SpaceX

SpaceX: "Космический корабль Dragon, задействованный в 21-ой миссии SpaceX по пополнению запасов для МКС, покинул завод в Хоторне на прошлой неделе и отправился во Флориду"

"Это будет первый полет модернизированной грузовой версии Dragon, которая способна перевозить на 50% больше научных полезных грузов, чем предыдущая версия Dragon"

Предыдущая версия Dragon могла вместить 6т полезной нагрузки, что делало его одним из самых грузоподъемных, а сам корабль является единственным в мире грузовозвращаемым - способен вернуть 3т со станции.

О "секретном соусе" двигателей Raptor:

Pelle Brännvall:

— ITAR [ред. - закон о запрете на распространение военных и связанных с ними технологий] вообще для чего-то нужен ещё? Кажется, он довольно устарел

|

Everyday Astronaut:

— Он по-прежнему довольно строг и его нарушение влечёт огромные штрафы... но мне кажется странным, что Илон может публиковать фотографии Raptor во всей их красе. Возможно, в этот момент это похоже на "если вы сможете перепроектировать этот двигатель по этим фотографиям, то вы это заслужили"

|

Elon Musk:

— Есть "чувствительные" части, но они внутри. Кроме того, хороший телеобъектив сможет запечатлеть то, что я публикую. И да, любому, кто может перепроектировать то, что я публиковал, не нужно перепроектировать!

Everyday Astronaut:

— Это так! Мы видим потрясающие фотографии, например, от BocaChicaGal, на которых запечатлены мельчайшие детали двигателей. "Секретный соус" внутри, вот где живёт волшебство...

|

Viv:

— Не стоит забывать и о специфических сплавах, которые и сделали двигатель Raptor возможным. Команда металлургов SpaceX, безусловно, является частью "секретного соуса". Если у вас нет команды, которая постоянно расширяет границы во всех смыслах, вы, вероятно, вы недалеко не уйдете.

|

Everyday Astronaut:

— Теперь металлургов [SpaceX] должно быть целая бригада!!!

|

Elon Musk:

— Команда металлургов по новым материалам SpaceX / Tesla - вышла на новый уровень!

Несмотря на завершение установки всех необходимых для статических и динамических тестов двигателей, даты предполагаемого полета еще не опубликованы.

Как только прототип осуществит 2 огневых прожига и получит свой обтекатель, команда SpaceX приступит к высотным испытаниям и запустит прототип на 15км. Орбитальный полет по-прежнему планируется уже в следующем году, покуда сборка первого прототипа первой ступени должна начаться в ближайшие недели.

Источник: https://vk.com/wall-41152133_254134

Тестирование, возможная стоимость для абонента, сервис на рынках вне США и юридические тонкости получения разрешения на использование частот, Starlink в РФ

Часть 2

Энциклопедия Starlink от SpaceX. Рождение, структура и развитие. ч.2

Часть 1

Энциклопедия Starlink. Рождение, структура и развитие. ч.1

После того как ракета-носитель Falcon 9 выведет группу спутников на опорную орбиту (280-290 км), в расчетной плоскости они раскрывают антенны, связываются с центром управления и проходят первичное тестирование. Если тесты не выявили неисправимых дефектов, спутники начинают процесс подъема на рабочую орбиту (550 км). Так как в одной плоскости не должно быть более 22 спутников, а выводятся они группами до 60 штук за один пуск, то треть из них начинает подъем сразу, а две другие группы ожидают на низкой орбите, пока в результате прецессии не сменится плоскость орбиты на 5-10°, и затем начинают подъем уже в новой плоскости. Подъем спутника на рабочую орбиту производится за счет электрореактивных двигателей (ЭРД) собственной разработки SpaceX. ЭРД работает на криптоне (выбран из-за того, что более чем в 10 раз дешевле, чем используемый обычно в ЭРД ксенон). Подъем на рабочую орбиту требует приращения dV примерно в 200 м/с и занимает в среднем четыре месяца.

Вертикально указаны имеющиеся сейчас плоскости, в которых от 17 до 20 спутников (расстояние в градусах между спутниками в одной плоскости указано на вертикальной шкале). На горизонтальной шкале показано, где плоскости пересекают экватор.

Специалистами Northern Space Research сделаны расчеты по видимости спутников для различных географических районов для двух моментов времени – при развертывании 1/3 сети, то есть 530 спутников (ожидается к концу 2020 г.), и при полностью развернутой сети из 1584 ИСЗ первого этапа.

Слева красным – частичное развертывание сети на 1/3. Справа – полная сеть из 1584 спутников. Важно, что даже при одной трети ИСЗ на орбите, согласно данным на плашке слева, любой терминал между 53 параллелями будет видеть не менее двух спутников с углом места выше 25°. Для районов около 50-й параллели в зоне видимости окажется даже пять-семь спутников, что формально более чем достаточно для полноценного сервиса, если мы примем, что при таких углах абонентский терминал может полноценно работать. Также наличие такого большого числа спутников в зоне видимости ставит вопрос о необходимости электромеханического привода для наклона антенны: зачем ее наклонять на север, если всегда найдется один-два спутника непосредственно над антенной?

На данный момент начато закрытое тестирование сервиса сотрудниками самой компании, в силу подписанных ими NDA (документов о неразглашении информации) о нем практически нет информации. Вот вероятные замеры скорости Starlink от конца июня – начала июля 2020 года:

Замеры скорости передачи данных в группировке Starlink от конца июня – начала июля 2020 года

Тесты от конца июля 2020 года:

По данным самой компании, оглашенным 3 сентября 2020 года, в сети Starlink достигнута скорость передачи на абонентский терминал более 100 Мбит/с при величине задержки не более 20 миллисекунд. Вот официальные результаты тестов из презентации SpaceX:

Сервис для абонентов

В силу особенностей архитектуры сети и наклонения плоскости орбиты в 53°, при неполной группировке наибольшая плотность спутников и, соответственно, условия для сервиса находятся южнее 53-й параллели. По данным SpaceX, именно там и начнется предоставление услуг.

Что касается собственно сервиса, информации очень немного. Исходя из нее ожидается, что скорости составят 100 Мбит/с из сети к абоненту и 40 Мбит/с – от абонента в сеть, а целевая стоимость – $80. Пока неизвестен объем трафика, включенного в абонентскую плату. Сейчас у конкурентов Starlink – провайдеров спутникового интернета, этот объем примерно 40-50 Гбайт в месяц. При этом те абоненты, которые "сидят" в США на оптике и имеют безлимитные тарифные планы, потребляют в месяц 280 Гбайт. Учитывая, что в начале эксплуатации сеть будет пустой, а спрос сейчас оценивается как высокий (в августе SpaceX информировала о 700 тысячах запросов от желающих стать бета-тестерами), возможно, на первом этапе будет предложен некий премиальный пакет с лимитом в 250-500 Гбайт и ценой в $150-200. Исходя из модели продаж автомобиля Tesla, маловероятно наличие реселлеров по территории США: все заявки наверняка будут собираться через интернет на сайте www.starlink.com, там же заключаться договоры, и оборудование по почте будет высылаться клиенту.

Эта модель, однако, имеет изъян: нет гарантии, что абонент установит и инициирует терминал, и терминал может "зависнуть". Возможно, в контракте будет условие, что абоненту дается некий срок, дней 30-45, для включения терминала или его возврата. Это весьма важный момент для экономики проекта и данной модели продаж, так как себестоимость первых терминалов будет очень высока и SpaceX крайне желательно, чтобы они начали сразу приносить доход.

Пропускная способность сети Starlink

В первой заявке, поданной SpaceX в FCC, указывалось, что пропускная способность одного спутника составит 17-23 Гбит/с и усреднено принималась как 20 Гбит/с, позднее в одном из сообщений указывалось, что каждый запуск 60 спутников версии Starlink 1.0 добавляет около 1 Тбит/с пропускной способности для сети, то есть пропускная способность одного спутника ближе к 16-17 Гбит/с. Также не уточнялось, суммарная ли это емкость в обоих направлениях или только из сети интернет к абоненту. В любом случае, нет смысла определять пропускную способность всей сети, так как она вряд ли когда-нибудь будет реализована вся (70% Земли покрыто морями и океанами, кроме того, вряд ли спрос в Сахаре и Гималаях будет таким же, как в населенных районах). Поэтому целесообразно говорить о пропускной способности одного спутника и оценивать, сколько абонентов он может обслужить.

Если принять пропускную способность спутника в 17 Гбит/с в направлении из интернета к клиенту, то учитывая последние данные, что среднее потребление одного домохозяйства США, подключенного по оптике, составляет 281 Гбайт в месяц или эквивалентно 0,9 Мбит/с при равномерной ежемесячной загрузке, то при типичном распределении нагрузки в сетях интернет-провайдера пиковая и среднемесячная загрузка соотносится как 1 к 3-4. Таким образом, максимальное количество абонентов, которое может обслужить один спутник, составляет 5000-6000 абонентов с таким потреблением трафика. Если же объем трафика в месяц будет ограничен в тарифном плане, например, 150 Гбайт, то один спутник сможет обслужить вдвое больше абонентов – 10-12 тысяч. Указанные выше рассуждения применимы в случае использования групповых методов множественного доступа к частотному ресурсу спутника (CDMA/TDMA/FDMA), а не закрепленных каналов типа SCPC. Подробнее об этом – в соответствующем разделе.

Также отметим, что площадь территории США составляет около 10 млн км2, или 2% поверхности Земли. Соответственно, приняв, что за счет "прибрежных" зон доля спутников, которые могут предоставить сервис, будет 3%, то для группировки первого этапа из 1584 спутников над территорией США могут оказать сервис не более 45-48 космических аппаратов, то есть максимальная абонентская база для первого этапа составит примерно 500-600 тысяч абонентов. При тарифе $80 в месяц такое количество абонентов принесет SpaceX доход в $500-600 млн в год, при абонплате $100 в месяц – $600-700 млн, что достаточно далеко от оценок в бизнес-плане 2016 года.

Сервис на рынках вне США

Вторым рынком, на котором быстрее всего начнется предоставление сервиса Starlink, является Канада, при этом, судя по карте покрытия, сервис будет предоставляться через гейтвеи на территории США, если SpaceX сможет доказать регулятору Канады в сфере телекома (CRTC), что это соответствует его требованиям по выдаче лицензий. SpaceX уже подала в CRTC заявку на получение лицензии международного интернет-провайдера Basic International Telecommunications Services (BITS). При этом, не дожидаясь решения канадского регулятора по данной заявке, SpaceX неожиданно оказалась владельцем компании SpaceX Canada Corp. (до недавнего времени она имела название TIBRO Canada Corp.; слово ORBIT, написанное наоборот). При этом данная компания уже получила лицензию BITS в апреле 2019 года, то есть в тот период, когда она скромно называлась TIBRO Canada Corp. и вроде бы не имела никакого отношения к SpaceX.

Регистрационные данные канадской компании SpaceX Canada Corp.

Напомним, что в Канаде есть собственный проект низкоорбитальной спутниковой группировки для доступа в интернет Telesat LEO, принадлежащий компании Telesat Canada – канадскому владельцу спутниковой группировки на геостационарной орбите, и поддерживаемый правительством Канады. Скорее всего, SpaceX должна еще получить от ISED (бывшая Industry Canada) лицензию (разрешение) на использование радиочастотного спектра, что является более сложной задачей. О состоянии этого процесса пока ничего не известно.

Также в сентябре 2020 года стали известны еще две зарубежные компании, аффилированные со Starlink. Первая – Starlink Internet Services UK Limited, зарегистрирована 5 августа 2020 года в Великобритании по адресу: 2 Blagrave Street, Reading, Berkshire, RG1 1AZС, с правом следующей деятельности:

61200 – Wireless telecommunications activities

61300 – Satellite telecommunications activities

61900 – Other telecommunications activities

Хотя компания является акционерной, но ею выпущена только одна акция, и та объявленной стоимостью в 1 фунт. Что особенно интересно, так это то, что первоначальным владельцем данного юрлица была фирма TIBRO Netherlands B.V., создавшая ее 5 августа 2020 года в Лондоне, после чего компания в сентябре 2020 года сменила владельца и юрадрес.

Вторая аффилированная компания – SpaceX Netherlands B.V. Регистрационный номер компании (KVK): 77925769. Расположение: Burgermeester Stramanweg 122 (там находится европейская штаб-квартира Tesla и – какая неожиданность! – TIBRO Netherlands B.V.).

7 августа 2020 года компания TIBRO Australia Pty Ltd получила лицензию оператора связи в Австралии.

Из вышеуказанного следует, что как минимум на рынках Канады, Великобритании, Австралии и ЕС SpaceX планирует работать напрямую, создав там 100%-ные дочерние компании. Возможно, и в других странах уже есть "спящие" компании с именем TIBRO, пытающиеся оформить лицензии на услуги связи, – будущее это покажет.

10 сентября 2020 года в Мехико состоялась встреча Патрисии Купер, вице-президента по связям с госорганами в SpaceX, и Адольфо Куэвас Тежа, и.о. президента Федерального института телекоммуникаций (IFT) Мексики. На встрече был рассмотрен вопрос о нормативных положениях по спутниковой связи, необходимых для работы спутниковой группировки SpaceX в Мексике.

С высокой вероятностью в других странах, с более запутанным и/или недружественным к США законодательством, SpaceX будет работать по партнерской модели, продавая партнерам абонентские терминалы, оборудование гейтвеев и трафик, возможно, с использованием модели revenue sharing. При этом ценообразованием и решением проблем с местным регулятором должен будет заняться местный партнер.

В целом, обсуждая работу сервиса Starlink вне территории США, надо иметь в виду три аспекта:

Технологический – попадает ли эта территория в зону покрытия сети Starlink и можно ли на ней установить гейтвей, подключенный к оптическому кабелю до узла обмена интернет-трафиком.

Политический – выдаст ли национальный регулятор компании SpaceX или ее партнеру разрешение на использование частот на территории данной страны и лицензию (разрешение), там где это необходимо, на право предоставлять услуги связи в данной стране. Разрешение на частоты и лицензия на право предоставлять услуги – это два совершенно разных документа, выдаваемых, например, в России, двумя разными правительственными органами.

Коммерческий – будет ли сервис в данной стране рентабельным с учетом платежеспособности местного населения, цен конкурентов на местном рынке, объема инвестиций в гейтвеи и терминалы, налогов и сборов с телеком-оператора.

Для России все три аспекта достаточно проблемны, ибо наибольшая нужда в спутниковом интернете в России наблюдается на Севере, который не попадает в зону обслуживания Starlink.

Starlink в РФ

Что же касается легализации самого сервиса в РФ, то ситуация в отношении SpaceX регулируется постановлением правительства РФ №1194 от 14 ноября 2014 года. Оно содержит правила, написанные изначально для OneWeb, а теперь доставшиеся по наследству SpaceX и ее проекту Starlink, – Правила использования на территории России спутниковых сетей связи, находящихся под юрисдикцией иностранных государств. Этот документ, в частности, гласит:

- "п. 7. Использование иностранной спутниковой системы осуществляется на основании решения Государственной комиссии по радиочастотам о выделении полос радиочастот по согласованию с Министерством цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации, Министерством обороны Российской Федерации, Федеральной службой безопасности Российской Федерации, Федеральной службой охраны Российской Федерации, о том, что такая система спутниковой связи не носит разведывательного характера и не может нанести ущерб - интересам личности, обществу и Российской Федерации".

- "п. 9. Российский оператор связи, использующий иностранную спутниковую систему, формирует российский сегмент указанной системы в составе станции сопряжения с сетью связи общего пользования. Весь трафик, формирующийся абонентскими станциями (терминалами) на территории Российской Федерации должен проходить через станцию сопряжения российского оператора связи, находящуюся на территории Российской Федерации".

Таким образом, теоретически данное постановление позволяет SpaceX найти в России партнера

или, основав собственное дочернее предприятие, получить права на использование частотно-орбитального ресурса не территории РФ и далее построить станции сопряжение (по сути, гейтвеи) и оборудовать их аппаратурой СОРМ-3 в соответствии с требованиями ФСБ, чтобы начать предоставлять услуги. В то же время здесь в полный рост станет вопрос стоимости абонентского терминала, который в РФ из-за ряда особенностей нашего законодательства обычно продается абонентам, а не сдается в аренду, а также вопрос наличия на спутниках в будущем межспутниковых оптических каналов, которые теоретически позволяют пустить трафик мимо гейтвеев. Исходя из сказанного, ожидать появления сервиса Starlink в России в ближайшие три-пять лет вряд ли стоит.

Автор:

Сергей Пехтерев,

к.т.н., акционер ГК AltegroSky

Falcon 9 и Солнце

Подборка из нескольких весьма зрелищных снимков со вчерашнего запуска ракеты Falcon 9, которая была запущена в очень удачное для фотосессий время суток.

Что касается формальных цифр, то носитель вывел на орбиту очередную партию из 60 спутников Starlink. Первая ступень совершила успешную посадку на баржу в океане (для нее это уже был четвертый полет в космос). Кроме того, SpaceX удалось словить одну из створок головного обтекателя (для нее это было третье использование). Вторую створку извлекли из воды.

Часть 2. Спутники, наземное оборудование, терминалы

Часть 1. Энциклопедия Starlink. Рождение, структура и развитие. ч.1

Спутник Starlink

Космические аппараты Starlink специально сконструированы для группового запуска двумя стопками по 30 спутников под обтекателем ракеты Falcon 9 и имеют следующие размеры: длина – 3,2 м, ширина – 1,6 м, высота – 0,2 м (оценка размеров сделана по фото ниже).

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