Каков теоретический наименьший предельный размер антенны с фазированной решеткой, которая может достигать НОО?

Все дело в ссылочном бюджете.

Globalstar, например, имеет спутники на расстоянии 1400 километров, которые можно использовать со спутниковым телефоном с всенаправленной антенной с низким коэффициентом усиления, как и спутники Iridium на расстоянии 780 километров. Оба обеспечивают доступ в Интернет от узкополосного до среднеполосного. Inmarsat, Thuraya и многие другие имеют спутники на геостационарной орбите на высоте 35 786 километров, которые могут предоставлять интернет-услуги от узкополосных до среднеполосных для антенн с низким и средним коэффициентом усиления (около 10 дБи, в случае BGAN) с использованием больших антенн на стороне спутника.

На снимке: Инмарсат I-4, вверху развернутый на ГСО, внизу во время сборки (люди для масштаба!)

Это, конечно, сервисы L- и S-диапазона, которые если ваш вопрос про Starlink, их спутники не поддерживают (и не имеют лицензии на использование), но если вопрос технической возможности, то вполне возможно - есть Есть много компаний, которые уже делают это.

Если ваш настоящий вопрос звучит так: «Каковы теоретические пределы усиления антенны пользовательского терминала для низкоорбитальной группировки, обеспечивающей широкополосный доступ в Интернет», то это сложнее сказать без подробностей о предлагаемой сети. Однако, поскольку вы говорите о Starlink, если вы предполагаете бюджет ссылок Starlink, мы можем провести некоторые математические расчеты. В этой статье мощность, принимаемая на стороне пользовательского терминала Starlink, составляет около -48,23 дБм - это, по стандартам спутниковых телефонов с небольшой антенной, очевидно, очень сильный сигнал, но это имеет смысл - им это понадобится для скорости передачи данных, которую они хотят .

Однако, работая с этим числом, мы можем определить базовый бюджет ссылок. Рефлектор антенны на вышеупомянутом Inmarsat I-4 имеет диаметр 10 метров. Для подвижной спутниковой службы обычно требуется самая низкая частота, которую вы можете использовать, чтобы поддерживать требуемое усиление пользовательского терминала на низком уровне, но на самом деле такая гипотетическая «MSS Starlink» не сможет получить столько спектра L-диапазона, сколько это потребовало бы - намного меньше общего количества МГц, чтобы выделить там. Тем не менее, мы можем работать с ним. В L-диапазоне (1,5 ГГц) усиление гигантской спутниковой антенны типа I-4 должно составлять около 43 дБи . Из того же калькулятора, в Ka-диапазоне, 20 ГГц (самый низкочастотный спектр, выделенный MSS, который, я думаю, они могли бы использовать для этого), это 65 дБи.

Расстояние от пользователя до спутника во многом зависит от конструкции созвездия. Спутник, который должен обслуживать пользователей на своем горизонте, должен обслуживать пользователей намного дальше, чем высота его орбиты. Однако, поскольку это вопрос «что теоретически возможно», мы можем предположить очень большое созвездие, в котором расстояние до пользователя приближается к высоте орбиты. Я скажу, как своего рода предположение, что максимальное расстояние до пользователя составляет 400 километров для очень плотного созвездия на вашей 340-километровой орбите.

Подключив все это сюда и предполагая, что усиление антенны пользовательского терминала составляет 4 дБи (это довольно типично для ненаправленной антенны терминала мобильной спутниковой службы) и регулируя мощность передатчика до тех пор, пока мы не достигнем нашего бюджета канала, мы обнаружим, что спутник должен будет выдает около 150-200 ватт. Это много, но вполне возможно для спутниковой связи. Если вместо этого мы предположим, что 10 дБи на пользовательском терминале (усиление, подобное BGAN), вероятно, потребуется небольшая фазированная решетка с несколькими элементами, чтобы избежать этого для спутника, не являющегося геостационарным, но все же может быть небольшая плоская панель, возможно, на порядка 10x10 см с массивом 2x2 или около того) мы можем снизить необходимую мощность передатчика на стороне спутника до 50 Вт, что более разумно.

В Ka-диапазоне, благодаря более высокому коэффициенту усиления большого рефлектора на спутниках, бюджет канала на самом деле работает относительно одинаково, хотя одна вещь, которую калькулятор не будет учитывать, если вы не рассчитаете отдельно и не добавите ее, это атмосферные потери, которые больше в Ka-диапазоне, чем в L-диапазоне. Обратите внимание, что со стороны спутника из-за неэффективности усилителя эффективная мощность, необходимая для передачи в Ka-диапазоне, вероятно, в 2-3 раза выше, чем для передачи с той же выходной мощностью в L-диапазоне. Я думаю, что получить 200 Вт для одного луча передачи со спутника в Ka-диапазоне было бы довольно сложно.

Я также хотел бы отметить, что простое использование геостационарного спутника и установка его на низкоорбитальную орбиту потребует некоторых конструктивных изменений — среди прочего, геостационарные спутники обычно не предназначены для того, чтобы их вид на солнце затмевался землей каждые 100 минут. , и хотя у них есть батареи, когда солнце ДЕЙСТВИТЕЛЬНО уходит за землю для них, это происходит гораздо реже и не так важно для их энергетического бюджета. Адаптируя спутник GEO к LEO, вам, вероятно, потребуется больше солнечных батарей и больше, возможно, больше и лучше (более высокий срок службы — вы увидите гораздо больше циклов на них на LEO), аккумуляторов.

Наконец, пользовательскому терминалу с таким сильно уменьшенным усилением, вероятно, потребуются изменения в сети, чтобы гарантировать, что два спутника, даже удаленные друг от друга, не будут обслуживать что-либо близкое к одной и той же области. С управляемым пользовательским терминалом с высоким коэффициентом усиления вы получаете некоторую степень выбора, на каком спутнике вы «слышите» - не так при 4 дБи. Это важное, если не непреодолимое соображение.

TL;DR: при наличии достаточного количества спутников это возможно. Однако вы говорите о том, чтобы взять несколько самых крупных и специализированных спутников ПСС на ГСО и запустить тысячи из них, чтобы достичь достаточно плотной группировки НОО. Это было бы исключительно дорогостоящим мероприятием, даже по сравнению с и без того высокой стоимостью спутников GEO или созвездий LEO. Согласно лучшей информации о нем, которую я смог найти, спутники Inmarsat стоят от 100 до 100 миллионов долларов .400м каждый. Экономия за счет масштаба, конечно, применяется при производстве большего их количества, но я думаю, что в цифрах, подобных Starlink, это может очень легко быть проектом на триллион долларов (хотя я уверен, что кто-то быстро поднимет снижение затрат на запуск, я хотел бы указать из того, что для таких спутников запуск, даже запуск таких больших спутников на такую ​​дальнюю орбиту, как GEO, составляет лишь относительно небольшую часть стоимости строительства, запуска и эксплуатации). Хотя чисто с технической точки зрения да, это возможно.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Кроме того, что касается уменьшения пользовательского терминала до этого размера в текущем созвездии, никаких шансов. Никакие работы по перепроектированию не позволят повысить эффективность апертуры антенны выше 100 %. Возможно, они могли бы сделать его немного лучше или сделать модуляцию немного более эффективной, но они не собираются заходить так далеко только с улучшенными пользовательскими терминалами. Вы не можете превзойти предел Шеннона, и вы не можете получить эффективность диафрагмы выше 100%.

Хитрость в этом вопросе заключается в термине «теоретический», который ОП оставил открытым для вас, чтобы показать «предел» (если есть).

«Теоретический» может означать:

• Любой ценой .

Затем вы можете попытаться увеличить коэффициент усиления спутниковой антенны (в будущих поколениях Starlink), чтобы компенсировать потерю коэффициента усиления в пользовательском терминале (как предлагается в комментариях и одном ответе), чтобы сохранить ваш бюджет связи закрытым, все остальное быть равным.

На практике это означает большее количество (более узких) лучей на спутник или большее количество спутников. Это может означать более тяжелые спутники и, следовательно, большее количество запусков.

• При любом сервисе нестабильность из-за погоды

Вы компенсируете потери усиления антенны за счет уменьшения запаса по дождю, который высок на частотах, используемых Starlink для служебного канала ( Ku-диапазон ).

Практически, и особенно для тропических регионов, вы в основном стремитесь предоставлять услуги при ясном небе. Технические данные для этого приведены в этой рекомендации ITU . Вы предполагаете, что у пользователей нет другой альтернативы, то есть вы «лучше, чем ничего».

• При любой пропускной способности

Потеря усиления вашей антенны компенсируется за счет снижения скорости передачи данных при условии, что Starlink уже работает близко к границе Шеннона (единственный известный мне теоретический предел). Теоретически, если вы уменьшите пиковый битрейт на 10, вы можете восстановить 10 дБ при любой потере усиления в вашем ссылочном бюджете. Обратите внимание, что предыдущие созвездия «Big LEO» предлагают битрейт порядка 1/1000 от скорости Starlink.

На практике это означает, что вы не продаете тот же тип услуг (например, широкополосный доступ), и, следовательно, размер вашего рынка меньше.

• Без должного учета правил частоты

Теоретически можно попробовать передать столько, сколько нужно ("дойти до НОО").

Практически, если у вас нет эксклюзивных прав на часть частот, существуют правила ITU для защиты других пользователей этих частот, особенно тех, кто имеет приоритет перед вами. Обратите внимание, что Starlink работает на частоте, уже используемой спутниками GEO («действующими», имеющими приоритет). Единственный способ защитить GEO — использовать «направленное разделение». Это делается для того, чтобы терминалы негеосозвездных созвездий не передавали чрезмерно в направлении экватора (где работают геостационарные спутники). Эти правила накладывают направленные антенны, которые, в свою очередь, налагают большие площади/размеры, независимо от того, основаны ли они на решетке или на основе отражателя, или на гибриде того и другого. По причине помех антенны Starlink не могут «смотреть» на большую часть неба над головой, если только все спутники, которые они видят (ГЕО,

Суть: упражнение по бюджету ссылок — это не «простой» баланс. Это инженерное искусство правильной оценки практических пределов.