几十年来,卫星帮助气象学家预测天气,为有线电视和无线电提供商提供了向客户传递信号的方式,并为科学家提供了收集各种研究数据的工具。长期以来,巨大、高成本的固定天线一直是用来捕捉这些信号的工具,但现在,随着低轨道卫星变得越来越多,卡内基梅隆大学的研究人员正在寻找使用小型、低成本移动设备利用卫星频率的方法。
从数百英里外的卫星向太空传输的信号非常微弱,因此接收器必须具有足够的功率和足够清晰的视线,才能有效地捕捉到这些信号。为了更好地理解这一点,卡内基梅隆大学电气和计算机工程副教授斯瓦伦·库马尔将其比作一部手机,该手机试图以比当前距离远10到100倍的距离接收来自塔楼的通信。
为了制造廉价、紧凑、便携的接收器,库马尔和他的同事开始寻找增强这些信号的方法。
库马尔说:“想象一下,你拿着一个巨大的天线,缩小它。你接收到的信号变得更加微弱和嘈杂,很难捕捉到任何有用的东西。”。“然而,通过使用许多卫星,我们找到了一种增强这些信号的方法,将它们拼接在一起以改善我们接收到的数据。”
“想想你的智能手机在微光或夜间模式下的摄像头,它会拍摄很多照片,然后将它们放在一起,形成更明亮、更清晰的图像。”
利用同样的想法,库马尔和他的同事们开发了一种新型的手持天线设备,称为“SelfieStick”,以及后端软件和算法,将一些非常微弱的传输信号组合成更实质的东西。
为了证明这种新方法的能力,该小组正在拍摄地球的卫星图像。虽然来自一颗卫星的数据产生了嘈杂且不起眼的结果,但将十张或更多照片拼接在一起会产生一个与笨重、昂贵的天气天线相当的图像。
库马尔说:“在后台,有很多机器学习和信号处理正在进行,以正确排列图像。”。“这些图像并不是相互抵消,而是通过消除噪声来相互改善。”
库马尔承认,笨重的固定接收器仍然是接收清晰卫星信号和图像的最快方式,但他说,使用几个较小的接收器可以提供类似的结果。这些更具成本效益的接收器还允许运营商在不同位置使用它们,提供不同类型的效用。
“激励我们进行这项研究的一个因素是缺乏对地面基础设施的访问。卫星基础设施有很多商品化和可重用性,但天线和接收器在很大程度上被拥有和运营它们的人垄断。”
“最重要的是,大型接收器的成本因找人安装这些广泛的设置而受到限制。我们设想能够在任何地方放置和使用这些小型接收器,而不是找一个位置来建造一个庞大、昂贵的结构。”
虽然库马尔研究的地球成像方面是各种概念的证明,但他认为这种方法可以更好地利用互联网和电视卫星信号,而无需在家中屋顶安装大型碟形接收器。他认为,这种方法还可以产生一种更好的方式来传输蜂窝信号。
2022年5月,库马尔和他的同事在传感器网络信息处理国际会议上介绍了他们的工作,获得了最佳论文奖。这是该团体连续第三年获得该奖项,这是他们在过去五年中第四次获得该奖项。