研究人员开发了一种技术，使低地球轨道卫星天线能够同时处理多个用户的信号，从而降低成本并简化通信卫星的设计。低轨道卫星可能很快会为全球数百万用户提供高速通信，但它们的能力受到技术限制——每个天线阵列一次只能连接一个用户。
这种一对一的通信方式意味着公司通常必须部署多个卫星以形成星座，或建造大型单一卫星，配备多个天线阵列以实现广泛覆盖。这两种方法都成本高、复杂，且可能导致轨道拥挤的风险。
例如，SpaceX选择了“星座”方法，其StarLink网络目前在低地球轨道上包含超过6000颗卫星，超过一半是在过去几年发射的。SpaceX计划在未来几年内增加数万个更多卫星。
现在，普林斯顿大学和台湾阳明交通大学的研究团队设计出一种方法，使低轨道卫星天线可以同时支持多个用户信号，从而显著减少所需硬件的数量。
在6月27日发表在《IEEE信号处理汇刊》上的论文中，研究人员概述了他们如何解决单用户限制。他们的方法基于一种众所周知的技术，通过将天线阵列放置在特定位置，以精确地引导无线电波束到所需地点，从而增强通信。每个波束以信号的形式传输信息，如文本或电话。当地面结构（如基站）上的天线阵列可以管理单个波束内的多个信号时，低轨道卫星则被限制为只能使用一个。
卫星以时速20000英里飞行，并不断改变位置，使得处理多个信号而不造成干扰变得具有挑战性。
“对于一个基站与一辆以60英里每小时速度行驶的汽车进行通信，相对于数据交换速度，汽车的移动量并不大，”普林斯顿大学电气与计算机工程教授H. Vincent Poor说。“但这些卫星的移动速度太快，以至于它们的位置信息变化迅猛。”
为了应对这一挑战，研究人员创建了一种系统，使单个天线阵列能够有效地将其传输分割成多个波束，而无需额外的硬件。这项创新使卫星能够超越每个天线阵列的单用户限制。
共同作者、阳明交通大学电气工程教授蔡尚和（Lawrence Tsai）将这种技术比作用一个手电筒发出不同的光束，而不需要使用多个灯泡。“现在，我们只需要一个灯泡，”他解释道。“这可以显著降低成本和能耗。”
使用更少天线的网络可能导致卫星数量减少，或创建更小的卫星，或两者兼而有之。“一个标准的低地球轨道卫星网络可能需要70到80颗卫星，仅覆盖美国，”蔡指出。“使用这种新技术，这一数字可能减少到大约16颗。”
研究人员相信，根据Poor的说法，这种新方法可以轻松集成到已经建造的卫星中。“一个主要优点是你可以设计一个更简单的卫星，”他表示。
对太空的影响
低轨道卫星在地球大气层的下部运行，位于距离地面100到1200英里之间。这个区域提供的空间有限；轨道中物体增加会提高碰撞的机会，可能导致卫星碎片的产生，进而对其他卫星构成进一步风险。
“主要关注点不仅是被坠落的卫星撞击的风险，”Poor表示，“而是大气的长期健康和越来越多的太空碎片云，这可能导致严重问题。”
随着低轨道卫星领域的快速扩张，亚马逊和OneWeb等公司部署自己的卫星网络以提供互联网接入，这项新技术可能显著降低太空中的潜在危险。
Poor提到，尽管这项研究仍然是理论性的，但潜在的效率改进是显著的。“这篇论文完全源于数学，”他指出。“在这个特定领域，理论研究通常能产生准确的预测。”
自论文发表以来，蔡已经开始使用地下天线进行实地测试，以验证数学模型。“下一步是将这种方法应用于实际卫星，并把它发射到太空中，”他补充道。
