Кратко по архитектуре Старлинка (пока ждем Рассвет)

Традиционно для раздела ОМ стремление предложить к обсуждению "раскладку на пальцах". Впрочем, переход на информативный первоисточник прикреплен в конце текста, так что все желающие смогут получить дополнительные данные и углубиться в них на собственное усмотрение. Для блога же постарался оставить только наиболее перевариваемое для большинства.

Ссылкой-источником ранее в комментариях поделился Равиль и хоть она чуточку устарела по своим данным, но основные понятия раскрывает достаточно подробно, просто всю целиком ее штудировать возьмутся единицы. В целом этот блог НЕ для тех, кто давно разобрался, а для тех, у кого остаются пробелы или вовсе никакой четкой схемы в голове до сих пор не сложилось.

Изначально безбожно перескакивая и опуская то, что представляется возможным опустить, начнем с компоновки еще на Земле Космических Аппаратов (КА) (рис а) и их первичный вывод с дальнейшим разведением на расчетной орбите (рис б). В данном случае 60 КА уложены в две стопки по 30 штук, и позже с использованием Электрического Ракетного Двигателя (ЭРД), каждый спутник выводят на рабочую орбиту, корректируя его положение, а когда/если потребуется - направляя его к Земле, после чего КА сгорает в атмосфере.

Далее будет кстати рассмотреть условную компоновку каждого отдельного спутника (КА) и про это скриншот ниже. Сложенная гармошкой солнечная батарея раскрывается и в данной версии показано три абонентские Фазированные Антенные Решетки (ФАР), работающие на раздачу сигнала и обслуживание ячеек плюс еще одна ФАР на прием. Отдельно нужно обратить внимание на параболические антенны, предназначенные для связи спутника с Шлюзовыми Станциями (ШС).

На следующем скриншоте вариант мобильной ШС, протянув к которой оптику можно обеспечить связь со спутниками уже на Земле. По понятным причинам стационарный вариант скринить не стал, там в нем принцип тот же самый, только вместо передвижной платформы более крупный наземный комплекс приёмопередающего оборудования.

И наконец еще один вид - лазерная Межспутниковая Линия Связи (МЛС). Она позволяет передавать данные со скоростью до 1,8 Гбит/с, впрочем, разные модели могут иметь иные параметры. Но данный вид связи критически важен для океана, в котором наземную Шлюзовую Станцию не установить и данные приходится перебрасывать от спутника к спутнику на большие расстояния.

Теперь к связи спутников с АТ - Абонентскими Терминалами. И прежде всего - обслуживание в ячейках. "На пальцах" допустима следующая аналогия: когда нам кажется, что мы получаем постоянную связь, на самом деле, луч поочередно и очень быстро пробегает по нескольким ячейкам и это примерно как в розетке - нам кажется что ток есть всегда, но на самом деле он появляется и пропадает 50 раз в секунду (те самые 50 Герц). В случае со Старлинком речь идет про 240 МГц на канал, то есть 240 млн. раз в секунду и понятно, что при такой скорости заметить поочередный разрыв связи возможным не представляется (если все оборудование работает без сбоев).

Более развернуто это выглядит так, как на скрине ниже: примерное положение самого короткого абонентского желтого луча в центре соответствует высоте спутника в 550 км и нахождению его строго в зените. В таком положении покрывается диаметр в 24 км на Земле (площадь 379,6 км²) и в таком случае предполагается возможность обслуживания 125-130 АТ. Как хорошо видно, зеленый луч, находящийся с правого края подспутниковой зоны покрывает гораздо больший диаметр 70-100 км. Полагаю, с учетом расположения ничего дополнительно с такой разницей (24 и 100 км) объяснять не требуется.

Отдельно слева сиреневым цветом показан луч фидерного канала связи с наземной ШС, который осуществляется через те самые параболические антенны на спутнике.

Диаметр общей подспутниковой зоны для каждого КА равен 1900 км, а расположение лучей на скрине конечно же условное и для наглядности. Есть еще один скриншот, он включает в себя данные о времени пролета, но по сути отображает примерно то же самое, что и на предыдущем скрине. Дополнительно добавлена Диаграмма Направленности Антенны (ДНА), выраженная в градусах.

В спойлере ниже "чужой" скриншот, который показывает разделение подспутниковой зоны для 48 ячеек и к Старлинку отношения не имеет. Это для случая с 8-и лучевыми ФАР, когда их на спутнике 6 штук. Но исключительно для наглядности решил добавить и этот скрин, полагаю, лишним не будет и дополнив общую картину он окажется понятен по аналогии.

Общее время пролета подспутниковой зоны для каждого Космического Аппарата всего 250 секунд. И для условного случая обслуживания всего одного АТ - скриншот ниже. Глядя на него, можно примерно понять, как осуществляется переключение спутника на связь с более удобными ШС и на разные формирующие углы луча при сопровождении АТ во время пролета.

Правда, здесь надо добавить, что сам терминал на земле своим пятном, что называется, зачерпывает сразу несколько спутников на небосводе. Но если рассматривать работу каждого из КА по отдельности, то принцип этот будет схожим для всех.

И теперь остается совместить все это в единое общее целое, в заключительный скриншот архитектуры Системы Спутниковой Связи (ССС) Старлинк. Ниже ТМИ - это телеметрия и передача команд для управления самими спутниками. Остальное наверное и так понятно, там ВОЛС плюс наземные терминалы обработки и передачи данных.

Дополнительно к скриншотам цитата по поводу численности лучей - вопрос, который поднимался и обсуждался в комментариях в прошлом блоге:

Количество лучей, формируемых КА возрастет – 30 лучей, работающих на прием (из них 2 луча для управления КА и передачи ТМИ) и 32 луча, работающих на передачу (из них 2 для управления КА и передачи ТМИ). Это количество лучей будет делится на фидерные (между КА и ШС) и абонентские (между КА и АТ).

Но... при этом, все-таки надо учитывать, что на месте технология стоять не будет, так что все эти данные - условные и очень многое определяется сложностью оборудования и конкретными запросами при выведении спутника на орбиту. Число установленных на спутнике ФАР может меняться, как и сами антенны - претерпевать конструкционные изменения и улучшения. Кроме того, могут быть использованы различные комбинированные режимы работы оборудования, аппаратные и программные апгрейды, про детали чего уже впору рассуждать специалистам.

И еще кое что: изначально по разным причинам Маск терял до 20% спутников, поскольку взял на вооружение стиль industrial, который для космоса вообще не предназначен. Штамповать спутники до него никто не решался, поскольку это всегда был штучный и очень дорогой в производстве товар. Тем не менее, сегодня Маск последовательно сокращает число поломок и потерянных для эксплуатации спутников (все-таки наработанный опыт дает результаты) и буквально монополизирует космический Интернет, теряя уже около 0,5% на отказах и потерях при выведении КА на орбиту. По открытым данным из сети, китайцы сегодня теряют до 14% КА и поскольку это достаточно высокий процент отказов - их программа замедляет темп развития, прорабатывая решения для снижения именно этой цифры.