免责声明。 这篇文章是一个扩展、更正和更新的翻译 内森·赫斯特. 还使用了文章中的一些信息 构建最终材料时。
天文学家中有一种理论（或者可能是一个警示故事），称为凯斯勒综合症，以 1978 年 NASA 天体物理学家的名字命名。 在这种情况下，轨道卫星或其他物体意外撞到另一个物体并碎成碎片。 这些部件以每小时数万公里的速度绕地球旋转，摧毁其路径上的一切，包括其他卫星。 它引发了灾难性的连锁反应，最终导致数以百万计的功能失调的太空垃圾组成的云，无休止地绕地球运行。
这样的事件可能会使近地空间变得毫无用处，摧毁任何发射到其中的新卫星，并可能完全阻止进入太空。
所以当SpaceX （美国联邦通信委员会-Federal Communications Commission，美国）将4425颗卫星送入近地轨道（LEO，低地球轨道）以提供全球高速互联网网络，FCC对此表示关注。 公司成立一年多 委员会和竞争对手提出拒绝申请的请愿书，包括提交“轨道碎片减少计划”，以减轻对凯斯勒灾难的恐惧。 28月XNUMX日，FCC批准了SpaceX的申请。
太空碎片并不是 FCC 担心的唯一问题，SpaceX 也不是唯一一家试图建造下一代卫星星座的组织。 少数新老公司正在拥抱新技术，制定新的商业计划，并向联邦通信委员会请求获得他们所需的部分通信频谱，以通过快速、可靠的互联网覆盖地球。
从理查德·布兰森到埃隆·马斯克，大人物都参与其中，还有大笔资金参与其中。 布兰森的 OneWeb 迄今为止已筹集了 1,7 亿美元，SpaceX 总裁兼首席运营官 Gwynne Shotwell 估计该项目的价值为 10 亿美元。
当然，存在很大的问题，历史表明它们的影响是完全不利的。 好人正试图弥合服务欠缺地区的数字鸿沟，而坏人则将非法卫星安装在火箭上。 而这一切都伴随着数据传输的需求猛增：根据思科的一份报告，2016 年全球互联网流量超过 1 万亿字节，结束了泽字节时代。
如果目标是提供以前没有的良好互联网接入，那么卫星是实现这一目标的明智方法。 事实上，几十年来，各公司一直在使用大型对地静止卫星 (GSO) 来实现这一目标，这些卫星位于非常高的轨道上，其自转周期等于地球自转的速度，从而使它们固定在特定区域。 但除了少数目标明确的任务外，例如，使用 175 颗低轨道卫星测量地球表面并以 7 Mbps 的速度向地球传输 200 PB 的数据，或者跟踪货物或提供网络的任务在军事基地访问时，这种类型的卫星通信速度不够快、可靠性不够，无法与现代光纤或有线互联网竞争。
非对地静止卫星 (Non-GSO) 包括在中地球轨道 (MEO)（距地球表面高度 1900 至 35000 公里）运行的卫星，以及低地球轨道 (LEO) 卫星（其轨道高度低于 1900 公里） 。 如今，近地轨道变得非常受欢迎，预计在不久的将来，即使不是所有卫星都如此，但大多数卫星肯定会如此。
与此同时，针对非对地静止卫星的监管早已存在，并由美国境内外的机构划分：NASA、FCC、DOD、FAA，甚至联合国国际电信联盟都参与其中。
然而，从技术角度来看，它有一些很大的优势。 由于手机的发展，陀螺仪和电池得到了改进，建造卫星的成本已经下降。 卫星的发射成本也变得更便宜，部分原因是卫星本身尺寸较小。 容量增加了，卫星间通信使系统变得更快，指向天空的大碟形天线已经过时了。
包括 SpaceX 在内的 11 家公司已向 FCC 提交了文件，每家公司都以自己的方式解决这个问题。
埃隆·马斯克 (Elon Musk) 于 2015 年宣布了 SpaceX 星链计划，并在西雅图开设了该公司的分支机构。 他告诉员工：“我们希望像彻底改变火箭科学一样彻底改变卫星通信。”
2016年，该公司向美国联邦通信委员会提交申请，寻求从现在到1600年发射800颗（后来减少到2021颗）卫星的许可，然后在2024年之前发射剩余的卫星。 这些近地卫星将在 83 个不同的轨道平面上运行。 该卫星群将通过机载光学（激光）通信链路相互通信，以便数据可以在天空中弹跳而不是返回地球——通过一座长“桥”而不是返回地面。被上下传送。
在现场，客户将安装一种带有电子控制天线的新型终端，该终端将自动连接到当前提供最佳信号的卫星，类似于手机选择信号塔的方式。 当 LEO 卫星相对于地球移动时，系统每 10 分钟左右就会在它们之间切换。 SpaceX 卫星运营副总裁帕特里夏·库珀 (Patricia Cooper) 表示，由于将有数千人使用该系统，因此总会有至少 20 个可供选择。
地面终端应该比传统的卫星天线更便宜、更容易安装，传统的卫星天线必须在物理上面向相应的对地静止卫星所在的天空部分。 SpaceX 表示，该终端不会比披萨盒大（尽管它没有说明披萨的尺寸）。
通信将通过两个频段提供：Ka 和 Ku。 两者都属于无线电频谱，尽管它们使用的频率比立体声所用的频率高得多。 Ka 频段是两者中较高的频段，频率在 26,5 GHz 至 40 GHz 之间，而 Ku 频段位于频谱中的 12 GHz 至 18 GHz 之间。 Starlink已获得FCC的许可使用某些频率，通常从终端到卫星的上行链路将在14 GHz至14,5 GHz的频率上运行，下行链路将在10,7 GHz至12,7 GHz的频率上运行，其余的将用于遥测，跟踪和控制，以及将卫星连接到地面互联网。
除了向 FCC 提交的文件外，SpaceX 一直保持沉默，尚未披露其计划。 而且很难知道任何技术细节，因为 SpaceX 正在运行整个系统，从卫星上的组件到将卫星送入天空的火箭。 但该项目要想成功，将取决于该服务是否能够提供与同等价格的光纤相当或更好的速度，以及可靠性和良好的用户体验。
今年 2019 月，SpaceX 发射了前两颗星链卫星原型，它们呈圆柱形，配有翼状太阳能电池板。 丁丁A和B大约一米长，马斯克通过推特确认他们沟通成功。 如果原型继续发挥作用，到 6 年，数百个其他原型将加入其中。 一旦系统投入运行，SpaceX将持续更换退役卫星，以防止产生空间碎片，系统将指示它们在某个时间点降低轨道，之后它们将开始坠落并在气氛。 在下图中，您可以看到 Starlink 网络在 XNUMX 次发射后的样子。
有一点历史
早在 80 世纪 XNUMX 年代，HughesNet 就是卫星技术的创新者。 您知道 DirecTV 安装在房屋外面的那些灰色碟形天线吗？ 它们来自 HughesNet，而 HughesNet 本身则源自航空先驱霍华德·休斯 (Howard Hughes)。 “我们发明的技术使我们能够通过卫星提供交互式通信，”执行副总裁迈克库克说。
当时，当时的休斯网络系统公司拥有 DirecTV，并运营着向电视机传输信息的大型地球静止卫星。 当时和现在，该公司还为企业提供服务，例如在加油站处理信用卡交易。 第一个商业客户是沃尔玛，它希望将全国各地的员工与本顿维尔的家庭办公室连接起来。
90 世纪 XNUMX 年代中期，该公司创建了一个名为 DirecPC 的混合互联网系统：用户的计算机通过拨号连接向 Web 服务器发送请求，并通过卫星接收响应，卫星将请求的信息传输到用户的碟形天线上速度比拨号快得多。
2000 年左右，Hughes 开始提供双向网络访问服务。 但将服务成本（包括客户端设备的成本）保持在足够低的水平以供人们购买一直是一个挑战。 为此，该公司决定需要自己的卫星，并于 2007 年推出了 Spaceway。 休斯表示，这颗至今仍在使用的卫星在发射时尤其重要，因为它是第一颗支持星载分组交换技术的卫星，实质上成为第一颗消除地面站通信额外跳跃的空间交换机。其他。 其容量超过 10 Gbit/s，24 个 440 Mbit/s 转发器，允许个人用户拥有高达 2 Mbit/s 的传输速度和高达 5 Mbit/s 的下载速度。 航天一号是波音公司在波音1卫星平台的基础上制造的，该装置的发射重量为702公斤。 目前，Spaceway 6080 是最重的商业航天器 (SC) 之一 - 它打破了一个月前使用 Atlas 1 运载火箭发射的 Inmarsat 5 F4 卫星的记录（1 公斤）。 据维基百科称，最重的商业 GSO 于 5959 年发射，质量为 2018 吨。 该设备配备了Ka波段中继有效负载（RP）。 PN 包括一个由 7 个元件组成的 2 米长的受控相控天线阵列。 PN形成多波束覆盖，保证不同地区各类电视节目网络的播出。 这种天线可以在不断变化的市场条件下灵活使用航天器的功能。
与此同时，一家名为 Viasat 的公司花了大约十年的时间进行研发，然后于 2008 年发射了第一颗卫星。 这颗名为 ViaSat-1 的卫星采用了频谱复用等一些新技术。 这使得卫星可以在不同的带宽之间进行选择，以便在不受干扰的情况下向地球传输数据，即使它与来自另一颗卫星的波束一起传输数据，它也可以在不连续的连接中重用该频谱范围。
这提供了更高的速度和性能。 Viasat 总裁 Rick Baldridge 表示，当它投入使用时，其吞吐量为 140 Gbps，超过了覆盖美国的所有其他卫星的总和。
“卫星市场确实适合那些别无选择的人，”波多里奇说。 “如果您无法通过其他方式访问，那么这就是最后的手段。 它本质上具有无处不在的覆盖范围，但并没有真正携带太多数据。 因此，这项技术主要用于加油站交易等任务。”
多年来，HughesNet（现为 EchoStar 所有）和 Viasat 一直在建造越来越快的地球静止卫星。 HughesNet 于 120 年发布了 EchoStar XVII (2012 Gbps)，于 200 年发布了 EchoStar XIX (2017 Gbps)，并计划于 2021 年推出 EchoStar XXIV，该公司表示将为消费者提供 100 Mbps 的速率。
ViaSat-2 于 2017 年推出，目前容量约为 260 Gbit/s，计划于 3 年或 2020 年部署三个不同的 ViaSat-2021，每个覆盖全球不同地区。 Viasat 表示，三个 ViaSat-3 系统预计每秒的吞吐量为太比特，是绕地球运行的所有其他卫星总和的两倍。
“我们的空间容量如此之大，以至于它改变了交通运输的整体动态。 可以提供的内容没有任何限制，”LeoSat 的卫星和电信技术顾问 DK Sachdev 说道，LeoSat 是发射 LEO 星座的公司之一。 “今天，卫星的所有缺点正在被一一消除。”
整个速度竞赛的出现是有原因的，因为互联网（双向通信）开始取代电视（单向通信）作为一种使用卫星的服务。
LeoSat 合规总监罗纳德·范德布雷根 (Ronald van der Breggen) 表示：“卫星行业处于长期的狂热之中，正在研究如何从传输单向视频转向全面数据传输。” “关于如何做、做什么、服务什么市场，有很多意见。”
仍然存在一个问题
延迟。 与总体速度不同，延迟是指请求从计算机传输到目的地并返回所需的时间。 假设您点击网站上的链接，该请求必须发送到服务器并返回（服务器已成功接收到请求并将向您提供所请求的内容），然后加载网页。
加载网站所需的时间取决于您的连接速度。 完成下载请求所需的时间就是延迟。 它通常以毫秒为单位，因此当您浏览网页时它并不明显，但当您玩在线游戏时它很重要。 然而，有事实表明，来自俄罗斯联邦的用户即使在延迟 (ping) 接近一秒的情况下也能在线玩某些游戏。
光纤系统中的延迟取决于距离，但通常达到每公里几微秒；主要延迟来自设备，尽管对于相当长的光链路，延迟更为显着，因为在光纤中-光通信线（FOCL）光速仅为真空中光速的60%，并且也很大程度上取决于波长。 根据 Baldrige 的说法，向 GSO 卫星发送请求时的延迟约为 700 毫秒——光在太空真空中的传播速度比在光纤中传播的速度快，但这些类型的卫星距离很远，这就是为什么需要这么长时间。 除了游戏之外，这个问题对于视频会议、金融交易和股票市场、物联网监控以及其他依赖交互速度的应用也很重要。
但延迟问题有多严重？ 全球使用的大部分带宽专用于视频。 一旦视频运行并正确缓冲，延迟就不再是一个因素，速度变得更加重要。 毫不奇怪，Viasat 和 HughesNet 倾向于尽量减少大多数应用程序延迟的重要性，尽管两家公司也在努力尽量减少其系统中的延迟。 HughesNet 使用一种算法根据用户关注的内容对流量进行优先级排序，以优化数据传输。 Viasat 宣布推出中地球轨道 (MEO) 卫星星座来补充其现有网络，这将减少延迟并扩大覆盖范围，包括在赤道 GSO 延迟较高的高纬度地区。
“我们真正关注的是高容量和非常非常低的资本成本来部署该容量，”波多里奇说。 “对于我们支持的市场来说，延迟是否与其他功能一样重要”？
尽管如此，还是有一个解决方案；LEO 卫星仍然距离用户更近。 因此，像 SpaceX 和 LeoSat 这样的公司选择了这条路线，计划部署一个由更小、更近的卫星组成的星座，预计用户的延迟为 20 到 30 毫秒。
“这是一种权衡，因为它们处于较低的轨道，低地球轨道系统的延迟更短，但系统更复杂，”库克说。 “要完成一个星座，你需要至少有数百颗卫星，因为它们处于低轨道，它们绕地球移动，更快地越过地平线并消失......并且你需要有一个天线系统，可以追踪他们。”
但有两个故事值得记住。 90 世纪 840 年代初，比尔·盖茨 (Bill Gates) 和他的几个合作伙伴在一个名为 Teledesic 的项目中投资了约 288 亿美元，为无力承担网络费用或不会很快看到光纤线路的地区提供宽带。 有必要建立一个由1994颗（后来减少到XNUMX颗）低轨卫星组成的星座。 其创始人谈到了解决延迟问题，并于 XNUMX 年要求 FCC 使用 Ka 频段频谱。 听起来很熟悉？
Teledesic 在 9 年倒闭之前估计耗资 2003 亿美元。
“由于最终用户的维护和服务成本高昂，这个想法当时并不可行，但现在看来是可行的，”说 是加州州立大学多明格斯山分校的信息系统教授，自从 Teledesic 出现以来，他一直在监控 LEO 系统。 “技术还不够先进。”
摩尔定律以及手机电池、传感器和处理器技术的进步给了低地球轨道星座第二次机会。 需求的增加使经济看起来很诱人。 但在 Teledesic 传奇上演的同时，另一个行业也获得了一些将通信系统发射到太空的重要经验。 90 世纪 100 年代末，Iridium、Globalstar 和 Orbcomm 联合发射了 XNUMX 多颗低轨道卫星来提供手机覆盖。
斯坦福大学航空航天助理教授扎克·曼彻斯特表示：“建造一个完整的星座需要数年时间，因为需要进行大量发射，而且成本非常昂贵。” “在大约五年的时间里，地面蜂窝塔基础设施已经扩大到覆盖范围非常好的程度，并且覆盖了大多数人。”
这三个公司很快就破产了。 虽然每家公司都通过为特定目的提供较小范围的服务（例如紧急信标和货物跟踪）来进行自我改造，但没有一家公司成功取代了基于塔的蜂窝电话服务。 在过去的几年里，SpaceX 一直根据合同为铱星发射卫星。
“我们以前看过这部电影，”曼彻斯特说。 “我认为目前的情况没有什么根本不同。”
竞争
SpaceX 和其他 11 家公司（及其投资者）有不同的看法。 OneWeb 将于今年发射卫星，服务预计最早将于明年开始，随后将在 2021 年和 2023 年推出更多卫星，最终目标是到 1000 年达到 2025 Tbps。 O3b 现为 SAS 子公司，拥有由 16 颗 MEO 卫星组成的星座，已运行多年。 Telesat 已经运营 GSO 卫星，但计划在 2021 年建立 LEO 系统，该系统将拥有延迟为 30 至 50 毫秒的光链路。
新贵 Astranis 还在地球同步轨道上拥有一颗卫星，并将在未来几年内部署更多卫星。 虽然他们没有解决延迟问题，但该公司希望通过与当地互联网提供商合作并建造更小、更便宜的卫星来从根本上降低成本。
LeoSat还计划于2019年发射第一批卫星，并于2022年完成星座建设。 它们将在1400公里的高度绕地球飞行，利用光通信与网络中的其他卫星连接，并在Ka波段上下传输信息。 LeoSat 首席执行官理查德·范德布雷根 (Richard van der Breggen) 表示，他们已经在国际上获得了所需的频谱，并预计很快就会获得 FCC 的批准。
范德布雷根表示，推动更快的卫星互联网很大程度上是基于建造更大、更快、能够传输更多数据的卫星。 他称之为“管道”：管道越大，互联网能够突破的范围就越多。 但像他这样的公司通过改变整个系统找到了新的改进领域。
“想象一下最小类型的网络——两个思科路由器和它们之间的一根电线，”范德布雷根说。 “所有卫星的作用都是在两个盒子之间提供一根电线……我们将把整个三颗卫星送入太空。”
LeoSat计划部署78颗卫星，每颗卫星有一张大餐桌大小，重量约1200公斤。 它们由 Iridium 建造，配备了四个太阳能电池板和四个激光器（每个角落一个）以与邻居连接。 这是范德布雷根认为最重要的联系。 从历史上看，卫星将信号以 V 形从地面站反射到卫星，然后反射到接收器。 由于低地球轨道卫星较低，它们无法投射那么远，但它们之间可以非常快速地传输数据。
为了理解其工作原理，将互联网视为具有实际物理实体的东西会很有帮助。 这不仅仅是数据，还包括数据所在的位置以及数据的移动方式。 互联网并不存储在一个地方，世界各地都有包含一些信息的服务器，当您访问它们时，您的计算机会从距离您最近的服务器获取您要查找的数据。 重要在哪里？ 这有多大关系？ 光（信息）在太空中传播的速度几乎是光纤中传播速度的两倍。 当你在一个星球上运行光纤连接时，它必须沿着从一个节点到另一个节点的绕行路径，绕过山脉和大陆。 卫星互联网没有这些缺点，当数据源较远时，尽管增加了数千英里的垂直距离，LEO 的延迟将小于光纤互联网的延迟。 例如，从伦敦到新加坡的 ping 可能是 112 毫秒，而不是 186 毫秒，这将显着改善连接性。
van der Breggen 是这样描述这项任务的：整个行业可以被视为分布式网络的发展，与整个互联网没有什么不同，只是在空间上。 延迟和速度都起作用。
虽然一家公司的技术可能更优越，但这不是一场零和游戏，不会有赢家或输家。 其中许多公司针对不同的市场，甚至互相帮助实现他们想要的结果。 对于一些人来说，它是船舶、飞机或军事基地；对于另一些人来说，它是农村消费者或发展中国家。 但最终，这些公司有一个共同的目标：在没有互联网或互联网不足的地方创建互联网，并以足够低的成本来支持他们的商业模式。
“我们认为这并不是真正的竞争技术。 我们相信，从某种意义上说，LEO 和 GEO 技术都是需要的。”HughesNet 的库克说道。 “对于某些类型的应用，例如视频流，GEO 系统非常非常经济高效。 然而，如果您想运行需要低延迟的应用程序……LEO 是您的最佳选择。”
事实上，HughesNet 与 OneWeb 合作提供网关技术，用于管理流量并通过互联网与系统交互。
您可能已经注意到，LeoSat 提议的星座几乎比 SpaceX 的星座小 10 倍。 范德布雷根说，这很好，因为 LeoSat 打算为企业和政府客户提供服务，并且只会覆盖几个特定领域。 O3b 向包括皇家加勒比在内的游轮销售互联网，并与美属萨摩亚和所罗门群岛的电信提供商合作，这些地区的有线高速连接短缺。
多伦多一家名为 Kepler Communications 的小型初创公司使用微型 CubeSats（大约一条面包大小）为延迟密集型客户端提供网络访问，5 分钟内可以获得 10GB 或更多数据，这与极地相关勘探、科学、工业和旅游业。 因此，当安装小型天线时，上传速度将高达 20 Mbit/s，下载速度将高达 50 Mbit/s，但如果使用大型“碟形天线”，则速度会更高 - 120 Mbit/s。上传速度为 150 Mbit/s，接收速度为 XNUMX Mbit/s。 Baldrige 表示，Viasat 的强劲增长来自于向商业航空公司提供互联网； 他们已与美联航、捷蓝航空、美国航空以及澳洲航空、北欧航空等航空公司签署了协议。
那么，这种以利润为导向的商业模式将如何弥合数字鸿沟，并将互联网带给发展中国家和服务不足的人群，他们可能无法支付那么多费用，却愿意支付更少的费用？ 由于系统格式，这将成为可能。 由于LEO（低地球轨道）星座的各个卫星都在不断运动，因此它们应该均匀分布在地球周围，导致它们偶尔会覆盖无人居住或人口相当贫困的地区。 因此，从这些地区获得的任何利润都将是利润。
“我的猜测是，他们将为不同国家提供不同的连接价格，这将使他们能够在任何地方提供互联网，即使这是一个非常贫穷的地区，”普雷斯说。 “一旦出现了一组卫星，那么它的成本就已经是固定的，如果卫星在古巴上空而没有人使用它，那么他们从古巴获得的任何收入都是边际和免费的（不需要额外投资）”。
进入大众消费市场可能相当困难。 事实上，该行业取得的成功很大程度上来自于向政府和企业提供高成本的互联网。 但 SpaceX 和 OneWeb 在其商业计划中特别瞄准了实体订户。
Sachdev 表示，用户体验对于这个市场非常重要。 您必须用一个易于使用、高效且具有成本效益的系统覆盖地球。 “但仅此还不够，”萨奇德夫说。 “你需要足够的容量，在此之前，你需要确保客户设备的价格实惠。”
谁负责监管？
SpaceX 必须与 FCC 解决的两大问题是如何分配现有（和未来）卫星通信频谱以及如何防止空间碎片。 第一个问题是 FCC 的责任，但第二个问题似乎更适合 NASA 或美国国防部。 两者都监视轨道物体以防止碰撞，但都不是调节器。
“对于我们应该如何处理太空碎片，确实没有一个良好的协调政策，”斯坦福大学的曼彻斯特说。 “目前，这些人之间没有有效的沟通，也没有一致的政策。”
由于低轨卫星经过许多国家，问题变得更加复杂。 国际电信联盟的作用与联邦通信委员会类似，负责分配频谱，但要在一个国家/地区运营，公司必须获得该国家/地区的许可。 因此，LEO 卫星必须能够根据其所在国家/地区更改其使用的频谱带。
“你真的希望 SpaceX 垄断该地区的网络连接吗？”普雷斯问道。 “有必要规范他们的活动，谁有权利这样做？ 他们是超国家的。 FCC 对其他国家没有管辖权。”
不过，这并不意味着FCC无能为力。 去年年底，一家名为 Swarm Technologies 的小型硅谷初创公司被拒绝发射四颗低地球轨道通信卫星原型，每颗原型都比一本平装书还要小。 美国联邦通信委员会的主要反对意见是，这些微型卫星可能太难追踪，因此难以预测且危险。
不管怎样，Swarm 发射了它们。 据 IEEE Spectrum 报道，一家提供卫星发射服务的西雅图公司将他们送往印度，在那里他们乘坐运载数十颗较大卫星的火箭。 FCC 发现了这一点，并对该公司处以 900 万美元的罚款，分期 000 年支付。现在，由于该公司秘密运营，Swarm 申请四颗较大卫星的申请陷入僵局。 然而前几天却有消息称已经获得批准并 。 一般来说，金钱和谈判能力是解决方案。 卫星重量为310至450克，目前有7颗卫星在轨，完整网络将于2020年中期部署。 最新报告显示，该公司已投资约 25 万美元，这不仅为全球企业打开了市场准入的大门。
对于其他即将推出的卫星互联网公司和探索新技巧的现有公司来说，未来四到八年对于确定此时此地是否有对其技术的需求，或者我们是否会看到历史在 Teledesic 和 Iridium 上重演至关重要。 但之后会发生什么呢？ 火星方面，据马斯克介绍，他的目标是利用星链为火星探索提供收入，以及进行测试。
“我们可以使用相同的系统在火星上创建一个网络，”他告诉他的员工。 “火星还需要一个全球通信系统，但没有光纤线路或电线或任何东西。”
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来源： habr.com