Рояци от пико-сателити биха могли да работят заедно като една голяма антена за директна комуникация между смартфоните на Земята, твърдят изследователи от Япония. Това ще позволи надеждно, висококачествено предаване на данни, проправяйки пътя и за по-евтино мрежово покритие в световен мащаб.
Идеята, че обикновените смартфони могат да се свързват директно със спътници, известна като „директна сателитна комуникация“ (D2D), набра скорост през последните години. Целта е да се осигури покритие практически навсякъде на Земята, включително на отдалечени места като океани и пустини, където конвенционалните наземни мрежи са ненадеждни или много скъпи за изграждане.
Но вместо да се разчита на един голям спътник с фазирана антенна решетка, хиляди пико-сателити, обикалящи около планетата във формация, могат да носят отделни елементи с фазирана антенна решетка и да бъдат синхронизирани безжично, според японската концепция.
Защо фазираните антенни решетки са важни в космоса
За да се установят връзки между орбитиращите спътници и смартфони, фазираните антенни решетки са добре установено решение. Тези антени са съставени от множество малки излъчващи елементи, които работят заедно.
Чрез внимателно контролиране на времето на сигналите, предавани или приемани от елементите, решетките могат електронно да управляват лъча, премествайки зоните на покритие, без да разчитат на движещи се механични части.
Разгръщането на фазирани антенни решетки в космоса обаче е свързано със сериозни недостатъци. Необходимите сателити са големи, изключително скъпи за изстрелване и уязвими за повреди – ако един-единствен ключов компонент се счупи, целият сателит може да бъде повреден и да стане безполезен.
По-дълбоко техническо предизвикателство се крие във факта, че за да работи фазираната решетка, всички елементи на антената трябва да бъдат синхронизирани с висока прецизност. Координирането на хиляди елементи на антената в космоса, без да се свързват чрез физически кабели, е огромно техническо препятствие.
Концепция за фазирана решетка, базирана на рояк
За да се справи с тези проблеми, изследователски екип, ръководен от доцент Ацуши Ширане от Лабораторията за бъдещи интердисциплинарни изследвания на науката и технологиите при Института за наука в Токио, Япония, предложи иновативно решение.
Вместо да се разчита на един голям спътник, екипът си е представил система, в която десетки хиляди пико-спътници летят във формация и функционират заедно като една голяма фазирана антенна решетка.
В основата на тяхната разработка е нова „некабелна“ архитектура на фазирана антенна решетка, наречена „технология за пространствено безжично комбиниране и разпределение“. При този подход един шлюзов сателит излъчва референтен сигнал, който всички пико-спътници използват, за да останат синхронизирани, въпреки че са физически отделни.
Това решава проблемите на некабелните системи със синхронизирането на референтния сигнал и комбинирането или разпределението на комуникационните сигнали, предавани чрез кабели. Предимството на този дизайн е, че всеки спътник може да работи без нужда от локални осцилатори или синхронизиращи компоненти, които консумират значителна енергия.
„Предложената архитектура позволява миниатюризацията на всяко устройство“, казва Ширане. „Компактният размер позволява използване на възможностите за споделено пътуване с ракета, което води до значително по-ниски разходи за изстрелване“, добавя той, отбелязвайки друго основно предимство.
Прототипни чипове и тестове за насочване на лъча
За да тестват решението си, изследователите са проектирали и изработили компактен приемо-предавателен чип, използвайки стандартна силициева CMOS технология – същият тип лесен производствен процес за масово производство, използван в много ежедневни електронни устройства.
Това решение позволява на всеки разпределен пико-сателит индивидуално да си има чип, който да функционира като фазирана антенна решетка. Учените са изградили малки безжични модули и са ги използвали в експерименти за доказателство на концепцията си, имитирайки формирането на спътници в космоса.
Използвайки стандартизирани сигнали, предложената система успешно демонстрира прецизно насочване на лъча (насочване на фазираната антенна решетка) и висококачествено предаване на данни, дори с усъвършенствани модулационни схеми.
Освен икономиите на разходи, предложеният подход подобрява и надеждността. Тъй като елементите на антената са разпределени в много спътници, системата не зависи от нито един отделен модул.
„Нашето решение осигурява висока устойчивост. За разлика от конвенционалните монолитни спътници, цялата мрежа остава работеща, дори ако отделни спътници се повредят“, обяснява Ширане.
Взети заедно, резултатите говорят за нов начин за изграждане на D2D сателитни комуникационни системи чрез формационен полет. Ако бъде доразвита, тази технология скоро би могла да поддържа бъдещи сателитни мрежи, които се свързват директно с „ежедневни“ устройства.
Ако бъде реализирана, японската концепция за сателитна мрежа ще позволи разширяване на глобалното покритие, като същевременно ще намали разходите и рисковете.
