Нужно больше маневров: как спутники Starlink меняют жизнь баллистиков и астрономов

11 июля SpaceX запустила очередную партию из нескольких десятков спутников Starlink, которых на орбите теперь уже больше 2,5 тысячи. Это всего несколько процентов от запланированных десятков тысяч, но даже их оказалось достаточно, чтобы заметно поменять обстановку в околоземном пространстве и на Земле — рассказываем, как именно.

В 2018 году, задолго до того, как запуски Starlink стали происходить с темпом раз в пару недель, SpaceX получила у американской Федеральной комиссии по связи (FCC) два разрешения, суммарно позволяющие ей запустить около 12 тысяч собственных спутников на околоземную орбиту. На этом аппетит SpaceX не закончился, и она запросила у FCC и Международного союза электросвязи (ITU) разрешение на запуск еще 30 тысяч спутников. Пока компания не получила разрешение, но, кажется, она может подождать: сейчас SpaceX запустила лишь 2805 спутников из 12 тысяч, поэтому даже при текущем высоком темпе у нее есть много времени на ответ обоих регуляторов. Чуть меньше 300 запущенных спутников уже сошли с орбиты, а на рабочей орбите сейчас находятся чуть больше двух тысяч аппаратов.

Такое огромное количество спутников необходимо для создания глобальной (пока еще нет) системы связи с большой скоростью и низким откликом. Но в этом также кроется опасность, причем сразу нескольких типов.

Тесное соседство

Уже сейчас на спутники Starlink приходятся десятки процентов от всего количества аппаратов, запущенных на околоземную орбиту, которое составляет по разным оценкам от пяти до семи с половиной тысяч. Рост числа спутников происходит очень быстро и очевидно, что дальше он будет только ускоряться. Это будет происходить как за счет самого Starlink, так и за счет систем конкурентов SpaceX, в том числе уже разворачиваемой спутниковой группировки OneWeb, а также будущих аналогичных проектов Amazon, Китая и других стран и организаций.

Чем больше спутников находится на околоземной орбите, тем выше вероятность их столкновения. Подсчетом этой вероятности занимаются астрономы-любители и организации, в том числе проект CelesTrak. Данные с весны 2019 года явно демонстрируют эффект от Starlink и OneWeb. Если в марте 2019 года в день расчеты показывали около 150 пролетов на расстоянии километра или меньше в день, то в марте 2022 это количество выросло до 450, из которых примерно 200 вызвано спутниками этих двух группировок:

Растет и количество маневров, которые приходится выполнять спутникам для уклонения (SpaceX раскрывает их в полугодовом отчете для FCC):

Почти все эти опасные пролеты, естественно, происходят на рабочих орбитах Starlink и OneWeb, а также на более низких, на которых аппараты находятся во время выхода на рабочую орбиту.

Обычно маневры уклонения не составляют большой проблемы (что доказывают тысячи уже совершенных Starlink коррекций траектории), хотя иногда из-за проблем с коммуникацией операторы могут просто не узнать о необходимости изменить орбиту спутника, как было в 2019 году. Кроме того, вероятность столкновения с другими объектами может непредсказуемо возрастать при разрушении спутников. В последнем отчете SpaceX рассказала, что аппараты Starlink совершили более 1700 маневров за последние полгода, чтобы избежать столкновения с обломками спутник «Целина-Д», сбитого в конце 2021 года во время испытаний российской противоспутниковой ракеты.

Не светите в телескоп

Еще один побочный эффект от Starlink (и других группировок, но в меньшей степени из-за меньшего масштаба) заключается в световом загрязнении неба. Особенно ярко это проявлялось когда спутники только выходили на орбиту и выстраивались в полоску из ярких точек:

За этим было интересно наблюдать, но если для большинства людей это было просто красивое зрелище и материал для постов в соцсетях, то для астрономов это стало огромной проблемой — спутники оставляли на снимках наземных телескопов яркие полосы, мешающие наблюдениям:

Астрономы подсчитали, что больше всего от создания огромной спутниковой группировки пострадают широкопольные обзорные телескопы. По разным оценкам, световое загрязнение от спутников может затронуть от половины до всех кадров таких инструментов. Из-за этого астрономы активно просили Илона Маска как минимум снизить яркость отражений от его спутников и это дало свои результаты: в середине 2020 года SpaceX начала запускать Starlink с щитками, которые закрывают свет, отражающийся от плоских металлических поверхностей спутника.

В начале 2022 года ученые проанализировали наблюдения и пришли к выводу, что идея с щитками сработала — яркость новых спутников уменьшилась в 4,6 раза. В среднем SpaceX удалось снизить звездную величину спутников до 6–6,5 (на это влияют как оценки разных научных групп, так и то, о каком спектральном диапазоне идет речь). Это уже близко к 7, о чем просили астрономы.

Казалось бы, в дальнейшем яркость должна была как минимум не повышаться, а если инженеры постараются, то даже снижаться еще сильнее. Но в последние месяцы астрономы заметили, что яркость новых спутников выросла примерно на 0,5 звездной величины. В мае один из инженеров компании рассказал, что она заменяет щитки на плохо отражающее свет покрытие для нижней (направленной на Землю) части спутников. Поскольку щитки заменили на последнем поколении спутников, вероятно это было вызвано другим отличием от предыдущих версий спутников — наличием лазерных приемопередатчиков.

Световая связь

На текущий момент Starlink работает следующим образом: антенна пользователя посылает сигнал на пролетающий рядом спутник, а тот пересылает его на наземную станцию, которая имеет доступ к интернету или процесс происходит в обратном направлении. Схема работает — средняя скорость скачивания через Starlink уже перевалила за 100 мегабит в секунду, а задержка составляет 40 миллисекунд. Но работает не везде, а лишь там, где на расстоянии около тысячи километров есть наземная станция, поэтому как минимум океаны пропадают из зоны покрытия.

Это ограничение можно убрать, если добавить спутникам возможность связываться друг с другом и выступать в качестве ретрансляторов, передающих сигнал от удаленного пользователя по цепочке на далекую наземную станцию. По такому принципу уже не первый десяток лет работают спутники связи Iridium, но они используют для этого радиосигналы, которые дают гораздо меньшую пропускную способность, «засоряют» Ka-диапазон и требуют разрешения регуляторов, которое непросто получить для группировки из десятков тысяч спутников.

SpaceX решила использовать в Starlink лазерную систему передачи сигналов между спутниками, которая лишена этих недостатков, но обладает другим: терминалы должны иметь очень точную и быструю систему прицеливания. Ранее ЕС и США показали на практике, что связь между спутниками или между спутником и самолетом реализуема на практике, но до сих пор никто не показывал надежную связь такого типа в таком масштабе. Пока SpaceX тоже проводила лишь отдельные тесты, но к концу года должна начать использовать лазерную связь на практике на множестве спутников.