「鋼鐵俠」的衛星互聯網計劃
埃隆·馬斯克估計，單顆衛星的製造和發射成本將會降到略超過100萬美元的程度，而整個星鏈計劃的成本大約會超過100億美元。（視覺中國/圖）
（本文首發於2018年3月1日《南方周末》）
人稱「矽谷鋼鐵俠」的SpaceX 首席執行官兼首席技術官埃隆·馬斯克說，這個前所未有的衛星通信網路將「使寬頻網路的速度達到目前全球平均水平的180倍」。
北京時間2018年2月22日22時17分，美國太空探索技術公司 （SpaceX）從加利福尼亞州范登堡空軍基地成功發射了1枚「獵鷹9號」火箭。這枚火箭上搭載了3顆衛星，其中有兩顆是同一型號的通信衛星，分別叫做「丁丁A」和「丁丁B」——顯然來自比利時著名漫畫《丁丁歷險記》里那位環遊全球的主角。
這兩個「丁丁」的目的，是為了驗證「星鏈」（Starlink）衛星星座計劃的可行性。2015年，SpaceX開始著手這個歷史上最龐大的衛星通信項目，計劃在未來幾年內發射12000顆通信衛星，在不同高度的軌道上覆蓋全球，並且為地球上任何位置的用戶提供高達1Gbps的無線寬頻上網服務。有了這樣的網路速度和覆蓋率，人們可以實現許多以前難以想像的網路使用方式，讓移動通信走進下一個時代。
人稱「矽谷鋼鐵俠」的SpaceX 首席執行官兼首席技術官埃隆·馬斯克說，這個前所未有的衛星通信網路將「使寬頻網路的速度達到目前全球平均水平的180倍」。
達到5G標準
1Gbps的上網速率，足以讓用戶在1秒鐘下載32首歌曲，或者1分鐘內下載1部高清電影。即使對於有線寬頻網路來說，這也算得上是高速了。目前，這樣的高速有線寬頻網路只在很少的幾個小城市中有實驗性的應用，還遠遠沒有大規模商業化應用；而在無線寬頻中，這是下一代通信標準（5G）才能達到的目標。
現在，埃隆·馬斯克想要通過衛星通信技術來達到這個目標。
衛星通信技術已經有58年的歷史了。美國在1960年8月發射的「回聲1號」（Echo 1）是世界上第一顆通信衛星。它基本上是個直徑30米的大氣球，表面塗了一層薄膜金屬材質來增強反射性能。就是這個看似簡陋的衛星，讓人類第一次通過衛星直播了語音通訊，讓人們第一次通過衛星打通了跨洲電話。它的原理很簡單：從地球上的某個點把數據發送到太空中，然後用光亮的表面再把這些數據送回地球上的另一點。
這是所有通信衛星的基礎原理。不過，後來的通信衛星要更複雜得多。「回聲1號」還只是直接反射通信信號而已，而兩年後發射的「電星1號」（Telstar 1）就已經可以完成完整的信號增強和中繼工作，可以把美國的電視節目送到大西洋對岸的法國。
早期的通信衛星主要用於電視、電話和廣播，直到1990年代才開始用在互聯網信息傳輸上。用於上網的通信衛星技術和衛星電話相似——用衛星天線把信號發送給衛星，同時接受來自衛星的信號，再經過調製解調後傳輸到電腦上。
中國在2000年開通了衛星上網業務，名叫「高速163」。這是一種單向衛星通信技術：用戶可以用衛星天線下載數據到自己的電腦上，但是在向互聯網發送數據時，還需要通過傳統網路服務商的線路才行。這種上網方式，下載速度可以達到400kbps，在當時已經是了不起的高速了——比當時常見的數據機快了近十倍。
單向衛星通信技術很快就升級成了雙向技術，更多商業性衛星網路公司也蓬勃發展起來。2005年，歐洲的空中客車公司開始嘗試在飛機上提供無線上網服務，讓衛星上網擴展到了新的領域——對於在平流層高速飛翔的飛機來說，通過衛星上網是唯一的選擇。
更多的需求對衛星上網的技術提出了更高的要求。能夠提供更快的上網速度、能夠讓更多人同時上網的通信衛星紛紛上天。2017年4月12日，中國首顆高通量通信衛星「實踐13號」成功發射，最高通信總容量達到20Gbps，超過了我國之前所有通信衛星容量的總和。在正式運行時改名為「中星16號」的這顆通信衛星，將會覆蓋我國大部分地區和海域，會在幾年之內讓我國的飛機、高鐵和輪船都擁有高速無線上網能力。
SpaceX 的12000顆衛星
「實踐13號」是一顆高軌道衛星，運行在離地面36000公里的地球同步軌道上。在這個高度，衛星信號能夠覆蓋地球表面大概三分之一的面積，而且所處的位置相對於地球是靜止的。
雖然位置穩定而且覆蓋範圍大，但是同步軌道通信衛星也有些不足。它的信號傳輸路徑長，信號損失會更大，通訊延時也更大。從1990年代起，一些企業開始嘗試開發和使用低軌道通信衛星。
低軌道一般是指距地面2000公里以內的人造衛星軌道。雖然低軌道衛星能避免同步軌道衛星的不足，但是在這個距離上，一顆衛星只需要幾十分鐘就能繞地球一圈，而且信號能夠覆蓋的面積也要小得多。顯然，像同步軌道那樣指望靠3顆衛星就覆蓋全球大部分區域是不可行的。
解決辦法就是發射更多的衛星，讓每個區域每個時刻都能有衛星覆蓋。SpaceX的星鏈計劃就是這種思路下的產物。埃隆·馬斯克聲稱，要在2024年之前發射4425顆低軌道通信衛星，來構建覆蓋全球的高速無線寬頻互聯網。而在這之後，還向更低高度軌道再發射7500顆衛星，來進一步提升這個系統的性能。
這是個野心勃勃的計劃。現在，地球上空漂浮著四千多顆衛星，其中依然還在正常使用的大約有一千七百多顆。這是在過去60年中人類慢慢攢出來的，而馬斯克計劃在，6年內就發射同樣數量的衛星。
被媒體稱為「矽谷鋼鐵俠」的埃隆·馬斯克，對這個計劃信心滿滿。他認為，衛星同樣是可以批量化生產的，而批量化就意味著成本的降低。而且，他的SpaceX已經掌握了火箭回收技術，可以大幅降低發射成本。大批量、低成本，這是工業化的思路，而傳統的航天科技是更類似於手工製造的高成本產業。
目前，在天上遊盪的「丁丁A」和「丁丁B」是驗證性的實驗衛星，和預計發射的其他衛星體積重量相同。單顆衛星的重量大約386公斤，是一個長4米、寬1.8米、高1.2米的長方體，還帶著兩塊12平方米的太陽能電池板。每一顆衛星都像我國的「實踐13號」那樣，能提供 20Gbps的通信總容量。
使用SpaceX的可回收運載火箭，每次發射都可以搭載多顆衛星。在馬斯克的計劃中，這四千多顆衛星分成兩個階段發送：第一階段，先向1150公里高度的軌道上發射1600顆衛星，分布在32個軌道，每個軌道上都有50顆衛星。第二階段，將剩下的2825顆衛星安置在從1110公里到1325公里高度的4個軌道高度上，每個軌道高度上有數量不同的軌道，每個軌道上部署的衛星數量從50顆到75顆不等。
當所有的4425顆衛星發射完成後，將在地球上空構成5個不同高度的衛星網路，彼此之間通過激光通信，讓所有人可以在所有地點使用高速無線網路。但是，不需要全部衛星發射完成，這套衛星星座系統就能開始提供服務。只要先發射800顆衛星，就能覆蓋南緯和北緯15度到60度的範圍——這也是地球上大多數人類生活的區域。
當然，和其他衛星上網系統一樣，想要使用這套衛星系統上網的用戶，都需要安裝特定的衛星上網天線。據說這些天線結構簡單，可以很容易地安裝在窗戶或者牆面上。
另一個銥星計劃？
聽起來，星鏈計劃是又一個革命性的全球基礎設施。許多人為這個項目歡欣鼓舞，當然也有大量的質疑。最常見的一種，是星鏈與銥星系統的對比。
銥星系統的慘烈失敗，是上世紀末最令人關注的科技事件之一。摩托羅拉公司從1987年開始構思的這套系統，是希望通過77顆低軌道通信衛星，為全球所有地點提供衛星移動通信服務。因為「銥」的原子係數是77，所以這個項目就叫做「銥星」。雖然最終方案使用了66顆衛星而非之前設計的77顆，但是這個項目名稱依然沒有變化。
銥星系統是衛星通信領域的里程碑。1996年，第一顆銥星衛星上天，運行在780公里的低軌道上。到了1998年，所有66顆衛星發射完畢，開始組網運行。但是，當時的 GSM系統已經成熟，地面基站已經覆蓋了大部分移動通信用戶。
相比於高價的衛星通訊，大多數人的需求可以通過廉價的GSM 來滿足。到了2000年，銥星系統的投資超過30億美元，但衛星電話卻只賣出了5.5萬部，摩托羅拉公司不得不以極低的價格將整個銥星系統賣給了美國軍方。銥星系統在2001年復活，開始正視互聯網時代的機會。從2015年開始，第二代銥星系統的第一批衛星製造完成，同樣通過SpaceX公司的火箭發射。
同樣是通信領域、全球覆蓋、理想主義色彩濃重的龐大計劃，星鏈計劃被拿出來和銥星系統相比，也是情有可原。只不過時過境遷，這種比較未必談得上公平。在銥星系統的時代，很少有人能夠預想到互聯網的快速崛起，銥星系統的衛星是為了語音通信而設計的，沒有考慮數據通訊功能。而星鏈計劃一開始就瞄準了高速無線網路，提出了即使是今天也難以達到的高速率寬頻。
單顆衛星的承載能力有限，因此銥星系統只能採用更高的定價來篩選用戶，只為少數用戶提供服務。但是，用戶數量太少又意味著資金回籠太慢，運營成本抵不過收益。而且，對於銥星系統來說，衛星製造和發射都意味著高昂的成本。
星鏈計劃則有些不同：大量的衛星意味著可以為大量客戶服務，獲得更高收入；同時，製造成本也會因為衛星數量的增加而下降。SpaceX在火箭回收技術上的發展則可以降低發射成本——埃隆·馬斯克估計，單顆衛星的製造和發射成本將會降到略超過100萬美元的程度，而整個星鏈計劃的成本大約會超過100億美元。
目前星鏈計劃面臨的主要問題，倒應該是通信性能的不足。要是正式發射的衛星與兩顆「丁丁」衛星通量相同，則每顆衛星只能為數百名用戶提供服務。雖說幾年內技術發展可能會讓單顆衛星的通量更大，但是提升也是有限的。在人口密集區域，這些衛星能夠提供的上網帶寬和同時承載的用戶數量，應該難以滿足用戶的需求。
SpaceX的一份內部文件顯示，該公司希望星鏈計劃能在2025年時擁有4000萬以上用戶，同時收入達到300億美元左右。如果要達到這個目標，現有的通量是遠遠不足的。也許 SpaceX已經開發出了更好的技術？畢竟在這家公司提供給美國聯邦通信委員會（FCC）的申請文件中，並沒有暴露多少技術細節，有些關鍵項目還乾脆直接保密。
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