SpaceX公司低軌寬帶星座發(fā)展研判與啟示

李博（北京空間科技信息研究所）

北京時間2018年2月22日22：17，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在范登堡空軍基地利用獵鷹－9（Falcon－9）運載火箭成功發(fā)射了2顆試驗通信衛(wèi)星微星－2A和2B（Microsat－2A和2B），計劃開展多項演示驗證工作，為其“星鏈”（Starlink）低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)提供支持。本次發(fā)射任務(wù)中，SpaceX公司還嘗試回收獵鷹－9運載火箭的整流罩，但并未獲得完全成功。本文從發(fā)射任務(wù)及SpaceX公司的星座計劃出發(fā)，對其發(fā)展情況進(jìn)行研判，同時思考我國星座建設(shè)面臨的問題和挑戰(zhàn)，結(jié)合國外發(fā)展經(jīng)驗，提出相應(yīng)建議。

Microsat-2A和2B試驗衛(wèi)星發(fā)射前配置情況

1 任務(wù)基本情況

本次發(fā)射的主任務(wù)載荷為西班牙軍用偵察衛(wèi)星“帕斯”（PAZ）,2顆試驗衛(wèi)星則作為次級任務(wù)載荷，首先進(jìn)入高514km、傾角97.44°的太陽同步軌道，隨后利用衛(wèi)星自身推進(jìn)系統(tǒng)抬升至1125km的預(yù)定任務(wù)軌道。SpaceX公司創(chuàng)始人兼CEO伊隆·馬斯克在北京時間2018年2月23日凌晨對外宣稱，2顆試驗衛(wèi)星已完成部署，進(jìn)入預(yù)定軌道，并與地面站完成了首次通信。

目前，Microsat－2A和2B衛(wèi)星對外披露的信息極少，從SpaceX公司提交美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的文件以及外媒相關(guān)報道綜合來看，2顆衛(wèi)星配置相同，采用三軸穩(wěn)定工作方式，發(fā)射質(zhì)量約400kg，設(shè)計壽命6～12個月（可能延長至20個月），將在完成任務(wù)后執(zhí)行離軌操作。星體收攏狀態(tài)尺寸為1.1m×0.7m×0.7m，2副太陽電池翼，每副尺寸為2m×8m，星上還配置了供配電、姿軌控、熱控、推進(jìn)等主要的平臺分系統(tǒng)。載荷方面，星上載有Ku頻段的相控陣天線以及激光星間鏈路發(fā)射接收設(shè)備；此外，還載有一個低分辨率的成像系統(tǒng)。

2顆衛(wèi)星入軌后的主要任務(wù)包括：①對衛(wèi)星平臺及相關(guān)分系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗證；②對相控陣天線的射頻特性、波束指向精確度、鏈路數(shù)據(jù)傳輸能力以及地面站之間的無縫切換性能進(jìn)行驗證。SpaceX公司將利用美國的5個固定地面站以及3個移動地面站完成上述演示驗證工作。根據(jù)2顆衛(wèi)星的預(yù)定工作軌道分析來看，約每天最多有15min的測試窗口。

2 Starlink星座情況

項目背景

SpaceX公司低軌互聯(lián)網(wǎng)星座項目最早于2015年提出，旨在利用大規(guī)模低軌衛(wèi)星提供全球高速寬帶接入服務(wù)。2016年，該公司曾向FCC提出發(fā)射6～8顆試驗衛(wèi)星的申請，首批2顆衛(wèi)星Microsat－1A和1B原計劃2016年10月發(fā)射，但此后因設(shè)計改動過大，2顆衛(wèi)星降級轉(zhuǎn)為地面測試，任務(wù)名保留，故本次發(fā)射的衛(wèi)星延續(xù)命名為Microsat－2系列。

2016年11月，SpaceX公司正式向FCC提交在美國運營Ka頻段低軌互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的申請，文件顯示該系統(tǒng)名為“SpaceX非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)”（SpaceX NGSO Satellite System），共包括4425顆衛(wèi)星。2017年3月，SpaceX公司再次向FCC提交V頻段低軌星座運營申請，并命名為“SpaceX V頻段非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)”，該星座將由7518顆衛(wèi)星構(gòu)成。由此，SpaceX公司星座將包含接近12000顆衛(wèi)星，成為迄今為止人類提出發(fā)展的規(guī)模最大的星座項目。

2017年8月，SpaceX公司向美國專利局提交商標(biāo)注冊申請，將其兩大星座計劃正式統(tǒng)一命名為“Starlink”，根據(jù)申請文件來看，星座的主要應(yīng)用包括衛(wèi)星通信和傳輸服務(wù)、高速無線寬帶服務(wù)，以及衛(wèi)星成像服務(wù)和遙感服務(wù)等。

2017年10月，SpaceX公司與一網(wǎng)公司（ONEWEB）共同參與了美國參議院商業(yè)、科學(xué)與技術(shù)委員會的聽證會，并披露其2顆試驗衛(wèi)星將在數(shù)月內(nèi)發(fā)射，計劃于2019年啟動在軌工作星的部署，2024年完成首批4425顆衛(wèi)星部署。

2018年2月，2顆試驗星發(fā)射成功。

2018年3月底，美國FCC正式批準(zhǔn)SpaceX公司的Ka頻段低軌互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)在美國提供衛(wèi)星寬帶服務(wù)。

第一期星座情況

（1）按軌道面分批次完成部署，采取高效的離軌處置措施

如前所述，Starlink第一期星座實現(xiàn)全運行能力將需要部署4425顆衛(wèi)星，分布在83個軌道面上，軌道高度1110～1325km不等，在用戶端最低40°仰角條件下，可滿足全球無縫連續(xù)覆蓋。

Starlink第一期星座軌道設(shè)計

SpaceX公司計劃分2個階段建設(shè)該系統(tǒng)，第一階段發(fā)射1600顆衛(wèi)星，分布于32個1150km的軌道面上，每個軌道面50顆衛(wèi)星；第二階段發(fā)射2825顆衛(wèi)星，分布于1110km、1130km、1275km和1325km共4個不同軌道高度，分別對應(yīng)32個、8個、5個和6個軌道面，各軌道面50～75顆衛(wèi)星不等。值得一提的是，受美國FCC監(jiān)管要求，SpaceX公司的星座部署工作將首先著眼于美國本土全境覆蓋，隨后繼續(xù)布星完成全球覆蓋。

此外，為了滿足美國和國際社會對大規(guī)模星座離軌操作的要求，SpaceX公司提出了自己的處置方案，即在衛(wèi)星退役后先進(jìn)入1075km高的圓軌道，隨后利用儲備的燃料先將軌道降低至約300km處，然后關(guān)機，使其重返大氣層時燒毀，整個過程不超過1年。在提交FCC的申請文件中，SpaceX公司也專門對5個軌道面的衛(wèi)星分別進(jìn)行了離軌鈍化仿真分析，結(jié)果顯示,所有上述衛(wèi)星均可在1年的時間內(nèi)完成再入鈍化工作。

（2）衛(wèi)星設(shè)計突出大容量、高速率，星間鏈路確保高適應(yīng)性

Starlink第一期星座衛(wèi)星將由SpaceX公司在西雅圖的衛(wèi)星工廠設(shè)計并制造。根據(jù)該公司向FCC提交的申請文件來看，每顆衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量達(dá)386kg，設(shè)計壽命5～7年，星體收攏狀態(tài)尺寸為4.0m×1.8m×1.2m，2副太陽電池翼尺寸均為6m×2m，主要參數(shù)與本次發(fā)射的試驗衛(wèi)星存在一定差異。此外，星上還帶有霍爾效應(yīng)電推進(jìn)系統(tǒng)。

載荷方面，將具備數(shù)字信號處理能力，同時配備先進(jìn)的相控陣天線，具體波束配置目前不詳，但每顆衛(wèi)星的星下可覆蓋范圍半徑達(dá)1060km。據(jù)SpaceX公司推算，第一期星座完全部署狀態(tài)下，在美國大陸最多可見衛(wèi)星數(shù)量約340顆。

Starlink第一期星座衛(wèi)星覆蓋情況示意圖

從容量看，衛(wèi)星用戶鏈路下行總可用帶寬約2GHz，根據(jù)并發(fā)用戶情況不同，單星容量可達(dá)17～23Gbit/s。如果按照平均20Gbit/s計算，首批1600顆衛(wèi)星的總?cè)萘靠蛇_(dá)到32Tbit/s，而整個星座的數(shù)據(jù)容量將接近100Tbit/s。

為確保接入能力，實現(xiàn)高速率目標(biāo)，SpaceX公司將在地面互聯(lián)網(wǎng)接入節(jié)點附近配建關(guān)口站，在星座第一階段部署完成后，僅美國大陸預(yù)計就將部署約200個關(guān)口站為星座提供支持，后期將進(jìn)一步根據(jù)用戶需求擴充關(guān)口站數(shù)量。

Starlink第一期星座工作頻率情況

值得一提的是，SpaceX公司的星座還將采用激光星間鏈路實現(xiàn)空間組網(wǎng)，配合星上處理與相控陣波束賦形技術(shù)，可在用戶層面更加靈活地調(diào)度和分配頻譜資源，同時在軌道層面靈活路由，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理以及服務(wù)連續(xù)性的目標(biāo)，實現(xiàn)整個星座系統(tǒng)高度的適應(yīng)性。

第二期星座情況

SpaceX公司新提出7518顆V頻段低軌衛(wèi)星星座，軌道設(shè)計高度分布在330～350km范圍內(nèi)。

Starlink第二期星座軌道設(shè)計

在衛(wèi)星設(shè)計方面，同樣具備星間鏈路收發(fā)設(shè)備、相控陣天線等先進(jìn)載荷。用戶鏈路和饋電鏈路工作于相同的頻段，用戶鏈路下行可用帶寬達(dá)5GHz，上行 3GHz。

Starlink第二期星座工作頻率情況

業(yè)務(wù)應(yīng)用

根據(jù)SpaceX公司在2017年10月向美國參議院匯報的情況來看，其主要業(yè)務(wù)方向與一網(wǎng)公司計劃類似，致力于提供個人消費者級寬帶服務(wù)，用戶段終端單價將控制在200美元，將采用易于安裝的高指向性窄波束相控陣天線，具備良好的旁帶抑制性能，最高可獲得傳輸速率將達(dá)到1Gbit/s，遠(yuǎn)超當(dāng)前地面光纖網(wǎng)絡(luò)的平均速率，時延則達(dá)到25～30ms的水平。

3 幾點研判

試驗星發(fā)射具有階段性意義，但必須理性看待當(dāng)下輿論反應(yīng)

毫無疑問，2顆試驗衛(wèi)星發(fā)射成功是SpaceX公司推進(jìn)其星座計劃建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，待開展的一系列在軌演示驗證任務(wù)，將對進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計方案、盡早啟動工作星研制提供有利支持。

但當(dāng)下主流輿論對該事件的意義過分夸大，甚至部分描述與實際情況相去甚遠(yuǎn)，因而必須理性看待。

首先，試驗衛(wèi)星與星座系統(tǒng)的頻率、軌位申請相互獨立，試驗星的工作軌道低于正式星座，本次發(fā)射雖成功促進(jìn)了Starlink第一期星座的頻率申請獲FCC批準(zhǔn)，但對整個系統(tǒng)而言并沒有直接的占頻保軌作用，更不意味著后續(xù)部署和運營已經(jīng)板上釘釘。

其次，試驗衛(wèi)星公開的設(shè)計參數(shù)與此前公布的4425顆衛(wèi)星方案存在較大差異，后續(xù)正式工作星采取何種方案仍存在較大變數(shù)，對整個系統(tǒng)建設(shè)成本和交付周期將產(chǎn)生何種影響，目前不可預(yù)測。

再次，從本次任務(wù)無法窺探出Starlink星座建設(shè)的真實進(jìn)度，公開渠道信息唯一可確認(rèn)的是SpaceX公司在西雅圖設(shè)立了衛(wèi)星工廠，但生產(chǎn)線是否已配備、供應(yīng)商是否已選取、訂單是否已簽署等重要信息均未公布，按照馬斯克一直以來的商業(yè)邏輯，不大可能因為保密原因而不公布。

最后，一些媒體對星座的應(yīng)用服務(wù)場景理解存在巨大誤區(qū)。Starlink兩期星座采用的Ku/Ka和V頻段并無法實現(xiàn)所謂的“天基WIFI”概念，日常所采用的無線寬帶接入設(shè)備，如筆記本電腦、智能手機等，均無法與該頻段的衛(wèi)星直接通信，必須借助專用終端建立接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，馬斯克在社交媒體對外宣稱的衛(wèi)星WIFI接入密碼“martians”是一種宣傳策略，只為使公眾更易接受其服務(wù)理念。

發(fā)展低軌星座，直接利益在于把握風(fēng)口機遇和升級發(fā)射能力

對SpaceX公司來說，從發(fā)射服務(wù)提供商向大規(guī)模低軌互聯(lián)網(wǎng)寬帶衛(wèi)星研制和運營領(lǐng)域拓展，是其在商業(yè)航天領(lǐng)域的又一次重要戰(zhàn)略部署。就其自身利益角度來分析，該舉措主要包括兩方面目的。

首先，在于把握衛(wèi)星與地面信息網(wǎng)絡(luò)演變的重大機遇，以此為切入點搶占發(fā)展先機。近年來，地面通信網(wǎng)絡(luò)用戶增長速度日趨緩慢，促使運營商迫切希望拓展市場范圍，但面臨建設(shè)成本高、投資回報率低的困局。受此影響，大型互聯(lián)網(wǎng)科技公司谷歌公司（Google）、臉書公司（Facebook）等紛紛考慮通過空基、天基手段解決這一問題，SpaceX公司發(fā)展低軌星座在早期就獲得了谷歌公司的支持。另一方面，衛(wèi)星通信行業(yè)也正經(jīng)歷深刻的收入結(jié)構(gòu)調(diào)整，傳統(tǒng)最大的收入來源—固定電視直播業(yè)務(wù)增長乏力，衛(wèi)星寬帶服務(wù)業(yè)務(wù)未來10年的用戶數(shù)量和收入規(guī)模則將產(chǎn)生300%的激增（數(shù)據(jù)源自美國北方天空研究所最新版《VSAT與寬帶衛(wèi)星市場》報告），巨額的回報預(yù)期推動了以Starlink為代表的一批低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座計劃集中涌現(xiàn)。

其次，在于不斷鞏固和持續(xù)升級其既有的火箭研制及發(fā)射服務(wù)能力。目前來看，SpaceX公司的核心業(yè)務(wù)收入來源仍然是提供發(fā)射服務(wù)，這也是向其他領(lǐng)域拓展業(yè)務(wù)的根基所在。如果Starlink第一期星座建設(shè)計劃（2019－2026年）順利實施，按照當(dāng)前獵鷹－9火箭的運載能力推算，至少可以確保每年10次以上的發(fā)射任務(wù)，對穩(wěn)固其發(fā)射業(yè)務(wù)收入、降低發(fā)射服務(wù)成本、提升市場競爭力，具有重要的意義；另一方面，Starlink星座建設(shè)所產(chǎn)生的任務(wù)增量，對其持續(xù)擴充升級火箭研制能力和增強發(fā)射服務(wù)能力，也必將產(chǎn)生正面和直接的影響。

4 思考與建議

積極引入智能制造工具，實現(xiàn)衛(wèi)星批量化自動化生產(chǎn)

以SpaceX公司和一網(wǎng)公司為代表，新興低軌通信星座成千上萬顆的衛(wèi)星交付需求，對傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制模式和理念形成巨大沖擊。一網(wǎng)公司和空客防務(wù)與航天公司（ADS）合作，充分利用智能裝配工具、大數(shù)據(jù)控制、機器人、增強現(xiàn)實工具以及自動測試系統(tǒng)等手段，加速整個總裝、集成和測試（AIT）流程，其1條生產(chǎn)線共包括30個測試和組裝工位，每個工位分配2名工人，可實現(xiàn)1天1星的出廠交付能力。其在佛羅里達(dá)州的衛(wèi)星工廠將配備多條生產(chǎn)線，最高交付速度可達(dá)1天3星。

建議在處理低軌衛(wèi)星制造問題時，從思路上更多地考慮“生產(chǎn)”而非“研制”，引入人工智能、3D打印、虛擬和增強現(xiàn)實等智能制造理念工具，優(yōu)化調(diào)整衛(wèi)星總裝、測試和試驗流程，推動衛(wèi)星的批量化、自動化、短周期生產(chǎn)，牽引宇航制造能力的轉(zhuǎn)型升級。

兼顧質(zhì)量、成本與周期，利用商用現(xiàn)貨手段提升交付效率實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈戰(zhàn)略利益捆綁，塑造利于星座發(fā)展生態(tài)圈

傳統(tǒng)地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星小批量、高成本特點，決定了需要反復(fù)測試和大量冗余措施，以最大程度降低故障率，保證最高的運行安全和穩(wěn)定度。大規(guī)模低地球軌道（LEO）衛(wèi)星的單星成本相對較低，除了進(jìn)行衛(wèi)星長壽命設(shè)計以外，可考慮利用在軌備份星等多種手段確保故障出現(xiàn)時的服務(wù)質(zhì)量和連續(xù)性，如“下一代銥星”（Iridium NEXT）星座就包含了9顆在軌備份星，SpaceX公司第一期星座每個軌道面也有2顆備份星。此外，如OneWeb衛(wèi)星結(jié)構(gòu)供應(yīng)商華格公司（Ruag）、星敏感器供應(yīng)商法國索登公司（Sodern）都曾透露將提供基于商用現(xiàn)貨（COTS）器件的產(chǎn)品，以提升交付能力。

簡單來說，從99%提高到99.9%的質(zhì)量要求，對研制成本和交付周期而言已絕非0.9%的增量，這種思維模式上的轉(zhuǎn)變，值得重視。建議參考國外新興星座的經(jīng)驗，加快開展商用現(xiàn)貨器件抗空間環(huán)境試驗、器件采購與篩選控制、容錯設(shè)計等研究工作，加強商用現(xiàn)貨器件的可靠性分析、驗證和評估等，在可保障星座穩(wěn)定運行基礎(chǔ)上，提高交付效率和經(jīng)濟可承受性。

目前來看，新興低軌星座動輒百億甚至數(shù)百億美元的建設(shè)成本，決定了單純依靠一家公司、單個實體進(jìn)行建設(shè)的愿望并不現(xiàn)實，充分挖掘資本市場、尋找適合自己的投資者成為重要的備選方案。而一網(wǎng)公司深度布局整個產(chǎn)業(yè)鏈條，利用投資者在衛(wèi)星制造、發(fā)射部署、地面網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)技術(shù)以及推廣運營等各方面的支持，形成以星座計劃為核心的完整系統(tǒng)配套生態(tài)圈，這種做法值得借鑒學(xué)習(xí)。

對我國目前正在建設(shè)的“鴻雁”星座而言，建議在內(nèi)部可以充分利用中國衛(wèi)通集團有限公司的衛(wèi)星關(guān)口站、業(yè)務(wù)和市場渠道，在外部則考慮與電信運營商的地面網(wǎng)絡(luò)，與大型互聯(lián)網(wǎng)公司（BAT），以及華為、中興等公司的業(yè)務(wù)應(yīng)用和技術(shù)資源結(jié)合，與航空、遠(yuǎn)洋、物流、保險等重點行業(yè)建立戰(zhàn)略協(xié)議，合作開發(fā)行業(yè)解決方案，捆綁營銷策略，充分發(fā)揮國內(nèi)航天主力軍的地位，積極塑造利于星座發(fā)展的良好生態(tài)環(huán)境，主導(dǎo)寬帶星座業(yè)態(tài)的發(fā)展。