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馬斯克的衛星互聯網確實神奇,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(wei) 科技狂Tech2020-07-05 我要評論(0 )   

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互聯網絡服務,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...

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互聯網絡服務,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(ti) 驗會(hui) 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(you) 勢外,馬斯克還指出,星鏈對傳(chuan) 統電信企業(ye) 來說並不構成威脅。星鏈將足以在農(nong) 村地區提供網絡服務,能夠滿足人們(men) 看視頻、玩遊戲等需求,且網絡連接質量有保證;但不等於(yu) 說未來所有人都是星鏈服務的用戶,在農(nong) 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(hui) 有所不同。此時在太空中的通信衛星比不上地麵的網絡基站,難以為(wei) 用戶提供超高密度的網絡連接;當城市用戶過於(yu) 集中,同時使用衛星網絡時,每台手機或是其他設備分到的帶寬根本不夠。所以,星鏈對傳(chuan) 統電信企業(ye) 遠遠構不成威脅。


而現在,隻要用戶在PC電腦端打開星鏈互聯網(Starlink)官方網頁,便可看見,星鏈正在麵向全球發出邀請,以便不同國家(或地區)的人們(men) 幫助SpaceX公司免費測試星鏈寬帶網絡。簡單來說,個(ge) 人進入星鏈官網,隻要簡單填寫(xie) 好申請表(準確填寫(xie) 自己所在地的郵政編碼和個(ge) 人郵箱),就可以成為(wei) 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(hui) 發來一封郵件,郵件中寫(xie) 道,當你所在的地區有了測試機會(hui) ,會(hui) 立刻以郵件的方式通知你。確認函中還寫(xie) 道,“星鏈旨在將高速寬帶網絡傳(chuan) 送到那些很難訪問,或是完全不可用的位置。預計將於(yu) 2020年夏天晚些時候開始進行私人Beta版測試,然後再從(cong) 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。

麵向用戶的星鏈終端設備有什麽(me) 獨特之處?

馬斯克曾表示,對於(yu) 星鏈用戶而言,不需要請專(zhuan) 人上門安裝,是最重要的一點。因為(wei) Wi-Fi在太空,在軌衛星就是路由器,信號直接傳(chuan) 到用戶所在的位置,用戶隻需要有一個(ge) 直徑為(wei) 0.48米的終端接收天線(就像一根棍子上頂著一個(ge) 又扁又圓的飛碟)即可,信號全球覆蓋。預計在本月內(nei) ,星鏈在軌衛星數量將增至597顆。但按照馬斯克製定好的宏偉(wei) 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(ti) 的特點有:一是操作簡單,用戶隻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、低延遲的互聯網寬帶網絡,用戶根本不用事先閱讀說明書(shu) 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(cong) 而為(wei) 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(wei) 0.48米,初期售價(jia) 大約200美元,最終售價(jia) 可望低至幾十美元。第四,星鏈太空互聯網全麵建成後,將真正做到寬帶互聯網遍布世界,地球全覆蓋,全球無死角。地球上任何地方任意時間,至少會(hui) 有三顆星鏈衛星與(yu) 之鏈接。隻要能看到天的地方就可輕鬆接入星鏈寬帶網絡,為(wei) 每個(ge) 終端提供最高與(yu) 5G相當的速率、延遲時間在20毫秒以內(nei) 。第五,星鏈終端特別適用於(yu) 廣大偏遠地區、寬帶互聯網尚沒有接入地區、無法自由享受全球互聯網區域、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(hui) 在今年3月份便已經批準SpaceX公司可以運營多達100萬(wan) 台星鏈終端設備。

專(zhuan) 業(ye) 人士認為(wei) 。馬斯克的星鏈寬帶互聯網能否最終成功,則要取決(jue) 於(yu) 地麵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(chan) 出價(jia) 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,現在市麵上同等大小的相控陣天線,價(jia) 格在1500美元左右;而馬斯克所想的是。星鏈終端在初期售價(jia) 為(wei) 200美元左右,此後再逐步下降到幾十美元。


星鏈終端為(wei) 什麽(me) 是相控陣,星鏈之間的通訊為(wei) 什麽(me) 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射方向的天線——相控陣天線。相控陣雷達能成為(wei) 主流軍(jun) 用雷達,是因為(wei) 通過控製天線上各個(ge) 單元信號的相位,便可使發出的電磁波進行互相幹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(chuan) 輸,因此毫無疑問是星鏈的首選。星鏈的衛星主體(ti) 像一個(ge) 長方形板子,在很大程度上是為(wei) 了布置4塊相控陣天線。由於(yu) 同一軌道麵前後都有衛星,縱向的傳(chuan) 輸需要覆蓋的範圍較小,隻有2麵天線覆蓋,橫向需要覆蓋該軌道麵和臨(lin) 近軌道麵之間一半的範圍,因此有3麵天線覆蓋。既然相控陣都已經運用到了天上,那麽(me) 麵向用戶的星鏈終端自然也需要相控陣跟進。根據SpaceX的專(zhuan) 利申請,以及網絡上曝光的 “像一根棍子上頂著一個(ge) UFO飛碟”的天線,則進一步證實了星鏈用戶終端為(wei) 相控陣的猜測。解決(jue) 了快速改變波束發射方向的問題,用戶終端天線隻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麵),便可完成數據傳(chuan) 輸。


事實上星鏈並不是首個(ge) 采用相控陣天線來通訊的衛星,之前SpaceX發射的銥星NEXT,類似於(yu) 星鏈的低軌道通訊衛星,同樣采用相控陣天線和用戶終端溝通。隻是在780千米大傾(qing) 角軌道麵工作的銥星沒有星鏈那麽(me) 激進,衛星依然采用對稱的構造將相控陣天線布置在正中,因此衛星的整體(ti) 外形構造並沒有那麽(me) 誇張,但也已經和傳(chuan) 統的長方體(ti) 衛星主體(ti) 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(jin) 僅(jin) 是軌道,銥星采用兩(liang) 麵固定的通訊天線和在同一軌道麵前後的另兩(liang) 顆衛星溝通,兩(liang) 麵可調天線和臨(lin) 近軌道麵的另兩(liang) 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(yu) 銥星僅(jin) 12.5Mbps的星間數據傳(chuan) 輸速度,星鏈之間的通訊則由激光通訊來完成。與(yu) 無線通訊相比,激光通訊最顯著的優(you) 勢是長距離傳(chuan) 輸時擴散範圍更小,而對於(yu) 衛星間傳(chuan) 輸距離很短的星鏈來說,用激光通訊更多的是為(wei) 了避免星鏈之間的互相幹擾。


臨(lin) 近衛星通訊幹擾是一個(ge) 現在通訊衛星就要麵臨(lin) 的問題,不同地麵基站向同一個(ge) 通訊衛星發射波束會(hui) 造成幹擾,臨(lin) 近衛星同時向同一個(ge) 地麵基站發射波束也會(hui) 造成幹擾。由於(yu) 無線電波指向性較弱,在波束擴散後臨(lin) 近衛星很容易進入傳(chuan) 輸範圍內(nei) 接收到不想接收的信號。臨(lin) 近衛星通訊幹擾不僅(jin) 會(hui) 因為(wei) 基站和衛星角度等巧合天然發生,還可以人為(wei) 製造成為(wei) 軍(jun) 事領域的一種軟殺傷(shang) 手段。

銥星完整的網絡1個(ge) 軌道麵隻有11顆衛星,臨(lin) 近衛星幹擾現象其實不明顯。星鏈單一軌道麵就有成百上千顆衛星,星鏈整體(ti) 更要覆蓋至少32個(ge) 軌道麵,傳(chuan) 統星間通訊方式雖理論傳(chuan) 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(lin) 近的衛星C給接收,造成不必要的通訊幹擾。激光通訊因為(wei) 有著較高的指向性,能夠避免星鏈之間的傳(chuan) 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激光通訊,必須知曉臨(lin) 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怎麽(me) 解決(jue) 此難題,同樣也不清楚星鏈的激光發射接收器具體(ti) 在什麽(me) 位置。

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