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衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)
自1957年10月4日斯普特尼克1號(hào)（Sputnik 1）衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入軌道，開始向地球發(fā)送獨(dú)特的蜂鳴信號(hào)以來(lái)，衛(wèi)星一直是我們通信組合中不可或缺的一部分。[1]當(dāng)然，隨著互聯(lián)網(wǎng)日益成為一種重要的通信方式，衛(wèi)星也在不斷調(diào)整，與時(shí)俱進(jìn)。如今，一種新型衛(wèi)星有可能以驚人的低成本為地球上的每個(gè)人提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。
雖然衛(wèi)星通信已經(jīng)存在了幾十年，但就互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)而言，它們?nèi)允潜容^昂貴的（圖1）。地面通信幾乎一直是提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的首選方法，除了極少數(shù)情況，比如在交通不便的地區(qū)，由于人口稀少或地形復(fù)雜，安裝基礎(chǔ)設(shè)施不劃算。私營(yíng)公司很可能永遠(yuǎn)無(wú)法收回鋪設(shè)電纜或安裝無(wú)線信號(hào)塔，為這些地區(qū)的大部分人口提供通信服務(wù)所需的資本支出。無(wú)法上網(wǎng)幾乎成了偏遠(yuǎn)地區(qū)落后的主要原因。
在現(xiàn)代社會(huì)，我們幾乎無(wú)法想象互聯(lián)網(wǎng)給我們帶來(lái)了多少便利。如今，大多數(shù)人可能已經(jīng)記不起沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)的世界了。與其他地區(qū)相比，無(wú)法上網(wǎng)的地區(qū)劣勢(shì)明顯。要將這些地區(qū)與世界其他地區(qū)用網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將是唯一可行的選擇，因?yàn)閮r(jià)格夠低。
而且事實(shí)證明，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也是災(zāi)難期間應(yīng)急服務(wù)的重要工具。災(zāi)難發(fā)生后，當(dāng)?shù)氐碾娏?yīng)通常會(huì)遭到嚴(yán)重破壞，從而切斷通信。電池供電的衛(wèi)星設(shè)備可以幫助救援服務(wù)和公用事業(yè)公司協(xié)調(diào)解決問(wèn)題，恢復(fù)供電，拯救生命。
01、太空互聯(lián)網(wǎng)
第一顆通信衛(wèi)星是美國(guó)AT&T公司于1962年發(fā)射的電星1號(hào)（Telstar 1）。[2]該衛(wèi)星的橢圓軌道距離地球近處為592英里，遠(yuǎn)處為3687英里。它可以接收和發(fā)送電視廣播、電話和圖像，但在大約兩個(gè)半小時(shí)的軌道行程上只能運(yùn)行30分鐘。
后來(lái)，通信衛(wèi)星通過(guò)采用地球赤道面上方22,236英里處的地球靜止（GEO）軌道，延長(zhǎng)了正常運(yùn)行時(shí)間。在這一高度上，衛(wèi)星的運(yùn)行方向和速度與地球自轉(zhuǎn)方向和速度一致，因此衛(wèi)星與地球的相對(duì)位置保持不變，能始終在正確位置發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。三顆這樣的地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星就幾乎可以覆蓋全球。[3]
雖然GEO衛(wèi)星極大地提高了我們的通信能力，但仍存在一些問(wèn)題，包括成本問(wèn)題。在地球上空的這一高度運(yùn)行意味著衛(wèi)星會(huì)受到范艾倫輻射帶的嚴(yán)重輻射，需要對(duì)電氣元件進(jìn)行屏蔽。這會(huì)使衛(wèi)星重量增加，進(jìn)一步提高成本。
地球上方有兩個(gè)范艾倫輻射帶，它們與地球的距離大約在400英里到36040英里之間。[4]這些甜甜圈形狀的輻射帶在赤道厚，在兩極薄。它們是由地球磁層捕獲高能輻射粒子形成的。這些粒子能使地球免受太陽(yáng)風(fēng)暴和太陽(yáng)風(fēng)的影響（圖2），但太陽(yáng)風(fēng)暴和太陽(yáng)風(fēng)會(huì)損壞電子系統(tǒng)并對(duì)人類造成傷害。由于GEO衛(wèi)星的軌道高度為22,236英里，因此它們一直處于范艾倫輻射帶的輻射范圍內(nèi)，同時(shí)在該輻射帶的大部分保護(hù)區(qū)之外，無(wú)法抵御深空輻射。
這還不是GEO衛(wèi)星唯一的問(wèn)題。極遠(yuǎn)的軌道距離還會(huì)帶來(lái)延遲，44,472英里的往返路程需要500毫秒左右的信號(hào)傳輸時(shí)間。而后，一旦發(fā)生故障，必須更換整個(gè)衛(wèi)星。冗余系統(tǒng)有助于延長(zhǎng)關(guān)鍵系統(tǒng)的運(yùn)行壽命，但會(huì)增加重量和費(fèi)用。把所有的屏蔽和冗余都算進(jìn)去，GEO衛(wèi)星的成本高達(dá)4億美元，重達(dá)5噸，設(shè)計(jì)和建造時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5年。[5]
02、替代解決方案
近期出現(xiàn)了一種新技術(shù)，可以彌補(bǔ)GEO衛(wèi)星的缺點(diǎn)。近地軌道（LEO）衛(wèi)星的軌道距離地球100到1,200英里之間，可以用多顆LEO衛(wèi)星作為一個(gè)整體覆蓋全球，而不必使用一顆存在多個(gè)潛在故障點(diǎn)且成本高昂的GEO衛(wèi)星。雖然單顆LEO衛(wèi)星只能覆蓋地球表面的一小部分，而且不能在地球上空保持靜止，但它是在范艾倫輻射帶的保護(hù)區(qū)運(yùn)行，這意味著它不需要與GEO衛(wèi)星相同程度的屏蔽。
LEO衛(wèi)星（圖3）的成本也要低得多，平均成本約為50萬(wàn)美元，重量較輕（220至2200磅），設(shè)計(jì)和建造時(shí)間約為18個(gè)月。它們的發(fā)射成本效益更高，衛(wèi)星提供的服務(wù)更好，帶寬更高。[6]LEO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的典型延遲時(shí)間約為40毫秒，更接近地面通信的終端用戶體驗(yàn)。如果一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，則可以安排星座中的其他衛(wèi)星代替，以彌補(bǔ)覆蓋范圍上的任何缺口。此外，還可以快速將LEO衛(wèi)星添加到星座中，以提高容量和服務(wù)質(zhì)量。
很難準(zhǔn)確估計(jì)目前在軌的LEO衛(wèi)星數(shù)量，到了本文發(fā)布時(shí)，這個(gè)數(shù)字肯定已經(jīng)過(guò)時(shí)。目前極大的衛(wèi)星群是Starlink（星鏈），共有約7000顆衛(wèi)星[7]，未來(lái)計(jì)劃中的衛(wèi)星數(shù)量更是多達(dá)42000顆。[8]相比之下，目前運(yùn)行的GEO衛(wèi)星只有600顆。Starlink只是其中的一個(gè)例子。中國(guó)的Thousand Sails（千帆）星座到2027年將有1296顆衛(wèi)星進(jìn)入軌道，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，衛(wèi)星數(shù)量終將達(dá)到1,2000顆。[9]亞馬遜公司也正在進(jìn)入這一領(lǐng)域，該公司的Project Kuiper（柯伊伯計(jì)劃）將擁有3232顆衛(wèi)星，并且即將發(fā)射。[10]
諸多技術(shù)進(jìn)步使得如此眾多的復(fù)雜系統(tǒng)能夠協(xié)同工作。由于衛(wèi)星在地球上空并不是完全靜止不動(dòng)的，因此當(dāng)它們?cè)竭^(guò)地平線而失去信號(hào)時(shí)，必須與其他衛(wèi)星密切合作。為了與其他衛(wèi)星進(jìn)行通信，較新的Starlink衛(wèi)星配備了三個(gè)激光器，可以高達(dá)200Gbps的速度進(jìn)行衛(wèi)星間通信。這些激光通信減少了地面站的工作量。
再生通信是有望降低地面站數(shù)量和復(fù)雜性的另一項(xiàng)創(chuàng)新。早期的LEO衛(wèi)星充當(dāng)基站與目標(biāo)位置之間的管道，僅放大信號(hào)并改變頻率進(jìn)行廣播。這種技術(shù)被稱為彎管技術(shù)。再生技術(shù)允許衛(wèi)星對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、解碼、重新編碼和調(diào)制，以提高信噪比。如果需要，它還可以有選擇地處理數(shù)據(jù)。
LEO衛(wèi)星也開始集成5G移動(dòng)通信。5G非地面網(wǎng)絡(luò)（5G-NTN）可以是彎管網(wǎng)絡(luò)，也可以是再生網(wǎng)絡(luò)，再生網(wǎng)絡(luò)包括部分或全部衛(wèi)星基站。[11]這種集成可以帶來(lái)許多好處，特別是對(duì)信號(hào)不好的地區(qū)。它將使偏遠(yuǎn)地區(qū)的居民能夠使用移動(dòng)通信、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）連接，從而可能促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。5G-NTN還能提高大容量應(yīng)用的質(zhì)量。在發(fā)生災(zāi)害時(shí)，LEO星座可以臨時(shí)接替受損的地面網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供服務(wù)。
隨著拋物面天線難以滿足日益增長(zhǎng)的需求，有源電子掃描陣列（AESA）和相控陣天線等電子轉(zhuǎn)向天線（圖4）也被迅速引入衛(wèi)星。這些天線可以通過(guò)電子方式快速改變信號(hào)方向，而拋物面天線則需要物理移動(dòng)。這些技術(shù)反應(yīng)速度更快，可進(jìn)行波束成形，從而實(shí)現(xiàn)更快、更準(zhǔn)確的調(diào)整，使衛(wèi)星之間的切換更加迅速。
GEO衛(wèi)星近期的創(chuàng)新使它們可以與LEO衛(wèi)星密切合作，提供更高質(zhì)量的服務(wù)。LEO衛(wèi)星可在全球范圍內(nèi)提供快速、低延遲的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，而GEO衛(wèi)星則可利用其大容量能力為人口密集的城市地區(qū)提供非時(shí)間敏感型應(yīng)用服務(wù)。
所有這些技術(shù)使衛(wèi)星能夠智能地路由和降低流量，從而節(jié)省寶貴的頻譜空間并提高網(wǎng)絡(luò)的彈性。
03、結(jié)論
技術(shù)進(jìn)步提供了更高的吞吐量和更低的發(fā)射成本，使許多不同的供應(yīng)商能夠向軌道發(fā)射星座，極大地增加了容量，降低了終端用戶的成本。而成本的降低又使得衛(wèi)星通信對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)來(lái)說(shuō)更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
雖然LEO衛(wèi)星星座在連接偏遠(yuǎn)地區(qū)和發(fā)展經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益方面大有可為，但它們也帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)。在我們前進(jìn)的道路上，平衡各種衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)與負(fù)責(zé)任地管理我們的軌道空間，對(duì)于保持社會(huì)進(jìn)步和避免空中擁堵至關(guān)重要。
參考文獻(xiàn)
[1]https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1957-001B
[2]https://airandspace.si.edu/collection-objects/communications-satellite-telstar/nasm_A20070113000
[3]https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Transportation/Types_of_orbits
[4]https://spacenews.com/van-allen-probes-spot-an-impenetrable-barrier-in-space/
[5]https://www.te.com/en/industries/aerospace/insights/cots-components-in-leo-satellites.html
[6]https://www.te.com/en/industries/aerospace/insights/cots-components-in-leo-satellites.html
[7]https://satellitemap.space/
[8]https://www.the-independent.com/tech/elon-musk-satellites-starlink-spacex-b2606262.html
[9]https://phys.org/news/2024-10-china-thousand-starlink-latest-mega.html
[10]https://www.aboutamazon.com/news/innovation-at-amazon/what-is-amazon-project-kuiper
[11]https://www.qorvo.com/design-hub/blog/advancing-communication-the-role-of-leo-satellites-in-the-wireless-expansion
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