Tout sur le projet Internet par satellite Starlink. Partie 16. Starlink et la météo

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Starlink et la météo

Après le début des tests bêta publics et des centaines de passionnés ont reçu, assemblé et connecté leurs terminaux au réseau, des expériences «folkloriques» ont commencé, conduisant les «expérimentateurs» à des conclusions intéressantes et parfois même correctes.



Tout d'abord, tout le monde s'intéressait à l'influence de la météo, et compte tenu de la saison (automne profond) et de la situation géographique (nord des États-Unis dans la région des 50 parallèles), les principaux différends portaient sur le fait que la neige et la pluie affectent le travail et le taux de transfert de données.





Commençons par une théorie qui nous dit que n'importe quel support atténuera le signal radio. Ceci est détaillé dans les méthodologies de l'Union internationale des télécommunications (pour les curieux, c'est ici https://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.619-3-201712-S!!PDF- R.pdf ).



En bref, il est établi que pour les ondes radio d'une fréquence supérieure à 500 MHz, l'atténuation principale est déterminée par les gaz de la troposphère, l'oxygène et la vapeur d'eau, ainsi que par la pluie et autres hydrométéores, tandis que le dioxyde de carbone (CO2) et l'azote ont, curieusement, un effet extrêmement faible. ... Dans ce cas, la dépendance de l'atténuation de l'onde radio dépend également de la fréquence et présente des pics, par exemple, à 22 et 60 GHz.



Etant donné que la composition de l'atmosphère est stable, seule la précipitation peut affecter le fonctionnement de Starlink. Il a été constaté que les précipitations pour les signaux de fréquences différentes affectent différemment, et cette influence est associée à la dépendance de la longueur d'onde et de la taille de la goutte de pluie. Longueur d'onde radio = vitesse de la lumière / fréquence





Les hydrométéores de la troposphère (gouttes de pluie et de brouillard, neige, etc.) diffusent l'énergie des ondes radio dont la longueur d'onde est comparable à la taille des hydrométéores. Montrons l'atténuation du signal sous la pluie L _d à différents angles d'élévation α et la probabilité de chute de pluie ( T _d ) (Figure 2.7).





Fig. 1. Dépendances de la fréquence d'absorption du signal sous la pluie sur la fréquence à différents angles d'élévation et probabilité de pluie



Atténuation sous la pluie en dB par 1 km avec polarisation verticale et 18 ^º , en fonction de l'intensité de la pluie, J mm / h est indiqué sur la Fig.2



Fig. 2. Atténuation du signal en fonction de l'intensité de la pluie J pour différentes fréquences



Si l'on passe dans un plan pratique, plus la fréquence du signal satellite est basse, moins elle est affectée par la pluie et autres précipitations. Par conséquent, dans les zones où de fortes pluies ou des précipitations sont possibles (généralement subtropicales et zone équatoriale), de nombreuses stations fonctionnent dans la bande C, soit 4/6 GHz.



Mon expérience pratique en Russie avec les terminaux satellites des bandes Ku (11/14 GHz) et Ka (18/30 GHz) suggère que l'influence des précipitations sur leur travail est certainement là, mais elle ne doit pas être exagérée. Habituellement, la perte de communication dans la région de Moscou se produit lors du passage d'un front d'orage et dure 10 à 15 minutes. Les propriétaires de télévision par satellite (NTV Plus ou Tricolor) voient comment l'image "s'effrite en carrés".



Dans le même temps, la neige et la glace ont une faible constante diélectrique (contrairement à l'eau, la différence est jusqu'à 25 fois) et n'interfèrent pratiquement pas avec la réception et la transmission du signal. Le plus problématique du point de vue de l'influence sur la transmission d'un signal radio est l'eau, avec sa constante diélectrique anormalement élevée (elle est égale à 81, malgré le fait que pour la plupart des autres matériaux elle est inférieure à 10). Et une couche de 1 à 2 mm d'eau sur le récepteur ou l'émetteur du signal (et non sur le miroir lui-même !!!) suffit à nuire considérablement à la transmission du signal). Certes, dans le cas du terminal Starlink, les puces du récepteur / émetteur sont situées immédiatement sous la surface de l'antenne, mais en raison de l'inclinaison du terminal pendant le fonctionnement et éventuellement d'un revêtement spécial, l'eau s'en écoule rapidement



Cependant, même les fortes pluies et la fonte des neiges, comme l’ont établi les propriétaires des terminaux Starlink, n’affectent toujours pratiquement pas sa vitesse. Pourquoi??



Tout d'abord, indiquons quel paramètre caractérise l'influence de l'atmosphère sur le fonctionnement du terminal. Starlink l'appelle SNR (rapport signal-bruit), et dans la littérature, il est généralement écrit comme Eb / No (avec une version russe intéressante correspondante de «ebinoise»), qui est mesuré en décibels et se situe généralement dans la plage de 3 à 20 dB. En fonction de la réserve de marche disponible, nous pouvons utiliser diverses modulations de signal de BPSK à 64QAM, qui nous permettent d'obtenir une efficacité spectrale de 0,5 à 6 bits / Hertz, c'est-à-dire d'obtenir un débit de transmission de 1 MHz de 500 kbit à 6 Mbps.



Voici un tableau qui caractérise l'efficacité spectrale en fonction de la valeur de Eb / No





Il en résulte qu'à Eb / No 6,62 dB, nous pouvons transmettre 1,98 bits d'informations à partir de 1 Hz, tandis qu'avec Eb / No 12,73 dB, nous pouvons transmettre 3,7 bits d'informations à partir de 1 Hz.



Qu'arrive-t-il au terminal lorsqu'il commence à pleuvoir? Le rapport signal sur bruit commence à diminuer, et le système, qui mesure constamment ce rapport au terminal, transmet des informations à la passerelle, qui commence à changer le modcode dans le signal de ce terminal, le réduisant jusqu'à ce que la diminution de Eb / No atteigne un niveau correspondant au nominal, l'abonné n'est rien du tout ne verra / ne ressentira pas, et seulement lorsque le signal s'affaiblit encore plus et descend en dessous du niveau du modcode nominal, l'abonné peut remarquer quelque chose.



Cela ne peut être remarqué que sur un test de longue durée (2-3 heures, correspondant à une période de changements météorologiques importants), cependant, presque aucun des bêta-testeurs ne peut imaginer un test de téléchargement de fichier en continu pendant plusieurs heures afin de comprendre la dépendance exacte de la vitesse de téléchargement à la pluie. L'image ci-dessous montre qu'à certains moments, le SNR est tombé à zéro, c'est-à-dire que la connexion a été interrompue.





Dans le même temps, les fluctuations de la valeur SNR - et je vous rappellerai ici qu'une diminution de 3 dB correspond à une diminution de 2 (deux !!) de la puissance du signal - sont clairement perceptibles et sont très probablement associées à un changement de la distance au satellite / s.



Qu'est-ce qui peut aider l'abonné à ne pas remarquer la pluie?





Ce système s'appelle AGC - Automatic Gain Control. On sait déjà qu'il se trouve sur le terminal Starlink, car dans les documents envoyés à la FCC (Federal Communications Commission of the USA), il est indiqué que le terminal délivre une puissance de 0,67 W si le satellite est directement au-dessus et que la distance est de 550 km, à 4,06 W au cas où le satellite mesure plus de 1000 km et est visible sous un angle de 25 degrés. Ainsi, en mesurant Eb / No au terminal, le Network Control Center peut commander au satellite et au terminal lui-même d'augmenter la puissance d'émission afin d'atteindre le même niveau de signal nominal pour la réception et / ou la transmission.



Le paramètre météorologique suivant est la température de l'air, en principe, elle affecte la densité de l'air, et plus l'air est dense, plus l'atténuation du signal est théoriquement importante, cependant, ce changement se situe à quelques fractions de pour cent. Plus important encore, il devrait affecter le LNB (LNA - Low Noise Amplifier), qui convertit le signal radio sur la ligne du satellite au terminal en un signal électrique. Tout LNA est caractérisé par la soi-disant "température de bruit", plus cette température est basse, moins la perte de signal lors de la réception est importante, plus le taux de réception des informations dans notre cas du satellite au terminal récepteur est élevé. En radioastronomie, dans leurs systèmes d'observation d'étoiles, pour améliorer la réception, pour distinguer le signal des galaxies lointaines, les LNA sont même placés dans des conteneurs contenant de l'hélium liquide (voir https://vsatman888.livejournal.com/193856.html ).



La température approximative de «bruit» Tsh des récepteurs d'antennes phasées est de l'ordre de 200 Kelvin, et le changement de température terminale de plus / moins 20 degrés, selon la formule de détermination du facteur de bruit F = (T _w + T _o ) / T _o , où T _o = 290 K, nous promet dans les gelées une augmentation de sa productivité de l'ordre de plusieurs dizaines de pour cent. Par conséquent, le sentiment des premiers abonnés Starlink que le terminal fonctionne «mieux» par temps froid peut être fondé.

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