如果你问我关于MathWorks几天前，我可能还在喋喋不休地谈论他们在国际上(而且当之无愧)享有盛名的所有传统东西。我甚至可能会提到他们最近引入的人工智能(AI)和机器学习(ML)能力(另见)想要学习人工智能?但是《去哪里?》)．然而，如果说实话，我可能不会想到在设计下一代卫星通信系统的背景下引用它们……直到现在。

我的新知识是最近与MathWorks的高级无线产品经理Houman Zarrinkoub交谈的结果。我不得不说，我真的很享受我们的聊天，因为Houman充满活力和幽默，他会用自己的方式让事情变得有趣和有趣。为了证明霍曼的诚意，我们应该注意到他有无线通信博士学位，他曾在北电网络(有点像加拿大版的思科)工作，大约20年前加入MathWorks，担任信号处理和通信开发经理。大约三年前，霍曼认为，提供设计和验证下一代卫星的工具的时机已经成熟，因此在2021年3月发射了(没有双关的意思)卫星通信工具箱，让我们模拟、分析和测试卫星通信系统和链路。

但我担心我讲得太快了，所以让我们退一步，深呼吸，花点时间来设定场景……

在太空飞行的背景下，卫星是被有意放置在环绕地球轨道上的物体。这些物体被更恰当地称为“人造卫星”，以区别于地球的月球等自然卫星。

卫星不是新的。早在1945年，英国科幻小说作家、科幻作家、未来学家、发明家、海底探险家和电视主持人阿瑟·查尔斯·克拉克爵士就开始推广使用地球同步卫星作为通信中继的想法。在这种情况下，卫星是在地球静止轨道上，即在地球赤道上空35,785公里(22,236英里)的圆形轨道上。卫星的轨道周期等于地球的自转周期(23小时56分钟)，这意味着从地面上的观察者的角度来看，卫星似乎是静止在天空中。有了三颗(或更多)等距地球同步卫星，地球上任何两点之间的通信都是可能的(例如，地球到卫星1号到卫星2号到地球)。

亚瑟还写了哨兵作为BBC比赛的参赛作品。它被拒绝了(我打赌他们现在觉得很傻)，但它后来成为1968年史诗电影的基础《2001太空漫游这是我一直以来最喜欢的电影之一。我还是希望有人能把亚瑟的其他书拍成电影，比如与罗摩和月尘之秋(我忍不住——我只订了一本二手的城市和星星我时不时会对这个故事有一段短暂的记忆，但我忘记了它的名字和作者，直到刚才当我仔细阅读和思考关于亚瑟的维基百科页面时)。

正如我们之前提到的，卫星并不是新事物。例如，according to卫星信号,截至2021年7月21日,目前538的小流氓在地球静止轨道(GEO)我写下这些话,,别让我谈论卫星在地球同步轨道(GSO)中地球轨道(MEO),低地球轨道(LEO),极地轨道,太阳同步轨道上的(SSO),或者卫星悬挂在拉格朗日点(l点)上(你可以发现更多关于不同类型轨道的信息欧洲太空总署网站)。

事实上，当我说"小流氓"时，这些大美女绝对不是。遗憾的是，目前全球还没有正式的卫星分类系统，但北美空间机构使用的五个一般类别如下(大多数地球同步轨道卫星都属于“大”类):

• 大:1000多公斤。从SUV到校车的大小都差不多。
• 介质:500至1000公斤。和Mini Cooper差不多大小。
• 迷你:100至500公斤。大小类似摩托车或大冰箱的。
• 微:10至100公斤。与自行车大小相似的。
• 纳米技术:1至10公斤。大小与滑板相似的

所有上述“大小相似”的说法都是指卫星的本体，而不是它的太阳能电池板，它可以展开或扩展到更大，更大。

什么是新的是目前的趋势，发射大型LEO卫星星座，以方便每个人的无线连接。例如，杰夫·贝佐斯/亚马逊的柯伊伯计划是一个由3236颗LEO卫星组成的巨型星座，其中前两颗将在2022年底发射;其中一半以上计划在2026年进入太空，其余的计划在2029年进入轨道。与此同时，埃隆·马斯克/Space X公司的星链星座已经由1700颗在轨卫星组成，到2026年计划发射1.2万颗卫星，随后还将发射3万颗。当然，还有很多其他的竞争者，但我想我们已经明白了。

这些近地轨道卫星通常重约250公斤，据说(虽然我不知道是谁说的)有一张桌子那么大(这真的不能告诉我们太多)。

低地球轨道可以是500公里到1000公里之间的任何地方(实际上，尽管大多数消息来源似乎都同意这个上限，但下限可能会根据你和谁交谈而有所不同)。这里需要考虑的一点是，据说地球的大气层大约有480千米厚，大部分的大气层距离地表不到16千米。然而，没有硬性的界限，所以在500公里轨道上运行的近地轨道卫星将会受到很小的阻力。因此，这些小流氓配备了离子发动机，使他们可以做小的速度和轨迹调整。

为什么每个人都对这个感兴趣?我们的目标是让地球上的每个人都能使用无线连接。这些近地轨道卫星星座并不意味着要取代现有的通信能力——如果地球上的每个人在执行每项任务时都改用卫星通信，这将使系统不堪重负——相反，它们的目的是增加一种额外的通信模式。

这个想法是为下一代智能手机增强,支持这种形式的交流提供无所不在的连接,与无线模式,手机作为一个模式,和卫星作为一个模式(甚至蓝牙模式,因为如果你接近一个蓝牙设备可以通过)。这就是未来的愿景——使用超级智能的智能手机(还有平板电脑等等)，通过任何可用的网络接入方式来传输我们的数据。

无线电信号从地球发送到距离地球表面35785公里的GEO卫星，再返回(包括卫星接收和重新发送信号)的延迟大约为600毫秒。相比之下，同样的信号在近地轨道卫星之间传输的延迟只有大约40毫秒，甚至更少。

问题在于,与GEO卫星,沉重的步伐(相对而言),约11300公里/小时,固定在地上从一个观察者的角度,LEO卫星更接近地表,赛车在天空约为27000公里/小时,完成一个完整的电路的行星在90到120分钟,这意味着它们最多只能在“视线”内停留几分钟。此外，与地球同步轨道卫星总是沿着地球赤道运行不同的是，地球同步轨道卫星的轨道面可以随着它们各自沿着不同的路径倾斜。把它想象成一个巨大的无线网络，它的节点以27,000公里/小时的速度向所有可以想象的方向移动。所以，除了你的呼叫每隔几分钟就从一个卫星传送到另一个卫星之外，这些卫星还需要使用多跳连接来将你的呼叫从一个卫星转到另一个卫星再转到另一个卫星…在它最终返回地面之前。除此之外，低轨卫星在接收来自地面和彼此的信号时，必须适应显著的多普勒效应。

这就是模拟和建模的作用所在，因为在我们将这些卫星送入太空之前，一切都必须考虑在内。任何新技术的早期采用者都会创建他们自己的专有工具，但他们通常不会共享这些工具，因为维护这些工具的成本很高，所以他们最终会迁移到一个发展得更全面、更健壮的商业产品。

当然，卫星通信已经存在很长一段时间了，已经有一些工具可以花钱购买，但这些工具往往只能解决部分问题。在这里，来自MathWorks的男男女女们带着MATLAB和它丰富的综合工具箱跃上了中心舞台，包括最新和最伟大的卫星通信工具箱。与其他基于标准的工具箱相结合，这使得设计师能够可视化和控制卫星轨道和轨道的每个方面，精确测量卫星和地面站上有多少链接预算和能量可用，对接收和发送所需的所有调制和编码进行建模，并根据需要对多个卫星同时进行所有这些工作。

就像Houman告诉我的，“有很多很多漂亮的技术挑战。它们都是可行的，但有必要一起处理它们。你不能说“这部分不是我的问题”，因为RF、天线、基带、编码等等都是一个问题。

直到现在，卫星通信还不能为蜂窝网络和Wi-Fi等提供经济有效的替代或增强，但技术已经进步了。现在，由于近地轨道卫星如此接近地球，其性能和速度可以与蜂窝网络相媲美。底线是，在不久的将来，无论你是在城市的中心还是在沙漠的中心，或在山谷的底部或在山顶，你都将不再重要。如果你能看到一颗卫星——你永远都能看到一颗卫星，因为成千上万的小流氓将在世界各地的天空中奔跑——你就会拥有连接。你呢，你有什么想法想分享一下吗?

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