¿Cuál es el límite de tamaño más pequeño teórico para una antena de matriz en fase que puede alcanzar LEO?

Ahora que un proveedor está operando un sistema de comunicación de Internet de tierra a satélite de matriz en fase, otros lo seguirán. Una pregunta frecuente es "¿Cuándo podemos usar Starlink con un teléfono satelital?". ¿La física permite tal cosa? Puedo creer que el plato actual se puede encoger, pero ¿cuáles son los límites teóricos y prácticos?

La constelación actual de Starlink orbita entre 540 y 590 km y Kuiper planea usar entre 590 y 630 km. Sin embargo, Starlink propuso que un proyectil posterior orbitara a 340 km, aunque no sé si eso está en su planificación actual. No obstante, se podrían utilizar 340 km en sus cálculos del límite de tamaño de la antena terrestre.

La pregunta está un poco mal formulada. Los requisitos de tamaño dependen de la longitud de onda, la potencia utilizable, los requisitos de velocidad de datos y las capacidades de las antenas en ambos extremos del enlace. Los teléfonos tienen problemas adicionales en el sentido de que cualquier matriz en fase integrada en ellos estará en gran parte alejada de los satélites aéreos mientras está en uso. Los arreglos en fase de teléfonos celulares son algo real, pero están más destinados a rastrear torres que están más o menos cerca del horizonte.
Una frecuencia más alta significa una longitud de onda más corta y, por lo tanto, una matriz en fase más pequeña para un rendimiento determinado. Sin embargo , esta respuesta muestra que subir la frecuencia de unos pocos GHz a unas pocas docenas de GHz tiene un lado negativo: mayor atenuación cuando llueve. 3 GHz y 30 GHz tienen longitudes de onda de 10 cm y 1 cm respectivamente, por lo que las gotas de lluvia individuales son más grandes en comparación con una longitud de onda y, por lo tanto, pueden causar una dispersión importante. Y si su matriz en fase recibe gotas de agua en su superficie y no las arroja, estropearán el patrón de radiación.
@uhoh Tenga cuidado con la "matriz en fase más pequeña para un rendimiento dado"; eso es cierto, pero solo si trata la ganancia como su única métrica de rendimiento. Para una apertura de antena dada en ambos extremos, diferentes frecuencias y todo lo demás siendo igual, el presupuesto del enlace será idéntico. La pérdida de trayectoria en el espacio libre depende de la frecuencia y este efecto cancela exactamente el aumento de ganancia en una apertura dada. Imagine una antena dipolo: a medida que baja la frecuencia, la antena y su apertura efectiva se hacen más grandes. Para una apertura dada en ambos extremos, la frecuencia afecta la directividad a través de la ganancia, pero no la potencia recibida.
La longitud de onda de @ DodoDude700 aparece en "pérdida de ruta de espacio libre" solo debido a la forma en que el presupuesto del enlace define la ganancia. Por metro cuadrado de antena de la nave espacial y a una distancia determinada, la potencia recibida será proporcional al diámetro de la antena. d como ( d / λ ) 2 Algunas otras publicaciones sobre presupuestos de enlaces: space.stackexchange.com/search?q=user%3A12102+%27link+budget%27
@uhoh Sí, eso es lo que digo, como tal, una frecuencia más alta no le permite salirse con la suya con una apertura más pequeña, su rendimiento no aumenta a menos que su métrica de rendimiento sea la ganancia de antena.
@ DodoDude700 Quizás estemos diciendo lo mismo, quizás no. Para una antena receptora en un espacio de, digamos, 1 metro cuadrado a una distancia de, digamos, 400 km, una frecuencia más alta definitivamente le permitirá "salir con una apertura (de transmisión) más pequeña" en el suelo (excepto cuando está lloviendo). Los transmisores terrestres de 10 cm/30 GHz y 30 cm/10 GHz pondrán la misma potencia en la antena de 1 metro cuadrado del satélite receptor.
@uhoh Bien, mirando esto de nuevo, me gustaría corregir mi comentario anterior aquí, porque me doy cuenta de que dije "en ambos extremos". Para una apertura dada en ambos extremos, tiene razón, la potencia recibida SÍ depende de la frecuencia, y más alta es mejor. Para una directividad dada en ambos extremos, cuanto más bajo, mejor. Lo que quise decir, y debería haber dicho, es que para una apertura dada en un extremo (reflector de satélite) y una ganancia dada en el otro (terminal móvil con antena no dirigida), la frecuencia no importa. Como tal, si importa depende de si el terminal está limitado por el tamaño máximo o por la necesidad de ser omnidireccional.
Me tomó bastante tiempo reconciliar los cálculos del presupuesto del enlace con lo que había aprendido en la clase de física hace un millón de años. Al principio, fue confuso que la ganancia de una antena receptora dependiera de la longitud de onda, después de todo, la potencia recolectada (para un incidente de watts/m^2 dado) depende solo del área y no de la longitud de onda. Así que me obligo a seguir escribiendo sobre eso como un truco, para mantener las definiciones frescas en mi mente.

Respuestas (2)

Todo es cuestión de presupuesto de enlace.

Globalstar, por ejemplo, tiene satélites a 1400 kilómetros, utilizables desde un teléfono satelital con una antena omnidireccional de baja ganancia, al igual que los satélites de Iridium a 780. Ambos brindan acceso a Internet de banda estrecha a banda media. Inmarsat, Thuraya y muchos otros tienen satélites en órbita geoestacionaria a 35 786 kilómetros que pueden proporcionar servicio de Internet de banda estrecha a banda media a antenas de ganancia baja a media (alrededor de 10 dBi, en el caso de BGAN) mediante el uso de antenas grandes en el lado del satélite.

ingrese la descripción de la imagen aquíEn la imagen: un Inmarsat I-4, arriba desplegado en GEO, abajo durante el ensamblaje (¡humanos para la escala!)

Estos son, por supuesto, servicios de banda L y S, que si su pregunta es sobre Starlink, sus satélites no son compatibles (y no tienen licencia para usar), pero si es una cuestión de viabilidad técnica, es muy posible: hay hay muchas empresas que ya lo están haciendo.

Si su verdadera pregunta es "¿Cuáles son los límites teóricos en la ganancia de la antena del terminal de usuario para una constelación de órbita terrestre baja que proporciona acceso a Internet de banda ancha", bueno, eso es más difícil de decir sin muchos detalles de la red propuesta. Sin embargo, dado que habla de Starlink, si asume el presupuesto de enlace de Starlink, podemos hacer algunos cálculos. Este artículo establece que la potencia recibida del lado del terminal de usuario de Starlink es de aproximadamente -48,23 dBm; esto es, según los estándares de telefonía satelital de antena pequeña, obviamente una señal muy fuerte, pero tiene sentido: la necesitarán para las velocidades de datos que desean. .

Sin embargo, trabajando a partir de este número podemos llegar a un presupuesto de enlace básico. El reflector de la antena del mencionado Inmarsat I-4 tiene un diámetro de 10 metros. Para el servicio móvil por satélite, generalmente desea la frecuencia más baja con la que pueda salirse con la suya para mantener baja la ganancia requerida del terminal de usuario, pero de manera realista, un "MSS Starlink" hipotético no podría obtener tanto espectro de banda L como necesitaría mucho menos MHz totales para asignar allá abajo. Sin embargo, podemos trabajar con él. En la banda L (1,5 GHz), la ganancia de la antena gigante del lado del satélite tipo I-4 debería ser de unos 43 dBi . De la misma calculadora, en la banda Ka, 20 GHz (el espectro asignado por MSS de frecuencia más baja que creo que realmente podrían usar para esto), son 65 dBi.

La distancia entre el usuario y el satélite depende en gran medida del diseño de la constelación. Un satélite que debe servir a los usuarios en su horizonte necesita apoyar a los usuarios mucho más lejos que su altitud orbital. Sin embargo, dado que esta es una pregunta de "lo que es teóricamente posible", podemos suponer una constelación muy grande, en la que la distancia al usuario se aproxima a la altitud orbital. Diré, como una suposición, que la distancia máxima al usuario es de 400 kilómetros, para una constelación muy densa en su órbita de 340 km.

Conectando todo eso aquí , y asumiendo una ganancia de antena de terminal de usuario de 4 dBi (esto es bastante típico para una antena de terminal de servicio satelital móvil no apuntada) y ajustando la potencia del transmisor hasta alcanzar nuestro presupuesto de enlace, encontramos que el satélite necesitaría apague alrededor de 150-200 vatios. Esto es alto, pero no del todo inconcebible para las comunicaciones por satélite. Si, en cambio, asumimos 10 dBi en el terminal de usuario (ganancia similar a BGAN, probablemente necesitaría una pequeña matriz en fase de pocos elementos para salirse con la suya para un satélite que no sea GEO, pero aún podría ser un pequeño panel plano, tal vez en del orden de 10x10 cm con una matriz de 2x2 más o menos) podemos reducir la potencia de TX del lado del satélite necesaria a 50 vatios, más razonable.

En la banda Ka, gracias a la mayor ganancia del reflector grande en los satélites, el presupuesto del enlace en realidad funciona de manera relativamente similar, aunque una cosa que la calculadora no tendrá en cuenta a menos que calcule por separado y lo agregue son las pérdidas atmosféricas que son más grande en la banda Ka que en la banda L. Tenga en cuenta que en el lado del satélite, debido a la ineficiencia del amplificador, el requisito de potencia efectiva para transmitir en la banda Ka es probablemente 2-3 veces mayor que para transmitir con la misma potencia de salida en la banda L. Obtener 200 vatios para un haz de transmisión de un satélite en la banda Ka sería bastante desafiante, creo.

También me gustaría señalar que simplemente tomar un satélite GEO y colocarlo en LEO requerirá algunos cambios de diseño; entre otras cosas, los satélites GEO no suelen estar diseñados para tener su vista del sol eclipsada por la tierra cada 100 minutos. , y si bien tienen baterías para cuando el sol SÍ se pone detrás de la tierra para ellos, esto es mucho menos frecuente y no tan significativo para su presupuesto de energía. Al adaptar un satélite GEO a LEO, probablemente necesitará más paneles solares y más, posiblemente más y mejores (ciclo de vida más alto: verá muchos más ciclos en LEO), baterías.

Finalmente, es probable que el terminal de usuario que tiene una ganancia tan reducida requiera cambios en la red para garantizar que dos satélites, incluso los que están muy separados, no sirvan nada cerca de la misma área. Con un terminal de usuario orientable de alta ganancia, tiene cierto grado de elección en qué satélite "escucha", no así a 4 dBi. Esta es una consideración significativa, si no insuperable.

TL; DR: con suficiente satélite, es posible. Sin embargo, está hablando de tomar algunos de los satélites MSS más grandes y especializados en GEO y lanzar miles de ellos para alcanzar una constelación LEO adecuadamente densa. Sería una empresa excepcionalmente costosa, incluso en la escala de los costos ya altos de los satélites GEO o las constelaciones LEO. De acuerdo con la mejor información que pude encontrar, los satélites de Inmarsat cuestan entre $ 100 millones y $400M cada uno. Las economías de escala, por supuesto, se aplican cuando se producen más, pero creo que en números similares a los de Starlink, esto podría ser fácilmente un proyecto de un billón de dólares (aunque estoy seguro de que alguien se apresurará a aumentar los costos de lanzamiento, me gustaría señalar señalar que para tales satélites, el lanzamiento, incluso el lanzamiento de satélites tan grandes a una órbita tan distante como GEO, representa solo una fracción relativamente pequeña del costo de construcción, lanzamiento y operación). Sin embargo, sobre una base puramente técnica, sí, es posible.

EDITAR: Además, en cuanto a reducir la terminal de usuario tan pequeña en la constelación actual, no hay posibilidad. Ninguna cantidad de trabajo de rediseño obtendrá la eficiencia de apertura de una antena por encima del 100%. Tal vez podrían mejorarlo un poco, o hacer que la modulación sea un poco más eficiente, pero no van a llegar tan lejos solo con terminales de usuario mejorados. No puede superar el límite de Shannon y no puede obtener una eficiencia de apertura superior al 100%.

Que usted por la respuesta muy completa. Mi comida para llevar simple es la matriz de 10x10 cm para una unidad práctica.
@SpaceInMyHead Probablemente sea más o menos correcto, pero en el caso de la banda Ka podría ser más pequeño que eso: probablemente sea posible una matriz de 4x4 en la banda Ka con una huella más pequeña de 5x5 cm según los números de presupuesto del enlace que di probablemente. Sin embargo, necesitaría ejecutar algunas simulaciones para ver qué efectos atmosféricos le hacen a esas frecuencias.
¿Por qué está tomando un GEO (Inmarsat-4) como punto de referencia para el servicio de "teléfono satelital" y no un Iridium o un Globalstar?
@NgPh Porque se trata de dar servicio de banda ancha a terminales muy pequeños. En su implementación real, los servicios MSS, ya sea GEO o LEO, generalmente tienen ofertas relativamente similares y "mutuamente competitivas". Sin embargo, para proporcionar banda ancha a terminales de baja ganancia, en términos prácticos, necesitará AMBAS antenas grandes que se encuentran actualmente en los satélites GEO y las órbitas bajas de los satélites LEO. Iridium y Globalstar no tienen (ni necesitan) nada parecido a las antenas que se ven en los satélites GEO MSS. Como tal, creo que un satélite GEO MSS en una órbita más baja es un punto de partida razonable.
NO PODEMOS delimitar la pregunta del OP por "servicio de banda ancha a terminales muy pequeños" sin determinar primero qué significan "banda ancha" y "muy pequeño". La 2da generación. BigLEO tiene tasas de bits máximas comparables a BGAN (ver esto ). Si queremos explorar una solución que involucre una enorme antena satelital, existe esta empresa . Están en fase avanzada de I+D (satélite de prueba previsto para el 22/03), pero vale la pena mencionarlos.

El truco en esta pregunta es el término "teórico", que el OP dejó abierto para que muestres el "límite" (si lo hay).

"Teórico" podría significar:

  • A cualquier precio

Luego, puede intentar aumentar la ganancia de la antena satelital (en futuras generaciones de Starlink) para compensar la pérdida de ganancia en el terminal de usuario (como se sugiere en los comentarios y una respuesta), para mantener cerrado su presupuesto de enlace, todo lo demás siendo igual.

En la práctica , significa más haces (más estrechos) por satélite o más satélites. Podría significar satélites más pesados ​​y, por lo tanto, más lanzamientos.

  • En cualquier inestabilidad del servicio debido al clima

La pérdida de ganancia de la antena se compensa reduciendo el margen de lluvia, que es alto en las frecuencias utilizadas por Starlink para el enlace de servicio ( banda Ku ).

En la práctica, y especialmente para las regiones tropicales, el objetivo principal es brindar el servicio cuando el cielo está despejado. Los datos de ingeniería para esto están dados por esta recomendación de la UIT . Asumes que los usuarios no tienen otra alternativa, es decir, eres "mejor que nada".

  • En cualquier rendimiento

La pérdida de ganancia de su antena se compensa al reducir la tasa de bits del servicio, suponiendo que Starlink ya opere cerca del límite de Shannon (el único límite teórico que conozco). Teóricamente, si reduce la tasa de bits máxima en 10, puede recuperar 10 dB en cualquier pérdida de ganancia en su presupuesto de enlace. Tenga en cuenta que las constelaciones anteriores de "Big LEO" ofrecen velocidades de bits del orden de 1/1000 de las de Starlink.

En la práctica, significa que no está vendiendo el mismo tipo de servicio (es decir, acceso de banda ancha) y, por lo tanto, el tamaño de su mercado es más pequeño.

  • Sin las debidas consideraciones a las regulaciones de frecuencia

Teóricamente, puede intentar transmitir todo lo que necesite ("para llegar a LEO").

Prácticamente, si no tiene derechos exclusivos sobre una parte de las frecuencias, existen reglas de la UIT para proteger a otros usuarios de estas frecuencias, especialmente a aquellos que tienen prioridad sobre usted. Tenga en cuenta que Starlink opera en la frecuencia que ya utilizan los satélites GEO (los "incumbentes", que tienen prioridad). La única forma de proteger GEO es mediante el uso de "separación direccional". Eso es para asegurar que los terminales de las constelaciones No-GEO no transmitan excesivamente en la dirección del Ecuador (donde operan los satélites GEO). Estas reglas imponen antenas direccionales, que a su vez imponen grandes áreas/dimensiones, ya sea que estén basadas en arreglos o reflectores, o un híbrido de ambos. Por motivos de interferencias, las antenas Starlink no pueden "mirar" una gran parte del cielo, a menos que todos los satélites que ve (el GEO,

El resultado final: un ejercicio de enlace-presupuesto no es un balance "simple". Es el arte del ingeniero hacer las evaluaciones correctas de los límites prácticos .

¿Cuál es el límite de tamaño más pequeño teórico para una antena de matriz en fase que puede alcanzar LEO?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 1v