衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)軌道資源稀缺，中國航天如何與國際衛(wèi)星界大亨競爭？

作為鋼鐵俠的現(xiàn)實(shí)“衣缽傳人”，埃隆·馬斯克的每一個(gè)動(dòng)作似乎都充滿了科幻色彩。關(guān)于馬斯克和 SpaceX 的新聞，我們總能隔三差五地在網(wǎng)上看到，大部分都是關(guān)于火箭回收、衛(wèi)星發(fā)射以及移民火星。

2015 年，馬斯克在西雅圖公布了一個(gè)比在火星上種植蔬菜還要瘋狂的計(jì)劃，Starlink——星鏈計(jì)劃。該計(jì)劃旨在通過建設(shè)由數(shù)以萬計(jì)的星鏈人造衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)，使所有衛(wèi)星連成一個(gè)“星座”，為全世界每個(gè)角落提供可靠的互聯(lián)網(wǎng)連接。

SpaceX 公司將在未來七年內(nèi)往太空發(fā)射 11943 顆通信衛(wèi)星，這些通信衛(wèi)星將覆蓋整個(gè)地球，為全球幾十億人提供高網(wǎng)速、低延遲、價(jià)格便宜的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

目前為止，人類總共發(fā)射了約 8000 多顆衛(wèi)星，但在軌運(yùn)行的也就不到 2000 顆，如果星鏈計(jì)劃能夠如期完成，那么 SpaceX 一家公司擁有的衛(wèi)星數(shù)量將是其余衛(wèi)星數(shù)量總和的 6 倍。

其實(shí)，有關(guān)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的競爭從上世紀(jì)九十年代就開始了。

當(dāng)時(shí)，美國摩托羅拉公司在汽車電子和通信電子領(lǐng)域處于絕對壟斷地位，就如現(xiàn)在的華為，是通信工程師心中認(rèn)定的殿堂級(jí)公司。而那時(shí)的地面基站建設(shè)成本是非常高的，并且部署難度十分大，根本無法達(dá)到全球覆蓋。

1987 年，摩托羅拉公司的工程師工程師巴里·伯蒂格與其妻子在加勒比海度假時(shí)，妻子向他抱怨說，她無法用手機(jī)聯(lián)系到她的客戶。回到家后，巴里和摩托羅拉在亞利桑那州工作的衛(wèi)星通信小組的另外兩名工程師提出了一個(gè)腦洞大開的想法——“我們是否能把地面基站搬到天上去？”

于是，他們想到了一種銥星解決方案，由 77 顆近地衛(wèi)星組成的星群，讓用戶從世界上任何地方都可以打電話。由于金屬元素銥有 77 個(gè)電子，這項(xiàng)計(jì)劃就被稱為了銥星計(jì)劃，后來由于成本預(yù)算的問題，衛(wèi)星的總數(shù)降到了 66 個(gè)。

最初，摩托羅拉對這個(gè)項(xiàng)目的內(nèi)部代號(hào)也很科幻，叫做“星球大戰(zhàn)計(jì)劃”，并于 1990 年對外發(fā)布計(jì)劃，1996 年開始部署，計(jì)劃在軌運(yùn)營 66 顆衛(wèi)星，部署成本大概在 60 億美金左右。

美國的“德爾塔 2 型”火箭、俄羅斯的“質(zhì)子 K 型”火箭和我國的“長征 2 號(hào)丙改進(jìn)型”火箭分別承擔(dān)了銥星的發(fā)射任務(wù)。1998 年 5 月，布星任務(wù)全部完成，11 月 1 日，正式開通了全球的通信業(yè)務(wù)。

然而在當(dāng)時(shí)，傳統(tǒng)的手機(jī)已經(jīng)完全占領(lǐng)了市場，由于無法形成穩(wěn)定的客戶群，66 顆衛(wèi)星還沒發(fā)射完，這個(gè)項(xiàng)目就破產(chǎn)了。

銥星計(jì)劃的失敗給了科學(xué)家們很多思考，由于手機(jī)缺乏，銷售力量不足，價(jià)格昂貴，開業(yè)的前兩個(gè)季度，在全球只發(fā)展了 1 萬用戶，到申請破產(chǎn)為止，這個(gè)耗資 50 億美元建立的通信網(wǎng)只有 5.5 萬用戶，而一些分析家估計(jì)該公司要實(shí)現(xiàn)盈利平衡至少需要 65 萬用戶。

如今，智能通訊領(lǐng)域飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)手機(jī)已經(jīng)不再稀缺，于是，馬斯克在銥星計(jì)劃的基礎(chǔ)上，提出了更為成熟星鏈計(jì)劃。

星鏈計(jì)劃中，大約 35%的衛(wèi)星落在 1200 千米的高度，主要部署在 Ku 波段和 Ka 波段，用于衛(wèi)星固定、衛(wèi)星廣播以及衛(wèi)星通信，約 65%的衛(wèi)星會(huì)坐落在 300 千米的高度的 V 波段。

SpaceX 的官方測試數(shù)據(jù)顯示，星鏈的網(wǎng)絡(luò)下行速度可以達(dá)到 1440Mbps，在飛行的 C-12 運(yùn)輸機(jī)上檢測到了 610Mbps，這個(gè)速度比銥星計(jì)劃的系統(tǒng)快了很多。

雷達(dá)波段劃分

我國頻率劃分及用途表

一顆獵鷹九號(hào)大概能承載六十顆星鏈衛(wèi)星升空，每一顆衛(wèi)星上都有一個(gè)功能強(qiáng)大的離子推進(jìn)系和一個(gè)定制的內(nèi)部導(dǎo)航傳感器，有一定的推進(jìn)能力，同時(shí)還可以隨時(shí)改變角度。每顆星鏈衛(wèi)星將使用激光與它周圍的四顆衛(wèi)星通信，組成一個(gè)全球的網(wǎng)絡(luò)。

2018 年 2 月，SpaceX 的獵鷹九號(hào)在加利福尼亞成功發(fā)射，它攜帶的兩顆星鏈實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星宣告了星鏈建設(shè)的正式開啟，在此之后，SpaceX 加快了星鏈的建設(shè)速度。

2019 年 5 月，SpaceX 成功發(fā)射了一箭 60 星，火箭發(fā)射之后，一級(jí)火箭被穩(wěn)穩(wěn)地回收到了海上平臺(tái)。按照 SpaceX 的發(fā)射計(jì)劃，以及美國政府要求的最后期限，星鏈計(jì)劃將在 2024 年之前部署 4425 顆衛(wèi)星，在 2027 年之前完成所有的衛(wèi)星部署。

雖然整個(gè)計(jì)劃是發(fā)射近 1.2 萬個(gè)通信衛(wèi)星，但據(jù) SpaceX 表示，星鏈計(jì)劃僅需要 420 個(gè)衛(wèi)星就能夠初步輕微地覆蓋全球，在今年能就開始進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作。

獵鷹九號(hào)火箭發(fā)射 - 入軌 - 回收流程

2020 年 4 月 23 日，獵鷹九號(hào)第七次搭載 60 顆衛(wèi)星發(fā)射，5 月 1 日，這一趟“銀河號(hào)列車”過境福建、廣東等地的夜空，由于距離發(fā)射已過去一個(gè)多星期，這批星鏈到達(dá)軌道之后逐漸散開，所以不少群眾觀測到了四十顆相對明亮的衛(wèi)星。

一旦整個(gè)網(wǎng)絡(luò)建成，spaceX 將是全球最大的寬帶互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商，預(yù)計(jì)每年收入約 300 億美金。只有得到了這些收入之后，馬斯克登陸火星的遠(yuǎn)大目標(biāo)才能夠持續(xù)地進(jìn)行下去。

或許有人會(huì)有這樣的疑問，星鏈計(jì)劃會(huì)不會(huì)顛覆現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)形式，影響我們 5G 的發(fā)展呢？星鏈計(jì)劃目前處于早期，有很多的不確定性，但在可預(yù)見的未來當(dāng)中，星鏈計(jì)劃并不會(huì)顛覆未來的網(wǎng)絡(luò)形式，它恰恰是一個(gè)和 5G 呈互補(bǔ)關(guān)系的存在。

除了身為 Spacex 太空探索技術(shù)公司的創(chuàng)始人之外，馬斯克還是環(huán)保跑車公司特斯拉的 CEO，車聯(lián)網(wǎng)和低軌物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)也是星鏈計(jì)劃的愿景之一。未來汽車會(huì)是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的另一大場景，未來的智能駕駛、智慧汽車不只是單個(gè)汽車通過傳感器實(shí)現(xiàn)，需要通過邊緣計(jì)算和上層網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。

車聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是星鏈的本質(zhì)，人們不可能只在信號(hào)好的城市里開車，就算是在室內(nèi)，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)還是會(huì)有很大的衰弱。而在農(nóng)村、沙漠、海洋，人們無法建造太多 5G 基站，所以星鏈這類的低軌互聯(lián)網(wǎng)的作用是配合 5G 而不是顛覆 5G。

星鏈的衛(wèi)星是將互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)直接傳送到地面上的網(wǎng)關(guān)或用戶終端的，這就意味著在基礎(chǔ)設(shè)施的投入要少得多。簡單的說，就是在農(nóng)村地區(qū)的地面不需要建設(shè)那么多基站了。星鏈的系統(tǒng)延遲是比較少的，因?yàn)樾擎湹男l(wèi)星大多數(shù)分布在 350~500 千米的高度，這比其他衛(wèi)星要近很多。

這就意味著互聯(lián)網(wǎng)信號(hào)傳播到衛(wèi)星的距離短了很多，信號(hào)在空間真空中的傳播速度比入地光纜快 47%，星鏈的延遲大概是在 20 毫秒到 35 毫秒之間，未來會(huì)逐步達(dá)到 10 毫秒左右。依照這個(gè)速度，打游戲沒有太大的問題，也能夠基本滿足車聯(lián)網(wǎng)的要求，但離 5G 還是差一些。

中國研究院于 2019 年發(fā)布的《中國寬帶發(fā)展白皮書》中顯示，我國固定寬帶用戶達(dá) 4.35 億，我國基礎(chǔ)電信企業(yè)陸續(xù)啟動(dòng)了 G.654.E 干線光纜的采集。2019 年推動(dòng)基礎(chǔ)電信企業(yè)在超過 300 個(gè)城市部署千兆寬帶網(wǎng)絡(luò)的接入，千兆網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍達(dá)到了 2000 萬個(gè)家庭。

光纖的價(jià)格并不便宜，為什么我國大部分人都會(huì)覺得光纖不貴呢？原因在于，我國城市人口居多，大家分?jǐn)偤缶妥兊脙?yōu)惠了，像加拿大、美國，包括非洲、南北極、海洋表面等這些地廣人稀的地區(qū)，接入光纖并不劃算。所以星鏈的系統(tǒng)定位是全球市場，而不是某個(gè)國家的市場，更不是人口密集的城市個(gè)人用戶市場。

不可否認(rèn)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)相比有其自身的優(yōu)勢，截至 2020 年 3 月 31 日，科學(xué)家聯(lián)盟（usc）的數(shù)據(jù)庫顯示，地球上發(fā)射的在軌衛(wèi)星有 2666 顆。而地球低軌軌道、頻率資源有限，國際衛(wèi)星界通常遵循“先占先得”理念，稀缺的軌道資源已經(jīng)讓低軌太空進(jìn)入了競爭模式，那么我國在競爭激烈的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，該如何追趕呢？

2016 年 11 月，在馬斯克提出星鏈計(jì)劃概念后的一年，中國航天科技集團(tuán)公司在珠海航展期間發(fā)布了“鴻雁星座”項(xiàng)目，該系統(tǒng)將由 300 顆低軌道小衛(wèi)星及全球數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理中心組成，具有全天候、全時(shí)段及在復(fù)雜地形條件下的實(shí)時(shí)雙向通信能力，可為用戶提供全球?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)通信和綜合信息服務(wù)。

鴻雁星座一期工程計(jì)劃 2021 年前后完成，整個(gè)計(jì)劃在 2024 年前后完成。

按照規(guī)劃，鴻雁星座分為兩個(gè)階段進(jìn)行建設(shè)。一期工程先發(fā)射 60 余顆距地 1100 公里左右的近地軌道衛(wèi)星，完成全球覆蓋，一期工程帶寬有限，優(yōu)先支持全球電話業(yè)務(wù)，并支持重點(diǎn)地區(qū)的移動(dòng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入；二期工程再發(fā)射 300 余顆衛(wèi)星，將大大擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容量，完成全球移動(dòng)寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)支持。

待全部完工后，系統(tǒng)容量可服務(wù) 200 萬以上移動(dòng)電話（進(jìn)行語音通話）用戶、20 萬以上寬帶互聯(lián)網(wǎng)（100M 以上速率數(shù)據(jù)連接）用戶及 1000 萬以上物聯(lián)網(wǎng)（小數(shù)據(jù)量多連接數(shù)）用戶。

2018 年 12 月 29 日，鴻雁星座的第一顆衛(wèi)星在西北大漠的酒泉發(fā)射基地成功進(jìn)入預(yù)定軌道。相較于其它主要的低軌通訊系統(tǒng)，“鴻雁星座”進(jìn)展稍慢，但我國陸地基站覆蓋相對全球其它國家完善很多，內(nèi)陸地區(qū)的居民幾乎少有“上不了網(wǎng)”的情況出現(xiàn)，所以鴻雁星座也主要覆蓋目標(biāo)和市場空間并不在我國內(nèi)陸人口密集區(qū)。

在我國海洋、野外、山林等區(qū)域，地面通信系統(tǒng)通常無法實(shí)現(xiàn)全面覆蓋。海上輪船、海洋鉆井平臺(tái)、南海諸島、兩極科考、海外密林沙漠地帶、海外建設(shè)隊(duì)伍、海外駐守人員等通訊，此前一直依賴銥星等國外通訊系統(tǒng)，不僅花費(fèi)高，安全問題也無法得到保障。我國目前尚無低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，若鴻雁星座成功推向市場，將成為首個(gè)滿足基本衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信需求的系統(tǒng)。

就在鴻雁星座第一顆衛(wèi)星發(fā)射的前一周，2018 年 12 月 22 日，虹云工程首星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射并進(jìn)入預(yù)定軌道，成功實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)頁瀏覽、微信發(fā)送、視頻聊天、高清視頻點(diǎn)播等典型互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。

虹云工程脫胎于中國航天科工的“福星計(jì)劃”，計(jì)劃發(fā)射 156 顆衛(wèi)星，它們在距離地面 1000 公里的軌道上組網(wǎng)運(yùn)行，構(gòu)建一個(gè)星載寬帶全球移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無差別的全球覆蓋。

虹云工程定位的用戶群體主要是集群的用戶群體，包括飛機(jī)、輪船、客貨車輛、野外場區(qū)、作業(yè)團(tuán)隊(duì)以及一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的村莊、島嶼等。

2019 年 1 月上旬，虹云工程首次在天地連通通信試驗(yàn)中通過衛(wèi)星發(fā)出信息——“多少事，從來急；天地轉(zhuǎn)，光陰迫。一萬年太久，只爭朝夕”。隨后，虹云工程又完成了多次全系統(tǒng)、全流程互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)通信功能試驗(yàn)和多用戶站入網(wǎng)通信試驗(yàn)，均取得圓滿成功。

星鏈計(jì)劃如果成功，SpaceX 會(huì)成為唯一一個(gè)可以提供全球?qū)崟r(shí)地面直播的公司，為全球企業(yè)或政府服務(wù)虹云衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)每 24 小時(shí)向地面發(fā)送超過 30 萬張高清圖片，實(shí)則已達(dá)到高清直播的水準(zhǔn)。

但 SpaceX 計(jì)劃發(fā)射 11943 萬顆衛(wèi)星，一顆衛(wèi)星只需覆蓋 120 公里，而虹云工程計(jì)劃發(fā)射 156 顆衛(wèi)星，覆蓋面積要就比星鏈衛(wèi)星大得多，所以高清直播的效果或許沒有星鏈那么好。

路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。面對強(qiáng)大的星鏈計(jì)劃，我國正快馬加鞭不斷探索，未來可期！