如果你问我关于MathWorks几天前，我可能还会喋喋不休地谈论他们在国际上(当之无愧地)享有盛名的所有传统东西。我甚至可能提到了他们最近推出的人工智能(AI)和机器学习(ML)功能想学习人工智能吗?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。

我新发现的知识是我最近与Houman Zarrinkoub谈话的结果，他是MathWorks的高级无线产品经理。我不得不说我真的很喜欢我们的聊天，因为Houman充满活力和幽默，他总是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一个他是无线通信博士，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，Houman认为解决提供工具来设计和验证下一代卫星的需求的时机已经成熟，从而在2021年3月发射(没有双关意思)卫星通信工具箱，它可以让我们模拟、分析和测试卫星通信系统和链路。

但恐怕我说得太快了，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，卫星是故意放置在地球轨道上的物体。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天然卫星。

卫星并不新鲜。早在1945年，英国科幻作家、科学作家、未来主义者、发明家、海底探险家和电视主持人亚瑟·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，卫星在地球静止轨道上——也就是说，在地球赤道上方35785公里(22236英里)的圆形轨道上。这颗卫星的轨道周期相当于地球自转周期23小时56分钟，这意味着从地面观测者的角度来看，这颗卫星似乎是静止的。使用三颗(或更多)等间距的地球同步卫星，可以在地球上的任何两点之间进行通信(例如，地球到卫星1号，卫星2号到地球)。

亚瑟王还写道哨兵作为BBC比赛的参赛作品。这部电影被拒绝了(我敢打赌他们现在觉得很傻)，但它后来成为了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，比如与罗摩相会而且月尘之落(我控制不住自己——我刚刚订了一本二手的城市和星星来自亚马逊——我时不时会想起这个故事，但我忘记了它的名字和作者，直到刚才我仔细阅读和思考维基百科上关于亚瑟王的页面)。

正如我们之前提到的，卫星并不是什么新鲜事。例如，根据卫星信号,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),转移轨道和地球同步转移轨道(GTO),或卫星在拉格朗日点(L-points)(你会发现更多关于不同类型的轨道上欧洲航天局网站)。

实际上，当我说“小流氓”时，这些大胆的美女通常都不是。不幸的是，目前还没有全球公认的官方卫星分类系统，但北美航天机构使用的五种一般分类如下(大多数GEO卫星都属于“大型”类别):

• 大:超过1000公斤。从SUV到校车，大小都差不多。
• 介质:500至1000公斤。大小与迷你库珀相似。
• 迷你:100 ~ 500公斤。大小类似于摩托车或大型冰箱。
• 微:10至100公斤。与自行车大小相似的。
• 纳米技术:1 ~ 10公斤。与滑板大小相似的。

上述所有“大小相似”的说法都是指卫星的主体，而不是指它的太阳能电池板，太阳能电池板可以展开或延伸得更大。

什么是目前的新趋势是发射大型低轨道卫星星座，以促进每个人的无线连接。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，其中前两颗应该在2022年底发射;到2026年，超过一半的人计划进入太空，其余的人计划在2029年进入轨道。与此同时，埃隆·马斯克/Space X的星链星座已经有1700颗在轨卫星，到2026年计划增加1.2万颗，随后还将增加3万颗。当然，还有很多其他玩家，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)大约有一张桌子那么大(这真的没有告诉我们太多东西)。

近地轨道可以在500公里到1000公里之间(实际上，尽管大多数消息来源似乎都同意这个上限，但这个下限可能会根据你谈话的对象而有所不同)。这里需要考虑的一点是，据说地球的大气层大约有480公里厚，大部分大气层都在距离地表16公里以内。然而，没有严格的界限，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，允许他们进行小的速度和轨道调整。

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。这些低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都切换到卫星通信来完成每项任务，它将压倒整个系统——相反，它们的目的是增加一种额外的通信模式。

这一想法是为了增强下一代智能手机，以支持这种通信形式，提供无处不在的连接，以Wi-Fi为模式，以蜂窝为模式，以卫星为模式(甚至是蓝牙为模式，因为如果你离蓝牙设备足够近，你可以通过它路由)。这是未来的愿景——能够使用超级智能手机(以及平板电脑等)通过任何可用的网络访问路由我们的数据。

无线电信号从地球传播到地球表面以上35785公里的GEO卫星并返回(包括卫星接收和重新发射信号)的延迟约为600毫秒。相比之下，同样的信号往返于近地轨道卫星的延迟只有大约40毫秒或更少。

问题是，从地面观测者的角度来看，GEO卫星以大约11300公里/小时的速度缓慢前进，从地面观测者的角度来看是静止的，而LEO卫星更接近地表，以大约27000公里/小时的速度在天空中奔跑，在90到120分钟内完成一圈地球，这意味着它们最多只在“视线”中停留几分钟。此外，不像GEO卫星总是沿着地球赤道轨道运行，LEO卫星轨道的平面可以倾斜，它们每个都遵循不同的路径。把它想象成一个巨大的无线网络，它的节点以每小时27,000公里的速度向所有可以想象到的方向移动。所以，除了你的电话每隔几分钟就会从一颗卫星传到另一颗卫星之外，卫星还需要使用多跳链路将你的电话从一颗卫星转移到另一颗卫星，然后才最终回到地面。除此之外，近地轨道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。

这就是模拟和建模出现的地方，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创建了自己的专有工具，但他们通常不共享这些工具，因为维护这些工具需要大量资金，所以他们最终会迁移到更全面、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，也有一些工具可以花一定的价格购买，但这些工具往往只能解决部分问题。这就是MathWorks的男男女女们凭借MATLAB及其丰富的综合工具箱(包括最新和最好的卫星通信工具箱)跃上舞台中央的地方。结合其他基于标准的工具箱，这使设计人员能够可视化和控制卫星轨道和轨迹的各个方面，准确测量卫星和地面站上可用的链路预算和能量，对接收和传输所需的所有调制和编码进行建模，并根据需要同时为多颗卫星进行所有这些工作。

正如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。你不能只是说“这部分不是我的问题”，因为射频、天线、基带和编码……其他一切都是一个问题。

到目前为止，卫星通信还不能为蜂窝和Wi-Fi等提供一种具有成本效益的替代或增强，但技术已经进步了。现在，由于近地轨道卫星距离地球如此之近，其性能和速度可以与蜂窝网络相媲美。最重要的是，用不了多久，无论你是在城市中心还是在沙漠中心，还是在山谷底部还是在山顶，这都无关紧要了。如果你能看到一颗卫星——你将永远能看到一颗卫星，因为成千上万的小流氓将在世界各地的天空中奔跑——你就有了连接。你呢，你有什么想法想和我们分享吗?

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