Nowa technika umożliwia antenom satelitarnym na niskiej orbicie zarządzanie wieloma użytkownikami jednocześnie, potencjalnie zmniejszając liczbę satelitów i koszty, a jednocześnie zmniejszając ryzyko śmieci kosmicznych. Udoskonalenie to zostało potwierdzone w testach i oczekuje się, że zostanie wdrożone w przyszłych sieciach satelitarnych.
Satelity niskoorbitalne mają potencjał zapewnienia szybkiej komunikacji milionom ludzi na całym świecie. Jednak ich skuteczność jest obecnie ograniczona przez wyzwanie technologiczne: ich układy antenowe mogą obsługiwać tylko jednego użytkownika na raz.
Stosunek jeden do jednego oznacza, że firmy muszą wystrzelić konstelacje wielu satelitów lub duże pojedyncze satelity z wieloma układami, aby zapewnić szeroki zasięg. Obie opcje są drogie, skomplikowane technicznie i mogą prowadzić do: przepełnione orbity.
Na przykład, SpaceX poszedł trasą „konstelacji”. Jej sieć StarLink składa się obecnie z ponad 6000 satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej, z czego ponad połowa została wystrzelona w ciągu ostatnich kilku lat. SpaceX zamierza wystrzelić dziesiątki tysięcy kolejnych w nadchodzących latach.
Nowe podejście: układy antenowe dla wielu użytkowników
Teraz naukowcy z Princeton Engineering i Uniwersytetu Yang Ming Chiao Tung na Tajwanie opracowali technikę, która umożliwia antenom satelitarnym o niskiej orbicie zarządzanie sygnałami dla wielu użytkowników jednocześnie, drastycznie redukując potrzebny sprzęt.
W artykule opublikowanym niedawno w Transakcje IEEE dotyczące przetwarzania sygnałówbadacze opisują sposób na pokonanie limitu jednego użytkownika. Strategia opiera się na wspólnej technice wzmacniania komunikacji poprzez rozmieszczenie układów antenowych w taki sposób, aby kierować wiązkę fal radiowych dokładnie tam, gdzie jest to potrzebne. Każda wiązka przenosi informacje, takie jak SMS-y lub rozmowy telefoniczne, w formie sygnałów. Podczas gdy układy antenowe na platformach naziemnych, takich jak maszty komórkowe, mogą obsługiwać wiele sygnałów na wiązkę, satelity na niskiej orbicie mogą obsłużyć tylko jeden.
Prędkość satelitów wynosząca 20 000 mil na godzinę i stale zmieniające się pozycje sprawiają, że obsługa wielu sygnałów bez ich pomieszania jest prawie niemożliwa.
„Aby wieża telefonii komórkowej mogła komunikować się z samochodem jadącym autostradą z prędkością 60 mil na godzinę, w porównaniu z szybkością wymiany danych, samochód porusza się niewiele” – powiedział współautor H. Vincent Poor, Michael Henry Profesor Uniwersytetu Strater w dziedzinie inżynierii elektrycznej i komputerowej w Princeton. „Ale te satelity poruszają się bardzo szybko, aby pozostać tam, więc informacje o nich szybko się zmieniają”.
Aby poradzić sobie z tym ograniczeniem, badacze opracowali system skutecznego dzielenia transmisji z pojedynczego układu antenowego na wiele wiązek bez konieczności stosowania dodatkowego sprzętu. Dzięki temu satelity mogą pokonać limit jednego użytkownika na zestaw anten.
Współautor Shang-Ho (Lawrence) Tsai, profesor inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie Yang Ming Chiao Tung, porównał podejście polegające na świeceniu dwoma charakterystycznymi promieniami z latarki bez korzystania z wielu żarówek. „Teraz potrzebujemy tylko jednej żarówki” – powiedział. „Oznacza to ogromną redukcję kosztów i zużycia energii”.
Sieć z mniejszą liczbą anten może oznaczać mniej satelitów, mniejsze satelity lub jedno i drugie. „Konwencjonalna sieć satelitarna na niskiej orbicie okołoziemskiej może potrzebować od 70 do 80 satelitów, aby pokryć same Stany Zjednoczone” – powiedział Tsai. „Teraz tę liczbę można zmniejszyć do może 16”.
Według Poor nową technikę można zastosować w istniejących już satelitach. „Ale kluczową korzyścią jest to, że można zaprojektować prostszego satelitę” – powiedział.
Uderzenia w przestrzeni
Satelity niskoorbitalne znajdują się w dolnej warstwie atmosfery ziemskiej, w odległości od 160 do 2000 km od powierzchni. Ten region przestrzeni oferuje ograniczoną liczbę nieruchomości. Im więcej obiektów lata, tym większe jest prawdopodobieństwo, że się rozbiją, rozpadną i uwolnią mniejsze fragmenty gruzu, które następnie mogą zderzyć się z innymi obiektami.
„Nie chodzi o to, że zostaniemy uderzeni przez spadającego satelitę” – stwierdził Poor, „ale o długoterminową przyszłość atmosfery i zachmurzenie orbity śmieciami kosmicznymi, które powodują problemy”.
Ponieważ branża satelitów na niskiej orbicie zyskuje na popularności w szybkim tempie, a firmy takie jak Amazon i OneWeb wdrażają własne konstelacje satelitów w celu świadczenia usług internetowych, nowa technika może potencjalnie zmniejszyć ryzyko wystąpienia tych zagrożeń.
Poor stwierdził, że chociaż niniejszy artykuł ma charakter czysto teoretyczny, wzrost wydajności jest realny. „Ta praca jest w całości poświęcona matematyce” – powiedział. „Ale szczególnie w tej dziedzinie prace teoretyczne są zwykle bardzo przewidywalne”.
Od czasu opublikowania artykułu Tsai zaczął przeprowadzać testy terenowe z wykorzystaniem anten podziemnych i pokazał, że matematyka faktycznie działa. „Następnym krokiem będzie wdrożenie tego rozwiązania w prawdziwym satelicie i wystrzelenie go w przestrzeń kosmiczną” – powiedział.
Odniesienie: „Fizyczne współdzielenie wiązki w celu komunikacji z wieloma satelitami na niskiej orbicie okołoziemskiej”, Yan-Yin He, Shang-Ho Tsai i H. Vincent Poor, 3 czerwca 2024 r., Transakcje IEEE dotyczące przetwarzania sygnałów.
DOI: 10.1109/TSP.2024.3408061
