13 سپتامبر 2024- توسط آلینا اورگان، دانشگاه پرینستون-اعتبار: CC0 دامنه عمومی
ماهواره‌های مدار پایین به زودی می‌توانند به میلیون‌ها نفر در سراسر جهان دسترسی به ارتباطات پرسرعت را ارائه دهند، اما پتانسیل ماهواره‌ها به دلیل محدودیت‌های تکنولوژیکی متوقف شده است – آرایه‌های آنتن آنها فقط می‌توانند یک کاربر را در یک زمان مدیریت کنند.
نسبت یک به یک به این معنی است که شرکت‌ها باید یا صورت فلکی از ماهواره‌های متعدد یا ماهواره‌های منفرد بزرگ با آرایه‌های زیاد را به فضا پرتاب کنند تا پوشش گسترده‌ای داشته باشند. هر دو گزینه گران هستند، از نظر فنی پیچیده هستند و می توانند به مدارهای شلوغ منجر شوند.
به عنوان مثال، SpaceX مسیر “صورت فلکی” را طی کرد. شبکه آن، StarLink، در حال حاضر از بیش از 6000 ماهواره در مدار پایین زمین تشکیل شده است که بیش از نیمی از آنها در چند سال گذشته پرتاب شده اند. اسپیس ایکس قصد دارد در سال‌های آینده ده‌ها هزار مورد دیگر را پرتاب کند.
اکنون، محققان مهندسی پرینستون و دانشگاه یانگ مینگ چیائو تونگ در تایوان، تکنیکی را اختراع کرده‌اند که آنتن‌های ماهواره‌ای در مدار پایین را قادر می‌سازد سیگنال‌های چند کاربر را همزمان مدیریت کنند و سخت‌افزار مورد نیاز را به شدت کاهش دهند.
در مقاله‌ای با عنوان «اشتراک‌گذاری پرتو فیزیکی برای ارتباطات با ماهواره‌های چندگانه مدار پایین زمین» که در 27 ژوئن در IEEE Transactions on Signal Processing منتشر شد، محققان راهی را برای غلبه بر محدودیت تک کاربر توصیف می‌کنند. این استراتژی مبتنی بر یک تکنیک رایج برای تقویت ارتباطات با قرار دادن آرایه‌های آنتن برای هدایت پرتوی امواج رادیویی دقیقاً در جایی است که مورد نیاز است.
هر پرتو اطلاعاتی مانند پیامک یا تماس تلفنی را به شکل سیگنال حمل می کند. در حالی که آرایه‌های آنتن روی پلت‌فرم‌های زمینی مانند برج‌های سلولی می‌توانند سیگنال‌های زیادی را در هر پرتو مدیریت کنند، ماهواره‌های مدار پایین فقط می‌توانند یک سیگنال را مدیریت کنند.
سرعت 20000 مایل در ساعت ماهواره ها و تغییر مداوم موقعیت ها، کنترل سیگنال های متعدد بدون درهم ریختن آنها را تقریبا غیرممکن می کند.
H. Vincent Poor، مایکل هنری، یکی از نویسندگان این مقاله گفت: «برای برقراری ارتباط یک برج سلولی با خودرویی که با سرعت 60 مایل در ساعت در بزرگراه حرکت می کند، در مقایسه با سرعتی که داده ها رد و بدل می شود، خودرو خیلی حرکت نمی کند.. اما این ماهواره ها برای ماندن در آنجا بسیار سریع حرکت می کنند، بنابراین اطلاعات مربوط به آنها به سرعت در حال تغییر است.
برای مقابله با این محدودیت، محققان سیستمی را توسعه دادند تا به طور موثر انتقال ها را از یک آرایه آنتن به چندین پرتو بدون نیاز به سخت افزار اضافی تقسیم کند. این به ماهواره ها اجازه می دهد تا بر محدودیت یک کاربر در هر آرایه آنتن غلبه کنند.
شانگ هو (لارنس) تسای، یکی از نویسندگان این مقاله، استاد مهندسی برق در دانشگاه یانگ مینگ چیائو تونگ، این رویکرد را با تابش دو پرتوی متمایز از یک چراغ قوه بدون تکیه بر چندین لامپ مقایسه کرد. او گفت: «اکنون فقط به یک لامپ نیاز داریم. این به معنای کاهش شدید هزینه و مصرف برق است.
شبکه ای با آنتن های کمتر می تواند به معنای ماهواره های کمتر، ماهواره های کوچکتر یا هر دو باشد. تسای گفت: «یک شبکه ماهواره‌ای معمولی در مدار پایین زمین ممکن است به 70 تا 80 ماهواره نیاز داشته باشد تا بتواند ایالات متحده را پوشش دهد. اکنون، این تعداد می تواند به 16 کاهش یابد.
به گفته پور، تکنیک جدید را می توان در ماهواره های موجود که قبلا ساخته شده اند، گنجاند. او گفت: «اما یک مزیت کلیدی این است که می‌توان ماهواره ساده‌تری طراحی کرد.
ماهواره های مدار پایین در لایه پایینی جو زمین، بین 100 تا 1200 مایلی از سطح قرار دارند. این منطقه از فضا دارای فضای محدودی است. هر چه اجسام بیشتری در اطراف پرواز کنند، احتمال سقوط آنها، شکسته شدن و رها شدن قطعات کوچک تری از زباله ها بیشتر است که می تواند به اجسام دیگر برخورد کند.
پور گفت: «نگرانی که وجود دارد این است که با یک ماهواره در حال سقوط برخورد نکنیم، بلکه در مورد آینده بلندمدت جو، و ابری شدن مدار با زباله‌های فضایی که مشکلاتی ایجاد می‌کند، است.»
از آنجایی که صنعت ماهواره‌های مدار پایین با سرعتی سریع در حال جذب شدن است و شرکت‌هایی مانند آمازون و وان‌وب از مجموعه‌های ماهواره‌ای خود برای ارائه خدمات اینترنتی استفاده می‌کنند، تکنیک جدید این پتانسیل را دارد که خطر این خطرات را کاهش دهد.
پور گفت که در حالی که این مقاله صرفاً نظری است، دستاوردهای کارایی واقعی هستند. او گفت: «این مقاله تماماً ریاضی است. “اما در این زمینه به طور خاص، کار نظری تمایل زیادی به پیش بینی دارد.”
از زمان انتشار مقاله، تسای به انجام آزمایش‌های میدانی با استفاده از آنتن‌های زیرزمینی ادامه داد و نشان داد که ریاضیات در واقع کار می‌کنند. وی گفت: «گام بعدی این است که این کار را در یک ماهواره واقعی پیاده کنیم و به فضا پرتاب کنیم.
