國外低軌衛(wèi)星星座發(fā)展分析

摘 要 歐美等國的商業(yè)公司正加快布局低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，本文分析了構(gòu)建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的必要性、利用低軌衛(wèi)星星座實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署的原因以及系統(tǒng)的商業(yè)前景，并著重介紹了SpaceX公司Starlink星座系統(tǒng)的特點和其技術(shù)優(yōu)勢，進(jìn)而引出我們國家的應(yīng)對策略。

關(guān)鍵詞 低軌衛(wèi)星星座;衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng);Starlink;火箭回收

美國東部時間2020年1月29日上午10點，太空探索技術(shù)公司（以下簡稱SpaceX公司）通過獵鷹9號火箭，將60顆Starlink（星鏈）衛(wèi)星全部送入軌道。這是該公司繼2019年5月24日、2019年11月11日和2020年1月7日第四次成功發(fā)射Starlink衛(wèi)星，目前總共有240顆互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星在軌運(yùn)行。歐美等國為何近幾年加快布局衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃呢。

1低軌衛(wèi)星星座的必要性及商業(yè)前景

有人的地方就需要通信，而互聯(lián)網(wǎng)將全球連接到了一起。截至2019年，全球互聯(lián)網(wǎng)走過了50年發(fā)展歷程，普及率達(dá)到了55%。這從另一方面也表明，仍有近一半的人口未連入互聯(lián)網(wǎng)。這個龐大的數(shù)字對于任何一家互聯(lián)網(wǎng)公司來說，都充滿商業(yè)價值。目前，互聯(lián)網(wǎng)連接主要通過地面網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，但是很多偏遠(yuǎn)地區(qū)地面網(wǎng)絡(luò)難以抵達(dá)，或者建設(shè)成本過高。即便如美國這樣的發(fā)達(dá)國家，其地廣人稀且采取了低密度聚居模式，建設(shè)大量服務(wù)不了幾個人的基站性價比太低。因此，通過衛(wèi)星來構(gòu)建全球覆蓋的互聯(lián)網(wǎng)不失為一個現(xiàn)實的選擇。

起初，人們設(shè)想通過利用同步軌道衛(wèi)星覆蓋范圍大的特點，減少衛(wèi)星部署數(shù)量，從而降低系統(tǒng)建設(shè)成本，但同步軌道衛(wèi)星存在數(shù)據(jù)傳輸率低、時延高、難以全球覆蓋的不足。通過分析，在近地軌道部署衛(wèi)星星座，可以提高信號強(qiáng)度、降低試驗，并實現(xiàn)全球無縫覆蓋，是構(gòu)建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)更為理想的方案。于是OneWeb、Starlink等低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，Google、Facebook等互聯(lián)網(wǎng)巨頭也開始了相應(yīng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)計劃[1]。

提到低軌衛(wèi)星星座，首先不得不提上個世紀(jì)80年代的銥星計劃。但是地面網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展搶占了大量通信市場，致使銥星公司于1999年3月17日宣布破產(chǎn)。歷時11年建設(shè)、投資34億美元的銥星計劃從正式宣布投入使用到終止使用不足半年時間。雖然銥星計劃失敗了，但是它是人類歷史上首個真正意義上實現(xiàn)全球覆蓋的通信系統(tǒng)，開啟了個人衛(wèi)星通信時代。而對于建設(shè)中的低軌衛(wèi)星星座來說，商業(yè)前景將直接決定其最終命運(yùn)。

從商業(yè)角度來看，民航飛機(jī)及私人飛機(jī)、遠(yuǎn)洋船只、海島、科考及旅游、邊遠(yuǎn)地區(qū)，當(dāng)然還有軍方，都是寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的潛在客戶。如果全球高速聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)，以上客戶每年將產(chǎn)生4050億美元的收入。以Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)為例，若以衛(wèi)星壽命5年考慮，系統(tǒng)的建設(shè)成本控制在250億美元以下都是有利可圖的。考慮到未來市場的繼續(xù)拓展，以及發(fā)射技術(shù)的進(jìn)一步成熟，低軌衛(wèi)星星座在商業(yè)上還是大有可為的。

2Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)分析

按照SpaceX公司的介紹，Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)的主要特點有：一是高速率，可以為全球每一個用戶提供1Gbps的帶寬，延時控制在25ms到35ms之間。二是高容量，按照平均每一顆衛(wèi)星能夠為用戶們提供20Gbps下行容量計算，Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)首期部署的1600顆衛(wèi)星將能夠提供32Tbps的總?cè)萘俊Ｈ歉哌m應(yīng)性，整個系統(tǒng)采用相控陣和星間激光互聯(lián)技術(shù)，增強(qiáng)了整個系統(tǒng)的靈活性和可靠性。四是全球覆蓋，整個系統(tǒng)部署完成后可以無縫覆蓋赤道和兩極，達(dá)到真正的全球覆蓋。五是易用性，Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)對用戶終端的要求低，操作也簡單。六是軍事應(yīng)用，體現(xiàn)在對地面目標(biāo)的監(jiān)控、對導(dǎo)彈的末端制導(dǎo)以及對無人作戰(zhàn)平臺信息支持上[2]。

一直以來，高昂的建設(shè)成本和維護(hù)費用是制約低軌衛(wèi)星星座建設(shè)的難題，而SpaceX公司正在改變這一局面。首先是衛(wèi)星制造。SpaceX公司直接讓衛(wèi)星制造行業(yè)由定制化進(jìn)入規(guī)模化制造階段，量產(chǎn)衛(wèi)星成本控制在50100萬美元。其次是火箭發(fā)射。這是SpaceX公司的強(qiáng)項，通過火箭回收等一系列顛覆性創(chuàng)新，大大降低了火箭的發(fā)射成本，提高了發(fā)射服務(wù)效率。相對于全球鋪設(shè)蜂窩移動基站，Starlink衛(wèi)星系統(tǒng)以極低成本實現(xiàn)全球互聯(lián)網(wǎng)覆蓋，有助于消除數(shù)字鴻溝[3]。

3我們的應(yīng)對措施

只有四五千人的SpaceX公司，做了很多國家舉國之力都未能實現(xiàn)的壯舉：2010年，開啟了太空運(yùn)載的私人運(yùn)營時代;2016年，實現(xiàn)人類歷史上首次火箭回收;2018年，成功發(fā)射時下運(yùn)載能力最大的火箭（近地軌道有效載荷達(dá)63.8噸），并完成了火箭回收。

我們的應(yīng)對措施有：一是支持商業(yè)航天的發(fā)展。SpaceX公司是美國私營商業(yè)航天公司，但是得到了美國NASA的技術(shù)體系支撐。我國自2015年以來，商業(yè)航天快速發(fā)展，一批商業(yè)航天企業(yè)嶄露頭角，但是與SpaceX公司相比，無論從衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、衛(wèi)星運(yùn)營及技術(shù)支撐等方面，我們的商業(yè)衛(wèi)星公司都存在著非常大的差距。我們在鼓勵商業(yè)航天發(fā)展的同時，也要給予這些企業(yè)必要的技術(shù)支撐。二是突破核心技術(shù)。SpaceX公司的核心技術(shù)在于廉價衛(wèi)星發(fā)射能力，也就是可回收火箭技術(shù)和大批量衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)。實現(xiàn)火箭發(fā)射后可靠回收，至少要攻克大范圍推力調(diào)節(jié)的火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)和再入段多約束制導(dǎo)控制技術(shù)，目前我們急需在該方面實現(xiàn)突破。三是開拓創(chuàng)新思維。在SpaceX公司實現(xiàn)火箭回收之前，沒有人設(shè)想會通過這樣的方式實現(xiàn)火箭的重復(fù)利用。科技的進(jìn)步需要有創(chuàng)新的思維和嘗試的勇氣，我們需要鼓勵商業(yè)航天領(lǐng)域的從業(yè)人員，突破固有思路，實現(xiàn)更多技術(shù)上的創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)

[1] IT思維.馬斯克為什么要做衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)[EB/OL].https：//www. Itsiwei.com/21326.html，2018-02-24.

[2] 腦極體.馬斯克做衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，并不是為了讓你蹭網(wǎng)[EB/OL].https：// www. Itsiwei.com/21326.html，2018-02-25.

[3] 方山小筑.如何評價 SpaceX 的星鏈（Starlink）計劃[EB/OL].https：// www.zhihu.com/question/267253503，2019-05-29.

作者簡介

周韜，男;工程師，現(xiàn)就職單位：天地信息網(wǎng)絡(luò)有限公司，研究方向：項目管理、科研管理、戰(zhàn)略分析。