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为什么卫星互联网是新的太空竞赛

2024

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天文学家之间有一种理论（或者说是一个警告性的故事），叫做凯斯勒综合症，以1978年提出这一建议的NASA天体物理学家的名字命名。在这种情况下，一颗绕行运行的卫星或其他物质意外撞击并破碎。这些碎片以每小时数万英里的速度绕地球旋转，摧毁了其路径上的所有物体，包括其他卫星。它会引发灾难性的连锁反应，最终导致无数片无功能的空间碎片云团无限期绕行星运行。

此类事件可能会使轨道平面在功能上无用，从而摧毁送入其中的任何新卫星，并可能阻止进入其他轨道甚至整个太空。

因此，当SpaceX向FCC提出将4, 425颗卫星发送到低地球轨道（LEO）以提供全球高速互联网网络的请求时，FCC对此表示关注。一年多来，该公司回答了竞争对手的佣金和请愿书中的问题，以拒绝该申请，包括提交一份“缓解轨道碎片计划”，以减轻对凯斯勒天启的恐惧。 3月28日，FCC批准了SpaceX的申请。

太空垃圾不是FCC唯一关心的问题，而SpaceX也不是唯一试图构建下一代卫星星座的实体。几家新老公司都在利用新技术，制定新的业务计划，并向FCC提出请其访问他们需要在快速，可靠的互联网中覆盖地球的部分通信频谱的要求。

从理查德·布兰森（Richard Branson）到伊隆·马斯克（Elon Musk），大人物都参与其中。到目前为止，布兰森的OneWeb已经筹集了17亿美元，SpaceX总裁兼首席运营官格温妮·肖特韦尔（Gwynne Shotwell）估计，该公司项目的价格为100亿美元。

当然，挑战很大，历史也不完全适合这些努力。好人正在努力弥补服务水平低下地区的数字鸿沟，即使坏人将非法卫星滑入火箭共享市场。这一切都是由于（或实际上是因为）对数据的需求猛增而发生的：根据思科的说法，2016年，全球互联网流量已超过1兆字节，从而开启了Zettabyte时代。

如果目标是在以前没有的地方提供（良好）互联网访问，则卫星是实现此目标的合理方法。实际上，数十年来，公司一直通过大型对地静止（GSO）卫星进行此操作，这些卫星位于很高的轨道上，固定在地球的某个点上方。但是，除了一些利基应用（包括货物跟踪和为军事基地提供互联网）之外，这种卫星连接还不够快速，可靠或反应迅速，无法与现代光纤或基于电缆的互联网竞争。

非GSO包括在地球地球表面以上1, 200至22, 000英里的中地球轨道运行的MEO和LEO（长达1200英里）。如果LEO并非今天风行一时，至少它们是其中的大部分。

同时，非对地静止卫星的规定已有数十年历史，并且在美国境内外的机构之间进行划分：NASA，FCC，DOD，FAA甚至联合国的国际电信联盟都参与了这场比赛。

但是，在技术方面有一些很大的优势。制造卫星的成本下降了陀螺仪手机的胆量使电池的改进和效率下降。发射它们的价格也越来越便宜，部分原因是卫星本身较小。容量提高了，卫星间通信使系统更快，并且指向天空的大盘子正在消失。

SpaceX Starlink

在这项技术的支持下，有11家公司与SpaceX在同一FCC“处理回合”中提交了申请，每个公司在解决问题上都略有不同。

埃隆·马斯克（Elon Musk）在2015年宣布了SpaceX Starlink计划，并在西雅图开设了该公司的部门。他对那里的员工说：“我们想彻底改变卫星的一面，就像我们处理火箭的一面一样。”

2016年，该公司提交了FCC申请，要求从现在到2021年发射1, 600颗（后来减少到800颗）卫星，然后在2024年之前发射其余卫星。这些卫星将飞离地面1, 110公里至1, 325公里。地球位于83个不同的轨道平面上。星座，作为一组卫星称为，将通过板载光学（激光）互连链路相互通信，因此数据可以沿天跳动，而不是返回地面-沿着长的桥而不是倒置的V。

在地面上，客户将安装带有电子控制天线的新型终端，该天线可自动连接到当前提供最佳信号的任何卫星-类似于手机选择发射塔的方式。由于LEO卫星相对于地球运动，因此系统将每10分钟左右在它们之间切换一次。 SpaceX卫星政府事务副总裁Patricia Cooper表示，由于在那里会有成千上万的人，因此总是至少有20种可供选择。

与传统的卫星天线相比，地面单元应该更便宜，更容易安装，传统的卫星天线必须在物理上定位为指向相应GSO卫星所在的天空部分。 SpaceX将终端描述为一个披萨盒的大小（尽管它没有记下披萨的大小）。

沟通将会发生内两个频段：Ka和Ku。两者都出现在无线电频谱上，尽管其频率比立体声上所听到的要高得多。 Ka频段是两者中的较高者，频率在26.5GHz至40GHz之间，而Ku频段则居住在12GHz至18GHz之间。（Starlink拥有FCC许可以使用特定频率；通常，从终奌站至卫星的频率范围为14GHz至14.5 GHz，下行链路的范围为10.7GHz至12.7GHz，其余的将用于遥测，跟踪和控制，以及将卫星连接到互联网的地面来源。）

除FCC备案文件外，SpaceX保持美观安静关于其计划。而且很难嘲笑技术细节，因为SpaceX是从卫星上的组件到使它们升空的火箭垂直集成的。但是要使该项目成功，将取决于所声称的服务能否以相近的价格提供与光纤相媲美或更好的速度，以及可靠的体验和良好的用户界面。

2月，SpaceX发射了首批两颗Starlink原型卫星。丁丁A和B的形状像带有太阳能电池板的机翼，每边大约一米，马斯克通过Twitter确认他们已经成功通信。如果原型继续发挥作用，那么2019年将有数百个原型加入其中。一旦系统开始运行，SpaceX将指示其降低轨道，以滚动方式取代退役的卫星（并减轻空间碎片），随后它们将落向地球并在重返时燃烧。

回溯（大约1996年）

早在80年代，HughesNet就是卫星技术的创新者。您知道DirecTV在房屋外部安装的拼盘大小的灰色盘子吗？这些来自HughesNet，它本身是circuit回地来自航空先驱Howard Hughes。 “我们发明了允许我们通过卫星提供交互式通信的技术，”执行副总裁Mike Cook说。

在那个年代，当时的休斯网络系统公司拥有DirecTV并经营大型对地静止卫星，这些卫星将信息传播到电视上。过去和现在，该公司还向企业提供服务，例如使用气泵进行信用卡交易。它的第一个商业客户是沃尔玛，该公司希望将全国各地的员工与其在本顿维尔的家庭办公室联系起来。

在90年代中期，该公司建立了一个名为DirecPC的混合互联网系统：用户计算机通过拨号提交了请求；它被定向到Web服务器，并通过卫星完成，将请求的页面向下发送到用户的盘子。

大约在2000年左右，休斯开始提供其第一个双向交互系统。但是将服务（包括消费类设备）的成本保持在足够低的水平，以使人们能够购买它是一个挑战。为此，该公司决定需要自己的卫星，并于2007年发射了Spaceway。休斯说，尽管仍在使用中，但该卫星在发射时尤其重要，因为它是第一个结合机载分组交换的卫星。其容量：10Gbps。

同时，一家名为Viasat的公司花费了大约十年的研发时间，然后于2008年发射了第一颗卫星。该卫星名为ViaSat-1，该卫星融合了一些新技术，例如频谱复用。这样一来，卫星就可以在不同的带宽之间进行选择，从而即使在与另一颗卫星的波束轨迹相邻时，也可以将数据无干扰地泵送到地球，然后在不相邻的连接中重用该频谱。

它也更快，更强大。 Viasat总裁里克·鲍德里奇（Rick Baldridge）表示，上升时，其140Gbps的容量超过了覆盖美国的所有其他卫星的总和。

鲍里奇说：“卫星市场确实是没有选择的人。” “如果没有别的东西，它是不得已的技术。它本质上覆盖了所有领域，但实际上数据却很少。它已被归类为加油站交易之类的东西。”

多年来，HughesNet（现在由EchoStar拥有）和Viasat建立了越来越快的GSO。 HughesNet在2012年推出了EchoStar XVII（120Gbps），在2017年推出了EchoStar XIX（200Gbps），并计划在2021年推出EchoStar XXIV，该公司表示将为消费者提供100Mbps。

ViaSat-2于2017年开始增长，现在的容量约为260Gbps，计划在2020年或2021年推出三种不同的ViaSat-3，它们分别覆盖全球的不同地区。 Viasat曾经说过这三个ViaSat-3 是预计每个卫星每秒的容量为1 TB，是环绕地球的所有其他卫星总和的两倍。

为LeoSat工作的卫星和电信顾问DK Sachdev说：“我们在太空中拥有如此巨大的容量，它正在改变提供这种流量的整体动力。在提供的内容方面没有固有的限制。”推出LEO星座的公司之一。 “今天，我们认为所有的事情对卫星都是不利的，它们正在一一移开。”

所有这些速度的发生并非偶然，因为互联网（双向通信）已开始取代电视（单向），这是我们要求卫星提供的主要服务。

“卫星行业长期处于疯狂状态，弄清楚它将如何从以视频为主，发展到现在，最终只有以数据为主，”该公司首席合规官Ronald van der Breggen说道。狮子座。 “关于如何做到，做什么，为哪个市场服务有很多意见。”

仍然存在一个问题

仍然存在一个问题：延迟。与总体速度不同，延迟是指计算机中的信息到达其目的地并返回所花费的时间。假设您点击了网站链接；该信息必须传出去（在这种情况下，是上升到卫星，然后是向下），表明您的请求，然后返回该站点。

站点下载需要多长时间取决于连接的容量。 ping该服务器并启动它需要多长时间是延迟。它通常以毫秒为单位进行测量-在阅读PCMag.com时不会注意到，但是在玩Fortnite时游戏却非常令人沮丧。

光纤系统的延迟根据距离而变化，但通常为每千米几微秒。根据Baldridge的说法，当您向GSO卫星发送请求时，延迟大约为700毫秒。在真空中，光在光纤中的传播比在光纤中传播的快，但是这类卫星却相距甚远，需要时间。除游戏外，视频会议，金融交易和股票市场，物联网的控制以及其他依赖于此的应用程序也存在问题活泼的回转。

但是问题延迟有多大可以争论。世界各地使用的大部分带宽都用于视频。一旦视频开始播放并正确缓冲后，延迟就不再是问题了，吞吐量就变得更加重要。毫不奇怪，对于大多数应用程序，Viasat和HughesNet倾向于最小化延迟的重要性，尽管两者也在努力将其系统中的延迟最小化。（HughesNet使用算法根据用户的需求对流量进行优先级排序以优化数据传输; Viasat宣布了一个MEO星座以补充其现有卫星，这将减少延迟并填充包括赤道GSO在内的高纬度覆盖区域很难到达）。

Baldridge说：“我们确实专注于大批量生产，而部署该批量生产的资金成本却非常非常低。” “延迟与我们支持的市场的其他功能一样重要吗？”

但是重点仍然存在。 LEO卫星仍然离用户更近。因此，诸如SpaceX和LeoSat之类的公司选择了这条路线，它们的星座更小，更近，预计时延为20到30毫秒。

库克说：“这是一个权衡，因为它们处于较低的轨道上，因此您从LEO系统获得的等待时间较短，但系统的复杂性更高。” “您必须至少拥有数百颗卫星，才能完成星座，因为它们在轨道上行驶，一个人越过地平线消失了……而您必须拥有一个能够跟踪它们的天线系统。”

在此之前的两集值得理解。在90年代初期，比尔·盖茨（Bill Gates）和一些合作伙伴投资了一个名为Teledesic的项目。当时是使用840个LEO卫星（后来减少到288个）的星座，为无法负担或永远看不到光纤连接的地区提供宽带网络。它的创始人谈论解决延迟问题，并于1994年申请FCC使用Ka频段频谱。（听起来有点熟？）

据估计，Teledesic在2003年失败之前就吃掉了90亿美元。

加利福尼亚州立大学Dominguez Hills信息系统教授拉里·普雷斯（Larry Press）说：“那个想法当时没有用，但是现在看来可行。”自Teledesic诞生以来，他一直在跟踪LEO系统。 “这项技术远未到位。”

摩尔定律以及手机的电池，传感器和处理器技术的细流使LEO星座有了第二次机会。需求增加使经济学看起来诱人。但是，在Teledesic传奇正在发挥作用的同时，另一个行业正在学习一些有关将通信系统发射到太空的重要经验。在90年代后期，铱星，全球之星和Orbcomm共同向LEO发射了100多颗卫星，目的是提供手机覆盖范围。

“要使整个星座都需要年份，斯坦福大学航空与航天学助理教授扎克·曼彻斯特（Zac Manchester）说：“因为您需要一整堆发射，而且确实很昂贵，所以在大约五年的时间里，地面蜂窝塔基础设施扩展到了覆盖面真的很好，覆盖了大多数人。”

这三家公司都迅速破产。尽管每个公司都进行了重新发明，针对特定应用提供了范围更小的服务，例如紧急信标和货物跟踪，但没有一个成功取代基于塔式的手机服务。（在过去的几年中，SpaceX已与铱星公司签订了发射卫星的合同。）

曼彻斯特说：“我们以前看过这部电影。” “我认为当前情况没有内在的区别。”

比赛

SpaceX和其他11家公司（及其投资者）则打赌别无选择。 OneWeb今年将发射卫星，服务将于明年开始，并在2021年和2023年增加几个星座，最终目标是到2025年达到1000兆比特。O3b，现在是SAS的子公司，拥有16颗MEO卫星。已经运行了几年。 Telesat已经运行了GSO卫星，但正计划在2021年设计一种LEO系统，该系统具有30ms至50ms延迟的光链路。

新贵的Astranis还在地球同步轨道上拥有一颗卫星，并将在未来几年内投入更多。尽管它没有解决延迟问题，但该公司的目标是通过与本地ISP合作并制造更小，更便宜的卫星来大幅降低成本。

狮子座也计划推出第一个一轮卫星将于2019年完成，并于2022年完成。这些卫星将在1, 400公里高处绕地球航行，通过光通信连接到网格中的其他卫星，并在Ku波段上下发射信息。 LeoSat CCO Ronald van der Breggen说，他们已经在国际上获得了必要的频谱，并希望很快获得FCC的批准。

van der Breggen说，对更快的卫星互联网的追求很大程度上依赖于制造更大，更快的卫星来承载更多数据。他称其为“管道”：管道越大，互联网可以通过的管道越多。但是像他这样的公司正在通过改变整个系统来寻找可以改进的新领域。

van der Breggen说：“想象一下最小的网络类型，即两个Cisco路由器以及它们之间的连线。” “卫星上的每个人所做的就是专注于两个盒子之间的连线……我们正在将整个三个盒子放在太空中。”

狮子座正在安装78颗卫星，每颗卫星的大小都相当于一张大餐桌，重约1200公斤。它们由铱星制造，具有四个太阳能电池板和四个激光器（每个角落一个），用于与邻居连接。 van der Breggen所说的联系才是最重要的。从历史上看，卫星会以V形反弹信号，从地面站到卫星再到接收器。由于LEO卫星的位置较低，因此它们无法投射得那么远，但是它们可以做的是非常快速地传递数据。

要了解它是如何工作的，将互联网视为具有实际物理存在的事物将很有帮助。不只是数据数据在那里生活，并且如何移动。它不仅存储在一个地方；世界各地都有服务器可以容纳它，当您访问它时，您的计算机会从恰好具有您所要查找内容的最近服务器中获取它。在哪里很重要。它有多远很重要。光（又名信息）在太空中的传播速度比在光纤中传播的速度快将近一半。而且，当您在地球表面反弹光纤连接时，它必须沿着节点到节点走一条take回路线，绕山而绕。当数据源离消费者很远时，结束时间会更长，即使您考虑到空间信号会增加几千英里的垂直距离也是如此。

就像范德·布雷格根（van der Breggen）所描述的那样，整个行业可以看作是朝着发展分布式网络的方向发展，与互联网本身不同，只是在太空中。延迟和整体速度都在起作用。

虽然一家公司的技术可能被证明是至高无上的，但这并不完全是零和游戏。这些公司中的许多公司都针对不同的市场，甚至互相帮助以达到他们所追求的市场。对于某些人来说，它是轮船，飞机或军事基地。对于其他人，则是农村消费者或发展中国家。但是最终，两家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接入互联网，并以足够低的成本维持其商业模式。

“我们认为这并不是真正的竞争技术。从某种意义上说，我们认为LEO和GEO都需要技术。 ” HughesNet的Cook说。“对于某些类型的应用程序，例如流视频，GEO系统非常具有成本效益。但是，如果您希望有需要低延迟的应用程序……那么LEO是必经之路。”

实际上，HughesNet实际上已经与OneWeb合作，提供了网关技术来管理流量并将系统与Internet接口。

您可能已经注意到，LeoSat的拟议星座比SpaceX的星座约小10倍。没关系，van der Breggen说，因为LeoSat打算为企业和政府客户提供服务，因此只需要照亮几个特定领域。 O3b正在向包括皇家加勒比海在内的游轮出售互联网，并与有线连接不足的美属萨摩亚和所罗门群岛的电信公司合作。

多伦多的一家名为Kepler Communications的小型创业公司正在使用小型CubeSats（大约一块面包的大小）来提供“延迟容忍”的数据-在10分钟内传递5GB或更多的数据，重点是极地探索，科学，工业和旅游业。根据Baldridge的说法，Viasat增长最快的领域之一是为商业航空公司提供互联网。他们已经与美联航，JetBlue和American以及澳航，SAS等签订了交易。

那么，这种以业务为先，营利性模式将如何弥合“数字鸿沟”，并为可能无法为此付出高昂代价的发展中国家和服务欠缺的社区提供互联网？它与系统的形状有关。由于各个卫星在移动，因此LEO星座必须在地球周围均匀分布。那些看不见的东西栖息在天空的另一部分，暂时成为沉没的成本。

“我的猜测是，他们在不同国家/地区的连接价格将有很大不同，这将使他们能够在一个地方负担得起，即使这可能是一个非常贫穷的地方，” Press说。 “一旦卫星星座在那里，这是固定成本，如果卫星飞越古巴，而没有人使用它，那么他们从古巴得到的任何收入都是正的，这是免费的。”

无论位于何处，这个消费市场可能都是最难挖掘的。实际上，迄今为止，该行业取得的大多数成功都是为政府和企业提供了昂贵的互联网。但是，SpaceX和OneWeb尤其对家庭客户在其商业计划中跳舞的构想。

Sachdev指出，要进入这个市场，用户界面将很重要。您必须使用易于使用，有效且具有成本效益的系统来覆盖地球。萨赫杰夫说：“仅靠它本身是不够的。” “您需要的是足够的容量，但是在此之前，您需要具备负担得起的消费类设备的能力。”