В последнее время было много шума о Starlink и спутниковом интернете. Немногие люди за пределами технологической отрасли понимают, почему Starlink и другие спутниковые интернет-сервисы на низкой околоземной орбите полностью отличаются от предыдущих предложений спутникового интернета. В этой статье представлен общий обзор различий для тех, кто не является инженером или ученым-ракетчиком.

В конце 2010-х годов несколько компаний подали заявки в Федеральную комиссию по связи (FCC) на создание низкоорбитальных спутниковых интернет-услуг. Тремя известными компаниями, занимающимися LEO, являются SpaceX, Amazon и OneWeb. Из этих трех только SpaceX, которая запустила более 3000 спутников LEO, предлагает жизнеспособную коммерческую услугу под торговой маркой Starlink .

Спутники связи можно рассматривать как отражатели. Пользовательский терминал (спутниковая антенна) передает сигнал на спутник, который передает копию сигнала обратно на Землю на другой частоте в фиксированную точку, называемую шлюзом. Шлюз содержит мощную антенную решетку и оптоволоконные соединения большой емкости с общедоступным Интернетом. Несколько шлюзов разбросаны по всей Земле, так что спутники имеют «видимость» для одного или нескольких шлюзов в любое время, когда они обеспечивают доступ в Интернет к поверхности внизу. Для обратного пути от общедоступного интернета до пользовательского терминала используются разные частоты от одних и тех же антенн. Сигнал исходит от шлюза, отражается от спутника и возвращается на Землю в пользовательском терминале. Это верно независимо от того, какой тип спутника (традиционный или низкоорбитальный) используется.

Ключевое различие между низкой околоземной орбитой и орбитами, используемыми в традиционных спутниковых интернет-сервисах, заключается в расстоянии от поверхности Земли до спутника. Это расстояние определяет количество спутников, необходимых для покрытия планеты, а также общую пропускную способность системы, задержку и другие рабочие характеристики.

Покраска поверхности

Представьте, что вы красите баскетбольный мяч аэрозольной краской. Если вы держите баллончик с краской в ​​двух дюймах от шара, он покроет лишь небольшую площадь, но за короткий промежуток времени обеспечит плотное покрытие этого места. Если вы держите банку на расстоянии фута, вы, вероятно, могли бы покрыть почти половину шара, но только с очень легким напылением краски. Вероятный способ, которым вы наиболее эффективно покрасите мяч, — это многократный пробег по поверхности на несколько дюймов выше нее. Именно такая философия дизайна лежит в основе спутникового интернета на низкой околоземной орбите.

Рисунок 1. Чем ближе банка к шару, тем меньшая поверхность покрыта. Источник: DALL-E, OpenAI

Геосинхронные орбиты

Орбиты странные вещи. Вы не можете просто разместить спутник в любом месте космоса и оставить его там; законы физики так не работают. В зависимости от того, для чего будет использоваться спутник, существует несколько различных типов орбит на выбор. Геосинхронная орбита — это орбита, на которой спутник всегда находится прямо над одним и тем же местом на Земле каждый день в одно и то же время. Например, если спутник геосинхронен с вашим домом в 15:14, он будет находиться прямо над вашим домом каждый день в 15:14, но только на короткую секунду.

Это достигается размещением спутника на орбите на высоте 22 236 миль. В этом месте спутник совершает оборот по орбите ровно за то же время, что и Земля совершает оборот (звездные сутки). Если бы вы использовали такой геосинхронный спутник для доступа в Интернет, вы были бы подключены только на несколько минут в день; не хороший пользовательский опыт.

Однако если вы поместите спутник над экватором , на высоте 22 236 миль, произойдет нечто волшебное: кажется, что спутник навсегда останется неподвижным в небе в одной и той же точке. Таким образом, вместо того, чтобы смотреть прямо вверх каждый день в одно и то же время, чтобы увидеть спутник, вы просто направляете свою тарелку на южную точку, и спутник всегда будет там. Этот частный случай геосинхронной орбиты называется геостационарной орбитой.

Это орбита, которую использовали традиционные интернет-сервисы. Небольшое количество спутников (может быть, только два или три) размещено над экватором на орбите в 22 236 миль. Геостационарные орбиты позволяют использовать относительно недорогие пользовательские терминалы, поскольку им не нужно «следить» за спутником, когда он проходит над головой. После установки геостационарный спутниковый пользовательский терминал (тарелка) просто указывает на одно и то же место в небе 24/7, и спутник движется синхронно с орбитой Земли и пользовательским терминалом. Широко известные геостационарные службы включают DirectTV, радио XM (оригинал, а не Sirius) и Dish Network, но многие другие спутники связи используют эту орбиту и технику.

Эти недорогие параболические антенны всегда направлены на спутник, который находится в фиксированном месте над экватором, что делает их схемы и программное обеспечение менее сложными. Поскольку для охвата всего континента требуется всего несколько спутников, стоимость развертывания спутников относительно невелика. На протяжении десятилетий именно так работали системы связи потребительского уровня.

Созвездия

Есть только одна орбита, на которой проявляется эта волшебная геостационарная характеристика. Любая другая орбита означает, что спутники движутся относительно поверхности Земли. Вы не можете просто разместить спутник на высоте 500 миль над городом и припарковать его там; законы физики так не работают. Результатом является потребность в созвездии спутников и технологии спутникового слежения в каждом пользовательском терминале. Эти две проблемы делают связь на негеостационарной орбите (НГСО) намного более дорогостоящей и сложной: требуется намного больше спутников, а пользовательские терминалы очень сложны по сравнению с геостационарной службой.

На приведенной ниже диаграмме показано, как будет выглядеть созвездие из 1584 спутников. В каждой плоскости по 22 спутника. Существует 72 различных плоскости, в которых спутники вращаются вокруг Земли в линейной последовательности. Равномерно разместив плоскости вокруг планеты и равномерно разместив спутники в каждой плоскости, можно «покрыть» всю планету, при этом ни одна точка на Земле не будет находиться на расстоянии более нескольких сотен миль от спутника в любой момент времени. Полюса также покрыты Starlink, используя небольшое количество спутников на полярной орбите. Это крайний случай, который мы не будем обсуждать, но просто имейте в виду, что практически в конечном итоге каждая точка на поверхности окажется в поле зрения спутника LEO.

SpaceX разместила большинство своих спутников на высоте около 350 миль над Землей, что намного ближе, чем 22 236 миль к геостационарной орбите. На высотах низкой околоземной орбиты спутники пролетают над головой со скоростью около 16 000 миль в час относительно точки на поверхности; совершает оборот вокруг планеты примерно каждые полтора часа.

Рисунок 2. Пример созвездия LEO. Источник: Википедия

Многоразовые ракеты и недорогие технологии отслеживания

Как пользовательский терминал отслеживает нескончаемый поток спутников, пролетающих над головой со скоростью 16 000 миль в час? Это не просто. Вот почему на протяжении десятилетий геостационарные спутники были решением для потребительского интернета. Гораздо проще наводить на одно место в южной части неба, чем отслеживать спутники, пролетающие над головой. Служба на низкой околоземной орбите требовала двух вещей, которые до недавнего времени были невозможны. Во-первых, для создания жизнеспособной группировки необходимо огромное количество спутников. До появления недорогой многоразовой ракеты, разработанной SpaceX, стоимость запуска тысяч спутников не позволяла создать жизнеспособную бизнес-модель. Во-вторых, стоимость технологии, способной отслеживать спутники, до недавнего времени была очень высокой.

Отличный ресурс для визуализации созвездия SpaceX Starlink в реальном времени и понимания орбит:https://satellitemap.space

Снимок этого сайта показан ниже. Круги показывают проекцию сигнала от каждого спутника на Землю, которую вы можете представить как «зону покрытия» этого спутника. Как видите, баллончик с краской находится довольно близко к поверхности. Это означает, что каждый спутник имеет большую пропускную способность, сфокусированную на небольшой части земной поверхности в любой момент времени. Это одна из причин, по которой служба LEO может быть намного быстрее, с точки зрения битов в секунду, чем геостационарная служба.

Рисунок 3. Снимок карты прямого покрытия созвездия Starlink.https://satellitemap.space

На изображении выше сгустки желтых кружков представляют собой недавно запущенные спутники, которые еще не заняли свое конечное положение. Как видите, они расположены по прямой, один за другим. В конце концов, каждый комок будет равномерно распределен по всей поверхности Земли под одним и тем же углом наклона относительно экватора.

Поскольку спутники LEO находятся намного ниже поверхности, время, необходимое для того, чтобы сигнал пользователя достиг спутника и вернулся на Землю, значительно сокращается. Это означает, что спутники LEO обеспечивают гораздо меньшую задержку (время, необходимое для передачи данных до спутника и обратно) и могут поддерживать живое видео и аудио. Типичный геостационарный спутник будет иметь задержку 600 миллисекунд или более, что делает живое аудио очень громоздким, если не невозможным. Задержка Starlink обычно составляет около 50 миллисекунд: в двенадцать раз лучше, чем у геостационарной.

Кроме того, поскольку в группировке LEO тысячи спутников; общая пропускная способность сети в сотни, если не тысячи раз больше, чем у традиционных геосинхронных сетей. Поскольку пропускная способность больше, больше пользователей могут одновременно подключаться к спутникам LEO, не влияя друг на друга. Это позволяет SpaceX предлагать услуги Starlink без ограничений на пользовательские данные, которые обычно встречаются в традиционных спутниковых и сотовых интернет-сервисах.

Фазированная решетка: ключ к потребительскому LEO

Раньше для отслеживания негеостационарных спутников пользовательский терминал имел двигатели, а антенна физически следовала за спутником по небу. Это действие часто можно увидеть в научно-фантастических фильмах и видеороликах НАСА о радиоастрономии. Много десятилетий назад военные первыми разработали технологию для радаров, получившую название «антенны с фазированной решеткой». Используя этот метод, можно использовать массив антенных элементов для направления передаваемого сигнала в определенном направлении. Используется антенна с большим количеством индивидуально адресуемых антенных элементов. Изменяя время между передачей сигнала на каждый отдельный элемент, система может направлять передаваемый сигнал без каких-либо движущихся частей.

Рисунок 4. Тарелка Starlink, установленная на крыше. Источник: SpaceX

Однако процесс расчета индивидуальных задержек, необходимых для каждого из сотен антенных элементов, требует значительных вычислительных ресурсов и до недавнего времени не был доступен потребителям по разумной цене. SpaceX использовала эту технологию для создания пользовательского терминала, который физически фиксируется в положении и направлении, но использует методы фазированной решетки для отслеживания спутников, когда они пролетают над головой. Коммерциализация технологии фазированных решеток для потребителей является одним из крупнейших прорывов десятилетия и означает, что доступные пользовательские терминалы, которые не нужно вращать, могут быть установлены в жилых помещениях.

Рис. 5. Карта шлюзов, обслуживающих Северную Каролину. Источник:https://satellitemap.space

На приведенной выше диаграмме местоположения Wise, NC и Mandale, NC — это два шлюза Starlink, расположенные в Северной Каролине. Жители Северной Каролины, вероятно, будут использовать их (а также шлюзы в приграничных штатах) для обслуживания. Эти шлюзы имеют оптоволоконные соединения очень большой емкости с магистральной сетью Starlink и общедоступным Интернетом. На фото ниже показано, как выглядит типичный шлюз. Этот шлюз имеет девять шлюзовых антенн, а также пять пользовательских терминалов, которые, вероятно, использовались для тестирования.

Когда каждый спутник Starlink проходит над головой, он отслеживает не только один или несколько шлюзов, но и потенциально тысячи пользовательских терминалов. Каждый пользовательский терминал должен отслеживать несколько низкоорбитальных спутников, поскольку он планирует свое «роуминг» от спутника к спутнику каждые несколько минут. Чтобы заставить систему работать, требуются обширные вычисления. Это весьма примечательно, и все компании, создающие услуги LEO, должны обладать удивительным инженерным талантом.

Рисунок 6. Шлюз Starlink. Источник: darkpenguin22 через Reddit r/SpaceXLounge

Лазеры

Как будто эта технология уже недостаточно удивительна, SpaceX делает еще один шаг вперед в новом поколении своих спутников. Новые спутники оснащены лазерами, что позволяет им передавать данные друг другу в космосе. Таким образом, вместо простых отражателей в космосе появится сеть, в которой спутники смогут направлять данные между собой. Данные по-прежнему будут передаваться между пользовательским терминалом и шлюзом, но теперь на пути может быть более одного спутника.

Это означает, что сервис все еще может получить доступ к местам, удаленным от шлюза: например, к океану или очень отдаленным горам. Хотя эта тема достойна отдельной статьи, учтите, что скорость света в свободном пространстве примерно на треть выше, чем скорость света в волокне. Это означает, что континенты могут быть связаны через эти лазерные линии в космосе потенциально быстрее, чем трансокеанские волокна, используемые сегодня, хотя и с относительно меньшей пропускной способностью.

Вывод

Я надеюсь, что эта статья прояснила некоторые тайны вокруг спутникового интернета на низкой околоземной орбите и почему для FCC так важно продвигать и обеспечивать его жизнеспособность для тех, кто далек от оптоволокна.

Забавный факт: спутники SpaceX полностью разборные , а это означает, что каждая часть спутника сгорит в атмосфере при входе в атмосферу. Практически отсутствует риск удара части спутника о поверхность Земли. Это важный момент проектирования, если учесть, что каждую неделю в атмосферу будут возвращаться десятки спутников.