衛(wèi)星與網絡

自1957年10月4日斯普特尼克1號（Sputnik 1）衛(wèi)星發(fā)射進入軌道，開始向地球發(fā)送獨特的蜂鳴信號以來，衛(wèi)星一直是我們通信組合中不可或缺的一部分。[1]當然，隨著互聯(lián)網日益成為一種重要的通信方式，衛(wèi)星也在不斷調整，與時俱進。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人提供互聯(lián)網服務。

雖然衛(wèi)星通信已經存在了幾十年，但就互聯(lián)網服務而言，它們仍是比較昂貴的。地面通信幾乎一直是提供互聯(lián)網接入服務的首選方法，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雜，安裝基礎設施不劃算。私營公司很可能永遠無法收回鋪設電纜或安裝無線信號塔，為這些地區(qū)的大部分人口提供通信服務所需的資本支出。無法上網幾乎成了偏遠地區(qū)落后的主要原因。

在現(xiàn)代社會，我們幾乎無法想象互聯(lián)網給我們帶來了多少便利。如今，大多數(shù)人可能已經記不起沒有互聯(lián)網的世界了。與其他地區(qū)相比，無法上網的地區(qū)劣勢明顯。要將這些地區(qū)與世界其他地區(qū)用網絡連接起來，衛(wèi)星互聯(lián)網將是唯一可行的選擇，因為價格夠低。

而且事實證明，衛(wèi)星互聯(lián)網也是災難期間應急服務的重要工具。災難發(fā)生后，當?shù)氐碾娏ǔ獾絿乐仄茐?，從而切斷通信。電?a target="_blank">供電的衛(wèi)星設備可以幫助救援服務和公用事業(yè)公司協(xié)調解決問題，恢復供電，拯救生命。

01太空互聯(lián)網

第一顆通信衛(wèi)星是美國AT&T公司于1962年發(fā)射的電星1號（Telstar 1）。[2]該衛(wèi)星的橢圓軌道距離地球近處為592英里，遠處為3687英里。它可以接收和發(fā)送電視廣播、電話和圖像，但在大約兩個半小時的軌道行程上只能運行30分鐘。

后來，通信衛(wèi)星通過采用地球赤道面上方22,236英里處的地球靜止（GEO）軌道，延長了正常運行時間。在這一高度上，衛(wèi)星的運行方向和速度與地球自轉方向和速度一致，因此衛(wèi)星與地球的相對位置保持不變，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。

雖然GEO衛(wèi)星極大地提高了我們的通信能力，但仍存在一些問題，包括成本問題。在地球上空的這一高度運行意味著衛(wèi)星會受到范艾倫輻射帶的嚴重輻射，需要對電氣元件進行屏蔽。這會使衛(wèi)星重量增加，進一步提高成本。

地球上方有兩個范艾倫輻射帶，它們與地球的距離大約在400英里到36040英里之間。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風暴和太陽風的影響（圖2），但太陽風暴和太陽風會損壞電子系統(tǒng)并對人類造成傷害。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，同時在該輻射帶的大部分保護區(qū)之外，無法抵御深空輻射。

這還不是GEO衛(wèi)星唯一的問題。極遠的軌道距離還會帶來延遲，44,472英里的往返路程需要500毫秒左右的信號傳輸時間。而后，一旦發(fā)生故障，必須更換整個衛(wèi)星。冗余系統(tǒng)有助于延長關鍵系統(tǒng)的運行壽命，但會增加重量和費用。把所有的屏蔽和冗余都算進去，GEO衛(wèi)星的成本高達4億美元，重達5噸，設計和建造時間長達5年。

02替代解決方案

近期出現(xiàn)了一種新技術，可以彌補GEO衛(wèi)星的缺點。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)星作為一個整體覆蓋全球，而不必使用一顆存在多個潛在故障點且成本高昂的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區(qū)運行，這意味著它不需要與GEO衛(wèi)星相同程度的屏蔽。

LEO衛(wèi)星的成本也要低得多，平均成本約為50萬美元，重量較輕（220至2200磅），設計和建造時間約為18個月。它們的發(fā)射成本效益更高，衛(wèi)星提供的服務更好，帶寬更高。LEO衛(wèi)星互聯(lián)網的典型延遲時間約為40毫秒，更接近地面通信的終端用戶體驗。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，以提高容量和服務質量。

LEO衛(wèi)星可能沒有GEO衛(wèi)星那樣的地球視角，但運行在星座中可提供更好的覆蓋范圍和更低的延遲。

很難準確估計目前在軌的LEO衛(wèi)星數(shù)量，到了本文發(fā)布時，這個數(shù)字肯定已經過時。目前極大的衛(wèi)星群是Starlink（星鏈），共有約7000顆衛(wèi)星，未來計劃中的衛(wèi)星數(shù)量更是多達42000顆。相比之下，目前運行的GEO衛(wèi)星只有600顆。Starlink只是其中的一個例子。中國的Thousand Sails（千帆）星座到2027年將有1296顆衛(wèi)星進入軌道，從長遠來看，衛(wèi)星數(shù)量終將達到1,2000顆。亞馬遜公司也正在進入這一領域，該公司的Project Kuiper（柯伊伯計劃）將擁有3232顆衛(wèi)星，并且即將發(fā)射。

諸多技術進步使得如此眾多的復雜系統(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的，因此當它們越過地平線而失去信號時，必須與其他衛(wèi)星密切合作。為了與其他衛(wèi)星進行通信，較新的Starlink衛(wèi)星配備了三個激光器，可以高達200Gbps的速度進行衛(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)量和復雜性的另一項創(chuàng)新。早期的LEO衛(wèi)星充當基站與目標位置之間的管道，僅放大信號并改變頻率進行廣播。這種技術被稱為彎管技術。再生技術允許衛(wèi)星對信號進行解調、解碼、重新編碼和調制，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移動通信。5G非地面網絡（5G-NTN）可以是彎管網絡，也可以是再生網絡，再生網絡包括部分或全部衛(wèi)星基站。這種集成可以帶來許多好處，特別是對信號不好的地區(qū)。它將使偏遠地區(qū)的居民能夠使用移動通信、物聯(lián)網（IoT）傳感器和機器對機器（M2M）連接，從而可能促進當?shù)亟洕陌l(fā)展。5G-NTN還能提高大容量應用的質量。在發(fā)生災害時，LEO星座可以臨時接替受損的地面網絡來提供服務。

隨著拋物面天線難以滿足日益增長的需求，有源電子掃描陣列（AESA）和相控陣天線等電子轉向天線（圖4）也被迅速引入衛(wèi)星。這些天線可以通過電子方式快速改變信號方向，而拋物面天線則需要物理移動。這些技術反應速度更快，可進行波束成形，從而實現(xiàn)更快、更準確的調整，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，提供更高質量的服務。LEO衛(wèi)星可在全球范圍內提供快速、低延遲的互聯(lián)網服務，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)提供非時間敏感型應用服務。

所有這些技術使衛(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絡的彈性。

03結論

技術進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)星通信對于偏遠地區(qū)來說更加經濟實惠。

雖然LEO衛(wèi)星星座在連接偏遠地區(qū)和發(fā)展經濟以及社會效益方面大有可為，但它們也帶來了一些挑戰(zhàn)。在我們前進的道路上，平衡各種衛(wèi)星通信的優(yōu)勢與負責任地管理我們的軌道空間，對于保持社會進步和避免空中擁堵至關重要。