SpaceX公司低軌寬帶星座發展研判與啟示

李博（北京空間科技信息研究所）

北京時間2018年2月22日22：17，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）低軌寬帶互聯網星座建設提供支持。本次發射任務中，SpaceX公司還嘗試回收獵鷹－9運載火箭的整流罩，但并未獲得完全成功。本文從發射任務及SpaceX公司的星座計劃出發，對其發展情況進行研判，同時思考我國星座建設面臨的問題和挑戰，結合國外發展經驗，提出相應建議。

Microsat-2A和2B試驗衛星發射前配置情況

1 任務基本情況

本次發射的主任務載荷為西班牙軍用偵察衛星“帕斯”（PAZ）,2顆試驗衛星則作為次級任務載荷，首先進入高514km、傾角97.44°的太陽同步軌道，隨后利用衛星自身推進系統抬升至1125km的預定任務軌道。SpaceX公司創始人兼CEO伊隆·馬斯克在北京時間2018年2月23日凌晨對外宣稱，2顆試驗衛星已完成部署，進入預定軌道，并與地面站完成了首次通信。

目前，Microsat－2A和2B衛星對外披露的信息極少，從SpaceX公司提交美國聯邦通信委員會（FCC）的文件以及外媒相關報道綜合來看，2顆衛星配置相同，采用三軸穩定工作方式，發射質量約400kg，設計壽命6～12個月（可能延長至20個月），將在完成任務后執行離軌操作。星體收攏狀態尺寸為1.1m×0.7m×0.7m，2副太陽電池翼，每副尺寸為2m×8m，星上還配置了供配電、姿軌控、熱控、推進等主要的平臺分系統。載荷方面，星上載有Ku頻段的相控陣天線以及激光星間鏈路發射接收設備；此外，還載有一個低分辨率的成像系統。

2顆衛星入軌后的主要任務包括：①對衛星平臺及相關分系統的性能進行驗證；②對相控陣天線的射頻特性、波束指向精確度、鏈路數據傳輸能力以及地面站之間的無縫切換性能進行驗證。SpaceX公司將利用美國的5個固定地面站以及3個移動地面站完成上述演示驗證工作。根據2顆衛星的預定工作軌道分析來看，約每天最多有15min的測試窗口。

2 Starlink星座情況

項目背景

SpaceX公司低軌互聯網星座項目最早于2015年提出，旨在利用大規模低軌衛星提供全球高速寬帶接入服務。2016年，該公司曾向FCC提出發射6～8顆試驗衛星的申請，首批2顆衛星Microsat－1A和1B原計劃2016年10月發射，但此后因設計改動過大，2顆衛星降級轉為地面測試，任務名保留，故本次發射的衛星延續命名為Microsat－2系列。

2016年11月，SpaceX公司正式向FCC提交在美國運營Ka頻段低軌互聯網通信系統的申請，文件顯示該系統名為“SpaceX非靜止軌道衛星系統”（SpaceX NGSO Satellite System），共包括4425顆衛星。2017年3月，SpaceX公司再次向FCC提交V頻段低軌星座運營申請，并命名為“SpaceX V頻段非靜止軌道衛星系統”，該星座將由7518顆衛星構成。由此，SpaceX公司星座將包含接近12000顆衛星，成為迄今為止人類提出發展的規模最大的星座項目。

2017年8月，SpaceX公司向美國專利局提交商標注冊申請，將其兩大星座計劃正式統一命名為“Starlink”，根據申請文件來看，星座的主要應用包括衛星通信和傳輸服務、高速無線寬帶服務，以及衛星成像服務和遙感服務等。

2017年10月，SpaceX公司與一網公司（ONEWEB）共同參與了美國參議院商業、科學與技術委員會的聽證會，并披露其2顆試驗衛星將在數月內發射，計劃于2019年啟動在軌工作星的部署，2024年完成首批4425顆衛星部署。

2018年2月，2顆試驗星發射成功。

2018年3月底，美國FCC正式批準SpaceX公司的Ka頻段低軌互聯網通信系統在美國提供衛星寬帶服務。

第一期星座情況

（1）按軌道面分批次完成部署，采取高效的離軌處置措施

如前所述，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。

Starlink第一期星座軌道設計

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，分布于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，分布于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于美國本土全境覆蓋，隨后繼續布星完成全球覆蓋。

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，即在衛星退役后先進入1075km高的圓軌道，隨后利用儲備的燃料先將軌道降低至約300km處，然后關機，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仿真分析，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并制造。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范圍半徑達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。

Starlink第一期星座衛星覆蓋情況示意圖

從容量看，衛星用戶鏈路下行總可用帶寬約2GHz，根據并發用戶情況不同，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后，僅美國大陸預計就將部署約200個關口站為星座提供支持，后期將進一步根據用戶需求擴充關口站數量。

Starlink第一期星座工作頻率情況

值得一提的是，SpaceX公司的星座還將采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，達到網絡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范圍內。

Starlink第二期星座軌道設計

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于相同的頻段，用戶鏈路下行可用帶寬達5GHz，上行 3GHz。

Starlink第二期星座工作頻率情況

業務應用

根據SpaceX公司在2017年10月向美國參議院匯報的情況來看，其主要業務方向與一網公司計劃類似，致力于提供個人消費者級寬帶服務，用戶段終端單價將控制在200美元，將采用易于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絡的平均速率，時延則達到25～30ms的水平。

3 幾點研判

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、盡早啟動工作星研制提供有利支持。

但當下主流輿論對該事件的意義過分夸大，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于正式星座，本次發射雖成功促進了Starlink第一期星座的頻率申請獲FCC批準，但對整個系統而言并沒有直接的占頻保軌作用，更不意味著后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，后續正式工作星采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。

最后，一些媒體對星座的應用服務場景理解存在巨大誤區。Starlink兩期星座采用的Ku/Ka和V頻段并無法實現所謂的“天基WIFI”概念，日常所采用的無線寬帶接入設備，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，必須借助專用終端建立接入衛星網絡，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。

發展低軌星座，直接利益在于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帶衛星研制和運營領域拓展，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，在于把握衛星與地面信息網絡演變的重大機遇，以此為切入點搶占發展先機。近年來，地面通信網絡用戶增長速度日趨緩慢，促使運營商迫切希望拓展市場范圍，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，衛星寬帶服務業務未來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與寬帶衛星市場》報告），巨額的回報預期推動了以Starlink為代表的一批低軌寬帶互聯網星座計劃集中涌現。

其次，在于不斷鞏固和持續升級其既有的火箭研制及發射服務能力。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制能力和增強發射服務能力，也必將產生正面和直接的影響。

4 思考與建議

積極引入智能制造工具，實現衛星批量化自動化生產

以SpaceX公司和一網公司為代表，新興低軌通信星座成千上萬顆的衛星交付需求，對傳統的衛星研制模式和理念形成巨大沖擊。一網公司和空客防務與航天公司（ADS）合作，充分利用智能裝配工具、大數據控制、機器人、增強現實工具以及自動測試系統等手段，加速整個總裝、集成和測試（AIT）流程，其1條生產線共包括30個測試和組裝工位，每個工位分配2名工人，可實現1天1星的出廠交付能力。其在佛羅里達州的衛星工廠將配備多條生產線，最高交付速度可達1天3星。

建議在處理低軌衛星制造問題時，從思路上更多地考慮“生產”而非“研制”，引入人工智能、3D打印、虛擬和增強現實等智能制造理念工具，優化調整衛星總裝、測試和試驗流程，推動衛星的批量化、自動化、短周期生產，牽引宇航制造能力的轉型升級。

兼顧質量、成本與周期，利用商用現貨手段提升交付效率實現產業鏈戰略利益捆綁，塑造利于星座發展生態圈

傳統地球靜止軌道（GEO）衛星小批量、高成本特點，決定了需要反復測試和大量冗余措施，以最大程度降低故障率，保證最高的運行安全和穩定度。大規模低地球軌道（LEO）衛星的單星成本相對較低，除了進行衛星長壽命設計以外，可考慮利用在軌備份星等多種手段確保故障出現時的服務質量和連續性，如“下一代銥星”（Iridium NEXT）星座就包含了9顆在軌備份星，SpaceX公司第一期星座每個軌道面也有2顆備份星。此外，如OneWeb衛星結構供應商華格公司（Ruag）、星敏感器供應商法國索登公司（Sodern）都曾透露將提供基于商用現貨（COTS）器件的產品，以提升交付能力。

簡單來說，從99%提高到99.9%的質量要求，對研制成本和交付周期而言已絕非0.9%的增量，這種思維模式上的轉變，值得重視。建議參考國外新興星座的經驗，加快開展商用現貨器件抗空間環境試驗、器件采購與篩選控制、容錯設計等研究工作，加強商用現貨器件的可靠性分析、驗證和評估等，在可保障星座穩定運行基礎上，提高交付效率和經濟可承受性。

目前來看，新興低軌星座動輒百億甚至數百億美元的建設成本，決定了單純依靠一家公司、單個實體進行建設的愿望并不現實，充分挖掘資本市場、尋找適合自己的投資者成為重要的備選方案。而一網公司深度布局整個產業鏈條，利用投資者在衛星制造、發射部署、地面網絡、系統技術以及推廣運營等各方面的支持，形成以星座計劃為核心的完整系統配套生態圈，這種做法值得借鑒學習。

對我國目前正在建設的“鴻雁”星座而言，建議在內部可以充分利用中國衛通集團有限公司的衛星關口站、業務和市場渠道，在外部則考慮與電信運營商的地面網絡，與大型互聯網公司（BAT），以及華為、中興等公司的業務應用和技術資源結合，與航空、遠洋、物流、保險等重點行業建立戰略協議，合作開發行業解決方案，捆綁營銷策略，充分發揮國內航天主力軍的地位，積極塑造利于星座發展的良好生態環境，主導寬帶星座業態的發展。