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馬斯克的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)確實神奇,居然要用相控陣天線和激光通訊技術

星之球科技 來源:我為科技狂Tech2020-07-05 我要評論(0 )   

SpaceX創(chuàng)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互聯(lián)網(wǎng)絡服務,且足以支持網(wǎng)絡競技游戲,用戶不必擔心網(wǎng)速的問題。SpaceX在早期公布星鏈計...

SpaceX創(chuàng)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互聯(lián)網(wǎng)絡服務,且足以支持網(wǎng)絡競技游戲,用戶不必擔心網(wǎng)速的問題。SpaceX在早期公布星鏈計劃時,提出網(wǎng)絡延遲大概在20到35毫秒間。但馬斯克說,網(wǎng)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(wǎng)絡延遲低和使用方便等優(yōu)勢外,馬斯克還指出,星鏈對傳統(tǒng)電信企業(yè)來說并不構成威脅。星鏈將足以在農(nóng)村地區(qū)提供網(wǎng)絡服務,能夠滿足人們看視頻、玩游戲等需求,且網(wǎng)絡連接質量有保證;但不等于說未來所有人都是星鏈服務的用戶,在農(nóng)村或偏遠地區(qū),人口密度較低,用戶將能夠分到充足的帶寬;在城市環(huán)境下,情況會有所不同。此時在太空中的通信衛(wèi)星比不上地面的網(wǎng)絡基站,難以為用戶提供超高密度的網(wǎng)絡連接;當城市用戶過于集中,同時使用衛(wèi)星網(wǎng)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(tǒng)電信企業(yè)遠遠構不成威脅。


而現(xiàn)在,只要用戶在PC電腦端打開星鏈互聯(lián)網(wǎng)(Starlink)官方網(wǎng)頁,便可看見,星鏈正在面向全球發(fā)出邀請,以便不同國家(或地區(qū))的人們幫助SpaceX公司免費測試星鏈寬帶網(wǎng)絡。簡單來說,個人進入星鏈官網(wǎng),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(wǎng)絡。用戶提交申請后,對方很快會發(fā)來一封郵件,郵件中寫道,當你所在的地區(qū)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(wǎng)絡傳送到那些很難訪問,或是完全不可用的位置。預計將于2020年夏天晚些時候開始進行私人Beta版測試,然后再從更高緯度開始進行公開Beta版測試?!睋Q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么獨特之處?

馬斯克曾表示,對于星鏈用戶而言,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(wèi)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(wèi)星數(shù)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(wèi)星數(shù)量最終達到12000顆,也有可能是42000顆。


近期在網(wǎng)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,并且指向天空,便可使用;凡是能看到天的地方就可自動接入高速率、低延遲的互聯(lián)網(wǎng)寬帶網(wǎng)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(jié)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,星鏈太空互聯(lián)網(wǎng)全面建成后,將真正做到寬帶互聯(lián)網(wǎng)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(wèi)星與之鏈接。只要能看到天的地方就可輕松接入星鏈寬帶網(wǎng)絡,為每個終端提供最高與5G相當?shù)乃俾?、延遲時間在20毫秒以內。第五,星鏈終端特別適用于廣大偏遠地區(qū)、寬帶互聯(lián)網(wǎng)尚沒有接入地區(qū)、無法自由享受全球互聯(lián)網(wǎng)區(qū)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(lián)邦通信委員會在今年3月份便已經(jīng)批準SpaceX公司可以運營多達100萬臺星鏈終端設備。

專業(yè)人士認為。馬斯克的星鏈寬帶互聯(lián)網(wǎng)能否最終成功,則要取決于地面用戶終端而非太空中的衛(wèi)星。SpaceX已經(jīng)通過其他小衛(wèi)星的“蹭車”服務分攤了星鏈的發(fā)射成本,剩下的任務便是生產(chǎn)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(xiàn)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,此后再逐步下降到幾十美元。


星鏈終端為什么是相控陣,星鏈之間的通訊為什么要用激光通訊?

星鏈需要的是一種不用物理改變方向便可快速改變波束發(fā)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(fā)出的電磁波進行互相干涉來調整發(fā)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范圍的信息傳輸,因此毫無疑問是星鏈的首選。星鏈的衛(wèi)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。由于同一軌道面前后都有衛(wèi)星,縱向的傳輸需要覆蓋的范圍較小,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范圍,因此有3面天線覆蓋。既然相控陣都已經(jīng)運用到了天上,那么面向用戶的星鏈終端自然也需要相控陣跟進。根據(jù)SpaceX的專利申請,以及網(wǎng)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發(fā)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(shù)據(jù)傳輸。


事實上星鏈并不是首個采用相控陣天線來通訊的衛(wèi)星,之前SpaceX發(fā)射的銥星NEXT,類似于星鏈的低軌道通訊衛(wèi)星,同樣采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么激進,衛(wèi)星依然采用對稱的構造將相控陣天線布置在正中,因此衛(wèi)星的整體外形構造并沒有那么夸張,但也已經(jīng)和傳統(tǒng)的長方體衛(wèi)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,銥星采用兩面固定的通訊天線和在同一軌道面前后的另兩顆衛(wèi)星溝通,兩面可調天線和臨近軌道面的另兩顆衛(wèi)星溝通。星鏈的通訊原理和銥星一樣,每顆衛(wèi)星和最近的四顆衛(wèi)星進行溝通,但不同于銥星僅12.5Mbps的星間數(shù)據(jù)傳輸速度,星鏈之間的通訊則由激光通訊來完成。與無線通訊相比,激光通訊最顯著的優(yōu)勢是長距離傳輸時擴散范圍更小,而對于衛(wèi)星間傳輸距離很短的星鏈來說,用激光通訊更多的是為了避免星鏈之間的互相干擾。


臨近衛(wèi)星通訊干擾是一個現(xiàn)在通訊衛(wèi)星就要面臨的問題,不同地面基站向同一個通訊衛(wèi)星發(fā)射波束會造成干擾,臨近衛(wèi)星同時向同一個地面基站發(fā)射波束也會造成干擾。由于無線電波指向性較弱,在波束擴散后臨近衛(wèi)星很容易進入傳輸范圍內接收到不想接收的信號。臨近衛(wèi)星通訊干擾不僅會因為基站和衛(wèi)星角度等巧合天然發(fā)生,還可以人為制造成為軍事領域的一種軟殺傷手段。

銥星完整的網(wǎng)絡1個軌道面只有11顆衛(wèi)星,臨近衛(wèi)星干擾現(xiàn)象其實不明顯。星鏈單一軌道面就有成百上千顆衛(wèi)星,星鏈整體更要覆蓋至少32個軌道面,傳統(tǒng)星間通訊方式雖理論傳輸性能足夠,但很容易導致衛(wèi)星A發(fā)給衛(wèi)星B的信息同時被臨近的衛(wèi)星C給接收,造成不必要的通訊干擾。激光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(wèi)星B在擔任衛(wèi)星A和C的“中轉站”時,還可同時擔任衛(wèi)星D和E的“中轉站”,進一步提高單一衛(wèi)星的利用率。


最后,不得不指出的是,星鏈要完成指向性高的激光通訊,必須知曉臨近星鏈相對自己的確切位置和速度,然而現(xiàn)有的公開資料信息有限,所以還不清楚SpaceX怎么解決此難題,同樣也不清楚星鏈的激光發(fā)射接收器具體在什么位置。

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激光通訊星鏈
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