В качестве предисловия: Моя профессиональная жизнь в спутниковой связи началась 1 мая 1993 года и по сей день является и интересной, и успешной. Поэтому, услышав три года назад о проекте Starlink компании SpaceX американского миллиардера и энтузиаста космоса Илона Маска, я не мог им не заинтересоваться. В первую очередь из-за того, что он кардинально выпадает за рамки той спутниковой связи, к которой мы в отрасли привыкли за последние 20-30 лет. Уже на моих глазах проект претерпел значительные изменения и начал воплощаться в реальные спутники, гейтвеи и терминалы, быстро меняясь в ходе развития. Чтобы не заблудиться в этих изменениях и новостях, ориентироваться в огромном количестве фактов, связанных с проектом, я начал писать для себя заметки о проекте Starlink, выкладывая их в своем блоге в livejournal. Недавно я собрал их в один текст и неожиданно для себя понял, что они превратились, по сути, в мини-энциклопедию Starlink. Учитывая, что персона Илона Маска и все его проекты привлекают внимание самых широких слоев населения, а представления о Starlink, сложившиеся о нем в интернете (и не только российском), иногда крайне далеки от реальности, то буду рад, если собранный мной материал вместе с моим анализом на базе профессионального опыта поможет читателю лучше понять всю грандиозность и сложность этого проекта.

Надеюсь, вам будет интересно это прочесть,
Сергей Пехтерев, к.т.н.
s.pekhterev@altegrosky.ru

Глобальная сеть широкополосного спутникового интернета Starlink

Рождение проекта Starlink

Если вернуться к истокам этого проекта, то, скорее всего, за точку отсчета надо взять 2007 год, когда Грег Уайлер основал компанию O3b Networks, акционерами которой стали спутниковый оператор SES (ему принадлежало 49,5% акций), Google, банк HSBC и фонд Liberty Global.

Грег Уайлер воплощает мечту о всемирном интернетеВ 2016 году SES выкупила доли у остальных акционеров O3b Networks, и это стало признанием успеха и компании, и Грега Уайлера как руководителя, и перспективности этого направления бизнеса. Напомним, что О3b – это сокращение от Other 3 billion – напоминание о 3 млрд землян, не имевших в 2007 году доступа к интернету. Суть того проекта была в создании группировки спутников на орбите высотой 8000 км от Земли над экватором, позволяющей обеспечить широкополосным интернетом население планеты, проживающее между 45° южной и 45° северной широты. Очевидным недостатком проекта было то, что для приема интернета был нужен комплекс из двух антенн диаметром 2,4 м и стоимостью $120 тысяч. Две антенны нужны были потому, что одна принимала сигнал, следя за летящим спутником, а вторая антенна в это время наводилась на следующий космический аппарат, чтобы сменить первую, когда "ее" спутник скроется за горизонтом. Такой сервис был положительно воспринят правительствами и телекомами стран Африки, островных государств в Тихом океане, а также Пентагоном для его зарубежных баз. То есть бизнес удался, ресурс сети был распродан. Но из-за огромной стоимости антенн этой услугой не могли воспользоваться жители деревень в глубине Африки, да и просто частные лица. Нужен был проект "персонального спутникового интернета" на базе спутников на низкой орбите.

Марк КребсИ такой проект появился внутри компании Google, куда в 2013 году устроился на работу Марк Кребс. 30 сентября 2014 года Google подала заявку на патент на спутниковую группировку для широкополосного доступа в интернет с сетью наземных шлюзовых станций и межспутниковыми линиями связи, в которой Марк Кребс значился как изобретатель.

Патент был выдан уже в 2017 году, вот как должна была выглядеть группировка спутников:

Таким образом, можно точно утверждать, что в 2013-2014 годах внутри Google велась работа над спутниковым проектом для широкополосного доступа в интернет, и его активными участниками были Марк Кребс и Грег Уайлер. Последний решил привлечь к данному проекту Илона Маска, который только-только закладывал основы своего будущего успеха, переходя на версию 1.1 ракеты Falcon 9 и стыкуя грузовой космический корабль Dragon к МКС. Маску отводилась роль "извозчика" по доставке спутников в космос и "слесаря" по их изготовлению.

Что и как произошло в 2014 году между руководством Google, Илоном Маском и Грегом Уайлером, я сказать не могу: надо ждать, пока все они не выпустят мемуары, и читать, кто что кому сказал и кто кого куда послал, но результат известен. Грег Уайлер расстался с Google и основал собственный проект OneWeb (WorldVu), а Илон Маск заручился финансированием от Google и в 2014 году начал аналогичный проект.

Отметим, что, скорее всего, 2014 год был весьма бурным, а переговоры сторон напряженными, и стороны готовились к тому, что их совместный бизнес не состоится. По крайней мере, известно, что 27 июня 2014 года в Международный союз электросвязи (МСЭ) была подана заявка от имени норвежского регулятора в области связи на спутниковую сеть из 4257 спутников, под названием STEAM. При этом сеть состояла из двух группировок: STEAM-1 заявлена в Ku-диапазоне, а STEAM-2 спроектирована как Ка-группировка; ее 4257 спутников распределялись между 43 орбитальными плоскостями. Инициатором этой заявки в МСЭ была компания Steam Systems, основанная в 2014 году юридической фирмой Schjødt. В 2018 году в реестре собственников Steam Systems произошли изменения, и теперь 100%-ным собственником является SpaceX. Преимущество Норвегии перед США заключалось в отсутствии сбора, который взымал американский отраслевой регулятор Federal Communication Commission (FCC) – он требовал чуть ли не $1 млн, – и в отсутствии бюрократии. Напомним, что FCC рассматривала заявку SpaceX от 2016 года почти два года, тщательно изучая претензии от всех конкурентов. Таким образом, можно сказать, что отчий дом для проекта Starlink – это Google, а на роль родителей претендуют Грег Уайлер и Марк Кребс (в 2016 году Марк перешел в SpaceX, в 2018 году Илон Маск его оттуда выгнал, и с 2018 года Кребс работает над проектом Amazon Kuiper у Джеффа Безоса). Но настоящую жизнь в Starlink вдохнул Илон Маск, загоревшийся этой идеей в 2014 году. Вот первое упоминание Маском будущего проекта Starlink:

Основные события проекта Starlink

Январь 2015 г. – открытие офиса в Рэдмонде, штат Вашингтон, созданного специально для развития проекта Starlink.

15 ноября 2016 г. – подача заявки в FCC на использование частотного спектра диапазонов Кu и Ка спутниковой группировкой из 4425 космических аппаратов.

1 марта 2018 г. – подача заявки на использование частотного спектра V-диапазона спутниковой группировкой из 7518 космических аппаратов.

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). Впоследствии они переименованы в Tintin-А и Tintin-В.

Cпутники Microsat-2a и Microsat-2 Cпутники Microsat-2a и Microsat-2

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. Илон Маск заменил их, поставив новым руководителям задачу начать запуск спутников уже в середине 2019 года.

8 ноября 2018 г. – подача заявки в FCC на изменение заявки сети Кu- и Ка-диапазонов (4425 спутников), с выделением первого этапа из 1600 спутников и уменьшением для них высоты орбиты с 1100 км до 550 км.

15 ноября 2018 г. – получено разрешение FCC на сеть по заявке от 1 марта 2017 года из 7518 спутников в V-диапазоне частот.

20 декабря 2018 г. – Отдел планирования стратегического развития и экспериментов ВВС США заключил со SpaceX контракт на сумму $28 млн на испытания в течение следующих трех лет различных способов использования военными сервиса спутниковой сети Starlink.

1 февраля 2019 г. – SpaceX направил в FCC заявку на включение и работу 1 млн абонентских терминалов.

8 апреля 2019 г. – одобрена заявка SpaceX на лицензию для работы частной системы дистанционного зондирования Земли. Таким образом, SpaceX получает право заниматься съемкой как собственных спутников, так и Земли. Разрешение выдано на цветную съемку с низким разрешением для 60 космических аппаратов на круговой орбите с наклонением 53°.

26 апреля 2019 г. – FCC одобрила заявку SpaceX на изменение ранее заявленной сети в Кu-диапазоне. Теперь речь идет о 1584 спутниках на высоте 550 (вместо 1150) км и с наклонением 53°.

Май 2019 г. – в сети интернет начинают появляться видео со Starlink train – многочисленные спутники этой группировки выглядели в ночном небе как движущийся поезд. Восхищенные возгласы зрителей начинают сопровождаться возмущением астрономов. Начинается эпопея "SpaceX vs астрономическое сообщество".

23 мая 2019 г. –запуск 60 спутников Starlink в версии v0.9 (фидерная линия Земля – космос в Кu-диапазоне). Первые публичные фото спутников и их укладки под обтекатель ракеты Falcon 9.

28 июня 2019 г. – SpaceX подала в FCC уведомление о начале тестов наземных терминалов. Речь идет примерно о 200 терминалах с плоской фазированной решеткой и 10 – с параболической антенной.

30 августа 2019 г. – SpaceX подает в FCC очередную заявку на изменение характеристик группировки: теперь первый этап сети Starlink должен состоять из 72 орбитальных плоскостей, а не из 24. Соответственно, изменяется и число спутников в каждой плоскости: вместо 66 их будет всего 22.

7 октября 2019 г. – SpaceX попросила FCC подать 20 заявок в МСЭ на 30 тысяч спутников на низкой орбите.

11 ноября 2019 г. – пуск 60 космических аппаратов Starlink версии 1.0. Высота круговой орбиты отделения спутников от ракеты – 280 км, то есть существенно ниже, чем в первом пуске.

20 ноября 2019 г. – на Всемирной конференции по радиосвязи (WRC), проводимой МСЭ, принято решение о времени, которое имеют операторы спутниковых группировок на низкой орбите для полного развертывания своих систем. С момента получения МСЭ заявки (их подает национальная администрация страны, в которой находится оператор группировки) на выделение частотного спектра для спутниковой сети оператора начинается отсчет в семь лет. Не позднее чем через семь лет (иначе заявка аннулируется) оператор обязан начать развертывание своей спутниковой сети таким образом, чтобы в первые два года было запущено 10% космических аппаратов, 50% – в течение первых пяти лет, а вся группировка (100% заявленных спутников) – через семь лет. Если оператор не смог выполнить это условие, его права на спектр ограничиваются пропорционально количеству запущенных спутников к концу этих семи лет.

7 января 2020 г. – третий пуск 60 космических аппаратов Starlink (второй пуск спутников версии 1.0).

29 января 2020 г. – четвертый пуск 60 космических аппаратов Starlink (третий пуск спутников версии 1.0).

4 февраля 2020 г. – австралийский регулятор в сфере телекоммуникаций (The Australian Communications and Media Authority) открыл для SpaceX доступ к получению лицензии с правом предоставлять услуги в Австралии.

17 февраля 2020 г. – пятый пуск 60 космических аппаратов Starlink (четвертый пуск спутников версии 1.0).

18 марта 2020 г. – шестой пуск 60 космических аппаратов Starlink (пятый пуск спутников версии 1.0).

17 апреля 2020 г. – SpaceX направляет в FCC заявку на изменение архитектуры сети Starlink Ku/Ka-диапазонов. Все спутники будут работать на орбите между 540 км и 570 км.

22 апреля 2020 г. – седьмой пуск 60 космических аппаратов Starlink (шестой пуск спутников версии 1.0).

23 апреля 2020 г. – Илон Маск анонсирует в Twitter, что закрытые бета-тесты услуг Starlink начнутся примерно через три месяца, а публичные – примерно через шесть месяцев.

17 мая 2020 г. – появились первые фото абонентского терминала для сети Starlink, фото снято на гейтвее в городе Меррилан (штат Висконсин).

20 мая 2020 г. – SpaceX подала заявку на лицензию Basic International Telecommunications Services (BITS), которая дает право предоставлять услуги связи в Канаде.

1 июня 2020 г. – SpaceX подала в FCC заявку на второе поколение сети Starlink в составе 30 тысяч спутников на орбитах от 328 км до 614 км.

4 июня 2020 г. – восьмой пуск 60 космических аппаратов Starlink (седьмой пуск спутников версии 1.0). Один из спутников имеет козырек VisorSat для уменьшения его видимости.

13 июня 2020 г. – девятый пуск 58 космических аппаратов Starlink (восьмой пуск спутников версии 1.0). Дополнительно запущены три спутника SkySat.

14 июня 2020 г. – на сайте www.starlink,com открывается регистрация желающих участвовать в бета-тестировании.

21 июня 2020 г. – появилась информация о Wi-Fi-роутере для терминала Starlink. Роутер получил сертификат FCC и будет производиться на Тайване.

1 августа 2020 г. – в интернете появились первые результаты тестов сервиса Starlink: скорости до 60 Мбит/с, задержка от 31 мс.

4 августа 2020 г. – SpaceX обратилась в FCC с просьбой расширить до 5 млн запрошенное ранее разрешение на 1 млн абонентских терминалов, обосновав, что к ее системе проявлен огромный интерес и компания получила 700 тысяч заявок на тестирование.

7 августа 2020 г. – 10-й пуск 57 космических аппаратов Starlink (девятый пуск спутников версии 1.0). Дополнительно запущены два спутника BlackSky.

18 августа 2020 г. – 11-й пуск 58 космических аппаратов Starlink (10-й пуск спутников версии 1.0). Дополнительно запущены три спутника SkySat.

3 сентября 2020 г. – 12-й пуск 60 космических аппаратов Starlink (11-й пуск спутников версии 1.0).

3 сентября 2020 г. – SpaceX объявляет о состоявшихся успешных тестах лазерного канала связи между двумя спутниками Starlink.

6 октября 2020 г. – тринадцатый пуск 60 космических аппаратов Starlink (двенадцатый пуск спутников версии 1.0).

Цели и стоимость проекта

В январе 2015 года при открытии офиса в Редмонде Илон Маск отметил:

• "Мы хотим изменить ситуацию с интернет-трафиком в космосе. Наша цель – чтобы примерно 10% местного трафика и 50% дальнего (междугородного и международного) интернет-трафика шли через спутниковую сеть.
• Это [интернет] не может быть бесплатным для пользователя, я так не думаю.
• Это [проект Starlink] будет стоить очень дорого. Полная версия системы – $10-15 млрд, а может и больше.
• Пользовательские терминалы будут стоить от $100 до $300 в зависимости от типа терминала.
• Предполагается, что Starlink принесет значительную прибыль и поможет финансировать город на Марсе".

В январе 2017 года в Wall Street Journal была опубликована статья двух американских журналистов Энди Пазстора и Рольфа Винклера, получивших каким-то образом доступ к бизнес-планам SpaceX образца 2015 года. Согласно этим бизнес-планам, проект Starlink должен был уже в 2020 году обогнать по выручке бизнес SpaceX по выводу спутников в космос, а к 2025 году SpaceX рассчитывала, что выручка Starlink составит до $30 млрд в год (в шесть раз больше, чем давал бы ракетный бизнес) и компания будет обслуживать 40 млн абонентов (уровень ARPU составил бы в этом случае $62 в месяц). При этом операционная прибыль Starlink должна была превысить $15 млрд в год.

Насколько заявленные в 2015-2016 годах цели будут соответствовать суровой действительности, мы, скорее всего, увидим уже в 2021 году. Однако отметим, что совокупный доход пяти крупнейших спутниковых операторов в мире - Intelsat, SES, Inmarsat, Telesat и Eutelsat - составил в 2019 году $7,75 млрд, на фоне которых цель SpaceX иметь оборот в $30 млрд в 2025 году смотрится весьма и весьма оптимистичной.

Финансирование проекта идет за счет привлечения средств от новых и старых акционеров SpaceX. Размещение акций идет в закрытом режиме, и известны только объемы привлеченных средств. Так, например, только в первой половине 2019 года SpaceX привлекла от акционеров $1,02 млрд. В августе 2020 года SpaceX отчиталась перед SEC о привлечении еще почти $2 млрд в капитал компании.

По оценкам аналитиков Morgan Stanley, опубликованным в июле 2020 года, проект Starlink не выйдет на положительный денежный поток до 2033 года.

Состав группировки Starlink

Говоря о составе низкоорбитальной группировки Starlink компании SpaceX, надо отметить, что она состоит как минимум из двух отдельных спутниковых сетей. Первая сеть изначально (согласно заявке SpaceX в FCC от 15 ноября 2016 г.) планировалась из 4425 спутников. Эта заявка одобрена FCC 29 марта 2018 года.

Высота орбиты, км	Наклонение орбиты, град.	Число орбит/плоскостей с данным наклонением	Кол-во спутников в каждой плоскости
1150	53	32	50
1110	53,8	32	50
1130	74	8	50
1275	81	5	75
1325	70	6	75

Выглядеть это должно было так:

Группировка Starlink. Разные наборы орбит окрашены в разные цвета Группировка Starlink. Разные наборы орбит окрашены в разные цвета

Вторая сеть из 7518 спутников должна будет работать в V-диапазоне (заявка подана 1 марта 2017 г., одобрена 19 ноября 2018 г.).

Группировка VLEO системы Starlink:

Кол-во спутников на орбите	2,547	2,478	2,493
Высота орбиты, км	345,6	340,8	335,9
Наклонение, град.	53	48	42

Потом SpaceX вносила изменения в 2018 году, понизив орбиту до 550 км. В таблице ниже приведен состав группировки, согласно последней заявки SpaceX в Федеральную комиссию по связи 17 апреля 2020 года (на данный момент еще не одобрена):

Число орбит/плоскостей с данным наклонением	72	72	36	6	4
Кол-во спутников в каждой плоскости	22	22	20	58	43
Высота орбиты, км	550	540	570	560	560
Наклонение, град.	53	53,2	70	97,6	97,6

Также отметим, что в начале июня 2020 года SpaceX направила в FCC еще одну заявку, названную Generation 2, согласно которой планируется еще почти 30 тысяч спутников на следующих орбитах:

Высота орбиты, км	Наклонение, град.	Число орбит/плоскостей с данным наклонением	Кол-во спутников в каждой плоскости
328	30	1	7178
334	40	1	7178
345	53	1	7178
360	96,9	40	50
373	75	1	1998
499	53	1	4000
604	148	12	12
614	115,7	18	18

Однако в данном обзоре мы сконцентрируемся на анализе первого этапа сети в Кu/Ка-диапазонах, которая реально разворачивается сейчас и имеет шанс начать предоставление доступа в интернет в ближайшее время (конец 2020 г.). На данный момент SpaceX видит ее в следующем виде: 72 орбитальные плоскости с наклонением 53° по 22 спутника в каждой на высоте 550 км (возможно, что и это не окончательный вариант). Выглядит это так:

Архитектура сети Starlink

На рисунке изображена архитектура сети Starlink и ее важнейшие компоненты, а именно:

• Космический сегмент – это спутники на низкой орбите (на данный момент разворачиваются первые 1600 спутников на орбите высотой 550 км с наклонением 53°);
• Наземный сегмент:

• Центр управления сетью (Network Management System),
• Шлюзовые станции (Gateway),
• Абонентский терминал (User Terminal).

Структура глобальной спутниковой сети Starlink Структура глобальной спутниковой сети Starlink

Что касается наземной сети, то, по сути, она построена на сети Google. На саму SpaceX зарегистрировано две автономных сети – AS14593 и AS27277 (последняя, возможно, используется для внутренней ИТ-сети SpaceX). Судя по имеющимся данным, трафик абонентов SpaceX будет маршрутизироваться по арендованным ВОЛС (преимущественно собственной сети Google, где это возможно) на ближайшие узлы/точки обмена трафиком в США: LAX (Лос-Анджелес), SEA (Сиэтл), ORD (Орландо), LGA (Нью-Йорк), SJC (Сан-Хосе), DFW (Даллас), IAD (Вашингтон).

Теперь опишем функционал каждого элемента сети.

Спутник Starlink

Космические аппараты Starlink специально сконструированы для группового запуска двумя стопками по 30 спутников под обтекателем ракеты Falcon 9 и имеют следующие размеры: длина – 3,2 м, ширина – 1,6 м, высота – 0,2 м (оценка размеров сделана по фото ниже).

Укладка спутников Starlink под обтекателем ракеты Falcon 9. Красным обведены параболические антенны для фидерной линии связи с гейтвеями в Ка-диапазоне Укладка спутников Starlink под обтекателем ракеты Falcon 9. Красным обведены параболические антенны для фидерной линии связи с гейтвеями в Ка-диапазоне

После вывода группы спутников на опорную орбиту (как правило, это 280 км) спутники раскрывают солнечные батареи, устанавливают контакт с наземным Центром управления и проводят проверку на работоспособность и отсутствие повреждений при отделении от ракеты, далее они активируют электроракетные двигатели (ЭРД) на криптоне и начинают движение на рабочую орбиту, которое занимает два-три месяца.

Солнечные батареи при запуске сложены гармошкой и имеют 12 сегментов, где длинная сторона каждого сегмента равна ширине спутника (3,2 м).

Мы можем оценить размеры каждого сегмента в 3 x 0,8 м. Таким образом, общая площадь солнечной батареи составляет 12 x 3 x 0,8 = 28,8 м². Из-за потерь между солнечными элементами и по краям (коэффициент заполнения равен 0,9) можно округлить это значение до 26 м². Примем плотность потока солнечного излучения как 1300 W/м², КПД панелей в 18% и получим примерно 6 кВт максимальной (пиковой) электрической мощности. (Для сравнения, спутники "Экспресс" на платформе "Экспресс-1000" весом 1450 кг имеют мощность солнечных батарей около 3 кВт, но возможно, это среднее значение). Реальная мощность зависит от положения панелей солнечных батарей относительно Солнца: оптимальное падение лучей на панель – под прямым углом.

Для перемещения спутника с опорной орбиты 280 км на рабочую 550 км и удержания его на ней используются плазменные двигатели или ЭРД. Если отталкиваться от ЭРД для малых спутников типа российских СПД-100 либо зарубежных BHT-1500, то их потребляемая мощность равна примерно 1,5 кВт, а тяга – 100 мН, при удельном импульсе на уровне 1700-1800 секунд. ЭРД выглядит примерно так (см. рисунок ниже) и имеет габариты примерно 20х20х15 см.

ЭРД имеют запас криптона ориентировочно 5-10 кг, который заправлен в шаробаллоны высокого давления. Данный запас позволит поднять спутник на круговую орбиту 550 км, удержать спутник на ней в течение пяти лет, а потом изменить орбиту с круговой на эллиптическую, изменив перигей с 550 км до, допустим, 250 км, где за счет торможения об остатки атмосферы спутник достаточно быстро затормозится и сгорит.

Основной полезной нагрузкой спутника Starlink являются два антенных комплекса для связи со шлюзовыми станциями (гейтвеями) и с абонентскими терминалами.

Антенный комплекс для связи с гейтвеями (или фидерная линия) представляет собой параболические антенны, наводимые в процессе полета на точку Земли, где находится гейтвей. Фидерная линия работает в Ка-диапазоне (18/30 МГц).

Тип канала связи и направление приема-передачи	Диапазоны частот, ГГц
Услуга: Вниз на абонентский терминал (со спутника на абонентский терминал)	10,7-12,7
Услуга: Вниз на гейтвей (со спутника на гейтвей)	17,8-18,6 18,8-19,3
Услуга: Вверх от абонентского терминала (от абонентского терминала на спутник)	14-14,5
Услуга: Вверх от гейтвея (от гейтвея на спутник	27,5-29,1 29,5-30
Телеметрия и управление вниз (со спутника на станцию контроля)	12,15-12,25 18,55-18,6
Телеметрия и управление вверх (от станции контроля на спутник)	13,85-14

Как следует из таблицы, в распоряжении спутника имеется 2100 МГц в направлении от шлюзовой станции к спутнику и 1300 МГц в обратном направлении. При использовании обоих вариантов поляризации (левой и правой в случае круговой) это позволяет использовать для передачи трафика 4200 МГц от гейтвея на спутник и 2600 МГц в обратном направлении.

Также на борту находятся четыре плоские квадратные антенны с фазированной решеткой – три на передачу информации от спутника на абонентский терминал и одна для приема сигнала от терминала.

Вид четырех квадратных антенн с фазированной решеткой Кu-диапазона до нанесения покрытия для уменьшения видимости с Земли и после Вид четырех квадратных антенн с фазированной решеткой Кu-диапазона до нанесения покрытия для уменьшения видимости с Земли и после

Связь между абонентским терминалом и спутником осуществляется в Кu-диапазоне, при этом для передачи от спутника к абоненту можно использовать 2000 МГц, а от абонента к спутнику – только 500 МГц. С учетом двух поляризаций для передачи трафика спутник располагает 4000 МГц вниз и прием на 1000 МГц.

Также на борту имеется комплекс оборудования для командной радиолинии и передачи телеметрии, использующий по 150 МГц соответственно в Ка- и Кu-диапазонах.

Спутник Starlink является ретранслятором и не производит обработки информации: на его борту происходит только изменение частоты принимаемого сигнала и его усиление. Также спутники первого поколения не имеют межспутниковой связи (ISL – Inter Satellite Link) и могут получать и передавать информацию только на Землю. В качестве станции TT&C (управления, контроля, приема телеметрии) заявлен телепорт Брюстнер, расположенный в штате Вашингтон. Несмотря на то что в сети всего лишь одна станция TT&C, в зоне видимости которой спутник Starlink находится не более пяти минут, объем данных, собираемый с группировки, составлял в июне 2020 года около 5 Тбайт в сутки, то есть не менее 10 Гбайт с одного спутника в сутки.

На борту каждого спутника Starlink находится около 70 отдельных процессоров под управлением Linux и порядка 10 микроконтроллеров.

Находясь на орбите в 550 км, спутник может покрыть сигналом пятно на Земле диаметром примерно 1900 км при условии, что угол места для абонентского терминала не будет менее 25°. Отметим, что эффективная работа антенн с плоской фазированной решеткой возможна при угле места 40° и более.

Радиус зоны видимости спутника под углом 25° в зависимости от его высоты Радиус зоны видимости спутника под углом 25° в зависимости от его высоты

Орбита "а", км	540	560	570
Max угол отклонения α (в градусах)	56,7	56,4	56,3
Зона покрытия "r", км	926,8	954,6	968,4

Скорость, с которой спутник движется относительно абонентского терминала, составляет примерно 410 км в минуту. Таким образом, в зоне видимости одного абонентского терминала и/или гейтвея спутник будет не более пяти минут (для гейтвея может быть дольше, так как для его параболических антенн возможна работа при меньших углах места – до 10° и даже 5°, если не будет препятствий). Соответственно, наземные терминалы с параболическими антеннами (например, на гейтвеях) должны иметь достаточно скоростной привод, обеспечивающий угловую скорость не менее 25° в минуту.

Необходимо отметить, что, по данным SpaceX, один спутник должен обеспечить пропускную способность не менее 17 Гбит/с. Учитывая, что на линии "вниз" спутник располагает только 4000 МГц, и малые размеры антенн абонентских терминалов, в системе будет применяться переиспользование (reuse) частот, как это делается в действующих спутниках типа HTS (High Throughput Satellite) – например, ViaSat-2, KA-SAT, Jupiter. В этом случае внутри зоны видимости со спутника формируются мини-зоны покрытия, каждая со своей частотой и поляризацией. Обычно используется четыре типа таких зон (на рисунке ниже раскрашены в разные цвета).

Для сети Starlink это может выглядеть так:

• Тип 1 (зеленый) – частоты с 10700 до 11700, поляризация Левая,
• Тип 2 (желтый) – частоты с 11700 до 12700, поляризация Левая,
• Тип 3 (малиновый) – частоты с 10700 до 11700, поляризация Правая,
• Тип 4 (синий) – частоты с 11700 до 12700, поляризация Правая.

В этом случае для передачи трафика уже имеется не 4000 МГц, а 14000 МГц, но для абонентского терминала это обозначает, что изменение его рабочей частоты должно происходить не один раз в пять минут, а минимум в четыре раза чаще. Для спутника задача несколько проще. Фазированная решетка его антенны формирует подобные "пятна" на Земле, при этом повышается мощность сигнала, так как каждое пятно формируется своим лучом, и плотность мощности сигнала (ЭИИМ) в нем выше, чем если бы она была размазана по всему пятну в 1900 км диаметром. В первичной заявке SpaceX от 2016 года указано, что диаметр такого "шестигранного луча" будет 45 км (стр. 80 Приложения А Технической части к заявке SpaceX в FCC от 15 ноября 2016 г.).

В 2020 году в документах, поданных в FCC, указаны следующие значения:

При этом угол диаграммы направленности луча спутника (из космоса на Землю) меняется от 3,5° до 5,5°, что хорошо коррелирует с параметрами плоской антенны таких размеров.

Диаграмма направленности антенны Диаграмма направленности антенны

Диаграмма направленности антенны – весьма важный параметр антенны, и характеризующим критерием здесь является угол, на котором мощность сигнала в два раза (соответствует 3 дБ) выше.

Чем меньше угол диаграммы направленности, тем антенна эффективнее, больше энергии излучается на рабочей частоте и меньше уходит в "боковые" лепестки, которые, по сути, являются помехой для соседних частот/сигналов.

Расчеты диаметра зоны покрытия показывают, что диаметр луча, соответствующий углу ДН 3,5°, непосредственно под спутником составит 34 км. По мере отклонения луча в сторону от линии надира угол диаграммы направленности увеличивается: согласно данным SpaceX в таблице выше, для края зоны составит 5,5°, при этом диаметр зоны покрытия одного луча на Земле увеличивается и достигнет примерно 210 км на периферии зоны видимости ИСЗ с углом наклонения в 25°. Исходя из такой геометрии и особенностей антенн спутника StarLink, проекция его лучей на Землю будет выглядеть так:

Один спутник таким образом может теоретически иметь до 300 таких лучей (beam) в зоне своего обслуживания. Вот проекция (со стороны спутника) на зону видимости, в которой абонентские терминалы видят спутник под углом места 25°.

Будет ли спутник задействовать их все или только часть из них и в каком порядке - неизвестно. Также открыт вопрос о ширине частотного диапазона в одном луче. Здесь можно упомянуть, что в своей заявке в FCC от ноября 2018 года в Приложении S SpaceX указала, что в ее сети будут каналы (channels) шириной по 50 МГц, при этом число "каналов", работающих на передачу, равно 275, а на прием - 247. Однако в более новых заявках о наличии "каналов" и их количестве SpaceX не упоминает.

Отметим, что для фидерного луча в Ка-диапазоне, который обеспечивает "подъем" интернет-трафика на борт спутника, на нем используется параболическая антенна. Для того чтобы обеспечить максимальную пропускную способность при фиксированной доступной полосе частот в Ка-диапазоне, необходимо обеспечить максимальное соотношение "сигнал/шум" за счет увеличения мощности сигнала с борта спутника, и для этого нужно максимально сузить зону покрытия на Земле – в современных системах, работающих с HTS-спутниками, ее диаметр составляет порядка 100 км. Дополнительным преимуществом узкого пятна в Ка-диапазоне является то, что сигнал со спутника не создает помеху другим системам на Земле, работающим в Ка-диапазоне.

Также здесь возникает вопрос, что, когда орбиты двух спутников пересекаются, должно происходить отключение "конфликтующих" пятен с идентичными частотами и поляризацией, при этом информация о работающем в данный момент пятне должна доводиться и до терминала, чтобы он успел переключиться в этот момент на другой спутник.

Общую координацию и управление всей сетью из спутников, гейтвеев и абонентских терминалов ведет Центр управления сетью – это самая неизвестная, невидимая и неафишируемая часть системы Starlink.

Срок жизни спутника Starlink на орбите 550 км составляет примерно пять лет, после чего запас рабочего тела криптона заканчивается, и спутник либо по команде производит снижение орбиты до плотных слоев атмосферы, либо, в случае потери связи с Землей, снижается постепенно, тормозясь остатками атмосферы, и сгорает (подробнее об этом будет написано в разделе о космическом мусоре).

Спутники Starlink впервые в мире производятся практически в режиме крупносерийного производства. По данным SpaceX, ее производственные мощности позволяют производить до 120 спутников Starlink в месяц. Отметим, что средний срок производства спутника связи для геостационарной орбиты составляет сейчас два-три года.

Безусловно, такой темп производства сильно сокращает цикл испытаний и проверок, а также отметим, что для экономии средств в спутнике используются более дешевые комплектующие и компоненты – в частности, дорогой ксенон заменен на значительно более дешевый криптон в качестве рабочего тела ЭРД.

Таким образом, снижение требований к комплектующим и циклу наземных испытаний отражается и на ресурсе, и на надежности спутников, конструкция которых дорабатывается по результатам испытаний в космосе.

На данный момент (3 сентября 2020 г.) надежность спутников Starlink характеризует следующая таблица:

Тип	Всего запущено	Сведено с орбиты по команде с Земли	Неуправляемый сход с орбиты	Не маневрируют (вероятно, вышли из строя)	% оставшихся на орбите
Версия 0 (ИСЗ ТинТин)	2 (2018)	2	0	0	0%
Версия 1 ИСЗ тип 0.9	60 (2019)	14	0	8	63%
Версия 2 ИСЗ тип 1.0	653 (с 2019-го по н.в.)	4	1	8	98%

Но сложнейшим и важнейшим элементом сети Starlink является все-таки наземный комплекс.

Центр управления сетью

Центр управления сетью (ЦУС) обеспечивает управление всей сетью спутниковой связи, координацию работы шлюзовых и абонентских станций, задание единого времени в сети, выделение частотных слотов на спутниках для работы (передачи данных) шлюзовых и абонентских станций, ведение биллинга, сбора данных о переданной и полученной информации, сбор данных о состоянии системы.

Учитывая критическую важность ЦУС, в сети, как правило, предусматривается основной ЦУС и резервный ЦУС, работающий в состоянии горячего резерва.

Оборудование Центра управления сетью для спутниковой сети на геостационарной орбите компании Hughes Network Systems (США). Оборудование Центра управления сетью для спутниковой сети на геостационарной орбите компании Hughes Network Systems (США).

По сути, ЦУС – это набор серверов, соединенных оптико-волоконными линиями связи с шлюзовыми станциями. Связь ЦУС и гейтвеев по оптическим каналам очень важна, так как обеспечивает передачу пакетов информации ЦУС на гейтвей с постоянной задержкой, что позволяет эффективно управлять процессом передачи информации на спутник и, самое главное, процессом переключения спутника с одного гейтвея на другой, а терминала – между спутниками. Использование любых систем связи, например сотовой или беспроводной, если в них есть протоколы, допускающие плавающую задержку, тут недопустимы.

Согласно заявлению Илона Маска, в сети будет использоваться собственный проприетарный протокол, который будет проще чем ip6 и иметь небольшой размер заголовков: "Will be simpler than IPv6 and have tiny packet overhead. It’s also "definitely" going to be a peer-to-peer connection". Также в сети будет использоваться сквозное шифрование трафика:

Более о ЦУС сети Starlink сейчас практически ничего неизвестно.

Шлюзовые станции (гейтвеи)

Шлюзовые станции (гейтвеи) обеспечивают передачу информации из сети интернет через спутник на абонентские терминалы. Таким образом, в отсутствие межспутниковой связи для функционирования абонентского терминала необходимо, чтобы в зоне покрытия сигнала спутника, через который работает в данный момент абонентский терминал, находился как минимум один гейтвей. Один гейтвей может работать с сотнями и тысячами абонентских терминалов. Типовой гейтвей сети Starlink имеет восемь антенн, каждая из которых может передавать информацию на "свой" спутник.

Поэтому под гейтвеем в рамках сети Starlink надо понимать совокупность отдельных антенных постов, расположенных в одном месте и работающих в Ка-диапазоне. Обычно в гейтвее находятся и абонентские терминалы, служащие для контрольных целей: они проверяют, на каких модуляциях в данных погодных условиях работает сеть в данном районе.

Под радомом (так называется радиопрозрачный колпак) находится что-то похожее на такую антенну:

Гейтвей должен иметь гарантированное энергообеспечение и подключение к магистральным каналам сети интернет (backbone). При этом точкой входа абонента в сеть интернет будут не ближайший к гейтвею узел какого-либо местного провайдера, а только собственные сервера SpaceX, на которых будет стоять система биллинга, управления трафиком клиента и оборудование СОРМ (Система оперативно-разыскных мероприятий, американское название аналогичного закона об обязанности телеком-оператора дать полиции возможность просматривать трафик – Communications Assistance for Law Enforcement Act, сокращенно CALEA).

Так как требования к серверам для указанных выше сервисов весьма высоки, скорее всего, у Starlink будет четыре-пять точек входа в интернет на территории США на самых известных узлах по обмену трафиком (IX) между интернет-провайдерами. Кстати, это добавит несколько миллисекунд, а может и пару десятков миллисекунд, к общей задержке в сети.

В данный момент Starlink использует на гейтвеях параболические антенны диаметром 1,5 м в радомах собственного производства и с передатчиком мощностью 50 Вт. Особенностью параболических антенн является то, что они, в отличие от антенн с фазированной решеткой, могут работать при малых углах места (в заявке SpaceX указано, что до 5°). В совокупности с тем, что антенны на спутнике для связи с гейтвеем тоже параболические и имеют возможность отклоняться в нужном направлении, это позволяет существенно расширить рабочую зону передачи информации от гейтвея на спутник.

Карта размещения гейтвеев Starlink в США с указанием их теоретической зоны покрытия при угле места 5-10° Карта размещения гейтвеев Starlink в США с указанием их теоретической зоны покрытия при угле места 5-10°

Одна из проблем, с которой сталкивается SpaceX при развертывании сети гейтвеев в США, – то, что в США часть Ка-диапазона закреплена за сервисом UMFUS. Последняя аббревиатура – это общее понятие, которым FCC обозначает инновационные услуги фиксированной или подвижной связи, а также интернета вещей (IoT), использующих полосу частот 27,5-28,35 ГГц в Ка-диапазоне. Услуги (или сети), которые могут предоставлять лицензиаты UMFUS, относятся только к технологиям фиксированной и наземной сотовой связи, а также фиксированной спутниковой службы, то есть подвижная спутниковая связь (такая как Starlink) к ним не относится. Поэтому SpaceX должна искать в США районы с очень низкой плотностью населения – не более 450 человек в зоне, где плотность излучения (PFD) от антенн спутниковой связи гейтвея Starlink составляет некий фиксированный предел Х (-77.6 dBm/m2/MHz): там, по мнению FCC, система Starlink не сможет помешать сервисам UMFUS.

Учитывая, что для гейтвеев желателен открытый вид на небо и возможность работы по всем 360° и с минимальными углами места, это условие существенно усложняет процесс поиска подходящего места для гейтвея.

Гейтвеи имеют в своем составе модуляторы и демодуляторы, которые обеспечивают преобразование модулированного радиосигнала в цифровой поток данных и выдачу его в наземную сеть.

Как указывалось выше, единое время и фиксированная задержка в прохождении пакета между ЦУС и гейтвеем играет абсолютно критичную роль в системе Starlink, поэтому размещение гейтвеев на движущихся, даже с минимальной скоростью, объектах (например, плавучих платформах в океане) может быть трудно решаемой задачей.

На данный момент информации о размещении гейтвеев Starlink вне континентальной территории США не имеется.

Абонентский терминал

Абонентский терминал – это индивидуальная станция, устанавливаемая на стационарном объекте (доме) и рассчитанная на обслуживание одного абонента (аккаунта). То есть пользоваться интернетом, который раздается по Wi-Fi, могут все проживающие в доме, но это будет один счет в биллинге. И вероятность того, что SpaceX организует в ближайшее время групповой доступ или несколько аккаунтов на один терминал, я оцениваю как очень низкую.

Технические параметры терминала практически неизвестны. Однако в одном из писем SpaceX приведена вот такая таблица:

Данные по модуляции, особенно на линии "космос – Земля", приведены, скорее всего, с оптимизмом, а вот данные по диаграмме направленности антенны (особенно установленной на спутнике) весьма полезны для понимания, как будет работать сеть Starlink.

Абонентский терминал состоит из двух частей. Антенна диаметром 47 см с фазированной решеткой, которая устанавливается вне дома так, чтобы иметь максимально открытый вид на небо по всем 360°:

Антенна соединяется с блоком питания по кабелю с разъемом Ethernet, который одновременно служит и кабелем питания (технология РоЕ, power over Ethernet).

В доме располагается Wi-Fi-роутер и блок питания.

Первый показ терминала из дома сотрудницы

https://youtu.be/cH_VVFFxric

Роутер в руке сотрудника SpaceX, на заднем фоне – антенна (выглядит как белый круглый стол на одной черной ножке).

Так как внешний вид роутера является секретной информацией, то фотографий лучшего качества я представить не могу.

Вот как будет выглядеть шильдик на роутере:

Роутеры производятся на Тайване, а антенны – в США, силами самой SpaceХ.

Еще одним элементом комплекта терминала будет блок питания, обеспечивающий и роутер, и антенну.

Несмотря на известнейший твит Илона Маска про Plug and Play:

– это весьма далеко от истины. До того как "plug" в розетку вилку кабеля блока питания и начать "play", придется заняться интересным мероприятием – монтажом антенны.

Нет 100%-ной уверенности, что поколение Z, привыкшее к айфонам, так легко справится с таким монтажом, когда на конек крыши надо будет затащить и закрепить вот такую конструкцию:

Easy Up EZ PNP Peak – непроникающее крепление антенны Starlink на крыше Easy Up EZ PNP Peak – непроникающее крепление антенны Starlink на крыше

Самое сложное во время монтажа – не повредить имеющуюся на крыше гидроизоляцию и обеспечить ее в месте, где кабель попадет в дом.

В случае монтажа в саду или на лужайке (если владельцу дома повезло, и она не затеняется деревьями), опора ставится просто на землю и приваливается грузами (50 фунтов = 20 кг), обычно это мешки с песком (либо бордюрный камень и т.п.). Но тут появляется другая сложность – надо проложить кабель так, чтобы не спотыкаться об него и не разрезать его газонокосилкой.

В общем, по оценке автора, не менее 50% потенциальных абонентов решат прибегнуть к услугам профессионального инсталлятора или строителя, чтобы сэкономить свое время и деньги на будущем ремонте дома.

Сказать о внутреннем устройстве антенны нечего, ибо это корпоративный секрет SpaceX (по крайней мере, до тех пор, пока какой-нибудь терминал не украдут и не вскроют тайные поклонники таланта инженеров SpaceX).

Скорее всего, внутри окажутся вот такие чипы/микросхемы (фото взято у C-Com, другого производителя антенн с плоской фазированной решеткой):

Модули 4 на 4 элемента RX для приема, TX – на передачу. Монета канадская. Модули 4 на 4 элемента RX для приема, TX – на передачу. Монета канадская.

Самым неожиданным в конструкции антенны является наличие электропривода. Судя по конструкции, антенна будет вращаться в горизонтальной плоскости на 360° и отклоняться на 50-60° в вертикальной плоскости. Данное решение (введение электропривода в конструкцию) является весьма спорным, так как любой вращающийся узел – это причина возможных отказов, особенно с учетом самых разнообразных климатических условий, когда антенна может покрываться ледяной коркой, в щели может попадать пыль, песок и т.п.

Судя по всему, ввод электропривода в конструкцию сделан для того, чтобы уйти от необходимости работы при малых углах места – наклон антенны в сторону "рабочего" в данный момент спутника увеличивает эффективную площадь антенны (см. формулу ее расчета ниже) и, соответственно, скорость передачи и приема информации.

Эффективная площадь антенны = sin (угол места) * геометрическая площадь.

То есть при угле места 25° эффективная площадь антенны составляет всего 42% от ее геометрической площади. На данный момент существует точка зрения, что антенна терминала будет поворачиваться только в момент первого включения, однако автор не разделяет эту точку зрения и полагает, что электропривод будет работать практически постоянно, помогая антенне иметь больший угол места в направлении ближайшего спутника. Создание терминала с фазированной решеткой не является сложной технической проблемой, однако главный вызов несет скорее технология. Дело в том, что современные абонентские терминалы для связи с геостационарными спутниками с параболической антенной имеют себестоимость в районе $250 и по принятой в США модели не продаются абоненту, а предоставляются ему на два-три года в составе услуги. В начале проекта Starlink Илон Маск указывал, что $300 – это и есть целевая себестоимость терминала. В то же время современные антенны с фазированной решеткой у других производителей, например Kymeta, стоят в пределах $20-25 тысяч. Поэтому перед технологами SpaceX стоит очень сложная задача – снизить себестоимость абонентского терминала хотя бы до $1000, чтобы бизнес-кейс сошелся в ближайшее время.

Состояние группировки Starlink и начало тестирования

После того как ракета-носитель Falcon 9 выведет группу спутников на опорную орбиту (280-290 км), в расчетной плоскости они раскрывают антенны, связываются с центром управления и проходят первичное тестирование. Если тесты не выявили неисправимых дефектов, спутники начинают процесс подъема на рабочую орбиту (550 км). Так как в одной плоскости не должно быть более 22 спутников, а выводятся они группами до 60 штук за один пуск, то треть из них начинает подъем сразу, а две другие группы ожидают на низкой орбите, пока в результате прецессии не сменится плоскость орбиты на 5-10°, и затем начинают подъем уже в новой плоскости. Подъем спутника на рабочую орбиту производится за счет электрореактивных двигателей (ЭРД) собственной разработки SpaceX. ЭРД работает на криптоне (выбран из-за того, что более чем в 10 раз дешевле, чем используемый обычно в ЭРД ксенон). Подъем на рабочую орбиту требует приращения dV примерно в 200 м/с и занимает в среднем четыре месяца.

https://youtu.be/a-ty4J1o_dw

Вертикально указаны имеющиеся сейчас плоскости, в которых от 17 до 20 спутников (расстояние в градусах между спутниками в одной плоскости указано на вертикальной шкале). На горизонтальной шкале показано, где плоскости пересекают экватор.

Специалистами Northern Space Research сделаны расчеты по видимости спутников для различных географических районов для двух моментов времени – при развертывании 1/3 сети, то есть 530 спутников (ожидается к концу 2020 г.), и при полностью развернутой сети из 1584 ИСЗ первого этапа.

Слева красным – частичное развертывание сети на 1/3. Справа – полная сеть из 1584 спутников. Важно, что даже при одной трети ИСЗ на орбите, согласно данным на плашке слева, любой терминал между 53 параллелями будет видеть не менее двух спутников с углом места выше 25°. Для районов около 50-й параллели в зоне видимости окажется даже пять-семь спутников, что формально более чем достаточно для полноценного сервиса, если мы примем, что при таких углах абонентский терминал может полноценно работать. Также наличие такого большого числа спутников в зоне видимости ставит вопрос о необходимости электромеханического привода для наклона антенны: зачем ее наклонять на север, если всегда найдется один-два спутника непосредственно над антенной?

На данный момент начато закрытое тестирование сервиса сотрудниками самой компании, в силу подписанных ими NDA (документов о неразглашении информации) о нем практически нет информации. Вот вероятные замеры скорости Starlink от конца июня – начала июля 2020 года:

Тесты от конца июля 2020 года:

По данным самой компании, оглашенным 3 сентября 2020 года, в сети Starlink достигнута скорость передачи на абонентский терминал более 100 Мбит/с при величине задержки не более 20 миллисекунд. Вот официальные результаты тестов из презентации SpaceX:

Сервис для абонентов

В силу особенностей архитектуры сети и наклонения плоскости орбиты в 53°, при неполной группировке наибольшая плотность спутников и, соответственно, условия для сервиса находятся южнее 53-й параллели. По данным SpaceX, именно там и начнется предоставление услуг.

Зона, в которой будет проводиться бета-тестирование сервиса Starlink Зона, в которой будет проводиться бета-тестирование сервиса Starlink

Что касается собственно сервиса, информации очень немного. Исходя из нее ожидается, что скорости составят 100 Мбит/с из сети к абоненту и 40 Мбит/с – от абонента в сеть, а целевая стоимость – $80. Пока неизвестен объем трафика, включенного в абонентскую плату. Сейчас у конкурентов Starlink – провайдеров спутникового интернета, этот объем примерно 40-50 Гбайт в месяц. При этом те абоненты, которые "сидят" в США на оптике и имеют безлимитные тарифные планы, потребляют в месяц 280 Гбайт. Учитывая, что в начале эксплуатации сеть будет пустой, а спрос сейчас оценивается как высокий (в августе SpaceX информировала о 700 тысячах запросов от желающих стать бета-тестерами), возможно, на первом этапе будет предложен некий премиальный пакет с лимитом в 250-500 Гбайт и ценой в $150-200. Исходя из модели продаж автомобиля Tesla, маловероятно наличие реселлеров по территории США: все заявки наверняка будут собираться через интернет на сайте www.starlink.com, там же заключаться договоры, и оборудование по почте будет высылаться клиенту.

Эта модель, однако, имеет изъян: нет гарантии, что абонент установит и инициирует терминал, и терминал может "зависнуть". Возможно, в контракте будет условие, что абоненту дается некий срок, дней 30-45, для включения терминала или его возврата. Это весьма важный момент для экономики проекта и данной модели продаж, так как себестоимость первых терминалов будет очень высока и SpaceX крайне желательно, чтобы они начали сразу приносить доход.

Пропускная способность сети Starlink

В первой заявке, поданной SpaceX в FCC, указывалось, что пропускная способность одного спутника составит 17-23 Гбит/с и усреднено принималась как 20 Гбит/с, позднее в одном из сообщений указывалось, что каждый запуск 60 спутников версии Starlink 1.0 добавляет около 1 Тбит/с пропускной способности для сети, то есть пропускная способность одного спутника ближе к 16-17 Гбит/с. Также не уточнялось, суммарная ли это емкость в обоих направлениях или только из сети интернет к абоненту. В любом случае, нет смысла определять пропускную способность всей сети, так как она вряд ли когда-нибудь будет реализована вся (70% Земли покрыто морями и океанами, кроме того, вряд ли спрос в Сахаре и Гималаях будет таким же, как в населенных районах). Поэтому целесообразно говорить о пропускной способности одного спутника и оценивать, сколько абонентов он может обслужить.

Если принять пропускную способность спутника в 17 Гбит/с в направлении из интернета к клиенту, то учитывая последние данные, что среднее потребление одного домохозяйства США, подключенного по оптике, составляет 281 Гбайт в месяц или эквивалентно 0,9 Мбит/с при равномерной ежемесячной загрузке, то при типичном распределении нагрузки в сетях интернет-провайдера пиковая и среднемесячная загрузка соотносится как 1 к 3-4. Таким образом, максимальное количество абонентов, которое может обслужить один спутник, составляет 5000-6000 абонентов с таким потреблением трафика. Если же объем трафика в месяц будет ограничен в тарифном плане, например, 150 Гбайт, то один спутник сможет обслужить вдвое больше абонентов – 10-12 тысяч. Указанные выше рассуждения применимы в случае использования групповых методов множественного доступа к частотному ресурсу спутника (CDMA/TDMA/FDMA), а не закрепленных каналов типа SCPC. Подробнее об этом – в соответствующем разделе.

Также отметим, что площадь территории США составляет около 10 млн км², или 2% поверхности Земли. Соответственно, приняв, что за счет "прибрежных" зон доля спутников, которые могут предоставить сервис, будет 3%, то для группировки первого этапа из 1584 спутников над территорией США могут оказать сервис не более 45-48 космических аппаратов, то есть максимальная абонентская база для первого этапа составит примерно 500-600 тысяч абонентов. При тарифе $80 в месяц такое количество абонентов принесет SpaceX доход в $500-600 млн в год, при абонплате $100 в месяц – $600-700 млн, что достаточно далеко от оценок в бизнес-плане 2016 года.

Сервис на рынках вне США

Вторым рынком, на котором быстрее всего начнется предоставление сервиса Starlink, является Канада, при этом, судя по карте покрытия, сервис будет предоставляться через гейтвеи на территории США, если SpaceX сможет доказать регулятору Канады в сфере телекома (CRTC), что это соответствует его требованиям по выдаче лицензий. SpaceX уже подала в CRTC заявку на получение лицензии международного интернет-провайдера Basic International Telecommunications Services (BITS). При этом, не дожидаясь решения канадского регулятора по данной заявке, SpaceX неожиданно оказалась владельцем компании SpaceX Canada Corp. (до недавнего времени она имела название TIBRO Canada Corp.; слово ORBIT, написанное наоборот). При этом данная компания уже получила лицензию BITS в апреле 2019 года, то есть в тот период, когда она скромно называлась TIBRO Canada Corp. и вроде бы не имела никакого отношения к SpaceX.

Напомним, что в Канаде есть собственный проект низкоорбитальной спутниковой группировки для доступа в интернет Telesat LEO, принадлежащий компании Telesat Canada – канадскому владельцу спутниковой группировки на геостационарной орбите, и поддерживаемый правительством Канады. Скорее всего, SpaceX должна еще получить от ISED (бывшая Industry Canada) лицензию (разрешение) на использование радиочастотного спектра, что является более сложной задачей. О состоянии этого процесса пока ничего не известно.

Также в сентябре 2020 года стали известны еще две зарубежные компании, аффилированные со Starlink. Первая – Starlink Internet Services UK Limited, зарегистрирована 5 августа 2020 года в Великобритании по адресу: 2 Blagrave Street, Reading, Berkshire, RG1 1AZС, с правом следующей деятельности:

• 61200 – Wireless telecommunications activities
• 61300 – Satellite telecommunications activities
• 61900 – Other telecommunications activities

Хотя компания является акционерной, но ею выпущена только одна акция, и та объявленной стоимостью в 1 фунт. Что особенно интересно, так это то, что первоначальным владельцем данного юрлица была фирма TIBRO Netherlands B.V., создавшая ее 5 августа 2020 года в Лондоне, после чего компания в сентябре 2020 года сменила владельца и юрадрес.

Вторая аффилированная компания – SpaceX Netherlands B.V. Регистрационный номер компании (KVK): 77925769. Расположение: Burgermeester Stramanweg 122 (там находится европейская штаб-квартира Tesla и – какая неожиданность! – TIBRO Netherlands B.V.).

7 августа 2020 года компания TIBRO Australia Pty Ltd получила лицензию оператора связи в Австралии.

Из вышеуказанного следует, что как минимум на рынках Канады, Великобритании, Австралии и ЕС SpaceX планирует работать напрямую, создав там 100%-ные дочерние компании. Возможно, и в других странах уже есть "спящие" компании с именем TIBRO, пытающиеся оформить лицензии на услуги связи, – будущее это покажет.

10 сентября 2020 года в Мехико состоялась встреча Патрисии Купер, вице-президента по связям с госорганами в SpaceX, и Адольфо Куэвас Тежа, и.о. президента Федерального института телекоммуникаций (IFT) Мексики. На встрече был рассмотрен вопрос о нормативных положениях по спутниковой связи, необходимых для работы спутниковой группировки SpaceX в Мексике.

С высокой вероятностью в других странах, с более запутанным и/или недружественным к США законодательством, SpaceX будет работать по партнерской модели, продавая партнерам абонентские терминалы, оборудование гейтвеев и трафик, возможно, с использованием модели revenue sharing. При этом ценообразованием и решением проблем с местным регулятором должен будет заняться местный партнер.

В целом, обсуждая работу сервиса Starlink вне территории США, надо иметь в виду три аспекта:

1. Технологический – попадает ли эта территория в зону покрытия сети Starlink и можно ли на ней установить гейтвей, подключенный к оптическому кабелю до узла обмена интернет-трафиком.
2. Политический – выдаст ли национальный регулятор компании SpaceX или ее партнеру разрешение на использование частот на территории данной страны и лицензию (разрешение), там где это необходимо, на право предоставлять услуги связи в данной стране. Разрешение на частоты и лицензия на право предоставлять услуги – это два совершенно разных документа, выдаваемых, например, в России, двумя разными правительственными органами.
3. Коммерческий – будет ли сервис в данной стране рентабельным с учетом платежеспособности местного населения, цен конкурентов на местном рынке, объема инвестиций в гейтвеи и терминалы, налогов и сборов с телеком-оператора.

Для России все три аспекта достаточно проблемны, ибо наибольшая нужда в спутниковом интернете в России наблюдается на Севере, который не попадает в зону обслуживания Starlink. Что же касается легализации самого сервиса в РФ, то ситуация в отношении SpaceX регулируется постановлением правительства РФ №1194 от 14 ноября 2014 года. Оно содержит правила, написанные изначально для OneWeb, а теперь доставшиеся по наследству SpaceX и ее проекту Starlink, – Правила использования на территории России спутниковых сетей связи, находящихся под юрисдикцией иностранных государств. Этот документ, в частности, гласит:

• "п. 7. Использование иностранной спутниковой системы осуществляется на основании решения Государственной комиссии по радиочастотам о выделении полос радиочастот по согласованию с Министерством цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации, Министерством обороны Российской Федерации, Федеральной службой безопасности Российской Федерации, Федеральной службой охраны Российской Федерации, о том, что такая система спутниковой связи не носит разведывательного характера и не может нанести ущерб интересам личности, обществу и Российской Федерации".
• "п. 9. Российский оператор связи, использующий иностранную спутниковую систему, формирует российский сегмент указанной системы в составе станции сопряжения с сетью связи общего пользования. Весь трафик, формирующийся абонентскими станциями (терминалами) на территории Российской Федерации ... должен проходить через станцию сопряжения российского оператора связи, находящуюся на территории Российской Федерации".

Таким образом, теоретически данное постановление позволяет SpaceX найти в России партнера или, основав собственное дочернее предприятие, получить права на использование частотно-орбитального ресурса не территории РФ и далее построить станции сопряжение (по сути, гейтвеи) и оборудовать их аппаратурой СОРМ-3 в соответствии с требованиями ФСБ, чтобы начать предоставлять услуги. В то же время здесь в полный рост станет вопрос стоимости абонентского терминала, который в РФ из-за ряда особенностей нашего законодательства обычно продается абонентам, а не сдается в аренду, а также вопрос наличия на спутниках в будущем межспутниковых оптических каналов, которые теоретически позволяют пустить трафик мимо гейтвеев. Исходя из сказанного, ожидать появления сервиса Starlink в России в ближайшие три-пять лет вряд ли стоит.

Starlink и Пентагон

С момента объявления Илоном Маском о проекте Starlink с 4425 спутниками существуют конспирологические утверждения, что данный проект финансируется Пентагоном. Однако среди официальных контрактов от Пентагона имеется только один – на $28 млн от Управления перспективных технологий (DAPRA), если, конечно, не предположить существование подземного туннеля от Форт-Ворс, где в США печатают доллары, до космодрома SpaceX в Бока-Чике в том же Техасе.

При этом, несомненно, SpaceX прилагает массу усилий в попытке продать сервис Starlink и его услуги военным. Так, в 2019 году организовано тестирование спутникового канала между наземным терминалом и авиационным терминалом на борту самолета С-12 через первые спутники Starlink типа Tintin, которое показало скорость 610 Мбит/с. В сентябре 2020 года состоялись новые тесты в рамках той же программы Global Lightning program, уже с нынешним поколением спутников Starlink и самолетами С-17 и КС-135 во время армейских учений.

Военные использовали спутники Starlink для тестирования своей перспективной Advanced Battle Management System, которая свяжет воздушные, морские, наземные и космические средства Пентагона. По словам главы отдела закупок ВВС Уильяма Ропера, в ходе военных учений ВВС в начале этого месяца Starlink подключился к "множеству воздушных и наземных средств", включая Boeing KC-135 Stratotanker. Военно-воздушные силы были впечатлены тем, как спутники SpaceX Starlink показали себя во время этих учений с боевыми стрельбами. "То, что я видел от Starlink, было впечатляющим и положительным", - сказал Уильям Ропер во время круглого стола в среду. "Это искусно спроектированные спутники, грамотно развернутые на орбите. Итак, есть чему поучиться из того, как они спроектированы, и я думаю, что мы можем многому у них научиться". "Военные должны быть готовы играть стратегическую роль, потому что нам нужны средства связи во многих частях мира, где нет коммерческих провайдеров", - сказал Ропер. "Мы можем быть надежным покупателем для таких компаний, как SpaceX и другие, которые хотят продавать услуги связи по всему миру. SpaceX могут не думать о клиентах за океаном, но у нас там есть наш флот. SpaceX могут не думать о заказчиках в Арктике, но наши самолеты там есть".

Министерство обороны США планирует еще больше полагаться на спутники в рамках своей новой военной доктрины All Domain Operations. Стратегия потребует, чтобы воздушные, наземные, морские, космические и киберпространственные активы были напрямую связаны друг с другом. Они будут передавать данные и информацию между собой и, возможно, даже активировать оружие друг друга. Ключевым фактором будет такая группировка спутников, как SpaceX Starlink, которая достаточно велика, чтобы противостоять атакам и продолжать работу.

В информационном бюллетене исследовательской лаборатории ВВС (Air Force Research Lab (AFRL) в сентябре 2020 года опубликована заметка со словами: "Global Lightning Testing SpaceX Starlink: команда Global Lightning AFRL начала тестирование пользовательских терминалов на военной базе Lewis McChord с партнерами из USMC по анализу их возможностей и выявлению проблем перед более обширной тестовой кампанией, запланированной на сентябрь. Пока что терминалы и сервис работают так, как ожидалось, и наши партнеры по испытаниям сейчас переходят от базового ознакомления к соответствующим вариантам использования, включая настройку существующего оборудования COMSEC для использования Starlink в смоделированных тактических сценариях".

Самым большим успехом SpaceX на военном направлении является подписание в середине 2020 года соглашения о бесплатном тестировании и изучении военными данной сети и ее услуг в течение трех лет. Отметим также, что в настоящее время Пентагон объявил конкурс на разработку проекта собственной низкоорбитальной сети (аналогичной, по сути, Starlink) с названием STL (Space Transport Layer). Анализ открытых данных по ТЗ к этому проекту показывает, что на данный момент Starlink имеет два существенных недостатка с точки зрения военных – отсутствие покрытия в Арктике и необходимость наличия наземных гейтвеев.

Также надо отметить, что приписываемые иногда в интернете сети Starlink способности выступать в роли космической сети РЛС (радиолокационных станций) не выдерживают самой элементарной критики. РЛС обнаружения целей работают на более низких частотах L- и S-диапазонов (то есть 1-2 ГГц), а не в Кu- и Ка-диапазонах Starlink (11-30 ГГц). Более того, основным фактором, ограничивающим технические характеристики локаторов, является малая мощность принимаемого сигнала. При этом мощность принимаемого сигнала убывает как четвертая степень дальности (то есть, чтобы увеличить дальность действия локатора в 10 раз, нужно увеличить мощность передатчика в 10 тысяч раз). Учитывая, что радиус действия транспортируемых радиолокаторов (самолетных), как правило, до 200 км, при максимальной разрешающей способности 10 м, то для РЛС на орбите Земли высотой 550 км потребуются крайне высокие мощности, недостижимые для спутника весом менее 250 кг.

Starlink и астрономы

Начиная с первого "поезда Илона Маска" – цепочки из 60 спутников, которые были очень хорошо видны на фоне звездного неба из-за "солнечного зайчика", начались трения SpaceX с астрономами, доходящие иногда до весьма высокого градуса.

https://youtu.be/fi9ZpbvkllI

Видео: спутники Starlink, снятые над Нидерландами

Прежде всего причину, почему видны спутники Starlink, показывает этот рисунок:

Солнечные лучи отражаются от поверхности плоских фазированных антенн. Хотя все происходит в относительно небольшой промежуток времени после заката, это не сильно успокоило астрономов.

За прошедший с первого пуска 60 спутников Starlink год SpaceX предприняла титанические усилия, чтобы решить эту проблему. Сначала она применила специальное покрытие для плоских антенн с фазированными решетками, получившей кодовое имя DarkSat:

А потом придумала специальный козырек, защищающий антенны от солнечных лучей (VisorSat):

И вот, похоже, инженеры SpaceX смогли решить эту проблему. 6 августа 2020 года на сайте наблюдателей за объектами в космосе появилась такая запись: The Starlink satellite 'Visorsat' (spacetrack #45713) was not seen on 2020 August 6 at 01:21:00 UTC. A star of magnitude 6.7 was clearly observed in the field of view so the limiting magnitude was around 7. The observationwas made with 15 x 50 binoculars under slightly hazy skies The satellite altitude was 482 km and its range was 502 km. regular Starlink satellite at that distance would be approximately magnitude 4.4. So, confirmation of this preliminary result would imply that Visorsat is, at most, only about 10% as bright as a regular Starlink satellite.

Для SpaceX это сильно облегчит задачу общественного признания и консенсуса относительно проекта Starlink в научной среде.

Starlink и проблемы космического мусора

Проблемы космического мусора интенсивно обсуждались после двух инцидентов в космосе, породивших огромное количество обломков.

Объекты более 10 см в диаметре на земной орбите Объекты более 10 см в диаметре на земной орбите

11 января 2007 года Китай провел успешное испытание противоспутникового оружия: метеоспутник FY-1C серии Fengyun, находящийся на полярной орбите высотой 865 км, был поражен прямым попаданием противоспутниковой ракеты. Ракета перехватила спутник на встречном курсе. В результате разрушения спутника и перехватчика образовалось облако обломков: системы наземного слежения зарегистрировали как минимум 2317 фрагментов космического мусора размером несколько сантиметров и более.

Первый известный случай столкновения в космосе произошел 10 февраля 2009 года: столкновение двух искусственных спутников – советского "Космоса 2251" с американским Iridium-33 на высоте 788,6 км. Скорости обоих спутников были приблизительно равны и составляли около 7470 м/с, относительная скорость была равна 11,7 км/с. Масса аппарата Iridium составляла 600 кг, а российского "Космос-2251" – 900 кг. В результате их столкновения образовалось около 600 обломков.

Эти два события, произошедшие очень близко по времени, переключили внимание экспертов на предотвращение именно столкновения спутников или их взрывов (особенно проблематичны в этом отношении вторые ступени ракет и разгонные блоки). Объявленные компанией OneWeb планы на сеть 900 спутников не привлекли особого внимания, так же как и заявка канадской компании Telesat на сеть из 300 спутников, но вот заявки SpaceX сначала на сеть в 4425 космических аппаратов, а потом – с небольшим промежутком – и на 7000 изменили ситуацию коренным образом. FCC начала глубокий анализ предложенной группировки SpaceX в данном направлении.

Одним из результатов этой работы, вероятно, стало решение SpaceX уменьшить высоту орбиты своих спутников с 1100 км до 550 км, что гарантировало сход спутника с орбиты и его сгорание в атмосфере в течение пяти лет даже в том случае, если спутник будет полностью неуправляем. Например, время жизни спутника Starlink на орбите с наклонением 53°, в зависимости от ее высоты, по расчетам инженеров SpaceX, составляло:

Наклонение орбиты в 53°

Высота орбиты	Время жизни спутника на орбите
200 км	22 дня
250 км	100 дней
>300< км	344 дня
350км	2 года
400 км	2,9 года

Кроме того, SpaceX проводила специальные расчеты для отдельных элементов своего спутника на предмет того, какие из них могут достигнуть поверхности Земли и какую "ударную" энергию они будут иметь.

Наклонение орбиты в 53°

Составной элемент	Количество	Материал	Масса (кг)	Площадь сечения (кв.м)	Энергия (Дж)
Вал	1	Железо	1,66	0,47	2733
Части корпуса	5	Карбид кремния	1,5	2,79	961
Подшипник	5	Нержавеющая сталь	0,07	2,45	8
Кронштейн	12	Титан	0,03	4,92	6

После чего, начиная со второй партии в 60 космических аппаратов (версия Starlink 1.0) SpaceX изменила конструкцию своих спутников таким образом, чтобы не осталось элементов, которые могут не полностью сгореть в атмосфере и достигнуть поверхности Земли, имея силу удара, достаточную для нанесения человеку травм.

Кроме того, SpaceX разработала специальную программу по мониторингу своих спутников и их сближению с другими космическими аппаратами или их обломками и сообщает о постоянном контроле за такими событиями.

Спутниковая задержка в сети SpaceX

Время задержки (англ. latency), или пинг, является для спутниковых сетей на низкой орбите огромным преимуществом по сравнению с сетями на геостационарной орбите (ГСО, 36 тыс. км над Землей). Для ГСО задержка в одном направлении составляет 600-800 миллисекунд и определяется временем, когда радиосигнал, достигнет спутника и вернется на Землю. Пинг равен двойному времени задержки. Большая задержка вносит большие проблемы для таких важнейших интернет-приложений, как VPN-туннели, удаленный рабочий стол и даже телефонные разговоры, не говоря уже о компьютерных играх-шутерах. Именно малая величина задержки (пинга) является ключевым элементом для низкоорбитальных сетей и их главным преимуществом по сравнению со спутниками, работающими на геостационарной орбите. Для SpaceX критично иметь пинг менее 100 миллисекунд, что является критерием для FCC при рассмотрении заявок на гранты из бюджета для подключения абонентов в сельской местности (программа RDOF). При большей задержке получить этот грант практически невозможно. Если говорить о размере задержки, то для абонента она формируется из задержки в спутниковой сети (между гейтвеем и абонентским терминалом) и задержки в наземной сети – от гейтвея до ЦУС сети Starlink – точки обмена трафиком и нужного абоненту сайта.

Задержка в спутниковом сегменте состоит из трех составляющих:

1. Задержка в космическом пространстве (3-4 миллисекунды),
2. Аппаратная задержка при модуляции и демодуляции IP-трафика в радиосигнал (5-20 миллисекунд),
3. Задержка в назначении ЦУС места в кадре (суперфрейме) для передачи трафика от гейтвея/терминала. Для ряда режимов работы, например в случае использования частот в режиме выделенного канала, эта задержка может быть равна нулю. Для режимов множественного доступа с разделением по времени (TDM) эта задержка может достигать десятков миллисекунд.

В связи с вышеизложенным, предположения некоторых авторов, что передача информации для торговли на бирже в сети Starlink может быть быстрее, чем в наземных оптических сетях, за счет использования нескольких скачков через спутник, однозначно ошибочны – из-за накапливания аппаратной ошибки при приземлении на гейтвей и новом подъеме на спутник.

Методы доступа к радиочастотному спектру

Среди методов доступа абонентского терминала к радиочастотному спектру на спутнике выделяют следующие:

1. С постоянным закреплением полосы частот за терминалом,
2. Доступ по требованию (Demand Assigned Multiple Access).

Первый метод значительно проще в аппаратной реализации, при этом за каждым терминалом закрепляется определенная часть частотного спектра на спутнике.

Спектрограмма использования частотного ресурса в режиме выделенного канала типа SCPC – Single Channel per Carrier Спектрограмма использования частотного ресурса в режиме выделенного канала типа SCPC – Single Channel per Carrier

Преимуществом этого метода является быстрота установления связи – как только антенна терминала наводится на спутник, может начаться передача информации на гейтвей. Недостаток такого метода заключается в том, что спутниковый сегмент используется нерационально, так как большую часть времени абонентский терминал не передает информации, КПД (или степень утилизации) такого канала редко превышает 5%. Так, например, если сервисный план сети Starlink будет обещать абоненту скорость 100/40 Мбит/с, то максимальное количество абонентов при использовании режима выделенного канала составит 17 Гбит/100 Мбит = 170 абонентов, что сделает сеть глубоко убыточной.

Второй принцип – доступ нескольких абонентов к одному частотному каналу с временным или частотным разделением.

Методы с групповым доступом (TDMA – Time Division Multiple Access, FDMA – Frequency Division Multiple Access и т.д.), несмотря на сложность реализации и требования синхронизации в отправке пакетов от абонентских терминалов, позволяют в несколько десятков раз эффективнее использовать частотный диапазон сети и передать в десятки раз больше информации (абонентского трафика).

Также преимуществом таких систем является то, что в них возможно варьировать скорость передачи данных на отдельный терминал в широком диапазоне: система позволяет перенаправить практически всю пропускную способность шлюзовой станции на один абонентский терминал. Однако при этом существенно возрастает задержка в передаче, ибо назначением времени и места в кадре для посылки пакета абонентским терминалом занимается Центр управления сетью, и сначала информация, что абонентский терминал Х хочет выйти в интернет и начать передачу, должна поступить на ЦУС, быть там обработана, должно быть определено наличие свободных слотов в кадре на ближайшем спутнике (а в случае его полной загруженности – на другом), и информация о свободных частотах будет передана на гейтвей, а от него – на абонентский терминал. Только после этого они могут начать передачу, причем на этой частоте абонентский терминал будет передавать только в течение того времени, пока находится в мини-пятне с данной поляризацией и частотами, то есть не более 6-7 секунд, после чего терминал попадет в зону другого мини-луча, с другими частотами и/или поляризацией. Оптимальным является, если информация об объеме трафика, нужного абоненту, будет заранее сообщена в ЦУС, и тот сможет забронировать слоты в кадре для данного терминала во всех мини-пятнах, в которые будет попадать абонентский терминал при движении спутника над домом абонента. При наличии в памяти абонентского терминала подобной roadmap можно будет обеспечить бесшовную связь и непрерывный просмотр видео в интернете.

Естественно, при этом увеличивается сложность оборудования гейтвеев, абонентских терминалов и всей сети, требующей непрерывного управления от Центра управления, поддержания синхронной работы всех гейтвеев и абонентских терминалов.

Из общих соображений первый метод выделенного канала больше подходит при организации связи для военных/правительственных задач, а второй – для оказания услуг обычным коммерческим потребителям. В данный момент отсутствует информация, какой метод доступа к космическому сегменту и его детали будет использоваться в системе Starlink. Однако, учитывая, что первоначально проектом Starlink занимались выходцы из компании Broadcom, специализирующейся на наземном ШПД и 5G, протоколы доступа могут быть взяты из них.

Межспутниковые каналы связи (Inter-satellite links)

3 сентября 2020 года SpaceX сообщила о первых тестах межспутниковых каналов связи (Inter-satellite link, ISL).

О наличии таких каналов в группировке Starlink заявлялось еще в самом начале, однако позднее в спутниках первого поколения для экономии времени и средств от них отказались.

Межспутниковые каналы позволили бы решить проблему связи в тех районах планеты, где на Земле невозможно установить гейтвей с подведенной к нему ВОЛС для доступа в интернет. В настоящее время Starlink не может предоставлять услуги в морях и океанах, кроме как на небольшом расстоянии от береговой линии, тем самым отрезая себя от весьма прибыльных рынков круизных лайнеров и коммерческих судов морского флота, а также и от большей части дальних полетов в мировой гражданской авиации.

Еще одним широко и горячо обсуждаемым достоинством ISL является то, что скорость распространения сигнала в космосе равна скорости света, а вот в оптическом кабеле она меньше, и теоретически задержка при использовании спутников Starlink с ISL будет меньше, чем при использовании трансатлантических подводных кабелей, связывающих США с Европой, Азией и Австралией, и это привлечет биржевых брокеров, торгующих на биржах этих континентов.

Перед тем как перейти к обсуждению, расскажем немного, собственно, о технологии лазерной связи. Уже сегодня лазеры широко используются при передаче огромных объемов данных по волоконно-оптическим кабелям. Их использование в космосе обладает еще большим потенциалом, отсутствие физической среды передачи позволит получить высокую скорость передачи информации. Другое преимущество лазеров заключается в том, что свет имеет длину волны, меньшую в 10 тысяч раз, чем длина волны используемых в космических коммуникациях радиоволн (или частота передачи в 10 тысяч раз выше). Это означает, что свет лазера может распространяться более узконаправленным лучом и будет требовать меньших по размерам приемных устройств для того, чтобы получить сигнал достаточной для обработки амплитуды. Помимо увеличения уровня безопасности космических коммуникаций, это позволит уменьшить вес, габариты коммуникационного оборудования, на доставку которого в космос тратятся немалые средства.

Вид бортового комплекта для лазерной связи LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration), участвовавшего в эксперименте NASA LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) в 2013 году: связь между Землей и космическим аппаратом на орбите Луны Вид бортового комплекта для лазерной связи LLCD (Lunar Laser Communication Demonstration), участвовавшего в эксперименте NASA LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer) в 2013 году: связь между Землей и космическим аппаратом на орбите Луны

Необходимо отметить, что пропускная способность канала связи определяется в том числе и диаметром приемной оптики – например, наземная приемная станция для данного эксперимента выглядела так:

При этом скорость передачи с орбиты Луны достигла 622 Мбит/с, но скорость передачи в обратном направлении, несмотря на большой размер передающей с Земли станции, составила не более 20 Мбит/с. То есть размер приемной оптики и расстояние между передатчиком и приемником сигнала играют ключевую роль.

В настоящее время основной упор делается на использовании лазерной связи для связи Земли и искусственных спутников Земли. Например, один бортовой комплект разработки Mynaric AG (Германия) для лазерной связи весит 7-15 кг. Этот комплект может передавать 10 Гбит/с на 4500 км. Производитель рассматривает скорость 100 Гбит/с, но его текущие продукты работают на скорости 10 Гбит/с. Отметим, что приемный терминал на Земле для получения данных на таких скоростях имеет более чем внушительные размеры.

На рисунке показан наземный лазерный терминал Mynaric.

По данным Mynaric, наведение, захват и слежение за космическим аппаратом – самая сложная проблема в космической лазерной связи. Фундаментальный вопрос здесь заключается в поиске компромисса между точностью наведения и мощностью светового пуска: чем меньше расходимость (рассеяние) светового пучка, тем выше сигнал на приемнике, но в этом случае выше требование по точности наведения. Расходимость пучка света современного лазера может достигать 10 мкрад (или 0,00057°). Отметим, что в этом случае пучок света на расстоянии в 1000 км имеет диаметр всего 10 м, и задача "попасть" им в другой спутник будет чрезвычайно сложной для системы наведения.

При этом необходимо помнить, что при связи между спутником и Землей мы имеем на одной стороне жестко фиксированный в пространстве объект, при межспутниковом канале связи сложность организации сеанса связи практически удваивается.

Если же аппаратура на спутнике не может обеспечить такую точность наведения, то остается смириться с широким рассеянием луча, что при фиксированной мощности передатчика на борту спутника и размера оптического приемника значительно уменьшает пропускную способность такого канала связи.

Также отметим еще один момент: если для одиночного спутника для его связи с Землей достаточно одного комплекта лазерной связи, который в сеансе связи будет сориентирован на Землю, то в такой сложной и многоспутниковой системе, как Starlink, для организации сервиса – то есть непрерывного канала связи в любое время суток – каждый спутник должен иметь четыре комплекта лазерных коммуникационных модулей, сориентированных по всем четырем направлениям. При этом отметим, что даже с четырьмя модулями необходимо будет обеспечить отклонение луча в модуле в диапазоне 90° (плюс/минус 45° от оси), что делает конструкцию такого модуля чрезвычайно сложной и, возможно, потребует наличия механических поворотных устройств в модуле лазерной связи. Если же угол отклонения в 45° не будет гарантирован автоматически, то возникнут мертвые зоны для приема/передачи у конкретного спутника, что приведет к тому, что связь будет организована не по кратчайшему маршруту, а управление передачей по ISL потребует непрерывного расчета мертвых зон у каждого спутника в каждый момент времени и учета этого при прокладке "маршрута" .

Отдельным вопросом является компоновка размещения модулей на спутнике. Спутник Starlink сейчас оптимизирован для максимально плотной укладки внутри обтекателя ракеты Falcon 9 и имеет форму прямоугольника с достаточно малой высотой, но именно на этой "короткой" стороне будет необходимо разместить оптические модули, по одному на каждую сторону. Вопрос в том, удастся ли вписать их в нынешнюю конструкцию спутника, даже с учетом того, что SpaceX будет сама проектировать модули для лазерной связи и их оптику. Судя по описанию аппаратуры оптической связи, управление направлением луча реализуется системой линз, и такая оптическая часть требует больших габаритов, если речь идет о передаче с высокой пропускной способностью.

Отметим также, что передатчики для лазерной связи являются новыми потребителями энергии на борту, а их КПД не превышает 25%, то есть возникает задача утилизации и сброса в космос оставшихся 75% затраченной энергии, что является хотя и не критической, но, тем не менее, требующей инженерного решения задачей.

Отдельной, более сложной и важной проблемой является управление трафиком, направляемым в оптический канал связи. Напомним, что существующие "классические" спутники связи на геостационарной орбите являются ретрансляторами, то есть, по сути, зеркалами, они получают с Земли сигнал на одной частоте и передают его со спутника на Землю на другой, но не меняя модуляцию и другие параметры самого сигнала.

Для понимания покажем на элементарном примере, что такое модуляция и как передается полезная информация в радиосигнале.

Различают несущую частоту (carrier wave) и модулирующий сигнал. Если мы говорим о передаче аналогового сигнала, то на несущую частоту накладывается другой сигнал, меняя амплитуду несущей частоты:

а) вид сигнала несущей частоты,

б) вид модулирующего сигнала (полезной информации),

в) вид передаваемого сигнала с полезной информацией.

Для передачи цифровой информации несущая частота и модулированный сигнал с полезной информацией выглядят так:

Главным здесь является отсутствие обработки (демодуляции) сигнала на борту спутника и, соответственно, аппаратуры для этого.

Так, при работе в Кu-диапазоне сигнал передается с гейтвея на борт спутника на частотах 14-14,5 ГГц, на борту сигнал меняет несущую частоту и с неизменной модуляцией (полезной информацией) передается вниз на абонентский терминал на частотах 10,7-11,2 ГГц. Однако включение в архитектуру сети Starlink лазерных каналов связи потребует наличия на борту спутника маршрутизации и разделения информационных потоков от абонентского терминала на те, которые будут переданы вниз на гейтвей или далее по межспутниковому каналу. Самый простой путь без существенного усложнения конструкции самого спутника - это выделение специального диапазона частот в рамках общей полосы, по которому передаваемый сигнал и информация при попадании на борт спутника направляются исключительно в межспутниковый канал связи. То есть радиосигнал высокой частоты, несущий данные, накладывается на световой сигнал перед передачей по оптическому каналу с длиной волны 1000-1500 нм (технология типа RF over fiber). Это проще, но означает, что:

а) пропускная способность межспутниковых каналов будет изначально ограничена,

б) весь частотный ресурс, задействованный для передачи информации, передаваемой далее по межспутниковым каналам связи, будет исключен для обслуживания обычных абонентов в тот период, когда спутник летит над территорией, где достаточно гейтвеев и нет нужды в межспутниковых каналах,

в) с большой долей вероятности будут нужны особенные абонентские терминалы, работающие в двухчастотном режиме.

Альтернатива данному варианту – это обработка информации на борту спутника. То есть полученный от абонентского терминала радиосигнал демодулируется и декодируется до уровня IP-пакетов, направляется в маршрутизатор, который уже распределяет информацию в радиочастотный или оптический канал связи.

Данный метод позволяет гибко использовать весь доступный частотный диапазон, не требует специальных абонентских терминалов, но требует наличия на борту маршрутизатора, способного обработать пакеты на скорости до 20 Гбит/с. При этом процессор такого маршрутизатора должен работать не в строго климатизированном помещении дата-центра с узким диапазоном рабочих температур, а в условиях открытого космоса, где температуры даже при наличии мощной СОТР (системы охлаждения и терморегуляции) будут находиться в большем диапазоне. При этом наличие мощной СОТР, несомненно, отразится на массогабаритных параметрах спутника.

Заметим, однако, что все вышеуказанные проблемы носят технический характер и в принципе решаемы.

Наличие межспутниковых оптических каналов приведет к появлению разных услуг для потребителя. Он может получить доступ в интернет через обычный гейтвей по базовым тарифам и со "стандартной" задержкой в канале, а может выбрать опцию "быстрой" связи, когда его информация отправится по межспутниковым каналам связи и "опустится" на Землю только на ближайшем к конечному пункту гейтвее. Безусловно, эта "быстрая" передача данных будет дороже, а стоимость трафика, передаваемого таким путем, естественно будет выше.

Безусловно, отдельная чисто коммерческая задача – это расчет, насколько стоимость такого "быстрого" трафика должна быть выше, чем обычного, и главное – найдется ли достаточное число клиентов, готовых оплатить такое принципиальное изменение архитектуры сети и связанные с этим инвестиции в космический сегмент.

Напомню в этой связи слова Джонатана Хофеллера, вице-президента по коммерческим продажам SpaceX: "Мы должны убедиться, что это рентабельно, перед тем как создать это [SL] и внедрить в группировку Starlink".

Есть еще один аспект наличия межспутниковых линий связи в группировке Starlink, который, возможно, не привлек пока внимания специалистов SpaceX. Внедрение ISL позволит абоненту сети Starlink выходить в интернет с территории другой страны или передавать информацию с одного терминала на другой, минуя какие-либо наземные узлы связи.

Однако практически все страны, и уж тем более развитые, имеют в своем законодательстве нормы, обязывающие всех операторов связи обеспечить возможность доступа спецслужб к передаваемому в их сетях трафику. Речь идет именно о гарантии обеспечения доступа – будут ли спецслужбы читать переписку или нет, это уже вопрос суда и других норм местного законодательства. А вот операторы связи должны это обеспечить. В США это регулирует The Communications Assistance for Law Enforcement Act (CALEA), принятый в эпоху Билла Клинтона, еще до событий 9/11. Нормы этого закона и требования к телеком-операторам в США недалеко ушли от российского законодательства по СОРМ и соответствующих требований к российским операторам связи, такая же ситуация и в большинстве других государств.

Требования обеспечения СОРМ ставят две группы проблем. Одна из них – чисто внутриамериканская: как SpaceX убедить ФБР, что она выполняет требования CALEA? Возможно, это будет список предварительно одобренных ФБР абонентов Starlink, которые могут использовать сервис с ISL, может, будет запрещено направлять абоненту в США трафик с происхождением вне территории США, может, ISL будет передавать трафик, поднятый только через гейтвеи на территории США. В общем, вариантов много, и они – предмет дискуссии между SpaceX и ФБР, в конце концов Илон Маск – добропорядочный гражданин США и патриот этой страны.

Но вопрос доступа спецслужб к трафику абонентов начинает смотреться совсем иначе, если мы говорим о другой стране.

Если до внедрения межспутниковых каналов связи SpaceX могла убедить любого национального регулятора в сфере телекоммуникаций в том, что весь трафик для абонентов данной страны пойдет с гейтвея на ее территории, на котором спецслужбы/полиция поставят соответствующее устройство police interceptor, то с наличием ISL они должны будут либо поверить на слово частной американской компании, либо подписать некое соглашение о сотрудничестве с ФБР, передав ФБР часть полномочий в перехвате трафика потенциальных преступников из этой страны. В любом случае, речь пойдет об ограничении национального суверенитета на собственной территории для абонентов сети Starlink.

Безусловно наладить обмен данными внутри США и их союзников по НАТО или Западному миру будет, скорее всего, возможно, однако даже в этих странах есть внутренние конфликты, как, например, в Испании вопрос сепаратизма Каталонии или в Турции противостояние Эрдогана и его противников, где нет криминала или терроризма, но власти страны ограничивают или могут ограничить отдельные сайты в интернете или интересоваться перепиской отдельных своих граждан. То есть, по сути, Испания и Турция должны обязать США следить за их политическими оппонентами, даже если правительство Соединенных Штатов не считает их преступниками

А если мы вспомним Саудовскую Аравию (союзника США), то вряд ли она будет готова открыть своим гражданам полный доступ к сайтам эротического содержания или веб-ресурсам, критикующим действующего монарха.

Одним словом, внедрение межспутниковых каналов связи в группировке SpaceX вызовет серьезнейшие проблемы для ее выхода на коммерческие рынки связи других стран.

Таким образом, можно сказать, что SpaceX стоит на распутье. Если внедрить межспутниковые каналы связи, то ее сервис вызовет значительный интерес со стороны военных, а также круизных и судоходных компаний, базирующихся в США, но шансы на предоставление коммерческих услуг связи на рынках других стран значительно ухудшатся.

Что у Starlink впереди?

В данный момент FCC одобрила для SpaceX две заявки для сетей в Ка/Кu- и V-диапазонах с общим количеством спутников около 12 тысяч. С момента начала развертывания сети (это первый пуск спутников версии v1.0 11 ноября 2019 г.) на орбиту выведено примерно 650 космических аппаратов (или примерно 65 единиц в месяц). Если вывод будет идти такими же темпами, то для окончания развертывания сети первого этапа в количестве 1584 спутников потребуется 14 месяцев. Если же темп запуска будет соответствовать ранним планам, озвученным главой SpaceX Гвинн Шотвел, – два пуска в месяц, то потребуется восемь месяцев. Учитывая, что на подъем до орбиты и "расстановку" спутников по рабочим местам необходимо три- четыре месяца, можно ожидать, что минимальный срок полной готовности первого этапа сети Starlink – это конец 2021 года.

Для полного развертывания сети (согласно одобренной заявке FCC в 4408 спутников с темпом 120 в месяц) потребуется минимум 30 месяцев. Но здесь возникает следующая проблема: ожидаемый срок жизни спутника на орбите – пять лет, то есть вся группировка должна быть обновлена в течение пяти лет, что выливается в необходимость менять на орбите каждый день по 2,5 спутника или запускать по 60 спутников (грузоподъемность ракеты носителя Falcon 9) каждые 24 дня.

Если учесть, что часть спутников могут выходить из строя не из-за исчерпания рабочего тела на борту, а по причине отказа в оборудовании, темп должен быть еще выше.

Однако, помимо сети Ка/Кu, есть еще сеть V-диапазона в количестве 7518 спутников, для поддержания которой необходимо запускать уже минимум четыре спутника в день (хотя торможение из-за остатков атмосферы на высотах 340 км, где планируется разместить данную группировку, значительно сильнее, и, возможно, обновлять ее придется не раз в пять лет, а чаще).

В любом случае, если исходить из пусков на Falcon 9, то поддержание сети V-диапазона – это еще два пуска в месяц. В итоге для поддержания обеих сетей потребуется семь пусков в два месяца.

Но и это еще не все. Уже сейчас в FCC подана заявка на сеть Ка/Кu второго поколения в составе 30 тысяч спутников Starlink. Если исходить из необходимости развернуть ее за пять лет, потребуется запуск не менее 500 спутников каждый месяц. Здесь ясно, что пересчитывать это число в пуски на Falcon 9 бессмысленно, и в планах SpaceX – задействовать создаваемую ею многоразовую космическую транспортную систему Starship/Super Heavy.

Возможно, именно в расчете на нее и изменена планировка сети, в поколении 2 должны появиться три орбитальные суперплоскости, каждая с 7178 спутниками, то есть расстояние между соседними спутниками составит всего 6 (!) км. Учитывая скорости, с которыми двигаются спутники на орбите, звучит это крайне удивительно, как и собственно необходимость в такой архитектуре, помимо одной причины – так проще выводить спутники с помощью Starship, их не надо будет разводить по разным плоскостям.

Указанные цифры и масштабы настолько выпадают за границы привычного мира спутниковых коммуникаций, где счет идет на единичные космические аппараты и крупнейшие в мире спутниковые операторы со стажем в 30+ лет – SES и Intelsat имеют на орбите по 50-70 спутников, что вызывают мысленное отторжение и неверие старожилов отрасли в планы SpaceX. Тем более что пока никто, включая и саму SpaceX, не представил анализ потребностей рынка в такой огромной емкости и тарифную политику, которую можно было бы оценить как на возможность продать всю эту емкость по заявленным тарифам, так и на то, а хватит ли собираемых денег на описанное выше непрерывное производство спутников, их запуск и управление на Земле всей этой гигантской группировкой.

Из осторожности можно сказать, что сегодняшний скептицизм экспертов из телекома относительно реализации полномасштабной версии проекта Starlink имеет на то серьезные основания.

Заключение

Starlink является крупнейшим проектом в области спутниковой связи, а возможно и всей отрасли телекоммуникаций в ХХI веке, и дает теоретически шансы, что спутниковая связь снова вернется в игру, ибо последние 20 лет она постепенно уступала волоконно-оптическим линиям в сегменте магистральных каналов и сотовой связи – на рынке широкополосного доступа в интернет для конечного потребителя.

Проект Starlink надо рассматривать в двух аспектах: технологическом и коммерческом. И несмотря на всю техническую сложность проекта, по моему мнению, шансы SpaceX на создание работающей системы спутникового широкополосного доступа на низкой орбите весьма высоки.

А вот достижение коммерческого успеха – выход проекта на рентабельность, возврат денег инвесторам и зарабатывание прибыли сегодня кажутся не в пример более сложной задачей. И аналогичная история проекта Iridium – яркое напоминание об этом.

Нам предстоит в ближайшие два-три года увидеть, что же получится у SpaceX и Илона Маска.