10 mikrokontroler terpasang.



Berada di orbit 550 km, satelit dapat menutupi dengan sinyalnya suatu titik di Bumi dengan radius 950 km (yaitu, dengan diameter kira-kira 1900 km), asalkan sudut elevasi untuk terminal pelanggan tidak kurang dari 25 °. Perhatikan bahwa pengoperasian efektif antena array bertahap dapat dilakukan pada sudut elevasi 40 ° atau lebih.





Angka: Jari-jari bidang pandang satelit pada sudut 25 derajat, bergantung pada tingginya.





Sangat mudah untuk menghitung berapa banyak satelit yang dibutuhkan untuk menyediakan 100% cakupan bumi antara 50 paralel utara dan selatan, asalkan sinyal dari satelit mencakup seluruh bidang pandang satelit di Bumi. Luas permukaan bumi antara 50 paralel utara dan selatan adalah 300,4 juta meter persegi. km (seluruh permukaan dunia adalah 510 juta kilometer persegi). Karena kita membutuhkan cakupan 100% tanpa celah, lingkaran zona akan tumpang tindih dan cakupan 100% dipastikan jika kita hanya menggunakan "kotak" di lingkaran zona terang. Sisi bujur sangkar tersebut adalah L = D / _√2



Atau, dalam kasus kita, L = 1356 km, dan luas persegi tersebut adalah 1,84 juta kilometer persegi. Jadi, hanya 164 satelit yang akan menyediakan 100% cakupan bumi antara 50 paralel utara dan selatan?

Jadi mengapa Space X 1584 AES?

Dan di sini kita harus berbicara tentang parameter sistem antena apa pun seperti pola arah antena.







Pola radiasi antena adalah parameter antena yang sangat penting, dan kriteria karakterisasi di sini adalah sudut di mana kekuatan sinyal 2 kali (dan dalam DeciBels ini sesuai dengan 3 dB) lebih tinggi.





Sudut pola radiasi antena tergantung pada diameter (area), faktor pemanfaatan permukaan (UUF) dan frekuensi sinyal. Dalam hal ini, instrumentasi ditentukan oleh distribusi amplitudo medan di atas permukaan kerja antena, kebocoran daya di luar tepi cermin antena, dan kerugian lainnya. Selain lobus utama dari pola radiasi, antena juga memiliki lobus samping dan lobus belakang. Kelopak ini bersifat sekunder dan mengambil energi dari kelopak utama DN. Desain antena cenderung meningkatkan rasio energi lobus utama ke lobus samping pertama (terbesar).



Semakin besar diameter (area) antena, semakin kecil sudut pola radiasi dan gain (Cus) semakin besar.



Jadi apa pola antena StarLink? Untuk terminal pelanggan pada tahun 2020, dalam dokumen yang diajukan ke FCC, Space X menerbitkan tabel berikut:





Jika kita fokus pada diameter titik pancaran yang disebutkan di atas pada permukaan tanah pada jarak 45 km, maka ini sesuai dengan sudut pola pancaran satelit (dari angkasa ke bumi) pada 4,5 derajat (ketika menyimpang dari garis nadir, sudut tampaknya dapat berubah dari 3 menjadi 5 derajat, semakin jauh dari garis nadir, semakin besar sudutnya), yang berkorelasi baik dengan parameter antena datar sebesar ini.



Pengajuan awal SpaceX dari tahun 2016 menunjukkan bahwa balok tersebut akan berdiameter 45 km. (halaman 80 dari Lampiran A dari Bagian Teknis untuk pengajuan FCC SpaceX tanggal 15 November 2016).



Untuk menilai dan memvisualisasikan area cakupan StarLink, asumsikan bahwa sudut berkas antena pada satelit berubah dari 3,5 derajat (nadir) menjadi 5,5 derajat di tepi area. Perhitungan diameter coverage area menunjukkan bahwa diameter pancaran yang sesuai dengan sudut pancaran 3,5 derajat langsung di bawah satelit adalah 34 km. Saat berkas menyimpang menjauh dari garis nadir, sudut pola radiasi meningkat: menurut data SpaceX pada tabel di atas, itu akan menjadi 5,5 derajat untuk tepi zona, sedangkan diameter area cakupan satu berkas di Bumi meningkat dan mencapai sekitar 210 km di pinggiran zona visibilitas AES dengan sudut kemiringan 25 derajat. Berdasarkan geometri ini dan karakteristik antena satelit StarLink, proyeksi sinarnya ke bumi akan terlihat seperti ini:





Satu satelit dengan cara ini secara teoritis dapat memiliki hingga 300 berkas sinar di wilayah cakupannya. Berikut adalah proyeksi (view dari sisi satelit) field of view, dimana terminal pelanggan melihat satelit pada sudut elevasi 25 derajat.



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

Berapa banyak beam yang akan diatur pada satelit StarLink tidak dapat dipahami secara langsung dari dokumen Space X, namun, kami dapat dengan mudah menentukan jumlah maksimum beam yang dapat dioperasikan dalam garis pandang satu satelit StaRLink menggunakan fakta bahwa dalam Ku band tidak mungkin menggunakan lebih banyak Megahertz untuk mengirimkan informasi dari satelit ke terminal pelanggan daripada yang kami miliki di pita Ka untuk transmisi melalui jalur feeder dari gateway ke satelit - yaitu, 4200 Megahertz dalam hal menggunakan kedua polarisasi.



Di sini kami membuat asumsi berikut bahwa satelit StarLink termasuk dalam jenis "pipa bengkok", yaitu, tanpa pemrosesan informasi di papan (yaitu, tanpa mendemodulasi sinyal radio menjadi paket IP dan meneruskannya), yaitu, karena semua satelit komunikasi modern dengan ukuran yang jauh lebih besar berfungsi dan masa pakai Sejauh ini, tidak ada bukti bahwa satelit StarLink generasi pertama mungkin sedang memproses data.



Seperti yang dapat dilihat dari tabel parameter terminal pelanggan (lihat bagian StarLink Subscriber Terminal) bahwa saluran satelit dari satelit ke terminal pelanggan memiliki lebar maksimum 240 MHz pada arah bawah dan 60 Megahertz pada arah atas ke satelit. Dalam konfigurasi seperti itu, yang optimal dari sudut pandang efisiensi penggunaan sumber daya frekuensi di area jangkauan satu satelit, tidak lebih dari 16 sinar akan dapat beroperasi, yang sepenuhnya menggunakan sumber daya frekuensi 4000 MHz yang tersedia di Ku band (dengan mempertimbangkan interval pelindung dan frekuensi untuk tautan radio perintah dan transmisi telemetri) di menggunakan kedua polarisasi saat memancarkan dari satelit ke terminal pelanggan.





Perhatikan bahwa antena parabola digunakan untuk berkas pengumpan Ka-band, yang memberikan "pengangkatan" lalu lintas Internet di atas satelit. Untuk memastikan throughput maksimum dengan pita frekuensi Ka-band tetap yang tersedia, perlu untuk memastikan rasio signal-to-noise maksimum dengan meningkatkan daya sinyal dari satelit, dan untuk ini perlu mempersempit area cakupan di Bumi sebanyak mungkin - dalam sistem modern, bekerja dengan satelit HTS, diameternya sekitar 100 kilometer. Mengingat satelit StarLink berada pada ketinggian yang jauh lebih rendah daripada satelit geostasioner, diameter zona pancaran feeder bisa lebih kecil lagi. Keuntungan tambahan dari titik sempit Ka-band adalah bahwa sinyal satelit tidak mengganggu sistem Ka-band lainnya di Bumi.



Pengendalian penyimpangan berkas dari titik nadir di area cakupan akan menjadi antena bertahap dari satelit, yang dapat membelokkan berkas ke segala arah (berkas yang dapat dikemudikan) dan bahkan mengubah bentuknya (dapat dibentuk) sesuai dengan aplikasi Space X ke FCC.



Pada ketinggian 550 km, satelit bergerak dengan kecepatan sedemikian rupa sehingga waktu penerbangannya di zona visibilitas Terminal Pelanggan adalah 4,1 menit, atau sekitar 250 detik. Jika sistem StarLink mengimplementasikan ideologi waktu sesi maksimum satelit dengan sekelompok terminal yang terletak di area yang sama dan jumlah minimum penyerahan terminal ke terminal yang berbeda, maka ini diilustrasikan dengan gambar berikut, di mana satelit mengontrol pancarannya dengan memasangnya pada satu kelompok terminal di satu wilayah geografis.





Pilihan lain mengasumsikan bahwa pancaran pada satelit ditetapkan pada satu posisi (sudut kemiringan) ke Bumi dan tugas antena terminal pelanggan adalah untuk "masuk" ke pancaran ini. Opsi ini membutuhkan jumlah satelit yang sangat besar, dengan mempertimbangkan fakta bahwa pola arah antena dari terminal pelanggan juga kecil.



Jumlah sinar yang kecil di satelit menyulitkan Space X untuk mencakup 100% wilayah dan memberikan jawaban atas pertanyaan mengapa Space X terpaksa meluncurkan begitu banyak satelit. Yang lebih menarik, kalkulasi yang sama ini memberikan jawaban mengapa Space X dipaksa untuk mengurangi sudut elevasi minimum dari 40 derajat menjadi 25 derajat, meskipun faktanya hal ini secara dramatis mengurangi efisiensi antena array-fase.



Diameter zona visibilitas AES dengan sudut elevasi hingga 25 derajat pada ketinggian AES 550 km kira-kira 1.900 km, luas zona ini adalah 2.835 294 km persegi.



Tabel di bawah menghitung jumlah pancaran satelit yang diperlukan untuk menutupi sepenuhnya area yang terlihat dari satelit di permukaan bumi di dalam sudut elevasi lebih dari 25 derajat. Diameter antena terminal pelanggan diambil sebesar 48 cm.





Jelas, dari sudut pandang cakupan area maksimum, akan lebih efisien untuk bekerja dengan pancaran yang diarahkan dari satelit bukan ke nadir (titik sub-satelit), tetapi ke pinggiran zona visibilitas, terlepas dari kenyataan bahwa di sana area antena efektif (dan karenanya throughputnya) menurun tajam ...



Sekarang juga dimungkinkan untuk memperkirakan jumlah balok, dan karenanya jumlah satelit yang dibutuhkan untuk cakupan 100% dari setiap paralel, misalnya, paralel ke-50 dari lintang utara (panjangnya adalah 25740 km, di mana pengujian beta tertutup saat ini sedang



berlangsung . Pada sudut elevasi sedikit kurang dari 40 derajat dan diameter berkas 160 km, jaminan lebar cakupan area (lebarnya sama dengan sisi bujur sangkar yang tertulis di lingkaran balok) adalah 113,5 km dan sesuai dengan 227 satelit yang terlihat dari paralel ke-50 sepanjang seluruh panjangnya mengelilingi bumi.



Luas permukaan bumi antara 53 kesejajaran adalah 300,4 juta km. Jika kita mengambil luas cakupan efektif 1 balok sebagai 113,5 kali 113,5 = 12876 Km persegi, maka jumlah balok yang dibutuhkan adalah 23330, dan jika ada 16 balok pada satu satelit, kita membutuhkan setidaknya 1458 satelit untuk cakupan penuh, yang sangat mendekati tahun 1584 diumumkan oleh Space X untuk fase pertama penyebaran StarLink.



Juga menjadi jelas alasan kemunculan mekanisme penggerak di terminal StarLink terhubung secara tepat dengan kebutuhan untuk memutar antena ke arah satelit untuk memberikan sudut yang kurang lebih layak antara bidang bertahap dan arah ke satelit pada sudut elevasi kecil dari terminal (idealnya 90 derajat).





Koordinasi dan kontrol keseluruhan dari seluruh jaringan satelit, gateway, dan terminal pelanggan dilakukan oleh Pusat Operasi Jaringan - ini adalah bagian sistem Starlink yang paling tidak dikenal, tidak terlihat, dan dirahasiakan.



Umur satelit Starlink di orbit 550 km adalah sekitar 5 tahun, setelah itu pasokan media kerja kripton berakhir, dan satelit yang atas perintahnya akan menurunkan orbitnya ke lapisan atmosfer yang padat, atau, jika kehilangan komunikasi dengan Bumi, secara bertahap berkurang, diperlambat oleh sisa-sisa atmosfer. dan terbakar (lebih lanjut tentang ini akan ditulis di bagian tentang puing-puing ruang angkasa).



Satelit Starlink diproduksi untuk pertama kalinya di dunia dalam mode produksi berskala besar. Menurut SpaceX, kapasitas produksinya mampu memproduksi hingga 120 satelit Starlink per bulan. Perhatikan bahwa waktu produksi rata-rata satelit komunikasi untuk orbit geostasioner sekarang adalah 2-3 tahun.



Tidak diragukan lagi, tingkat produksi seperti itu sangat mengurangi siklus pengujian dan inspeksi, dan kami juga mencatat bahwa untuk menghemat uang di satelit, komponen dan komponen yang lebih murah digunakan, khususnya, xenon yang mahal diganti dengan kripton yang jauh lebih murah sebagai fluida kerja EP.



Dengan demikian, pengurangan persyaratan untuk komponen dan siklus pengujian tanah tercermin pada sumber daya dan keandalan satelit, yang desainnya sedang diselesaikan berdasarkan hasil pengujian di luar angkasa.



Pada 13 September 2020), keandalan satelit Starlink ditandai dengan tabel berikut:





Pada tanggal 1 Oktober 2020, Space X menerbitkan informasi baru, memperkenalkan konsep "Mati" - kehilangan komunikasi dengan satelit, dan "tidak dapat bermanuver" - kegagalan kendali jarak jauh. Seperti inilah keadaan konstelasi satelit StarLink pada 1 Oktober.





Selanjutnya, kita akan berbicara tentang elemen paling kompleks dan paling penting dari jaringan Starlink - kompleks dasar.