Лазерные каналы связи в группировке StarLink компании SpaceX (ликбез N2)

подсунутый мне на NSF

Хочу сказать следующее:  Итак

Лазерная связь (ISL)  В СтарЛинке. Год 2021

Общая архитектура или схема связи :
Сигнал от терминала уходит по радиоканалу в Ку диапазоне шириной 62 Мегагерца (скорость 40 ..60 Мегабит) на ИСЗ с него на другой,  но уже по лазерному каналу потенциальной шириной до 100 Гигагерц (но по логике с информационной скоростью проще иметь все теже 62 МГц и  все те же 40..60 Мегабит) .. третий и пока не дойдет до ИСЗ, который сбросит его вниз на Гейтвей и далее в сеть Интернет  и оттуда сигнал попадет на спутник по каналу  500 Мегагерц (который на ИСЗ поделят пополам  и отправят на конечный ИСЗ,  где лучом шириной в 240 МГц опустят в нужную ячейку на терминал абонента..

Для организации канала связи необходимо,  чтобы две антенны смотрели друг в друга и сигнал от одного передатчика попадал на приемник другого.

Как это делаеся сейчас в спутниковой связи в море или на передвижных сухопутных терминалах?

1) На каждом ИСЗ на ГСО есть «маяк» beacon , частот его известна. (иногда используют и ТВ сигнал он тоже мощный).
2) Антенна на корабле выставляется куда то в направлении спутника по его и корабля координатам . У антенны диаграмма направленности 2 и менее градусов , а тут качка, попасть сразу сложно.
3) И антенна начинает сканировать вокруг заданной точки – можно зигзагом, можно кругами пока не захватит краешек слабый сигнал.
4) Потом начинает легкими шажками влево /вправо искать максимум (пик)  сигнала (иногда это называют пикировкой) ,
5) после достижения максимума наведение считается оконченным , после чего  модем переключается на прием рабочей частоты.
6) моем получает особый  сигнал с гейтвея /ХАБа - разрешение на передачу
7) в служебном канале терминал отправляет на гейтвей/ХАБ запрос на место в кадре для передачи информации пользователя
8) получив ответ от гейтвея и место в кадре терминал начинает передачу информации абонента..

При этом  контроллер управления терминала постоянно  сканирует (отклоняет антенну) ища тот самый максимум – то есть подстраивая антенну .
и в принципе при волнении 3 балла минимум все работает  очень хорошо

При использовании лазерной связи на спутниках в одной плоскости  все эти процедуры надо  так же пройти – выставление в цель – поиск- пикировка-подстройка при работе.

в плоскости с наклонением 53 градуса  имеется 22 ИСЗ СтарЛинка. Окружность орбиты равна = (6371 км + 650 км) * 2  * пи = 43526 км, а расстояние между ИСЗ  без малого 2000 км.

Отмечу, что при расстоянии между ИСЗ более 5200 км на этой высоте   нет между ними видимости!! Земля круглая, и линия на другой спутник упирается в нее. То есть плоскости с наклонением 53 градуса допустима дырка только в 1 спутник!! 

Но! На полярной орбите с наклонением в 97 градусов у СтарЛинка  43 или 58 Спутников, то есть они гораздо плотнее друг к другу и расстояние от 1000 до 750 км  и соответственно потеря 2-3 ИСЗ это не проблема.. (и эти плоскости специально  созданы под лазерные каналы)

Теперь лазерный луч имеет диаметр на выходе считанные милиметры или сантиметры и фантастически малую расходимость.

Вот данные по системе лазерной связи Минерик (это один из топов на этом направлеии, только что заключивший контракт с SpaceLink (не путать со СпейсХ)  для участия в пентагоновском аналоге СтарЛинка

Что говорит сам Минарик?? Что расходимость лазерного луча (его пятно на 4000 км это 111 метров.

На 1000 ки это в 4 раза меньше какие то 27 метров.

То есть Вам надо попасть на расстоянии 1000 км в пятно 27 метров, чтобы приемник на борту того ИСЗ захватил Ваш сигнал и начал ответную передачу.

И когда Вы работаете в одной плоскости Вы можете потратить  10..20 минут , хоть час, чтобы установить эту связь и потом ее поддерживать,  парируя все малейшие  отклонения спутника (а они будут ибо на него действует солнечный ветер, маневры по ориентации и корректировки орбиты, повороты (постоянные!!!) солнечных батарей, постоянные повороты параболических антенн Ка диапазона. Но, если канал уже стоит и работает автоподстройка это не беда..лазерное устройство будет наведено точно на спутник цель..

Теперь мне тут показывают мультики как бодро переключаются каналы меж спутниками.

Але!! Да Вы знаете координаты, обеих ИСЗ, их высоту  но Вам для попадания в цель надо выставить  плоскости Ваших ИСЗ с взаимной точностью   1/10000 градуса!! Как Вы это сделаете?? Какой у Вас там «уровнеметр» стоит , чтобы  мерять его горизонталь с такой точностью??

Удерживать канал можно скорее всего часами, днями и месяцами,  но его наведение это  долгая задача по меркам задержки сигнала и перерыва связи (Брокеры в Сиднее будут просто офигивать от такого канала!!).

Далее, а как ИСЗ вообще поймет , где находится другой?? Спутник – тупой, он все умное получает с Земли. И более того – всю служебную информацию он не получает с Гейтвеев. Для этого есть специальный служебный радиоканал со своими частотами и специальные станции TT&C  с антеннами по 4,5 метра, и которых всего 4 в мире!!! Это Brewster (штат Вашингтон в США), Кордова (Аргентина), Тромсё (Норвегия), Аваруа, (Новая Зеландия). Канал телеметрии и управления для каждого спутника может быть активным всего до 2,5 часов в день (12 минут в течение одного  оборот ИСЗ вокруг Земли) орбиту, хотя расчетное время сеансов телеметрии 60 минут в день.

Все и вся служебная телеметрия, все что связано с управлением самого ИСЗ связано только с этими 4 станциями, которые и будут грузить в спутники данные об актуальной  архитектуре сети и в указанные выше интервалы времени. (и это разумно, чтобы местный персонал Гейтвея в какой нить Папуасии не хакнул бы ИСЗ ) и не отправил бы  его в качестве камикадзе на другой ..

А ИСЗ будут менять свои координаты постоянно ибо на них стит автоматическая программа уклонения от мусора..плюс остатки атмосферы..

Поэтому  коллеги, я считаю вероятность организации мгновенных переключений спутниковых каналов  крайне низкой, как и похоже сама Спейс Х,  которая разместила на спутниках пока только 2 устройства для intersatellite link..

и еще есть у меня одна мысль, но    в качестве Версии /предположения (по теме "если бы я был Илоном Маском" :-). Как Вы видите лазерная связь требует серьезных изменений в частотном плане, и соотвественно в устройствах связанных с радиочастотным комплексом на ИСЗ, поэтому вспоминая, что у нас сейчас абонентский терминал UT-2  работает только в ОДНОЙ поляризации, я не исключаю, что для связи с использованием лазерных каналов  будут ДРУГИЕ терминалы с возможностью переключения /изменения на другую поляризацию  и в которой и будет  организована отдельнвй радиочастотный контур   Ку банд - лазер - Ка банд . Для параболических антенн в Ка диапазоне проблем с поляризацей в отличие от ФАР нет.  При этом надо понимать, что связь с использованием лазерного канала  нужна в авиации, морякам и военным. Все они могут себе без проблем позволить терминал за 10...20 тысяч долларов , может и большего диаметра антенны и мощности передатчика (= большей скорости).
Это пока мое предположение, но как то монетизировать вторую поляризацию СпейсХ точно надо..
Все мечты о том, что Илон Маск принесет по лазерному каналу "свободный интернет" во глубину российских руд, где нет гейтвея  я оставлю на совести говорящих это.. 

Желающие поспорить и заключить пари  на эту тему (организация постоянного коммерческого канала связи с передачей лазерного сигнала между ИСЗ в разных плоскостях) – вэлкам