几十年来，发射一颗卫星的成本一直是天文数字，这意味着只有政府机构和大型企业才能承担如此艰巨的任务。然而，在最近20年左右的时间里，可以适应各种有效载荷的新型商业火箭设计大大降低了发射成本，从2000年的每公斤5.4万美元降至2018年的约2720美元。这一趋势也促进了私人卫星产业的繁荣。自2012年以来，发射到近地轨道(LEO)的小型卫星(大致重量在50公斤以下的卫星)数量每年增加30%。
随着小卫星数量的急剧增加，出现了一个很大的问题，那就是如何与地面通信。近地轨道卫星大约每90分钟绕地球一周，因此通常只有10分钟的窗口时间与指定的地面站通信。如果卫星能与地面站通信(比如它在地球的另一边)，那么卫星需要传输的有价值的数据就可以不能及时到达地球。
目前，美国宇航局美国的跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)是唯一能够将卫星信号转发到正确的地面站的网络。然而，很少有公司可以使用TDRSS，其成本令人望而却步，而且该网络已经运行了25年以上，它可以根本不能处理新卫星带来的所有通信量。将数据卫星送回地球通常是限制观测系统能力的瓶颈。
为了打破这个瓶颈，我和其他三名工程师在2015年成立了开普勒通信公司。我们的目标是在低地球轨道建立一个由许多小卫星组成的星座，作为TDRSS的商业替代网络。这些卫星将形成一个基于太空的骨干网状网络，在地球和太空之间双向实时传输数据。我们的每颗卫星都只有一块面包那么大，它们的运行方式很像互联网路由器3354，只不过它们是在太空中。我们的第一颗卫星以2014年史诗科幻电影《星际穿越》中的机器人伴侣KIPP命名，于2018年1月发射。到2022年部署完成时，开普勒通信网络将共有140颗卫星，均匀分布在7个轨道平面上。本质上，我们正在建立一个地球之上的互联网服务提供商保持卫星之间以及卫星和地面站之间的通信，即使通信方位于地球的另一边。我们的客户将包括使用卫星传输数据的卫星运营公司和卫星通信公司，以及加拿大国防部、欧洲航天局和美国宇航局等政府机构。没有小卫星的不断发展，这一切都无法实现。
开普勒在太空世界被称为立方体卫星。之所以在21世纪初开发CubeStar，是为了简化和标准化卫星的设计和制造，从而降低卫星的成本。当时，每颗新卫星都是一次性定制航天器，由高度专业的工程师团队使用定制材料和方法制造而成。相比之下，立方星由许多10厘米10厘米10厘米的标准化单元组成。固定单元使制造商能够开发必要的立方体卫星组件，如电池、太阳能电池板和计算机，作为现成的商业组件。有了CubeSat，像开普勒这样的太空初创公司可以在短短12个月内设计、建造并发射一颗卫星，从草图到进入轨道。相比之下，传统的卫星项目需要3到7年才能完成。立方体的兴起和卫星发射成本的降低导致商业卫星服务激增。世界各地的公司都在建造可以同时运行航天器的星座，数百个星座正在规划中。Planet等公司专注于提供地球的图像，而Spire Global等公司则专注于监测天气。那么，这些卫星是如何将收集到的数据全部传回地面的客户呢？答案是，他们没有不要回来。例如，地球成像立方体卫星可以在一周内收集2gb的数据，即每天收集26GB的数据。实际上，特定地面站上方的立方体卫星短期窗口只能发回部分数据。现在收集农业、气候、自然灾害、自然资源管理等数据的所有卫星运营公司都是如此。需要通信基础设施有效处理的数据太多了。为了传输数据，当地球观测卫星在地面站的通信范围内时，它会与地面站联系，发送图像和其他测量数据。为了提高图像分辨率，这些卫星几乎都运行在近地轨道，这意味着它们大约每90分钟绕地球一周。平均来说，一颗卫星只需要10分钟左右就能看到指定的地面站，然后与之通信。在这10分钟的窗口内，卫星必须将收集到的数据全部传输到地面站，然后通过地面网络将数据传输到最终目的地，比如数据中心。因此，卫星运营商收集的信息往往比他们想要发送回地球的数据多得多，因此他们不得不丢弃有价值的数据，或者在延迟几个小时甚至几天后获得数据。最近的解决方案是将地面站作为一项服务来运营，并增加每个公司可用的地面站总数。历史上，当一个公司或政府机构发射卫星时，它还必须负责部署自己的地面站3354，这是一项成本高昂的任务。想象一下，如果所有手机用户都必须购买自己的发射塔，运行自己的网络来打电话，这将是多么昂贵和复杂。更经济的方案是由几家公司建立一个地面站。任何人都可以付费，与自己的卫星取得联系，就像亚马逊美国气象卫星地面站。但是还有一个问题。为了保证一颗近地轨道卫星能够与地面站持续通信，我们几乎需要在全世界设立地面站。为了实现连续覆盖，需要数千个地面站，每几百公里一个。当然，更近的地面站可以确保更可靠的连接。这一点即使在陆地偏远地区也很难实现。在海洋上保持联系就更难了，因为海洋上能建地面站的岛屿很少，而且距离很远。另外，即使有，这些岛基本上也没有很强的互联网光纤连接。这是开普勒计划将更多通信基础设施送入轨道的主要原因。我们认为建立一个立方体卫星路由器的星座更有意义，它可以确保卫星无论在哪里都与地面站相连，而不是建立一个全球性的地面站网络。94 SDR自20世纪90年代开始广泛应用
在最基本的层面上，SDR用软件取代了模拟无线电组件，如调制器(将模拟信号转换为1和0)和滤波器(限制模拟信号中需要转换的部分)。在开普勒SDR中，这些元素通过运行在现场可编程门阵列(FPGA)上的软件来实现，使其成为开发成本更低、配置更简单的无线电。使用SDR还允许我们将航天器缩小到立方体卫星的大小。这也是为什么我们的卫星成本只有传统通信卫星的1%的原因之一。要了解开普勒星座是如何工作的，我们应该先了解传统的卫星连接方法：肘方法。想象一个管道，两个直管成一个角度连接；卫星位于两个直管的交汇处，因此卫星与相连的两端之间有一条连续的视线，可以是不同大洲的两个地面站，也可以是一个地面站和另一个飞行器。卫星本质上就像一个中继器，在连接的一端接收信号，然后以不同的方向将信号发送到另一端。在开普勒网络中，当卫星经过一个地面站时，它会接收到地面网络中其他位置发送到地面站的数据。卫星将存储数据，然后在看到目标地面站时传输数据。开普勒网络将包括分布在五大洲的五个地面站，连接我们所有的卫星。但是，这种方法不支持实时通信。但是随着我们星座的扩大，这个功能会实现的。实现方式如下：增加卫星之间发送数据的能力，建立地球上任意地点的两个地面站之间以及地面站与在轨卫星之间的实时连接。我们还计划添加一些新功能，例如代码转换(本质上是一种将数据转换为不同格式的方法)和根据交付内容的紧急程度对数据进行排队。有了SDR，我们可以相对较快地对卫星通信进行重大变革。例如，新代码可以上传到像KIPP这样的轨道卫星上进行测试。如果代码通过了测试，就可以部署到星座的其余部分，而无需更换硬件。SDR缩短了开发周期，让我们的原型有了更多的想法和概念，很像CubeSat的标准化。
目前开普勒正在部署星座。KIPP系统已经成功运行了两年多，成功地支持了地面用户的通信需求。例如，为期一年的马赛克探险旨在在北极附近的破冰船上测量北极的气候。这是历史上最大的极地探险。自发射任务以来，KIPP 的高带宽通信有效载荷一直定期传输来自MOSAiC的GB级数据美国破冰船到德国不来梅港项目总部。2018年12月，我们的第二颗卫星机箱(以《星际穿越》中的另一个机器人同伴命名)成功送入轨道，加入KIPP 美国轨道任务。即使只有两颗卫星在运行，我们也能为客户提供一定程度的服务。我们主要使用我之前描述的方法从一个地面站获取数据，并将其传输到另一个地面站。这使得我们可以避免重复其他一些卫星星座公司的命运：这些公司在部署完整网络的过程中破产，然后才能提供服务。尽管到目前为止我们已经取得了成功，但建立一个由140颗卫星组成的星座并非没有挑战。当两个快速移动的物体(如卫星)试图相互通话时，它们的通信会受到多普勒频移的影响。这种现象导致两个物体之间传输的无线电波频率随着它们的相对位置而变化。具体来说，当物体靠近时，频率被压缩，当物体远离时，频率被拉伸。当救护车疾驰而过时，它的音调会发生变化，这是多普勒频移造成的。我们的卫星相对于地面以7 km/s的速度运动，或者与另一颗以相同速度向相反方向运动的卫星进行通信，那么我们得到的就是过度压缩或拉伸的信号。为了解决这个问题，我们创建了一个专用的网络架构，其中相邻的卫星只有在向同一方向移动时才能相互通信。我们还在KIPP和凯斯上安装了软件，通过跟踪它们相对运动引起的频率变化来控制多普勒频移。在这一点上，我们认为多普勒频移是可以补偿的。同时，我们期望在未来的网络和软件迭代中提高这种能力。随着星座中卫星数量的增加，我们还必须确保使用有效的路由来传输数据。当只有三四颗卫星能完成数据传输时，让不要把数据发送到更多的卫星，比如30颗。为了解决这个问题，我们的卫星将在轨道上运行一种叫做双线元素集的算法，来确定每颗卫星的位置。双线元素集算法类似于GPS在地球上定位位置。在确定了每颗卫星的位置后，我们可以运行一个优化算法来寻找传输时间最短的路线。当然，如果我们能如果不建造这140颗卫星并将其送入轨道，所有这些挑战都将毫无意义。我们在早期发现了一个问题。即使部件标准化了，生产几百个航天器(即使是小的)的供应链也不存在。最后，我们不得不自己制造大多数卫星。我们的生产设备位于多伦多市中心，可以将之前的手工流程(如测试电路板)自动化，以确保满足组装要求。现在每个月可以生产多达10颗卫星。正如我之前提到的，近年来卫星组件的尺寸和成本大幅下降，使得开普勒星座计划成为可能。然而，有一个领域限制了它的小型化：太阳能电池板。我们的立方体卫星的发电能力仍然受到安装太阳能电池板的表面积的限制。天线的尺寸也受到了限制，因为天线的效率已经达到了理论极限。这意味着每个卫星必须为天线预留一定的区域。这些限制使得我们很难进一步减小卫星的尺寸。它的好处是迫使我们创造性地寻找新的计算方法和软件。在这个过程中，我们受到折纸的启发，准备开发可折叠部件。到2020年底，我们计划至少有10颗卫星在轨，这样我们就可以对空间路由网络进行早期测试。
如果一切按计划进行，到2021年，我们将有50颗卫星在轨道上运行，到2022年，所有140颗卫星将为地球上的用户和太空中的其他卫星提供服务。太空是一个新的商业领域。企业家之间的太空竞赛提高了门槛，新贵们正在探索在轨飞行器及其数据，以发现新的机会。开普勒网络通过为太空创建互联网，将为这些机会提供一条成功的道路。编辑：pj
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