Предлагаю ознакомиться с ранее размещенными материалами по проекту StarLink (SL):
‣ Часть 30. Сравнение сервиса StarLink с сервисами других операторов ШПД
‣ Часть 31. Описание антенны Ка-диапазона
‣ Часть 32. Проблемы терминалов StarLink из-за перегрева
‣ Часть 33. Прошивка Терминала
‣ Часть 34. SpaceX планирует купить компанию SWARM
‣ Часть 35. Проблема StarLink и LEO группировок
‣ Часть 36. Ретроспектива частотных планов
‣ Часть 37. НеДовыход из бета-версии и проблемы с выполнением предзаказов
‣ Часть 38. Новый терминал StarLink UT-2
В данной статье рассматривается изменения частотных планов спутниковой сети StarLink с 2016 по 2020 год, как отражение поиска инженеров SpaceX оптимального облика данной сети.
Как известно, свою первую заявку на спутниковую сеть для широкополосного доступа SpaceX подал в ФСС 16 ноября 2016 года. Этому предшествовали встречи и переговоры между основателем SpaceX Илоном Маском и основателем проекта OneWEB Грегом Уайлером, который возможно и заразил Илона Маска широкими перспективами спутниковой сети, которая может обеспечить широкополосный интернет в любой точке планеты. К сожалению, эти два талантливых человека не смогли уместить свои амбиции в один проект и пошли каждый своим путем. 28 апреля 2016 года компания WorldVu Satellites Limited подала свою заявку в ФСС на развертывание своей спутниковой сети из 720 спутников на полярной орбите высотой 1200 км, а полгода спустя 16 ноября 2016 года свою заявку подала и компания SpaceX. Ее группировка состояла из гигантского по тому времени числа спутников: 4425 ИСЗ на орбитах от 1110 до 1325 км.
Сравним частотные планы обеих заявок SpaceX и OneWEB, которые приведены в Annex S файлов, поданных компаниями в FCC (Табл. 1). Очевидно, что в первой заявке SpaceX есть большое влияние OneWEB, начиная от названия каналов, и кончая их конфигурацией.
Table 1a Comparison of Frequency Plans (Receive) of OneWEB and StarLink in 2016 Application
Table 1b Comparison of Frequency Plans (Transmit) in OneWEB`s and StarLink`s Applications-2016
Не прошло и года, как 26 июля 2017 года SpaceX подает новую заявку Первого этапа (2016-2017) проекта StarLink. Отметим, что в момент подачи второй заявки от 2017 года, FCC еще не принял решение по одобрению заявки от 2016 года.
В заявке от 2017 года увеличен используемый StarLink частотный ресурс, в направлении от абонентского терминала на спутник более чем в 2 раза, а в направлении от Гейтвея на спутник на 200 МГц (или 5%). Возможно инженеры лучше оценили потенциал технический решений, например, фазированных антенных решеток, заложенных в ИСЗ StarLink и их зоны покрытия. Заявка от 2017 года — последняя заявка Первого этапа представления SpaceX своей будущей низкоорбитальной системы. Отметим, что заявка формировалась похоже в спешке и содержит грубые описки, когда каналам телеметрии назначается частотный диапазон сервисных лучей, что скорее всего объяснимо дефицитом опытных сотрудников и сжатыми сроками подготовки документов.
Рис. 1. Опечатки в тексте Заявки от 26 07 2017 AnneX S, стр. 232
В Таблице 2 собрана информация по частотным планам всех 5 заявок, поданных SpaceX в ФСС. Надо отметить, что частотные планы приведены для ИСЗ, и в ней полоса частот, принимаемая абонентским терминалом, является для спутника частотами передачи. Так же и в Ка-диапазоне, сигнал, передаваемый с ИСЗ на Гейтвей, для Гейтвея является принимаемым.
Table 2 Information on the frequency plans of the StarLink constellation in SpaceX applications in 2016-2020
Table 2 Information on the Beam parameter of the StarLink constellation grouping in SpaceX applications 2016-2020 year.
В 2018 с подачей третьей заявки от 8 ноября 2018 года начался Второй этап для проектирования спутников StarLink.
Если отталкиваться от хронологии проекта StarLink, то до подачи в FCC заявки 08 ноября 2018 года произойдут следующие события:
30 марта 2018 г. — получено разрешение FCC на заявку от ноября 2016 года на сеть из 4425 спутников.
22 февраля 2018 г. – Ракетой-носителем Falcon 9 в качестве попутной нагрузки успешно запущены два тестовых спутника (Microsat-2a и Microsat-2b).
Октябрь 2018 г. — реорганизация офиса в Рэдмонде с увольнением семи сотрудников (в том числе двух топ-менеджеров проекта Starlink). Среди уволенных оказались вице-президент по спутниковому направлению Раджив Бадьял и один из главных конструкторов Марк Кребс, занимавшийся проектом спутникового интернета еще в Google.
Вряд ли увольнение топ-менеджеров проекта так быстро повлияло на видение и облик группировки StarLink, в отличие от результатов тестирования МикроСатов, и частотный план следующих 2 итераций 2018-2019 года коренным образом отличается от того, чтобы было в 2016-2017 годах на Первом этапе.
На Втором этапе появляется огромное число (более 200 !) узких каналов по 50 МГц (то есть в 10 раз (!) меньше чем на Первом этапе), в 2-3 раза увеличивается полоса частот, предназначенная для использования, и что самое интересное полоса частот фидерной линии сильно отличается от полосы частот сервисных каналов, в целом такое строение очень характерно для ИСЗ High Throughput Satellite с переиспользованием частот в небольших по размерам зонам покрытия (ячейкам). Возможно, что именно в этот момент была сформирована концепция микроячеек размером 15 миль. Малый размер которых позволяет иметь очень высокую энергетику (ЭИИМ) в них, и использовать модуляцию (8PSK – 16APSK) с высокой спектральной эффективностью даже для терминалов с очень малым размером антенны. Однако, столь малый размер ячейки (ее площадь менее 400 кв.км), дает их большое количество на земной поверхности (в зоне между 53 параллелями на поверхности Земли насчитывается почти 800000 ячеек. При предложенном варианте, каждый спутник мог обслуживать 161 ячейку на Земле, или при 1584 ИСЗ Первого этапа – 255 тысяч ячеек, то есть одну треть, имевшихся на поверхности Земли между 53 параллелями, а при полной группировке из 4400 ИСЗ практически всю территорию Земли, включая полярные шапки…
Однако, к этому моменту времени стало очевидно, что размер абонентского терминала не должен быть более 20 дюймов (50 см) в диаметре, если речь идет о массовом рынке и индивидуальном монтаже терминала на частном доме силами самого абонента. При таком размере антенны и лимитах плотности мощности излучения со спутника, которые прописаны в требованиях ITU, можно было рассчитывать на спектральную эффективность не более 3…3,5 бит/Гц в самом лучшем случае. То есть при полосе луча в 50 МГц это было бы 150…180 Мбит.
Однако, 1 августа 2019 стартовала разработка программы RDOF (Rural Digital Opportunity Fund), и стало ясно, что оптимальный вариант сервиса, который позволяет спутниковому провайдеру надеяться на дотацию из этого фонда — это тарифный план со скоростью 100/20 Мбит/с. Каналы шириной 50 МГц со скоростью 150-180 Мбит/с на всех абонентов в этом луче (то есть территории в 400 кв.км) могли предложить такой сервис буквально 2-3 абонентам, и не давали SpaceX никаких шансов на победу в конкурсе RDOF. Так же отметим, что постоянно росло среднее потребление трафиком абонентами, и, соответственно, средняя скорость, необходимая одному абоненту, особенно в вечерний прайм-тайм.
Поэтому возвращение к каналам большей ширины стало естественным шагом, что и произошло на Третьем этапе в 2020 году, когда был подан последний пятый вариант заявки SpaceX на сеть StarLink в Кu/Ка диапазонах.
В этой заявке специалисты SpaceX решили максимально минимизировать объем предоставляемой информации, и для линии Космос – Абонентский терминал заявили всего 1 канал в каждой поляризации (правой и левой) по 2000 МГц, хотя на практике они используют тут 8 каналов по 240 МГц и только в одной правой поляризации на прием.
Судя по отсутствию на данный момент новых версий заявки SpaceX на сеть StarLink в Кu/Kа диапазонах, последняя заявка оптимально соответствует конструкции спутника в версии 1.0 и 1.5 и имеющегося на нем радиотехнического комплекса, и какие-то большие изменения здесь возможны только для второго поколения – Generation 2 с 30000 спутников, заявка на которое была отправлена в ФСС 26 мая 2020 года, то есть через месяц после пятой заявки на первое поколение StarLink.
На сегодня декабрь 2021 года можно сделать вывод, что хотя частотная заявка позволяет использовать практически весь возможный к использованию Кu-диапазон, реализовать это в конструкции самого спутника и абонентского терминала, по-видимому, не удалось, судя по имеющимся отзывам потенциальных абонентов в США, разместившим свои предзаказы в феврале 2021 года, они не могут получить сервис, в то время как абоненты в Европе и Австралии могут получить терминалы практически через неделю – две, то есть существует ограничение расширения числа абонентов не только из-за низкого темпа их производства, из-за нехватки чипов, возникшего в связи эпидемией COVID-19, но и не хватки пропускной способности сети, которая стала наблюдаться уже при подключении 120…130 000 абонентов в США и Канаде, при том, что было развернуто на рабочей орбите почти 1500 спутников – то есть 95% от запланированной группировки Первого этапа (1584 ИСЗ).
Отметим, что уже в первой своей заявке SpaceX заявила 150 МГц для передачи служебной информации по каналам TT&C, в то время как OneWEB было нужно для этого всего в сумме менее 40 МГц. Скорее всего это связано с желанием передать на Станцию управления значительно больший объем информации с борта спутника. Еще большая потенциальная скорость на линии управления и телеметрии до 1100 МГц (!), то есть по сути использование полосы частот сервисных каналов в целях передачи служебной информации с борта спутника заявлено в самой последней заявке. Это может быть связано как с тем, что снижена высота орбиты группировки с 1100 до 550 км, то есть спутник будет пребывать в зоне видимости станции Контроля и Управления в 2 раза меньше времени. Отметим, что в целом SpaceX заявил всего 4 контрольных станций на всем Земном шаре (Brewster (штат Вашингтон в США), Кордова (Аргентина), Тромсё (Норвегия), Аваруа (Новая Зеландия)) и нет гарантии, что остальные 3 кроме Брюстнера находятся в эксплуатации, то перед SpaceX стоит задача получить максимум служебной информации с борта спутника, собранной там за сутки за те 2-3 минуты, когда спутник находится в зоне видимости контрольной станции.
Также наличие возможности передавать большой объем информации по каналу телеметрии, открывает возможность использование спутника и для наблюдения Земли, то есть режима, где информация не получается с Земли по линии Гейтвей – Спутник, а формируется непосредственно на борту цифровыми средствами мониторинга поверхности Земли или Космического пространства
