“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”來了！

文 李 麗 楊迎賓 譚 安 安普忠

2019年10月22日，SpaceX公司CEO馬斯克用手機(jī)發(fā)出了通過“星鏈”衛(wèi)星傳輸?shù)牡谝粭l推文。這意味著，在不借助光纖、地面基站或其他手持終端的情況下，利用低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，便捷的互聯(lián)網(wǎng)連接正在實(shí)現(xiàn)。

近些年來，為滿足全球不斷增長(zhǎng)的衛(wèi)星寬帶接入需求，特別是解決邊遠(yuǎn)地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)接入問題，這種“衛(wèi)星+互聯(lián)網(wǎng)”模式成為新熱門。眾多創(chuàng)新型企業(yè)紛紛著手打造低軌衛(wèi)星星座，引發(fā)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展熱潮。國(guó)外的“星鏈”計(jì)劃、“柯伊伯項(xiàng)目”等技術(shù)方案，就是其中的典型代表。

行動(dòng)起來的世界

衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)并不是新鮮事物，在它的發(fā)展歷程中，最為典型的就是20世紀(jì)80年代末摩托羅拉公司推行的“銥星系統(tǒng)”。該系統(tǒng)最初計(jì)劃用66顆衛(wèi)星分6個(gè)軌道面構(gòu)成一個(gè)全球低軌衛(wèi)星通信星座，突破基于地面的蜂窩無線通信系統(tǒng)局限，成為第一代真正依靠衛(wèi)星星座支撐的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，即衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。但由于技術(shù)難度、運(yùn)營(yíng)成本、經(jīng)營(yíng)管理等多方面原因，摩托羅拉公司投資組建的銥星公司于1999年3月宣布破產(chǎn)。

20余年匆匆過去，科技的進(jìn)步徹底改變了全球無線通信的面貌，“銥星系統(tǒng)”也獲得低調(diào)的“重生”。目前，新的銥星通信公司已實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定盈利，其“銥星次時(shí)代系統(tǒng)”也在初代“銥星系統(tǒng)”基礎(chǔ)上取得長(zhǎng)足發(fā)展，不僅大大降低了建設(shè)成本，在數(shù)據(jù)傳輸速率上也有了較大進(jìn)步。其公司負(fù)責(zé)人表示，現(xiàn)在銥星數(shù)字終端能滿足世界任何角落的傳輸需求。比如可安裝在管道、電網(wǎng)、出租車甚至北極熊等需要數(shù)字監(jiān)測(cè)的對(duì)象上。

然而，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)可不是簡(jiǎn)單的衛(wèi)星通信。絕大多數(shù)生活在城市的人們可能感覺不到，目前全球還有數(shù)十億人，因?yàn)楝F(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備覆蓋率并不高，未能享受到互聯(lián)網(wǎng)帶來的便捷生活。隨著科技的發(fā)展，眾多高技術(shù)公司的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃如雨后春筍，其主打功能就是天基高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，用于觸及地面接入方式無法到達(dá)的地球上眾多“空白”區(qū)域，進(jìn)而極大提高全球范圍內(nèi)的高速數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)覆蓋率。

近年來，在谷歌、臉書、歐洲衛(wèi)星通信公司等互聯(lián)網(wǎng)巨頭和衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商的支持推動(dòng)下，SpaceX、OneWeb、O3b等創(chuàng)新型企業(yè)紛紛計(jì)劃打造由低軌小衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)，用于解決上述問題，引發(fā)全球性發(fā)展熱潮。

SpaceX成功發(fā)射“星鏈”(Starlink)互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星

O3b公司在創(chuàng)立之初，就旨在為全球尚未接入互聯(lián)網(wǎng)的30億人口提供服務(wù)，目前已有20顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行，開始商業(yè)化服務(wù)。

成立于2012年的美國(guó)OneWeb公司提出的星座互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃，預(yù)計(jì)一期組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量為650多顆，后期逐步增加到900多顆，目標(biāo)是到2025年為全球超過10億用戶提供寬帶服務(wù)。

韓國(guó)三星公司在2015年提出了自己的“太空互聯(lián)網(wǎng)”計(jì)劃，預(yù)備發(fā)射4600顆低軌道微型衛(wèi)星，為用戶提供低成本的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。據(jù)稱，如此大規(guī)模的星座系統(tǒng)，具備每月約10萬億GB的數(shù)據(jù)傳輸能力。

波音公司2016年向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)提出申請(qǐng)并得到許可，啟動(dòng)和運(yùn)行一個(gè)總計(jì)由2956顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。亞馬遜公司2019年提出“柯伊伯項(xiàng)目”，計(jì)劃將3236顆衛(wèi)星送入近地軌道，提供從北緯56°到南緯56°的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，2019年7月獲得美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)。

總體來說，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)覆蓋廣、容量大，不受地域影響，具備信息廣播等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，作為地面通信的補(bǔ)充手段，可有效解決邊遠(yuǎn)散、海上、空中等用戶的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)問題。

可圈可點(diǎn)的“星鏈”

在眾多的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃中，美國(guó)SpaceX公司的“星鏈”計(jì)劃進(jìn)展迅速，目前已進(jìn)入實(shí)質(zhì)部署階段。2015年1月，“星鏈”計(jì)劃正式提出，旨在建立覆蓋全球的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座。對(duì)于“星鏈”計(jì)劃，該公司有關(guān)人士這樣向外界介紹：“重點(diǎn)是建立一個(gè)全球通信系統(tǒng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，我們真正要做的是在太空中重建互聯(lián)網(wǎng)。我們的目標(biāo)是讓大部分遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)流量和大約10%的本地消費(fèi)者及商業(yè)流量，都通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸，而90%用戶的本地訪問仍然可以通過光纖進(jìn)行?！?/p>

“星鏈”計(jì)劃最突出的特點(diǎn)就是規(guī)模龐大。SpaceX公司計(jì)劃分別在340公里、550公里、1150公里3個(gè)軌道高度上部署約1.2萬顆衛(wèi)星，這個(gè)數(shù)目是全球目前在軌衛(wèi)星總數(shù)的5倍。隨后又提出新的申請(qǐng)，計(jì)劃增加3萬顆衛(wèi)星，使“星鏈”計(jì)劃衛(wèi)星總數(shù)達(dá)到4.2萬顆。雖然近年全球在軌衛(wèi)星數(shù)量已進(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，但如此龐大的規(guī)模還是令人咋舌。

“星鏈”計(jì)劃的可行性，首先來源于可回收式火箭發(fā)射技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得入軌成本大幅降低。2019年5月24日上午10點(diǎn)30分，隨著“獵鷹9”運(yùn)載火箭的升空，首批60顆“星鏈”衛(wèi)星被一次性發(fā)射入軌，創(chuàng)下了人類歷史上單次衛(wèi)星發(fā)射升空數(shù)量之最。11月11日，第二批60顆“星鏈”衛(wèi)星再次發(fā)射并成功入軌，實(shí)現(xiàn)了“獵鷹9”運(yùn)載火箭的第4次重復(fù)使用和整流罩的首次重復(fù)使用，使“星鏈”計(jì)劃的工程化實(shí)施向前邁進(jìn)了一大步。此次發(fā)射后，SpaceX公司擁有的在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)到117顆（第一批有3顆失聯(lián)），一舉超過眾多機(jī)構(gòu)，成為全球第二大衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商。

另外，“星鏈”衛(wèi)星的批量生產(chǎn)，也顯示出SpaceX公司強(qiáng)大的整星制造能力，標(biāo)志著微小衛(wèi)星已進(jìn)入工業(yè)化量產(chǎn)時(shí)代，同樣帶來了整體成本的下降。同時(shí)，為了配合“星鏈”計(jì)劃的有效實(shí)施，SpaceX公司還向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)申請(qǐng)建設(shè)100萬個(gè)衛(wèi)星地球站?？梢韵胍?，“星鏈”計(jì)劃的推進(jìn)，將帶動(dòng)人類衛(wèi)星制造、發(fā)射、管控等領(lǐng)域的全流程能力提升。“星鏈”衛(wèi)星作為一個(gè)可以量產(chǎn)的低軌衛(wèi)星平臺(tái)，在搭載其他載荷后也將具有十分廣闊而多元的應(yīng)用前景。

不得不說的隱憂

隨著科技的不斷進(jìn)步，人類開發(fā)利用太空的步伐在加快。統(tǒng)計(jì)表明，僅2017、2018年兩年，全球在軌衛(wèi)星就增加了約500顆，要知道此前人類用了54年才讓衛(wèi)星數(shù)量突破1000顆。但是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)動(dòng)輒成百上千，甚至數(shù)萬顆的部署計(jì)劃，還是讓人們不得不擔(dān)憂是否腳步太快了以及由此帶來的各類風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)。

首當(dāng)其沖的就是空間軌道資源和頻譜資源的大量占用。成千上萬顆高速運(yùn)行的低軌衛(wèi)星，將使低軌軌道變得“擁堵”，增加了碰撞風(fēng)險(xiǎn)，并且容易造成連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生大量空間碎片，對(duì)現(xiàn)有航天器帶來毀滅性打擊。低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星受大氣影響，使用壽命普遍比高軌衛(wèi)星短。如何回收或處理報(bào)廢衛(wèi)星也是一大難題。

大量低軌衛(wèi)星的出現(xiàn)，同樣對(duì)天文觀測(cè)提出了巨大挑戰(zhàn)。據(jù)外媒報(bào)道，在“星鏈”計(jì)劃第二批衛(wèi)星發(fā)射成功后，一些天文學(xué)家展示了“星鏈”衛(wèi)星在他們觀測(cè)范圍內(nèi)留下的高亮軌跡，并表達(dá)了擔(dān)憂：低軌運(yùn)行的衛(wèi)星亮度遠(yuǎn)超大部分天文觀測(cè)目標(biāo)，擁擠的近地軌道，將使天文觀測(cè)和科研受到越來越多的光線干擾。

同時(shí)，這類全球衛(wèi)星星座計(jì)劃“天生”就可用于軍事，也將構(gòu)成對(duì)空間安全的潛在威脅。

目前，各國(guó)的軍用衛(wèi)星系統(tǒng)主要基于少量的、大型高價(jià)值衛(wèi)星。一旦這些大型衛(wèi)星遭遇攻擊或出現(xiàn)故障，將會(huì)對(duì)部隊(duì)行動(dòng)所依賴的天基系統(tǒng)造成致命打擊，而使用大量的小型、廉價(jià)衛(wèi)星，則能在很大程度上避免類似情況發(fā)生。從目前各類衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展計(jì)劃來看，都可提供低成本、低延時(shí)、全球覆蓋的高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，為作戰(zhàn)單元提供全球通信能力。美國(guó)國(guó)防部航天發(fā)展局于2019年7月首次透露了未來軍用衛(wèi)星體系的規(guī)劃。根據(jù)該規(guī)劃，下一代軍用衛(wèi)星將更多地利用廉價(jià)的小衛(wèi)星星座，以代替現(xiàn)有的大型高價(jià)值衛(wèi)星，增加天基系統(tǒng)的“彈性”。

此外，衛(wèi)星星座在搭載軍用載荷后，也可以實(shí)現(xiàn)多方面的軍事應(yīng)用。大量廉價(jià)的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星平臺(tái)的出現(xiàn)，可有效降低軍用載荷的入軌成本，滿足各類軍事應(yīng)用需求。

由此看來，著眼未來太空資源的和平開發(fā)利用，如何應(yīng)對(duì)其中的一系列潛在安全風(fēng)險(xiǎn)，是一道亟待全人類共同探討解決的課題。既任重道遠(yuǎn)，又迫在眉睫。