免责声明 。 本文是Nathan Hurst对出版物的补充，修订和更新的翻译。 文章中有关纳米卫星的一些信息也用于构建最终材料。
天文学家之间有一种理论（或者说是一个警告故事），叫做凯斯勒综合症（Kessler syndrome），以美国宇航局天体物理学家于1978年提出的理论命名。 在这种情况下，一颗运行中的卫星或其他物体意外撞击另一个并破碎。 这些部分以每小时数万公里的速度绕地球旋转，摧毁了其路径上的所有物体，包括其他卫星。 它引发了灾难性的连锁反应，最终导致了成千上万块无功能的空间碎片云团，这些碎片围绕行星不断旋转。
这样的事件会使近地空间失去作用，摧毁发送给它的任何新卫星，并有可能阻碍整个空间的进入。
因此，当SpaceX
请求FCC （美国联邦通信委员会）向低地球轨道（LEO）发送4,425颗卫星以提供全球高速互联网时，FCC对此表示关注。 一年多来，该公司
回答了竞争对手的佣金
问题 ，并拒绝了一份声明，其中包括提交一份“减少轨道碎片的计划”以消除对凯斯勒末日的恐惧。 3月28日，FCC批准了SpaceX的竞标。
空间碎片不是FCC唯一关心的问题，SpaceX并不是唯一试图建立下一代卫星星座的组织。 少数新老公司使用新技术，制定新的业务计划，并向FCC申请以快速，可靠的Internet到达地球所需的通信频谱的各个部分。
包括大人物-从理查德·布兰森（Richard Branson）到伊隆·马斯克（Elon Musk）-以及大笔钱。 目前，布兰森的OneWeb已筹集了17亿美元，SpaceX的总裁兼首席运营官格温·肖特威尔（Gwinn Shotwell）估计该项目的价值为100亿美元。
当然，存在很大的问题，历史表明它们会产生非常不利的影响。 好人试图克服服务水平低下地区的数字鸿沟，而坏人则试图在导弹上安装非法卫星。 所有这一切都归因于对数据交付的需求迅速增长的事实：根据思科的一份报告，2016年，全球Internet流量超过了1兆字节，终结了Zettabytes时代。
如果目标是在以前没有的地方提供良好的Internet访问，那么卫星是实现此目标的明智方法。 实际上，公司已经在大型地球静止卫星（GSO）的帮助下进行了数十年的研究，这些卫星处于很高的轨道上，自转周期等于地球的自转速度，因此它们固定在某个区域上。 但是，除了一些狭focused的任务外，例如使用175颗低轨道卫星进入地球表面并以200 Mbps的速度向地球传输7 PB的数据，或者跟踪货物或为军事基地提供网络访问的任务，这种卫星通信并不是快速，可靠，足以与当今的光纤或电缆互联网竞争。
非GSO包括在地球表面上方1900至35000 km的高空中轨道（中地轨道，MEO）运行的卫星，以及位于轨道上的低轨道卫星（低地球轨道，LEO）。海拔低于1900公里。 如今，LEO变得非常流行，并且在不久的将来，如果不是所有的卫星都如此，那么大多数卫星肯定是这样。
同时，关于非对地静止卫星的规定由来已久，并且在美国国内外机构之间进行了划分：NASA，FCC，DOD，FAA甚至联合国国际电信联盟-都在这场比赛中。
但是，从技术角度来看，存在一些巨大的优势。 由于手机的发展，随着陀螺仪和电池的改进，建造卫星的成本下降了。 它们的发射也变得更便宜，部分原因是卫星本身较小。 容量增加了，卫星间通信使系统更快了，指向天空的大板块已经过时了。
有11家公司与SpaceX一起申请了FCC，每家公司都以自己的方式解决了问题。
埃隆·马斯克（Elon Musk）在2015年宣布了SpaceX Starlink计划，并开设了西雅图子公司。 他告诉工作人员：“我们希望以与火箭科学相同的方式革新卫星通信系统。”
2016年，该公司向美国联邦通信委员会提交了申请，该申请要求从现在起到2021年发射1,600颗卫星（后来数量减少到800颗），然后再发射剩余的卫星直到2024年。 这些近地卫星将在83个不同的轨道平面上运行。 这个星座，即所谓的卫星群，将通过机载光学（激光）通信线路相互通信，这样数据就可以在天空中反射，而不会返回地面，而是通过一条长长的“桥”，并且不会上下传送。
在现场，客户将安装带有电子控制天线的新型终端，该终端将自动连接到卫星，该卫星目前可提供最佳信号-类似于手机选择发射塔的方式。 当LEO卫星相对于地球移动时，系统将每10分钟左右在它们之间切换一次。 SpaceX卫星管理副总裁Patricia Cooper表示，由于将有数千人使用该系统，因此始终至少有20个可用。
与传统的卫星天线相比，地面终端应该便宜且易于安装，传统的卫星天线应物理定位于对应的对地静止卫星所在的天空部分。 SpaceX表示，终端机的大小不会超过披萨盒的大小（尽管它并未指出披萨的大小）。
将在频谱的两个频带中提供通信：Ka和Ku。 两者都属于无线电频谱，尽管它们使用的频率比立体声频率高得多。 Ka频段是两者中较高的频段，频率在26.5 GHz至40 GHz之间，而Ku频段在频谱中位于12 GHz至18 GHz之间。 Starlink已获得FCC允许使用某些频率的许可，通常从终端到卫星的上行链路将在14 GHz至14.5 GHz的频率范围内工作，而下行链路在10.7 GHz至12.7 GHz的频率范围内工作，其余的将用于遥测，跟踪和控制，以及将卫星连接到地面互联网。
除了FCC应用程序外，SpaceX还是保持沉默，尚未谈论其计划。 而且，很难找到任何技术细节，因为SpaceX可以提供整个系统的操作，从卫星上使用的组件到将其带到空中的火箭。 但是对于项目的成功而言，这将取决于该服务是否能够以相同的价格提供与光纤相当或更高的速度，以及可靠性和良好的用户界面。
2月，SpaceX发射了头两个Starlink卫星原型，它们是圆柱形的，带有翼形的太阳能电池板。 丁丁A和丁丁长约一米，马斯克通过Twitter确认他们已成功沟通。 如果原型继续发挥作用，那么到2019年将有数百个原型加入其中。 该系统投入运行后，SpaceX将不断更换退役的卫星，以防止出现太空碎片的出现，系统将指示它们在某个时间点降低其轨道，此后它们将开始坠落并在大气中燃烧。 在图的下方，您可以看到启动6次后Starlink网络的外观。
一点历史
早在80年代，HughesNet就是卫星技术的创新者。 您知道DirecTV安装在房屋外面的灰色天线大小吗？ 它们来自HughesNet，它本身是由航空先驱Howard Hughes创造的。 “我们发明了允许我们通过卫星提供交互式通信的技术，”执行副总裁Mike Cook说。
在那个时代，当时的休斯网络系统公司拥有DirecTV并控制着大型对地静止卫星，这些卫星向电视广播信息。 当时到现在，该公司还向企业提供服务，例如在加油站处理信用卡交易。 第一个商业客户是沃尔玛，后者希望将全国各地的员工与本顿维尔的家庭办公室联系起来。
在90年代中期，该公司创建了一个名为DirecPC的混合Internet系统：用户的计算机向网络服务器发送了拨号连接请求，并通过卫星接收了响应，该请求将请求的信息向下发送到用户板上，其速度比拨号通信所能提供的速度要快得多。 。
大约在2000年左右，休斯开始提供双向网络访问服务。 但是，要保持服务成本（包括客户设备成本）足够低以至于人们无法购买，是一项艰巨的任务。 为此，该公司决定需要自己的卫星，并于2007年发射了Spaceway。 根据休斯的说法，迄今为止使用的这颗卫星在发射时尤为重要，因为它是第一个支持机载分组交换技术的卫星，实际上，它是第一个去除地面站形式的附加跳进行通信的空间交换机。订户之间。 它的容量超过10 Gbit / s，24个转发器为440 Mbit / s，允许单个用户的传输速率高达2 Mbit / s，下载速率高达5 Mbit / s。 波音1号是由波音公司在波音702卫星平台的基础上制造的，该装置的发射重量为6080千克。 目前，Spaceway 1是最重的商业航天器（SC）之一，它打破了一个月前用Atlas 5火箭发射器发射的Inmarsat 4 F1卫星（5959千克）的记录。 根据Wikipedia的说法，最重的商业GSO于2018年发射，质量为7吨。 该设备配备了继电器有效载荷（PN）Ka范围。 PN包含一个由1,500个元素组成的受控2米相控天线阵列。 PN形成多波束覆盖，以提供不同区域中各种电视节目网格的广播。 这种天线允许在不断变化的市场条件下灵活使用航天器的功能。
同时，一家名为Viasat的公司在研发方面花费了大约十年的时间，然后于2008年发射了第一颗卫星。 这颗名为ViaSat-1的卫星包含了一些新技术，例如频谱复用。 这使得卫星可以在不同的带宽之间进行选择，以便将数据传输到地球而不会受到干扰，即使它与另一颗卫星的波束一起传输了数据，也可以在不相邻的化合物中重用此频谱范围。
这提供了更高的速度和性能。 据Viasat总裁里克·鲍德里奇（Rick Baldridge）称，当它投入运行时，吞吐量为140 Gb / s，比覆盖美国的所有其他卫星的总和还多。
“卫星市场确实是给那些别无选择的人的，” Boldridge说。 “如果您无法通过其他方式访问，那将是最后的技术。 实际上，它具有广泛的覆盖范围，但实际上不允许传输大量数据。 因此，这项技术主要用于加油站交易等任务。”
多年来，HughesNet（目前由EchoStar拥有）和Viasat制造了越来越多的对地静止卫星。 HughesNet在2012年推出了EchoStar XVII（120 Gb / s），在2017年推出了EchoStar XIX（200 Gb / s），并计划在2021年推出EchoStar XXIV，该公司表示将为消费者提供100 Mb / s。
ViaSat-2于2017年推出，目前带宽约为260 Gb / s，计划在2020年或2021年推出三种不同的ViaSat-3，每一种都将覆盖全球的不同地区。 Viasat表示，这三个ViaSat-3系统中的每一个都有望达到每秒千兆兆位的吞吐量，这是绕地球轨道运行的所有其他卫星总和的两倍。
“我们在太空中拥有如此巨大的容量，以至于改变了提供这种交通的整体动力。 卫星和电信技术顾问D. K. Sachdev说道，他为发射LEO星座的公司之一LeoSat工作。 “今天，卫星的所有缺陷正在被一一消除。”
由于因特网（双向通信）开始取代电视（单向通信）作为使用卫星的服务，因此这整个速度竞赛并非偶然出现。
LeoSat合规总监Ronald van der Breggen表示：“卫星行业非常狂热，弄清楚了它将如何从传输单向视频到完整数据。 “关于如何做到这一点，做什么，为哪个市场服务，有很多意见。”
仍然存在一个问题
延误 与总体速度不同，延迟是指将请求从计算机发送到目标并返回所需的时间。 假设您单击网站上的链接，此请求应到达服务器并返回（服务器已成功接收到该请求并准备为您提供所请求的内容），然后加载了网页。
加载站点需要多长时间取决于连接速度。 完成下载请求所需的时间是一个延迟。 通常以毫秒为单位-因此，当您观看网络时，它并不明显，但在您玩在线游戏时，它起着很大的作用。 然而，有事实表明，即使延迟（ping）率接近一秒钟，俄罗斯联邦的用户也成功地设法在线玩了一些游戏。
光纤系统中的延迟取决于距离，但通常每公里几微秒，主要延迟是由设备引入的，尽管具有相当长的光链路，但延迟的影响更大，这是因为光纤通信线路（FOCL）中的光速仅真空中光速的60％取决于波长。 根据Baldridge的说法，向GSO卫星发送请求时的延迟约为700毫秒-光在太空真空中的传播速度比光纤中的传播速度快，但是这种类型的卫星距离很远，这就是为什么它要花这么长时间的原因。 除游戏外，此问题对于视频会议，金融交易和股票市场，“物联网”的控制以及其他依赖于交互速度的应用程序也很重要。
但是延迟问题有多重要？ 全球使用的大多数带宽用于视频。 一旦开始播放视频并对其进行适当的缓冲，延迟就不再起作用，并且速度变得更加重要。 毫不奇怪，对于大多数应用程序，Viasat和HughesNet倾向于将延迟的重要性降到最低，尽管两者都致力于在系统中将延迟降到最低。 HughesNet使用一种算法来根据用户注意的优先级对流量进行优先级优化数据传输。 Viasat宣布推出中轨道卫星星座（MEO），以补充其现有网络，这将减少延迟并扩大覆盖范围，包括在赤道GSO潜伏期较长的高纬度地区。
Baldridge表示：“我们确实专注于大批量生产，而部署该批量生产所需的资金成本却非常非常低。” “延误与我们支持的市场的其他职能一样重要吗？”
尽管如此，有一个解决方案，LEO卫星更接近用户。 因此，诸如SpaceX和LeoSat之类的公司选择了这条路径，计划部署一个更小，更近的卫星星座，预期用户会延迟20到30毫秒。
“权衡是，由于它们处于较低的轨道，因此您从LEO系统获得的延迟更少，但系统却更加复杂，” Cook说。
“要装备一个星座，您至少需要拥有数百颗卫星，因为它们处于低轨道，并且可以绕地球移动，在地平线上移动得更快，并且消失了……而且您必须拥有可以追踪它们的天线系统。”但是值得回顾两个故事。在90年代初期，比尔·盖茨和他的几个合伙人投资了大约10亿美元，开展了一个名为Teledesic的项目，在无法负担不起网络费用或不久将看不到光纤线路的地区提供宽带网络。有必要建造一个840个LEO卫星的星座（后来数量减少到288个）。它的创始人谈论解决延迟问题，并于1994年求助于FCC使用Ka频段频谱。听起来很熟悉？Teledesic在2003年失败之前吃了大约90亿美元。加利福尼亚大学多明格斯山分校信息系统教授拉里·普赖斯（Larry Press）说：“由于维护和最终用户服务的高昂成本，这个想法当时行不通，但现在看来似乎可行。” Teledesic是如何出现的。 “这项技术还不够先进。”摩尔定律和改进的电池技术，手机中的传感器和处理器为LEO星座提供了第二次机会。需求增加使经济看起来更具吸引力。但是，在进行Teledesic传奇时，另一个行业在将通信系统发射到太空中获得了一些重要经验。在90年代后期，铱，环球之星和Orbcomm联合发射了100多颗低轨道卫星，以覆盖手机。斯坦福大学航空与航天学助理教授扎克·曼彻斯特（Zach Manchester）说：“建立一个完整的星座需要数年，因为您需要一堆发射器，而且确实很昂贵。” “过去五年左右的时间里，手机信号塔的地面基础设施已经扩展到一定程度，覆盖范围确实变得非常好，覆盖了大多数人。”这三家公司都迅速破产。尽管他们每个人都重新找回了自己，提供了针对特定目的的较小范围的服务，例如紧急信标和货物跟踪，但他们中没有一个能够取代基于塔的手机通信。在过去的几年中，SpaceX根据合同为铱星发射了卫星。“我们以前看过这部电影，”曼彻斯特说。他说：“在目前的形势下，我认为根本没有什么不同。”比赛项目
SpaceX和其他11家公司（及其投资者）持有不同意见。OneWeb于今年发射卫星，预计最早将于明年开始提供服务，然后将在2021年和2023年增加几个星座，最终目标是到2025年达到1000 Tbps。O3b目前是SAS的子公司，拥有16颗已经运行了几年的MEO卫星。Telesat已经运行了GSO卫星，但正在计划到2021年使用LEO系统，该系统将具有30到50毫秒延迟的光链路。
新贵的Astranis也有一颗地球同步轨道上的卫星，它将在未来几年内部署更多。尽管它们不能解决延迟问题，但该公司仍在寻求通过与本地互联网提供商合作并制造更小，更便宜的卫星来大幅降低成本的方法。LeoSat还计划在2019年发射第一个卫星系列，并在2022年完成“星座”的建设。它们将在1400公里的高度绕地球飞行，使用光通信连接到其他网络卫星，并在Ka波段内上下传输信息。 LeoSat的首席执行官Richard van der Breggen说，他们已经在国际上获得了必要的频谱，正在等待FCC的早日批准。范德·布雷格根（van der Breggen）表示，对更快的卫星互联网的需求很大程度上是基于制造能够传输更多数据的更大，更快的卫星。他称之为“管道”：管道越大，互联网越能突破它。但是像他这样的公司正在通过更改整个系统来寻找改进的新领域。“想象一下最小的网络类型，即两个Cisco路由器以及它们之间的连线，” van der Breggen说。 “所有卫星所做的就是在两个盒子之间提供一条电线……我们将把整个三个元素集交付太空。”LeoSat计划部署78颗卫星，每颗卫星都具有一个大餐桌，重约1200公斤。它们由铱星公司建造，配备了四个太阳能电池板和四个激光器（每个角落一个），用于与邻居连接。 van der Breggen认为这是最重要的联系。从历史上看，卫星以字母V的形式将信号从地面站反射到卫星，然后再反射到接收器。由于LEO卫星较低，因此它们无法投射到目前为止，但是它们可以非常快速地在它们之间传输数据。为了解其工作原理，将Internet视为具有真实物理性质的东西很有用。这不仅是数据，还在于数据的存留及其移动方式。互联网不是存储在一个地方，全世界有很多服务器在其中包含某些信息，当您访问它们时，您的计算机会从具有您所要查找内容的最近服务器中获取数据。这在哪里重要？这有多大？光（信息）在太空中的传播速度比光纤中的传播速度快，几乎是两倍。而且当您错过行星周围的光纤连接时，它应该沿着节点绕行，并绕山脉和大陆绕行。卫星互联网没有这些缺点，而且当数据源很远时，尽管垂直距离增加了几千英里，使用LEO的延迟将小于使用光纤Internet时的延迟。例如，从伦敦到新加坡的ping操作可以是112毫秒，而不是186毫秒，这将大大改善连接性。van der Breggen就是这样描述任务的，整个行业可以看作是分布式网络的发展，它与整个Internet毫无区别，只是在空间上。延迟和速度-都起作用。尽管一家公司的技术可能非常出色，但这并不是对立的游戏；不会有赢家或输家。这些公司中的许多公司针对不同的市场，甚至互相帮助以实现他们所依赖的结果。对于某些人来说，它们是轮船，飞机或军事基地，对于另一些人来说，则是农村消费者或发展中国家。但是最终，公司追求一个共同的目标：在不存在或不足的地方创建Internet，并以足够低的价格维护其业务模型。“我们认为这并不是真正的竞争技术。我们认为，从某种意义上说，LEO和GEO技术都是必需的，” HughesNet的Cook说。 “对于某些类型的应用程序，例如流视频，GEO系统非常经济高效。但是，如果您要使用要求低延迟的应用程序，那么LEO是必经之路。”实际上，HughesNet已经与OneWeb合作提供网关技术，该技术可以管理流量并通过Internet与系统进行通信。您可能已经注意到，LeoSat提出的星座几乎比SpaceX小10倍。 van der Breggen说，这很好，因为LeoSat打算为公司和政府客户提供服务，并且仅覆盖几个特定领域。 O3b将互联网出售给包括皇家加勒比海在内的邮轮公司，并与萨摩亚和所罗门群岛的电信提供商合作，那里有线高速连接短缺。多伦多的一家名为Kepler Communications的小型创业公司使用小型CubeSats（一块面包的大小）为不需要延迟的客户提供网络访问权限，在10分钟内可以获取5 GB甚至更多的数据，这对于极地研究，科学非常重要，工业和旅游业。因此，当安装小天线时，上传速度将高达20 Mbit / s，下载速度将高达50 Mbit / s，但是如果使用大的“平板”，则速度会更高-上传速度为120 Mbit / s，接收速度为150 Mbit / s。 。根据Baldridge的说法，Viasat的强劲增长是由向商业航空公司提供互联网推动的。他们已经与美联航，捷蓝航空和美国航空以及澳航，SAS和其他公司签署了协议。那么，这种以利润为导向的商业模式将如何弥合数字鸿沟，并为可能无法支付相同金额并愿意支付较低价格的发展中国家和服务欠缺的人群提供互联网？由于系统的格式，这将是可能的。由于LEO星座的各个卫星（低轨道卫星）处于不断运动中，因此它们必须在地球上均匀分布，因此它们将不时地覆盖没有人居住或人口非常贫困的地区。因此，可以从这些地区获得的任何利润都是有利可图的。“我认为他们对于不同国家的连接价格将有所不同，这将使他们能够使互联网随处可见，即使这将是一个非常贫困的地区，” Press说。 “一旦有了卫星群，其成本就已经确定，如果卫星在古巴之上，而且没人在使用它，那么他们从古巴获得的任何收入都是边际和免费的（不需要额外投资）” 。进入大众消费市场可能非常困难。实际上，该行业的许多成功都来自为政府和企业提供昂贵的Internet。但是，特别是SpaceX和OneWeb，其业务计划中的目标是常规订户。根据Sachdev的说法，用户界面对于该市场至关重要。您必须使用易于使用，高效且经济的系统来覆盖地球。“但这还不够，”萨赫杰夫说。“您需要足够数量的容量，在此之前，您需要为客户设备提供可承受的价格。”谁负责监管？
SpaceX必须通过FCC解决的两个大问题是如何分配现有（和未来）卫星通信的频谱，以及如何防止空间碎片。 第一个问题是FCC能力，但是第二个问题似乎更适合NASA或美国国防部。 两者都跟踪轨道物体以防止碰撞，但它们都不是监管机构。
斯坦福·曼彻斯特（Stanford Manchester）说：“实际上，关于我们应该如何处理太空碎片，没有好的协调政策。” “目前，这些人没有有效地相互沟通，也没有一致的政策。”
由于LEO卫星穿过许多国家，因此问题变得更加复杂。 国际电信联盟在分配频谱方面起着类似于FCC的作用，但是对于家政工作，公司必须获得该国的许可。 因此，LEO卫星应该能够根据其所在国家/地区来改变所使用的频谱范围。
“您真的希望SpaceX垄断该地区的连接吗？”，Press询问。 “有必要规范他们的活动，谁有权这样做？” 他们是超国家的。 FCC在其他国家/地区没有管辖权。”
但是，这并不会使FCC变得无能为力。 去年年底，硅谷一家名为Swarm Technologies的小型创业公司被拒绝批准发射四颗LEO通信卫星的原型，每个原型都比一本平装书小。 FCC的主要反对意见是微小的卫星可能太复杂而无法追踪，因此不可预测且危险。
Swarm还是发射了它们。 据IEEE Spectrum称，一家位于西雅图的卫星轨道公司将它们送往印度，在那里他们运载了运载数十颗更大卫星的火箭。 美国联邦通信委员会（FCC）发现了这一点，并对该公司处以900,000美元的罚款，必须在5年内支付。现在，Swarm申请四颗更大的卫星的申请陷入了困境，该公司正在秘密工作。 然而，几天前，有消息称已收到
150颗小型卫星的批准。 一般来说，金钱和谈判能力-决定了。 卫星的重量为310到450克，目前有7颗卫星在轨，整个网络将在2020年中期部署。 最新报告显示，该公司已投资约2500万美元，这不仅为全球公司打开了进入市场的大门。
对于其他未来的卫星互联网公司和正在探索新技术的现有公司而言，未来四到八年将至关重要-他们将确定此时此刻对他们的技术是否有需求，或者我们将看到Teledesic和Iridium的故事重演。 但是之后会发生什么呢？ 根据Mask的说法，火星的目标是利用Starlink为探索火星和进行测试提供收入。
他告诉他的工作人员：“我们可以使用相同的系统在火星上创建网络。” “火星还将需要一个全球通信系统，并且没有光纤线，电线或其他任何东西。”
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