IEEE TSP: Низкоорбитальные спутники можно сделать высокопроизводительными

Спутники на низкой орбите смогут обеспечить высокоскоростную связь, но есть проблема: антенны спутника обслуживают только одного пользователя одновременно.

Чтобы обеспечить широкое покрытие, компаниям нужно либо запускать много спутников, либо большие спутники с большим количеством антенн. Оба варианта дорогостоящие, сложные и могут привести к переполнению орбит.

Компания SpaceX развивает проект StarLink — сеть, которая состоит из более чем 6000 спутников на низкой околоземной орбите. Более половины из них были запущены в последние несколько лет, и ещё десятки тысяч планируется запустить в ближайшие годы.

Учёные из Принстонского инженерного университета и Университета Янг Минг Чао Тунг на Тайване разработали метод, который позволяет спутниковым антеннам на низкой орбите передавать сигналы нескольким пользователям одновременно. Это значительно уменьшает количество необходимого оборудования.

В статье журнала IEEE Transactions on Signal Processing от 27 июня описан способ преодоления ограничения однопользовательской передачи данных.

Методика основана на усилении связи с помощью антенных решёток, направляющих пучок радиоволн в нужную сторону. Каждый луч несёт информацию в виде сигналов. Наземные платформы, такие как вышки сотовой связи, могут передавать множество сигналов на один луч, а низкоорбитальные спутники — только один.

Высокая скорость и постоянно меняющееся положение спутников делают обработку нескольких сигналов практически невозможной без их искажения.

Сотовая вышка передаёт сигнал автомобилю, который движется со скоростью 60 миль в час. По словам профессора кафедры электротехники и вычислительной техники Принстонского университета Х. Винсента Пура, это не сильно влияет на скорость обмена данными.

Однако спутники движутся очень быстро, чтобы оставаться на высоте, поэтому информация о них быстро меняется. Исследователи разработали систему, которая позволяет разделять передачи от одной антенной решётки на несколько лучей без дополнительного оборудования. Это помогает увеличить количество пользователей, обслуживаемых одной решёткой.

Соавтор работы, профессор электротехники в Университете Янг Минг Чиао Тунг Шанг-Хо (Лоуренс) Цай сравнил новый подход с освещением двумя лучами от фонарика без использования нескольких лампочек. По его словам, теперь нужна только одна лампочка, что означает снижение стоимости и энергопотребления.

Меньшее количество антенн может означать меньшее количество спутников или меньший размер спутников, или и то, и другое. Для покрытия только территории США обычной спутниковой сети на низкой околоземной орбите требуется от 70 до 80 спутников. Теперь это число можно сократить до 16.

По словам Пура, новая техника может быть включена в существующие спутники. Главное преимущество заключается в том, что можно разработать более простой спутник.

Воздействие в космосе

Низкоорбитальные спутники находятся на расстоянии от 100 до 1200 миль от поверхности Земли. В этом слое атмосферы ограниченное пространство, и чем больше объектов летает вокруг, тем выше вероятность их столкновения. Столкнувшиеся объекты разлетаются на части и выбрасывают мелкий мусор, который может врезаться в другие объекты.

Пур обеспокоен не столько падением спутника, сколько будущим атмосферы и замусоренной орбитой.

Индустрия низкоорбитальных спутников активно развивается, и компании, такие как Amazon и OneWeb, запускают свои спутниковые группировки для предоставления интернет-услуг. Новая техника может снизить риск возникновения опасностей.

По словам Пура, повышение эффективности вполне реально, хотя работа носит теоретический характер. Цай провёл полевые испытания с использованием подземных антенн и подтвердил работоспособность теории. Следующий шаг — реализовать идею в реальном спутнике и запустить его в космос.

13.09.2024