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天空中的新星座

星链星座的首批 60 颗卫星准备发射。来源:SpaceX

背景介绍

1945 年,阿瑟•克拉克基于最早发表于 1942 年的轨道空间站的构想撰写了一篇开创性的论文《地球外的中继 火箭站能否实现全球无线电覆盖?》。在这篇文章中,克拉克概述了仅使用三颗卫星分布在赤道上空 22,236 英里的地方,就能实现全球通讯覆盖的理论 - 这也就是所谓的地球静止轨道。在这一距离,卫星运动的速率与地球旋转的速率相同,这意味着该轨道也与地球同步。它被称为“地球静止”轨道,是因为位于这一距离的卫星相对于地面观测者静止不动。虽然实际上使用三颗等距离分布的卫星就能建立环球通信中继服务,但是现在轨道已变得非常拥挤,其中布满了仅服务于地球表面单一地区(例如北欧)的窄波束装置。低地球轨道 (LEO) 卫星必须在掠过天空的数分钟内进行跟踪,因此通过对地静止的卫星进行无线电通信要轻松得多。但是其中有相当的复杂性。

如果住在赤道,那就太棒了

卫星如需在空中绝对静止,就必须绕赤道旋转。赤道上的接收器可直接“看到”位于上空的卫星。问题是,从赤道向北极方向前进,随着纬度增大,卫星越来越低。例如在北欧或加拿大,地面天线几乎指向地平线,因此更高的大气密度、地形地势和地面建筑会造成大量干扰。有一个看似显而易见的解决方案,那就是倾斜轨道,使卫星位于相应纬度的上空。遗憾的是,该轨道虽然仍与地球同步,但是不再相对地球静止,而且卫星轨迹会呈现“8 字形”。尽管如此,它将始终保持在视野中,使用可移动天线或具有一定波束宽度的天线可确保通讯不中断。

地球静止卫星成本高昂

这些卫星体积大,重量重,还需要通过助推火箭从低转移轨道进入驻留轨道,再通过自带的推进系统进入高运行轨道。这意味着它需要携带大量燃油,用于发射过程以及在使用寿命期间进行漂移校正。无线电系统因距离地球遥远而耗电量大,这反过来意味着需要安装大型太阳能电池板。此外还有可靠性这一重要的问题。地球静止卫星代表着巨额投资,如果工作寿命短于预期,将造成巨大的损失。因此要投入大量的人力物力,通过设计冗余,增加环境屏蔽功能以及执行严格的发射前测试,提高“任务”成功的可能性。毕竟,如果过早出现系统故障,将可能导致地球上的整个地区失去所有的卫星电视频道!当工作寿命结束后,它必须能够进入“墓地轨道”,以避免成为“太空垃圾”,使工作轨道变得更加杂乱。

卫星星座

1998 年,铱星通讯卫星星座在低地球轨道开始运行。它由 66 颗卫星组成,每颗卫星都充当网状网络中的节点在南北两极之间轨道运行。铱星提供全球卫星电话覆盖,并证明了太空“无线网络”的商业可行性。极地轨道在北极和南极地区具有特别好的信号覆盖 - 这些正是卫星电话特别重要的区域!作为新的替代网络,新一代铱星 (Iridium-NEXT) 正在通过 2017 年发射的首批 10 颗卫星逐步建立。这些卫星仍然体积较大且成本高昂,但是只能支持有限的低速率同步“对话”,因为卫星的数量还太少。如需实现宽带互联网接入,似乎还需要……

大型星座

自铱星开始运作以来,卫星技术经历了革命性的发展,航天器的尺寸和成本大幅缩减。我们现在有了小型卫星,如 CubeSat、PocketQube,现在又推出了 Sprite(见下文)。SpaceX 刚刚向低地球轨道发射了 60 颗卫星,作为可包含多达 12000 颗卫星的未来“星座”的试运行。星链项目的目标是在太空中创建蜂窝或网状网络,从而为全世界提供宽带互联网接入。这批 60 颗卫星从仅携带一节火箭的“发射器”(参见标题图片)释放到轨道中。

已展开太阳能电池板的星链卫星。来源:SpaceX

星座的优点

星座在距离地球更近的 100 至 1200 英里上空轨道中运行。需要使用大量卫星才能获得足够的覆盖范围,但这是可行的,因为:

  • 推进仅用于微小的轨道修正以及轨道保持。
  • 所需的发射器功率小得多。
  • 更短的距离意味着通信延迟或“卫星延迟”更少。
  • 单个卫星可靠性的重要性降低 - 网状网络本身具有容错性能。
  • 闲置“备件”可保留在轨道中,需要时移动。

缺点

主要问题有两个:其中一个在设计阶段已解决,另一个在某种程度上不可预料。

  • 轨道过度拥挤和“太空垃圾”的问题。
  • 夜空中遍布闪烁的白光,天文学家感到苦恼。

现在,地球周围太空逐渐成为大型垃圾场,垃圾的密集程度已是热门话题。任何驶往轨道的新航天器都必须在足够低的高度运行,当任务完成后重新进入大气层自动燃烧,或者包含强制离轨机构,以便在必要时运行。

在铱星进入轨道后不久,地面观察员注意到了一个奇特的现象 – 天空中出现闪烁的光,这种现象被称为铱星闪光。它们是由太阳光反射在太阳能电池板上形成的。任何卫星都可能出现这种情况,但是一整个星座的相同卫星使这种现象更加明显。没有人对这种现象特别反感,最后闪光观测成为一种常见的观星活动。然而新一代铱星 (Iridium-NEXT) 卫星不会闪光,因此对于部分爱好者来说是一件憾事。但是,成千上万颗耀眼的卫星会造成其它的问题,可能会干扰地球天文学。

星链卫星在刚刚发射后可见                  来源:SatTrackCam

SpaceX 声称,一旦星链卫星到达运行位置后,问题就会解决。我们拭目以待。

Sprite 星座

一颗 KickSat-2 Sprite 卫星。                                          来源:康奈尔大学

去年 3 月,太空卫星的尺寸缩小至印刷电路板级别,105 颗“Sprites”卫星从名为 KickSat-2 的 3U CubeSat 发射到轨道中。3 天后地面通讯成功,卫星离轨。

KickSat-2 将 Sprite PCB 卫星发射到轨道中。            来源:康奈尔大学

事实上,数量庞大的这种小而脆弱的卫星可以具有实际用途。显然,它们的功率和可靠性不足以支持宽带互联网网络,然而它们可能正是短周期科学研究项目所需要的。例如,将无线电调谐至可以接收来自太空中远距离物体信号的 Sprites 阵列,可以用作地球上的大型射电望远镜。可以进行测量,将结果传至地面,然后 Sprites 离轨。

在星座中驾驶自己的航天器

想不想有机会搭建并驾驶属于自己的 Sprite?前段时间,我无意中在 Kickstarter 上发现了这个 AmbaSat-1 卫星项目。基于 Arduino 的卫星将在“发射”后(与 KickSat Sprites 相同)尝试与位于地面的 LoRaWAN Things Network 建立通讯。

AmbaSat Sprite:在 Kickstart 上寻求支持者的 200 颗卫星中的 1 颗。

如果计划进行顺利,星座将于 3 个月后离轨。

结论

这些 PCB Sprites 令人印象深刻,但是技术仍在不断发展。加利福尼亚大学 (UCSB) 的研究人员正在研究基于单个半导体晶圆的航天器。这些尺寸以厘米计的 晶圆级航天器将配备摄像头、传感器和推进器,组成突破摄星项目的核心,从而将探头送至距离我们最近的恒星 - 半人马座阿尔法星。

如果您暂时想不出做什么,可以关注我在 Twitter 上发布的文章。我会贴出关于新的电子产品和相关技术的文章链接,也会转发我读到的关于机器人、空间探索以及其它话题的文章。

Engineer, PhD, lecturer, freelance technical writer, blogger & tweeter interested in robots, AI, planetary explorers and all things electronic. STEM ambassador. Designed, built and programmed my first microcomputer in 1976. Still learning, still building, still coding today.

22 Oct 2019, 6:50