低軌道衛星很快就能為全世界數百萬人提供高速通信，但衛星的潛力受到技術限制的阻礙——它們的天線陣列一次只能管理一個用戶。

一對一的比例意味著公司必須發射許多衛星組成的星座，或發射具有許多陣列的大型單顆衛星，以提供廣泛的覆蓋範圍。這兩種選擇都很昂貴，技術複雜，並且可能導致軌道過度擁擠。

例如SpaceX就走「星座」路線。其星鏈網路目前由近地軌道上的 6,000 多顆衛星組成，其中超過一半是在過去幾年發射的。SpaceX 的目標是在未來幾年再發射數萬枚。

現在，普林斯頓工程學院和台灣陽明交通大學的研究人員發明了一種技術，使低軌道衛星天線能夠同時管理多個用戶的訊號，從而大大減少所需的硬體。

在一個紙，題為“與多個低地球軌道衛星進行通信的物理波束共享”，於 6 月 27 日發表於IEEE 訊號處理彙刊，研究人員描述了一種克服單一使用者限制的方法。該策略建立在一種通用技術的基礎上，透過定位天線陣列將無線電波束精確地引導到需要的地方來加強通訊。

每個光束都以訊號的形式攜帶訊息，例如簡訊或電話。而地面平台上的天線陣列，例如手機訊號塔每個波束可以管理多個訊號，而低軌道衛星只能處理一個。

衛星每小時 20,000 英里的速度和不斷變化的位置使得在不混淆訊號的情況下處理多個訊號幾乎是不可能的。

共同作者邁克爾亨利(Michael Henry) 的H. Vincent Poor 表示：「對於手機信號塔與一輛在高速公路上以每小時60 英里的速度行駛的汽車進行通信來說，與數據交換的速率相比，汽車移動得併不多。“但這些衛星移動速度非常快，因此它們的資訊正在迅速變化。”

為了解決這個限制，研究人員開發了一種系統，可以有效地將單一天線陣列的傳輸分成多個波束，而無需額外的硬體。這使得衛星能夠克服每個用戶單一用戶的限制天線大批。合著者、陽明交通大學電機工程系教授蔡尚浩（Lawrence）Tsai 比較了從手電筒發出兩種不同光線而不依賴多個燈泡的方法。

「現在，我們只需要一個燈泡，」他說。“這意味著成本和功耗的大幅降低。”

天線較少的網路可能意味著衛星較少、衛星較小或兩者兼而有之。蔡說：“傳統的低地球軌道衛星網路可能需要 70 到 80 顆衛星才能覆蓋美國。”“現在，這個數字可能會減少到 16 個。”

普爾表示，這項新技術可以融入已經建造的現有衛星。「但一個關鍵的好處是你可以設計一顆更簡單的衛星，」他說。

對太空的影響

低軌道衛星位於地球大氣層的下層，離地表 100 至 1,200 英里。該區域的空間有限。飛來飛去的物體越多，它們就越有可能墜毀、分裂並釋放出更小的碎片，然後這些碎片可能會撞到其他物體。

普爾說：“人們並不擔心被墜落的衛星擊中，而是擔心大氣層的長期未來，以及軌道被太空碎片遮蓋而造成的問題。”

由於低軌道衛星產業正在快速發展，亞馬遜和 OneWeb 等公司都部署了自己的衛星星座來提供網路服務，因此這項新技術有可能降低這些危險的風險。

Poor 表示，雖然這篇論文純粹是理論性的，但效率的提升是真實的。「這篇論文全是數學，」他說。“但特別是在這個領域，理論工作往往具有很強的預測性。”

自論文發表以來，蔡繼續進行現場測試使用地下天線並證明數學確實有效。「下一步是在實際中實施這一點衛星並將其發射到太空，」他說。

更多資訊：Yan-Yin He 等人，用於與多個低地球軌道衛星進行通訊的物理波束共享，IEEE 訊號處理彙刊（2024）。DOI：10.1109/TSP.2024.3408061