“星鏈”星座最新發(fā)展分析

+梁曉莉 李云（中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院）

2019年5月24日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）利用“獵鷹”-9火箭發(fā)射60顆“星鏈”低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的試驗(yàn)衛(wèi)星，與2018年2月發(fā)射的2顆試驗(yàn)衛(wèi)星配合，進(jìn)一步測試星載天線和電推進(jìn)系統(tǒng)。據(jù)the verge網(wǎng)站6月28日報(bào)道，太空探索技術(shù)公司稱此次發(fā)射的60顆試驗(yàn)衛(wèi)星中已有45顆到達(dá)550千米的工作軌道、5顆處于軌道提升中、5顆正在進(jìn)行升軌操作前的檢查、2顆將驗(yàn)證離軌技術(shù)、3顆已與地面失去聯(lián)系。未來，該公司將根據(jù)本次試驗(yàn)情況在今年安排2～6次“星鏈”業(yè)務(wù)衛(wèi)星的發(fā)射計(jì)劃，正式開啟星座建設(shè)工作。

一、60顆試驗(yàn)衛(wèi)星基本情況

本次發(fā)射的60顆試驗(yàn)衛(wèi)星采用批量生產(chǎn)，每顆質(zhì)量227千克、與后續(xù)計(jì)劃發(fā)射的業(yè)務(wù)衛(wèi)星（質(zhì)量386千克）相比較輕，結(jié)構(gòu)采用獨(dú)特的平板設(shè)計(jì)、與2018年已發(fā)射的兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星采用箱體結(jié)構(gòu)明顯不同，搭載了1副太陽能電池陣列、4副高通量天線、霍爾推力器、恒星敏感器和自主避撞系統(tǒng)，但沒有搭載星間鏈路載荷，需要通過地面站連接。這些試驗(yàn)衛(wèi)星退役后，僅需1～5年時(shí)間就可再入大氣層，且95%的元器件將在大氣層中燒毀。與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，此次發(fā)射的“星鏈”試驗(yàn)衛(wèi)星在推力器、自主避撞和部署方式等方面均采取了獨(dú)特設(shè)計(jì)。

一是霍爾推力器利用氪為工質(zhì)，成本更低?！靶擎湣痹囼?yàn)衛(wèi)星是人類歷史上首次使用氪作為霍爾推力器工質(zhì)的衛(wèi)星。相比傳統(tǒng)的氙，氪的價(jià)格更便宜，可以降低衛(wèi)星的生產(chǎn)成本，但比沖較小，在執(zhí)行軌道提升、姿態(tài)保持和任務(wù)末期的大氣再入等任務(wù)時(shí)需要的時(shí)間更長。

二是搭載自主避撞系統(tǒng)，降低撞擊風(fēng)險(xiǎn)?！靶擎湣痹囼?yàn)衛(wèi)星可以獲取美國國防部的太空物體跟蹤數(shù)據(jù)，在需要時(shí)可進(jìn)行軌道調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自主避撞，從而減少人為操作失誤，在太空中最大限度避免衛(wèi)星間、衛(wèi)星與太空碎片間的相互碰撞，降低衛(wèi)星在軌運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 “星鏈”試驗(yàn)衛(wèi)星

三是依靠火箭上面級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入預(yù)定軌道。本次發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星總重超過13噸，是“獵鷹”-9火箭迄今為止發(fā)射的最重載荷。與傳統(tǒng)利用彈簧或爆炸螺栓等物理分離的方式不同，本次發(fā)射不單設(shè)彈簧或其他部署機(jī)構(gòu)。發(fā)射前，60顆試驗(yàn)衛(wèi)星按順序整齊的疊放在火箭的整流罩中。在火箭到達(dá)預(yù)定位置后，試驗(yàn)衛(wèi)星隨著火箭上面級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)、利用預(yù)先設(shè)置好的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量緩慢地部署到440千米的低地球軌道，隨后依靠自身推力進(jìn)入550千米、傾角53°的運(yùn)行軌道。

二、“星鏈”星座基本情況

太空探索技術(shù)公司于2015年公布“星鏈”星座計(jì)劃，致力于為個(gè)人用戶提供低時(shí)延的低地球軌道衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。整個(gè)星座采用先實(shí)現(xiàn)美國本土全境覆蓋、后完成全球覆蓋的建設(shè)思路，將分三個(gè)階段構(gòu)建。

（一）初步覆蓋

第一階段利用部署于24個(gè)550千米、傾角53°的軌道面上的1584顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星完成初步覆蓋，每個(gè)軌道面66顆衛(wèi)星，星座容量約30太比特/秒、時(shí)延15毫秒、可為每個(gè)終端提供最高1吉比特/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率，預(yù)計(jì)部署400顆衛(wèi)星后開始出售初期服務(wù)，2020年～2021年部署完800顆后可滿足美國、加拿大和波多黎各等國天基互聯(lián)網(wǎng)需求。業(yè)務(wù)衛(wèi)星單星收攏尺寸4.0米×1.8米×1.2米，質(zhì)量386千克，設(shè)計(jì)壽命5年，星下點(diǎn)覆蓋范圍半徑1060千米、容量17～23吉比特/秒。

目前，從第75顆后的“星鏈”衛(wèi)星已經(jīng)重新設(shè)計(jì)，多數(shù)元件將采用鋁等熔點(diǎn)較低的材料，以代替原先的鐵、鋼和鈦等，使衛(wèi)星重返大氣層后完全燒盡，消除對(duì)地面的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)衛(wèi)星最初的設(shè)計(jì)，其鐵制推力器、鋼制反作用輪、碳化硅通信部件（可能是用于星間鏈路的反射鏡）等大氣再入時(shí)不能完全燃燒，將對(duì)人類或地面的物體產(chǎn)生威脅。由于前75顆衛(wèi)星已經(jīng)基本制造完成，所以這些衛(wèi)星的部分元件可能會(huì)落回地球，后續(xù)的衛(wèi)星將不會(huì)產(chǎn)生該問題。

（二）全球組網(wǎng)

第二階段由部署于1110千米、1130千米、1275千米和1325千米等4種不同軌道高度的2825顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星完成全球組網(wǎng)，其軌道面?zhèn)€數(shù)分別為32、8、5和6，各軌道面部署50～75顆衛(wèi)星不等，預(yù)計(jì)2024年左右完成部署。

（三）能力增強(qiáng)

第三階段由部署在335～345千米軌道高度的7518顆V頻段衛(wèi)星組成軌道更低的低軌星座，增加星座容量。V頻段的星座將利用目前衛(wèi)星通信很少采用的37吉赫～50吉赫范圍內(nèi)的頻譜，與前兩個(gè)階段的Ka/Ku頻段星座共同為用戶提供通信速率更快、時(shí)延更低的寬帶衛(wèi)星通信服務(wù)。

2017年～2018年，“星鏈”星座的所有發(fā)展計(jì)劃均已得到美國聯(lián)邦通信委員會(huì)的批準(zhǔn)，獲得了在美國的落地權(quán)。此外，該星座還引起了美國軍方的特別關(guān)注，并于2018年獲得美國空軍戰(zhàn)略開發(fā)規(guī)劃與實(shí)驗(yàn)辦公室價(jià)值2870萬美元的合同，用于在未來三年內(nèi)測試軍方使用該星座服務(wù)的可行性與方式。

三、與“一網(wǎng)”星座對(duì)比

除“星鏈”星座外，國外的“一網(wǎng)”星座也提出較早、發(fā)展較快，兩者異同如下：

（一）均已經(jīng)進(jìn)入星座初步建設(shè)階段

“星鏈”星座除此次發(fā)射的60顆試驗(yàn)衛(wèi)星外，早已于2018年2月發(fā)射了2顆試驗(yàn)衛(wèi)星。首批2顆試驗(yàn)衛(wèi)星目前運(yùn)行狀態(tài)良好，且正被美空軍戰(zhàn)略開發(fā)規(guī)劃與試驗(yàn)辦公室測試通信能力。“一網(wǎng)”星座于2019年2月發(fā)射首批6顆試驗(yàn)衛(wèi)星，正在對(duì)星座的衛(wèi)星設(shè)計(jì)概念和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行全面演示驗(yàn)證。

（二）采用不同的系統(tǒng)架構(gòu)

“星鏈”星座采用“天星天網(wǎng)”架構(gòu)，將衛(wèi)星作為網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)，通過星間鏈路建立高速寬帶通信網(wǎng)絡(luò)，用戶可直接接入衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，不需經(jīng)過地面系統(tǒng)?！耙痪W(wǎng)”星座采用“天星地網(wǎng)”架構(gòu)，將衛(wèi)星作為連通用戶終端和網(wǎng)關(guān)站的通道，衛(wèi)星間沒有星間鏈路，從網(wǎng)關(guān)站接入地面通信網(wǎng)絡(luò)，通過全球分布的地面站實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全球服務(wù)能力。

（三）星座建設(shè)與運(yùn)營模式不同

“星鏈”和“一網(wǎng)”星座均致力于為全球用戶提供寬帶接入服務(wù)，但卻采取不同的建設(shè)與運(yùn)營模式。“星鏈”星座的衛(wèi)星研制與生產(chǎn)、衛(wèi)星發(fā)射、星座運(yùn)營等均由SpaceX公司一力承當(dāng)。由于SpaceX公司擁有自己的火箭及可重復(fù)使用發(fā)射技術(shù)，因此將降低“星鏈”星座的發(fā)射成本。“一網(wǎng)”星座則實(shí)現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈條要素的垂直整合，在衛(wèi)星制造、發(fā)射、運(yùn)行和營銷等各個(gè)環(huán)節(jié)強(qiáng)力聯(lián)合了一網(wǎng)公司、軟銀集團(tuán)、空客防務(wù)與航天公司、休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司、阿里安航天公司、藍(lán)色起源公司、羅克韋爾·柯林斯公司、高通公司、可口可樂公司、俄羅斯信使公司、塔利亞公司、意大利因特馬蒂奇公司等龍頭企業(yè)，形成了一個(gè)利益集團(tuán)。

表1 “星鏈”星座和“一網(wǎng)”星座情況及性能對(duì)比

四、幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

（一）追求實(shí)現(xiàn)星座建設(shè)運(yùn)行整體最優(yōu)

太空探索技術(shù)公司采用系統(tǒng)思維，對(duì)“星鏈”星座建設(shè)運(yùn)行進(jìn)行多方面優(yōu)化，力求實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)。一方面，“星鏈”星座規(guī)模巨大、衛(wèi)星總數(shù)將達(dá)到12000顆，衛(wèi)星之間互為備份，即使少數(shù)衛(wèi)星性能出現(xiàn)故障或失效，也不會(huì)影響整個(gè)星座運(yùn)行。另一方面，衛(wèi)星追求快速迭代，每顆衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命僅為5年左右、低于傳統(tǒng)高軌通信衛(wèi)星壽命，不僅可以大幅降低單星可靠性設(shè)計(jì)要求，而且可以在部署過程中，根據(jù)積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、最新的用戶需求、先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展等不斷更新優(yōu)化。例如，“星鏈”后續(xù)部署的衛(wèi)星還將加裝星間激光通信、再入大氣實(shí)現(xiàn)星體100%燒毀等功能。此外，“星鏈”衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和發(fā)射均由太空探索技術(shù)公司承擔(dān)，因而可以開展星箭一體優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成能夠最大限度利用運(yùn)載火箭能力和整流罩內(nèi)包絡(luò)的方案，進(jìn)一步降低星座建設(shè)成本。

（二）面臨多方面的星座建設(shè)和運(yùn)行挑戰(zhàn)

一方面，“星鏈”星座計(jì)劃在低地球軌道上部署近12000顆衛(wèi)星，規(guī)模達(dá)到目前在軌工作衛(wèi)星的5倍左右，建設(shè)成本預(yù)計(jì)將達(dá)到100億美元，太空探索技術(shù)公司將面臨巨大的融資壓力。另一方面，“星鏈”星座雖然已獲得美國聯(lián)邦通信委員的落地許可，但其要求必須在獲批的6年內(nèi)完成部署一半的衛(wèi)星、9年內(nèi)完成部署所有衛(wèi)星的要求。這對(duì)衛(wèi)星的批量生產(chǎn)、批量發(fā)射、按需離軌、運(yùn)營管理以及用戶終端研制等能力均提出了巨大的挑戰(zhàn)。此外，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座將為個(gè)人用戶提供獲得寬帶接入服務(wù)的新途徑，對(duì)政府傳統(tǒng)信息內(nèi)容安全監(jiān)管方式帶來新的挑戰(zhàn)，已成為主要航天國家關(guān)注的焦點(diǎn)和安全防范的重點(diǎn)?！靶擎湣毙亲朐谌蚍秶峁┗ヂ?lián)網(wǎng)寬帶無縫接入服務(wù)，能否通過各國的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并獲得落地許可也將面臨巨大挑戰(zhàn)。

（三）面臨“一網(wǎng)”等同類星座的激烈競爭

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座已成為世界通信衛(wèi)星近期發(fā)展的熱點(diǎn)與重點(diǎn)。2019年2月發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星的“一網(wǎng)”星座、2018年發(fā)射1顆試驗(yàn)衛(wèi)星的加拿大“電信衛(wèi)星”星座和亞馬遜公司2019年剛提出的“柯伊伯”星座等，均有可能成為“星鏈”星座的競爭對(duì)手。結(jié)合各星座的進(jìn)展情況來看，“一網(wǎng)”星座對(duì)“星鏈”星座的競爭壓力可能最大。不過，與“一網(wǎng)”星座在衛(wèi)星的生產(chǎn)、發(fā)射、運(yùn)營等環(huán)節(jié)更多依靠與空客防務(wù)與航天公司、休斯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)公司、阿里安航天公司、藍(lán)色起源公司等企業(yè)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合不同，“星鏈”星座建設(shè)運(yùn)行基本由太空探索技術(shù)公司一力承擔(dān)，其星座建設(shè)的成本、進(jìn)度和質(zhì)量的可控程度可能會(huì)更高。SATNET