2020年將成為LEO（低地球軌道）的一年，因為更多的提供商將為LEO運行建立其業(yè)務(wù)案例和星座。這個市場有望為全球用戶提供經(jīng)濟高效、高吞吐量的連接和低延遲。
根據(jù)NSR的預(yù)測，在未來十年中，非GEO（地球靜止軌道）的批發(fā)運營商收入將以40％以上的復(fù)合年增長率增長。
即使早期的LEO進入者LeoSat在從西班牙和日本運營商融資失敗之后暫停了運營，該行業(yè)仍然看好LEO市場的未來。業(yè)界中的許多人都普遍認為，新一代低成本、高吞吐量網(wǎng)絡(luò)將很快成為衛(wèi)星行業(yè)的一部分。
為了獲得成功，LEO提供商需要用地面段以較低的成本來提供更簡單、更集成的解決方案。為此，《ViaSatellite》與少數(shù)地面段廠商進行了會談，探討了天線和網(wǎng)關(guān)技術(shù)在業(yè)界為即將到來的LEO時代做準備時所起的關(guān)鍵作用。
在海事市場占據(jù)主導(dǎo)地位的衛(wèi)星和無線通信終端提供商CobhamSatcom的LEO產(chǎn)品總監(jiān)KirbyNell指出：“這事關(guān)集成、工業(yè)化和成本降低，服務(wù)提供商正在推動我們走向整合?！?/span>
過去，典型的GEO地面段具有分布式設(shè)備——天線、互連的RF（射頻）和IF（中頻）電纜、基站和聯(lián)網(wǎng)設(shè)備——但僅此而已。HTS（高通量衛(wèi)星）網(wǎng)絡(luò)，尤其是那些支持LEO星座的網(wǎng)絡(luò)，將把這項技術(shù)集成到用戶終端中。
Nell指出，ViaSat-2于2017年推出，旨在提供高容量寬帶服務(wù)，該服務(wù)已在天線中集成了調(diào)制器和所有聯(lián)網(wǎng)功能。他解釋說：“這是降低成本——使安裝更便宜和更容易，使用戶獲取成本下降?！?/span>
同一驅(qū)動力將應(yīng)用于LEO地面段。LEO運營商正在研究市場的各個方面，從回程物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到消費寬帶互聯(lián)網(wǎng)，再到企業(yè)和“非常高端”的企業(yè)市場。
服務(wù)于商業(yè)和政府地面段的衛(wèi)星系統(tǒng)供應(yīng)商ThinKomSolutions的董事長兼首席執(zhí)行官BillMilroy說：“每個星座在頻率以及業(yè)務(wù)處理方面都不同。但是，不管公司追求哪種LEO上市策略，總體上，每個人都對成本敏感。”
圖1Cobham Sea Tel 天線
由于市場是由成本驅(qū)動的，因此公司提供的性能不要超出絕對必要的部分，這一點很重要?！瓣P(guān)鍵是要使天線和其它地面系統(tǒng)的安裝和管理盡可能簡單、便宜?！盡ilroy說。
服務(wù)于LEO星座的用戶終端必須適應(yīng)從波束到波束以及從衛(wèi)星到衛(wèi)星的大量切換。
Gilat衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)全球客戶主管AmirYafe指出，LEO將要求“網(wǎng)關(guān)數(shù)量增加一個數(shù)量級，網(wǎng)關(guān)天線數(shù)量增加兩個數(shù)量級”。
運營Jupiter系統(tǒng)VSAT平臺的Hughes國際副總裁DaveRehbehn表示：“整個系統(tǒng)需要相當(dāng)高的復(fù)雜度和計算能力，才能適應(yīng)所有這些轉(zhuǎn)換?！?/span>
Rehbehn說：“人們希望看到25Mbps的服務(wù)計劃以及即將成為100Mbps的服務(wù)計劃。運營商希望從地面系統(tǒng)中獲得最大的效率，因為即使使用我們將在2021年發(fā)射500Gbps的Jupiter-3衛(wèi)星，我們?nèi)匀幌ＭM可能提高容量利用率，因此效率很重要?！?/span>
Rehbehn指出了地面段面臨的兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：適應(yīng)越區(qū)切換，以及處理及時知曉衛(wèi)星在任何時間點的位置以有效管理衛(wèi)星資源容量的復(fù)雜性。Hughes已經(jīng)為OneWeb的650衛(wèi)星星座交付了第一批網(wǎng)關(guān)。Rehbehn說：“這些網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)之一是每個網(wǎng)關(guān)每秒能夠進行10,000次切換，這比典型的地面/蜂窩基站的切換要多得多?！?/span>
Rehbehn和其它地面段的參與者一致認為，LEO星座將需要廉價的電子調(diào)控天線，當(dāng)它們在天空中移動時，可以從一顆衛(wèi)星無縫切換到另一顆衛(wèi)星。
運營商在部署初期可以有多種選擇：他們可以最初使用機械調(diào)控的拋物面天線，或當(dāng)前可用的但價格更昂貴的電子調(diào)控天線，直到新的市場顛覆性低成本解決方案得以部署。
幾家地面系統(tǒng)提供商認為，機械調(diào)控的天線仍然可以在LEO星座中發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，CobhamSatcom正在尋求電子調(diào)控天線產(chǎn)品的開發(fā)，同時利用其海上經(jīng)驗為LEO市場提供機械調(diào)控天線。“有一種錯誤的看法認為，機械調(diào)控的天線將會窮途末路。Nell說：“我們擁有30年的海事數(shù)據(jù)，它向客戶證明了我們的天線不會發(fā)生故障?！?/span>
Nell解釋說，Cobham目前正在努力適應(yīng)LEO海事天線市場。他說：“我們必須在可靠性和成本之間找到一條很好的界限?！?/span>
電子調(diào)控陣列非常適合60厘米及以下的終端。但是，“一旦超過70厘米，機械調(diào)控的拋物面天線就會比調(diào)控陣列具有性能優(yōu)勢?！彼f。
Cobham已在1米尺寸處構(gòu)建了E頻段跟蹤天線，該天線可“在跟蹤運動物體時提供100度的指向精度”。
“在GEO/Ka頻段空間中，你可能會誤指向0.1或0.2度。我們必須將指向精度提高到10倍以上。由于我們的海事積累，我們能夠迅速做到這一點?！盢ell說。
ThinKom將經(jīng)過驗證的最小化修改過的GEO產(chǎn)品帶給LEO運營商，它們看到其中的價值。該公司的機身內(nèi)Ku頻段天線系統(tǒng)為GoGo的機上寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供了動力。該公司目前正在開發(fā)LEO和MEO星座的固定終端解決方案，并與Telesat和SES在LEO和MEO網(wǎng)絡(luò)緊密合作。
Milroy說，與許多航空航天領(lǐng)域的競爭者希望僅提供LEO解決方案相比，航空公司對ThinKom提供兼具LEO和MEO功能的GEO天線的方法反應(yīng)良好。
“我們的方法在航空公司中引起了很好的共鳴，它們不希望設(shè)備僅在LEO或MEO星座上運行。我們還沒有看到有人愿意為了GEO放棄LEO?！盡ilroy說?！拔覀兿Ｍ麑⑽覀兊慕鉀Q方案稱為不打折扣的解決方案。就吞吐量和頻譜效率而言，你將獲得一流的GEO容量，并具有充分利用LEO和MEO的所有敏捷性和靈活性?！?/span>
Milroy說，ThinKom10厘米高的天線比傳統(tǒng)的電子相控陣列功耗低90％。
除天線技術(shù)外，調(diào)制解調(diào)器硬件也起著重要作用。作為一個調(diào)制解調(diào)器和地面系統(tǒng)提供商，Hughes已經(jīng)開始為OneWeb交付網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。
圖2 Hughes生產(chǎn)的OneWeb網(wǎng)關(guān)
2019年9月，包括Hughes和ThinKom在內(nèi)的幾家公司在從南佛羅里達州到加勒比海的試飛中，有史以來首次對SES的GEO和O3bMEO衛(wèi)星進行機上漫游測試演示。飛行中的演示使用了Hughes的Jupiter系統(tǒng)和HughesModMan調(diào)制解調(diào)器，該調(diào)制解調(diào)器集成到安裝在GulfstreamG-III測試飛機上的ThinKomKa2517相控陣機載天線上。
“在飛行過程中，調(diào)制解調(diào)器除了能夠執(zhí)行從GEO到MEO以及從MEO到GEO的切換外，還以近乎完美的方式從SESGEO衛(wèi)星切換到SESO3b衛(wèi)星，并多次返回?！盧ehbehn指出，兩家公司還向飛機展示了265Mbps的吞吐量?！皬默F(xiàn)代技術(shù)的角度來看，我們了解如何做到這一點，并且我們對該技術(shù)抱有高度的信心?！?/span>
調(diào)制解調(diào)器技術(shù)的另一位領(lǐng)導(dǎo)者Gilat已在航空和海上環(huán)境中測試了其調(diào)制解調(diào)器，并通過Telesat的Phase-1LEO衛(wèi)星進行了5G連接。2018年，該公司的調(diào)制解調(diào)器幫助演示了Telesat的GEO軌道和LEO衛(wèi)星之間的無縫連接和切換。2019年5月，這家以色列衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)公司成功展示了LEO衛(wèi)星上的5G連接性。由英國薩里大學(xué)5G創(chuàng)新中心的一級歐洲運營商進行的測試表明，Gilat的調(diào)制解調(diào)器對LEO進行了5G回傳。
Gilat的Yafe說：“我們也在革新調(diào)制解調(diào)器技術(shù)，以提供Gbps級服務(wù)?！焙翢o疑問，LEO市場正在推動地面網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求增長，以及更大范圍的頻譜使用。
衛(wèi)星通信RF光纖設(shè)備提供商ViaLite的產(chǎn)品經(jīng)理JohnGolding表示，LEO運營商的主要期望之一是使地面段系統(tǒng)設(shè)備“在更長的時間內(nèi)更加可靠”。
“我們在長距離傳輸方面表現(xiàn)出色，尤其是在各種鏈路上，你可能在相距數(shù)百英里的完全不同的地理位置擁有兩個地面站天線。ViaLite能夠通過光纖在高頻范圍內(nèi)長距離地維持寬帶連接，最長可達600km?！彼f。
LEO星座需要更多的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，因為運營商必須管理全世界的整個星座或電信站點網(wǎng)絡(luò)。Golding解釋說：“還有很多需要監(jiān)視的內(nèi)容，因此管理資源必須易于擴展?！?/span>
圖3 ViaLite系統(tǒng)設(shè)計工具
為了提高支持LEO地面段安裝的可靠性和可維護性，ViaLite開發(fā)了系統(tǒng)設(shè)計工具。它使LEO和其它運營商能夠可視化其網(wǎng)絡(luò)中RF光纖鏈路的性能特征。該工具使操作員可以設(shè)計新系統(tǒng)或重新創(chuàng)建自己的系統(tǒng)，并分析其性能結(jié)果，以顯示可在何處進行改進。該公司還提供了一個光纖RF系統(tǒng)控制器卡Horizons，該卡可以記錄ViaLite機箱中每個插槽的配置。這使操作員可以快速熱插拔卡，然后將其自動重新編程，從而在更換卡后的半秒內(nèi)完成服務(wù)恢復(fù)。
“我們擁有值得信賴產(chǎn)品的歷史，這使我們非常適合地面段要求非?？煽康腖EO星座。即使LEO衛(wèi)星的故障率比GEO更高，地面段仍可以是可靠而堅定的要素?！彼f。
地面細分市場的創(chuàng)新者對未來保持樂觀態(tài)度，許多人都同意仍然存在問題，包括監(jiān)管領(lǐng)域以及LEO運營商提出其特定的業(yè)務(wù)案例。
即使存在這種不確定性，地面服務(wù)提供商仍然相信LEO和MEO星座將很快成為現(xiàn)實，并通過以比目前更低的延遲提供足夠的帶寬，來顯著擴展衛(wèi)星領(lǐng)域。
Gilat的Yafe預(yù)測：“我們相信LEO市場將從優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用開始，隨著終端成本的降低，最終將變得廣泛，從而為多種應(yīng)用提供解決方案?！?/span>
在接下來的6到12個月內(nèi)，衛(wèi)星行業(yè)必須做什么？Cobham的Nell說，真正的成本驅(qū)動因素將集中在航天器上，而不是地面部分。
“到處都是商業(yè)模式。您是否可以將需要300或3,000顆衛(wèi)星的商業(yè)模式組合在一起，將它們?nèi)堪l(fā)射出去，放入所需的所有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，并且仍然有可行的業(yè)務(wù)案例？它將把成本從系統(tǒng)中最昂貴的部分——衛(wèi)星中剔除掉?！?/span>
隨著許多LEO參與者的巨型星座越來越接近現(xiàn)實，一個問題繼續(xù)浮出水面，即如何控制其它衛(wèi)星之間的天線干擾，更不用說隨著地球變得越來越“吵鬧”而正在努力執(zhí)行其地球觀測活動的射電天文學(xué)家？
長久以來，在位衛(wèi)星參與者不得不應(yīng)對信號干擾的問題，但是LEO網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和交叉干擾可能更大。天線較小，但它們的旁瓣增益也更高，從而增加了來自其工作功率要求的干擾可能性。
ThinKom Solutions主席BillMilroy指出：“我們在將能量聚焦到主瓣方面做得很好，而很少有其它方向的能量發(fā)散。現(xiàn)在，發(fā)送和接收端的天線方向圖質(zhì)量突然受到監(jiān)管機構(gòu)的更多審查。過去你曾經(jīng)駕輕就熟的事情已成為一個大的挑戰(zhàn)，因為你開始擔(dān)心自己的衛(wèi)星會受到干擾，或者你可能正在干擾競爭對手的衛(wèi)星?！?/span>
根據(jù)Milroy的說法，天線旁瓣和限值模型正受到新的關(guān)注，尤其是監(jiān)管機構(gòu)，如今，隨著地面5G用戶遷移到與衛(wèi)星用戶相同的頻段，它變得非?！皳頂D”。
他說：“這是一個大問題。我們的許多競爭對手，特別是電子掃描競爭對手，在發(fā)展方面都落后于我們，我認為他們還沒有真正滿足法規(guī)要求。”
