Was ist die theoretisch kleinste Größenbeschränkung für eine Phased-Array-Antenne, die LEO erreichen kann?

Es ist alles eine Frage des Linkbudgets.

Globalstar hat beispielsweise Satelliten in 1400 Kilometern Entfernung, die von einem Satellitentelefon mit einer Rundstrahlantenne mit geringer Verstärkung genutzt werden können, ebenso wie die Satelliten von Iridium in 780 Kilometern Entfernung. Beide bieten Schmalband- bis Mittelband-Internetzugang. Inmarsat, Thuraya und viele andere haben Satelliten in einer geostationären Umlaufbahn bei 35.786 Kilometern, die Schmalband- bis Mittelband-Internetdienste für Antennen mit niedriger bis mittlerer Verstärkung (etwa 10 dBi im Fall von BGAN) bereitstellen können, indem sie große Antennen verwenden eingeschaltet der Satellitenseite.

Im Bild: Ein Inmarsat I-4, oben wie in GEO eingesetzt, unten während der Montage (Menschen für den Maßstab!)

Dies sind natürlich L- und S-Band-Dienste, die, wenn Ihre Frage Starlink betrifft, deren Satelliten nicht unterstützen (und nicht lizenziert sind), aber wenn es um die technische Machbarkeit geht, ist es sehr gut möglich - dort Viele Unternehmen tun dies bereits.

Wenn Ihre eigentliche Frage lautet: "Was sind die theoretischen Grenzen des Antennengewinns von Benutzerterminals für eine Konstellation im erdnahen Orbit, die Breitband-Internetzugang bietet", dann ist das ohne viele Details des vorgeschlagenen Netzwerks schwieriger zu sagen. Da Sie jedoch über Starlink sprechen und das Linkbudget von Starlink annehmen, können wir etwas rechnen. In diesem Artikel wird die Empfangsleistung des Benutzerterminals von Starlink auf etwa -48,23 dBm geschätzt - dies ist für Satellitentelefonstandards mit kleinen Antennen offensichtlich ein sehr starkes Signal, aber das macht Sinn - sie werden es für die gewünschten Datenraten benötigen .

Ausgehend von dieser Zahl können wir jedoch ein grundlegendes Link-Budget erstellen. Der Antennenreflektor des oben erwähnten Inmarsat I-4 hat einen Durchmesser von 10 Metern. Für mobile Satellitendienste möchten Sie im Allgemeinen die niedrigste Frequenz, mit der Sie davonkommen können, um die erforderliche Verstärkung des Benutzerendgeräts niedrig zu halten, aber realistisch gesehen wäre eine solche hypothetische „MSS Starlink“ nicht in der Lage, so viel L-Band-Spektrum zu erhalten wie es würde viel weniger Gesamt-MHz benötigen, um es dort unten zuzuweisen. Allerdings können wir damit arbeiten. Im L-Band (1,5 GHz) sollte der Gewinn der gigantischen I-4-ähnlichen satellitenseitigen Antenne etwa 43 dBi betragen . Aus demselben Rechner im Ka-Band, 20 GHz (dem MSS-zugewiesenen Spektrum mit der niedrigsten Frequenz, das sie meiner Meinung nach tatsächlich dafür verwenden könnten), sind es 65 dBi.

Die Entfernung vom Benutzer zum Satelliten hängt stark vom Konstellationsdesign ab. Ein Satellit, der Benutzer an seinem Horizont bedienen muss, muss Benutzer viel weiter entfernt als seine Umlaufbahnhöhe unterstützen. Da es sich hier aber um eine „was theoretisch Mögliche“-Frage handelt, können wir von einer sehr großen Konstellation ausgehen, bei der sich der Abstand zum Benutzer der Bahnhöhe annähert. Ich sage, als eine Art Vermutung, dass die maximale Entfernung zum Benutzer 400 Kilometer beträgt, für eine sehr dichte Konstellation auf Ihrer Umlaufbahn von 340 km.

Wenn wir all das hier einstecken und einen Antennengewinn des Benutzerterminals von 4 dBi annehmen (das ist ziemlich typisch für eine nicht ausgerichtete Antenne eines mobilen Satellitendienstterminals) und die Sendeleistung anpassen, bis wir unser Verbindungsbudget erreichen, stellen wir fest, dass der Satellit dies tun müsste 150-200 Watt ausgeben. Das ist hoch, aber für die Satellitenkommunikation nicht völlig undenkbar. Wenn wir stattdessen 10 dBi auf dem Benutzerterminal annehmen (BGAN-ähnliche Verstärkung) würde wahrscheinlich ein kleines Phased-Array mit wenigen Elementen benötigt, um damit für einen Nicht-GEO-Satelliten durchzukommen, aber es könnte immer noch ein kleiner Flachbildschirm sein, vielleicht an die Größenordnung von 10 x 10 cm mit einem 2 x 2-Array oder so), können wir die erforderliche satellitenseitige TX-Leistung auf 50 Watt herunterbekommen, was vernünftiger ist.

Bei Ka-Band funktioniert das Link-Budget dank der höheren Verstärkung des großen Reflektors auf den Satelliten tatsächlich relativ ähnlich, obwohl eine Sache, die der Rechner nicht berücksichtigt, es sei denn, Sie berechnen separat und addieren sie, atmosphärische Verluste, die vorhanden sind beim Ka-Band größer als beim L-Band. Beachten Sie, dass auf der Satellitenseite aufgrund der Ineffizienz des Verstärkers die effektive Leistungsanforderung zum Senden im Ka-Band wahrscheinlich das 2- bis 3-fache dessen beträgt, was für das Senden mit der gleichen Ausgangsleistung im L-Band erforderlich wäre. 200 Watt für einen Sendestrahl aus einem Satelliten im Ka-Band herauszuholen, wäre eine ziemliche Herausforderung, denke ich.

Ich möchte auch darauf hinweisen, dass das einfache Nehmen eines GEO-Satelliten und das Einfügen in LEO einige Designänderungen erfordern wird - unter anderem sind GEO-Satelliten normalerweise nicht so konzipiert, dass ihr Blick auf die Sonne alle 100 Minuten von der Erde verfinstert wird , und obwohl sie Batterien haben, wenn die Sonne für sie hinter die Erde geht, ist dies viel seltener und für ihr Energiebudget nicht so bedeutsam. Wenn Sie einen GEO-Satelliten an LEO anpassen, benötigen Sie wahrscheinlich mehr Solarmodule und mehr, möglicherweise mehr und bessere Batterien (höhere Lebensdauer - Sie werden viel mehr Zyklen auf ihnen in LEO sehen).

Schließlich ist es wahrscheinlich, dass das Benutzerendgerät mit einer derart stark verringerten Verstärkung Netzwerkänderungen erfordert, um sicherzustellen, dass zwei Satelliten, sogar weit voneinander entfernte, nichts in der Nähe desselben Gebiets bedienen. Mit einem steuerbaren Benutzerterminal mit hoher Verstärkung haben Sie eine gewisse Wahl, welchen Satelliten Sie "hören" - nicht so bei 4 dBi. Dies ist eine bedeutende, wenn nicht sogar unüberwindbare Überlegung.

TL;DR: Mit genug Satellit ist es möglich. Sie sprechen jedoch davon, einige der größten und spezialisiertesten MSS-Satelliten in GEO zu nehmen und Tausende von ihnen zu starten, um eine ausreichend dichte LEO-Konstellation zu erreichen. Es wäre ein außergewöhnlich kostspieliges Unterfangen, selbst in der Größenordnung der bereits hohen Kosten von GEO-Satelliten oder LEO-Konstellationen. Nach den besten Informationen, die ich finden konnte, kosten die Satelliten von Inmarsat zwischen 100 Millionen und 100 Dollar400M jeder. Größenvorteile gelten natürlich, wenn mehr davon produziert werden, aber ich denke, bei Starlink-ähnlichen Zahlen könnte dies sehr leicht ein Billionen-Dollar-Projekt sein (obwohl ich sicher bin, dass jemand schnell sinkende Startkosten aufbringen wird, möchte ich darauf hinweisen dass für solche Satelliten der Start, sogar der Start so großer Satelliten in eine so entfernte Umlaufbahn wie GEO, nur einen relativ kleinen Bruchteil der Bau-, Start- und Betriebskosten ausmacht). Rein technisch ist es aber möglich.

EDIT: Auch das User-Terminal so klein zu schrumpfen bei der aktuellen Konstellation, keine Chance. Kein noch so großer Umbauaufwand wird die Apertureffizienz einer Antenne über 100 % bringen. Sie könnten es vielleicht ein bisschen besser machen oder die Modulation ein bisschen effizienter machen, aber sie werden nicht so weit gehen, nur mit verbesserten Benutzerterminals. Sie können die Shannon-Grenze nicht überschreiten und Sie können keine Blendeneffizienz über 100 % erreichen.

Der Trick bei dieser Frage ist der Begriff "theoretisch", den das OP offen gelassen hat, damit Sie die "Grenze" (falls vorhanden) zeigen können.

"Theoretisch" könnte bedeuten:

• Um jeden Preis .

Dann können Sie versuchen, den Gewinn der Satellitenantenne (in zukünftigen Starlink-Generationen) zu erhöhen, um den Gewinnverlust im Benutzerterminal auszugleichen (wie in Kommentaren und einer Antwort vorgeschlagen), um Ihr Linkbudget geschlossen zu halten, alles andere gleich sein.

Praktisch bedeutet dies mehr (engere) Strahlen pro Satellit oder mehr Satelliten. Es könnte schwerere Satelliten und damit mehr Starts bedeuten.

• Bei jeder Service-Instabilität aufgrund des Wetters

Sie kompensieren den Verlust des Antennengewinns, indem Sie die Regenmarge reduzieren, die bei den von Starlink für die Serviceverbindung verwendeten Frequenzen ( Ku-Band ) hoch ist.

Praktisch und insbesondere für tropische Regionen zielen Sie hauptsächlich darauf ab, Service bei klarem Himmel zu leisten. Die technischen Daten dazu gibt diese ITU-Empfehlung . Sie gehen davon aus, dass die Benutzer keine andere Alternative haben, dh Sie sind "besser als nichts".

• Bei jedem Durchsatz

Der Verlust Ihres Antennengewinns wird durch Reduzieren der Dienstbitrate kompensiert, vorausgesetzt, Starlink arbeitet bereits nahe der Shannon-Grenze (der einzigen mir bekannten theoretischen Grenze). Wenn Sie die Spitzenbitrate um 10 reduzieren, können Sie theoretisch 10 dB Gewinnverlust in Ihrem Link-Budget ausgleichen. Beachten Sie, dass die vorherigen „Big LEO“-Konstellationen Bitraten in der Größenordnung von 1/1000 der von Starlink bieten.

In der Praxis bedeutet dies, dass Sie nicht die gleiche Art von Dienst (z. B. Breitbandzugang) verkaufen und daher Ihre Marktgröße kleiner ist.

• Ohne Berücksichtigung von Frequenzvorschriften

Theoretisch können Sie versuchen, so viel zu übertragen, wie Sie benötigen ("um LEO zu erreichen").

Wenn Sie keine exklusiven Rechte an einem Teil der Frequenzen haben, gibt es in der Praxis Regeln der ITU, um andere Benutzer dieser Frequenzen zu schützen, insbesondere diejenigen, die Vorrang vor Ihnen haben. Beachten Sie, dass Starlink auf der Frequenz arbeitet, die bereits von GEO-Satelliten verwendet wird (die „Incumbents“, die Vorrang haben). Die einzige Möglichkeit, GEO zu schützen, ist die Verwendung von "Richtungstrennung". Damit soll sichergestellt werden, dass Endgeräte von Nicht-GEO-Konstellationen nicht übermäßig in Richtung des Äquators (wo die GEO-Satelliten operieren) senden. Diese Regeln schreiben Richtantennen vor, die wiederum große Flächen/Dimensionen auferlegen, unabhängig davon, ob sie Array-basiert oder Reflektor-basiert sind oder eine Mischung aus beidem. Aus Gründen der Interferenz können Starlink-Antennen nicht auf einen großen Teil des Himmels "blicken", es sei denn, alle Satelliten, die sie sehen (das GEO,

Fazit: Eine Link-Budget-Übung ist keine „einfache“ Bilanz. Es ist die Kunst des Ingenieurs, praktische Grenzen richtig einzuschätzen .