低轨道卫星很快就能为全世界数百万人提供高速通信，但卫星的潜力受到技术限制的阻碍——它们的天线阵列一次只能管理一个用户。

一对一的比例意味着公司必须发射许多卫星组成的星座，或者发射具有许多阵列的大型单颗卫星，以提供广泛的覆盖范围。这两种选择都很昂贵，技术复杂，并且可能导致轨道过度拥挤。

比如SpaceX就走“星座”路线。其星链网络​​目前由近地轨道上的 6,000 多颗卫星组成，其中一半以上是在过去几年发射的。SpaceX 的目标是在未来几年再发射数万枚。

现在，普林斯顿工程学院和台湾阳明交通大学的研究人员发明了一种技术，使低轨道卫星天线能够同时管理多个用户的信号，从而大大减少所需的硬件。

在一个纸，题为“与多个低地球轨道卫星进行通信的物理波束共享”，于 6 月 27 日发表于IEEE 信号处理汇刊，研究人员描述了一种克服单用户限制的方法。该策略建立在一种通用技术的基础上，通过定位天线阵列将无线电波束精确地引导到需要的地方来加强通信。

每个光束都以信号的形式携带信息，例如短信或电话。而地面平台上的天线阵列，例如手机信号塔每个波束可以管理多个信号，而低轨道卫星只能处理一个。

卫星每小时 20,000 英里的速度和不断变化的位置使得在不混淆信号的情况下处理多个信号几乎是不可能的。

共同作者迈克尔·亨利 (Michael Henry) 的 H. Vincent Poor 表示：“对于手机信号塔与一辆在高速公路上以每小时 60 英里的速度行驶的汽车进行通信来说，与数据交换的速率相比，汽车移动得并不多。”普林斯顿大学斯特拉特大学电气与计算机工程教授。“但这些卫星移动速度非常快，因此它们的信息正在迅速变化。”

为了解决这一限制，研究人员开发了一种系统，可以有效地将单个天线阵列的传输分成多个波束，而无需额外的硬件。这使得卫星能够克服每个用户单个用户的限制天线大批。合著者、阳明交通大学电气工程系教授蔡尚浩（Lawrence）Tsai 比较了从手电筒发出两种不同光线而不依赖多个灯泡的方法。

“现在，我们只需要一个灯泡，”他说。“这意味着成本和功耗的大幅降低。”

天线较少的网络可能意味着卫星较少、卫星较小或两者兼而有之。蔡说：“传统的低地球轨道卫星网络可能需要 70 到 80 颗卫星才能覆盖美国。”“现在，这个数字可能会减少到 16 个。”

普尔表示，这项新技术可以融入到已经建造的现有卫星中。“但一个关键的好处是你可以设计一颗更简单的卫星，”他说。

对太空的影响

低轨道卫星位于地球大气层的下层，距地表 100 至 1,200 英里。该区域的空间有限。飞来飞去的物体越多，它们就越有可能坠毁、分裂并释放出更小的碎片，然后这些碎片可能会撞到其他物体上。

普尔说：“人们并不担心被坠落的卫星击中，而是担心大气层的长期未来，以及轨道被太空碎片遮盖而造成的问题。”

由于低轨道卫星行业正在快速发展，亚马逊和 OneWeb 等公司都部署了自己的卫星星座来提供互联网服务，因此这项新技术有可能降低这些危险的风险。

Poor 表示，虽然这篇论文纯粹是理论性的，但效率的提升是真实的。“这篇论文全是数学，”他说。“但特别是在这个领域，理论工作往往具有很强的预测性。”

自论文发表以来，蔡继续进行现场测试使用地下天线并证明数学确实有效。“下一步是在实际中实施这一点卫星并将其发射到太空，”他说。

更多信息：Yan-Yin He 等人，用于与多个低地球轨道卫星进行通信的物理波束共享，IEEE 信号处理汇刊（2024）。DOI：10.1109/TSP.2024.3408061