小型衛(wèi)星如何與地面通信

幾十年來，發(fā)射一顆衛(wèi)星的費用就是天文數(shù)字，這意味著只有政府機構(gòu)和大型企業(yè)才能夠承擔如此艱巨的任務。但在最近約20年里，能夠適應多種有效載荷的新型商用火箭設(shè)計大幅降低了發(fā)射費用，從2000年的每千克5.4萬美元降至2018年的2720美元左右。這一趨勢同樣推動了私人衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的繁榮。自2012年以來，發(fā)射進入近地軌道（LEO）的小型衛(wèi)星（大致為重量在50千克以下的衛(wèi)星）數(shù)量每年增長30%。

隨著小型衛(wèi)星數(shù)量的激增，一個大問題就此產(chǎn)生，即如何與地面通信。近地軌道衛(wèi)星大約每90分鐘環(huán)繞地球一周，因此通常只有10分鐘的窗口時間與指定的地面站進行通信。如果衛(wèi)星不能與地面站通信（比如它在地球的另一邊），那么衛(wèi)星需要傳送的有價值數(shù)據(jù)就不能及時到達地球。

目前，NASA的跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）是唯一能夠?qū)⑿l(wèi)星信號轉(zhuǎn)發(fā)到正確地面站的網(wǎng)絡。然而，很少有公司能夠使用TDRSS，其成本高得令人望而卻步，而且該網(wǎng)絡已運行超過25年，根本無法處理所有新衛(wèi)星帶來的流量。將數(shù)據(jù)衛(wèi)星傳回地球常常也是制約觀測系統(tǒng)能力的一個瓶頸。

為打破這一瓶頸，2015年我和另外3名工程師成立了開普勒通信公司（Kepler Communications）。我們的目標是在近地軌道建立一個由許多小衛(wèi)星組成的星群，作為TDRSS的商業(yè)化替代網(wǎng)絡。這些衛(wèi)星將構(gòu)成一個基于太空的主干網(wǎng)狀網(wǎng)，在地球和太空之間雙向?qū)崟r傳送數(shù)據(jù)。我們的每個衛(wèi)星大概有一條面包大小，它們的運作方式將很像互聯(lián)網(wǎng)路由器——只是它們身處太空之中。我們的第一顆衛(wèi)星，以2014年的史詩級科幻電影《星際穿越》中的機器人同伴KIPP命名，于2018年1月發(fā)射。

到2022年部署完成時，開普勒通信網(wǎng)絡將共有140顆衛(wèi)星，平均分布在7個軌道平面上。本質(zhì)上，我們正在地球表面上方建造一個互聯(lián)網(wǎng)服務提供商，使衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面站之間保持通信，即便通信一方位于地球的另一側(cè)。我們的客戶將包括衛(wèi)星運營公司和使用衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)的衛(wèi)星通信公司，以及加拿大國防部、歐洲航天局和NASA等政府機構(gòu)。而如果沒有小型衛(wèi)星的不斷發(fā)展，這一切都不可能實現(xiàn)。

? ? ? 開普勒衛(wèi)星在航天界被稱為立方體衛(wèi)星（CubeSat）。立方星之所以在21世紀初得到發(fā)展，是為了實現(xiàn)衛(wèi)星設(shè)計和制造的簡化和標準化，以降低衛(wèi)星的成本。當時，每顆新衛(wèi)星都是一次性的定制航天器，由高度專業(yè)的工程師團隊使用定制的材料和方法制造。相比之下，立方星由多個10厘米×10厘米×10厘米的標準化單元組成。固定單元能夠讓制造商開發(fā)必要的立方體衛(wèi)星部件，如電池、太陽能電池板和計算機，作為現(xiàn)成的商用組件。

憑借立方體衛(wèi)星，開普勒這樣的太空初創(chuàng)公司可以在短短12個月內(nèi)由草圖到入軌，完成設(shè)計、建造并發(fā)射一顆衛(wèi)星。相比之下，一個傳統(tǒng)的衛(wèi)星項目需要3～7年才能完成。

立方體衛(wèi)星的崛起以及衛(wèi)星發(fā)射成本的下降使得商業(yè)衛(wèi)星服務激增。世界各地的公司都在建造可同時運行航天器的星座，正在計劃中的星座就有數(shù)百個。Planet等公司專注于提供地球圖像，Spire Global等一些公司則專注于監(jiān)測天氣。

那么，這些衛(wèi)星是如何將收集到的所有數(shù)據(jù)傳回給地面客戶呢？答案是，它們并沒有傳回。例如，一顆地球成像立方體衛(wèi)星運行一周可以收集2千兆字節(jié)（GB）的數(shù)據(jù)，也就是每天收集26GB數(shù)據(jù)。實際上，立方體衛(wèi)星在特定地面站上方的短期窗口只能發(fā)回部分數(shù)據(jù)。現(xiàn)在所有收集農(nóng)業(yè)、氣候、自然災害、自然資源管理等數(shù)據(jù)的衛(wèi)星運營公司都是如此。需要通信基礎(chǔ)設(shè)施有效處理的數(shù)據(jù)太多了。

為了傳送數(shù)據(jù)，地球觀測衛(wèi)星處于地面站通信范圍之內(nèi)時，會與地面站聯(lián)系，發(fā)送圖像和其他測量數(shù)據(jù)。為了提高圖像分辨率，這些衛(wèi)星幾乎都在近地軌道上運行，這意味著它們大約每90分鐘繞地球一周。平均而言，衛(wèi)星與指定地面站保持視線進而可進行通信的時間只有約10分鐘。在這10分鐘的窗口內(nèi)，衛(wèi)星必須將所收集的所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲荆缓笤偻ㄟ^地面網(wǎng)絡將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到它的最終目的地，如數(shù)據(jù)中心。

結(jié)果是，衛(wèi)星運營者收集的信息往往比他們要傳回地球的數(shù)據(jù)要多得多，因此他們必須丟棄有價值的數(shù)據(jù)，或者在延遲數(shù)小時甚至數(shù)天之后獲取數(shù)據(jù)。

近期一個解決方案是將地面站作為一種服務進行運營，增加每家公司可使用的地面站總數(shù)。歷史上，當一家公司或政府機構(gòu)發(fā)射一顆衛(wèi)星時，也必須負責部署自己的地面站——這是一項耗資巨大的任務。想象一下，如果所有的手機用戶都必須購買自己的發(fā)射塔并運行自己的網(wǎng)絡來打電話，那將是多么昂貴和復雜。一個更經(jīng)濟的方案是由數(shù)家公司建立地面站，任何人都可以付費使用，與自己的衛(wèi)星取得聯(lián)系，就像亞馬遜的AWS地面站一樣。

但還是有一個問題。為了保證一顆近地軌道衛(wèi)星可以與地面站持續(xù)通信，我們差不多需要在全球建立地面站。為了實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，需要幾千個地面站，每幾百公里一個，當然距離更近的地面站可以保證更可靠的連接。這即便是在陸地上的偏遠地區(qū)也是很難實現(xiàn)的。在海洋上維持連接更是難上加難，因為在海洋上可建地面站的島嶼非常少，距離也很遠，此外，即使有，這些島嶼也基本沒有強健的互聯(lián)網(wǎng)光纖連接。

這就是開普勒計劃將更多的通信基礎(chǔ)設(shè)施送入軌道的主要原因。我們認為，與其建立一個覆蓋全球的地面站網(wǎng)絡，不如建立一個立方體衛(wèi)星路由器星座更有意義，無論衛(wèi)星或地面站在哪個位置，它都能確保衛(wèi)星與地面站保持連接。

5千克重的開普勒衛(wèi)星的核心是軟件定義無線電（SDR）以及專用天線。SDR自20世紀90年代以來應用廣泛。在最基本的層面上，SDR用軟件取代了模擬無線電組件，例如調(diào)制器（將模擬信號轉(zhuǎn)換為1和0）和濾波器（對模擬信號需要轉(zhuǎn)換的部分進行限制）。在開普勒SDR中，這些元素是通過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）上運行軟件實現(xiàn)的，成為一種開發(fā)成本更低、配置更容易的無線電。使用SDR還使我們將航天器縮小到立方體衛(wèi)星的大小。這也是我們的衛(wèi)星成本只有傳統(tǒng)通信衛(wèi)星1%的原因之一。

要了解開普勒星座如何運行，首先應了解傳統(tǒng)的衛(wèi)星連接方式：“彎管”方法。想象一個由兩段直管以某個角度連接在一起的管道；衛(wèi)星位于兩個直管相交的位置，因此衛(wèi)星與連接的兩端都有一條連續(xù)的視線，這兩端可以是不同大陸上的兩個地面站，也可以是一個地面站和另一個航空器。衛(wèi)星實質(zhì)上扮演著中繼的角色，在連接的一端接收信號，然后將信號發(fā)送到方向不同的另一端。

在開普勒網(wǎng)絡中，一顆衛(wèi)星經(jīng)過一個地面站時，都將接收從地面網(wǎng)絡的其他位置發(fā)送到地面站的數(shù)據(jù)。衛(wèi)星將儲存數(shù)據(jù)，然后在看到目標地面站時傳送數(shù)據(jù)。開普勒網(wǎng)絡將包括分布在五大洲的5個地面站，連接我們所有的衛(wèi)星。不過，這種方法不支持實時通信。但隨著我們星座的擴大，這一功能將可以實現(xiàn)。

實現(xiàn)的方式如下：增加衛(wèi)星之間發(fā)送數(shù)據(jù)的能力，建立在地球上任何位置的兩個地面站之間以及地面站和在軌衛(wèi)星之間的實時連接。我們還計劃加入一些新功性，如代碼轉(zhuǎn)換（本質(zhì)上是一種將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成不同格式的方法），以及根據(jù)交付內(nèi)容的迫切性對數(shù)據(jù)進行排隊。

憑借SDR，我們可以相對快速地對衛(wèi)星通信方式做出重大改變。例如，新代碼可以上傳到類似KIPP的軌道衛(wèi)星進行測試。如果代碼通過了測試，就可以將其部署到星座的其余部分，而無須替換硬件。SDR縮短了開發(fā)周期，讓我們的原型具有更多的想法和理念，這很像立方體衛(wèi)星的標準化。

? 目前，開普勒正在部署星座。KIPP已經(jīng)成功運行超過兩年，而且成功為地面用戶的通信需求提供支持。例如為期一年的MOSAiC考察，其目的是在靠近北極的破冰船上測量北極的氣候。這是歷史上規(guī)模最大的一次極地探險。自任務啟動以來，KIPP的高帶寬通信有效載荷一直定期從MOSAiC的破冰船向德國不萊梅哈芬項目總部傳輸GB級的數(shù)據(jù)。

2018年12月，我們的第二顆衛(wèi)星CASE（以《星際穿越》中另一個機器人同伴的名字命名）成功入軌，加入了KIPP的軌道任務。即使只有兩顆衛(wèi)星在運行，我們也能夠為客戶提供一定程度的服務，主要采用我前面描述的方法，從一個地面站獲取數(shù)據(jù)并將其傳送到另一個地面站。這讓我們避開了重蹈其他一些衛(wèi)星星座公司覆轍的命運：這些公司還沒來得及提供服務，就部署完整網(wǎng)絡的過程中破產(chǎn)了。

雖然到目前為止我們已經(jīng)取得了成功，但建立一個140顆衛(wèi)星的星座并非沒有挑戰(zhàn)。當兩個快速移動的物體（如衛(wèi)星）試圖相互對話時，它們的通信就會受到多普勒頻移的影響。這種現(xiàn)象導致在兩個物體之間傳輸?shù)臒o線電波頻率會隨著它們相對位置的改變而改變。具體來說，當物體靠近時，頻率被壓縮，當物體漸遠時，頻率被拉伸。當救護車疾馳而過時，它的音調(diào)會改變，就是由多普勒頻移現(xiàn)象導致的。

我們的衛(wèi)星以7千米/秒的速度相對地面運行，或與另一顆以相同速度向相反方向移動的衛(wèi)星進行通信，因此我們得到的是一個壓縮或拉伸過度的信號。為解決這一問題，我們創(chuàng)建了一個專用的網(wǎng)絡架構(gòu)，該架構(gòu)中，相鄰的衛(wèi)星只有在朝著同一個方向運動時才進行相互通信。我們還在KIPP和CASE上安裝了軟件，通過跟蹤其相對運動引起的頻率變化來管理多普勒頻移。在這一點上，我們相信能夠?qū)Χ嗥绽疹l移進行補償，同時，我們期望在未來的網(wǎng)絡和軟件迭代中改進這種能力。

隨著星群內(nèi)衛(wèi)星數(shù)目的增加，我們還必須確保采用有效的路由傳送數(shù)據(jù)。當只需三四顆衛(wèi)星即可完成數(shù)據(jù)傳送時，我們不要將數(shù)據(jù)發(fā)送到更多的衛(wèi)星，比如30顆。為解決這一問題，我們的衛(wèi)星將在軌運行一種被稱為兩線元素集的算法來確定每顆衛(wèi)星的位置，兩線元素集算法類似于GPS定位地球上的位置。明確每個衛(wèi)星的位置后，我們可以運行一個優(yōu)化算法來找出傳送時間最短的路由。

當然，如果我們無法建造這140顆衛(wèi)星并將它們送入軌道，所有這些挑戰(zhàn)都將毫無意義。早期我們就發(fā)現(xiàn)了一個問題，即使組件實現(xiàn)了標準化，生產(chǎn)數(shù)百個航天器（哪怕是小型航天器）的供應鏈也不存在。最終，我們不得不自行生產(chǎn)制造大部分衛(wèi)星。我們的生產(chǎn)設(shè)備在多倫多市中心，可以將以前的手工流程（例如測試電路板）自動化，以確保符合裝配要求?，F(xiàn)在每月最多可以生產(chǎn)10顆衛(wèi)星。?

正如我之前所述，近年來衛(wèi)星部件的尺寸和成本急劇下降，使開普勒星群計劃成為可能。但有一個領(lǐng)域的效能限制了其微型化：太陽能電池板。我們立方體衛(wèi)星的發(fā)電能力仍然受到安裝太陽能電池板的表面積限制。

天線尺寸也存在限制，因為天線的效能已經(jīng)達到了理論極限。這意味著每顆衛(wèi)星必須為天線預留一定面積。這些限制導致我們很難進一步縮小衛(wèi)星的尺寸。其益處就是迫使我們創(chuàng)造性地尋找新計算方法和軟件，在這個過程中我們受到折紙啟發(fā)，準備開發(fā)可折疊部件。

到2020年底，我們計劃實現(xiàn)至少10顆衛(wèi)星在軌運行，這樣即可進行空間路由網(wǎng)絡的早期測試。如果一切按計劃進行，到2021年，我們將有50顆衛(wèi)星在軌運行，到2022年，所有140顆衛(wèi)星將為地球上的用戶和太空中的其他衛(wèi)星提供服務。

太空是一個新的商業(yè)疆域。企業(yè)家間的太空競賽使門檻越來越高，新貴們正在在軌航空器及其數(shù)據(jù)中進行探索，以期發(fā)現(xiàn)新的機遇。通過為太空創(chuàng)造一個互聯(lián)網(wǎng)，開普勒網(wǎng)絡將為這些機遇提供一條成功之路。 作者：Mina Mitry

審核編輯：黃飛

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