一網的低軌互聯網規劃

文/ 遲惑

2020 年的3 月20 日，就在剛剛成功發射了第二批衛星之后的一個禮拜，世人矚目的英國低軌道全球寬帶通訊衛星運營商一網公司向美國特拉華州破產法院提交了申請，希望能夠按照美國破產法第11 條申請破產保護。這是一個相當令人意外的消息，就在新冠肺炎疫情爆發之前，一網星座還被人們當作商業航天的明日之星，是拯救整個衛星通信行業的標志性工程之一。在疫情剛爆發時，一網星座的建造實驗與發射沒有受到什么影響，然而僅僅過了不到一個月，這個具有強大品牌效應的星座居然就申請破產保護了。這其中，究竟發生了什么令人始料不及的變化呢？讓我們還是從一網公司的低軌互聯網規劃說起。

衛星到底多少錢一顆？

雖然說一網公司破產的直接原因是新冠肺炎疫情的影響，但實際上業內研究人士很早就發現，一網星座要出問題。早在2019 年的4 月，就有媒體采用了這樣的新聞標題：《一網星座如何才能夠讓它的第一批衛星不是最后一批衛星》。這篇報道所涉及到的內容相當多，但是核心問題之一，就是一網衛星本身的建造成本遠遠超過了預期。

在幾年之前格里格·維勒剛剛啟動星座建設的時候，一度提出一網星座的每顆衛星報價只要40 萬美元。這個數字讓當時的國際衛星通信界相當震驚，要知道40 萬美元折合不到300 萬元人民幣，也就是一輛豪華轎車的價錢。如果用這么一點錢就可以造出一顆寬帶衛星來，那實在是工程史上的一大突破。事實證明航天技術的突破沒有這么容易，到2015 年，一網公司把衛星單價上調到了50 萬美元。根據這樣的計算，整個星座制造和發射成本可以控制在35 億美元。一位分析家說，業界對于50 萬美元這個單價一直是廣泛質疑的。既然一網公司公開承認衛星單價有大幅度的上漲，就會嚴重損害自己在投資者那里的信譽。

很快，一網衛星的單價又上漲到了60 萬美元。但業內分析人士表示，根據研究，如果佛羅里達工廠能夠順利運行，一網的單星成本可以控制在70多萬美元。

▲ 一網星座在佛羅里達的工廠

可是到了2018 年，一網公司就開始對于星座造價到底是多少含糊其辭了。衛星單價遠遠超過了最初的預期。當時擔任一網公司CEO 的布朗格在接受記者采訪時表示，“我們不打算討論系統的總造價。”至于單星造價，布朗格表示“不會超過100 萬美元”。

很快，一網星座到底造價多少這個問題就和布朗格無關了。他在幾天后離職，把CEO 的寶座讓給了一位叫做阿德里安·斯泰克爾的人。有意思的是，斯泰克爾此前供職于一家叫做“擁護”的數字財富公司。根據“擁護”公司的測算，一網星座至少要花掉60 億美元才能建成。一網公司則表示，這個數字是不精確的。

顯然，決定衛星成本的是位于佛羅里達的衛星工廠。應該說，這是一家現代化程度極高的工廠，在航天史上前無來者。

佛羅里達工廠什么樣

2019 年7 月12 日，經過3 年零2 個月的建設，一網公司位于美國佛羅里達州的衛星工廠正式投產。在選址的時候，維勒得到了佛羅里達州政府的積極支持，州長瑞克·斯科特還和維勒一起，參加了開工儀式。這座衛星工廠的選址也很有意思，就在肯尼迪航天中心的大門外。這也是美國從國會到州政府打造所謂佛羅里達州航天海岸經濟帶的一項努力成果。這座衛星工廠占地近1萬平方米，投資8500 萬美元，藍色起源公司的火箭工廠就在旁邊。

按照一網星座發射項目負責人喬·佩雷格里諾的說法，傳統上，復雜的衛星都是先設計出來，然后再和制造部門討論如何實現。但是一網衛星采取了不同的辦法，從一開始就考慮到了制造問題，衛星的設備之間要容易組裝、容易檢查和維修。

▲ 2020 年1 月31 日發射的34 顆一網衛星

▲ 展會上的固定式一網終端

▲ 佛羅里達的一網衛星工廠極為先進

而一網衛星制造廠本身的設計也是按照這種戰略進行的。廠內有兩條并行的生產線，每條線都由一些“工作單元”組成，其中有些單元負責推進分系統，有的負責電子設備，還有的負責通信有效載荷分系統。所有工作單元的外圍地面上都貼著黃色膠帶作為邊界。不過有些工作單元是在兩條生產線之間共享的，比如太陽電池工作單元。生產線的起點在工廠的入口處，各種零部件都分類堆放在這里，然后被分組打包送到不同的工作單元那里。在推進分系統工作單元里，技師們把霍爾效應電推力器和燃料儲罐用螺釘安裝到衛星設備板上，然后用氦氣給儲罐加壓來檢測它是不是漏氣。當然在發射前，儲罐里要充入氙氣。

在電子設備工作單元里，技師們要把太陽敏感器、星敏感器和計算機安裝到一塊背板上。在太陽電池工作單元，技師們負責一對一對地組裝太陽電池，然后進行測試。有效載荷工作單元的內容比較復雜一些，需要進行大量線纜和方管的連接工作。用于和用戶終端通信的Ku 頻段天線、用于和系統地面站通信的Ka 頻段天線要分開組裝。

每個分系統完成之后，就會有一個盒子形狀的機器人跑過來，把成品運輸到工廠的另外一端進行總裝。這種奇怪的機器人被叫做“自動引導車”。在工作單元的黃色邊界線之外，還用紅色膠帶貼著路線指示線，“自動引導車”就靠著自己的相機和導航軟件，沿著紅色膠帶行進。

總裝線是所有的分系統組合在一起的場所，但有效載荷例外。總裝完成后的衛星平臺要經過一系列測試，包括振動測試等。

▲ 佛羅里達工廠實現了批產化

▲ 一網衛星天線使用太陽能電池

按照一網公司CEO 托尼·津吉斯的說法，傳統上，衛星制造是以總裝為核心的，技師們要在超凈間里把各種分系統和設備向一個固定的工作位置集中。一網工廠卻改變了模式，讓分系統流動起來。當衛星總裝完成，要用緩沖軌道車送去打包，裝進一種6 米長的集裝箱里。兩個集裝箱湊成一車，用平板卡車運出廠房，前往機場。

對空客集團來說，與一網公司合作開設衛星工廠，不僅僅是賺錢的問題。空客航天防務集團負責宇航系統的副總裁尼古拉斯·查慕斯說：“空客集團可以做到每天交付三架飛機。人們也在考慮這樣大規模地生產衛星，但一直沒有機會。要想制造一網這樣大規模的星座，必須一再強調的就是不能犯錯誤。”為此，空客在衛星設計上采取了重大技術革新方式，傳統衛星上有三套計算機系統，一網衛星上則只有一套。空客設計了一種新的計算機系統，分包給了一家具有批產能力的企業。

▲ 維勒親自在展會上宣傳一網終端

▲ 維勒展示一網天線內部

▲ 一網衛星的成本沒有控制住

不過一網衛星最困難的部分不是硬件，而是軟件，其開發周期是所有分系統當中最長的一個。

開工之初，衛星工廠只有80 名員工，維勒打算雇傭250 人。另外，由這家工廠帶動的產業鏈還能為佛羅里達州帶來3000 個工作機會。然而這一切在2020 年的春天戛然而止，能不能繼續運行下去，還要看一網公司和債權人的談判情況。

獨具匠心的終端

任何衛星系統要想發揮作用，都離不開衛星終端，這才是一網打算用來賺錢的核心設備。

根據一網星座的系統要求，所采用的終端天線必須能夠同時自動跟蹤多顆衛星。對衛星終端來說，低軌道星座和靜止軌道衛星最大的區別之一，就是一個動一個不動。

低軌道衛星和地面之間的相對速度基本上就是第一宇宙速度。終端要用波束來“抓住”這些高速運動的衛星，如果某一顆衛星馬上就要飛出視野，需要瞬間切換到另一顆衛星上。如果用機械式掃描天線來實現這樣的功能，我們就會看到天線像跳舞一樣不停地搖擺。

這樣的終端，無論價格、體積還是使用要求，都不是普通消費者能承受的。所以，一網公司的終端采用了近年來流行的電子掃描相控陣模式，用很多個收發單元在一個平面上按照一定的規則排成陣列。然后在計算機的控制下通過對不同收發單元的功率控制，來合成靈活指向的波束。這樣就不需要天線本身搖來搖去了。如果能把收發單元做得足夠小、排列得足夠緊湊，就能設計出很小的天線，再裝上調制解調器和電源就成了衛星終端，不但能隨身攜帶，裝在口袋里到處跑也是有希望的。

冷飲店+WiFi

▲ 維勒和可口可樂共同發明了冷飲店+WiFi 的模式

▲ 一網星座的首發火箭整流罩

一網衛星并不會直接連接到用戶的手機或者電腦上。它的理念，是在地面上設置很多個小型衛星終端，這些終端本身具有WiFi 功能。手機和其他個人終端用戶要來到這些終端附近，連上WiFi，才能和一網星座聯通，訪問互聯網。

也正是因為這樣，一網星座找到了可口可樂公司合作，在可口可樂的加盟冷飲店屋頂上裝一個一網終端。這樣，手機用戶們就會聚集到冷飲店旁邊，一邊喝汽水一邊刷朋友圈。刷到情深處還可以再來一瓶，是個雙贏的局面。

▲一網終端曾經獲得國際設計大獎

▲ 一網終端配套的太陽能電池可以折疊起來運輸

▲ 采用兩片相控陣天線的一網航空終端

然而冷飲店不是電信運營商，沒有多少本錢，也不具備使用復雜設備的技能。因此一網打算設計一種價格在1000～1500 美元的終端，一切操作都是自動化的，冷飲店老板只要把它放在屋頂上接通電源就行了。當然，如果咖啡店、快餐店打算加盟，一網也會來者不拒。相對來說，民航客機用的一網終端就要貴一些，售價大概要達到15 萬美元。

15 美元的個人天線

我們在前文中已經討論了一網星座的終端模式，但維勒并沒有就此止步，他還想開發一種個人終端，讓消費者能直接和衛星連通。2019 年年初，維勒拿出1000 萬美元，投給了一個叫瓦發的小公司。這家企業的發展方向，是開發一種非常便宜、非常小的天線，只要15 美元一副。圍繞它來開發一種衛星終端，售價只要200～300美元。

當時，這家企業已經開展了兩三年的研究。維勒預計，再通過一兩年的研究，總計經過500 次設計迭代之后，天線成品可以在2020 年投放市場。維勒表示，天線是終端里最重要、最困難的組成部分。整個天線只有八分之一英寸厚（折合3 毫米多一點），非常輕、非常薄、功耗非常低，性價比極高，可以大量生產。

長期以來，衛星通信行業在終端天線的技術發展上進展不大。雖然相控陣天線的理論已經很成熟了，但是因為收發單元的器件價格太高，所以一直沒能推廣使用。幾年前，一家叫做凱米塔的美國企業推出了車載超薄相控陣衛星天線，但是因為價格太貴，推廣工作一直不順利。維勒如果能做到15 美元一副天線，真的可以顛覆衛星通信行業的現狀。