小型衛星如何與地面通信

幾十年來，發射一顆衛星的費用就是天文數字，這意味著只有政府機構和大型企業才能夠承擔如此艱巨的任務。但在最近約20年里，能夠適應多種有效載荷的新型商用火箭設計大幅降低了發射費用，從2000年的每千克5.4萬美元降至2018年的2720美元左右。這一趨勢同樣推動了私人衛星產業的繁榮。自2012年以來，發射進入近地軌道（LEO）的小型衛星（大致為重量在50千克以下的衛星）數量每年增長30%。

隨著小型衛星數量的激增，一個大問題就此產生，即如何與地面通信。近地軌道衛星大約每90分鐘環繞地球一周，因此通常只有10分鐘的窗口時間與指定的地面站進行通信。如果衛星不能與地面站通信（比如它在地球的另一邊），那么衛星需要傳送的有價值數據就不能及時到達地球。

目前，NASA的跟蹤和數據中繼衛星系統（TDRSS）是唯一能夠將衛星信號轉發到正確地面站的網絡。然而，很少有公司能夠使用TDRSS，其成本高得令人望而卻步，而且該網絡已運行超過25年，根本無法處理所有新衛星帶來的流量。將數據衛星傳回地球常常也是制約觀測系統能力的一個瓶頸。

為打破這一瓶頸，2015年我和另外3名工程師成立了開普勒通信公司（Kepler Communications）。我們的目標是在近地軌道建立一個由許多小衛星組成的星群，作為TDRSS的商業化替代網絡。這些衛星將構成一個基于太空的主干網狀網，在地球和太空之間雙向實時傳送數據。我們的每個衛星大概有一條面包大小，它們的運作方式將很像互聯網路由器——只是它們身處太空之中。我們的第一顆衛星，以2014年的史詩級科幻電影《星際穿越》中的機器人同伴KIPP命名，于2018年1月發射。

到2022年部署完成時，開普勒通信網絡將共有140顆衛星，平均分布在7個軌道平面上。本質上，我們正在地球表面上方建造一個互聯網服務提供商，使衛星之間以及衛星與地面站之間保持通信，即便通信一方位于地球的另一側。我們的客戶將包括衛星運營公司和使用衛星傳輸數據的衛星通信公司，以及加拿大國防部、歐洲航天局和NASA等政府機構。而如果沒有小型衛星的不斷發展，這一切都不可能實現。

? ? ? 開普勒衛星在航天界被稱為立方體衛星（CubeSat）。立方星之所以在21世紀初得到發展，是為了實現衛星設計和制造的簡化和標準化，以降低衛星的成本。當時，每顆新衛星都是一次性的定制航天器，由高度專業的工程師團隊使用定制的材料和方法制造。相比之下，立方星由多個10厘米×10厘米×10厘米的標準化單元組成。固定單元能夠讓制造商開發必要的立方體衛星部件，如電池、太陽能電池板和計算機，作為現成的商用組件。

憑借立方體衛星，開普勒這樣的太空初創公司可以在短短12個月內由草圖到入軌，完成設計、建造并發射一顆衛星。相比之下，一個傳統的衛星項目需要3～7年才能完成。

立方體衛星的崛起以及衛星發射成本的下降使得商業衛星服務激增。世界各地的公司都在建造可同時運行航天器的星座，正在計劃中的星座就有數百個。Planet等公司專注于提供地球圖像，Spire Global等一些公司則專注于監測天氣。

那么，這些衛星是如何將收集到的所有數據傳回給地面客戶呢？答案是，它們并沒有傳回。例如，一顆地球成像立方體衛星運行一周可以收集2千兆字節（GB）的數據，也就是每天收集26GB數據。實際上，立方體衛星在特定地面站上方的短期窗口只能發回部分數據?，F在所有收集農業、氣候、自然災害、自然資源管理等數據的衛星運營公司都是如此。需要通信基礎設施有效處理的數據太多了。

為了傳送數據，地球觀測衛星處于地面站通信范圍之內時，會與地面站聯系，發送圖像和其他測量數據。為了提高圖像分辨率，這些衛星幾乎都在近地軌道上運行，這意味著它們大約每90分鐘繞地球一周。平均而言，衛星與指定地面站保持視線進而可進行通信的時間只有約10分鐘。在這10分鐘的窗口內，衛星必須將所收集的所有數據傳輸到地面站，然后再通過地面網絡將這些數據轉送到它的最終目的地，如數據中心。

結果是，衛星運營者收集的信息往往比他們要傳回地球的數據要多得多，因此他們必須丟棄有價值的數據，或者在延遲數小時甚至數天之后獲取數據。

近期一個解決方案是將地面站作為一種服務進行運營，增加每家公司可使用的地面站總數。歷史上，當一家公司或政府機構發射一顆衛星時，也必須負責部署自己的地面站——這是一項耗資巨大的任務。想象一下，如果所有的手機用戶都必須購買自己的發射塔并運行自己的網絡來打電話，那將是多么昂貴和復雜。一個更經濟的方案是由數家公司建立地面站，任何人都可以付費使用，與自己的衛星取得聯系，就像亞馬遜的AWS地面站一樣。

但還是有一個問題。為了保證一顆近地軌道衛星可以與地面站持續通信，我們差不多需要在全球建立地面站。為了實現連續覆蓋，需要幾千個地面站，每幾百公里一個，當然距離更近的地面站可以保證更可靠的連接。這即便是在陸地上的偏遠地區也是很難實現的。在海洋上維持連接更是難上加難，因為在海洋上可建地面站的島嶼非常少，距離也很遠，此外，即使有，這些島嶼也基本沒有強健的互聯網光纖連接。

這就是開普勒計劃將更多的通信基礎設施送入軌道的主要原因。我們認為，與其建立一個覆蓋全球的地面站網絡，不如建立一個立方體衛星路由器星座更有意義，無論衛星或地面站在哪個位置，它都能確保衛星與地面站保持連接。

5千克重的開普勒衛星的核心是軟件定義無線電（SDR）以及專用天線。SDR自20世紀90年代以來應用廣泛。在最基本的層面上，SDR用軟件取代了模擬無線電組件，例如調制器（將模擬信號轉換為1和0）和濾波器（對模擬信號需要轉換的部分進行限制）。在開普勒SDR中，這些元素是通過現場可編程門陣列（FPGA）上運行軟件實現的，成為一種開發成本更低、配置更容易的無線電。使用SDR還使我們將航天器縮小到立方體衛星的大小。這也是我們的衛星成本只有傳統通信衛星1%的原因之一。

要了解開普勒星座如何運行，首先應了解傳統的衛星連接方式：“彎管”方法。想象一個由兩段直管以某個角度連接在一起的管道；衛星位于兩個直管相交的位置，因此衛星與連接的兩端都有一條連續的視線，這兩端可以是不同大陸上的兩個地面站，也可以是一個地面站和另一個航空器。衛星實質上扮演著中繼的角色，在連接的一端接收信號，然后將信號發送到方向不同的另一端。

在開普勒網絡中，一顆衛星經過一個地面站時，都將接收從地面網絡的其他位置發送到地面站的數據。衛星將儲存數據，然后在看到目標地面站時傳送數據。開普勒網絡將包括分布在五大洲的5個地面站，連接我們所有的衛星。不過，這種方法不支持實時通信。但隨著我們星座的擴大，這一功能將可以實現。

實現的方式如下：增加衛星之間發送數據的能力，建立在地球上任何位置的兩個地面站之間以及地面站和在軌衛星之間的實時連接。我們還計劃加入一些新功性，如代碼轉換（本質上是一種將數據轉換成不同格式的方法），以及根據交付內容的迫切性對數據進行排隊。

憑借SDR，我們可以相對快速地對衛星通信方式做出重大改變。例如，新代碼可以上傳到類似KIPP的軌道衛星進行測試。如果代碼通過了測試，就可以將其部署到星座的其余部分，而無須替換硬件。SDR縮短了開發周期，讓我們的原型具有更多的想法和理念，這很像立方體衛星的標準化。

? 目前，開普勒正在部署星座。KIPP已經成功運行超過兩年，而且成功為地面用戶的通信需求提供支持。例如為期一年的MOSAiC考察，其目的是在靠近北極的破冰船上測量北極的氣候。這是歷史上規模最大的一次極地探險。自任務啟動以來，KIPP的高帶寬通信有效載荷一直定期從MOSAiC的破冰船向德國不萊梅哈芬項目總部傳輸GB級的數據。

2018年12月，我們的第二顆衛星CASE（以《星際穿越》中另一個機器人同伴的名字命名）成功入軌，加入了KIPP的軌道任務。即使只有兩顆衛星在運行，我們也能夠為客戶提供一定程度的服務，主要采用我前面描述的方法，從一個地面站獲取數據并將其傳送到另一個地面站。這讓我們避開了重蹈其他一些衛星星座公司覆轍的命運：這些公司還沒來得及提供服務，就部署完整網絡的過程中破產了。

雖然到目前為止我們已經取得了成功，但建立一個140顆衛星的星座并非沒有挑戰。當兩個快速移動的物體（如衛星）試圖相互對話時，它們的通信就會受到多普勒頻移的影響。這種現象導致在兩個物體之間傳輸的無線電波頻率會隨著它們相對位置的改變而改變。具體來說，當物體靠近時，頻率被壓縮，當物體漸遠時，頻率被拉伸。當救護車疾馳而過時，它的音調會改變，就是由多普勒頻移現象導致的。

我們的衛星以7千米/秒的速度相對地面運行，或與另一顆以相同速度向相反方向移動的衛星進行通信，因此我們得到的是一個壓縮或拉伸過度的信號。為解決這一問題，我們創建了一個專用的網絡架構，該架構中，相鄰的衛星只有在朝著同一個方向運動時才進行相互通信。我們還在KIPP和CASE上安裝了軟件，通過跟蹤其相對運動引起的頻率變化來管理多普勒頻移。在這一點上，我們相信能夠對多普勒頻移進行補償，同時，我們期望在未來的網絡和軟件迭代中改進這種能力。

隨著星群內衛星數目的增加，我們還必須確保采用有效的路由傳送數據。當只需三四顆衛星即可完成數據傳送時，我們不要將數據發送到更多的衛星，比如30顆。為解決這一問題，我們的衛星將在軌運行一種被稱為兩線元素集的算法來確定每顆衛星的位置，兩線元素集算法類似于GPS定位地球上的位置。明確每個衛星的位置后，我們可以運行一個優化算法來找出傳送時間最短的路由。

當然，如果我們無法建造這140顆衛星并將它們送入軌道，所有這些挑戰都將毫無意義。早期我們就發現了一個問題，即使組件實現了標準化，生產數百個航天器（哪怕是小型航天器）的供應鏈也不存在。最終，我們不得不自行生產制造大部分衛星。我們的生產設備在多倫多市中心，可以將以前的手工流程（例如測試電路板）自動化，以確保符合裝配要求?，F在每月最多可以生產10顆衛星。?

正如我之前所述，近年來衛星部件的尺寸和成本急劇下降，使開普勒星群計劃成為可能。但有一個領域的效能限制了其微型化：太陽能電池板。我們立方體衛星的發電能力仍然受到安裝太陽能電池板的表面積限制。

天線尺寸也存在限制，因為天線的效能已經達到了理論極限。這意味著每顆衛星必須為天線預留一定面積。這些限制導致我們很難進一步縮小衛星的尺寸。其益處就是迫使我們創造性地尋找新計算方法和軟件，在這個過程中我們受到折紙啟發，準備開發可折疊部件。

到2020年底，我們計劃實現至少10顆衛星在軌運行，這樣即可進行空間路由網絡的早期測試。如果一切按計劃進行，到2021年，我們將有50顆衛星在軌運行，到2022年，所有140顆衛星將為地球上的用戶和太空中的其他衛星提供服務。

太空是一個新的商業疆域。企業家間的太空競賽使門檻越來越高，新貴們正在在軌航空器及其數據中進行探索，以期發現新的機遇。通過為太空創造一個互聯網，開普勒網絡將為這些機遇提供一條成功之路。 作者：Mina Mitry

審核編輯：黃飛

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