太空部队为何要测试小型、高空卫星技术

最近的一份合同价值超过1000万美元,涉及一种安全通信技术。
一颗 Astranis 卫星。Astranis

2月14日,地球同步通信卫星公司 Astranis 宣布,已获得美国太空部队一份价值超过1000万美元的合同。该合同旨在首先在地面测试环境中对卫星硬件进行安全通信技术的演示,并可能包括在太空进行测试

太空仍然是各国部署监视他国传感器的有用场所。其中许多卫星位于近地轨道,距离地表约1200英里,卫星更容易到达,并且可以快速绕地球运行。地球同步轨道距离地面22,200英里,更难到达。此外,所有高度的卫星都面临信号被干扰的风险,或受到轨道上其他物体的干扰,这促使美国军方寻求卫星星座(即小型卫星编队)作为一种确保在发生袭击或灾难时仍能保持部分功能的途径。

Astranis 联合创始人兼首席执行官 John Gedmark 表示:“我们为更高轨道制造小型卫星,首先是地球同步轨道,这是一个相当高的轨道。这是一个特殊的轨道,您可以在世界某个地区或某个国家上空停放一颗卫星,仅凭一颗卫星就能提供持续服务。”

覆盖阿拉斯加和秘鲁

地球同步卫星一直用于提供通信和电视广播,Astranis 的主要目标是为商业和军事客户使用更小的地球同步卫星提供持续的宽带互联网连接。对于商业用途的两个演示,Gedmark 指出了即将发射的两颗卫星,一颗将于4月初发射升空并覆盖阿拉斯加,另一颗将于今年晚些时候发射并覆盖秘鲁。

Gedmark 说:“这颗卫星将飞越秘鲁,并覆盖厄瓜多尔部分地区。我们将能够帮助他们在该国一些最偏远的地区部署和升级许多蜂窝基站。秘鲁有许多地区的地形非常崎岖,丛林地带条件极端,有安第斯山脉,有很多因素使得连接这些偏远地区非常困难。”

在这两个地区,卫星将增强现有的地面电信基础设施,使偏远地区的基站能够通过太空连接,而不是陆地连接。秘鲁与阿拉斯加一样,拥有广阔的、地形多样的地区,电线、电缆或光纤互联网连接等基础设施难以铺设。可以设置独立的手机基站,由本地供电,然后通过卫星路由通信,而不是通过陆地电缆,从而将3G和4G级别的互联网带到人们以前无法访问的地方。

用于军事用途

通过太空将本地农村基础设施连接到更广泛的数据网络的这些相同特征,也是 Astranis 卫星对军方如此有吸引力的原因之一。

Gedmark 说:“我们意识到军方目前在军事通信和一些其他方面的弹性方面存在一个真正的问题。他们非常依赖少数几颗巨型地球同步卫星,其中一些卫星造价数十亿美元。我们喜欢引用 Hyten 将军的话说,那些卫星是‘又大又肥又诱人的目标’。”

2017年,美国空军上将 John Hyten 担任美国战略司令部司令,并宣布他将不再“支持进一步开发‘又大又肥又诱人的目标’”,他指的是这类卫星。Hyten 于2021年退役,但国防部已继续推动开发小型卫星来充斥天空,作为比目前的一体化巨型卫星更具弹性的选择。其中许多星座都瞄准近地轨道。

Gedmark 说:“虽然不透露具体价格,但我们的十多颗卫星的成本与一颗大型卫星的成本相当。”自2018年以来,Astranis 一直在吸引风险投资,其理念是将卫星送入地球同步轨道

Gedmark 说:“在严酷的地球同步轨道辐射环境下设计所有电子设备是很困难的,您正好处在范艾伦辐射带的中心。”范艾伦辐射带含有可能损坏卫星的带电粒子,因此任何为生存而制造的设备都必须承受该区域固有的重离子撞击和辐射剂量。“这些更高轨道的到达难度更大,因此您必须通过一些巧妙的在轨推进策略来解决这个问题。我们通过拥有一个电力推进系统和一个离子推进器来解决这个问题。”

发射时,卫星被指向地球同步轨道,然后利用自身动力在太空中进行到达和机动。Gedmark 说,这些卫星设计在地球同步轨道上运行8到10年,在此期间可以重新定位多达30次。

卫星从一个轨道转移到另一个轨道的速度取决于卫星运营商愿意消耗多少燃料,重新定位可能在几天内完成,但 Gedmark 预计在几周内移动到新位置将是更典型的用例。

一旦进入轨道,卫星就需要安全通信。受保护战术波形是美国军方开发的一种通信协议和技术,Astranis 旨在演示该协议可以在其卫星的软件定义无线电上运行。(软件定义无线电是一种可以通过代码更改传输和接收信息参数的计算机,而更传统的无线电需要模拟硬件,如调制器和放大器,来编码和解码无线电信号中的信息。)

Gedmark 说,受保护战术波形是“一组被编程到无线电中的技术,这样它就可以自动避免干扰和拥塞。我们将首先在我们的实验室进行演示,然后与未来的卫星进行在轨演示。”

由于该协议将在软件无线电上运行,而不是在一旦发射就固定形状的硬件上运行,因此这意味着,如果需要,Astranis 可以在现有商业卫星在轨时对其进行改造以承载受保护战术波形,从而在事件发生时促进通信激增,并满足军事需求。

目前,人们的期望是,对通信技术的私人投资可以产生一种既能扩展全球互联网连接,又能为战场上的美国军事力量提供比建立地面基础设施更快通信的工具。对于负责确保天空可靠通信的太空部队来说,更耐用且可按需机动的卫星将允许其重新部署天空中资产,以赢得地面战争。

 

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Kelsey D. Atherton

科技领域特约撰稿人

Kelsey D. Atherton 是一名军事技术记者,自 2013 年起为《大众科学》供稿。他报道无人机器人和其他无人机、通信系统、核企业以及用于规划、发动和缓解战争的技术。


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