“星星組鏈”，天基互聯(lián)網(wǎng)邁出實質(zhì)一步

蘭順正

2019年5月25日晚，馬斯克旗下的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的一枚“獵鷹9號”重型火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角發(fā)射升空。

美東時間5月25日晚10點30分，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的一枚“獵鷹9號”運載火箭在得克薩斯州卡納維拉爾角第40發(fā)射場點火成功，隨后將60顆服務于“星鏈計劃”的衛(wèi)星推舉升空。此次發(fā)射意味著SpaceX公司雄心勃勃的“星鏈計劃”邁出了實質(zhì)性的第一步。

“太空互聯(lián)網(wǎng)”

SpaceX是由早期投資人埃隆·馬斯克在2002年6月建立的一家太空運輸公司。經(jīng)多年發(fā)展，該公司用事實證明了自己的實力，開創(chuàng)了多項人類航天史上的“第一”，其中之一就是開發(fā)了可部分重復使用的“獵鷹”系列運載火箭，使廉價太空旅行成為可能。馬斯克推出“星鏈計劃”同樣引人注目。

簡單而言，“星鏈計劃”就是試圖構(gòu)建“太空互聯(lián)網(wǎng)”。SpaceX宣稱，“星鏈計劃”屬于下一代衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，能夠以可靠的技術(shù)和低廉的成本為全球終端用戶提供低延遲、高帶寬的網(wǎng)絡寬帶服務，尤其是那些“未被互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的人群”。該計劃于2015年正式啟動。2018年2月，SpaceX用“獵鷹9號”火箭將屬于微軟公司的兩顆原型測試衛(wèi)星Microsat-2a和 Microsat-2b送上太空。按照SpaceX公司描繪的藍圖，“星鏈計劃”將大致分三步走：首先發(fā)射1600顆衛(wèi)星完成初步的全球覆蓋，其中前800顆衛(wèi)星滿足美國及北美洲的天基高速互聯(lián)網(wǎng)需求。接著用2825顆衛(wèi)星完成全球組網(wǎng)，這前兩步的衛(wèi)星總數(shù)為4425顆。最后用7518顆衛(wèi)星組成更激進的“低軌星座”?！叭阶摺蓖瓿珊?，將有11943 顆衛(wèi)星在軌。如果再加上一些備份星，“星鏈計劃”預計向地球近地軌道發(fā)射12000顆“星鏈”衛(wèi)星。

其實，天基互聯(lián)網(wǎng)并非由SpaceX首創(chuàng)，此前已有類似服務出現(xiàn)，不同之處在于，目前的太空互聯(lián)網(wǎng)服務一般采用地球同步衛(wèi)星，軌道高度36000公里，優(yōu)點是衛(wèi)星可以固定在某個區(qū)域上空運行，而且只需要3顆就能覆蓋全球大部分區(qū)域。缺點在于，36000公里的距離會導致信號往返時間較長，延遲比較明顯，無法滿足如實時通信等對信號延遲度要求較嚴格的互聯(lián)網(wǎng)服務，而且通信距離越遠，所需能量就越大，衛(wèi)星天線的功率也必須比較大，因此，提供有關(guān)服務的地球同步衛(wèi)星一般都是大型衛(wèi)星，成本很高。為了提高服務質(zhì)量，使用近地軌道衛(wèi)星提供互聯(lián)網(wǎng)服務的方案開始受到重視。使用軌道在距離地球2000公里以內(nèi)的衛(wèi)星尤其便于小型化和降低成本，但軌道越低，覆蓋整個地球表面所需的衛(wèi)星數(shù)量越多，需要組建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，這也是“星鏈計劃”要發(fā)射多達12000顆衛(wèi)星的原因。

除了SpaceX，多家企業(yè)和機構(gòu)也有自己的相關(guān)計劃，如美國全球衛(wèi)星電信網(wǎng)絡的初創(chuàng)公司OneWeb計劃建立一個由720顆衛(wèi)星組成、軌道高度1200公里高的超大規(guī)模星座。加拿大電信衛(wèi)星公司也提出了建立由117顆低軌衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座計劃。在我國國內(nèi)，則有中國航天科技集團公司擬組建的“鴻雁”全球衛(wèi)星通信星座系統(tǒng)?！傍櫻阈亲庇?00多顆低軌道衛(wèi)星及全球數(shù)據(jù)業(yè)務處理中心組成，具有數(shù)據(jù)通信、導航增強等功能，可實現(xiàn)全天候、全時段以及在復雜地形條件下的實時雙向通信能力，為用戶提供全球無縫覆蓋的數(shù)據(jù)通信和綜合信息服務。據(jù)悉該星座建成后，智能手機將直接進入衛(wèi)星應用領(lǐng)域，支持用戶從地面網(wǎng)絡切換到衛(wèi)星網(wǎng)絡。

插上5G的翅膀

人類通信史發(fā)展到現(xiàn)在，5G成為了最顯要的熱詞。5G是“第五代移動通信技術(shù)”的簡稱，也是4G技術(shù)的延伸。和已廣泛應用的4G技術(shù)相比，5G通信技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率更高且延時低，平均傳輸速度可達每秒1Gb，理論峰值速率甚至可達每秒10Gb。同時，5G 通信技術(shù)在提高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時還能大幅降低能耗，使低功率電池續(xù)航時間提高10倍以上。此外，5G通信技術(shù)支持廣域大容量的高速移動終端。據(jù)悉5G通信網(wǎng)絡能夠支持每平方公里600萬個設備的接入。5G更是大國博弈的重要領(lǐng)域，美國總統(tǒng)特朗普在白宮發(fā)表有關(guān)美國5G部署戰(zhàn)略的講話時就稱，“5G競賽是一場美國必須打贏的比賽……這是我們一定會贏的競賽?！币粋€時期以來美國打壓中興、華為等科技企業(yè)以及對華發(fā)動貿(mào)易戰(zhàn)，都與爭奪5G“制高點”有著千絲萬縷的聯(lián)系。

未來SpaceX的“星鏈計劃”如獲成功并與5G技術(shù)結(jié)合，影響將十分巨大。

首先在民用領(lǐng)域，隨時隨地實現(xiàn)按需的信息互聯(lián)互通是信息時代的最重要特征和必備條件，尤其在移動互聯(lián)、遠程操控、智能制造高度發(fā)達的未來，空中、海上及陸上偏遠地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)應用和高速率、低延時通信需求巨大。目前，全球還有一半以上人口無法接入互聯(lián)網(wǎng)，天基互聯(lián)網(wǎng)的接入對于遠程通信、教育、醫(yī)療、防災減災等重大民生和社會問題能提供有力的保障，將有助于提高地區(qū)城市化水平、改善地區(qū)經(jīng)濟落后現(xiàn)狀、促進區(qū)域共同繁榮，滿足落后地區(qū)政府和民眾的切實需求。有分析認為，未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務提供商在服務剛剛進入市場時會先以航班、艦船以及北極地區(qū)的剛需用戶等高端客戶為目標，將價格定在較高水平。然后隨著時間的推移，再逐步降低價格并擴大市場。SpaceX認為，星鏈計劃最終實施后，每年全球范圍內(nèi)預計將有300億美元的收益。同時，在未來物聯(lián)網(wǎng)將是大勢所趨，但現(xiàn)有的通信手段還達不到要求，而天基互聯(lián)網(wǎng)可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性、有效性，讓萬物互聯(lián)成為可能，實現(xiàn)對萬物的“管、控、營”一體化，如在運送蔬菜、生鮮食品的過程中，可以隨時了解貨物以及車輛的情況，以實現(xiàn)最優(yōu)配置和調(diào)度。

在軍事領(lǐng)域，5G與天基互聯(lián)網(wǎng)更是“黃金組合”。在信息時代，戰(zhàn)爭是陸、海、空、太空、網(wǎng)絡一體化作戰(zhàn)，對信息化作戰(zhàn)條件下的通信業(yè)務要求越來越高，天基5G則能很好的適應這些要求。具體而言，天基5G高速率、低延時的特性可以高效采集、傳輸、處理海量戰(zhàn)場數(shù)據(jù)，為指揮員提供實時數(shù)據(jù)分析結(jié)果并快速更新態(tài)勢信息，幫助后者建立對戰(zhàn)場態(tài)勢的高度感知，獲得更全面的視角。同時，天基5G通信技術(shù)能使更多的用戶利用同一頻率資源進行通信，從而在不增加基站密度的情況下大幅提高頻率應用效率，有助于實現(xiàn)戰(zhàn)場信息終端的互聯(lián)互通，打破原本各軍兵種平臺由于體制、裝備等方面的限制被困于“信息孤島”的狀態(tài)。

天基5G還能讓“無人軍團”更加成為可能。構(gòu)建大容量、低延時、高速率的戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡是實現(xiàn)遙控無人作戰(zhàn)的前提，但受限于作戰(zhàn)環(huán)境，基于光纖傳輸?shù)耐ㄐ攀侄问请y以觸及的，而天基5G能提供戰(zhàn)場所需的通信解決方案，滿足后方目標識別和指揮通信需求，各類自動化武器系統(tǒng)也可以實現(xiàn)在毫秒級別的控制周期內(nèi)完成傳感器測量、數(shù)據(jù)傳輸和智能解算等。在戰(zhàn)地醫(yī)療中，天基5G網(wǎng)絡可以實現(xiàn)醫(yī)生與機器人手術(shù)平臺遠程連接，為傷員提供遠程手術(shù)支持。后勤保障部門可以靈活控制無人運輸車隊，使戰(zhàn)場物資配送更加高效?？梢哉f，天基5G將對人類戰(zhàn)場的作戰(zhàn)樣式產(chǎn)生顛覆性的影響。

除了成為軍隊戰(zhàn)斗力的“倍增器”，“星鏈計劃”甚至存在直接參戰(zhàn)的潛能。在該計劃伊始，就有觀點認為其會影響太空環(huán)境，因為總數(shù)近 1.2萬顆的衛(wèi)星，如果被空間碎片撞擊產(chǎn)生新的碎片，并引發(fā)連鎖反應，后果不堪設想，如何處理已經(jīng)失效的衛(wèi)星也是大問題。對此，SpaceX稱在衛(wèi)星選材上會盡量少地采用難熔金屬或者阻燃復合材料，這樣衛(wèi)星失效后在進入稠密大氣后不久就會完全燒毀（目前能夠做到95%以上），最大限度減少再入碎片問題。而且“星鏈計劃”衛(wèi)星都帶有離子電推進發(fā)動機，能夠?qū)崟r收到來自地面的太空碎片監(jiān)控情況，必要的時候能自主進行最優(yōu)規(guī)避軌道的在軌優(yōu)化計算并實施變軌，以免被太空碎片擊中后形成更多碎片引發(fā)空間災難。也有專家指出，“星鏈計劃”采用的這種防撞技術(shù)只需稍作修改，就能用來攔截敵方彈道導彈，因為如果衛(wèi)星能夠按照最優(yōu)軌道規(guī)避碎片，同時也就具備了按最優(yōu)軌道攔截洲際彈道導彈彈頭的能力。

2018年，中國知名航天領(lǐng)域?qū)＜倚蠌姴┦考捌溲芯繄F隊曾使用計算機模擬過“星鏈計劃”攔截核彈頭的能力，并將結(jié)論公開發(fā)表。在用計算機模擬的中彈道對抗演習中，部署完成的“星鏈”星座完成了對來自某地經(jīng)過北極上空飛向華盛頓、洛杉磯和西雅圖的總計51枚核彈頭的在軌攔截。在第二次進一步地飽和打擊的對抗演習中，“星鏈”星座對多達350枚的洲際彈道導彈彈頭進行了攔截，全部成功。在這一推演中，單星攔截成功率雖略低于標準系列反導系統(tǒng)，但是配合地面陸基中段攔截彈，“星鏈”系統(tǒng)對于每顆彈頭，都有5到7次的攔截機會，使得敵方突防變得極其困難。邢強博士認為，在必要時，“星鏈”星座相鄰的衛(wèi)星可以實施對撞自毀，產(chǎn)生上百個碎片，封鎖整條軌道，甚至通過多星自毀生成太空碎片網(wǎng)，影響某些國家的二次核反擊能力。

難度也不小

“星鏈計劃”的作用不可小覷，但要想成功也必須跨過一些難關(guān)。

首先是資金。雖然“星鏈計劃”的衛(wèi)星可以用SpaceX自己的可重復利用的“獵鷹”火箭發(fā)射，并采用流水線式的衛(wèi)星生產(chǎn)模式，降低發(fā)射和衛(wèi)星生產(chǎn)成本，但要發(fā)射的衛(wèi)星總數(shù)大得驚人，SpaceX目前的計劃是每次發(fā)射60顆，每年發(fā)射1000到2000顆。據(jù)SpaceX估計，“星鏈計劃”初步需要耗資100億美元，后續(xù)需要300億美元的資金。SpaceX期望“星鏈計劃”組網(wǎng)成功后，公司每年從中獲得300億美元的收益，但有業(yè)內(nèi)人士指出，至少在本世紀中葉前，整個市場需求很難達到每年300億美元。

其次是技術(shù)。理論上天基互聯(lián)網(wǎng)是可行的，但具體技術(shù)依然存在挑戰(zhàn)。一方面，用近地軌道衛(wèi)星代替地球同步衛(wèi)星需要龐大的數(shù)量，低軌衛(wèi)星相互之間需要經(jīng)常切換信號和數(shù)據(jù)，所以衛(wèi)星對地通信的協(xié)議、頻率設計等有更高要求，還需要解決衛(wèi)星與衛(wèi)星之間通信的問題。另一方面，由于低軌衛(wèi)星單星覆蓋的范圍較小，所以提供服務的時間窗口較窄，要求星間服務能夠無縫銜接，這其中涉及的諸如鏈路損耗、衛(wèi)星功耗、數(shù)據(jù)分發(fā)等技術(shù)細節(jié)能否在短時間勝任還有待觀察。同時根據(jù)“星鏈計劃”官方文件，一顆“星鏈”衛(wèi)星的典型覆蓋面積是353萬平方公里，相當于9個多德國，或者220個北京，坊間對此有不少質(zhì)疑之聲，因為即使衛(wèi)星采用了相控陣技術(shù)，真正服務地區(qū)比覆蓋面積小些，但一顆衛(wèi)星能提供的帶寬在如此巨大的覆蓋面積下會被幾千萬用戶分享，那么人均能分到的帶寬就會明顯不足?，F(xiàn)在光北京地區(qū)就建設了2萬座鐵塔，每座鐵塔上還有多個基站。用一顆衛(wèi)星為上百個北京地區(qū)提供服務，速率能否得到保障也是個問題。另外，在短時間內(nèi)發(fā)射大量衛(wèi)星，對于衛(wèi)星制造技術(shù)乃至衛(wèi)星制造業(yè)而言，都將是一個巨大的挑戰(zhàn)，可能存在技術(shù)不確定性。

第三是太空環(huán)境問題。盡管馬斯克對于“星鏈”衛(wèi)星采用的防撞技術(shù)和失效后的鈍化技術(shù)信誓旦旦，但還是有不少科學家擔心如此數(shù)量龐大的衛(wèi)星系統(tǒng)一旦轉(zhuǎn)化為太空碎片后會給今后的太空利用帶來災難性后果。而且在第一批“星鏈”衛(wèi)星上天后，就有很多天文學家擔憂，越來越多的“星鏈”衛(wèi)星會產(chǎn)生大量的反射光信號，進而“污染”星空，影響天文觀測。

“星鏈計劃”示意圖