低軌道衛星は間もなく、世界中の何百万人もの人々に高速通信へのアクセスを提供する可能性がありますが、衛星の可能性は技術的な制限によって妨げられています。衛星のアンテナ アレイは一度に 1 ユーザーしか管理できません。

1 対 1 の比率は、企業が広い範囲をカバーするには、多数の衛星からなるコンステレーションか、多数のアレイを備えた大型の個別衛星を打ち上げる必要があることを意味します。どちらのオプションも高価で技術的に複雑で、軌道が過密になる可能性があります。

たとえば、SpaceX は「コンステレーション」路線を選択しました。そのネットワークである StarLink は現在、地球低軌道上の 6,000 個を超える衛星で構成されており、そのうちの半数以上は過去数年間に打ち上げられたものです。SpaceXは今後数年間でさらに数万機の打ち上げを目指している。

今回、プリンストン工学部と台湾の陽明交通大学の研究者らは、低軌道衛星アンテナで複数のユーザーの信号を一度に管理し、必要なハードウェアを大幅に削減できる技術を発明した。

で紙、「複数の低軌道衛星との通信のための物理的ビーム共有」と題し、6 月 27 日に出版されました。信号処理に関するIEEEトランザクション、研究者らはシングルユーザーの制限を克服する方法を説明しています。この戦略は、アンテナ アレイを配置して電波ビームを必要な場所に正確に向けることによって通信を強化する一般的な技術に基づいています。

各ビームは、テキストや電話などの情報を信号の形で伝送します。一方、アンテナアレイは、次のような地上プラットフォーム上にあります。携帯電話の塔はビームごとに多くの信号を管理できますが、低軌道衛星は 1 つしか処理できません。

衛星の速度は時速 20,000 マイルであり、位置が常に変化するため、複数の信号を混乱させることなく処理することはほぼ不可能です。

「高速道路を時速60マイルで移動する自動車と携帯電話の基地局が通信する場合、データの交換速度に比べれば、自動車はあまり動いて​​いない」と共著者のマイケル・ヘンリー博士、H・ビンセント・プア氏は述べた。ストラター大学プリンストン校電気およびコンピュータ工学教授。「しかし、これらの衛星はそこに留まるために非常に高速で移動しているため、衛星に関する情報は急速に変化しています。」

この制限に対処するために、研究者らは追加のハードウェアを必要とせずに、単一のアンテナ アレイからの送信を複数のビームに効果的に分割するシステムを開発しました。これにより、衛星は 1 人あたり 1 ユーザーの制限を克服できます。アンテナ配列。共著者である陽明交通大学の電気工学教授、シャンホー (ローレンス) ツァイ氏は、複数の電球に頼らずに懐中電灯から 2 つの特徴的な光線を照らすアプローチを比較しました。

「今は電球が 1 つだけ必要です」と彼は言いました。「これは、コストと消費電力が大幅に削減されることを意味します。」

アンテナの数が少ないネットワークは、衛星の数が少なくなるか、衛星が小さくなるか、あるいはその両方になる可能性があります。蔡氏は、「従来の低軌道衛星ネットワークでは、米国だけをカバーするには70～80機の衛星が必要になるかもしれない」と述べた。「今では、その数はおそらく 16 に減る可能性があります。」

プア氏によると、この新しい技術はすでに構築されている既存の衛星に組み込むことができるという。「しかし、重要な利点は、より単純な衛星を設計できることです」と彼は言う。

宇宙での影響

低軌道衛星は、地表から 100 ～ 1,200 マイル離れた地球の大気の下層に存在します。この領域のスペースには限られたスペースがあります。飛び回る物体の数が多いほど、衝突する可能性が高くなり、砕け散り、小さな破片が放出され、他の物体に衝突する可能性があります。

「懸念されるのは、落下する人工衛星の衝突ではない」とプア氏は語った。「しかし、長期的な大気の将来と、宇宙ゴミで軌道が曇って問題が発生することについては」と語った。

Amazon や OneWeb などの企業がインターネット サービスを提供するために独自の衛星群を配備するなど、低軌道衛星産業が急速に勢いを増しているため、この新しい技術はこれらの危険のリスクを軽減する可能性があります。

プア氏は、この論文は純粋に理論的なものだが、効率の向上は現実であると述べた。「この論文はすべて数学です」と彼は言った。「しかし、特にこの分野では、理論的な研究は非常に予測的になる傾向があります。」

この論文を発表して以来、蔡氏は次のような取り組みを続けている。フィールドテスト地下アンテナを使用し、その計算が実際に機能することを示しました。「次のステップはこれを実際に実装することです衛星そしてそれを宇宙に打ち上げます」と彼は言いました。

詳細情報:Yan-ying He 他、複数の地球低軌道衛星との通信のための物理的ビーム共有、信号処理に関するIEEEトランザクション（2024年）。DOI: 10.1109/TSP.2024.3408061