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Satélites de órbita baixa poderão em breve oferecer a milhões de pessoas no mundo todo acesso a comunicações de alta velocidade, mas o potencial dos satélites foi prejudicado por uma limitação tecnológica: seus conjuntos de antenas só podem gerenciar um usuário por vez.
A proporção de um para um significa que as empresas devem lançar constelações de muitos satélites, ou grandes satélites individuais com muitas matrizes, para fornecer ampla cobertura. Ambas as opções são caras, tecnicamente complexas e podem levar a órbitas superlotadas.
Por exemplo, a SpaceX seguiu a rota da “constelação”. Sua rede, StarLink, atualmente consiste em mais de 6.000 satélites em órbita baixa da Terra, mais da metade dos quais foram lançados nos últimos anos. A SpaceX pretende lançar dezenas de milhares a mais nos próximos anos.
Agora, pesquisadores de engenharia de Princeton e da Universidade Yang Ming Chiao Tung, em Taiwan, inventaram uma técnica que permite que antenas de satélite de órbita baixa gerenciem sinais de vários usuários ao mesmo tempo, reduzindo drasticamente o hardware necessário.
Em um artigo publicado em 27 de junho em Transações IEEE em Processamento de Sinaisos pesquisadores descrevem uma maneira de superar o limite de usuário único. A estratégia se baseia em uma técnica comum para fortalecer as comunicações posicionando conjuntos de antenas para direcionar um feixe de ondas de rádio precisamente onde é necessário. Cada feixe carrega informações, como textos ou chamadas telefônicas, na forma de sinais. Enquanto conjuntos de antenas em plataformas terrestres, como torres de celular, podem gerenciar muitos sinais por feixe, satélites de órbita baixa podem lidar com apenas um.
A velocidade de 32.000 km/h dos satélites e suas posições em constante mudança tornam quase impossível lidar com vários sinais sem embaralhá-los.
“Para uma torre de celular se comunicar com um carro se movendo a 60 milhas por hora na rodovia, comparado à taxa em que os dados são trocados, o carro não se move muito”, disse o coautor H. Vincent Poor, professor de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Michael Henry Strater em Princeton. “Mas esses satélites estão se movendo muito rápido para permanecer lá em cima, então as informações sobre eles estão mudando rapidamente.”
Para lidar com essa limitação, os pesquisadores desenvolveram um sistema para efetivamente dividir transmissões de um único conjunto de antenas em múltiplos feixes sem exigir hardware adicional. Isso permite que os satélites superem o limite de um único usuário por conjunto de antenas.
O coautor Shang-Ho (Lawrence) Tsai, professor de engenharia elétrica na Yang Ming Chiao Tung University, comparou a abordagem de lançar dois raios distintos de uma lanterna sem depender de várias lâmpadas. “Agora, precisamos apenas de uma lâmpada”, disse ele. “Isso significa uma enorme redução no custo e no consumo de energia.”
Uma rede com menos antenas pode significar menos satélites, satélites menores ou ambos. “Uma rede convencional de satélites de órbita baixa da Terra pode precisar de 70 a 80 satélites para cobrir somente os Estados Unidos”, disse Tsai. “Agora, esse número pode ser reduzido para talvez 16.”
A nova técnica pode ser incorporada em satélites existentes que já foram construídos, de acordo com Poor. “Mas um benefício fundamental é que você pode projetar um satélite mais simples”, disse ele.
Impactos no espaço
Satélites de órbita baixa residem na camada inferior da atmosfera da Terra, entre 100 e 1.200 milhas da superfície. Esta região do espaço oferece espaço limitado. Quanto mais objetos voando ao redor, maior a probabilidade de eles caírem, quebrando-se e liberando fragmentos menores de detritos que podem então colidir com outros objetos.
“A preocupação não é tanto ser atingido por um satélite em queda”, disse Poor, “mas sim sobre o futuro a longo prazo da atmosfera e a órbita ficar nublada com detritos espaciais causando problemas”.
Como o setor de satélites de órbita baixa está ganhando força em ritmo acelerado, com empresas como Amazon e OneWeb implantando suas próprias constelações de satélites para fornecer serviços de internet, a nova técnica tem o potencial de reduzir o risco desses perigos.
Poor disse que, embora este artigo seja puramente teórico, os ganhos de eficiência são reais. “Este artigo é todo matemática”, disse ele. “Mas neste campo em particular, o trabalho teórico tende a ser muito preditivo.”
Desde a publicação do artigo, Tsai passou a conduzir testes de campo usando antenas subterrâneas e mostrou que a matemática, de fato, funciona. “O próximo passo é implementar isso em um satélite real e lançá-lo ao espaço”, disse ele.
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