SpaceX的空中互联网困境
2019-03-16 22:30

  最近,美国太空探索技术公司(SpaceX)往太空运送了大量物资。去年2月,太空探索技术公司独自发射了两枚小型卫星。发射的目的是对覆盖全球的宽带数据网络Starlink(由数千枚小型卫星组成)进行装备测试。太空探索技术公司首席执行官埃隆马斯克亲昵地称这两枚卫星为Tintin A和Tintin B,这一昵称源自可爱的比利时卡通角色,他们的冒险经历广为人知。像同名的虚构角色一样,这两枚卫星也遇到了意料之外的麻烦。

  发射之后,Tintin A和Tintin B原本应当从高度为511千米的初始轨道自行推进至最终的1 125千米运行轨道。但是两枚卫星都停留在了初始轨道上;太空探索技术公司始终不知道是什么原因。(太空探索技术公司拒绝对此置评。)

  蒂姆法勒(Tim Farrar)是TMF Associates卫星咨询公司的总裁,他说:“很明显,卫星出现的问题能够追溯到好几个月之前。推进系统在发射后马上经过了检验。其中一枚卫星完全动弹不得,另一枚尝试进行操作,但是没有什么效果。”

  即便如此,马斯克还是发推文说卫星信号强、延时低。他承认,Starlink这一概念还有一些尚未解决的问题,但是,根据公司卫星与政府事务副总裁帕特丽夏库珀(Patricia Cooper)的一份声明,太空探索技术公司仍计划在2019年发射首批卫星。然而,公司尚未明确卫星数量和2019年中期之后的发射时间安排。

  外部观察者并不看好太空探索技术公司,他们一致认为,除了面临技术挑战之外,更严重的是太空探索技术公司的业务模式可能会造成其卫星星座部署计划失败。这是一个非常庞大的卫星星座:美国联邦通信委员会(FCC)已经批准太空探索技术公司向低地轨道(LEO)发射4 425枚通信卫星,向极低地轨道(VLEO)发射7 518枚通信卫星,总数接近1.2万枚。

  向FCC递交的资料显示,LEO卫星的广播频段处于通信卫星常用的Ku(12到18千兆赫)和Ka(26.5到40千兆赫)频带。VLEO卫星则使用40到75千兆赫之间的V频带。因频率太高无法穿透墙壁,距离较远时,大气中的水汽会吸收减弱信号,所以V 频带常用于陆地短距离视距通信。然而,太空探索技术公司和Kepler Communications、LeoSat及OneWeb等计划部署LEO和VLEO卫星星座的公司仍然坚持,V 频带可作为近地卫星高速数据传输的选项。

  未经验证的频谱带不是仅有的技术障碍。部署LEO和VLEO卫星星座,必须完全重新考虑卫星之间及卫星与地面站之间的通信方式。

  传统的地球同步卫星可以单独覆盖多达地球表面积的1/3。但覆盖巨大范围的代价是信号向地球传播时会发生较高的延时和衰减。

  大部分时间中,在指定位置无法与LEO和VLEO卫星星座的某颗卫星通信,原因很简单,地球本身成为了阻碍对于远处航行的船舶也是一样,船舶航行足够远的距离之后,看起来就像沉入地平线下一样。斯坦福大学航空航天学副教授扎克曼彻斯特(Zac Manchester)表示:“这些卫星处在地平线分钟。你必须发射足够多的卫星,在空间上进行部署,确保总有一颗卫星在地平线上方。”

  这样已经够困难的了,但像太空探索技术公司那样的空间网络还必须满足另外两种功能要求。首先,卫星之间必须能够直接进行通信。传统模式下,地球同步卫星(或称测地卫星)接收来自地表某一位置的信号,然后直接将信号发射到覆盖范围内的其他地方。但轨道靠近地球的卫星覆盖范围非常小而且在不停地移动所以一枚卫星接收到的信号必须在卫星星座中跳转,最后跳转到达正确的目的地。

  另一个难题在于地面。与这些卫星通信的地面站必须比与测地卫星通信的地面站更加灵活。曼彻斯特说:“如果是测地卫星,天线始终指向卫星的方向。”与星座卫星通信的地面站则必须追踪在地平线之上快速移动的小卫星,当新的卫星出现在视野内之时,地面站必须立即开始与之通信。

  假设太空探索技术公司能够解决这些技术难题,法勒和曼彻斯特等人还有一个问题:Starlink怎么赚钱?

  新型卫星宽带公司正在为卫星星座建设竞赛暗暗较劲。但最终,太空探索技术公司的对手并非OneWeb和Kepler。曼彻斯特表示:“他们的对手是威瑞森公司。这真的很难。”

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