衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃：馬克斯的又一驚人之舉

□ 田豐

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃：馬克斯的又一驚人之舉

□ 田豐

SpaceX公司創(chuàng)始人馬斯克

美國太空探索技術(shù)公司（以下簡稱SpaceX）的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官艾隆·馬斯克秉承他一貫語不驚人死不休的性格，于2016年正式宣布了他旗下醞釀已久的全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃。該項目將為全球用戶提供低延遲、高帶寬的衛(wèi)星寬帶和通訊服務(wù)。SpaceX作為一家有能力執(zhí)行商業(yè)發(fā)射、載人航天、貨運發(fā)射的航天企業(yè)，其觸角終于延伸到了競爭更加激烈的全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，從而與一網(wǎng)、波音和O3b等企業(yè)一同競逐大氣層外的網(wǎng)絡(luò)空間。這類低軌衛(wèi)星星座項目自1997年“銥星”計劃開始后便層出不窮，所以并未引起關(guān)注。但是隨著去年11月15日一份SpaceX向美國聯(lián)邦通訊委員會遞交的頻率申請的公開，媒體和網(wǎng)友的討論瞬間被引爆。之所以如此受到關(guān)注，是因為這個計劃是由史無前例的多達(dá)4425顆低軌衛(wèi)星組成的龐大衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。雖然這個數(shù)字早在2015年SpaceX位于西雅圖的衛(wèi)星分部的開張演講中就已提及，但當(dāng)變成現(xiàn)實并提交給聯(lián)邦通訊委員會時，著實還是讓業(yè)界為之一振。

在人類已發(fā)射的衛(wèi)星中，目前仍圍繞地球運行的現(xiàn)役衛(wèi)星據(jù)不完全統(tǒng)計有1400余顆，另還有2600多顆已經(jīng)停止工作，但仍停留在軌道上。然而，縱使兩者相加也僅有4000余顆。也就是說，SpaceX計劃發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量將超過人類已發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)。如此一來，一網(wǎng)計劃的900顆互聯(lián)網(wǎng)星座簡直不值一提，似乎僅有波音的2956顆星座和三星尚屬紙面構(gòu)想的4600顆衛(wèi)星的星座可以比肩。

2015年衛(wèi)星分部開張演講

SpaceX在西雅圖的衛(wèi)星分部

全球覆蓋 更高帶寬 更低延遲

SpaceX公司表示衛(wèi)星發(fā)射計劃分為兩步，預(yù)部署階段需要先向一個軌道高度發(fā)射1600顆衛(wèi)星，然后再發(fā)射2825顆衛(wèi)星并將它們安置在不同軌道高度的4個層中，最終部署完成整個網(wǎng)絡(luò)。SpaceX宣稱在首批800顆衛(wèi)星上天后，就能提供覆蓋全美的基本寬帶服務(wù)。一旦經(jīng)過最終部署的徹底優(yōu)化，這個系統(tǒng)就能為全球消費者和商業(yè)用戶提供高帶寬（最高每用戶1Gbps）、低延時的寬帶服務(wù)。

雖然SpaceX尚未曝光計劃中衛(wèi)星的外觀和詳細(xì)配置，但從申請書中依舊可以管窺一二。計劃發(fā)射的通信衛(wèi)星質(zhì)量為386千克左右，傳輸頻段在Ku波段和Ka波段之間，采用自研的霍爾推進(jìn)器，壽命5-7年。運行軌道固定點距離地球約1150千米至1275千米的空間層內(nèi)。按照這樣的軌道高度計算，每一顆衛(wèi)星大約可覆蓋寬度為2120平方千米的一個橢圓形地域。這個距離比傳統(tǒng)的同步軌道通訊衛(wèi)星（35786千米）要低許多，更短的星地距離有助于提升網(wǎng)絡(luò)速度和減少延遲。此外，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包不再需要通過路由和地表網(wǎng)絡(luò)層層轉(zhuǎn)發(fā)，而是通過星間鏈路，加上構(gòu)想中的衛(wèi)星冗余覆蓋和快速切換設(shè)計，將可以提供網(wǎng)絡(luò)延時控制在25毫秒到35毫秒之間的可靠互聯(lián)網(wǎng)接入。星座中每顆衛(wèi)星能夠為用戶提供的下行容量總和在17Gbps到23Gbps之間，具體數(shù)值取決于用戶終端配置。以平均值20Gbps來計算，首期部署的1600顆衛(wèi)星將能夠提供32Tbps的總?cè)萘?。而整個系統(tǒng)的部署時間將長達(dá)數(shù)年，依照慣例，SpaceX將在部署過程中不斷迭代改進(jìn)和升級衛(wèi)星，有可能進(jìn)一步提升單顆衛(wèi)星和整個衛(wèi)星系統(tǒng)的總?cè)萘?。目前系統(tǒng)可以提供最高容量達(dá)每用戶1Gbps的寬帶服務(wù)。而且SpaceX采用的相控陣用戶天線設(shè)計要求很低，終端安裝相對方便，操作簡單，價格也比較低廉。

2016年12月15日，SpaceX公司進(jìn)一步更新了申請文件，用新的Microsat-2a & 2b試驗衛(wèi)星取代之前的MicroSat-1a & 1b，初始軌道也做出了相應(yīng)修改，衛(wèi)星重量增加到400千克，同時安裝有星間光學(xué)通訊設(shè)備和推進(jìn)系統(tǒng)，工作軌道變?yōu)?125千米的太陽同步軌道。2017年3月，SpaceX再次提交申請，將在之前計劃的4425顆星座基礎(chǔ)上繼續(xù)部署多達(dá)7518顆衛(wèi)星，從而搭建一個“V波段低地軌道星座”，從而使得衛(wèi)星總數(shù)飆升到難以置信的近12000顆，這數(shù)倍于人類有航天發(fā)射以來所有入軌衛(wèi)星總數(shù)，同時計劃所需資金量也更加龐大。不過雖然此舉有根據(jù)聯(lián)邦通訊委員會“寧申勿空，先占先得”規(guī)則搶占無線電頻率的因素在內(nèi)（類似申請的有11家公司之多），但還是使得業(yè)界對這個計劃的可行性評估再降一級。

衛(wèi)星自產(chǎn) 火箭自備

倘若是其他企業(yè)放言要布局一個超越人類衛(wèi)星總數(shù)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，顯然會被扣上一個天方夜譚的帽子，然而SpaceX的計劃之所以被業(yè)界認(rèn)真對待，主要還是SpaceX得天獨厚的一項優(yōu)勢使得這種瘋狂計劃有成真的可能。這種優(yōu)勢根植于SpaceX的特殊身份中，因為它不僅是一家衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公司，更是一家已經(jīng)成功攪動世界商業(yè)發(fā)射市場的發(fā)射承包商，手握價值上百億美元的發(fā)射訂單。馬斯克在所涉獵的各大領(lǐng)域中一直都是以行業(yè)顛覆者和價格屠夫而聞名，之所以能夠獲此名號，與其一直堅持垂直整合密不可分，而這也是其屢試不爽的一記絕招。

所謂垂直整合，即在合理可行的范圍內(nèi)盡可能自行設(shè)計和生產(chǎn)相關(guān)零部件，在運載火箭和衛(wèi)星這種通用化程度較低的行業(yè)中可以顯著提升廠商自主權(quán)并壓低生產(chǎn)成本。與ULA和軌道ATK等同行全球采購、合理分包的思路不同，SpaceX不僅自產(chǎn)火箭箭體，甚至連火箭發(fā)動機(jī)都自研自產(chǎn)，自旗下“梅林”系列液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)的改型“梅林-1D”誕生之后，更是將原屬Barber-Nichols公司的發(fā)動機(jī)渦輪泵供貨也收歸麾下，而在2015年的CRS-7解體事故后更是連碳纖維符合氣瓶支架這種普通結(jié)構(gòu)件都自行生產(chǎn)。正是這種自產(chǎn)火箭、自產(chǎn)衛(wèi)星、自行發(fā)射、自行布局的“自力更生”思路，使之無需像一網(wǎng)和其它同行一樣四處尋找廉價發(fā)射商。SpaceX發(fā)射自家衛(wèi)星無需看任何發(fā)射承包商眼色，無需任何排期，所有衛(wèi)星均可以以成本價發(fā)射升空，這是所有同行競爭者都難以比擬的一大優(yōu)勢。

左上：spacex公司衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想圖 左下：堆積的回收火箭

2017年1月二代銥星首射

讓“二手火箭”重獲新生

除自行發(fā)射外，SpaceX公司還表示不排除適當(dāng)采用商業(yè)發(fā)射中的富余運力，在軌道近似的發(fā)射中順路搭車“干私活”，將部分自家衛(wèi)星送入軌道。當(dāng)然這種“搭車”必然是作為次級載荷，而且由于商業(yè)客戶已經(jīng)支付了發(fā)射費用，搭車衛(wèi)星的發(fā)射成本甚至可以“忽略不計”。正是由于都采用700千米的低地軌道，之前暫定年底發(fā)射的二代銥星收官任務(wù)中，SpaceX就曾計劃將自己的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)試驗星MicroSat-1a 和1b通過“搭車”方式送入軌道。

當(dāng)然，SpaceX在發(fā)射上的優(yōu)勢不僅于此。自該公司火箭回收成功以來，SpaceX可復(fù)用火箭的流轉(zhuǎn)體系逐漸成型。但是礙于“獵鷹”9火箭自誕生以來31射2炸的發(fā)射紀(jì)錄，客戶對復(fù)用火箭大多是謹(jǐn)慎觀望。目前為止僅有SES公司在“極具誘惑力”的折扣和平價保險費率的感召之下，決定在SES-10任務(wù)中首次采用復(fù)用火箭執(zhí)行發(fā)射。然而除此之外，面對日漸成熟的回收體系，已回收和未來將要回收的大量芯級有可能面臨乏人問津、蒙塵倉庫的窘境。

雖然復(fù)用任務(wù)的成功示范有可能吸引部分客戶改為預(yù)訂復(fù)用火箭，但仍不能保證消化掉大量積壓的“二手火箭”。所以如何為“堆積如山”的復(fù)用火箭“另謀生路”，將是該公司即將面對的全新課題。于是乎，SpaceX的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃便于此時應(yīng)運而生，由于回收火箭的成本已經(jīng)完全被首次發(fā)射的客戶所支付，回收后的火箭一級若需重新發(fā)射的話，對公司內(nèi)部而言除翻修費用外近乎于免費；加之公司還在進(jìn)行整流罩的回收復(fù)用的嘗試，在不遠(yuǎn)的將來，很可能僅需要支出一個全新的火箭二級，再加上少許翻修費用，就可以為SpaceX自己的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)執(zhí)行一次完整的發(fā)射。面對該計劃龐大的衛(wèi)星數(shù)量和隨之而來的天量發(fā)射，這些倉庫中的二手火箭堪稱“重獲新生”。即使未來商業(yè)發(fā)射和政府發(fā)射訂單因競爭等原因流失，SpaceX依舊可使旗下火箭有用武之地。

天量衛(wèi)星和太空垃圾

一直以來，近地軌道日益增加的太空垃圾是全行業(yè)不得不面對的一大頑疾。因此無論SpaceX的計劃如何，數(shù)千乃至上萬顆衛(wèi)星密集分布在特定軌道高度，很可能造成事實上的“SpaceX衛(wèi)星層”，導(dǎo)致部分想穿越該層的發(fā)射不得不進(jìn)行額外的規(guī)避和窗口調(diào)整。此外，無論是到壽還是故障，大量退役衛(wèi)星如果不能及時得到離軌和再入處理，一旦發(fā)生碰撞，極有可能發(fā)生連鎖反應(yīng)，后果不堪設(shè)想。所以公司也表示將遵循業(yè)界管理和聯(lián)邦條例來減少軌道碎片。例如在申請后半部分構(gòu)想了部分防垃圾的設(shè)計，首先是衛(wèi)星設(shè)計上加強(qiáng)多重冗余，增強(qiáng)魯棒性，防止意外失效和姿態(tài)失控。然后在較高軌道衛(wèi)星預(yù)定壽命的5到7年后，計劃將衛(wèi)星自行變軌到一個近地點300千米的軌道上，然后調(diào)整太陽能電池板姿態(tài)以最大化大氣阻力，從而保證一年以內(nèi)能因為高度衰減而再入解體。但是考慮到目前衛(wèi)星設(shè)計尚未定型，同時計劃不停變動，最終效果還有待觀察。

近地軌道垃圾示意圖

火星互聯(lián)的野心和殘酷的現(xiàn)實

SpaceX目前的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計劃本身已足夠“駭人聽聞”，但馬斯克的野心不止于此。他放言該項目的目標(biāo)是充足獲利，從而為下一步載人登陸火星的項目賺取資金來源。而更近乎于狂想的是，未來SpaceX還要在火星架設(shè)類似的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，從而為“火星殖民”的宏圖愿景添磚加瓦。然而事實總是殘酷的，“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”并非一個“投資少、見效快”的項目，星座初成僅僅是“萬里長征第一步”，而全期投入即使樂觀估計也將高達(dá)100 億美元。雖然2015年該項目已在公司位于西雅圖的辦公室啟動，研發(fā)團(tuán)隊也將在數(shù)年內(nèi)增至1000 人，但畢竟衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已非一本萬利只賺不賠的“好生意”。雖然有谷歌公司10億美金的助力，加之資本趨利的特性必然使未來資本持續(xù)涌入，SpaceX的資金缺口會隨著計劃的逐步推進(jìn)有所緩和，但是如果沒有找到自己的盈利模式，而是不斷地投入和燒錢，卻沒有創(chuàng)造可持續(xù)的利潤收入和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在一陣喧囂過后必然會被資本拋棄，盈利不成反變累贅。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)面對的大多是有線寬帶不便敷設(shè)和有特殊需求的客戶群體，可以說“蛋糕”是相對固定的。而隨著大量同行的殺入，這片藍(lán)海市場可能在短短幾年內(nèi)轉(zhuǎn)化為紅海市場，利潤率降低，競爭白熱化。國際上雖然對基于衛(wèi)星星座的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)需求強(qiáng)勁，但競爭也異常激烈，僅知名的競爭對手就有銥星、一網(wǎng)、O3b、波音和三星等數(shù)家公司。這幾家的項目都投資甚巨，而且均實力不俗，更是早早地在商業(yè)、服務(wù)、價格上展開貼身肉搏，一時之間打得好不熱鬧。如果未來競爭加劇，難保不會重蹈上世紀(jì)一代銥星的覆轍，正所謂“其興也勃焉，其亡也忽焉”，所以SpaceX的前景不容樂觀。尤其是一網(wǎng)來勢洶洶，而且進(jìn)度上領(lǐng)先于SpaceX，資本支持十分充足，衛(wèi)星數(shù)量上也更具可行性。加之最近剛與亞馬遜創(chuàng)始人杰夫·貝索斯旗下的“藍(lán)色起源”公司簽訂了5次發(fā)射合同，將在未來采用其全新研發(fā)的“新格倫”運載火箭執(zhí)行一網(wǎng)一箭多星的部署任務(wù)。可以說SpaceX在這個領(lǐng)域并非“領(lǐng)頭羊”，反倒是個“追隨者”。

除此之外，SpaceX還需要建設(shè)地面站，開發(fā)廉價可靠的接收終端并將其推廣到目標(biāo)國家，還要與部分有網(wǎng)絡(luò)管制的國家洽談準(zhǔn)入合作。這都是全行業(yè)廠商要共同面對的難題。所以我們看待這個“宏偉”計劃應(yīng)該更多地從技術(shù)角度來審視，比如計劃中大規(guī)模衛(wèi)星部署能為復(fù)用火箭提供充足的需求；低延遲大帶寬可為新一代小型高密度中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供樣本；離軌和冗余機(jī)制可以為星座衛(wèi)星的退役提供范例。至于這個計劃本身，或許目前只是一個看起來很美的藍(lán)圖，僅此而已?！?/p>