太空「路由器」——為衛星建造的軌道網際網路

圖片來源：Eric Frommelt

幾十年來，發射衛星的天文成本意味著只有政府機構和大型公司才能承擔如此艱巨的任務。但在最近20年左右的時間裡，可容納多種有效載荷的新型商用火箭設計已將發射成本從2000年的每公斤約5.4萬美元大幅降低至2018年的約2720美元，這一趨勢反過來又促進了私人衛星產業的繁榮。自2012年以來，發射進入近地軌道LEO的小型衛星數量(大致上是50公斤以下)每年增加30%。

小型衛星的激增產生的一個巨大問題是如何與地面進行通信。近地軌道上的衛星大約每90分鐘繞地球一圈，因此它們通常只有大約10分鐘的時間窗口與指定的地面站進行通信。如果衛星無法與該地面站通信(例如，因為它位於地球的另一側)，那麼衛星需要發送的任何有價值的數據都不會及時到達地球。

目前，美國宇航局(NASA)的跟蹤與數據中繼衛星系統(TDRSS)是唯一能夠幫助將衛星信號路由到正確地面站的網絡。然而，TDRSS很少被公司使用，主要是其使用成本高得令人望而卻步，而且使用年限超過25年，它根本無法處理所有新衛星產生的流量。將數據從衛星傳回地球常常是限制觀測系統能力的瓶頸之一。

為了突破這個瓶頸，成立於2015年的克卜勒通信公司(Kepler Communications)計劃在LEO上建立由許多微小衛星組成的星座，作為TDRSS的商業化替代品。這些衛星將構成天基網狀的主幹網絡，在地球和太空之間雙向實時發送數據。克卜勒通信公司的每顆衛星大約有一塊麵包那麼大，它的工作原理和網際網路路由器很相似——只是它們處於太空中。克卜勒通信公司的首顆衛星於2018年1月發射入軌，以2014年史詩級科幻電影《星際穿越》中的KIPP機器人命名。

到2022年全面部署後，克卜勒的網絡將包括140顆衛星，平均分布在7個軌道平面上。從本質上說，克卜勒通信公司在地球表面的高空建立了一個網際網路服務提供商，使衛星之間以及衛星與地面站之間保持通信，即便通信雙方位於地球的兩端。克卜勒的客戶將包括運營衛星或使用衛星通信傳輸數據的公司，以及政府機構，如加拿大國防部、歐洲航天局和美國宇航局。如果沒有微小衛星的持續發展，這一切都不可能實現。

圖片來源： Kepler Communications

克卜勒通信公司的衛星被航空航天界稱為CubeSats立方體衛星。在21世紀初，CubeSats的開發旨在通過簡化和標準化衛星的設計和製造來降低衛星的成本。當時，每顆新衛星都是一次性定製的太空飛行器，由高度專業化的工程師團隊使用定製材料和製造方法製造。相比之下，立方星是由10×10×10釐米單位的標準倍數組成的。這種固定單元使製造商能夠將電池、太陽能電池板和計算機等必要的立方體部件開發成商用的現成組件。

憑藉立方星的優勢，克卜勒這樣的太空初創公司可以在短短12個月內從草圖設計、建造並發射衛星入軌。相比之下，傳統的衛星計劃則需要三到七年才能完成。

立方星的興起和發射成本的下降導致了商業衛星服務的激增。世界各地的公司都在建造可同時運行的太空飛行器星座，有些計劃的星座數量達到數百個。Planet等公司專注於提供地球圖像，而Spire Global等其他公司則致力於監測天氣。

圖片來源： Kepler Communications

那麼，所有這些衛星是如何將它們收集到的所有數據傳回給地面客戶的呢？簡短的回答是，他們沒有全部傳回。例如，一顆地球成像立方星運行一周可以收集大約2GB的數據，也就是每天收集26GB的數據。實際上，立方星在其位於特定地面站上方的短窗口期間，只能發回其中的一小部分數據。現在所有的公司都是這樣，他們使用衛星來收集關於農業、氣候、自然災害、自然資源管理和其他主題的數據。通信基礎設施的數據太多，無法有效處理。

為了傳遞數據，地球觀測衛星處於地面站通信範圍之內時，通過與地面站聯繫，發送圖像和其他測量數據。這類衛星幾乎總是運行在近地軌道上，以提高它們的圖像解析度；但是，正如前面提到的，這意味著它們大約每90分鐘繞地球一圈。平均而言，衛星與特定地面站之間保持通信的時間約為10分鐘。在這10分鐘的時間裡，衛星必須傳輸它收集到的所有數據，這樣地面站就可以通過地面網絡將數據中繼到它的最終目的地，比如數據中心。

其結果是，衛星運營者收集到的信息往往遠遠超過了他們所能傳回地球的數量，因此他們需要不斷地扔掉有價值的數據，或者在延遲數小時甚至數天之後才獲取這些數據。

最近的一種解決辦法是將地面站作為一種服務進行運營，以便增加可供任何公司使用的地面站的總數。從歷史上看，當某家公司或政府機構發射一顆衛星時，它也要負責部署自己的地面站——這是一項非常昂貴的提議。想像一下，如果所有的手機用戶僅僅是為了打電話都必須購買自己的發射塔並運營自己的網絡，這將是多麼昂貴和複雜。另一種更經濟的選擇是，數個公司建造地面站，每個人都可以用它來連接自己的衛星，比如亞馬遜的AWS地面站。

但這裡還有一個問題：為了確保近地軌道衛星能夠與地面站持續通信，基本上需要在全球各地部署地面站。為了實現連續覆蓋，你將需要數千個地面站——每幾百公裡就需要有一個，不過距離更近的地面站可以確保更可靠的連接。這在陸地上的偏遠地區是很困難的。要在大洋上保持網絡連接就更加困難了，因為能夠建立地面站的島嶼很少，而且距離很遠；即使如有的話，這些島嶼也沒有強大的網際網路光纖連接。

這就是為什麼克卜勒計劃將更多的通信基礎設施送入軌道。與建立全球化地面站網絡相比，克卜勒通信公司認為建造立方星路由器星座更有意義，它可以讓衛星與地面站保持連接，而不用管衛星或地面站在哪裡。

5公斤重的克卜勒衛星的核心是軟體定義無線電(SDR)和專用天線。SDR自上世紀90年代以來應用廣泛，在最基本的層面上，它們用軟體取代了模擬無線電組件，如調製器(將模擬信號轉換為1和0)和濾波器(限制模擬信號轉換的部分)。在克卜勒公司的SDR中，這些元素是通過運行在現場可編程門陣列(FPGA)上的軟體實現的。結果是，SDR的開發成本更低，配置也更容易。SDR的使用反過來能夠把太空飛行器縮小到立方體衛星的規模，這也是克卜勒的衛星成本只有傳統通信衛星1%的原因之一。

圖片來源： Spaceworks 50公斤以下的小衛星數量每年都在增加，預計2020年將發射近500顆這樣的衛星。

為了了解克卜勒星座是如何工作的，我們需要了解傳統的衛星連接方式：「彎管」方法。想像由兩段直管以某個角度連接在一起的管道；衛星位於這兩個直管相交的位置，因此它與連接的兩端都有連續的視線，無論它們是位於不同大陸上的兩個地面站，還是一個地面站和另一個太空飛行器。衛星本質上起到了中繼的作用，從連接的一端接收信號，然後將信號發送到方向不同的另一端。

在克卜勒的網絡中，當衛星經過地面站時，它將接收從地面網絡的其他地方路由到該地面站的數據。衛星將儲存數據，然後在目標地面站可見時將其傳送。克卜勒的網絡將包括分布在五大洲的五個地面站，以連接所有的衛星。不幸的是，這種方法不允許實時通信。但隨著克卜勒衛星星座的增長，這些都將成為可能。

方法是這樣的：克卜勒網絡的未來迭代將增加在衛星之間發送數據的能力，從而在地球上任何地方的兩個地面站之間以及地面站和軌道衛星之間建立實時連接。克卜勒還計劃加入一些新特性，比如代碼轉換(本質上是將數據轉換為不同格式的一種方法)，以及根據最迫切需要交付的內容對數據進行排隊。

由於SDR的存在，克卜勒可以相對快速地改變衛星通信的方式。例如，可以將新代碼上傳到像KIPP這樣的軌道衛星上進行測試。如果代碼通過測試，就可以將其部署到星座的其他部分，而無需替換任何硬體。與CubeSat標準化非常相似，SDR縮短了開發周期，並可以將更多的想法原型化。

圖片來源：Kepler Communications 克卜勒還建立了地面站，以便其在軌衛星能夠與地面網絡進行通信。

克卜勒公司目前正在部署星座，KIPP已成功運行兩年多，並支持地面用戶的通信需求。例如，為期一年的MOSAiC考察就是從北極附近的一艘破冰船上測量北極氣候，這是歷史上最大的一次極地探險。自任務開始以來，KIPP的高帶寬通信有效載荷一直定期從MOSAiC的破冰船向位於德國不萊梅哈文的項目總部傳輸千兆字節的數據。

2018年12月，克卜勒的第二顆衛星CASE(《星際穿越》中的另一個機器人命名)加入KIPP軌道。即使只有兩顆衛星在運行，克卜勒也能夠為其客戶提供某種程度的服務，主要是通過接收一個地面站的數據並將其傳送到另一個地面站，這是之前描述的方法。這使克卜勒得以避免其他一些衛星星座公司的命運，這些公司在交付服務之前試圖部署一個完整的網絡，但最終破產了。

雖然到目前為止克卜勒是成功的，但建立一個由140顆衛星組成的星座並非沒有挑戰。當兩個快速移動的物體(如衛星)試圖相互通信時，它們的通信會受到都卜勒頻移的影響。這一現象導致在兩個物體之間傳輸的無線電波的頻率隨著它們相對位置的變化而變化。具體來說，當物體相互靠近時，頻率會被壓縮，而當物體距離越來越遠時，頻率會被拉長。當救護車從你身邊疾馳而過時，它的音調也會發生變化。

由於衛星以超過7公裡/秒的速度相對於地面運行，或者可能與另一顆以相同速度反向移動的衛星進行通信，最終得到過度壓縮或拉伸的信號。為解決這個問題，克卜勒創建了一個專有的網絡架構，在這個架構中，相鄰的衛星只有在相同方向上運行時才會相互通信。克卜勒還在KIPP和CASE上安裝了軟體，通過跟蹤其相對運動引起的頻率變化來管理都卜勒頻移。在這一點上，克卜勒證明其能夠補償任何都卜勒頻移，並且期望在網絡和軟體的未來迭代中改進這種能力。

隨著星座內衛星數量的增加，還必須確保數據的路由效率。當只需三、四顆衛星即可完成數據傳送時，不要將數據發送到更多的衛星，比如30顆。為了解決這個問題，克卜勒的衛星將在軌道上運行一種叫做兩線元素集的算法來確定每個衛星的位置，兩線元素集的運作方式類似於GPS在地球上識別位置的方式。明確每顆衛星的位置，可以運行一個優化算法，以找出最短的過境時間的路線。

當然，如果克卜勒公司不能建造140顆衛星並將其送入軌道，那麼所有這些挑戰都將是毫無意義的。克卜勒早期發現的一件事是，即使部件標準化了，生產數百個太空飛行器—甚至是小型的太空飛行器——的供應鏈也不存在。最終，克卜勒不得不自己完成大部分衛星的生產。克卜勒公司位於多倫多市區的製造工廠通過將以前的手工流程(例如測試電路板)自動化，以確保它們符合要求，每月可以生產10顆衛星。

圖片來源：Kepler Communications

正如之前所說的，由於近年來衛星組件的尺寸和成本降低，克卜勒星座將成為可能。但有一個領域的效率限制了微型化：太陽能電池板。克卜勒的立方星的發電能力仍然受到可以安裝太陽能電池板的表面積的限制。

同時也受到天線尺寸上的限制，因為天線的效率達到了理論上的極限。這意味著每個衛星必須為天線預留一定的表面積。這樣的限制將使進一步縮小衛星的尺寸變得困難。它的好處是可以創造性地尋找新的計算方法和軟體，甚至是開發可摺疊的組件。

到2020年底，克卜勒計劃至少再增加10顆衛星在軌道上運行，足以對空間路由器網絡進行早期測試。如果一切按計劃進行，到2021年，克卜勒將有50顆衛星投入運行；到2022年，所有140顆衛星將同時供地球上的用戶和其他太空衛星使用。

太空是新的商業前沿。隨著太空競賽帶來的創業機會越來越多，新貴團體們正在在軌太空飛行器及其數據中進行探索，以期發現新的機遇。通過創建太空網際網路，克卜勒希望太空網絡能為這些機會提供一條成功之路。

素材參考來源：ieee spectrum/Kepler Communications

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