然而,20世纪90年代,有几个变化促进了卫星通信新的发展模式的形成。这种新的发展模式最早起源于一些卫星设计者开始质疑将几乎所有的通信卫星都发射到距地球35 850 km 处(22 230 英里)的GEO(或称克拉克轨道)这一主流观念。如前所述,GEO 是一种特殊的轨道,地面站不需要主动跟踪在太空飞行的卫星。
问题是,这条轨道距离地球很远,几乎是地球到月球距离的1/10。这种高度的轨道需要我们付出很大的代价,为此通信卫星工程师们正在寻找的新方法。他们认为,虽然处于地球同步轨道的卫星不用经常对卫星进行跟踪,但这种非常长的传输路径会导致卫星通信专家所说的“路径损耗”。此外,语音和数据网络服务也存在时间延迟的问题。卫星信号传输距离越远,延迟就越长。即使在光速下,从地面到卫星再回到地面也有1/4 s 的延迟。如果返回到电话另一端的通话人那里,对于正常的电话交谈就可能意味着有1/2 s 的延迟。而在计算机网络中,即使是1/4 s 的延迟也是一个问题。
工程师们指出,如果卫星离地球的距离近40 倍,由于路径损耗减少或波束传播距离缩短,有效功率将提高1 600 倍。这是因为天线信号传播是以圆的形式传播的(圆的面积是A=πr2)。这意味着信号强度的损失相当于卫星轨道高度的平方。卫星工程人员还指出,如果你想向地面系统提供移动通信,则需要在任何移动情况下都可以接收卫星信号。因此,这些卫星工程人员提出建设一个近地轨道卫星网络。他们认为,在近地轨道由于卫星离地球更近,因此至少需要50 颗运行在500~800 km 轨道高度的卫星组成的星座才能有效地覆盖地球表面。
这导致了提供移动通信卫星服务的几个新型卫星通信系统的蓬勃发展。这些新系统不再使用常用的GEO,倡议者提出了利用近地轨道卫星网络提供全球移动服务的想法。20世纪90年代后期实际部署的系统包括铱星卫星系统和全球星卫星系统。
另一个中圆轨道(Intermediate Circular Orbit,ICO)系统是海事通信卫星系统的一个分支,该系统从未投入使用,并在铱星和全球星之后宣告破产。这些系统是为语音陆地移动通信设计的,并可以连接到手持设备。此外,还有轨道通信卫星系统(Orbcomm),用于提供存储和转发数据通信或机器对机器(Machine-to-machine,M2M)服务。在这一创新时期,另一个地球静止轨道星(Geostar)系统也被部署LEO,该系统使用不同的频率,只允许发送短消息。
由于种种原因,所有这些创新的系统后续都逐一失败,商业运行也相继破产。
就全球星和铱星系统而言,失败有几个原因。其中之一是基于语音的陆地移动卫星服务成本过高。卫星、地面系统和用户终端的成本,国家关于落地权和用户终端的关税政策引发的监管限制使该系统的最终成本比最初估计的要高,最终导致使用费用非常昂贵。在美国,每分钟收费在1~10 美元。更重要的是,在全球星系统和铱星系统设计、制造和发射期间,陆地移动电话服务在覆盖和功率传输方面均取得了巨大进步。而且卫星电话与七八年后制造的手机相比尺寸也大很多。(https://www.daowen.com)
卫星电话有时被称为“砖头”。更重要的原因是,这些LEO 移动卫星系统没有足够的功率储备,因此它们通常不能在房屋或建筑物内接通,甚至在汽车中也没有足够的可靠性。这些因素都导致卫星电话服务市场增长乏力。市场分析师预测的数百万用户没有实现,相反,它的客户群只有数千人,从而导致了铱星、全球星和ICO 的相继破产。
同样,使用M2M 信息传递的“存储转发”数据服务也缺乏市场渗透,因此,这些卫星系统也失败了。轨道通信公司以财务亏损的原因申请了破产,而Geostar 作为一家服务提供商也没有生存下来。最终,全球星、铱星和轨道通信系统进行了重组,并以新的管理模式和新的所有权形式重新面世,这些系统通过发射第二代卫星来提供服务。但最初对市场造成的损害已经形成,因此市场对新的近地轨道卫星通信星座仍持怀疑态度。
20世纪90年代末,提出在近地轨道部署一个巨型LEO 系统,该系统被称为Teledesic 系统,旨在提供空间宽带互联网服务。该系统设想为固定卫星服务提供宽带服务,这将与国际通信卫星组织、欧洲通信卫星组织(Eutelsat)等服务提供商展开竞争。在这种情况下,该倡议提出在近地轨道部署近1 000 颗工作卫星及备份星。该系统设计具有高度创新性,计划使用Ka 波段(30 GHz/20 GHz)提供高数据速率服务。其理念是在大规模和高效率生产基础上设计、制造和发射这些卫星。该计划将受益于大规模的生产和测试,而不是像GEO 卫星是单颗制造。Teledesic 系统还得到了企业家比尔·盖茨的支持。该系统的980 颗工作卫星和备份星还没有一颗发射升空,该系统就宣告破产。这些事件距今已经过去了20年。
随着时间的流逝,铱星、全球星和轨道通信卫星相继走出破产,重新进入市场,因此金融和商业市场开始重新审视使用LEO 星座的可行性。一些企业,如萨瑞卫星公司可以以相当低的成本生产小卫星,称为“萨瑞”卫星。Skybox 公司和行星实验室公司(Planet Labs)等公司则利用商业现货设备生产小卫星,并以非常低的成本部署新的遥感系统。(这一问题,将在下一章中描述)
最重要的是,增材制造或3D 打印的出现使人们可以用非常低的成本制造卫星的关键组件。这些因素共同作用,重新唤醒了人们设计和部署LEO 卫星星座的兴趣,从而利用新的卫星系统以向世界欠发达地区提供电信和网络服务。
因此,从2025年左右开始的这段时间里,各种创新计划不断涌现,并产生了新的协同效应。
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