有关Starlink卫星互联网项目的所有信息。第2部分。Starlink网络

第1部分‣第2部分Starlink



航天器是专门为团体发射而设计的，在Falcon 9火箭的整流罩下有两堆30颗卫星，其尺寸为：长-3.2 m，宽-1.6 m，高-0.2 m（已估算尺寸）从下面的照片）。





图为在Falcon 9的整流罩下安装Starlink卫星的过程





与Falcon 9火箭第二级



分离时的Starlink卫星，带有Ka-band网关的馈线通信线路的抛物面天线用蓝色圈出，您可以在此处观看有关FALKON火箭分离卫星的视频。





将一组卫星送入参考轨道（通常为280公里）后，这些卫星打开太阳能电池，与地面控制中心建立联系，并检查与火箭分离时的可操作性和是否损坏，然后激活they上的电动火箭发动机（ERE）和移动到工作轨道，这需要2-3个月的时间。



发射时，太阳能电池板像手风琴一样折叠，并有12段，每段的长边等于卫星的宽度（3.2 m）





我们可以估计每段的尺寸为3 mx 0.8 m，因此，整个太阳能电池阵列的面积为12 x 3 x 0.8 = 28.8 m2。



由于太阳能电池之间以及边缘处的损耗（填充系数0.9），该值可以四舍五入到26 m2。



让我们以太阳辐射通量密度为1300 W / m2，面板效率为18％，得出最大（峰值）电功率约为6 kW。 （作为比较，重达1450 kg的“ Express -1000”平台上的“ Express”卫星的太阳能电池容量约为3 kW，但这也许是平均值）。



实际功率取决于太阳能电池板相对于太阳的位置：光线在电池板上的最佳入射角为直角。



为了将卫星从280 km的参考轨道移到550 km的工作轨道并保持在轨道上，使用等离子推进器或ERE。如果我们从EJE开始研究小型卫星，例如俄罗斯SPD-100或国外的BHT-1500，那么它们的功耗约为1.5 kW，推力为100 mN，比冲为1700-1800秒。 EJE看起来像这样（参见下图），尺寸约为20x20x15 cm。





EJE的a供应量约为5-10千克，被填充到高压气球中。此裕度将使卫星升空到550 km的圆形轨道，将卫星保留在其中五年，然后将轨道从圆形改变为椭圆形成为可能，将近地点从550 km更改为例如250 km，由于其余大气层的减速，卫星就足够了迅速减速并燃烧。



Starlink卫星的主要有效载荷是2个天线组合，用于与网关站（网关）和用户终端进行通信。



与网关（或馈线）通信的天线复合体是在飞行过程中指向网关所在地球点的抛物面天线。馈线在Ka频段（18/30 MHz）中运行。





从表中可以看出，卫星在从网关站到卫星的方向上有2100 MHz的可用空间，在相反方向上有1300 MHz的可用空间。使用两个极化选项（在圆形情况下为左和右），这允许从网关到卫星的最大4200 MHz和沿相反方向的最大2600 MHz用于流量传输。



船上还有4个带有相控阵的扁平方形天线-三个用于将信息从卫星传输到用户终端，另一个用于接收来自终端的信号。





数字：进行镀膜以减少从地面的可见度之前和之后的四个Ku波段相控阵方形天线的视图。



用户终端和卫星之间的通信是在Ku频段内进行的，而2000 MHz可以用于从卫星到用户的传输，而从用户到卫星的传输只能是500 MHz。考虑到业务传输的两种极化，卫星将向下定位4000 MHz，并以1000 MHz接收。



机上还有一套用于命令无线电链路和遥测传输的设备，分别在Ka和Ku频段使用150 MHz。



Starlink卫星是转发器，不处理信息：在船上，它仅更改接收信号的频率及其放大。同样，第一代卫星没有卫星间通信（ISL-卫星间链路），只能接收和向地球传输信息。四个地面站被宣布为TT＆C（命令，控制，遥测接收）站，其中包括位于华盛顿州的Brustner传送站。 Starlink卫星位于TT＆C站的能见区不超过五分钟，而2020年6月从星座收集的数据量约为每天5 TB，即每天至少一颗卫星至少10 GB。



每颗Starlink卫星具有约70个独立的Linux处理器和约10个微控制器。



如果订户终端的仰角不小于25°，则卫星在550 km的轨道上可以用其信号覆盖地球上半径为950 km（即直径约为1900 km）的一个点。注意，在40°或更大的仰角下，平面相控阵天线的有效操作是可能的。





数字：卫星视场的半径为25度，取决于其高度。





只要从卫星发出的信号覆盖地球上卫星的整个视场，就很容易计算出需要多少颗卫星才能在南北50个平行线之间提供100％的地球覆盖率。南北50个平行线之间的地球表面积为3.004亿平方米。公里（地球整个表面为5.1亿平方公里）。因为我们希望100％的覆盖范围没有间隙，所以如果我们仅在浅色区域的圆圈中使用“正方形”，那么区域圈将重叠并且可以确保100％的覆盖范围。这样一个正方形的边是L = D / _√2，



或者，在我们的例子中是L = 1356 km，该正方形覆盖的面积是184万平方公里。这样，只有164颗卫星能在南北50个平行线之间提供100％的地球覆盖率？

那么为什么要使用Space X 1584 AES？

在这里，我们必须讨论任何天线系统的参数，例如天线方向图。







天线辐射方向图是一个非常重要的天线参数，此处的表征标准是信号功率高2倍的角度（在DeciBels中，这相当于3 dB）。





天线辐射方向图的角度取决于其直径（面积），表面利用率（UUF）和信号频率。在这种情况下，仪器的设置取决于天线工作表面上的场振幅分布，超出天线镜边缘的功率泄漏以及其他损耗。除了辐射方向图的主瓣外，天线还具有旁瓣和后瓣。这些花瓣是次级花瓣，从DN的主花瓣中吸收能量。在设计天线时，目标是增加主瓣与第一个（最大）旁瓣的能量之比。



天线的直径（面积）越大，辐射方向图的角度越小，其增益（Cus）越大。



那么，StarLink天线方向图是什么？对于2020年的用户终端，Space X在向FCC提交的文档中发布了下表：





如果我们关注上述45 km地面上的束斑直径，则这对应于4.5度（从天底线偏离时，卫星束方向图（从太空到地球）的角度），该角度显然可以从3变为5度，距离最低点线越远，角度越大），这与该尺寸的扁平天线的参数紧密相关。



SpaceX从2016年开始提交的初步文件显示，光束直径为45公里。（SpaceX 2016年11月15日提交的FCC申请的技术部分附录A的第80页）。



要评估和可视化StarLink覆盖区域，请假设卫星边缘的天线波束角从3.5度（最低点）变为5.5度。对覆盖区域直径的计算表明，与卫星正下方3.5度的波束角相对应的波束直径将为34 km。当光束偏离天底线时，辐射方向图的角度增加：根据上表中的SpaceX数据，该区域的边缘将为5.5度，而地球上一个光束的覆盖区域的直径会增加，并在可见区的外围达到约210公里倾斜角度为25度的AES。根据这种几何形状和StarLink卫星天线的特性，其光线向地球的投影将如下所示：





从理论上讲，以这种方式一颗卫星在其覆盖区域内最多可以有300束这样的光束。这是在视线上的投影（从卫星一侧观看），其中用户终端以25度的仰角看到卫星。



<img src =“ ” align =“ center”>

从Space X文档中无法直接了解在StarLink卫星上将组织多少束光束，但是，我们可以使用以下事实轻松确定在一颗StaRLink卫星的视线中可以操作的最大光束数量在Ku频段中，不可能使用比在Ka频段中通过网关到卫星的馈线传输更多的兆赫兹从卫星向订户终端传输信息-在同时使用两种极化的情况下，就是4200兆赫兹。



在此我们做出以下假设：StarLink卫星属于“弯曲管道”类型，也就是说，无需在船上进行信息处理（即，无需将无线电信号解调为IP数据包并转发它们），也就是说，因为所有更大尺寸的现代通信卫星都可以工作和使用寿命到目前为止，没有证据表明第一代StarLink卫星可能正在处理数据。



从用户终端的参数表（请参阅“ StarLink用户终端”一节）可以看出，从卫星到用户终端的卫星信道的最大宽度在向下方向为240 MHz，在向上方向为60兆赫。在这样的配置中，从在一颗卫星的覆盖区域中使用频率资源的效率的角度来看是最佳的，将不可以运行不超过16个波束，这些波束将充分利用Ku频段中可用的4000 MHz频率资源（考虑到命令无线电链路和遥测传输的保护间隔和频率）。从卫星传输到用户终端时使用两种极化。





请注意，抛物面天线用于Ka波段馈线波束，可在卫星上“提升”互联网流量。为了在固定的可用Ka频段上确保最大的吞吐量，有必要通过增加卫星的信号功率来确保最大的信噪比，为此有必要尽可能缩小地球的覆盖范围-在现代系统中，与HTS卫星配合使用时，其直径约为100公里。考虑到StarLink卫星的高度比对地静止卫星的高度低，馈线波束区域的直径甚至可以更小。 Ka波段窄点的另一个优点是卫星信号不会干扰地球上的其他Ka波段系统。



波束在覆盖区域中从最低点的偏离的控制将是卫星的相控天线，它可以根据Space X在FCC上的应用在任何方向上偏转波束（可控波束），甚至改变其形状（可成形）。



在550 km的高度上，卫星以这样的速度移动，使其在订户终端的能见度区域中的飞行时间为4.1分钟，即大约250秒。如果StarLink系统采用一组位于同一区域的终端来实现卫星的最大会话时间和将终端切换到不同终端的最小次数的思想，则下图对此进行了说明，其中卫星通过将其安装在一组终端上来控制其波束。一个地理区域。





另一个选择是假设卫星上的波束固定在相对于地球的某个位置（倾斜角），并且用户终端天线的任务是“进入”该波束。考虑到用户终端的天线方向性图也很小的事实，该选项需要非常大量的卫星。



卫星上的光束很少，这使得太空X很难覆盖100％的领土，并回答了为什么太空X被迫发射这么多卫星的问题。更有趣的是，这些相同的计算提供了答案，为什么空间X被迫将最小仰角从40度减小到25度，尽管事实上这会大大降低其相控阵天线的效率。



在550 km的AES高度处，仰角最大为25度的AES可见区的直径约为1900 km，该区域的面积为2835294平方千米



。下表计算了完全覆盖地球表面上的卫星可见区域所需的卫星波束数量。在大于25度的仰角内。用户终端天线直径取为48厘米。





显然，从覆盖最大区域的角度来看，尽管实际上天线的有效面积（以及其吞吐量）在那里急剧减小，但处理从卫星而不是到达天底（亚卫星点）而是指向可见区外围的波束更有效。 ...



现在还可以估计波束的数量，因此可以估算100％覆盖任何平行线（例如，北纬50纬线（其长度为25740公里，目前



正在进行封闭Beta测试）的覆盖率）所需的卫星数。仰角略小于40度如果波束直径为160 km，则覆盖区域的保证宽度（该宽度等于波束圆内切正方形的边）等于113.5 km，并且对应于第50条平行卫星在其整个地球长度范围内可见的227颗卫星。



第53个平行线之间的地表面积为3.004亿公里。如果我们将1束光束的有效覆盖面积设为113.5 x 113.5 = 12876 sq。Km，那么所需的束数将为23330，并且如果一颗卫星上有16束光束，则至少需要1458颗卫星才能完全覆盖，这非常已接近Space X宣布的StarLink部署第一阶段的1584年。



显而易见的是，StarLink终端中驱动机构的出现与将天线朝向卫星旋转的需求紧密相关的原因是，为了在终端的小仰角（理想情况下为90度）上提供相控平面与卫星方向之间的大致像角。





卫星，网关和用户终端整个网络的整体协调和控制是由网络运营中心进行的，这是Starlink系统中最未知，最不可见和最不报告的部分。



Starlink卫星在550 km的轨道中的寿命约为5年，此后k工作流体的供应结束，并且该卫星要么根据命令将其轨道降低到大气层，要么在失去与地球的通信的情况下逐渐降低，并由于大气层的残留而减慢。并燃烧（有关更多信息，请参见空间碎片一节）。



Starlink卫星以几乎大规模的生产方式在世界上首次生产。据SpaceX称，其生产能力每月可生产多达120颗Starlink卫星。注意，对地静止轨道的通信卫星的平均生产时间现在为2-3年。



毫无疑问，如此高的生产率大大缩短了测试和检查周期，而且我们还注意到，为了节省人造卫星的成本，使用了更便宜的部件和组件，特别是昂贵的氙气被更便宜的k替代为EP的工作液。



因此，部件的需求和地面测试周期的减少反映在卫星的资源和可靠性上，而卫星的设计正在根据空间测试的结果而定下来。



下表表示了2020年9月13日Starlink卫星的可靠性：





2020年10月1日，Space X发布了新的信息，介绍了“死”（与卫星之间的通信中断）和“不可操纵”（即遥控器失灵）的概念。这就是10月1日StarLink卫星星座的状态。





接下来，我们将讨论Starlink网络中最复杂，最重要的要素-地面综合体。