小火箭聊SpaceX的星鏈天基互聯網星座

最新 02-26

微信號：小火箭

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文共8224字，80圖。預計閱讀時間：60分鐘。

終於，SpaceX公司從2015年就開始撩撥大家的天基互聯網星座還是開始搭建了。

公元2018年2月22日，協調世界時14點17分00秒，一枚獵鷹9號運載火箭B1038.2從美國范登堡空軍基地SLC-4E工位成功點火（見上圖），隨後將西班牙的一顆合成孔徑雷達軍用對地觀測衛星送入預定軌道。

隨上圖這顆由空中客車公司研製的軍星一起進入太空的，就是SpaceX公司第一批自主研發的衛星：

MICROSAT-2A和MICROSAT-2B，也就是涉及到1.2萬顆衛星的龐大的衛星星座的2顆技術驗證先導星。

本文，小火箭將要和大家共同探討如下7個問題：

星鏈

小火箭在這裡先對星鏈計劃的logo設計團隊點個贊。從這個標誌中象徵地球的類似笑臉的大弧線和代表衛星軌道的一根細弧線的比例來看，這個設計團隊是應該是懂軌道動力學的。

這是小火箭根據星鏈計劃的軌道參數做的一條軌道，通過和上上圖的對比可以發現，SpaceX的logo還是蠻用心的。

星鏈計劃是對SpaceX公司的starlink計劃的直譯，顧名思義，就是藉助衛星的鏈接計劃。

用一句話來總結這個計劃就是：

通過一個由太空中能夠相互鏈接的衛星組成的星座為全球提供5G級別的高速互聯網服務。

這裡的鏈接，指的是星地互聯和星星互聯。結合目前遍布全球的地面互聯網基礎設施和未來以高空氣球和無人機為代表的中繼平台，覆蓋全球且速度超快的網路成為了很多人的夢想。

說起5G，小火箭覺得需要多說兩句。

通過一個由太空中能夠相互鏈接的衛星組成的星座為全球提供5G級別的高速互聯網服務。

這句話中，小火箭之所以用5G級別而不用5G這個詞本身，還是一個技術標準的問題。

5G通信，這裡的G是Generation的縮寫。因此，顧名思義5G通信就是5th Generation 通信，也就是第5代通信的意思。

2017年12月21日，國際電信標準組織3GPP RAN第78次全體會議上，5G NR首發版本正式凍結並發布。這是全球第一個可商用部署的5G標準。這一標準比原計劃提前了六個月完成。標誌著5G這個術語從學術探討階段開始嘗試步入商業運營階段。

我們日常的手機移動通信採用的是4G或者3G、2G標準。

實際上，5G的正式的完整的標準化還需要一定的時間來完善。

目前來說，從用戶體驗的角度來看，5G有如下五個特徵：

以10Gbps的傳輸速率同時支持數萬用戶；

支持數十萬的並發連接以便支撐大規模物聯網；

頻譜效率比4G大幅提升；

覆蓋率比4G有所提高；

延遲時間顯著減少。

從頻率和硬體的角度來看，5G通信開始向毫米波進軍了。相較於4G採用的700MHz、900MHz、1800Mhz、2600Mhz等頻段，5G添加了28GHz的頻段，該頻段與毫米波（波長為1mm到10mm之間）的頻段（30GHz到300GHZ之間）已經非常接近了。

以往，在很長一段時間，毫米波是軍用雷達的專屬領域。上圖為配備了長弓毫米波雷達的長弓阿帕奇武裝直升機。

而以往大量應用在衛星上的氮化鎵和砷化鎵材料也會出現在5G系統中。

SpaceX公司在2015年1月份提出的星鏈計劃，基本上就是依賴大量低軌運行的高通量衛星組成的星座來提供這樣的5G級別的天基互聯網服務。

按照5G現在的技術判斷，其網路傳輸速度將會是4G的近百倍。在5G網路中，下載一部1個G的高清電影，僅需10秒。

搭建

說起基於衛星的天基通信，大家早已不陌生了。而在聊SpaceX公司的星鏈計劃是什麼，怎樣搭建之前，我們先得說清楚星鏈不是什麼。

1945年，科幻作家，科普大師亞瑟·查爾斯·克拉克爵士提出用於遠程通信的地球同步衛星的構想。

同步軌道衛星繞地球旋轉的角速度與地球的自轉角速度相同，因此該衛星從地面上看起來，就是一個懸掛在太空的一盞明燈或者一面鏡子，特別適合用於地面上兩個點之間的遠距離通信中繼。

GIF

這是小火箭給出的一個由橢圓軌道向地球同步軌道轉移入軌的一個算例。

在地球同步軌道（靜止軌道）上運行的衛星，其軌道高度為35786公里，理論上，只需在赤道上空布置3顆這樣的衛星，就能夠覆蓋除南北兩極很少範圍之外的所有地表。

這也就是一直以來，人類通信衛星的慣常做法：把昂貴的衛星送入珍貴的地球靜止軌道，一待就是10年甚至15年以上。而美國的天基紅外導彈預警衛星也有不少就部署在地球靜止軌道上。（詳見小火箭的公號文章《美國天基紅外導彈預警衛星的8個問題》。）

公元1964年8月19日，休斯公司研製出的世界上第一顆地球靜止軌道衛星成功入軌，緊接著就完成了1964年東京奧運會（1964年10月10日至10月24日）的跨太平洋電視轉播。

1965年4月6日，休斯公司製造的第二顆地球靜止軌道衛星入軌，定點在西經28°，成為了第一顆跨大西洋通信衛星。

幾十年來，當我們提到電視轉播，提起通信衛星，通常就是這種在地球靜止軌道上運行的大衛星。

SpaceX公司的星鏈計劃與傳統的地球同步軌道上部署少量大衛星的方案不同。

為了能夠盡量減少時間延遲，同時降低對單一衛星的功率的要求，SpaceX公司的星鏈計劃採用了不同的方案：用軌道高度在1000多公里近地軌道衛星代替軌道高度為35786公里的地球同步軌道衛星。

如此說來，衛星與地面的距離近了很多，電磁波以光速從地球同步軌道傳輸到地面，需要119.29毫秒，而從1000多公里的近地軌道傳輸到地面，則僅需3.3毫秒，為同步軌道的36分之一。

不過，把軌道變低，雖然有種種好處，但是也有不少弊端。如上圖所示：

地球同步軌道衛星的單星覆蓋範圍是大洲級別的，而近地軌道衛星覆蓋的範圍是省/州級別的。另外，按軌道動力學，近地軌道衛星的飛行速度較快，僅能夠在同一地方的天空逗留幾分鐘。

這就使得，星鏈計劃如果要完全全球覆蓋，並且做到全天可用的話，需要大量部署衛星。

單顆小衛星的覆蓋範圍雖然有限，但是如果這些小衛星組成星座，而且星與星之間還能夠進行通信的話，就能夠形成一個覆蓋住地球的大網。

SpaceX公司的星鏈計劃準備這樣搭建，基本上分三步走：

其中，前800顆衛星滿足美國、加拿大和波多黎各等國的天基高速互聯網的需求。

軌道高度1150公里，軌道傾角53°。

第2組由400顆衛星組成，分布在8條軌道上，每條軌道50顆，軌道高度1130公里，軌道傾角為74°；

第3組由375顆衛星組成，分布在5條軌道上，每條軌道75顆，軌道高度1275公里，軌道傾角為81°；

第4組由450顆衛星組成，分布在6條軌道上，每條軌道75顆，軌道高度1325公里，軌道傾角為70°。

前兩步的衛星總數量為4425顆，這些衛星工作在較為傳統的Ka波段和Ku波段，力爭以量取勝。

這些衛星的運行軌道比第一步和第二步的4425顆衛星的1110公里到1325公里軌道高度要更低，為340公里高度附近。

星鏈計劃的三步走完成後，就在近地軌道組成了兩層龐大的衛星星座，內層340公里軌道高度的7518顆衛星與外層的1000多公里軌道高度的4425顆衛星組成的11943顆衛星星座佔據了上圖的黃色區域，與傳統的地球靜止軌道的紅色區域形成了較為鮮明的對比。

這是什麼概念？

按小火箭工作室的統計數據，目前世界各國在太空中運行的衛星，仍在工作狀態的，總共也只有1742顆。

而SpaceX的星鏈計劃如果完成部署，其新入軌的衛星總數就會是目前所有國家在軌運營的衛星總數的將近7倍。

嘗試

如今，我們已經習慣於使用微信進行交流溝通，而數年前，我們交流的媒介主要是手機電話和簡訊。

公元1992年12月3日，在英國沃達豐工作的22歲的軟體工程師帕普沃斯用計算機給一部2公斤重的攜帶型電話發送了兩個單詞。

和咱們逢年過節的時候做的事情類似，這小夥子給公司的這部電話發送的是「Merry Christmas」聖誕快樂。

這就是世界上第一條簡訊。

很快，1993年，諾基亞就推出了世界上第一款可以收發簡訊的行動電話。

這家在1865年以伐木和製造木漿起家的企業，經歷過1898年的橡膠業大發展和1912年的電纜行業大進軍後，與1987年成為了歐洲軍火巨頭SAKO的股東（佔50%），生產SAKO-NOKIA子彈。

進入手機行業的諾基亞，在2005年達到了事業的巔峰，年出貨2.64億部手機，全球市場佔有率達32.1%，是位居第二的摩托羅拉的1.8倍。

不過，說起人類在通信領域對衛星星座的嘗試，就不得不提摩托羅拉公司了。

摩托羅拉，這家在阿波羅登月計劃中為登月飛船提供通信服務技術支持的公司，不僅僅在上世紀60年代末將阿姆斯特朗在登上月球的瞬間說的「這是我的一小步，卻是人類的一大步」這句話傳回了地球，而且一直在為提升人類的通信能力而努力。

公元1973年4月3日，時年45歲的馬丁·庫帕博士自信而謙卑地站在紐約曼哈頓最為繁華的街頭，舉起他研製的行動電話原型機，給大名鼎鼎的貝爾實驗室打了一個電話。

上圖為2007年庫珀博士的情景再現照片。這部1.1公斤重的電話開啟了人類的移動通信時代。

摩托羅拉公司當然要以庫珀博士為傲了，在他的努力下，摩托羅拉領先于貝爾實驗室，率先研製成功了人類第一部行動電話。

1985年，摩托羅拉公司的高級工程師巴里·伯蒂格和他的妻子在巴哈馬度假。

當時，大忙人伯蒂格夫人擔心在這個相對曼哈頓地區要偏遠得多的地方，手機會沒有信號，從而錯過客戶的來電。

伯蒂格的工程師靈魂被妻子的擔心喚醒了，他當時靈光一閃，想出了一個由遍布在太空的大量衛星構成的星座來實現全球信號覆蓋的大膽的方案。

GIF

這就是赫赫有名的銥星計劃的來源。

上圖每個小圓圈都代表了一顆衛星的覆蓋範圍。整個星座由77顆衛星構成，星座中的每顆衛星覆蓋一個較小區域，而77顆衛星組合起來，就實現了對全球的覆蓋。

77是元素周期表中銥元素的序列，因此計劃得名為銥星。考慮到銥元素得名於彩虹女神伊麗絲，這名字真是好聽。

後來，銥星星座的衛星總數由77顆減少為66顆，按理說，計劃名稱應該改為66號鏑元素了吧。不過，後來摩托羅拉公司沒有改名，依然沿用銥星這個名字。因為66號元素鏑的希臘語原意為極難獲取。

如果用這個名字來命名一套以信號的全球覆蓋為奮鬥目標的系統的話，不祥。

不過，實際上，銥本身也是極難獲取的。銥是地殼中的稀有的元素之一，預計總含量僅有黃金40分之一，是白金的十分之一。

後來的故事，大家就比較清楚了。

公元1998年11月1日，時任美國副總統戈爾使用銥星行動電話打出了第一個電話，標誌著銥星系統開始投入運營。

當時，一部銥星手機的報價是3000美元。

（小火箭根據通脹率計算，相當於2018年的4947美元，也就是人民幣31350.62元，約為3.1萬元。）

好貴。而每分鐘的通話費用為3美元到8美元不等。按平均5美元來算的話，換算成2018年2月份小火箭在寫這篇文章時候的人民幣，約為52.22元每分鐘。

那個年代，海底電纜和光纖技術的突飛猛進，銥星計劃可謂生不逢時。

到1999年5月，銥星總共才獲得了1萬用戶。投入運營5個月零20天的時候，銥星總虧損額已經超過了5億美元。

1999年8月，銥星用戶突破2萬人，但是還是等不起了。1999年8月13日，銥星申請破產。2000年3月17日，銥星破產。

用整整12年研發和布設的天基系統，擁有堪稱完美的星座設計，但是投入運營僅15個月就破產了。

比較

銥星的破產引發了大討論。其案例成為了無數工商管理培訓課程上的必講內容。

銥星的影響是深遠的。太空探索的商業化開始面對巨大的來自庸俗思想的壓力。高科技不代表高收益，這樣一句話成為了大量懶於創新或者沒有自主研發能力的企業的借口。

對銥星案例的恐懼成為了今天低軌星座建設的阻礙，對依賴山寨和模仿來獲取低投入高回報的貪婪成為了如今高科技研發的噩夢。

對於SpaceX的星鏈計劃和摩托羅拉的銥星計劃，小火箭認為有以下幾點不同：

第一代銥星系統的衛星中，大部分（55顆）是由德爾塔II型運載火箭發射的。該火箭在上世紀90年代的發射報價為5100萬美元，也就是相當於今天的8409萬美元。

而SpaceX公司用於發射星鏈衛星的獵鷹9號火箭的報價僅6200萬美元。

比如SpaceX公司的前2顆星鏈衛星就是發射西班牙的軍星的時候搭載上去的。

2. 星鏈計劃的用戶要遠多於銥星計劃。

上圖為在南極地區執行任務的美國空軍人員正在使用銥星系統進行通信。

銥星的通話費用和在偏遠地區通話的比較優勢就註定了其用戶主要是軍方、科學家、遠洋航海者和石化行業從業人員以及一些熱愛挑戰極限的旅行家。

而星鏈計劃的重點在於遍布全球的高速互聯網。相較於通話，人類對高速互聯網的需求要大得多。

3. 星鏈計劃誕生的時代要好於銥星計劃。

時代在發展，就連在2000年宣布破產的銥星計劃也開始以第二代的方式復興。

新一代銥星的通話費用為主動呼叫普通電話1.5美元/分鐘，被動接聽普通電話3美元/分鐘，銥星手機終端互相呼叫，費用為1美元/分鐘。

上圖為SpaceX公司的獵鷹9號運載火箭發射第二代銥星衛星時的場景。

4. 星鏈計劃的通信技術更為先進。

以往的銥星計劃，帶寬過窄，語音要經過大幅壓縮才能傳輸，影響了用戶體驗。而星鏈計劃以高帶寬為發展重點。

從發射成本、用戶量、時代背景和通信技術這4個層面來比較，我們可以發現，雖然看起來都是星座，但是星鏈計劃的前景相對要更樂觀一些。

門檻

小火箭覺得，星鏈計劃未來，需要突破三大門檻：

第一，技術門檻。

星鏈的衛星，軌道非常低，單星覆蓋的範圍很小，因此單星提供服務的時間窗口比較窄小，對星星服務切換速度和切換的可靠性要求非常高。

對於衛星與衛星之間的鏈路，需要引入激光通信技術。

第二，資金門檻。

星鏈計劃，初步需要100億美元，隨後為了架設完整的星座，陸續還需要300億美元的資金。

當然，如果星鏈計劃成功實施，就會使得全球其他39億無法接入互聯網的人成為全球互聯網的客戶。由此帶來的收益，每年保守估計有300億美元。

第三，環保門檻。

太空碎片日益增多，詳見小火箭的公號文章《太空探索的三種風險》。

小火箭計算之後，發現：一塊從運載火箭上剝落的直徑為1cm，厚度為1mm的漆片在碰撞瞬間能夠給航天器送上高達4800焦耳的動能。這個能量和一枚7.92mm毛瑟步槍專用S.m.K.H. 穿甲彈的出膛動能相當。

1980年2月14日，一顆用於研究太陽現像，特別是太陽耀斑的太陽極大期任務衛星發射升空。上圖為1984年挑戰者號太空梭維修這顆衛星的時候，在星體上發現的太空垃圾撞擊造成的孔洞。

美國科學家凱斯勒（Donald J. Kessler）在1978年提出了一種理論假設。他認為：「當在近地軌道運轉的物體的數量達到一定程度時，這些物體在碰撞後產生的碎片將形成更多的新撞擊，從而引發連鎖效應。這意味著近地軌道將被危險的空間碎片所覆蓋。由於失去了能夠安全運行的軌道，在之後的數百年內太空探索和人造衛星的運用將變得無法實施。「

如果這個假設成立的話，今後在近地軌道運行的空間站將陷入槍林彈雨之中。

總數將近1.2萬顆的衛星，需要有可靠的鈍化技術，讓失效的衛星及時再入大氣層焚毀，以免在太空中引起連鎖效應。

這一點，SpaceX公司已經進行了相關的計算，爭取在未來不會引發什麼亂子。

顛覆

星鏈計劃的發布和實施的過程中，會逐漸從思想層面或者實際操作層面顛覆一些行業。小火箭在此和大家一起做一些探討。

第一，衛星製造業。