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SpaceX太空互联网进展如何?董事:原型卫星表现

10月17日消息,据Teslarati报道,在2018年卫星创新大会的主题演讲中,SpaceX长期投资人、董事会成员史蒂夫·尤尔韦松对该公司Starlink卫星网络计划,发表了低调但意义重大的评论。他表示,目前在轨道上运行的两颗原型卫星“表现相当出色”。

原标题:国外高通量卫星发展概述

在经历了上周的两次延迟之后,SpaceX本周发射了60颗Starlink卫星,这些卫星将用于其家庭宽带卫星网络。这60颗卫星是搭乘一枚猎鹰9号火箭升空的,该火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的40号太空发射中心发射。

根据计划,SpaceX计划利用5年时间将组网所需的4425颗卫星送入轨道。今年2月,SpaceX用猎鹰9火箭将两颗Starlink卫星送入轨道。如果测试成功,SpaceX将从2019年正式开始分批次发射卫星。

作者 | LASA鹏

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一旦有800颗卫星率先入轨,则SpaceX计划于2020-2021年开始提供有限的卫星互联网服务。

来源 | 深夜空间局LASA

SpaceX

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高通量卫星(HTS)是指使用相同带宽的频率资源,而数据吞吐量是传统通信卫星数倍甚至数十倍的通信卫星,实现通信容量达数百Gbps甚至Tbps量级。高通量卫星能大幅降低每比特成本,可以经济、便利地实现各种新应用,已成为卫星通信行业真正改变游戏规则的技术。

Space X的最终计划是由近12,000颗卫星组成Starlink网络,为地球用户提供1Gbps的数据传输速度。

图1:SpaceX前两颗Starlink原型卫星在首次发射前拍摄的照片,显示其拥有非常实用的主体和技术先进的组件

高通量卫星按轨道可划分为地球同步静止轨道(GEO)和非静止轨道(NGSO)两种类型卫星,当前在轨应用的高通量卫星以GEO-HTS为主,但NGSO-HTS星座项目的实施将对GEO-HTS的增长产生一定程度影响。NGSO-HTS星座有望提供大容量、低延迟、全球(或近乎全球)覆盖的服务,如SES公司对O3b中地球轨道(MEO)星群的持续扩展,以及OneWeb、Starlink、Telesat和LeoSat等低地球轨道(LEO)宽带大容量星座项目的设计和建造,预计到2020年以后高通量卫星及星座的容量将增加到40Tbps以上。

据SpaceX称,这些卫星能够跟踪在轨碎片,自动避免碰撞,在其生命周期结束时,95%的部件将在地球大气层中燃烧掉。每颗Starlink卫星重约500磅。60颗卫星的总重量为30,000磅,这是目前猎鹰9号火箭的最大有效载荷。

最近有许多猜测称,SpaceX的Starlink卫星网络计划在轨硬件可能经历了重大失败。然而,尤尔韦松对SpaceX迄今为止在Starlink项目中取得的成就表示出相当大的信心。他说:“我个人认为,SpaceX拥有Ku和ka波段相控阵,完全可以打造全球低地轨道卫星宽带,Tintin A和Tintin B的表现非常出色。”

高通量卫星发展历程

SpaceX的首席执行官伊陇马斯克上周指出,这60颗Starlink卫星是“示范卫星”,和去年年初发射的Tintin A和Tintin B型演示卫星不同,这些Starlink卫星没有连接网状网络的设备。

SpaceX在相控阵天线方面不断积累的经验,无疑对该公司的Starlink网络计划提供了巨大帮助。该公司只是积极追求低地轨道卫星宽带市场的几家公司之一,这个领域的竞争日益激烈。从根本上说,由于相控阵天线技术的简单性和潜在的技术优势,它最终将接管几乎所有的多用途轨道通信。

目前全球已有26个卫星运营商投资建造了数十颗高通量卫星或载荷,表1给出部分已发射的高通量卫星,其中2018年上半年发射的高通量卫星有3次共7颗,分别是:1月25日,Al Yahsat-3与SES-14卫星以“一箭双星”方式升空;3月9日,O3b星座成功发射4颗MEO卫星;6月4日,SES-12卫星(图1)发射成功。

本次发射活动可谓一波三折,原计划是在上周三进行,但是由于高空出现强风推迟。该公司希望在发射之前重新检查系统,因此原本计划在第二天进行的第二次发射尝试也被取消,并将发射时间推迟到本周。

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·起步阶段(2005-2010年),单颗高通量卫星的容量在50Gbps左右;

SpaceX的家庭宽带卫星网络计划也出现过多次调整:美国联邦通信委员会去年三月批准SpaceX发射4,425颗卫星,其后于11月份批准其将卫星数量上调到超过7,000颗。美国联邦通信委员会最初批准的轨道高度是1,150公里,后来又调整到550公里,并允许SpaceX对运营计划进行相应调整。

图2:专利图显示了夹层相控阵天线的各个子组件,它由多个印刷电路板组成

·发展阶段(2011-2019年),单颗通信容量在100~300Gbps;

相控阵天线之所以得名,是因为它们没有移动部件,而是移动物理天线或倾斜专用“光束”,相控阵积极地使用信号干扰,以非常精确的形状,直接和调整视线通信光束。目前这项技术还不是很成熟,但其纯粹的简单性和可靠性不要求有移动部件,帮助消除当前天线技术中的潜在故障和固有的物理局限性。如果没有相控阵,低地轨道通信卫星将难以精确可靠地跟踪地面基站和网关,同时还要以每秒运行数千米。

·跨越阶段(2019年以后),单颗通信容量将达到1Tbps。

地球静止轨道上的大型通信卫星没有这样的问题。由于它们相对于地面目标时拥有固定位置,设计师和制造商已经学会了精确地模拟每颗卫星的在轨天线,以明确优先考虑地面上的特定区域。这个过程往往涉及事先确定对卫星通信需求最高或将达到最高的市场,同时避免在不需要卫星通信的地区浪费覆盖范围。然而,一旦天线发射,它的波束几乎是永久设定的。如果市场发生变化,卫星根本无法适应。

目前,个人上网、企业数据传输、基站回传、飞机通信、航海通信、军事通信等都对高通量卫星提出了重大需求,应用场景越来越广泛,通过高通量卫星技术创新,将驱动市场应用不断发展。

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表1 2018年截至6月30日已发射的部分高通量卫星统计

图3:2018年2月,首批两颗Starlink原型卫星之一从猎鹰9号火箭的上层分离出来

(点击可放大)

另一方面,相控阵天线几乎可以完全改变其波束指向的位置、特定位置的带宽以及精确跟踪移动目标的能力。因此,带有相控阵天线的卫星就像是各行各业的通信“千斤顶”,能够向固定用户终端、大型地面基站提供高带宽连接,以及操控使用同样天线阵的车辆。

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如果SpaceX可以完善这些设计,他们将成为世界上唯一一家能在轨道上提供上述服务的公司。而像Iridium等其他卫星运营商则在努力构建和发射低带宽相控阵,不过它们还没有尝试在带宽最佳的宽带互联网或由成百上千颗卫星组成的网络上这样做。如果尤尔韦松的话可信,那么SpaceX首次进军专用通信卫星和专用硬件设计与制造领域堪称是一次重大成功。

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图1 SES-12卫星在轨示意图

高通量卫星建设动向

根据欧洲咨询公司于2017年6月发布的《高通量卫星:垂直市场分析与预测》,全球30家卫星运营商在高通量卫星系统方面的总承诺投资额已达到近190亿美元。2017~2025年预计将有大约100次GEO-HTS发射,平均每年发射11次,并将至少发射一个LEO-HTS星座。

预计高通量卫星在2017~2025年期间将产生360亿美元以上总收入,到2025年HTS容量的租赁收入将超过60亿美元,届时单位带宽成本将大幅降低。美国北方天空研究公司持有相似的预期,据其《全球卫星容量供应和需求第14版》分析,到2026年约60%的通信容量来自LEO-HTS星座,其余则来自GEO-HTS。

通过高通量卫星的发展历程和预测分析,未来高通量卫星在技术领域将向网络宽带化、覆盖全球化、通信高频化、卫星载荷灵活化、终端天线平板化、应用移动化、运营多元化、天地一体化等方向发展。高通量卫星的应用市场将主要服务于以下几个方面。

(1)视频市场:虽然传统卫星电视业务受到互联网的挑战,但是高清、4K、VR的发展会带来带宽增量需求,高通量卫星技术将分担全球视频分发任务。

(2)固定和移动数据连接:单个消费者宽带使用量将大幅增长,航空航海等市场成为近期增长潜力点,长期来看陆地宽带移动通信也具有巨大潜力。

(3)补充地面通信网络:卫星数据通信业务增长点,必然是地面网络不能覆盖却存在需求的方面,例如在海洋运输(实时监测、远程维护、船队管理、船员互联网接入)、游轮游艇(游客宽带接入互联网)、远洋渔业(业务安全保障、渔民日常通信、智慧渔业)、海上石油开采(大数据应用、生产管理和控制)、航空客舱(乘客接入互联网)等方面,卫星HTS通信享有得天独厚的优势。

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