スターリンクサテライトインターネットプロジェクトに関するすべて。パート2。スターリンクネットワーク

パート1‣パート2スターリンク



宇宙船は、ファルコン9ロケットのフェアリングの下にそれぞれ30個の衛星の2つのスタックを備えたグループ打ち上げ用に特別に設計されており、寸法は長さ-3.2 m、幅-1.6 m、高さ-0.2 mです（サイズ推定下の写真から）。





写真は、ファルコン9ロケットのフェアリング下にスターリンク衛星を敷設したところを示しています。Kaバンドゲートウェイを備えたフィーダーリンク用の放物線アンテナは赤丸で囲まれています。





Falcon 9ロケットの第2ステージからの分離時のスターリンク衛星Kaバンドゲートウェイを備えたフィーダー通信回線用の放物線アンテナは青色で囲まれています。



ここでは、FALKONロケットからの衛星の分離のビデオを見ることができます。





衛星のグループを基準軌道（原則として280 km）に配置した後、衛星は太陽電池を開き、地上管制センターとの接触を確立し、ロケットから分離するときに操作性と損傷がないことを確認し、クリプトンの電気ロケットエンジン（ERE）を起動して開始します作業軌道への移動。2〜3か月かかります。



打ち上げ時には、ソーラーパネルはアコーディオンのように折りたたまれ、12のセグメントがあり、各セグメントの長辺は衛星の幅（3.2 m）に等しくなります。





各セグメントの寸法は3mx 0.8 mと見積もることができます。したがって、ソーラーアレイの総面積は12 x 3 x 0.8 = 28.8m2になります。



太陽電池間およびエッジでの損失（曲線因子0.9）により、この値は26m2に切り上げることができます。



太陽放射フラックス密度を1300W / m2、パネル効率を18％とすると、最大（ピーク）電力は約6kWになります。 （比較のために、1450kgの重さのプラットフォーム「Express-1000」上の衛星「Express」の太陽電池容量は約3kWですが、おそらくこれは平均値です）。



実際の電力は、太陽に対するソーラーパネルの位置によって異なります。パネルへの光線の最適な入射は直角です。



衛星を280kmの基準軌道から550kmの作動軌道に移動し、その上に維持するには、プラズマスラスターまたはEREを使用します。ロシアのSPD-100や外国のBHT-1500などの小型衛星のEJEから開始すると、消費電力は約1.5 kW、推力は100 mN、比インパルスは1700〜1800秒です。 EJEは次のようになり（下の図を参照）、寸法は約20x20x15cmです。





EJEには、約5〜10 kgのクリプトンが供給されており、高圧バルーンに充填されています。このマージンにより、衛星を550 kmの円形軌道に持ち上げ、衛星を5年間その中に保持してから、軌道を円形から楕円形に変更し、周囲を550kmからたとえば250kmに変更することができます。この場合、残りの大気の減速により、衛星で十分です。すぐに減速して燃やします。



Starlink衛星の主なペイロードは、ゲートウェイステーション（ゲートウェイ）および加入者端末と通信するための2つのアンテナコンプレックスです。



ゲートウェイ（またはフィーダーライン）と通信するためのアンテナコンプレックスは、飛行中にゲートウェイが配置されている地球上のポイントに向けられた放物線状のアンテナです。フィーダーラインはKaバンド（18/30 MHz）で動作します。





表から次のように、衛星はゲートウェイステーションから衛星への方向に2100 MHz、反対方向に1300MHzを自由に使用できます。両方の偏光オプション（円形の場合は左と右）を使用すると、ゲートウェイから衛星まで最大4200 MHz、反対方向に最大2600MHzをトラフィック送信に使用できます。



また、位相アレイを備えた4つのフラットスクエアアンテナが搭載されています。3つは衛星から加入者端末に情報を送信するためのもので、もう1つは端末から信号を受信するためのものです。





図：地面からの視認性を低下させるためのコーティング前後の4つのKuバンド位相アレイ正方形アンテナのビュー。



加入者端末と衛星間の通信はKuバンドで行われますが、衛星から加入者への伝送には2000 MHzを使用でき、加入者から衛星への伝送には500MHzしか使用できません。トラフィック送信の2つの分極を考えると、衛星は4000MHzのダウンと1000MHzの受信を持っています。



また、Ka帯域とKu帯域で、それぞれ150MHzを使用するコマンド無線リンクとテレメトリ送信用の一連の機器が搭載されています。



Starlink衛星はリピーターであり、情報を処理しません。搭載されている場合、受信信号の周波数とその増幅のみを変更します。また、第1世代の衛星は、衛星間通信（ISL-衛星間リンク）がなく、地球とのみ情報を送受信できます。ワシントン州にあるBrustnerテレポートを含む、4つの地球ステーションがTT＆C（コマンド、制御、テレメトリー受信）ステーションとして宣言されています。 Starlink衛星はTT＆Cステーションの可視ゾーンに5分以内であり、コンステレーションから収集されたデータの量は2020年6月に1日あたり約5 TB、つまり1日あたり1つの衛星から少なくとも10GBでした。



各Starlink衛星には、約70の個別のLinuxプロセッサと約10のマイクロプロセッサが搭載されています。



衛星は550kmの軌道上にあり、加入者端末の仰角が25°以上であれば、半径950 km（つまり、直径約1900 km）の地球上のスポットを信号でカバーできます。なお、40°以上の仰角でもフラットフェーズアレイアンテナの有効動作が可能です。





図：高さに応じて、25度の角度での衛星の可視ゾーンの半径。





衛星からの信号が地球上の衛星の視野全体をカバーしている場合、北と南の50の平行線の間で地球を100％カバーするために必要な衛星の数を計算するのは簡単です。北と南の50の平行線の間の地球の表面積は3億40万平方メートルです。km（地球の表面全体は5億1000万平方キロメートルです）。ギャップのない100％のカバレッジが必要なため、ゾーンサークルはオーバーラップし、ライトゾーンサークルの「正方形」のみを使用すると100％のカバレッジが保証されます。このような正方形の辺はL = D / _{√2です。}



または、この場合、L = 1356 kmであり、正方形で覆われる領域は184万平方キロメートルです。したがって、164の衛星だけが50の南北の平行線の間で地球の100％のカバレッジを提供しますか？

では、なぜSpace X 1584 AESなのですか？

そしてここでは、アンテナの指向性パターンなど、アンテナシステムのパラメータについて説明する必要があります。







アンテナ放射パターンは非常に重要なアンテナパラメータであり、ここでの特徴的な基準は、信号電力が2倍（DeciBelsでは3 dBに相当）高い角度です。





アンテナの放射パターン角度は、その直径（面積）、表面利用率（UUF）、および信号周波数によって異なります。この場合、計装は、アンテナの作業面全体の電界振幅の分布、アンテナミラーのエッジを超えた電力漏れ、およびその他の損失によって決定されます。放射パターンのメインローブに加えて、アンテナにはサイドローブとバックローブもあります。これらの花びらは二次的であり、DNのメインの花びらからエネルギーを受け取ります。アンテナを設計するときの目的は、メインローブのエネルギーと最初の（最大の）サイドローブのエネルギーの比率を上げることです。



アンテナの直径（面積）が大きいほど、放射パターンの角度が小さくなり、ゲイン（Cus）が大きくなります。



では、StarLinkアンテナパターンは何ですか？2020年の加入者端末について、FCCに提出された文書で、SpaceXは次の表を公開しました。





上記の45kmの地上のビームスポットの直径に注目すると、これは4.5度の衛星ビームパターン（宇宙から地球へ）の角度に対応します（最下点線から外れると、角度は明らかに3から5に変化する可能性があります）度、最下線から離れるほど角度が大きくなります）。これは、このサイズのフラットアンテナのパラメータとよく相関します。



2016年からのSpaceXの最初の提出では、ビームの直径は45kmになることが示されていました。（2016年11月15日付けのSpaceXのFCCファイリングのテクニカルパートの付録Aの80ページ）。



StarLinkカバレッジエリアを評価および視覚化するために、衛星のアンテナビームパターン角度がエリアの端で3.5度（最下点）から5.5度に変化すると仮定します。カバレッジエリアの直径を計算すると、衛星直下の3.5度のビーム角度に対応するビーム直径は34kmになります。ビームが最下点線から離れるにつれて、放射パターンの角度が増加します：上の表のSpaceXデータによると、ゾーンのエッジでは5.5度になりますが、地球上の1つのビームのカバレッジ領域の直径は増加し、可視ゾーンの周辺で約210kmに達します傾斜角が25度のAES。このジオメトリとStarLink衛星アンテナの特性に基づいて、地球への光線の投影は次のようになります。





このように1つの衛星は、理論的にはそのカバレッジエリアに最大300のそのようなビームを持つことができます。これは、加入者端末が25度の仰角で衛星を見る視野の投影（衛星側からの眺め）です。



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StarLink衛星で編成されるビームの数は、Space Xのドキュメントから直接理解することはできませんが、事実を使用して、1つのStaRLink衛星の視線で操作できるビームの最大数を簡単に決定できます。 Kuバンドでは、ゲートウェイから衛星へのフィーダーラインを介した送信にKaバンドよりも多くのメガヘルツを使用して衛星からサブスクライバー端末に情報を送信することは不可能です。つまり、両方の偏光を使用する場合は4200メガヘルツです。



ここでは、StarLink衛星が「曲がったパイプ」タイプに属している、つまり、オンボードで情報処理が行われていない（つまり、無線信号をIPパケットにデコードして転送しない）、つまり、はるかに大きなサイズの最新の通信衛星がすべて機能していると仮定します。と耐用年数これまでのところ、第1世代のStarLink衛星がデータを処理している可能性があるという証拠はありません。



加入者端末（StarLink加入者端末のセクションを参照）のパラメータの表からわかるように、衛星から加入者端末への衛星チャネルの最大幅は、衛星に対して下方向に240 MHz、上方向に60メガヘルツです。 1つの衛星のカバレッジエリアで周波数リソースを使用する効率の観点から最適なこのような構成では、16ビーム以下が動作でき、Kuバンドで利用可能な4000 MHzの周波数リソースを完全に使用します（コマンド無線リンクとテレメトリ送信のガード間隔と周波数を考慮に入れて）衛星から加入者端末に送信するときに両方の偏波を使用します。





Kaバンドフィーダービームには放物線アンテナが使用されており、衛星に搭載されたインターネットトラフィックを「持ち上げる」ことに注意してください。固定された利用可能なKaバンド周波数帯域で最大のスループットを確保するには、衛星からの信号電力を増やして最大の信号対雑音比を確保する必要があります。そのためには、地球上のカバレッジエリアを可能な限り最小化する必要があります。 HTS衛星を使用すると、その直径は約100キロメートルになります。 StarLink衛星は静止衛星よりもはるかに低い高度にあることを考慮すると、フィーダービームゾーンの直径はさらに小さくすることができます。 Kaバンドナロースポットの追加の利点は、衛星信号が地球上の他のKaバンドシステムに干渉しないことです。



カバレッジエリアの最下点からのビームの偏差の制御は、衛星の位相アンテナであり、FCCへのSpace Xアプリケーションに応じて、ビームを任意の方向に偏向させ（操縦可能なビーム）、形状を変更することもできます（成形可能）。



高度550kmでは、衛星は、加入者ターミナルの可視ゾーンでの飛行時間が4.1分、つまり約250秒になるような速度で移動します。 StarLinkシステムが、同じエリアに配置された端末のグループで衛星の最大セッション時間のイデオロギーを実装し、異なる端末への端末の最小数のハンドオーバーのイデオロギーを実装する場合、これは次の図で示されます。この図では、衛星は、 1つの地理的領域。





別のオプションは、衛星上のビームが地球に対してある1つの位置（傾斜角）に固定されており、加入者端末アンテナのタスクがこのビームに「入る」ことであると想定しています。このオプションでは、加入者端末のアンテナ放射パターンも小さいことを考慮すると、非常に多くの衛星が必要です。



衛星に搭載されているビームの数が少ないため、スペースXが領域の100％をカバーすることは困難であり、スペースXがなぜこれほど多くの衛星を発射する必要があるのか​​という質問に対する答えを提供します。さらに興味深いことに、これらの同じ計算により、スペースXが位相アレイアンテナの効率を劇的に低下させるにもかかわらず、最小仰角を40度から25度に強制的に下げる必要がある理由がわかります。



AESの高さ550kmで仰角が最大25度のAES可視ゾーンの直径は、約1900 km、このゾーンの面積は2 835 294sq。Kmです。



次の表は、 25度を超える仰角内。加入者端子アンテナ径は48cmとします。





明らかに、最大領域をカバーするという観点から、アンテナの有効領域（したがってそのスループット）が急激に減少するという事実にもかかわらず、衛星から直下（サブ衛星ポイント）ではなく、可視ゾーンの周辺に向けられたビームを処理する方が効率的です..。



ビームの数、つまり、北緯の50番目の平行線（現在、クローズドベータテストが行​​われている25740 kmの平行線など）を100％カバーするために必要な衛星の数を推定することも可能になりました。



仰角が40度弱の場合ビーム径が160kmの場合、カバレッジエリアの保証幅（幅はビームの円に刻まれた正方形の辺に等しい）は113.5 kmであり、地球の全長に沿って50番目の平行線から見える227個の衛星に対応します。



53の平行線の間の地表の面積は3億40万kmです。 1ビームの有効カバレッジエリアを113.5x 113.5 = 12876sq。Kmとすると、必要なビーム数は23330になり、1つの衛星に16のビームがある場合、完全なカバレッジには少なくとも1458の衛星が必要です。 StarLink展開の最初のフェーズのためにSpaceXによって発表された1584に近い。



また、StarLinkターミナルに駆動機構が出現する理由は、ターミナルの小さな仰角（理想的には90度）で位相面と衛星への方向との間に多かれ少なかれ適切な角度を提供するためにアンテナを衛星に向けて回転させる必要性と正確に関連していることが明らかになります。





衛星、ゲートウェイ、加入者端末のネットワーク全体の全体的な調整と制御は、ネットワークオペレーションセンターによって実行されます。これは、スターリンクシステムの最も未知で、目に見えない、非公開の部分です。



550 kmの軌道でのスターリンク衛星の寿命は約5年で、その後クリプトンの作動流体の供給が終了し、コマンドで衛星はその軌道を大気の密な層に下げるか、地球との通信が失われた場合は徐々に減少し、大気の残骸によって減速します。そして燃え尽きます（これについての詳細はスペースデブリのセクションに書かれます）。



スターリンク衛星は、ほぼ大規模な生産モードで世界で初めて生産されています。 SpaceXによると、その生産能力は月に最大120のStarlink衛星を生産することができます。静止軌道用の通信衛星の平均生産時間は現在2〜3年であることに注意してください。



間違いなく、このような生産速度はテストと検査のサイクルを大幅に短縮します。また、衛星のコストを節約するために、より安価なコンポーネントとコンポーネントが使用されます。特に、EPの作動流体として、高価なキセノンがはるかに安価なクリプトンに置き換えられます。



このように、部品の要件と地上試験サイクルの削減は、衛星の資源と信頼性の両方に反映されており、宇宙での試験結果に基づいて設計が最終決定されています。



2020年9月13日の時点で、Starlink衛星の信頼性は次の表によって特徴付けられています。





2020年10月1日、Space Xは新しい情報を公開し、「デッド」（衛星との通信の喪失）と「操作不能」（リモートコントロールの障害）の概念を紹介しました。10月1日のStarLink衛星コンステレーションの状態は次のとおりです。





次に、スターリンクネットワークの最も複雑で最も重要な要素であるグラウンドコンプレックスについて説明します。