Alles über das Starlink Satellite Internet-Projekt. Teil 2. Starlink-Netzwerk

Teil 1 ‣ Teil 2 Starlink-



Raumfahrzeuge wurden speziell für den Gruppenstart mit zwei Stapeln von jeweils 30 Satelliten unter der Verkleidung einer Falcon 9-Rakete entwickelt und haben folgende Abmessungen: Länge - 3,2 m, Breite - 1,6 m, Höhe - 0,2 m (Größenschätzung vorgenommen) vom Foto unten).





Das Foto zeigt die Installation von Starlink-Satelliten unter der Verkleidung des Falcon 9. Parabolantennen für die Feeder-Kommunikationsleitung mit Ka-Band-Gateways sind rot eingekreist





Starlink-Satelliten zum Zeitpunkt der Trennung von der zweiten Stufe der Falcon 9-Rakete. Parabolantennen für eine Feeder-Kommunikationsleitung mit Ka-Band-Gateways sind blau eingekreist.



Hier können Sie ein Video über die Trennung von Satelliten von der FALKON-Rakete sehen





Nachdem sie eine Gruppe von Satelliten in eine Referenzbahn gebracht haben (in der Regel sind es 280 km), öffnen die Satelliten Solarbatterien, stellen den Kontakt zur Bodenkontrollzentrale her und überprüfen die Funktionsfähigkeit und das Fehlen von Schäden beim Trennen von der Rakete. Anschließend aktivieren sie elektrische Raketentriebwerke (ERE) auf Krypton und beginnen Bewegung in die Arbeitsbahn, die 2-3 Monate dauert.



Beim Start werden Sonnenkollektoren wie ein Akkordeon gefaltet und haben 12 Segmente, wobei die lange Seite jedes Segments der Breite des Satelliten (3,2 m) entspricht.





Wir können die Abmessungen jedes Segments auf 3 mx 0,8 m schätzen . Somit beträgt die gesamte Solarfeldfläche 12 x 3 x 0,8 = 28,8 m2.



Aufgrund von Verlusten zwischen Solarzellen und an den Rändern (Füllfaktor 0,9 ) kann dieser Wert auf 26 m2 aufgerundet werden .



Nehmen wir die Flussdichte der Sonnenstrahlung als 1300 W / m2, den Wirkungsgrad des Panels bei 18%, und wir erhalten ungefähr 6 kW maximale (Spitzen-) elektrische Leistung. (Zum Vergleich haben Satelliten "Express" auf der Plattform "Express -1000" mit einem Gewicht von 1450 kg eine Solarbatteriekapazität von etwa 3 kW, aber vielleicht ist dies ein Durchschnittswert).



Die tatsächliche Leistung hängt von der Position der Sonnenkollektoren relativ zur Sonne ab: Der optimale Einfall von Strahlen auf die Sonnenkollektoren erfolgt im rechten Winkel.



Um einen Satelliten von einer Referenzbahn von 280 km auf eine Arbeitsbahn von 550 km zu bewegen und darauf zu belassen, werden Plasma-Triebwerke oder ERE verwendet. Wenn wir vom EJE für kleine Satelliten wie das russische SPD-100 oder das ausländische BHT-1500 ausgehen, beträgt ihr Stromverbrauch etwa 1,5 kW und der Schub 100 mN mit einem spezifischen Impuls von 1700 bis 1800 Sekunden. Das EJE sieht ungefähr so ​​aus (siehe Abbildung unten) und hat Abmessungen von ca. 20x20x15 cm.





EJEs haben einen Kryptonvorrat von ungefähr 5-10 kg, der in Hochdruckballons gefüllt wird. Dieser Spielraum ermöglicht es, den Satelliten in eine kreisförmige Umlaufbahn von 550 km zu heben, den Satelliten fünf Jahre lang darin zu halten und dann die Umlaufbahn von kreisförmig auf elliptisch zu ändern, wobei das Perigäum von 550 km auf beispielsweise 250 km geändert wird, wobei der Satellit aufgrund der Verzögerung der übrigen Atmosphäre ausreicht schnell abbremsen und brennen.



Die Hauptnutzlast des Starlink-Satelliten sind 2 Antennenkomplexe für die Kommunikation mit Gateway-Stationen (Gateways) und mit Teilnehmerterminals.



Antennenkomplex für die Kommunikation mit Gateways (oder Zuleitungen) sind Parabolantennen, die während des Flugs auf den Punkt auf der Erde gerichtet sind, an dem sich das Gateway befindet. Die Zuleitung arbeitet im Ka-Band (18/30 MHz).





Wie aus der Tabelle hervorgeht, verfügt der Satellit über 2100 MHz in Richtung von der Gateway-Station zum Satelliten und 1300 MHz in entgegengesetzter Richtung. Bei Verwendung beider Polarisationsoptionen (links und rechts bei Zirkular) können maximal 4200 MHz vom Gateway zum Satelliten und 2600 MHz in der entgegengesetzten Richtung für die Verkehrsübertragung verwendet werden.



Ebenfalls an Bord sind 4 flache quadratische Antennen mit einem phasengesteuerten Array - drei zum Senden von Informationen vom Satelliten zum Teilnehmerterminal und eine zum Empfangen eines Signals vom Terminal.





Zahl: Ansicht von vier quadratischen Ku-Band-Phased-Array-Antennen vor und nach dem Beschichten, um die Sicht vom Boden aus zu verringern.



Die Kommunikation zwischen dem Teilnehmerendgerät und dem Satelliten erfolgt im Ku-Band, während 2000 MHz für die Übertragung vom Satelliten zum Teilnehmer und nur 500 MHz vom Teilnehmer zum Satelliten verwendet werden können. Angesichts der beiden Polarisationen für die Verkehrsübertragung positioniert der Satellit 4000 MHz nach unten und empfängt mit 1000 MHz.



An Bord befindet sich auch eine Reihe von Geräten für die Befehlsfunkverbindung und die Telemetrieübertragung mit 150 MHz im Ka- und Ku-Band.



Der Starlink-Satellit ist ein Repeater und verarbeitet keine Informationen: An Bord ändert er nur die Frequenz des empfangenen Signals und dessen Verstärkung. Außerdem haben Satelliten der ersten Generation keine Kommunikation zwischen Satelliten (ISL - Inter Satellite Link) und können nur Informationen empfangen und an die Erde senden. Als TT & C-Station (Befehl, Kontrolle, Empfangstelemetrie) werden 4 Bodenstationen deklariert, darunter der Brustner-Teleport im Bundesstaat Washington. Der Starlink-Satellit befindet sich nicht länger als fünf Minuten in der Sichtbarkeitszone der TT & C-Station, während die aus der Konstellation gesammelte Datenmenge im Juni 2020 etwa 5 TB pro Tag betrug, dh mindestens 10 GB von einem Satelliten pro Tag.



Jeder Starlink-Satellit verfügt über ungefähr 70 separate Linux-Prozessoren und ungefähr 10 Mikrocontroller an Bord.



Auf einer Umlaufbahn von 550 km kann der Satellit mit seinem Signal einen Punkt auf der Erde mit einem Radius von 950 km (dh einem Durchmesser von ungefähr 1900 km) abdecken, vorausgesetzt, der Höhenwinkel für das Teilnehmerterminal beträgt nicht weniger als 25 °. Beachten Sie, dass der effektive Betrieb von Flachphasen-Array-Antennen bei einem Höhenwinkel von 40 ° oder mehr möglich ist.





Zahl: Der Radius der Sichtbarkeitszone des Satelliten in einem Winkel von 25 Grad, abhängig von seiner Höhe.





Es ist leicht zu berechnen, wie viele Satelliten benötigt werden, um eine 100% ige Abdeckung der Erde zwischen den 50 Parallelen Nord und Süd zu gewährleisten, vorausgesetzt, das Signal vom Satelliten deckt das gesamte Sichtfeld des Satelliten auf der Erde ab. Die Erdoberfläche zwischen den 50 Parallelen Nord und Süd beträgt 300,4 Millionen Quadratmeter. km (die gesamte Erdoberfläche beträgt 510 Millionen Quadratkilometer). Da wir eine 100% ige Abdeckung ohne Lücken benötigen, überlappen sich die Zonenkreise und eine 100% ige Abdeckung ist gewährleistet, wenn wir nur die „Quadrate“ im Lichtzonenkreis verwenden. Die Seite eines solchen Quadrats ist L = D / _√2



oder in unserem Fall L = 1356 km, und die vom Quadrat bedeckte Fläche beträgt 1,84 Millionen Quadratkilometer. Somit bieten nur 164 Satelliten eine 100% ige Abdeckung der Erde zwischen 50 Nord- und Südparallelen?

Warum ist Space X 1584 AES?

Und hier müssen wir über einen solchen Parameter eines Antennensystems wie das Antennenrichtungsmuster sprechen.







Das Antennenstrahlungsmuster ist ein sehr wichtiger Antennenparameter, und das charakteristische Kriterium ist hier der Winkel, in dem die Signalleistung zweimal (und in Dezibel entspricht dies 3 dB) höher ist.





Der Winkel des Antennenstrahlungsmusters hängt von seinem Durchmesser (Fläche), dem Oberflächenauslastungsfaktor (UUF) und der Signalfrequenz ab. In diesem Fall wird die Instrumentierung durch die Verteilung der Feldamplitude über die Arbeitsfläche der Antenne, Stromverlust über die Kanten des Antennenspiegels und andere Verluste bestimmt. Zusätzlich zur Hauptkeule des Strahlungsmusters hat die Antenne auch Nebenkeulen und eine Rückkeule. Diese Blütenblätter sind sekundär und beziehen Energie aus dem Hauptblütenblatt des DN. Beim Entwurf von Antennen besteht das Ziel darin, das Verhältnis der Energie der Hauptkeule zur ersten (größten) Nebenkeule zu erhöhen.



Je größer der Durchmesser (Fläche) der Antenne ist, desto kleiner ist der Winkel des Strahlungsmusters und desto größer ist seine Verstärkung (Cus).



Was sind die StarLink-Antennenmuster? Für ein Teilnehmerterminal im Jahr 2020 veröffentlichte Space X in Dokumenten, die bei der FCC eingereicht wurden, die folgende Tabelle:





Wenn wir uns auf den oben genannten Durchmesser des Strahlflecks auf dem Boden bei 45 km konzentrieren, entspricht dies dem Winkel des Satellitenstrahlmusters (vom Weltraum zur Erde) bei 4,5 Grad (wenn von der Nadirlinie abgewichen wird, kann sich der Winkel anscheinend von 3 auf 5 ändern Grad, je weiter von der Nadirlinie entfernt, desto größer der Winkel), der gut mit den Parametern einer Flachantenne dieser Größe korreliert.



Die erste Einreichung von SpaceX aus dem Jahr 2016 ergab, dass der Strahl einen Durchmesser von 45 km haben würde. (Seite 80 von Anhang A des technischen Teils der FCC-Einreichung von SpaceX vom 15. November 2016).



Nehmen Sie zur Beurteilung und Visualisierung des StarLink-Abdeckungsbereichs an, dass sich der Antennenstrahlmusterwinkel auf dem Satelliten am Rand des Bereichs von 3,5 Grad (Nadir) auf 5,5 Grad ändert. Berechnungen des Durchmessers des Abdeckungsbereichs zeigen, dass der Strahldurchmesser, der einem Strahlwinkel von 3,5 Grad direkt unter dem Satelliten entspricht, 34 km beträgt. Wenn der Strahl von der Nadirlinie abweicht, nimmt der Winkel des Strahlungsmusters zu: Gemäß den SpaceX-Daten in der obigen Tabelle beträgt er 5,5 Grad für den Rand der Zone, während der Durchmesser des Abdeckungsbereichs eines Strahls auf der Erde zunimmt und am Umfang der Sichtbarkeitszone etwa 210 km erreicht AES mit einem Neigungswinkel von 25 Grad. Basierend auf dieser Geometrie und den Eigenschaften der StarLink-Satellitenantennen sieht die Projektion ihrer Strahlen auf die Erde folgendermaßen aus:





Ein Satellit kann auf diese Weise theoretisch bis zu 300 solcher Strahlen in seinem Abdeckungsbereich haben. Hier ist eine Projektion (Ansicht von der Satellitenseite) des Sichtfelds, in der die Teilnehmerterminals den Satelliten in einem Höhenwinkel von 25 Grad sehen.



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

Wie viele Strahlen auf dem StarLink-Satelliten organisiert werden, lässt sich nicht direkt aus den Space X-Dokumenten ablesen. Wir können jedoch anhand der Tatsache leicht die maximale Anzahl von Strahlen bestimmen, die in der Sichtlinie eines StaRLink-Satelliten arbeiten können dass es im Ku-Band unmöglich ist, mehr Megahertz für die Übertragung von Informationen vom Satelliten zum Teilnehmerterminal zu verwenden als im Ka-Band für die Übertragung über die Zuleitung vom Gateway zum Satelliten - dh 4200 Megahertz bei Verwendung beider Polarisationen.



Hier nehmen wir die folgende Annahme an, dass der StarLink-Satellit zum Typ "gebogenes Rohr" gehört, dh ohne Informationsverarbeitung an Bord (dh ohne das Funksignal in IP-Pakete zu demodulieren und weiterzuleiten), dh, dass alle modernen Kommunikationssatelliten mit viel größeren Größen funktionieren und Lebensdauer Bisher gibt es keine Informationen über die Datenverarbeitung auf dem StarLink-Satelliten der ersten Generation.



Wie aus der Parametertabelle des Teilnehmerterminals (siehe Abschnitt StarLink-Teilnehmerterminal) ersichtlich ist, hat der Satellitenkanal vom Satelliten zum Teilnehmerterminal eine maximale Breite von 240 MHz in Abwärtsrichtung und 60 Megahertz in Aufwärtsrichtung zum Satelliten. In einer solchen Konfiguration, die unter dem Gesichtspunkt der Effizienz der Nutzung der Frequenzressource im Versorgungsbereich eines Satelliten optimal ist, können nicht mehr als 16 Strahlen betrieben werden, die die verfügbare 4000-MHz-Frequenzressource im Ku-Band (unter Berücksichtigung der Schutzintervalle und Frequenzen für die Befehlsfunkverbindung und die Telemetrieübertragung) vollständig nutzen Verwenden beider Polarisationen beim Senden vom Satelliten zum Teilnehmerendgerät.





Beachten Sie, dass für den Ka-Band-Feeder-Strahl eine Parabolantenne verwendet wird, die das "Anheben" des Internetverkehrs an Bord des Satelliten ermöglicht. Um einen maximalen Durchsatz mit einem fest verfügbaren Ka-Band-Frequenzband zu gewährleisten, muss das maximale Signal-Rausch-Verhältnis durch Erhöhen der Signalleistung des Satelliten sichergestellt werden. Dazu muss der Abdeckungsbereich auf der Erde so weit wie möglich eingegrenzt werden - in modernen Systemen. Bei der Arbeit mit HTS-Satelliten beträgt der Durchmesser etwa 100 Kilometer. In Anbetracht der Tatsache, dass sich StarLink-Satelliten in einer viel geringeren Höhe als geostationäre Satelliten befinden, kann der Durchmesser der Feeder-Beam-Zone noch kleiner sein. Ein zusätzlicher Vorteil des Ka-Band-Schmalpunkts besteht darin, dass das Satellitensignal andere Ka-Band-Systeme auf der Erde nicht stört.



Die Steuerung der Abweichung des Strahls vom Nadir im Abdeckungsbereich erfolgt über eine Phasenantenne des Satelliten, die den Strahl in jede Richtung ablenken (steuerbarer Strahl) und sogar seine Form (formbar) gemäß der Space X-Anwendung auf die FCC ändern kann.



In einer Höhe von 550 km bewegt sich der Satellit mit einer solchen Geschwindigkeit, dass die Flugzeit in der Sichtbarkeitszone des Teilnehmerterminals 4,1 Minuten oder ungefähr 250 Sekunden beträgt. Wenn das StarLink-System die Ideologie der maximalen Sitzungszeit des Satelliten mit einer Gruppe von Terminals im selben Bereich und der minimalen Anzahl der Übergaben des Terminals an verschiedene implementiert, wird dies durch die folgende Abbildung veranschaulicht, in der der Satellit seinen Strahl steuert, indem er ihn auf einer Gruppe von Terminals in installiert ein geografisches Gebiet.





Eine andere Option setzt voraus, dass der Strahl auf dem Satelliten an einer Position (Neigungswinkel) zur Erde fixiert ist und die Antenne des Teilnehmerendgeräts die Aufgabe hat, in diesen Strahl "einzudringen". Diese Option erfordert eine sehr große Anzahl von Satelliten, wobei berücksichtigt wird, dass das Antennenstrahlungsmuster des Teilnehmerendgeräts ebenfalls klein ist.



Die geringe Anzahl von Strahlen an Bord des Satelliten erschwert es Space X, 100% des Territoriums abzudecken, und gibt eine Antwort auf die Frage, warum Space X gezwungen ist, so viele Satelliten zu starten. Noch interessanter ist, dass dieselben Berechnungen die Antwort liefern, warum Space X gezwungen ist, den minimalen Höhenwinkel von 40 Grad auf 25 Grad zu reduzieren, obwohl dies die Effizienz seiner Phasenarray-Antenne drastisch verringert.



Der Durchmesser der AES-Sichtbarkeitszone mit einem Höhenwinkel von bis zu 25 Grad bei einer AES-Höhe von 550 km beträgt ungefähr 1900 km. Die Fläche dieser Zone beträgt 2 835 294 km².



In der folgenden Tabelle wird die Anzahl der Satellitenstrahlen berechnet, die erforderlich sind, um die vom Satelliten auf der Erdoberfläche sichtbare Fläche vollständig abzudecken innerhalb eines Höhenwinkels von mehr als 25 Grad. Der Antennendurchmesser des Teilnehmeranschlusses wird mit 48 cm angenommen.





Unter dem Gesichtspunkt der Abdeckung der maximalen Fläche ist es offensichtlich effizienter, mit Strahlen zu arbeiten, die vom Satelliten nicht zum Nadir (Untersatellitenpunkt), sondern zur Peripherie der Sichtbarkeitszone gerichtet sind, obwohl die effektive Fläche der Antenne (und damit ihr Durchsatz) dort stark abnimmt ...



Es ist jetzt auch möglich, die Anzahl der Strahlen und damit die Anzahl der Satelliten zu schätzen, die für eine 100% ige Abdeckung eines Breitengrads erforderlich sind, beispielsweise des 50. Breitengrads des nördlichen Breitengrads (seine Länge beträgt 25740 km, wo derzeit geschlossene Betatests durchgeführt werden.



Bei einem Höhenwinkel von etwas weniger als 40 Grad und einem Strahldurchmesser von 160 km beträgt die garantierte Breite des Abdeckungsbereichs (die Breite entspricht der Seite des Quadrats, das in den Kreis des Strahls eingeschrieben ist) 113,5 km und entspricht 227 Satelliten, die vom 50. Breitengrad über seine gesamte Länge um die Erde sichtbar sind.



Die Fläche der Erdoberfläche zwischen 53 Parallelen beträgt 300,4 Millionen km. Wenn wir die effektive Abdeckungsfläche von 1 Strahl als 113,5 mal 113,5 = 12876 km² annehmen, beträgt die erforderliche Anzahl von Strahlen 23330, und wenn ein Satellit 16 Strahlen enthält, benötigen wir mindestens 1458 Satelliten für die vollständige Abdeckung, was sehr ist nahe 1584 von Space X für die erste Phase der StarLink-Bereitstellung angekündigt.



Es wird auch deutlich, dass der Grund für das Auftreten des Antriebsmechanismus im StarLink-Terminal genau mit der Notwendigkeit verbunden ist, die Antenne in Richtung des Satelliten zu drehen, um einen mehr oder weniger anständigen Winkel zwischen der Phasenebene und der Richtung zum Satelliten bei kleinen Elevationswinkeln des Terminals (idealerweise 90 Grad) bereitzustellen.





Die gesamte Koordination und Verwaltung des gesamten Netzwerks von Satelliten, Gateways und Teilnehmerterminals erfolgt durch das Network Operations Center - dies ist der unbekannteste, unsichtbarste und nicht bekannt gegebene Teil des Starlink-Systems.



Die Lebensdauer des Starlink-Satelliten in einer Umlaufbahn von 550 km beträgt etwa 5 Jahre. Danach endet die Zufuhr der Arbeitsflüssigkeit von Krypton, und der Satellit senkt entweder auf Befehl seine Umlaufbahn auf dichte Schichten der Atmosphäre oder nimmt im Falle eines Kommunikationsverlusts mit der Erde allmählich ab und wird durch die Überreste der Atmosphäre verlangsamt und verbrennt (mehr dazu wird im Abschnitt über Weltraummüll geschrieben).



Starlink-Satelliten werden weltweit zum ersten Mal in nahezu großem Produktionsmodus hergestellt. Laut SpaceX kann die Produktionskapazität bis zu 120 Starlink-Satelliten pro Monat produzieren. Beachten Sie, dass die durchschnittliche Produktionszeit für einen Kommunikationssatelliten für eine geostationäre Umlaufbahn jetzt 2-3 Jahre beträgt.



Zweifellos verkürzt eine solche Produktionsrate den Test- und Inspektionszyklus erheblich, und wir stellen außerdem fest, dass billigere Komponenten und Komponenten verwendet werden, um Geld im Satelliten zu sparen. Insbesondere wird teures Xenon durch viel billigeres Krypton als Arbeitsmedium des EP ersetzt.



Die Reduzierung der Anforderungen an Komponenten und des Bodentestzyklus spiegelt sich somit sowohl in der Ressource als auch in der Zuverlässigkeit von Satelliten wider, deren Entwurf auf der Grundlage der Ergebnisse von Tests im Weltraum abgeschlossen wird.



Am 13. September 2020) wurde die Zuverlässigkeit von Starlink-Satelliten durch die folgende Tabelle charakterisiert:





Am 1. Oktober 2020 veröffentlichte Space X neue Informationen, in denen die Konzepte "Tot" - Kommunikationsverlust mit dem Satelliten und "nicht manövrierfähig" - Ausfall der Fernbedienung eingeführt wurden. So sah der Zustand der StarLink-Satellitenkonstellation am 1. Oktober aus.





Als nächstes werden wir über das komplexeste und wichtigste Element des Starlink-Netzwerks sprechen - den Bodenkomplex.