馬斯克的衛星網際網路確實神奇,居然要用相控陣天線和雷射通訊技術

2020-12-05 我為科技狂Tech

SpaceX創始人伊隆馬斯克此前曾表示,星鏈寬帶(Starlink)能夠提供超低延遲的網際網路服務,且足以支持網絡競技遊戲,用戶不必擔心網速的問題。SpaceX在早期公布星鏈計劃時,提出網絡延遲大概在20到35毫秒間。但馬斯克說,網絡連接的體驗會非常好,SpaceX的目標是將延遲降到20毫秒以下。除了網絡延遲低和使用方便等優勢外,馬斯克還指出,星鏈對傳統電信企業來說並不構成威脅。星鏈將足以在農村地區提供網絡服務,能夠滿足人們看視頻、玩遊戲等需求,且網絡連接質量有保證;但不等於說未來所有人都是星鏈服務的用戶,在農村或偏遠地區,人口密度較低,用戶將能夠分到充足的帶寬;在城市環境下,情況會有所不同。此時在太空中的通信衛星比不上地面的網絡基站,難以為用戶提供超高密度的網絡連接;當城市用戶過於集中,同時使用衛星網絡時,每臺手機或是其他設備分到的帶寬根本不夠。所以,星鏈對傳統電信企業遠遠構不成威脅。

而現在,只要用戶在PC電腦端打開星鏈網際網路(Starlink)官方網頁,便可看見,星鏈正在面向全球發出邀請,以便不同國家(或地區)的人們幫助SpaceX公司免費測試星鏈寬帶網絡。簡單來說,個人進入星鏈官網,只要簡單填寫好申請表(準確填寫自己所在地的郵政編碼和個人郵箱),就可以成為信號測試者,免費幫助SpaceX測試星鏈網絡。用戶提交申請後,對方很快會發來一封郵件,郵件中寫道,當你所在的地區有了測試機會,會立刻以郵件的方式通知你。確認函中還寫道,「星鏈旨在將高速寬帶網絡傳送到那些很難訪問,或是完全不可用的位置。預計將於2020年夏天晚些時候開始進行私人Beta版測試,然後再從更高緯度開始進行公開Beta版測試。」換而言之,當很多人仍然在質疑星鏈時,SpaceX在一步步地推動星鏈項目。

面向用戶的星鏈終端設備有什麼獨特之處?

馬斯克曾表示,對於星鏈用戶而言,不需要請專人上門安裝,是最重要的一點。因為Wi-Fi在太空,在軌衛星就是路由器,信號直接傳到用戶所在的位置,用戶只需要有一個直徑為0.48米的終端接收天線(就像一根棍子上頂著一個又扁又圓的飛碟)即可,信號全球覆蓋。預計在本月內,星鏈在軌衛星數量將增至597顆。但按照馬斯克制定好的宏偉計劃,星鏈在軌衛星數量最終達到12000顆,也有可能是42000顆。

近期在網絡上曝光的星鏈終端(原型),具體的特點有:一是操作簡單,用戶只要給星鏈終端接上電源,並且指向天空,便可使用;凡是能看到天的地方就可自動接入高速率、低延遲的網際網路寬帶網絡,用戶根本不用事先閱讀說明書或者接受操作培訓。第二,用戶終端自帶電動機,全自動調節接收角度,從而為用戶提供最佳的信號。第三,像飛碟一樣的星鏈終端接收天線直徑為0.48米,初期售價大約200美元,最終售價可望低至幾十美元。第四,星鏈太空網際網路全面建成後,將真正做到寬帶網際網路遍布世界,地球全覆蓋,全球無死角。地球上任何地方任意時間,至少會有三顆星鏈衛星與之連結。只要能看到天的地方就可輕鬆接入星鏈寬帶網絡,為每個終端提供最高與5G相當的速率、延遲時間在20毫秒以內。第五,星鏈終端特別適用於廣大偏遠地區、寬帶網際網路尚沒有接入地區、無法自由享受全球網際網路區域、航海航空公司、高頻交易金融機構等用戶。值得補充的是,美國聯邦通信委員會在今年3月份便已經批准SpaceX公司可以運營多達100萬臺星鏈終端設備。

專業人士認為。馬斯克的星鏈寬帶網際網路能否最終成功,則要取決於地面用戶終端而非太空中的衛星。SpaceX已經通過其他小衛星的「蹭車」服務分攤了星鏈的發射成本,剩下的任務便是生產出價格足夠便宜、讓普通人接受得起的星鏈用戶終端。但其實說起來容易做起來難,現在市面上同等大小的相控陣天線,價格在1500美元左右;而馬斯克所想的是。星鏈終端在初期售價為200美元左右,此後再逐步下降到幾十美元。

星鏈終端為什麼是相控陣,星鏈之間的通訊為什麼要用雷射通訊?

星鏈需要的是一種不用物理改變方向便可快速改變波束髮射方向的天線——相控陣天線。相控陣雷達能成為主流軍用雷達,是因為通過控制天線上各個單元信號的相位,便可使發出的電磁波進行互相干涉來調整發射出的波束指向,而無需實際調整雷達的朝向。和一部分機械旋轉機構結合,相控陣天線能快速完成很大範圍的信息傳輸,因此毫無疑問是星鏈的首選。星鏈的衛星主體像一個長方形板子,在很大程度上是為了布置4塊相控陣天線。由於同一軌道面前後都有衛星,縱向的傳輸需要覆蓋的範圍較小,只有2面天線覆蓋,橫向需要覆蓋該軌道面和臨近軌道面之間一半的範圍,因此有3面天線覆蓋。既然相控陣都已經運用到了天上,那麼面向用戶的星鏈終端自然也需要相控陣跟進。根據SpaceX的專利申請,以及網絡上曝光的 「像一根棍子上頂著一個UFO飛碟」的天線,則進一步證實了星鏈用戶終端為相控陣的猜測。解決了快速改變波束髮射方向的問題,用戶終端天線只需要簡單的機械調整對準頭頂上的天空(距離最近的星鏈軌道面),便可完成數據傳輸。

事實上星鏈並不是首個採用相控陣天線來通訊的衛星,之前SpaceX發射的銥星NEXT,類似於星鏈的低軌道通訊衛星,同樣採用相控陣天線和用戶終端溝通。只是在780千米大傾角軌道面工作的銥星沒有星鏈那麼激進,衛星依然採用對稱的構造將相控陣天線布置在正中,因此衛星的整體外形構造並沒有那麼誇張,但也已經和傳統的長方體衛星主體在外觀上有了明顯的差別。

星鏈相比銥星更激進的地方不僅僅是軌道,銥星採用兩面固定的通訊天線和在同一軌道面前後的另兩顆衛星溝通,兩面可調天線和臨近軌道面的另兩顆衛星溝通。星鏈的通訊原理和銥星一樣,每顆衛星和最近的四顆衛星進行溝通,但不同於銥星僅12.5Mbps的星間數據傳輸速度,星鏈之間的通訊則由雷射通訊來完成。與無線通訊相比,雷射通訊最顯著的優勢是長距離傳輸時擴散範圍更小,而對於衛星間傳輸距離很短的星鏈來說,用雷射通訊更多的是為了避免星鏈之間的互相干擾。

臨近衛星通訊幹擾是一個現在通訊衛星就要面臨的問題,不同地面基站向同一個通訊衛星發射波束會造成幹擾,臨近衛星同時向同一個地面基站發射波束也會造成幹擾。由於無線電波指向性較弱,在波束擴散後臨近衛星很容易進入傳輸範圍內接收到不想接收的信號。臨近衛星通訊幹擾不僅會因為基站和衛星角度等巧合天然發生,還可以人為製造成為軍事領域的一種軟殺傷手段。

銥星完整的網絡1個軌道面只有11顆衛星,臨近衛星幹擾現象其實不明顯。星鏈單一軌道面就有成百上千顆衛星,星鏈整體更要覆蓋至少32個軌道面,傳統星間通訊方式雖理論傳輸性能足夠,但很容易導致衛星A發給衛星B的信息同時被臨近的衛星C給接收,造成不必要的通訊幹擾。雷射通訊因為有著較高的指向性,能夠避免星鏈之間的傳輸被其他星鏈意外接收,而且降低了擴散,衛星B在擔任衛星A和C的「中轉站」時,還可同時擔任衛星D和E的「中轉站」,進一步提高單一衛星的利用率。

最後,不得不指出的是,星鏈要完成指向性高的雷射通訊,必須知曉臨近星鏈相對自己的確切位置和速度,然而現有的公開資料信息有限,所以還不清楚SpaceX怎麼解決此難題,同樣也不清楚星鏈的雷射發射接收器具體在什麼位置。

(本文參考了航天愛好者,我為科技狂整理髮布)

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