Starlink - космический сверхскоростной интернет
Введение
Еще несколько лет назад я услышал о проекте Starlink компании SpaceX американского миллиардера Илона Маска, и он меня заинтересовал.
Данный проект кардинально выпадает за рамки той спутниковой связи, к которой мы привыкли за последние 20-30 лет. За короткое время проект претерпел значительные изменения и начал воплощаться в реальные спутники, гейтвеи и терминалы, быстро меняясь в ходе своего развития.
Личность Илона Маска и все его проекты привлекают внимание самых широких слоев населения, а представления о Starlink, сложившиеся о нем в интернете, иногда очень далеки от реальности, поэтому мне захотелось хотя бы частично понять всю перспективность и сложность этого проекта.
На Донбассе идут военные действия, но интернет, тем не менее, работает. Однако из-за того, что возможности внешних коммуникаций ограничены, существует повышенная потребность в материалах и активном оборудовании для восстановления участков сети, происходят постоянные перебои со связью. Это тоже явилось одной из причин моего интереса к спутниковому интернету.
Для чего создавался Starlink
Согласно данным агентства “We Are Social” на начало 2022 года доступ к интернету имеют приблизительно 5 миллиардов человек на Земле. Около 38% населения планеты не имеет доступа к глобальной паутине. Хотя последние несколько лет этот показатель уменьшается, но всего на 3-4% в год. Учитывая эту тенденцию, каждый житель Земли сможет получать информацию из интернета лишь через 12-15 лет. Возможность подключиться к интернету есть лишь на малой части всей планеты. Это крупные города и заселенные регионы, в менее заселенных местах выйти в сеть очень проблематично, а в глухих лесах, степях, пустынях или океанах такой возможности и вообще нет. Чтобы решить эту проблему Илон Маск в 2015 году запустил проект Starlink на базе одного из подразделений SpaceX.[1] Анонсируя этот проект, Илон Маск пообещал, что новая спутниковая сеть будет способна покрыть практически всю территорию Земли и обеспечить до 50% пропускной способности всего мирового интернет-трафика, тем самым произведя революцию в отрасли. Проект Starlink изначально создавался не для корпораций и госструктур, а для всех жителей Земли.
История зарождения и развития Starlink
В 2014 году Илон Маск совместно с технологическим предпринимателем Грегом Уайлером объявили о запуске проекта WorldVu. В этом проекте планировалось вывести на низкую околоземную орбиту самое крупное на тот момент созвездие спутников (около 700 объектов). Однако затем Маск и Уайлер разделились. Уайлер на базе WorldVu организовал компанию OneWeb с похожими целями и задачами. В 2020 году она едва не обанкротилась из-за пандемии.
Успехи SpaceX дали относительно доступный способ вывода спутников на орбиту и позволили осуществить реализацию проекта Starlink собственными силами. Теоретические исследования и разработки продвигались хорошо, и уже к 2016 году компании потребовались мощности для начала производства. В 2018 году состоялся вывод на орбиту первой тестовой партии спутников Starlink на ракетоносителях SpaceX. Весной 2019 года компания запускает 60 предсерийных спутников. Тесты показали хорошие результаты, что позволило начать вывод первых рабочих моделей к концу года. В 2020 году компания совершила 26 запусков ракеты-носителя Falcon 9, а с сентября 2021 года SpaceX начала выводить на орбиту обновлённые спутники Starlink с лазерной связью, с целью повысить скорость передачи данных и снизить задержки.[2] Каждый запуск ракеты Falcon 9 мог выводить 50-60 дополнительных спутников для развертывания сети, а ресурсы SpaceX позволяли осуществлять пуски каждые две-три недели. За первый год было выведено около 900 спутников Starlink. В начале 2021 был объявлен предзаказ на подключение к сети Starlink для всех желающих, поступило более 500 000 заявок. Коронавирусный период негативно сказался на развертывании сети. Однако на начало 2022 года руководство компании заявило о 2091 работающем спутнике в сети Starlink. а количество абонентов превысило отметку в 250 тысяч пользователей. На 22 ноября 2022 года компания SpaceX в ходе 67 запусков ракеты-носителя Falcon 9 вывела на орбиту 3556 спутников.[3]
Архитектура сети Starlink
![Структура глобальной спутниковой сети Starlink [4]](images/1.jpg)
Рисунок 1. Структура глобальной спутниковой сети Starlink [4]
На данный момент архитектура системы Starlink состоит из следующих основных компонентов:
- Космический сегмент — группировка спутников на низких орбитах;
- Наземный сегмент: центр управления сетью (Network Management System), шлюзовые станции (Gateway), абонентский терминал (User Terminal).
Космические аппараты Starlink специально сконструированы для группового запуска двумя стопками по 30 спутников под обтекателем ракеты Falcon 9. После вывода группы спутников на опорную орбиту 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 2-3 месяца. Каждый спутник оснащен системой лазеров. Лазеры нужны для того, чтобы спутники могли обмениваться информацией друг с другом, спутники могут одновременно общаться с пятью соседями. Основной полезной нагрузкой спутника Starlink являются 2 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 находиться гейтвей. Фидерная линия работает в Ка-диапазоне (18/30 МГц). Также на борту находятся 4 плоские квадратные антенны с фазированной решеткой - три на передачу информации от спутника на абонентский терминал и одна для приема сигнала от терминала. [5] Спутник Starlink является ретранслятором и не производит обработки информации: на его борту происходит только изменение частоты принимаемого сигнала и его усиление.
Рисунок 2 Принцип работы спутниковой сети Starlink
Находясь на орбите в 550 км, спутник может покрыть своим сигналом пятно на Земле диаметром примерно 1900 км при условии, что угол места для абонентского терминала не будет менее 25°. Но наиболее эффективная работа антенн с плоской фазированной решеткой возможна при угле места 40° и более.
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. По сути ЦУС - это набор серверов, соединенных оптико-волоконными линиями связи с шлюзовыми станциями. Учитывая важность ЦУС, в сети предусматривается основной ЦУС и резервный ЦУС, работающий в состоянии горячего резерва.
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 8 антенн, каждая из которых может передавать информацию на "свой" спутник.
Абонентский терминал – это индивидуальная станция, устанавливаемая на стационарном объекте (доме) и рассчитанная на обслуживание одного абонента (аккаунта).
Спутниковые сети Starlink
Одна из проблем у спутникового интернета сегодня — это задержка, она составляет порядка 500 мс. Интернет-спутники и большинство телекоммуникационных спутников летают еще на так называемой Геостационарной орбите на высоте около 35 000 километров от поверхности Земли. У такой орбиты есть плюсы — можно запустить всего несколько мощных спутников, и они покроют всю поверхность планеты, но естественно есть и минусы, главные из которых — задержка и относительно маленькая скорость передачи данных.[6]
В проекте Starlink для решения этой проблемы вместо отправки нескольких спутников на Геостационарную орбиту было решено вывести много маленьких спутников на Низкую Околоземную орбиту. Они будут постоянно находиться в движении и в связи друг с другом и с Землей. Первоначально на орбиту Земли к 2025 году должны быть выпущены 12 000 спутников, в дальнейшем планируется расширить сеть до 42 000. После реализации первой фазы задержка при связи со спутником составит около трех с половиной миллисекунд, то есть задержка уменьшится больше чем в 100 раз.
Низкоорбитальная группировка Starlink состоит как минимум из двух отдельных спутниковых сетей. Первая сеть изначально планировалась из 4425 спутников, а вторая сеть, работающая в V-диапазоне, - из 7518 спутников. На данный момент SpaceX видит свою спутниковую сеть в следующем виде: 72 орбитальные плоскости с наклонением 53 градуса по 22 спутника в каждой на высоте 550 километров.[4] Наклонение в 53 градуса обеспечивает покрытие территорий, где проживает большая часть населения Земли, в то же время относительно низкая высота помогает решить две проблемы. Во-первых, она значительно уменьшает задержку сигнала до конечного потребителя. Во-вторых, в случае поломки спутник Starlink сойдет с орбиты и сгорит в земной атмосфере в течение нескольких лет, что уменьшает вероятность его столкновения с другими космическими аппаратами.
Как отследить спутники Starlink
Для отслеживания спутников используют специальный сайт Find Starlink. Необходимо задать свой город и получить в ответ все ближайшие видимые пролеты. Для каждого пролета отмечается дата, время, направление движения спутников. Также обозначены яркость пролета и его максимальная высота.
Рис.3 Пролет партии спутников со средней видимостью над Донецком.
Cервис Heavens Above он умеет следить как за спутниками Starlink, так и за другими спутниками. Также с помощью этого сервиса можно визуально отследить пролет конкретной группировки Starlink на 3D-модели Земли.
Рис.4 Пролёты спутников Starlink по запускам. Местоположение: Донецк (48,0159°С, 37,8013°В).
Чем меньше яркость, тем ярче объект, тем лучше его видно даже в крупном городе с сильным световым загрязнением неба. Высота в градусах показывает, насколько высоко спутник будет лететь над горизонтом. А азимут говорит о том, в какую сторону смотреть, чтобы не пропустить пролет.
Перспективы Starlink
Проект Starlink произвел настоящую космическо-технологическую революцию. Starlink является самым активным и масштабным проектом, завершение которого запланировано на ноябрь 2027 года. Но возникают сложности с производством необходимого количества спутников. Для решения этой проблемы компания еще в 2019 году начала разработку многоразового двухступенчатого сверхтяжелого ракетоносителя Starship. Первый рабочий образец в компании надеются получить не ранее 2024 года. Если приспособить Starship для вывода на орбиту аппаратов для Starlink, каждый запуск позволит пополнять сеть на 400 новых спутников.[1] Кроме этого, Илон Маск не смог удержать проект исключительно на коммерческой основе. Финансирование со стороны государственных органов США и активная эксплуатация технологии американскими военными поставила крест на возможном появлении Starlink в некоторых странах мира. Starlink – самый доступный проект для массового рынка, и он лучший, но выглядит он так по сравнению с другими спутниковыми системами связи. Для спутникового интернета становится проблемой то, что он не гарантирован по качеству. Большую часть времени он будет работать хорошо, но, в отличие от оптики, будут моменты, когда пользоваться им комфортно не получится.
Starlink и OneWeb претендуют на те же частоты, что и российская спутниковая система "Скиф", однако заявка от РФ была подана раньше. Первый аппарат "Скиф-Д" по программе "Сфера" был запущен 22 октября на ракете-носителе "Союз-2.1б" с космодрома Восточный вместе с тремя аппаратами "Гонец-М". Группировка "Скиф" будет предназначена для широкополосного доступа в интернет. Соответственно российский проект "Сфера" в дальнейшем может составить конкуренцию Starlink на территории РФ.
Список источников
- Как работает Starlink от Илона Маска, самый обсуждаемый интернет 2022 года.[Электронный ресурс]
- Как взять и подключиться к интернету Илона Маска в России прямо сейчас? Инструкция к Starlink.[Электронный ресурс]
- Список спутников Starlink.[Электронный ресурс]
- Все о проекте спутниковый интернет Starlink.[Электронный ресурс]
- У спутникового интернета Илона Маска нашлось неожиданное применение.[Электронный ресурс]
- Starlink — Спутниковый интернет от Илона Маска: Разбор[Электронный ресурс]