كل شيء عن مشروع Starlink Satellite Internet. الجزء 2. شبكة Starlink

الجزء 1 الجزء 2 ستارلينك



مركبة فضائية مصممة خصيصا لإطلاق مجموعة مع اثنين من أكوام من 30 قمرا صناعيا كل تحت هدية صاروخ فالكون 9 ولها أبعاد: الطول - 3،2 متر، عرض - 1.6 مترا، وارتفاع - 0.2 م (تقدير حجم المقدمة من الصورة أدناه).



صورة


تُظهر الصورة تركيب أقمار ستارلينك الصناعية تحت غطاء فالكون 9. الهوائيات المكافئة لخط اتصال وحدة التغذية مع بوابات النطاق Ka محاطة بدائرة باللون الأحمر



صورة


أقمار ستارلينك الصناعية في وقت الانفصال عن المرحلة الثانية من صاروخ فالكون 9. الهوائيات المكافئة لخط اتصال التغذية مع بوابات النطاق Ka محاطة بدائرة باللون الأزرق.



هنا يمكنك مشاهدة مقطع فيديو لفصل الأقمار الصناعية عن صاروخ FALKON





بعد وضع مجموعة من الأقمار الصناعية في مدار مرجعي (كقاعدة عامة ، 280 كم) ، تفتح الأقمار الصناعية البطاريات الشمسية ، وتتصل بمركز التحكم الأرضي وتتحقق من قابلية التشغيل وعدم وجود ضرر عند الانفصال عن الصاروخ ، ثم تقوم بتنشيط محركات الصواريخ الكهربائية (ERE) على الكريبتون والبدء الحركة إلى مدار العمل ، والتي تستغرق 2-3 أشهر.



عند الإطلاق ، يتم طي الألواح الشمسية مثل الأكورديون وتحتوي على 12 مقطعًا ، حيث يكون الجانب الطويل من كل جزء مساويًا لعرض القمر الصناعي (3.2 م)



صورة


يمكننا تقدير أبعاد كل قطعة عند 3 م × 0.8 م ، وبالتالي فإن إجمالي مساحة المصفوفة الشمسية 12 × 3 × 0.8 = 28.8 م 2.



بسبب الفقد بين الخلايا الشمسية وعند الحواف (عامل التعبئة 0.9 ) ، يمكن تقريب هذه القيمة حتى 26 متر مربع.



دعونا نأخذ كثافة تدفق الإشعاع الشمسي على أنها 1300 واط / م 2 ، وكفاءة اللوحة عند 18٪ ، ونحصل على حوالي 6 كيلو وات من أقصى طاقة كهربائية (ذروة). (للمقارنة ، فإن الأقمار الصناعية "Express" على منصة "Express -1000" التي تزن 1450 كجم لها قدرة بطارية شمسية تبلغ حوالي 3 كيلو وات ، ولكن ربما تكون هذه قيمة متوسطة).



تعتمد الطاقة الفعلية على موضع الألواح الشمسية بالنسبة للشمس: يكون الحدوث الأمثل للأشعة على اللوحة بزاوية قائمة.



لنقل قمر صناعي من مدار مرجعي يبلغ 280 كم إلى مدار عمل بطول 550 كم والاحتفاظ به ، يتم استخدام محركات البلازما أو EJEs. إذا بدأنا من EJE للأقمار الصناعية الصغيرة مثل الروسية SPD-100 أو BHT-1500 الأجنبية ، فإن استهلاكها للطاقة يبلغ حوالي 1.5 كيلو واط ، ويكون الدفع 100 ملي نيوتن ، مع دفعة محددة من 1700-1800 ثانية. يبدو EJE شيئًا من هذا القبيل (انظر الشكل أدناه) ولها أبعاد حوالي 20x20x15 سم.



صورة


تمتلك EJEs إمدادًا من الكريبتون بحوالي 5-10 كجم ، والذي يتم تعبئته في بالونات عالية الضغط. سيمكن هذا الهامش من رفع القمر الصناعي إلى مدار دائري بطول 550 كم ، والاحتفاظ بالقمر الصناعي فيه لمدة خمس سنوات ، ثم تغيير المدار من دائري إلى بيضاوي ، وتغيير نقطة الحضيض من 550 كم إلى 250 كم مثلاً ، حيث يكون القمر الصناعي كافيًا بسبب تباطؤ باقي الغلاف الجوي. تتباطأ بسرعة وتحترق.



الحمولة الرئيسية للساتل Starlink عبارة عن مجمعين من الهوائيات للاتصال بمحطات البوابة (البوابات) ومطاريف المشتركين.



مجمع الهوائي للاتصال بالبوابات (أو خط التغذية) عبارة عن هوائيات مكافئة يتم توجيهها أثناء الطيران إلى النقطة الموجودة على الأرض حيث توجد البوابة. يعمل خط التغذية في النطاق Ka (18/30 ميجا هرتز).



الطاولة


كما يلي من الجدول ، يمتلك القمر الصناعي 2100 ميجاهرتز تحت تصرفه في الاتجاه من محطة البوابة إلى القمر الصناعي و 1300 ميجاهرتز في الاتجاه المعاكس. باستخدام كلا خياري الاستقطاب (اليسار واليمين في حالة التعميم) ، يسمح هذا بحد أقصى 4200 ميجاهرتز من البوابة إلى القمر الصناعي و 2600 ميجاهرتز في الاتجاه المعاكس لاستخدامها في نقل حركة المرور.



يوجد أيضًا على متن الطائرة 4 هوائيات مربعة مسطحة مع صفيف مرحلي - ثلاثة لإرسال المعلومات من القمر الصناعي إلى محطة المشترك وواحد لاستقبال إشارة من المطراف.





الشكل: عرض أربعة هوائيات مربعة ذات صفيف مرحلي من نوع Ku قبل الطلاء وبعده لتقليل الرؤية من الأرض.



يتم إجراء الاتصال بين محطة المشترك والقمر الصناعي في النطاق Ku-band ، بينما يمكن استخدام 2000 ميجا هرتز للإرسال من القمر الصناعي إلى المشترك ، و 500 ميجا هرتز فقط من المشترك إلى القمر الصناعي. بالنظر إلى الاستقطابين الخاصين بنقل حركة المرور ، فإن القمر الصناعي يضع 4000 ميجاهرتز لأسفل ويستقبل عند 1000 ميجاهرتز.



يوجد أيضًا على متن الطائرة مجموعة من المعدات لوصلة راديو الأمر وإرسال القياس عن بُعد ، باستخدام 150 ميجاهرتز ، على التوالي ، في نطاقي Ka و Ku.



القمر الصناعي Starlink هو مكرر ولا يعالج المعلومات: على متنه يغير فقط تردد الإشارة المستقبلة وتضخيمها. أيضًا ، لا تحتوي أقمار الجيل الأول على اتصال بين الأقمار الصناعية (ISL - Inter Satellite Link) ويمكنها تلقي المعلومات ونقلها إلى الأرض فقط. كمحطة TT&C (القيادة والتحكم واستقبال القياس عن بعد) تم الإعلان عن 4 محطات أرضية ، بما في ذلك Brustner teleport الموجود في ولاية واشنطن. يقع القمر الصناعي Starlink في منطقة الرؤية لمحطة TT&C لمدة لا تزيد عن خمس دقائق ، بينما كانت كمية البيانات التي تم جمعها من الكوكبة حوالي 5 تيرابايت يوميًا في يونيو 2020 ، أي ما لا يقل عن 10 جيجابايت من قمر صناعي واحد يوميًا.



يحمل كل قمر صناعي من Starlink حوالي 70 معالج Linux منفصل وحوالي 10 متحكمات دقيقة.



نظرًا لكونه في مدار يبلغ 550 كيلومترًا ، يمكن للساتل أن يغطي بإشارته بقعة على الأرض يبلغ نصف قطرها 950 كيلومترًا (أي يبلغ قطرها حوالي 1900 كيلومترًا) ، بشرط ألا تقل زاوية ارتفاع محطة المشترك عن 25 درجة. لاحظ أن التشغيل الفعال لهوائيات المصفوفة المسطحة الطور ممكن بزاوية ارتفاع تبلغ 40 درجة أو أكثر.





الشكل: نصف قطر منطقة رؤية القمر الصناعي بزاوية 25 درجة ، حسب ارتفاعه.



المدار "أ" ، كم 540 560 570
أقصى زاوية انحراف α (بالدرجات) 56.7 56.4 56.3
منطقة التغطية "ص" ، كم 926.8 954.6 968.4


من السهل حساب عدد الأقمار الصناعية اللازمة لتوفير تغطية 100٪ للأرض بين الشمال والجنوب 50 متوازياً ، بشرط أن تغطي الإشارة من القمر الصناعي مجال رؤية القمر الصناعي بالكامل على الأرض. تبلغ مساحة سطح الأرض بين الشمال والجنوب 50 متوازياً 300.4 مليون متر مربع. كم (تبلغ مساحة الكرة الأرضية بأكملها 510 مليون كيلومتر مربع). نظرًا لأننا نحتاج إلى تغطية بنسبة 100٪ بدون فجوات ، فسوف تتداخل دوائر المنطقة ويتم ضمان تغطية 100٪ إذا استخدمنا فقط "المربعات" في دائرة منطقة الضوء. ضلع مثل هذا المربع هو L = D / √2



أو ، في حالتنا ، L = 1356 كم ، والمساحة التي يغطيها المربع هي 1.84 مليون كيلومتر مربع. وبالتالي ، فإن 164 قمراً صناعياً فقط ستوفر تغطية 100٪ للأرض بين 50 متوازياً شمالاً وجنوب؟





إذن لماذا Space X 1584 AES؟



وهنا يجب أن نتحدث عن مثل هذه المعلمة لأي نظام هوائي مثل مخطط اتجاه الهوائي.







مخطط إشعاع الهوائي هو معلمة مهمة جدًا للهوائي ، والمعيار المميز هنا هو الزاوية التي تكون فيها قدرة الإشارة أعلى بمرتين (وفي ديسيبل يقابل هذا dB 3).





تعتمد زاوية مخطط إشعاع الهوائي على قطره (المنطقة) وعامل استخدام السطح (UUF) وتردد الإشارة. في هذه الحالة ، يتم تحديد الأجهزة من خلال توزيع اتساع المجال على سطح العمل للهوائي ، وتسرب الطاقة خارج حواف مرآة الهوائي وخسائر أخرى. بالإضافة إلى الفص الرئيسي لمخطط الإشعاع ، يحتوي الهوائي أيضًا على فصوص جانبية وفص خلفي. هذه البتلات ثانوية وتستمد طاقتها من البتلة الرئيسية في DN. عند تصميم الهوائيات ، يكون الهدف هو زيادة نسبة طاقة الفص الرئيسي إلى الفص الجانبي الأول (الأكبر).



كلما كبر قطر (منطقة) الهوائي ، كلما صغرت زاوية مخطط الإشعاع وزاد كسبه (Cus).



إذن ما هي أنماط هوائي StarLink؟ بالنسبة لمحطة المشترك في 2020 في المستندات المودعة لدى FCC ، نشر Space X الجدول التالي:





إذا ركزنا على القطر المذكور أعلاه لحزمة الحزمة على الأرض عند 45 كم ، فهذا يتوافق مع زاوية نمط شعاع القمر الصناعي (من الفضاء إلى الأرض) عند 4.5 درجة (عند الانحراف عن خط النظير ، يمكن أن تتغير الزاوية على ما يبدو من 3 إلى 5 درجة ، كلما زاد البعد عن خط النظير ، زادت الزاوية) ، والتي ترتبط جيدًا بمعلمات هوائي مسطح بهذا الحجم.



أشار الإيداع الأولي لـ SpaceX من عام 2016 إلى أن قطر الحزمة سيكون 45 كم. (الصفحة 80 من الملحق أ من الجزء الفني لملف FCC الخاص بـ SpaceX بتاريخ 15 نوفمبر 2016).



لتقييم وتصور منطقة تغطية StarLink ، افترض أن زاوية مخطط حزمة الهوائي على القمر الصناعي تتغير من 3.5 درجة (نظير) إلى 5.5 درجة عند حافة المنطقة. وتبين حسابات قطر منطقة التغطية أن قطر الحزمة المقابلة لزاوية حزمة 3.5 درجة تحت الساتل مباشرة سيكون 34 km. عندما تنحرف الحزمة عن خط النظير ، تزداد زاوية نمط الإشعاع: وفقًا لبيانات SpaceX في الجدول أعلاه ، ستكون 5.5 درجة لحافة المنطقة ، بينما يزيد قطر منطقة التغطية لحزمة واحدة على الأرض ويصل إلى حوالي 210 كيلومترات في محيط منطقة الرؤية AES بزاوية ميل 25 درجة. بناءً على هذه الهندسة وخصائص الهوائيات الفضائية StarLink ، سيبدو إسقاط أشعتها على الأرض كما يلي:





يمكن أن يحتوي أحد الأقمار الصناعية بهذه الطريقة نظريًا على ما يصل إلى 300 حزمة من هذا القبيل في منطقة تغطيته. هنا هو إسقاط (منظر من جانب القمر الصناعي) لمجال الرؤية ، حيث ترى محطات المشترك القمر الصناعي بزاوية ارتفاع 25 درجة.



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

لا يمكن فهم عدد الحزم التي سيتم تنظيمها على القمر الصناعي StarLink مباشرة من مستندات Space X ، ومع ذلك ، يمكننا بسهولة تحديد الحد الأقصى لعدد الحزم التي يمكن أن تعمل في خط رؤية أحد قمر StaRLink باستخدام الحقيقة أنه في النطاق Ku ، من المستحيل استخدام المزيد من الميجاهرتز لنقل المعلومات من القمر الصناعي إلى محطة المشترك أكثر مما لدينا في النطاق Ka للإرسال عبر خط التغذية من البوابة إلى القمر الصناعي - أي 4200 ميغا هرتز في حالة استخدام كلا الاستقطابين.



نحن هنا نفترض الافتراض التالي بأن القمر الصناعي StarLink ينتمي إلى نوع "الأنبوب المنحني" ، أي بدون معالجة المعلومات على متنه (أي بدون إعادة تشكيل إشارة الراديو إلى حزم IP وإعادة توجيهها) ، أي لأن جميع أقمار الاتصالات الحديثة ذات الأحجام الأكبر تعمل ومدة الخدمة حتى الآن ، لا توجد معلومات تفيد بأن معالجة البيانات على الجيل الأول من القمر الصناعي StarLink يمكن أن تكون.



كما يتضح من جدول معلمات محطة المشترك (انظر قسم محطة المشترك StarLink) أن عرض القناة الساتلية من القمر الصناعي إلى محطة المشترك يبلغ 240 ميجاهرتز في الاتجاه الهابط و 60 ميغا هرتز في الاتجاه الصاعد للقمر الصناعي. في مثل هذا التكوين ، وهو الأمثل من وجهة نظر كفاءة استخدام مورد التردد في منطقة التغطية لقمر صناعي واحد ، لن يتمكن أكثر من 16 حزمة من العمل ، والتي تستخدم بشكل كامل مورد التردد 4000 ميجا هرتز المتاح في النطاق Ku (مع مراعاة فترات الحراسة والترددات لوصلة راديو الأمر ونقل القياس عن بُعد) في باستخدام كلا الاستقطابين عند الإرسال من القمر الصناعي إلى محطة المشترك.





لاحظ أنه يتم استخدام هوائي مكافئ لحزمة تغذية النطاق Ka ، والتي توفر "رفع" حركة مرور الإنترنت على متن القمر الصناعي. من أجل ضمان أقصى قدر من الإنتاجية مع نطاق تردد ثابت متاح من نوع Ka ، من الضروري ضمان الحد الأقصى لنسبة الإشارة إلى الضوضاء عن طريق زيادة قوة الإشارة من القمر الصناعي ، ولهذا من الضروري تضييق منطقة التغطية على الأرض قدر الإمكان - في الأنظمة الحديثة ، تعمل مع أقمار HTS ، يبلغ قطرها حوالي 100 كيلومتر. بالنظر إلى أن الأقمار الصناعية StarLink تقع على ارتفاع أقل بكثير من الأقمار الصناعية الثابتة بالنسبة للأرض ، يمكن أن يكون قطر منطقة الحزمة المغذية أصغر. ميزة إضافية للنقطة الضيقة للنطاق Ka هي أن إشارة الساتل لا تتداخل مع أنظمة النطاق Ka الأخرى على الأرض.



سيكون التحكم في انحراف الحزمة عن نظيرتها في منطقة التغطية عبارة عن هوائي مرحلي للقمر الصناعي ، والذي يمكنه تحويل الحزمة في أي اتجاه (شعاع قابل للتوجيه) وحتى تغيير شكله (يمكن تشكيله) وفقًا لتطبيق Space X إلى لجنة الاتصالات الفيدرالية.



على ارتفاع 550 كم ، يتحرك القمر الصناعي بسرعة بحيث يكون وقت رحلته في منطقة الرؤية لمحطة المشترك 4.1 دقيقة ، أو حوالي 250 ثانية. إذا كان نظام StarLink يطبق أيديولوجية الحد الأقصى لوقت جلسة القمر الصناعي مع مجموعة من المحطات الطرفية الموجودة في نفس المنطقة والحد الأدنى لتسليم المحطة الطرفية إلى أطراف مختلفة ، فسيتم توضيح ذلك من خلال الشكل التالي ، حيث يتحكم القمر الصناعي في الحزمة الخاصة به عن طريق تثبيته على مجموعة واحدة من المحطات الطرفية في منطقة جغرافية واحدة.





ويفترض خيار آخر أن الحزمة الموجودة على الساتل ثابتة في موضع ما (زاوية الميل) على الأرض وأن مهمة هوائي مطراف المشترك هي "الدخول" في هذه الحزمة. يتطلب هذا الخيار عددًا كبيرًا جدًا من الأقمار الصناعية ، مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن مخطط اتجاه الهوائي لمحطة المشترك صغير أيضًا.



العدد القليل من الحزم على متن القمر الصناعي يجعل من الصعب على Space X تغطية 100٪ من المنطقة ويعطي إجابة على السؤال عن سبب إجبار Space X على إطلاق العديد من الأقمار الصناعية. والأكثر إثارة للاهتمام ، أن هذه الحسابات نفسها تقدم الإجابة عن سبب إجبار Space X على تقليل زاوية الارتفاع الدنيا من 40 درجة إلى 25 درجة ، على الرغم من حقيقة أن هذا يقلل بشكل كبير من كفاءة هوائي صفيف الطور.



يبلغ قطر منطقة رؤية AES بزاوية ارتفاع تصل إلى 25 درجة عند ارتفاع AES 550 كيلومترًا تقريبًا 1900 كيلومترًا ، وتبلغ مساحة هذه المنطقة 2835294 كيلومترًا مربعًا.



يحسب الجدول أدناه عدد حزم الأقمار الصناعية المطلوبة لتغطية المنطقة المرئية من القمر الصناعي على سطح الأرض بالكامل في بزاوية ارتفاع أكبر من 25 درجة. يؤخذ قطر هوائي محطة المشترك على أنه 48 سم.



زاوية الارتفاع بالدرجات قطر منطقة الشعاع ، كم منطقة الشعاع ، km2 عدد الحزم للتغطية الكاملة للمنطقة منطقة الهوائي الفعال ، م 2
80 40 1،257 266 0.178
70 50 1964 1،444 0.170
60 60 2827 1003 0.157
50 80 5027 564 0.138
40 130 13273 214 0.116
ثلاثين 210 34636 82 0.090


من الواضح ، من وجهة نظر تغطية المنطقة القصوى ، أنه من الأكثر كفاءة العمل مع الحزم الموجهة من القمر الصناعي ليس إلى النظير (نقطة فرعية تابعة للقمر الصناعي) ، ولكن إلى محيط منطقة الرؤية ، على الرغم من حقيقة أن منطقة الهوائي الفعالة (وبالتالي معدل نقلها) تتناقص بشكل حاد ...



من الممكن الآن أيضًا تقدير عدد الحزم ، وبالتالي عدد الأقمار الصناعية المطلوبة لتغطية 100٪ لأي موازٍ ، على سبيل المثال ، خط العرض 50 من خط العرض الشمالي (يبلغ طوله 25740 كم ، حيث يُجرى حاليًا اختبار تجريبي مغلق.



عند زاوية ارتفاع تقل قليلاً عن 40 درجة ويبلغ قطر الحزمة 160 كم ، والعرض المضمون لمنطقة التغطية (العرض يساوي جانب المربع المدرج في دائرة الحزمة) هو 113.5 كم ويتوافق مع 227 قمراً يمكن رؤيته من خط عرض 50 على طول طوله بالكامل حول الأرض.



تبلغ مساحة سطح الأرض بين المتوازيات 53 300.4 مليون كيلومتر. إذا أخذنا منطقة التغطية الفعالة لحزمة واحدة على أنها 113.5 × 113.5 = 12876 كم مربع ، فسيكون العدد المطلوب من الحزم 23330 ، وإذا كان هناك 16 حزمة على قمر صناعي واحد ، فإننا نحتاج إلى 1458 قمرًا صناعيًا على الأقل لتغطية كاملة ، وهو أمر بالغ الأهمية ما يقرب من 1584 تم الإعلان عنها بواسطة Space X للمرحلة الأولى من نشر StarLink.



يتضح أيضًا أن سبب ظهور آلية القيادة في محطة StarLink متصل بدقة بالحاجة إلى تدوير الهوائي نحو القمر الصناعي من أجل توفير زاوية مناسبة إلى حد ما بين المستوى المرحلي والاتجاه إلى القمر الصناعي عند زوايا ارتفاع صغيرة للمحطة (بشكل مثالي 90 درجة).





يتم تنفيذ التنسيق الشامل والتحكم في الشبكة الكاملة للأقمار الصناعية والبوابات ومحطات المشتركين بواسطة مركز عمليات الشبكة - وهذا هو الجزء غير المعروف وغير المرئي وغير المعلن من نظام Starlink.



يبلغ العمر الافتراضي للقمر الصناعي Starlink في مدار يبلغ 550 كم حوالي 5 سنوات ، وبعد ذلك ينتهي إمداد سائل العمل الخاص بالكريبتون ، ويقوم القمر الصناعي إما بتخفيض مداره إلى طبقات كثيفة من الغلاف الجوي ، أو في حالة فقدان الاتصال بالأرض ، يتناقص تدريجيًا ، ويتباطأ بفعل بقايا الغلاف الجوي وتحترق (سيتم كتابة المزيد عن هذا في القسم الخاص بالحطام الفضائي).



يتم إنتاج أقمار Starlink لأول مرة في العالم في وضع الإنتاج على نطاق واسع تقريبًا. وفقًا لـ SpaceX ، فإن طاقتها الإنتاجية قادرة على إنتاج ما يصل إلى 120 قمراً صناعياً من Starlink شهريًا. لاحظ أن متوسط ​​وقت إنتاج قمر صناعي للاتصالات في مدار ثابت بالنسبة للأرض هو الآن 2-3 سنوات.



مما لا شك فيه أن معدل الإنتاج هذا يقلل بشكل كبير من دورة الاختبار والفحص ، ونلاحظ أيضًا أنه لتوفير المال في القمر الصناعي ، يتم استخدام مكونات ومكونات أرخص ، على وجه الخصوص ، يتم استبدال الزينون باهظ الثمن بكريبتون أرخص بكثير مثل سائل العمل في EP.



وبالتالي ، ينعكس انخفاض في متطلبات المكونات ودورة الاختبار الأرضية في كل من الموارد وموثوقية الأقمار الصناعية ، والتي يجري الانتهاء من تصميمها بناءً على نتائج الاختبارات في الفضاء.



في 13 سبتمبر 2020) تميزت موثوقية أقمار ستارلينك بالجدول التالي:



نوع أطلقت توتال أزال من الأرض بأمر من الأرض إخراج المدار غير المنضبط لا تناور (ربما يكون خارج الترتيب) ٪ المتبقية في المدار
الإصدار 0 (AES Tintin) 2 (2018) 2 0 0
الإصدار 1ISZ نوع 0.9 60 (2019) أربعة عشرة 0 ثمانية 63٪
الإصدار 2ISZ نوع 1.0 653 (من 2019 إلى نيفادا) 4 1 ثمانية 98٪


في 1 أكتوبر 2020 ، نشرت Space X معلومات جديدة ، مقدمة مفاهيم "الميت" - فقدان الاتصال مع القمر الصناعي ، و "عدم القدرة على المناورة" - فشل جهاز التحكم عن بعد. هذا ما بدت عليه حالة كوكبة القمر الصناعي StarLink في الأول من أكتوبر.





بعد ذلك ، سنتحدث عن العنصر الأكثر تعقيدًا والأكثر أهمية في شبكة Starlink - المجمع الأرضي.



All Articles