小型卫星如何与地面通信

几十年来，发射一颗卫星的费用就是天文数字，这意味着只有政府机构和大型企业才能够承担如此艰巨的任务。但在最近约20年里，能够适应多种有效载荷的新型商用火箭设计大幅降低了发射费用，从2000年的每千克5.4万美元降至2018年的2720美元左右。这一趋势同样推动了私人卫星产业的繁荣。自2012年以来，发射进入近地轨道（LEO）的小型卫星（大致为重量在50千克以下的卫星）数量每年增长30%。

随着小型卫星数量的激增，一个大问题就此产生，即如何与地面通信。近地轨道卫星大约每90分钟环绕地球一周，因此通常只有10分钟的窗口时间与指定的地面站进行通信。如果卫星不能与地面站通信（比如它在地球的另一边），那么卫星需要传送的有价值数据就不能及时到达地球。

目前，NASA的跟踪和数据中继卫星系统（TDRSS）是唯一能够将卫星信号转发到正确地面站的网络。然而，很少有公司能够使用TDRSS，其成本高得令人望而却步，而且该网络已运行超过25年，根本无法处理所有新卫星带来的流量。将数据卫星传回地球常常也是制约观测系统能力的一个瓶颈。

为打破这一瓶颈，2015年我和另外3名工程师成立了开普勒通信公司（Kepler Communications）。我们的目标是在近地轨道建立一个由许多小卫星组成的星群，作为TDRSS的商业化替代网络。这些卫星将构成一个基于太空的主干网状网，在地球和太空之间双向实时传送数据。我们的每个卫星大概有一条面包大小，它们的运作方式将很像互联网路由器——只是它们身处太空之中。我们的第一颗卫星，以2014年的史诗级科幻电影《星际穿越》中的机器人同伴KIPP命名，于2018年1月发射。

到2022年部署完成时，开普勒通信网络将共有140颗卫星，平均分布在7个轨道平面上。本质上，我们正在地球表面上方建造一个互联网服务提供商，使卫星之间以及卫星与地面站之间保持通信，即便通信一方位于地球的另一侧。我们的客户将包括卫星运营公司和使用卫星传输数据的卫星通信公司，以及加拿大国防部、欧洲航天局和NASA等政府机构。而如果没有小型卫星的不断发展，这一切都不可能实现。

      开普勒卫星在航天界被称为立方体卫星（CubeSat）。立方星之所以在21世纪初得到发展，是为了实现卫星设计和制造的简化和标准化，以降低卫星的成本。当时，每颗新卫星都是一次性的定制航天器，由高度专业的工程师团队使用定制的材料和方法制造。相比之下，立方星由多个10厘米×10厘米×10厘米的标准化单元组成。固定单元能够让制造商开发必要的立方体卫星部件，如电池、太阳能电池板和计算机，作为现成的商用组件。

凭借立方体卫星，开普勒这样的太空初创公司可以在短短12个月内由草图到入轨，完成设计、建造并发射一颗卫星。相比之下，一个传统的卫星项目需要3～7年才能完成。

立方体卫星的崛起以及卫星发射成本的下降使得商业卫星服务激增。世界各地的公司都在建造可同时运行航天器的星座，正在计划中的星座就有数百个。Planet等公司专注于提供地球图像，Spire Global等一些公司则专注于监测天气。

那么，这些卫星是如何将收集到的所有数据传回给地面客户呢？答案是，它们并没有传回。例如，一颗地球成像立方体卫星运行一周可以收集2千兆字节（GB）的数据，也就是每天收集26GB数据。实际上，立方体卫星在特定地面站上方的短期窗口只能发回部分数据。现在所有收集农业、气候、自然灾害、自然资源管理等数据的卫星运营公司都是如此。需要通信基础设施有效处理的数据太多了。

为了传送数据，地球观测卫星处于地面站通信范围之内时，会与地面站联系，发送图像和其他测量数据。为了提高图像分辨率，这些卫星几乎都在近地轨道上运行，这意味着它们大约每90分钟绕地球一周。平均而言，卫星与指定地面站保持视线进而可进行通信的时间只有约10分钟。在这10分钟的窗口内，卫星必须将所收集的所有数据传输到地面站，然后再通过地面网络将这些数据转送到它的最终目的地，如数据中心。

结果是，卫星运营者收集的信息往往比他们要传回地球的数据要多得多，因此他们必须丢弃有价值的数据，或者在延迟数小时甚至数天之后获取数据。

近期一个解决方案是将地面站作为一种服务进行运营，增加每家公司可使用的地面站总数。历史上，当一家公司或政府机构发射一颗卫星时，也必须负责部署自己的地面站——这是一项耗资巨大的任务。想象一下，如果所有的手机用户都必须购买自己的发射塔并运行自己的网络来打电话，那将是多么昂贵和复杂。一个更经济的方案是由数家公司建立地面站，任何人都可以付费使用，与自己的卫星取得联系，就像亚马逊的AWS地面站一样。

但还是有一个问题。为了保证一颗近地轨道卫星可以与地面站持续通信，我们差不多需要在全球建立地面站。为了实现连续覆盖，需要几千个地面站，每几百公里一个，当然距离更近的地面站可以保证更可靠的连接。这即便是在陆地上的偏远地区也是很难实现的。在海洋上维持连接更是难上加难，因为在海洋上可建地面站的岛屿非常少，距离也很远，此外，即使有，这些岛屿也基本没有强健的互联网光纤连接。

这就是开普勒计划将更多的通信基础设施送入轨道的主要原因。我们认为，与其建立一个覆盖全球的地面站网络，不如建立一个立方体卫星路由器星座更有意义，无论卫星或地面站在哪个位置，它都能确保卫星与地面站保持连接。

5千克重的开普勒卫星的核心是软件定义无线电（SDR）以及专用天线。SDR自20世纪90年代以来应用广泛。在最基本的层面上，SDR用软件取代了模拟无线电组件，例如调制器（将模拟信号转换为1和0）和滤波器（对模拟信号需要转换的部分进行限制）。在开普勒SDR中，这些元素是通过现场可编程门阵列（FPGA）上运行软件实现的，成为一种开发成本更低、配置更容易的无线电。使用SDR还使我们将航天器缩小到立方体卫星的大小。这也是我们的卫星成本只有传统通信卫星1%的原因之一。

要了解开普勒星座如何运行，首先应了解传统的卫星连接方式：“弯管”方法。想象一个由两段直管以某个角度连接在一起的管道；卫星位于两个直管相交的位置，因此卫星与连接的两端都有一条连续的视线，这两端可以是不同大陆上的两个地面站，也可以是一个地面站和另一个航空器。卫星实质上扮演着中继的角色，在连接的一端接收信号，然后将信号发送到方向不同的另一端。

在开普勒网络中，一颗卫星经过一个地面站时，都将接收从地面网络的其他位置发送到地面站的数据。卫星将储存数据，然后在看到目标地面站时传送数据。开普勒网络将包括分布在五大洲的5个地面站，连接我们所有的卫星。不过，这种方法不支持实时通信。但随着我们星座的扩大，这一功能将可以实现。

实现的方式如下：增加卫星之间发送数据的能力，建立在地球上任何位置的两个地面站之间以及地面站和在轨卫星之间的实时连接。我们还计划加入一些新功性，如代码转换（本质上是一种将数据转换成不同格式的方法），以及根据交付内容的迫切性对数据进行排队。

凭借SDR，我们可以相对快速地对卫星通信方式做出重大改变。例如，新代码可以上传到类似KIPP的轨道卫星进行测试。如果代码通过了测试，就可以将其部署到星座的其余部分，而无须替换硬件。SDR缩短了开发周期，让我们的原型具有更多的想法和理念，这很像立方体卫星的标准化。

  目前，开普勒正在部署星座。KIPP已经成功运行超过两年，而且成功为地面用户的通信需求提供支持。例如为期一年的MOSAiC考察，其目的是在靠近北极的破冰船上测量北极的气候。这是历史上规模最大的一次极地探险。自任务启动以来，KIPP的高带宽通信有效载荷一直定期从MOSAiC的破冰船向德国不莱梅哈芬项目总部传输GB级的数据。

2018年12月，我们的第二颗卫星CASE（以《星际穿越》中另一个机器人同伴的名字命名）成功入轨，加入了KIPP的轨道任务。即使只有两颗卫星在运行，我们也能够为客户提供一定程度的服务，主要采用我前面描述的方法，从一个地面站获取数据并将其传送到另一个地面站。这让我们避开了重蹈其他一些卫星星座公司覆辙的命运：这些公司还没来得及提供服务，就部署完整网络的过程中破产了。

虽然到目前为止我们已经取得了成功，但建立一个140颗卫星的星座并非没有挑战。当两个快速移动的物体（如卫星）试图相互对话时，它们的通信就会受到多普勒频移的影响。这种现象导致在两个物体之间传输的无线电波频率会随着它们相对位置的改变而改变。具体来说，当物体靠近时，频率被压缩，当物体渐远时，频率被拉伸。当救护车疾驰而过时，它的音调会改变，就是由多普勒频移现象导致的。

我们的卫星以7千米/秒的速度相对地面运行，或与另一颗以相同速度向相反方向移动的卫星进行通信，因此我们得到的是一个压缩或拉伸过度的信号。为解决这一问题，我们创建了一个专用的网络架构，该架构中，相邻的卫星只有在朝着同一个方向运动时才进行相互通信。我们还在KIPP和CASE上安装了软件，通过跟踪其相对运动引起的频率变化来管理多普勒频移。在这一点上，我们相信能够对多普勒频移进行补偿，同时，我们期望在未来的网络和软件迭代中改进这种能力。

随着星群内卫星数目的增加，我们还必须确保采用有效的路由传送数据。当只需三四颗卫星即可完成数据传送时，我们不要将数据发送到更多的卫星，比如30颗。为解决这一问题，我们的卫星将在轨运行一种被称为两线元素集的算法来确定每颗卫星的位置，两线元素集算法类似于GPS定位地球上的位置。明确每个卫星的位置后，我们可以运行一个优化算法来找出传送时间最短的路由。

当然，如果我们无法建造这140颗卫星并将它们送入轨道，所有这些挑战都将毫无意义。早期我们就发现了一个问题，即使组件实现了标准化，生产数百个航天器（哪怕是小型航天器）的供应链也不存在。最终，我们不得不自行生产制造大部分卫星。我们的生产设备在多伦多市中心，可以将以前的手工流程（例如测试电路板）自动化，以确保符合装配要求。现在每月最多可以生产10颗卫星。 

正如我之前所述，近年来卫星部件的尺寸和成本急剧下降，使开普勒星群计划成为可能。但有一个领域的效能限制了其微型化：太阳能电池板。我们立方体卫星的发电能力仍然受到安装太阳能电池板的表面积限制。

天线尺寸也存在限制，因为天线的效能已经达到了理论极限。这意味着每颗卫星必须为天线预留一定面积。这些限制导致我们很难进一步缩小卫星的尺寸。其益处就是迫使我们创造性地寻找新计算方法和软件，在这个过程中我们受到折纸启发，准备开发可折叠部件。

到2020年底，我们计划实现至少10颗卫星在轨运行，这样即可进行空间路由网络的早期测试。如果一切按计划进行，到2021年，我们将有50颗卫星在轨运行，到2022年，所有140颗卫星将为地球上的用户和太空中的其他卫星提供服务。

太空是一个新的商业疆域。企业家间的太空竞赛使门槛越来越高，新贵们正在在轨航空器及其数据中进行探索，以期发现新的机遇。通过为太空创造一个互联网，开普勒网络将为这些机遇提供一条成功之路。 作者：Mina Mitry

审核编辑：黄飞