SpaceX 公司低軌寬頻星座發展與研判

Microsat-2A 和2B 試驗衛星發射前配置情況

2018年2月22日，美國太空探索技術公司（SpaceX）在范登堡空軍基地利用獵鷹－9（Falcon－9）運載火箭成功發射了2顆試驗通信衛星微星－2A和2B（Microsat－2A和2B），計劃開展多項演示驗證工作，為其「星鏈」（Starlink）低軌寬頻互聯網星座建設提供支持。

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第一期星座情況

（1）按軌道面分批次完成部署，採取高效的離軌處置措施

Starlink第一期星座實現全運行能力將需要部署4425顆衛星，分布在83個軌道面上，軌道高度1110～1325km不等，在用戶端最低40°仰角條件下，可滿足全球無縫連續覆蓋。

SpaceX公司計劃分2個階段建設該系統，第一階段發射1600顆衛星，分布於32個1150km的軌道面上，每個軌道面50顆衛星；第二階段發射2825顆衛星，分布於1110km、1130km、1275km和1325km共4個不同軌道高度，分別對應32個、8個、5個和6個軌道面，各軌道面50～75顆衛星不等。值得一提的是，受美國FCC監管要求，SpaceX公司的星座部署工作將首先著眼於美國本土全境覆蓋，隨後繼續布星完成全球覆蓋。

Starlink 第一期星座衛星覆蓋情況示意圖

此外，為了滿足美國和國際社會對大規模星座離軌操作的要求，SpaceX公司提出了自己的處置方案，即在衛星退役後先進入1075km高的圓軌道，隨後利用儲備的燃料先將軌道降低至約300km處，然後關機，使其重返大氣層時燒毀，整個過程不超過1年。在提交FCC的申請文件中，SpaceX公司也專門對5個軌道面的衛星分別進行了離軌鈍化模擬分析，結果顯示,所有上述衛星均可在1年的時間內完成再入鈍化工作。

（2）衛星設計突出大容量、高速率，星間鏈路確保高適應性

Starlink第一期星座衛星將由SpaceX公司在西雅圖的衛星工廠設計並製造。根據該公司向FCC提交的申請文件來看，每顆衛星的發射質量達386kg，設計壽命5～7年，星體收攏狀態尺寸為4.0m×1.8m×1.2m，2副太陽電池翼尺寸均為6m×2m，主要參數與本次發射的試驗衛星存在一定差異。此外，星上還帶有霍爾效應電推進系統。

載荷方面，將具備數字信號處理能力，同時配備先進的相控陣天線，具體波束配置目前不詳，但每顆衛星的星下可覆蓋範圍半徑達1060km。據SpaceX公司推算，第一期星座完全部署狀態下，在美國大陸最多可見衛星數量約340顆。

從容量看，衛星用戶鏈路下行總可用帶寬約2GHz，根據並發用戶情況不同，單星容量可達17～23Gbit/s。如果按照平均20Gbit/s計算，首批1600顆衛星的總容量可達到32Tbit/s，而整個星座的數據容量將接近100Tbit/s。

為確保接入能力，實現高速率目標，SpaceX公司將在地面互聯網接入節點附近配建關口站，在星座第一階段部署完成後，僅美國大陸預計就將部署約200個關口站為星座提供支持，後期將進一步根據用戶需求擴充關口站數量。

值得一提的是，SpaceX公司的星座還將採用激光星間鏈路實現空間組網，配合星上處理與相控陣波束賦形技術，可在用戶層面更加靈活地調度和分配頻譜資源，同時在軌道層面靈活路由，達到網路優化管理以及服務連續性的目標，實現整個星座系統高度的適應性。

第二期星座情況

SpaceX公司新提出7518顆V頻段低軌衛星星座，軌道設計高度分布在330～350km範圍內。在衛星設計方面，同樣具備星間鏈路收發設備、相控陣天線等先進載荷。用戶鏈路和饋電鏈路工作於相同的頻段，用戶鏈路下行可用帶寬達5GHz，上行3GHz。

業務應用

根據SpaceX公司在2017年10月向美國參議院彙報的情況來看，其主要業務方向與一網公司計劃類似，致力於提供個人消費者級寬頻服務，用戶段終端單價將控制在200美元，將採用易於安裝的高指向性窄波束相控陣天線，具備良好的旁帶抑制性能，最高可獲得傳輸速率將達到1Gbit/s，遠超當前地面光纖網路的平均速率，時延則達到25～30ms的水平。

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幾點研判

（1）試驗星發射具有階段性意義，但必須理性看待當下輿論反應

毫無疑問，2顆試驗衛星發射成功是SpaceX公司推進其星座計劃建設的重要環節，待開展的一系列在軌演示驗證任務，將對進一步優化系統設計方案、儘早啟動工作星研製提供有利支持。但當下主流輿論對該事件的意義過分誇大，甚至部分描述與實際情況相去甚遠，因而必須理性看待。

首先，試驗衛星與星座系統的頻率、軌位申請相互獨立，試驗星的工作軌道低於正式星座，本次發射雖成功促進了Starlink第一期星座的頻率申請獲FCC批准，但對整個系統而言並沒有直接的占頻保軌作用，更不意味著後續部署和運營已經板上釘釘。

其次，試驗衛星公開的設計參數與此前公布的4425顆衛星方案存在較大差異，後續正式工作星採取何種方案仍存在較大變數，對整個系統建設成本和交付周期將產生何種影響，目前不可預測。

再次，從本次任務無法窺探出Starlink星座建設的真實進度，公開渠道信息唯一可確認的是SpaceX公司在西雅圖設立了衛星工廠，但生產線是否已配備、供應商是否已選取、訂單是否已簽署等重要信息均未公布，按照馬斯克一直以來的商業邏輯，不大可能因為保密原因而不公布。

最後，一些媒體對星座的應用服務場景理解存在巨大誤區。Starlink兩期星座採用的Ku/Ka和V頻段並無法實現所謂的「天基WIFI」概念，日常所採用的無線寬頻接入設備，如筆記本電腦、智能手機等，均無法與該頻段的衛星直接通信，必須藉助專用終端建立接入衛星網路，馬斯克在社交媒體對外宣稱的衛星WIFI接入密碼「martians」是一種宣傳策略，只為使公眾更易接受其服務理念。

（2）發展低軌星座，直接利益在於把握風口機遇和升級發射能力

對SpaceX公司來說，從發射服務提供商向大規模低軌互聯網寬頻衛星研製和運營領域拓展，是其在商業航天領域的又一次重要戰略部署。就其自身利益角度來分析，該舉措主要包括兩方面目的。

首先，在於把握衛星與地面信息網路演變的重大機遇，以此為切入點搶佔發展先機。近年來，地面通信網路用戶增長速度日趨緩慢，促使運營商迫切希望拓展市場範圍，但面臨建設成本高、投資回報率低的困局。受此影響，大型互聯網科技公司谷歌公司（Google）、臉書公司（Facebook）等紛紛考慮通過空基、天基手段解決這一問題，SpaceX公司發展低軌星座在早期就獲得了谷歌公司的支持。另一方面，衛星通信行業也正經歷深刻的收入結構調整，傳統最大的收入來源—固定電視直播業務增長乏力，衛星寬頻服務業務未來10年的用戶數量和收入規模則將產生300%的激增（數據源自美國北方天空研究所最新版《VSAT與寬頻衛星市場》報告），巨額的回報預期推動了以Starlink為代表的一批低軌寬頻互聯網星座計劃集中湧現。

其次，在於不斷鞏固和持續升級其既有的火箭研製及發射服務能力。目前來看，SpaceX公司的核心業務收入來源仍然是提供發射服務，這也是向其他領域拓展業務的根基所在。如果Starlink第一期星座建設計劃（2019－2026年）順利實施，按照當前獵鷹－9火箭的運載能力推算，至少可以確保每年10次以上的發射任務，對穩固其發射業務收入、降低發射服務成本、提升市場競爭力，具有重要的意義；另一方面，Starlink星座建設所產生的任務增量，對其持續擴充升級火箭研製能力和增強發射服務能力，也必將產生正面和直接的影響。

作者：李博

來源：《國際太空》2018年第8期

「星鏈」獲取全文PDF

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