新方法可以减少全球覆盖所需的卫星数量
低轨道卫星很快就能为全球数百万人提供高速通信服务，但卫星的潜力受到技术限制的阻碍——它们的天线阵列每次只能管理一个用户。一比一的比例意味着，公司必须发射多颗卫星组成的卫星群，或发射带有多个阵列的大型单颗卫星，才能提供广泛的覆盖范围。这两种选择都很昂贵，技术复杂，并且可能导致轨道过于拥挤。
例如，SpaceX 走的是“星座”路线。其网络 StarLink 目前由 6,000 多颗低地球轨道卫星组成，其中一半以上是在过去几年发射的。SpaceX 的目标是在未来几年再发射数万颗卫星。
现在，普林斯顿大学工程学院和台湾阳明交通大学的研究人员发明了一种技术，使低轨道卫星天线能够同时管理多个用户的信号，从而大幅减少所需的硬件。
在 6 月 27 日发表于《IEEE 信号处理学报》的一篇题为《多颗低轨道卫星通信的物理波束共享》的论文中，研究人员描述了一种克服单用户限制的方法。该策略建立在一种常用技术的基础上，即通过定位天线阵列将无线电波束精确地引导到需要的地方，从而增强通信。
每束波束都以信号的形式承载信息，例如短信或电话。虽然地面平台上的天线阵列（例如手机信号塔）每束可以管理许多信号，但低轨道卫星只能处理一个信号。
卫星的速度为每小时 20,000 英里，并且位置不断变化，使得在不产生混乱的情况下处理多个信号几乎不可能。
“对于一个手机信号塔来说，要与一辆在高速公路上以每小时 60 英里的速度行驶的汽车进行通信，与数据交换的速率相比，汽车移动得并不多，”论文合著者、普林斯顿大学电气与计算机工程系迈克尔·亨利·斯特拉特大学教授 H. Vincent Poor 说道。“但这些卫星为了保持在那里移动得非常快，因此有关它们的信息正在迅速变化。”
为了解决这一限制，研究人员开发了一种系统，可以有效地将单个天线阵列的传输分成多个波束，而无需额外的硬件。这使卫星能够克服每个天线阵列单个用户的限制。
论文合著者、阳明交通大学电气工程系教授蔡尚和（Lawrence）将这种方法与用手电筒发出两束不同的光线进行比较，无需依赖多个灯泡。“现在，我们只需要一个灯泡，”他说。“这意味着成本和功耗的大幅降低。”
天线数量较少的网络可能意味着卫星数量较少、卫星尺寸较小，或者两者兼而有之。“传统的低地球轨道卫星网络可能需要 70 到 80 颗卫星才能覆盖美国，”蔡说。“现在，这个数字可能会减少到 16 颗。”
普尔表示，这项新技术可以融入已经建造的现有卫星中。“但一个关键的好处是你可以设计出更简单的卫星，”他说。
太空撞击
低轨道卫星位于地球大气层的低层，距离地表 100 至 1200 英里。这片太空区域的空间有限。飞行的物体越多，它们发生碰撞的可能性就越大，分解并释放出较小的碎片，然后这些碎片会撞向其他物体。
普尔表示：“人们担心的并不是被坠落的卫星击中，而是大气层的长期未来，以及轨道被太空垃圾笼罩而造成的问题。”
由于低轨道卫星行业正在迅速发展，包括亚马逊和OneWeb在内的公司都部署了自己的卫星星座来提供互联网服务，新技术有可能降低这些危害的风险。
普尔表示，尽管这篇论文纯粹是理论性的，但效率提升却是实实在在的。“这篇论文全是数学，”他说。“但在这个领域，理论性工作往往非常具有预测性。”
自从发表论文以来，蔡教授继续使用地下天线进行实地测试，并证明该数学方法确实有效。“下一步是将其应用于真正的卫星并将其发射到太空，”他说。
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