在手机结合低轨通信卫星网络前,低轨通信卫星是什么?

随着消息传出苹果iPhone 13可能支持低轨通信卫星网络,我们得先知道低轨通信卫星网络并非4G/5G移动通信,绝对不是你拿起手机就可以直接接收来自天上卫星的信号。但低轨通信卫星网络确实是支持5G/6G通信的辅助角色,这究竟是什么意思呢?

什么是低轨通信卫星?

低轨通信卫星与传统通信卫星的最大差异在于离地高度。用于电视、电话、广播、网络和军事领域的卫星通信其实已行之多年,原理很简单:通信卫星作为地面发射站与接收站的信号中继点,首先上链(Up-link)信号接收器接收地面某个站点传上来的资料,将此信号放大移频后再经下链(Down-link)发射器传回地面另一个站点,实现远程通信。

这类型卫星通常位于离地35,786公里的地球同步轨道(Geosynchronous orbit,GSO)上,由于绕行周期与地球自转相同,因此会在每天同一时间经过同一地点上空,而因为高度够,电波点(地面)对点(空中)发送范围非常广,只要3颗位于GSO轨道的通信卫星就能接收/发送涵盖整个地球表面之信号,相当适合地面天线接收的定向需求。

而早在20世纪90年代,人们就开始会使用低轨卫星通信技术来连接互联网宽带,但为何近10年内忽然兴起大型计划热潮呢?

第一:放当地球同步轨道的卫星距离地表很远,信号传播会出现延迟(可能达数百毫秒),加上高地轨道通信卫星造价高昂(过去制造发射一枚高地轨道通信卫星成本约需1~4亿美元),通常只能由国家主导的计划开发,赶不上近年大规模生产的小型卫星商业热潮。

第二:卫星若靠得太近信号会相互干扰,因此有一定间隔要求,因此能卡位地球同步轨道的卫星数量很有限;第三是高轨通信卫星轨道难覆盖高纬度地区,尤其是极地。

第四:火箭发射成本开始随着“可重复利用”该特性压低,SpaceX猎鹰火箭还能一次运送大量小型卫星进入低地轨道,大幅提升低轨通信卫星星系布局竞争力,事实上目前全球主要4大低轨通信卫星计划中,就以SpaceX的星链(Starlink)计划遥遥领先。

卫星制造发射成本压低至过去五分之一

由于回收火箭大幅减少发射成本,和10年前相比,现在卫星制造发射成本整整压低至过去的五分之一,因此需要靠大量覆盖的低轨通信卫星星系不再是难事,至少SpaceX正在证明它一步步解决这问题;而和高轨通信卫星相比,低轨通信卫星因距离地表较近,具有低传输延迟性、低传输能量强度等优势,只要等卫星星系构建完成,一个高速低延迟的卫星网络将能为不方便部署有限光纤的偏远地区用户提供上网服务。

全球4大低轨卫星厂商

全球上网人口正在逐年攀升,当连偏远地区、山中、海上也需要网络的这天到来,现有网络资源已无暇支持,于是能完成通信无死角的低轨通信卫星星系计划再次浮上水面,目前全球主要4大低轨卫星运营商主要为:美国SpaceX、美国Amazon、加拿大Telesat、英国OneWeb,这些厂商皆有向FCC申请发射卫星,其中以SpaceX的星链(Starlink)计划规模最为庞大,将投入12,000颗卫星组成巨型通信卫星星系。

由于向FCC提交申请之后必须在6年内发射完一半卫星、9年内发射完全部卫星,否则分配的专用频段会被收回,因此SpaceX正靠着自家火箭马不停蹄地发射星链卫星,截至今年5月v1.0 L28任务,已将第一阶段第一个轨道面的卫星全部发射完毕。

星链计划第一阶段的卫星将分布在5个离地高度与倾角皆不同的轨道面,包括:

  • 离地550公里、倾角53度,运行卫星数量1,664颗,已准备为全球80%地区提供高速卫星网络服务;
  • 离地540公里、倾角53.2度,运行卫星数量1,540颗;
  • 离地570公里、倾角70度,运行卫星数量720颗;
  • 离地560公里、倾角99.7度,运行卫星数量348颗;
  • 离地560公里、倾角97.6度,运行卫星数量172颗。

第二阶段的7,518颗卫星则将送至离地335~345公里高空运行,轨道倾角分别为42度、48度、53度。

此外,由于SpaceX的第一阶段计划(SpaceX Ku/Ka band)于2018年3月申请通过,因此按照进程,必须在2024年3月前累计发射2,205颗卫星,2027年3月前全部发射完毕;第二阶段计划(SpaceX VELO)于2018年11月申请通过,因此需于2024年11月之前累计发射3,759颗卫星,2027年11月之前全部就定位。

紧追在SpaceX之后的Oneweb

英国Oneweb公司,可以说是SpaceX星链卫星网络台面上最大劲敌,其同名低轨通信卫星计划曾获得日本软银大力注资、预计发射650颗卫星部署相关网络,且截至2020年3月已成功发射其中74颗。然而剧情忽然急转直下,Oneweb最大股东软银受COVID-19疫情影响股价大跌,决定抛弃当时还没有营收的Oneweb计划,于是2020年3月27日,才刚发射完34颗卫星后不到一周Oneweb就宣布破产。

然而身为SpaceX劲敌,Oneweb的技术、卫星频段拥有权等诸多优势并未被放弃,相反地,据外媒报道当时SpaceX、Amazon等竞争对手都盯上Oneweb开始着手调查资产,似乎有意入股Oneweb,最后在2020年7月由英国政府与印度网络商Bharti Airtel成为最大股东,重新获得资金注资的Oneweb顺利起死回生,截至今年8月22日,该计划在轨卫星总数已达288颗(平均一个月发射一次),有望于2022年提供全球网络服务。

声势浩大但未见踪影的Kuiper

若以卫星星系规模来看,Amazon的Kuiper计划仅次于SpaceX星链计划,预计发射3,236颗卫星创建自己的卫星网络、2026年提供全球网络服务,然而迄今为止,它们一颗卫星都还没发射,已发布的终端天线设备设计图虽然显示出天线尺寸比SpaceX的还小,但实体也不见下落。

老牌卫星运营商加拿大Telesat

成立于1969年的Telesat公司早已是主攻高地轨道的全球主要卫星运营商之一,2016年时,该公司宣布也要加入低地轨道卫星战局,其Lightspeed计划预计发射1,671颗卫星至离地1,000公里的轨道、2023年提供全球网络服务,目前已发射1颗卫星试水温,至少比Kuiper好了。

低轨卫星通信路径

与这些卫星有关的新闻满天飞,但我们如何、何时会用到卫星网络呢?首先,低轨卫星网络虽然强调高速低延迟,但绝对不是手机拿起来、像4G/5G移动通信或Wi-Fi一样打开网络按钮就能连接,而是需先通过一套天线终端设备接收卫星信号,然后再经由过路由器以无线网络方式提供宽带上网。

对于有线/无线网络技术都相当发达的台湾或都市地区来说,基本上不会把卫星网络通信当成上网首选,但它能弥补5G移动通信需建盖更多基站的缺点,当一座基站的信号被地形阻挡难以传给另一座基站时,就可以换个路径,把信号打上去给卫星,交由卫星从空中转发给另一座基站。

只不过iPhone 13是否能支持卫星网络是个大问号,因卫星通信非常耗电,网友调侃可能手机一打开开始接收,电量就归零。

(首图来源:pixabay)

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