Starlink, czyli konstelacja satelitów należących do SpaceX, stanowi obecnie ponad 50% wszystkich działających satelitów komunikacyjnych. Jest to imponujący wynik, biorąc pod uwagę fakt, iż pierwszy Starlink został wystrzelony rakietą Falcon 9 na orbitę w maju 2019 roku i od tamtego czasu satelity są dostarczane regularnie na LEO.
Jak to jest, że możemy łączyć się z Ziemi z orbitującymi wokół niej Starlinkami? I czym tak naprawdę te satelity różnią się od pozostałych?
Antena pozwalająca na łączność z satelitą Starlink nazywa się Dishy i wizualnie bardzo przypomina typowe anteny talerzowe, które możemy zauważyć, przechadzając się po dowolnym polskim osiedlu. Nic bardziej mylnego; sposób działania i technologie użyte w Dishy znacząco się różnią. Antena użyta do łączności z satelitą Starlink to tzw. antena fazowa. Składa się ona z 1280 mniejszych anten, każda w kształcie sześciokąta o średnicy nieco większej niż 1 cm, co pozwala nie tylko na wzmocnienie sygnału, ale także zaimplementowanie technologii zwanej sterowanie wiązką.
Na czym polega sterowanie wiązką?
Satelity Starlink mają to do siebie, że krążą po niskiej orbicie okołoziemskiej z prędkością 27.500 km/h, w wyniku czego Dishy musi łączyć się z nowym aktualnie będącym nad horyzontem satelitą średnio co 4 minuty. Można łatwo się domyśleć, że gdyby użyte były napędy mające na celu nakierowywanie anteny w kierunku satelity, wymagałyby częstej konserwacji i generalnie cechowałyby się niską efektywnością. I to właśnie dlatego SpaceX zdecydowało się użyć anteny fazowej do zachowania łączności z satelitą; w przypadku niej utrzymywanie połączenia z tak szybkim obiektem nie stanowi trudności.
Aby antena „wiedziała”, w które miejsce na niebie skierować talerz, wpierw musi otrzymać dane o koordynatach odpowiedniego satelity. Pozwala na to chip GPS znajdujący się na dolnej warstwie anteny. Kiedy dane te zostaną przesłane do reszty 640 microchipów, małe sześciokątne anteny mogą odpowiednio zmieniać fazę bądź amplitudę sygnału otrzymywanego lub emitowanego przez niektóre z nich, tak, by w odpowiednich miejscach zachodziły interferencje: konstruktywne i destruktywne.
Interferencja konstruktywna następuje wtedy, kiedy fale elektromagnetyczne równe w fazie nachodzą na siebie, a destruktywna gdy fale przeciwne w fazie nachodzą na siebie, tym samym niwelując sygnał. I właśnie dzięki tym procesom antena może sterować wiązką i precyzyjnie podążać za satelitą.
Sygnał emitowany przez jedną antenę jest przesunięty w fazie względem drugiej anteny o 45 stopni, dzięki czemu zachodzi konstruktywna interferencja.
Fala elektromagnetyczna sama w sobie nie zawiera informacji, a stanowi ona jej nośnik dopiero wtedy, kiedy każdej permutacji fali przypiszemy odpowiedni kod binarny. W systemie Starlink każdy taki zbiór okresów sinusoidalnej fali (symbol) ma swój sześciobitowy binarny odpowiednik. Trwa on 10 nanosekund, co umożliwia wysłanie 90 milionów takich symboli w ciągu sekundy. Wynika z tego, że przepustowość przesyłu danych Starlink wynosi około 540 mb/s. W praktyce jednak prędkość Internetu z tego źródła waha się między 100 a 300 mb/s w zależności od lokalizacji czy pakietu, który wybierzemy.
Warto zauważyć, że Dishy, w przeciwieństwie do typowej anteny parabolicznej może służyć zarówno jako nadajnik, jak i odbiornik. Kolejną różnicę stanowi to, że antena talerzowa jest skierowana ciągle w to samo miejsce na nieboskłonie, gdyż łączący się z nią satelita krąży na orbicie geostacjonarnej i, co za tym idzie, jest statyczny względem naszej planety, gdyż jego obieg wynosi tyle samo co ziemska doba. I dlatego też w tym przypadku nie ma potrzeby używania anten fazowych. Antena talerzowa, inaczej zwana paraboliczną, za pomocą odpowiednio dopasowanemu kształtowi paraboli skupia sygnał przychodzący z satelity w ognisku, gdzie następuje jego modulacja, czyli zmiana parametrów oraz amplifikacja (wzmocnienie). Potem tak zmieniony sygnał jest transformowany z fali elektromagnetycznej na sygnał elektryczny i możemy się cieszyć ulubionym serialem bądź programem telewizyjnym.
Mechanizmy stojące za działaniem Starlinków niewątpliwie stanowią kolejny kamień milowy w astrokomunikacji, ale, jak wiadomo, zawsze można szybciej i lepiej. Komunikacja satelitarna to dynamicznie rozwijająca się gałąź kosmicznej gospodarki pełna nowych możliwości oraz innowacji i dlatego zachęcam do śledzenia wszelkich nowinek związanych z tą dziedziną.
Korekta — Rafał Górski
