“星星組鏈”，天基互聯網邁出實質一步

蘭順正

2019年5月25日晚，馬斯克旗下的太空探索技術公司（SpaceX）的一枚“獵鷹9號”重型火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角發射升空。

美東時間5月25日晚10點30分，美國太空探索技術公司（SpaceX）的一枚“獵鷹9號”運載火箭在得克薩斯州卡納維拉爾角第40發射場點火成功，隨后將60顆服務于“星鏈計劃”的衛星推舉升空。此次發射意味著SpaceX公司雄心勃勃的“星鏈計劃”邁出了實質性的第一步。

“太空互聯網”

SpaceX是由早期投資人埃隆·馬斯克在2002年6月建立的一家太空運輸公司。經多年發展，該公司用事實證明了自己的實力，開創了多項人類航天史上的“第一”，其中之一就是開發了可部分重復使用的“獵鷹”系列運載火箭，使廉價太空旅行成為可能。馬斯克推出“星鏈計劃”同樣引人注目。

簡單而言，“星鏈計劃”就是試圖構建“太空互聯網”。SpaceX宣稱，“星鏈計劃”屬于下一代衛星互聯網，能夠以可靠的技術和低廉的成本為全球終端用戶提供低延遲、高帶寬的網絡寬帶服務，尤其是那些“未被互聯網覆蓋的人群”。該計劃于2015年正式啟動。2018年2月，SpaceX用“獵鷹9號”火箭將屬于微軟公司的兩顆原型測試衛星Microsat-2a和 Microsat-2b送上太空。按照SpaceX公司描繪的藍圖，“星鏈計劃”將大致分三步走：首先發射1600顆衛星完成初步的全球覆蓋，其中前800顆衛星滿足美國及北美洲的天基高速互聯網需求。接著用2825顆衛星完成全球組網，這前兩步的衛星總數為4425顆。最后用7518顆衛星組成更激進的“低軌星座”。“三步走”完成后，將有11943 顆衛星在軌。如果再加上一些備份星，“星鏈計劃”預計向地球近地軌道發射12000顆“星鏈”衛星。

其實，天基互聯網并非由SpaceX首創，此前已有類似服務出現，不同之處在于，目前的太空互聯網服務一般采用地球同步衛星，軌道高度36000公里，優點是衛星可以固定在某個區域上空運行，而且只需要3顆就能覆蓋全球大部分區域。缺點在于，36000公里的距離會導致信號往返時間較長，延遲比較明顯，無法滿足如實時通信等對信號延遲度要求較嚴格的互聯網服務，而且通信距離越遠，所需能量就越大，衛星天線的功率也必須比較大，因此，提供有關服務的地球同步衛星一般都是大型衛星，成本很高。為了提高服務質量，使用近地軌道衛星提供互聯網服務的方案開始受到重視。使用軌道在距離地球2000公里以內的衛星尤其便于小型化和降低成本，但軌道越低，覆蓋整個地球表面所需的衛星數量越多，需要組建衛星互聯網，這也是“星鏈計劃”要發射多達12000顆衛星的原因。

除了SpaceX，多家企業和機構也有自己的相關計劃，如美國全球衛星電信網絡的初創公司OneWeb計劃建立一個由720顆衛星組成、軌道高度1200公里高的超大規模星座。加拿大電信衛星公司也提出了建立由117顆低軌衛星組成的衛星星座計劃。在我國國內，則有中國航天科技集團公司擬組建的“鴻雁”全球衛星通信星座系統。“鴻雁星座”由300多顆低軌道衛星及全球數據業務處理中心組成，具有數據通信、導航增強等功能，可實現全天候、全時段以及在復雜地形條件下的實時雙向通信能力，為用戶提供全球無縫覆蓋的數據通信和綜合信息服務。據悉該星座建成后，智能手機將直接進入衛星應用領域，支持用戶從地面網絡切換到衛星網絡。

插上5G的翅膀

人類通信史發展到現在，5G成為了最顯要的熱詞。5G是“第五代移動通信技術”的簡稱，也是4G技術的延伸。和已廣泛應用的4G技術相比，5G通信技術數據傳輸速率更高且延時低，平均傳輸速度可達每秒1Gb，理論峰值速率甚至可達每秒10Gb。同時，5G 通信技術在提高數據傳輸速率的同時還能大幅降低能耗，使低功率電池續航時間提高10倍以上。此外，5G通信技術支持廣域大容量的高速移動終端。據悉5G通信網絡能夠支持每平方公里600萬個設備的接入。5G更是大國博弈的重要領域，美國總統特朗普在白宮發表有關美國5G部署戰略的講話時就稱，“5G競賽是一場美國必須打贏的比賽……這是我們一定會贏的競賽。”一個時期以來美國打壓中興、華為等科技企業以及對華發動貿易戰，都與爭奪5G“制高點”有著千絲萬縷的聯系。

未來SpaceX的“星鏈計劃”如獲成功并與5G技術結合，影響將十分巨大。

首先在民用領域，隨時隨地實現按需的信息互聯互通是信息時代的最重要特征和必備條件，尤其在移動互聯、遠程操控、智能制造高度發達的未來，空中、海上及陸上偏遠地區的互聯網應用和高速率、低延時通信需求巨大。目前，全球還有一半以上人口無法接入互聯網，天基互聯網的接入對于遠程通信、教育、醫療、防災減災等重大民生和社會問題能提供有力的保障，將有助于提高地區城市化水平、改善地區經濟落后現狀、促進區域共同繁榮，滿足落后地區政府和民眾的切實需求。有分析認為，未來衛星互聯網服務提供商在服務剛剛進入市場時會先以航班、艦船以及北極地區的剛需用戶等高端客戶為目標，將價格定在較高水平。然后隨著時間的推移，再逐步降低價格并擴大市場。SpaceX認為，星鏈計劃最終實施后，每年全球范圍內預計將有300億美元的收益。同時，在未來物聯網將是大勢所趨，但現有的通信手段還達不到要求，而天基互聯網可以保障數據傳輸的及時性、有效性，讓萬物互聯成為可能，實現對萬物的“管、控、營”一體化，如在運送蔬菜、生鮮食品的過程中，可以隨時了解貨物以及車輛的情況，以實現最優配置和調度。

在軍事領域，5G與天基互聯網更是“黃金組合”。在信息時代，戰爭是陸、海、空、太空、網絡一體化作戰，對信息化作戰條件下的通信業務要求越來越高，天基5G則能很好的適應這些要求。具體而言，天基5G高速率、低延時的特性可以高效采集、傳輸、處理海量戰場數據，為指揮員提供實時數據分析結果并快速更新態勢信息，幫助后者建立對戰場態勢的高度感知，獲得更全面的視角。同時，天基5G通信技術能使更多的用戶利用同一頻率資源進行通信，從而在不增加基站密度的情況下大幅提高頻率應用效率，有助于實現戰場信息終端的互聯互通，打破原本各軍兵種平臺由于體制、裝備等方面的限制被困于“信息孤島”的狀態。

天基5G還能讓“無人軍團”更加成為可能。構建大容量、低延時、高速率的戰術通信網絡是實現遙控無人作戰的前提，但受限于作戰環境，基于光纖傳輸的通信手段是難以觸及的，而天基5G能提供戰場所需的通信解決方案，滿足后方目標識別和指揮通信需求，各類自動化武器系統也可以實現在毫秒級別的控制周期內完成傳感器測量、數據傳輸和智能解算等。在戰地醫療中，天基5G網絡可以實現醫生與機器人手術平臺遠程連接，為傷員提供遠程手術支持。后勤保障部門可以靈活控制無人運輸車隊，使戰場物資配送更加高效。可以說，天基5G將對人類戰場的作戰樣式產生顛覆性的影響。

除了成為軍隊戰斗力的“倍增器”，“星鏈計劃”甚至存在直接參戰的潛能。在該計劃伊始，就有觀點認為其會影響太空環境，因為總數近 1.2萬顆的衛星，如果被空間碎片撞擊產生新的碎片，并引發連鎖反應，后果不堪設想，如何處理已經失效的衛星也是大問題。對此，SpaceX稱在衛星選材上會盡量少地采用難熔金屬或者阻燃復合材料，這樣衛星失效后在進入稠密大氣后不久就會完全燒毀（目前能夠做到95%以上），最大限度減少再入碎片問題。而且“星鏈計劃”衛星都帶有離子電推進發動機，能夠實時收到來自地面的太空碎片監控情況，必要的時候能自主進行最優規避軌道的在軌優化計算并實施變軌，以免被太空碎片擊中后形成更多碎片引發空間災難。也有專家指出，“星鏈計劃”采用的這種防撞技術只需稍作修改，就能用來攔截敵方彈道導彈，因為如果衛星能夠按照最優軌道規避碎片，同時也就具備了按最優軌道攔截洲際彈道導彈彈頭的能力。

2018年，中國知名航天領域專家邢強博士及其研究團隊曾使用計算機模擬過“星鏈計劃”攔截核彈頭的能力，并將結論公開發表。在用計算機模擬的中彈道對抗演習中，部署完成的“星鏈”星座完成了對來自某地經過北極上空飛向華盛頓、洛杉磯和西雅圖的總計51枚核彈頭的在軌攔截。在第二次進一步地飽和打擊的對抗演習中，“星鏈”星座對多達350枚的洲際彈道導彈彈頭進行了攔截，全部成功。在這一推演中，單星攔截成功率雖略低于標準系列反導系統，但是配合地面陸基中段攔截彈，“星鏈”系統對于每顆彈頭，都有5到7次的攔截機會，使得敵方突防變得極其困難。邢強博士認為，在必要時，“星鏈”星座相鄰的衛星可以實施對撞自毀，產生上百個碎片，封鎖整條軌道，甚至通過多星自毀生成太空碎片網，影響某些國家的二次核反擊能力。

難度也不小

“星鏈計劃”的作用不可小覷，但要想成功也必須跨過一些難關。

首先是資金。雖然“星鏈計劃”的衛星可以用SpaceX自己的可重復利用的“獵鷹”火箭發射，并采用流水線式的衛星生產模式，降低發射和衛星生產成本，但要發射的衛星總數大得驚人，SpaceX目前的計劃是每次發射60顆，每年發射1000到2000顆。據SpaceX估計，“星鏈計劃”初步需要耗資100億美元，后續需要300億美元的資金。SpaceX期望“星鏈計劃”組網成功后，公司每年從中獲得300億美元的收益，但有業內人士指出，至少在本世紀中葉前，整個市場需求很難達到每年300億美元。

其次是技術。理論上天基互聯網是可行的，但具體技術依然存在挑戰。一方面，用近地軌道衛星代替地球同步衛星需要龐大的數量，低軌衛星相互之間需要經常切換信號和數據，所以衛星對地通信的協議、頻率設計等有更高要求，還需要解決衛星與衛星之間通信的問題。另一方面，由于低軌衛星單星覆蓋的范圍較小，所以提供服務的時間窗口較窄，要求星間服務能夠無縫銜接，這其中涉及的諸如鏈路損耗、衛星功耗、數據分發等技術細節能否在短時間勝任還有待觀察。同時根據“星鏈計劃”官方文件，一顆“星鏈”衛星的典型覆蓋面積是353萬平方公里，相當于9個多德國，或者220個北京，坊間對此有不少質疑之聲，因為即使衛星采用了相控陣技術，真正服務地區比覆蓋面積小些，但一顆衛星能提供的帶寬在如此巨大的覆蓋面積下會被幾千萬用戶分享，那么人均能分到的帶寬就會明顯不足。現在光北京地區就建設了2萬座鐵塔，每座鐵塔上還有多個基站。用一顆衛星為上百個北京地區提供服務，速率能否得到保障也是個問題。另外，在短時間內發射大量衛星，對于衛星制造技術乃至衛星制造業而言，都將是一個巨大的挑戰，可能存在技術不確定性。

第三是太空環境問題。盡管馬斯克對于“星鏈”衛星采用的防撞技術和失效后的鈍化技術信誓旦旦，但還是有不少科學家擔心如此數量龐大的衛星系統一旦轉化為太空碎片后會給今后的太空利用帶來災難性后果。而且在第一批“星鏈”衛星上天后，就有很多天文學家擔憂，越來越多的“星鏈”衛星會產生大量的反射光信號，進而“污染”星空，影響天文觀測。

“星鏈計劃”示意圖