柯伊伯星座：夾縫中生存還是新的第三極？

文/褚淮

▲ 在美國，很多地方并沒有接入地基網絡的持續能力

▲ “柯伊伯”的第二軌道面衛星示意圖

低地球軌道衛星星座概念最初是在上世紀80年代中期提出的，是美國總統里根“星球大戰”計劃的一部分。在蘇聯解體后，這些技術的民用化使得90年代出現了計劃使用大約100顆衛星（如“銥星”和“全球星”）的商業星座計劃。

上世紀90年代“銥星”計劃提出的初衷，就是為在邊遠的、并未接入移動通信蜂窩網絡的地區提供電話服務。如果將通信基站搬到太空，然后利用衛星轉發信號，就可以獲得全球覆蓋的通信服務網絡。這在某種程度上和當前推進中的低軌道大型衛星星座構架相同。

純通信的低軌道星座從來就不是為了和地面基站競爭，而是補盲——在光纖拉不到的地方、深山中的居民、海洋中的貨輪、荒野中的探險隊、南極的科考隊、雨林的開拓者等，無法獲得手機基站和地面寬帶通信，而低地球軌道星座可以為他們提供服務。預期這個市場的規模在3億人。

2014年初，太空探索技術公司創始人馬斯克和一網創始人格雷格·維勒準備合作規劃一個由大約700顆衛星組成的星座，稱為WorldVu（“一網”前身），其規模將是當時最大的銥星星座的10倍以上。然而，合作在2014年6月破裂，隨后太空探索技術公司自主投入研發星鏈大型低軌道互聯網星座項目，而WorldVu演化為一網項目。從此，兩個大型星座的競爭拉開帷幕。“柯伊伯”在稍晚后加入了競爭，但它需要面對的對手絕非泛泛之輩。在討論“柯伊伯”的可行性之前，需要先對這兩個強勁的對手，進行一些了解。

▲ “星鏈”已經為全球提供服務

▲ “星鏈”的地面網關站

馬斯克的“星鏈”王國

目前，美國聯邦通信委員會批準的太空探索技術公司“星鏈”，包括一期星座和二期星座。目前使用獵鷹9火箭部署的一期星座包括4種軌道：在53°/550千米軌道部署1584顆；53.2°/540千米軌道部署1584顆；70°/570千米軌道部署720顆；而運行于97.6°/極軌道上的衛星為520顆。截至2022年4月底，已經發射了2091顆“星鏈”，為32個國家和地區提供服務。一期星座將在2024年3月組網50%的衛星，并在2027年完成全部組網。

在此之外，太空探索技術公司也在謀求建設二代“星鏈”。目前配置激光星間鏈路的星鏈V1.5衛星質量約為295千克，單星轉發容量為20G。而二代“星鏈”重達850～950千克，單星轉發容量為80G。這些沉重的衛星將分三組部署在更低的軌道上——2493顆衛星運行在42°/335.9千米軌道，2478顆衛星運行在48°/340.8千米軌道，另外2547顆衛星運行在53°/345.6千米軌道。獵鷹9火箭將無法大量部署二代星鏈衛星，將使用星船超重火箭部署。這些衛星總計數量為11922顆。馬斯克還稱要再額外發射3萬顆星鏈衛星，但尚未得到美國聯邦通信委員會批準。

“星鏈”項目具備難以想象的廉價優勢。當前一顆星鏈衛星的預期價格僅為5萬美元，而一發獵鷹9火箭復用發射邊際成本僅為1500萬～2000萬美元——提供16噸的復用運力和約53顆v1.5版衛星的發射。更龐大的全復用運載火箭星船尚未定型，但估計其可至少投送150顆v2版“星鏈”至預定軌道。

低地球軌道星座需要強大的投送能力和快速發射的運載器。當前，一枚“獵鷹9”芯級的周轉周期已經壓縮至21天——從火箭落在“缺乏莊重”號或者其他回收船上，到重新從卡納拉維拉爾角太空軍基地發射升空。如此快速的周轉使得太空探索技術公司足以在一個月內從其3座發射臺上發射總計6次——假設產能足夠，一個月可部署300顆衛星。二期星座使用的星船超重火箭按照馬斯克說法，將具備更快的周轉和更少的檢修時間。雖然目前面對美國聯邦通信委員會卡脖子和BN-7損壞的故障而暫時無法進行軌道試飛，但軌道級試飛也已箭在弦上，只等待BN-7修復和BN-8堆疊完成。

在減少軌道碎片方面，衛星會在失效后降軌，排空推進劑和鈍化以加速離軌，對于失效的星鏈衛星，其運行的300～570千米低軌道空氣阻力較大，而衛星帆板又十分巨大，因此受到的空氣阻力足以使其在失效后3～5年實現自主離軌，完全滿足美國宇航局提出的25年留軌指標。

銥星項目在組網后15個月快速破產的原因，在于其向用戶提供的服務過于昂貴而又能夠被迅速發展的蜂窩通信網絡所替代，因此低軌道通信星座必須提供高性能的服務和合理的價格，才能具備與中地球軌道星座或靜止軌道星座的競爭力，而其優勢則在于遠低于中高軌道通信系統的通信延遲。對于“星鏈”，其向用戶提供延遲低至20米/秒的服務，通信速率100～200Mbps。一套標準“星鏈”套件包括星鏈天線、wifi路由器、電纜和底座。星鏈終端需要一片較為寬廣的天區才能連接上衛星，如想要專門架在屋頂上的支架要加錢。據電子郵件顯示，“星鏈”衛星互聯網服務最初的定價為99美元/月，同時用戶需要支付499美元購買“星鏈”設備。“星鏈”于2022年3月22日表示，對已支付定金的客戶提供的用戶套件價格將從499美元提高到549美元，而新客戶將支付599美元。

2022年2月，太空探索技術公司發布了名為“星鏈商務”的更高性能服務套餐，將提供更大的高性能天線，通信的速率在150～500Mbps之間，天線成本為2500美元，每月服務費為500美元。這項高級服務將于2022年第二季度開始。

▲ “星鏈”可以使得人們在服務范圍內任何地方接上互聯網

“星鏈”為傳統互聯網服務提供商歷來無法提供服務的地區提供基本的在線服務和資源。借助“星鏈”，全球農村社區和學生現在可以進行虛擬就診和遠程學習，極大地方便了像美國中部地廣人稀地區的上網服務。同時“星鏈”的軍用潛力也已顯現，在F-35A搭載S“星鏈”通信終端進行實驗時，基于該平臺的紅外預警衛星也作為“傳感層計劃”的一部分等待實施。“星鏈”提供的戰區通信和網絡恢復能力也在俄烏沖突中體現，并且成功應對了俄羅斯方面的電子戰干擾。其強大的數據流量、抗干擾能力和應急反應速度，是其軍用的巨大優勢。

維勒的一網星座

一網衛星質量約為150千克，一期星座設648顆衛星，將在12個軌道傾角為86.4°的近極軌道平面上運行，軌道高度為1200千米。最初星座計劃了18個軌道平面，每個平面49顆衛星，需要882顆衛星和一些備份星，但改進的衛星提高了覆蓋能力，使其減少了衛星數量的需求。

2017年，一網公司宣布第一期648顆衛星的大部分容量已被出售，并且規劃建設第二期星座。一網星座二期曾計劃設置47844顆衛星，包括在40°傾角和55°傾角各設36個軌道面，部署兩個23040顆衛星的網絡，在87.9°軌道再部署36個軌道面總計1764顆。但在2021年1月12日，“一網”請求將兩個低傾角星座的衛星數削減90%，星座方案變更為均運行于1200千米軌道的6372顆星。

一網衛星使用已經發射過近兩千次的俄羅斯聯盟號運載火箭部署。一網公司在2015年6月向阿里安航天公司簽訂了21發聯盟號運載火箭的合同，包括聯盟2.1b-弗雷蓋特M運載火箭和聯盟ST-B 弗雷蓋特-MT運載火箭。這些火箭將在大西洋畔的庫魯航天中心、哈薩克斯坦的拜科努爾發射場、以及俄羅斯的東方發射場發射。“聯盟號”在庫魯和拜科努爾發射時設34顆衛星，而在“東方”發射時設36顆。廉價量大的聯盟號運載火箭在某種程度上構成了和獵鷹9火箭接近的投送效率——雖然還趕不上前者的一半運載能力，但對于648顆衛星的小星座，也足夠了。

▲“一網”的網關站

但由于俄烏沖突影響，俄羅斯航天國家集團拒絕使用最后幾發聯盟號運載火箭發射在美國生產的一網衛星。目前“一網”計劃向太空探索技術公司購買3發獵鷹9火箭，并且計劃在2022年底開始使用印度的極地衛星運載火箭和靜地衛星運載火箭 3發射。尚不清楚“一網”二期星座將具體使用哪些火箭發射。

▲ “一網”的微小終端

一網衛星的設計將符合美國宇航局提出的25年離軌標準。但由于其運作的軌道極高，1200千米軌道純依賴大氣阻力降軌將消耗上千年，幾乎完全不可能只依賴大氣阻力完成降軌，因此一網衛星也設置了失聯時自動使用電推離軌的程序。對于在軌故障無法降軌或者直接失效的衛星，一網公司給出的應對策略為每顆衛星攜帶激光雷達靶標和Altius DogTag磁力抓取裝置，若衛星失控，則可由第三方航天器對接并離軌。多方努力下一網衛星因為失效而成為空間碎片的理論概率被降到了小于0.01。

▲ “一網”衛星運行在更高傾角的軌道上提供全球服務

▲ 幾種不同的星網覆蓋范圍

第一代一網衛星沒有星間鏈路，因此只有在網關地面站范圍內才會提供用戶服務。這些衛星將在Ku波段提供用戶服務，衛星略微轉動以避免干擾地球靜止軌道上的Ku波段衛星。地面上的用戶終端天線將是一個相控陣天線，尺寸約為36厘米 ×16厘米，并將提供50Mbps的互聯網下行鏈路帶寬。幾乎可以肯定上行鏈路的數據流速較少，但具體的數字尚不清楚。

“一網”的模擬動畫中也出現了兩種終端，一種為通過定制可以像公文包一樣小且緊湊的終端，類似無線路由器；另一種為全向天線，可根據衛星具體位置計算天線俯仰角與滾轉角，可以獲得更好的信號強度。“一網”提供的網絡比較適合個人與公共機構使用，其推出的接收裝置也是小型的，類似本地的互聯網樞紐，將通過wifi或蜂窩信號與附近的設備進行連接，2016年時售價約為250美元。

“柯伊伯”：盲目蠻干還是背水一戰？

“柯伊伯”宣稱自己的衛星將比太空探索技術公司的星鏈衛星更為廉價。而在用戶服務方面，目前尚不清楚“柯伊伯”具體服務的報價。“亞馬遜”暗示衛星會比太空探索技術公司的“星鏈”要廉價，但并無證據支持；數據流速方面宣稱可達到400Mbps，宣稱和“星鏈”的豪華服務持平。目前看來，“柯伊伯”完成建設時，“星鏈”一期星座已經進行4年運營，可用市場已經被收割得差不多了。但“柯伊伯”可以和“亞馬遜”當前已超過2億的龐大用戶進行捆綁銷售服務，以獲得一定的收益。

2022年4月21日，美國宇航局向6家衛星企業——包括太空探索技術公司的星鏈衛星網絡和“亞馬遜”的柯伊伯星座——提供了總計2.785億美元的資金，用于在地球軌道上展示下一代空間通信服務，以尋求替代運行于高軌道的數據中繼與通信衛星系統。

其中“亞馬遜”的柯伊伯項目已獲得6700萬美元的資金。“柯伊伯”提出的方法展示了一個激光中繼網絡，用于為航天器提供高速率和低速率衛星通信服務。

前景似乎十分美好，但“柯伊伯”當前大量簽訂未首飛的運載火箭以進行組網，研發成果也寥寥無幾，還是難以讓人樂觀的。

當前隨著俄烏沖突影響，“一網”遭受重大打擊，其一期剩余星座甚至將依靠“獵鷹9”來補全，而和印度的合約也是迫不得已，將在2022年第四季度開始使用印度火箭發射。“一網”的不甚順利是否會對“柯伊伯”的推進起到正向作用？而如此背水一戰地選擇如此多的新火箭來執行發射任務，無疑是風險極大的行為，但也是無可奈何的。因為除了“獵鷹9”，目前美國沒有第二款成熟、廉價、投送能力大、兼備高產量的運載火箭以執行大規模低軌道星座的建設。這也給予新的衛星網一個啟示——高可靠性高性價比的運載器將作為低軌道星網組網的關鍵要素之一，在星座“快人一步”的建設中發揮不可替代的作用。