SpaceX啟動大規(guī)模試驗星部署的幾點分析

李博（北京空間科技信息研究所）

北京時間2019年5月24日上午，美國太空探索技術公司（SpaceX）在卡納維拉爾角空軍基地利用重復使用的獵鷹－9運載火箭成功發(fā)射其“星鏈”（Starlink）星座首批60顆衛(wèi)星，計劃開展大規(guī)模在軌驗證工作，為預定年內(nèi)啟動的正式星部署與組網(wǎng)運行奠定基礎。

作為全球航天領域的重大熱點事件，本次任務的成功，意味著時隔二十年重啟的低軌星座建設熱潮迎來重大里程碑，全球通信衛(wèi)星行業(yè)格局調(diào)整節(jié)奏或將進一步加快。

1 Starlink試驗星任務情況

本次發(fā)射的60顆衛(wèi)星，是SpaceX繼2018年2月發(fā)射兩顆原型星—微星－2A/2B（Microsat－2A/2B）之后，再次發(fā)射的一組用于演示驗證目的的衛(wèi)星。這也是SpaceX公司提供商業(yè)發(fā)射服務以來，部署衛(wèi)星數(shù)量最多、發(fā)射質(zhì)量最大（約18.5t）的一次。

SpaceX 60顆試驗星整流罩內(nèi)排布

單星太陽翼在軌展開

與傳統(tǒng)一箭多星方案不同，此次火箭整流罩內(nèi)并未安裝傳統(tǒng)意義上的分配器（源自馬斯克在5月 13日推特平臺的說法：“No dispenser, it’s flat-packed”。），不為每顆衛(wèi)星單設彈簧或爆炸螺栓，而采用了“特殊”的部署機構。衛(wèi)星之間是通過“扁平封裝”（Flat-Packed）的方式緊密堆疊在一起。入軌時，衛(wèi)星隨上面級的轉動，以類似在桌上“攤牌”的方式非常緩慢地部署出去。根據(jù)本次發(fā)射的單星質(zhì)量227kg推算，火箭所采用的部署機構質(zhì)量達到5t左右。

與原型星定制生產(chǎn)不同，本次60顆均為批量化生產(chǎn)衛(wèi)星。馬斯克透露，60顆星的發(fā)射成本要高于研制成本，按照其復用火箭的商業(yè)發(fā)射報價計算，單星研制成本應低于100萬美元。

衛(wèi)星構型方面，采用扁平化設計，配有單塊太陽能電池板及多副高通量Ku頻段平板相控陣天線。

推進系統(tǒng)方面，采用氪離子霍爾效應電推進系統(tǒng)，而非傳統(tǒng)的氙離子，主要是考慮到用于制備工質(zhì)的氪氣成本相對較低（為氙氣1/10左右），但需要指出，這種方式能耗較高，推力器性能也會受到一定影響。任務執(zhí)行過程中，衛(wèi)星被部署至440km的軌道，隨后自主機動抬升至550km的目標工作軌道。衛(wèi)星在軌工作期間的軌道維持以及壽命結束后的離軌操作，也均由電推進系統(tǒng)完成。

姿態(tài)控制方面，衛(wèi)星繼承了SpaceX龍飛船的星敏感器設計經(jīng)驗，載有高精度的星敏導航系統(tǒng)，實現(xiàn)精準的姿態(tài)指向調(diào)整。據(jù)悉，衛(wèi)星還能夠接收北美防空防天司令部（NORAD）跟蹤的空間碎片信息，并以此為依據(jù)，在靠近在軌碎片時實施機動，從而實現(xiàn)自動避碰。

電源系統(tǒng)方面，本次發(fā)射的60顆衛(wèi)星太陽能電池板供電總功率超過“國際空間站”（約110kW），即單星供電功率接近2kW。

頻率使用方面，測控鏈路頻率為下行12.221GHz和上行13.925GHz，衛(wèi)星入軌后將利用下行10.7～12.7GHz和上行14.0～14.5GHz頻段與美國本土的5個Ku頻段地面站之間進行數(shù)據(jù)傳輸測試。

通信性能方面，本次發(fā)射的60顆衛(wèi)星總容量達1Tbit/s，由此推算單星容量可達17Gbit/s左右。

離軌處置方面，衛(wèi)星95%以上的部件可在再入大氣層時快速燒毀。此外，需要指出的是，本次發(fā)射的衛(wèi)星未配備激光星間鏈路設備。

本次任務所采用的一級火箭曾于2018年9月和2019年初先后執(zhí)行了電星－18V（Telstar－18V）和“下一代銥星”（Iridium NEXT）衛(wèi)星發(fā)射任務。本次試驗星發(fā)射之后，一級火箭擬再次進行回收。

針對后續(xù)計劃，SpaceX公司預計在2019年年內(nèi)進行2～6次正式星的發(fā)射。而馬斯克及SpaceX相關高管透露：

1）至少還需要再部署6組60顆衛(wèi)星，才能形成滿足啟動基本業(yè)務需求的“最小覆蓋”（minor coverage）能力；

2）還需要部署12組衛(wèi)星（加上試驗星約800顆衛(wèi)星），即可形成滿足美國本土服務需求的“中等覆蓋”（moderate coverage）能力；

3）預計進行24次發(fā)射，可完成星座在550km軌道高度上規(guī)劃的所有衛(wèi)星的部署工作。

2 Starlink星座計劃概況

星座基本情況

SpaceX低軌星座項目最早于2015年提出，旨在提供全球高速寬帶接入服務。2016年11月和2017年3月，SpaceX公司先后向美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）提出申請，計劃部署兩期、總數(shù)近12000顆低軌衛(wèi)星，隨后正式命名為Starlink，成為迄今為止人類提出的最大的星座項目。2018年3月和11月，SpaceX提交的兩期星座申請文件先后獲得FCC的正式許可。

第一期星座：共規(guī)劃4425顆衛(wèi)星，分布于83個軌道面，軌道高度在1150～1325km之間，工作在Ku/Ka頻段，衛(wèi)星質(zhì)量約400kg，設計壽命5年，配備霍爾電推力器、激光星間鏈路、相控陣天線等先進設備，單星容量約17～23Gbit/s，約為OneWeb衛(wèi)星的2倍，星座容量約100Tbit/s，為OneWeb第一代星座的10倍。

第二期星座：共規(guī)劃7518顆衛(wèi)星，軌道高度在330～350km之間，工作在V頻段，同樣具備激光星間鏈路、相控陣天線等先進載荷。

設計修改情況

值得一提的是，2018年11月，SpaceX公司向FCC提出針對第一期星座方案的修改申請，并于臨近發(fā)射前的2019年4月26日獲得批準。本次發(fā)射的60顆衛(wèi)星全部應用了這些修改，具體方案如下。

（1）總數(shù)量減少16顆，部分衛(wèi)星軌道降至550km

按照原計劃，第一期Starlink星座分為兩個階段部署，其中，第一階段將部署1600顆、軌道高度為1150km。而調(diào)整后，第一階段部署數(shù)量減少至1584顆、軌道高度降為550km，傾角不變，軌道面減少。由此，第一期星座總數(shù)也從4425顆減少至4409顆。

（2）用頻方案有所調(diào)整，離軌處置適當簡化

根據(jù)FCC的批準文件，在第一期Starlink星座部署過程中，最先發(fā)射的不超過75顆的衛(wèi)星（實際此次發(fā)射60顆）可以做出一些技術狀態(tài)的簡化，后續(xù)衛(wèi)星則仍需按原技術方案要求研制。

一是頻率方案方面，按原計劃，衛(wèi)星用戶鏈路采用Ku頻段、饋電鏈路采用Ka頻段，調(diào)整后，此次發(fā)射的衛(wèi)星在用戶和饋電鏈路均只采用Ku頻段，而且很有可能共用天線。

二是離軌處置方面，按原計劃，所有衛(wèi)星均需在離軌階段受控再入大氣層完全銷毀，但調(diào)整后，本次發(fā)射的衛(wèi)星在再入大氣層過程中被允許產(chǎn)生少量殘骸，根據(jù)SpaceX的評估，這種對離軌系統(tǒng)的簡化處置，預計引起財產(chǎn)損失及人員傷害風險的概率為1/19800。

3 幾點分析

衛(wèi)星技術方案仍未定型，此次發(fā)射任務略顯倉促

就本次任務而言，在已發(fā)射原型星的情況下，仍選擇再次發(fā)射試驗星而非業(yè)務星，而且衛(wèi)星質(zhì)量大幅降低、一些核心功能未能按原計劃配備，甚至SpaceX公司內(nèi)部也將此次發(fā)射的衛(wèi)星稱為Starlink v0.9，都反映出星座當前的技術方案尚未定型，仍有很大可能發(fā)生進一步改動。值得一提的是，本次任務曾在SpaceX公司內(nèi)引發(fā)爭議，馬斯克在2018年6月因研制進度過慢而大規(guī)模調(diào)整Starlink項目團隊領導層，包括解雇了當時負責衛(wèi)星業(yè)務的副總裁，其核心分歧就在于是否應該對衛(wèi)星進行更多輪的迭代優(yōu)化，以確?？煽啃?。

客觀來看，在僅一年左右的時間內(nèi)，就相繼完成定制原型星發(fā)射、在軌測試、方案修正，并迅速完成60顆試驗星的重新設計、生產(chǎn)線組建與批量研制發(fā)射，利用傳統(tǒng)的衛(wèi)星工程方法基本無法實現(xiàn)。雖然SpaceX宣稱其采用了設計、研制、測試、發(fā)射一體化集成模式以縮短周期，但可推斷，除衛(wèi)星本身功能的裁減外，其在研制流程、特別是在測試環(huán)節(jié)應當進行了幅度不小的簡化，而且不排除大量使用非宇航級器件的可能。本次任務的最終成行，可視作在技術成熟度、工程進度要求與衛(wèi)星質(zhì)量風險之間的一種妥協(xié)，馬斯克本人也對外透露“第一次任務很可能會出錯”，“相控陣天線不一定能按最初設想工作”，或者推力器“無法按計劃點火”（源自馬斯克在2019年5月13日推特平臺的 說 法：“Much will likely go wrong on 1stmission”）。因此，衛(wèi)星入軌后能否真正達到預期性能，有待進一步觀察。

工作星復雜度遠超試驗星，后續(xù)研制部署壓力巨大

如前所述，本次發(fā)射的60顆衛(wèi)星與Starlink最初規(guī)劃的工作星相比，存在載荷與平臺配置上的削減。但理性分析，對工作星而言，僅配置星間鏈路一項功能所帶來的載荷設計復雜度和平臺承載能力的提升，就并非從v0.9到v1.0版本的簡單過渡。在透明轉發(fā)模式下（如OneWeb衛(wèi)星以及本次發(fā)射的Starlink試驗星），衛(wèi)星只是作為信號轉發(fā)的通道，不進行調(diào)制、編碼等復雜處理。而增加了激光終端及輔助跟瞄、光電轉換等設備后，星上還必須配備相應信號處理器及路由算法，以完成對鄰星接收數(shù)據(jù)的基帶處理和交換路由傳輸，衛(wèi)星不再是孤立的網(wǎng)絡節(jié)點，整個星座將在空間組網(wǎng)運行，管理控制難度將大幅提升。而就行業(yè)現(xiàn)狀來看，新增載荷，特別是星上處理類載荷的質(zhì)量、空間與能耗不容忽視，也將對平臺能力提出更高的要求。

此外，就后續(xù)任務而言，SpaceX面臨著空前的研制和部署壓力。根據(jù)FCC最新的要求，所有的低軌星座運營商都必須在獲得許可后6年內(nèi)完成至少一半數(shù)量衛(wèi)星部署，9年內(nèi)完成整個星座建設。SpaceX的兩期星座接近12000顆衛(wèi)星均于2018年獲得FCC許可，這意味著，在2024年底前SpaceX就必須生產(chǎn)并發(fā)射近6000顆衛(wèi)星，平均每年發(fā)射數(shù)量近1100顆，而即使?jié)M足這一條件，其后3年（即2025-2027年）衛(wèi)星工廠的產(chǎn)能也必須翻番達到2000顆以上的年產(chǎn)量才能按時完成交付和部署。如果再考慮衛(wèi)星在5年設計壽命結束后所引發(fā)的更新?lián)Q代需求情況，勢必對其衛(wèi)星生產(chǎn)線建設、供應商體系能力提出前所未有的巨大挑戰(zhàn)。

拉攏投資成為首要任務，降低建設成本勢在必行

大規(guī)模的衛(wèi)星研制和發(fā)射工作必須依賴巨額資金支持，但SpaceX在Starlink計劃上的融資進展并不明朗，根據(jù)相關統(tǒng)計顯示，其自2015年以來共融資約22億美元，但由于公司并行開展了“獵鷹”系列火箭（可回收、重型等）、火星移民計劃（“星船”（Starship））、載人貨運飛船（龍飛船）等多個耗資巨大的項目，因此所融資金只能部分用于星座建設。根據(jù)馬斯克最初預計，第一期星座完成建設需要至少100億美元，而按照目前的發(fā)射價格推算，兩期星座建設僅發(fā)射費用（以單次60顆計算）也將超過100億美元，資金缺口巨大。相比之下，OneWeb計劃已籌得34.5億美元，基本能夠支持初代星座的建設需求。再考慮到SpaceX在臨近發(fā)射前的4月份，又啟動新一輪5億美元融資計劃。可以判斷，本次試驗星任務的緊急上馬，很大程度上也是為了提振投資者信心，為星座后續(xù)建設盡快謀求更多的資金支持。

積極開展融資是星座順利完成部署的前提，但如何有效降低建設成本，并最終衍生為對用戶的低價服務優(yōu)勢，是SpaceX作為衛(wèi)星通信領域新進入者的核心競爭力所在。分析來看，發(fā)射方面，其一直致力于低成本可重復使用火箭研發(fā)，此次任務就采用了此前回收的一級火箭，未來隨著火箭復用次數(shù)的增多，成本有望進一步降低，馬斯克宣稱，未來SpaceX還計劃使用“星船”部署Starlink衛(wèi)星，發(fā)射成本有望降至當前費用的1/5甚至更低，但這種說法可行性存疑；衛(wèi)星方面，目前均為自研，其在西雅圖的衛(wèi)星工廠涵蓋設計、生產(chǎn)、集成、測試的全流程能力，在職人員僅約400～500人（與OneWeb衛(wèi)星工廠規(guī)模相仿），而且從此前對外招聘的“生產(chǎn)自動化”、“機器人”等職位以及馬斯克在汽車工業(yè)批量生產(chǎn)的經(jīng)驗判斷，利用智能工具開展自動化生產(chǎn)線建設，是其降低衛(wèi)星研制成本的重要手段。

星座部署開啟爭搶節(jié)奏，關鍵市場已做提前布局

需要指出的是，本次任務雖然發(fā)射的只是試驗星，但由于目標工作軌位和測試頻段均與業(yè)務星相同，所以極有可能激活Starlink星座在國際電信聯(lián)盟（ITU）申報的網(wǎng)絡資料，從而起到占頻保軌的重要作用。應當看到，低軌星座由于其提供全球服務的特殊性，無論是技術約束、頻譜監(jiān)管還是市場推廣方面，先發(fā)、先用的系統(tǒng)都具有巨大優(yōu)勢。馬斯克宣稱，全球互聯(lián)網(wǎng)通信連接服務領域市場規(guī)模約1萬億美元，而SpaceX計劃通過Starlink星座攫取其中的3%，即每年該板塊業(yè)務營收達到300億美元甚至更多，未來該項目的收益將是支持其火星移民等其他項目的主要經(jīng)濟來源。在OneWeb已發(fā)射首批6顆業(yè)務星并計劃年內(nèi)部署150顆衛(wèi)星的情況下，SpaceX此次任務與前者爭搶建設進度的戰(zhàn)略意圖明顯，而考慮到其他星座項目進展遲緩，SpaceX與OneWeb所引領的競爭格局已初步顯現(xiàn)。

在此背景下，積極搶占核心的用戶市場也成為星座角逐的關鍵。從SpaceX的動向分析來看，消費者寬帶和軍事應用領域是其布局重點：一方面，從首批2顆試驗星開始，SpaceX對外均以“衛(wèi)星WiFi”等為噱頭進行重點宣傳，其子公司SpaceX Services則于2019年2月向FCC提出“一攬子許可”申請，以生產(chǎn)并運營100萬部Starlink用戶終端，擬為美國本土及附屬島嶼的用戶提供寬帶接入服務。而此次發(fā)射前，馬斯克也對外透露，未來Starlink的用戶終端尺寸將只有“披薩大小”，且“即插即用”，采用電掃方式，可在多星間無縫切換。另一方面，SpaceX也積極借鑒銥星（Iridium）星座的發(fā)展經(jīng)驗，積極爭取軍方的支持，于2019年3月獲得美國空軍價值2800萬美元的“商業(yè)天基互聯(lián)網(wǎng)軍用試驗”（DECSI）合同，將在3年的時間內(nèi)利用Starlink星座開展相關的軍事服務演示驗證，未來有望融入美軍作戰(zhàn)衛(wèi)星通信體系，獲得更大的發(fā)展空間和收益。