Sky-Fi：卫星互联网如何让全球处处有信号
发布于2025-01-15
自1957年10月4日斯普特尼克1号 (Sputnik 1) 卫星发射进入轨道，开始向地球发送独特的蜂鸣信号以来，卫星一直是我们通信组合中不可或缺的一部分。[1]当然，随着互联网日益成为一种重要的通信方式，卫星也在不断调整，与时俱进。如今，一种新型卫星有可能以惊人的低成本为地球上的每个人提供互联网服务。
虽然卫星通信已经存在了几十年，但就互联网服务而言，它们仍是比较昂贵的（图1）。地面通信几乎一直是提供互联网接入服务的首选方法，除了极少数情况，比如在交通不便的地区，由于人口稀少或地形复杂，安装基础设施不划算。私营公司很可能永远无法收回铺设电缆或安装无线信号塔，为这些地区的大部分人口提供通信服务所需的资本支出。无法上网几乎成了偏远地区落后的主要原因。
图1：卫星通信可能是为偏远地区提供基本服务的唯一划算途径。（图源：irissca/stock.adobe.com；使用AI生成）
在现代社会，我们几乎无法想象互联网给我们带来了多少便利。如今，大多数人可能已经记不起没有互联网的世界了。与其他地区相比，无法上网的地区劣势明显。要将这些地区与世界其他地区用网络连接起来，卫星互联网将是唯一可行的选择，因为价格够低。
而且事实证明，卫星互联网也是灾难期间应急服务的重要工具。灾难发生后，当地的电力供应通常会遭到严重破坏，从而切断通信。电池供电的卫星设备可以帮助救援服务和公用事业公司协调解决问题，恢复供电，拯救生命。
太空互联网
第一颗通信卫星是美国AT&T公司于1962年发射的电星1号 (Telstar 1)。[2]该卫星的椭圆轨道距离地球最近处为592英里，最远处为3687英里。它可以接收和发送电视广播、电话和图像，但在大约两个半小时的轨道行程上只能运行30分钟。
后来，通信卫星通过采用地球赤道面上方22,236英里处的地球静止 (GEO) 轨道，延长了正常运行时间。在这一高度上，卫星的运行方向和速度与地球自转方向和速度一致，因此卫星与地球的相对位置保持不变，能始终在正确位置发送和接收数据。三颗这样的地球静止轨道 (GEO) 卫星就几乎可以覆盖全球。[3]
虽然GEO卫星极大地提高了我们的通信能力，但仍存在一些问题，包括成本问题。在地球上空的这一高度运行意味着卫星会受到范艾伦辐射带的严重辐射，需要对电气元件进行屏蔽。这会使卫星重量增加，进一步提高成本。
地球上方有两个范艾伦辐射带，它们与地球的距离大约在400英里到36040英里之间。[4]这些甜甜圈形状的辐射带在赤道上最厚，在两极最薄。它们是由地球磁层捕获高能辐射粒子形成的。这些粒子能使地球免受太阳风暴和太阳风的影响（图2），但太阳风暴和太阳风会损坏电子系统并对人类造成伤害。由于GEO卫星的轨道高度为22,236英里，因此它们一直处于范艾伦辐射带的辐射范围内，同时在该辐射带的大部分保护区之外，无法抵御深空辐射。
图2：范艾伦辐射带保护地球免受太阳风暴的最坏影响。（图源：Naeblys/stock.adobe.com）
这还不是GEO卫星唯一的问题。极远的轨道距离还会带来延迟，44,472英里的往返路程需要500毫秒左右的信号传输时间。最后，一旦发生故障，必须更换整个卫星。冗余系统有助于延长关键系统的运行寿命，但会增加重量和费用。把所有的屏蔽和冗余都算进去，GEO卫星的成本高达4亿美元，重达5吨，设计和建造时间长达5年。[5]
替代解决方案
最近出现了一种新技术，可以弥补GEO卫星的缺点。近地轨道 (LEO) 卫星的轨道距离地球100到1200英里之间，可以用多颗LEO卫星作为一个整体覆盖全球，而不必使用一颗存在多个潜在故障点且成本高昂的GEO卫星。虽然单颗LEO卫星只能覆盖地球表面的一小部分，而且不能在地球上空保持静止，但它是在范艾伦辐射带的保护区运行，这意味着它不需要与GEO卫星相同程度的屏蔽。
LEO卫星（图3）的成本也要低得多，平均成本约为50万美元，重量较轻（220至2200磅），设计和建造时间约为18个月。它们的发射成本效益更高，卫星提供的服务更好，带宽更高。[6]LEO卫星互联网的典型延迟时间约为40毫秒，更接近地面通信的最终用户体验。如果一颗卫星出现故障，则可以安排星座中的其他卫星代替，以弥补覆盖范围上的任何缺口。此外，还可以快速将LEO卫星添加到星座中，以提高容量和服务质量。
图3：LEO卫星可能没有GEO卫星那样的地球视角，但运行在星座中可提供更好的覆盖范围和更低的延迟。（图源：Photocreo Bednarek/stock.adobe.com）
很难准确估计目前在轨的LEO卫星数量，到了本文发布时，这个数字肯定已经过时。 目前最大的卫星群是Starlink（星链），共有约7000颗卫星[7]，未来计划中的卫星数量更是多达42000颗。[8]相比之下，目前运行的GEO卫星只有600颗。 Starlink只是其中的一个例子。中国的Thousand Sails（千帆）星座到2027年将有1296颗卫星进入轨道，从长远来看，最终卫星数量将达到12000 颗。[9]亚马逊公司也正在进入这一领域，该公司的Project Kuiper（柯伊伯计划）将拥有3232颗卫星，并且即将发射。[10]
诸多技术进步使得如此众多的复杂系统能够协同工作。由于卫星在地球上空并不是完全静止不动的，因此当它们越过地平线而失去信号时，必须与其他卫星密切合作。为了与其他卫星进行通信，较新的Starlink卫星配备了三个激光器，可以高达200Gbps的速度进行卫星间通信。这些激光通信减少了地面站的工作量。
再生通信是有望降低地面站数量和复杂性的另一项创新。早期的LEO卫星充当基站与目标位置之间的管道，仅放大信号并改变频率进行广播。这种技术被称为弯管技术。再生技术允许卫星对信号进行解调、解码、重新编码和调制，以提高信噪比。如果需要，它还可以有选择地处理数据。
LEO卫星也开始集成5G移动通信。5G非地面网络 (5G-NTN) 可以是弯管网络，也可以是再生网络，再生网络包括部分或全部卫星基站。[11]这种集成可以带来许多好处，特别是对信号不好的地区。它将使偏远地区的居民能够使用移动通信、物联网 (IoT) 传感器和机器对机器 (M2M) 连接，从而可能促进当地经济的发展。5G-NTN还能提高大容量应用的质量。在发生灾害时，LEO星座可以临时接替受损的地面网络来提供服务。
随着抛物面天线难以满足日益增长的需求，有源电子扫描阵列（AESA）和相控阵天线等电子转向天线（图4）也被迅速引入卫星。这些天线可以通过电子方式快速改变信号方向，而抛物面天线则需要物理移动。这些技术反应速度更快，可进行波束成形，从而实现更快、更准确的调整，使卫星之间的切换更加迅速。
图4：LEO卫星通信只需要为终端用户使用一个小型天线。（图源：rh2010/stock.adobe.com）
最后，GEO卫星最近的创新使它们可以与LEO卫星密切合作，提供更高质量的服务。LEO卫星可在全球范围内提供快速、低延迟的互联网服务，而GEO卫星则可利用其大容量能力为人口密集的城市地区提供非时间敏感型应用服务。
所有这些技术使卫星能够智能地路由和降低流量，从而节省宝贵的频谱空间并提高网络的弹性。
结语
技术进步提供了更高的吞吐量和更低的发射成本，使许多不同的供应商能够向轨道发射星座，极大地增加了容量，降低了最终用户的成本。而成本的降低又使得卫星通信对于偏远地区来说更加经济实惠。
虽然LEO卫星星座在连接偏远地区和发展经济以及社会效益方面大有可为，但它们也带来了一些挑战。在我们前进的道路上，平衡各种卫星通信的优势与负责任地管理我们的轨道空间，对于保持社会进步和避免空中拥堵至关重要。
作者简介
自1997年从西苏格兰大学电子系统专业获得理学学士学位以来，Allistair一直在电子媒体行业从事市场营销、公关和新闻工作。在此期间，他担任过《Electronics Engineering》、《Embedded Systems Europe》、《EENews Embedded》、《Technology First》、《Electronic Product Design and Test》以及《Panel Building and Systems Integration》等杂志的编辑。目前，Allistair是《Power Systems Design》的欧洲编辑，还是一名自由撰稿人，专门从事电子和工程领域的写作。
参考资料
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