柯伊伯星座：夾縫中生存還是新的第三極？

文/褚淮

▲ 在美國，很多地方并沒有接入地基網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)能力

▲ “柯伊伯”的第二軌道面衛(wèi)星示意圖

低地球軌道衛(wèi)星星座概念最初是在上世紀(jì)80年代中期提出的，是美國總統(tǒng)里根“星球大戰(zhàn)”計(jì)劃的一部分。在蘇聯(lián)解體后，這些技術(shù)的民用化使得90年代出現(xiàn)了計(jì)劃使用大約100顆衛(wèi)星（如“銥星”和“全球星”）的商業(yè)星座計(jì)劃。

上世紀(jì)90年代“銥星”計(jì)劃提出的初衷，就是為在邊遠(yuǎn)的、并未接入移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)提供電話服務(wù)。如果將通信基站搬到太空，然后利用衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，就可以獲得全球覆蓋的通信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。這在某種程度上和當(dāng)前推進(jìn)中的低軌道大型衛(wèi)星星座構(gòu)架相同。

純通信的低軌道星座從來就不是為了和地面基站競爭，而是補(bǔ)盲——在光纖拉不到的地方、深山中的居民、海洋中的貨輪、荒野中的探險(xiǎn)隊(duì)、南極的科考隊(duì)、雨林的開拓者等，無法獲得手機(jī)基站和地面寬帶通信，而低地球軌道星座可以為他們提供服務(wù)。預(yù)期這個(gè)市場的規(guī)模在3億人。

2014年初，太空探索技術(shù)公司創(chuàng)始人馬斯克和一網(wǎng)創(chuàng)始人格雷格·維勒準(zhǔn)備合作規(guī)劃一個(gè)由大約700顆衛(wèi)星組成的星座，稱為WorldVu（“一網(wǎng)”前身），其規(guī)模將是當(dāng)時(shí)最大的銥星星座的10倍以上。然而，合作在2014年6月破裂，隨后太空探索技術(shù)公司自主投入研發(fā)星鏈大型低軌道互聯(lián)網(wǎng)星座項(xiàng)目，而WorldVu演化為一網(wǎng)項(xiàng)目。從此，兩個(gè)大型星座的競爭拉開帷幕?！翱乱敛痹谏酝砗蠹尤肓烁偁帲枰鎸Φ膶κ纸^非泛泛之輩。在討論“柯伊伯”的可行性之前，需要先對這兩個(gè)強(qiáng)勁的對手，進(jìn)行一些了解。

▲ “星鏈”已經(jīng)為全球提供服務(wù)

▲ “星鏈”的地面網(wǎng)關(guān)站

馬斯克的“星鏈”王國

目前，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)的太空探索技術(shù)公司“星鏈”，包括一期星座和二期星座。目前使用獵鷹9火箭部署的一期星座包括4種軌道：在53°/550千米軌道部署1584顆；53.2°/540千米軌道部署1584顆；70°/570千米軌道部署720顆；而運(yùn)行于97.6°/極軌道上的衛(wèi)星為520顆。截至2022年4月底，已經(jīng)發(fā)射了2091顆“星鏈”，為32個(gè)國家和地區(qū)提供服務(wù)。一期星座將在2024年3月組網(wǎng)50%的衛(wèi)星，并在2027年完成全部組網(wǎng)。

在此之外，太空探索技術(shù)公司也在謀求建設(shè)二代“星鏈”。目前配置激光星間鏈路的星鏈V1.5衛(wèi)星質(zhì)量約為295千克，單星轉(zhuǎn)發(fā)容量為20G。而二代“星鏈”重達(dá)850～950千克，單星轉(zhuǎn)發(fā)容量為80G。這些沉重的衛(wèi)星將分三組部署在更低的軌道上——2493顆衛(wèi)星運(yùn)行在42°/335.9千米軌道，2478顆衛(wèi)星運(yùn)行在48°/340.8千米軌道，另外2547顆衛(wèi)星運(yùn)行在53°/345.6千米軌道。獵鷹9火箭將無法大量部署二代星鏈衛(wèi)星，將使用星船超重火箭部署。這些衛(wèi)星總計(jì)數(shù)量為11922顆。馬斯克還稱要再額外發(fā)射3萬顆星鏈衛(wèi)星，但尚未得到美國聯(lián)邦通信委員會(huì)批準(zhǔn)。

“星鏈”項(xiàng)目具備難以想象的廉價(jià)優(yōu)勢。當(dāng)前一顆星鏈衛(wèi)星的預(yù)期價(jià)格僅為5萬美元，而一發(fā)獵鷹9火箭復(fù)用發(fā)射邊際成本僅為1500萬～2000萬美元——提供16噸的復(fù)用運(yùn)力和約53顆v1.5版衛(wèi)星的發(fā)射。更龐大的全復(fù)用運(yùn)載火箭星船尚未定型，但估計(jì)其可至少投送150顆v2版“星鏈”至預(yù)定軌道。

低地球軌道星座需要強(qiáng)大的投送能力和快速發(fā)射的運(yùn)載器。當(dāng)前，一枚“獵鷹9”芯級(jí)的周轉(zhuǎn)周期已經(jīng)壓縮至21天——從火箭落在“缺乏莊重”號(hào)或者其他回收船上，到重新從卡納拉維拉爾角太空軍基地發(fā)射升空。如此快速的周轉(zhuǎn)使得太空探索技術(shù)公司足以在一個(gè)月內(nèi)從其3座發(fā)射臺(tái)上發(fā)射總計(jì)6次——假設(shè)產(chǎn)能足夠，一個(gè)月可部署300顆衛(wèi)星。二期星座使用的星船超重火箭按照馬斯克說法，將具備更快的周轉(zhuǎn)和更少的檢修時(shí)間。雖然目前面對美國聯(lián)邦通信委員會(huì)卡脖子和BN-7損壞的故障而暫時(shí)無法進(jìn)行軌道試飛，但軌道級(jí)試飛也已箭在弦上，只等待BN-7修復(fù)和BN-8堆疊完成。

在減少軌道碎片方面，衛(wèi)星會(huì)在失效后降軌，排空推進(jìn)劑和鈍化以加速離軌，對于失效的星鏈衛(wèi)星，其運(yùn)行的300～570千米低軌道空氣阻力較大，而衛(wèi)星帆板又十分巨大，因此受到的空氣阻力足以使其在失效后3～5年實(shí)現(xiàn)自主離軌，完全滿足美國宇航局提出的25年留軌指標(biāo)。

銥星項(xiàng)目在組網(wǎng)后15個(gè)月快速破產(chǎn)的原因，在于其向用戶提供的服務(wù)過于昂貴而又能夠被迅速發(fā)展的蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)所替代，因此低軌道通信星座必須提供高性能的服務(wù)和合理的價(jià)格，才能具備與中地球軌道星座或靜止軌道星座的競爭力，而其優(yōu)勢則在于遠(yuǎn)低于中高軌道通信系統(tǒng)的通信延遲。對于“星鏈”，其向用戶提供延遲低至20米/秒的服務(wù)，通信速率100～200Mbps。一套標(biāo)準(zhǔn)“星鏈”套件包括星鏈天線、wifi路由器、電纜和底座。星鏈終端需要一片較為寬廣的天區(qū)才能連接上衛(wèi)星，如想要專門架在屋頂上的支架要加錢。據(jù)電子郵件顯示，“星鏈”衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)最初的定價(jià)為99美元/月，同時(shí)用戶需要支付499美元購買“星鏈”設(shè)備?！靶擎湣庇?022年3月22日表示，對已支付定金的客戶提供的用戶套件價(jià)格將從499美元提高到549美元，而新客戶將支付599美元。

2022年2月，太空探索技術(shù)公司發(fā)布了名為“星鏈商務(wù)”的更高性能服務(wù)套餐，將提供更大的高性能天線，通信的速率在150～500Mbps之間，天線成本為2500美元，每月服務(wù)費(fèi)為500美元。這項(xiàng)高級(jí)服務(wù)將于2022年第二季度開始。

▲ “星鏈”可以使得人們在服務(wù)范圍內(nèi)任何地方接上互聯(lián)網(wǎng)

“星鏈”為傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商歷來無法提供服務(wù)的地區(qū)提供基本的在線服務(wù)和資源。借助“星鏈”，全球農(nóng)村社區(qū)和學(xué)生現(xiàn)在可以進(jìn)行虛擬就診和遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，極大地方便了像美國中部地廣人稀地區(qū)的上網(wǎng)服務(wù)。同時(shí)“星鏈”的軍用潛力也已顯現(xiàn)，在F-35A搭載S“星鏈”通信終端進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，基于該平臺(tái)的紅外預(yù)警衛(wèi)星也作為“傳感層計(jì)劃”的一部分等待實(shí)施。“星鏈”提供的戰(zhàn)區(qū)通信和網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)能力也在俄烏沖突中體現(xiàn)，并且成功應(yīng)對了俄羅斯方面的電子戰(zhàn)干擾。其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)流量、抗干擾能力和應(yīng)急反應(yīng)速度，是其軍用的巨大優(yōu)勢。

維勒的一網(wǎng)星座

一網(wǎng)衛(wèi)星質(zhì)量約為150千克，一期星座設(shè)648顆衛(wèi)星，將在12個(gè)軌道傾角為86.4°的近極軌道平面上運(yùn)行，軌道高度為1200千米。最初星座計(jì)劃了18個(gè)軌道平面，每個(gè)平面49顆衛(wèi)星，需要882顆衛(wèi)星和一些備份星，但改進(jìn)的衛(wèi)星提高了覆蓋能力，使其減少了衛(wèi)星數(shù)量的需求。

2017年，一網(wǎng)公司宣布第一期648顆衛(wèi)星的大部分容量已被出售，并且規(guī)劃建設(shè)第二期星座。一網(wǎng)星座二期曾計(jì)劃設(shè)置47844顆衛(wèi)星，包括在40°傾角和55°傾角各設(shè)36個(gè)軌道面，部署兩個(gè)23040顆衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)，在87.9°軌道再部署36個(gè)軌道面總計(jì)1764顆。但在2021年1月12日，“一網(wǎng)”請求將兩個(gè)低傾角星座的衛(wèi)星數(shù)削減90%，星座方案變更為均運(yùn)行于1200千米軌道的6372顆星。

一網(wǎng)衛(wèi)星使用已經(jīng)發(fā)射過近兩千次的俄羅斯聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭部署。一網(wǎng)公司在2015年6月向阿里安航天公司簽訂了21發(fā)聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭的合同，包括聯(lián)盟2.1b-弗雷蓋特M運(yùn)載火箭和聯(lián)盟ST-B 弗雷蓋特-MT運(yùn)載火箭。這些火箭將在大西洋畔的庫魯航天中心、哈薩克斯坦的拜科努爾發(fā)射場、以及俄羅斯的東方發(fā)射場發(fā)射?！奥?lián)盟號(hào)”在庫魯和拜科努爾發(fā)射時(shí)設(shè)34顆衛(wèi)星，而在“東方”發(fā)射時(shí)設(shè)36顆。廉價(jià)量大的聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭在某種程度上構(gòu)成了和獵鷹9火箭接近的投送效率——雖然還趕不上前者的一半運(yùn)載能力，但對于648顆衛(wèi)星的小星座，也足夠了。

▲“一網(wǎng)”的網(wǎng)關(guān)站

但由于俄烏沖突影響，俄羅斯航天國家集團(tuán)拒絕使用最后幾發(fā)聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射在美國生產(chǎn)的一網(wǎng)衛(wèi)星。目前“一網(wǎng)”計(jì)劃向太空探索技術(shù)公司購買3發(fā)獵鷹9火箭，并且計(jì)劃在2022年底開始使用印度的極地衛(wèi)星運(yùn)載火箭和靜地衛(wèi)星運(yùn)載火箭 3發(fā)射。尚不清楚“一網(wǎng)”二期星座將具體使用哪些火箭發(fā)射。

▲ “一網(wǎng)”的微小終端

一網(wǎng)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)將符合美國宇航局提出的25年離軌標(biāo)準(zhǔn)。但由于其運(yùn)作的軌道極高，1200千米軌道純依賴大氣阻力降軌將消耗上千年，幾乎完全不可能只依賴大氣阻力完成降軌，因此一網(wǎng)衛(wèi)星也設(shè)置了失聯(lián)時(shí)自動(dòng)使用電推離軌的程序。對于在軌故障無法降軌或者直接失效的衛(wèi)星，一網(wǎng)公司給出的應(yīng)對策略為每顆衛(wèi)星攜帶激光雷達(dá)靶標(biāo)和Altius DogTag磁力抓取裝置，若衛(wèi)星失控，則可由第三方航天器對接并離軌。多方努力下一網(wǎng)衛(wèi)星因?yàn)槭Ф蔀榭臻g碎片的理論概率被降到了小于0.01。

▲ “一網(wǎng)”衛(wèi)星運(yùn)行在更高傾角的軌道上提供全球服務(wù)

▲ 幾種不同的星網(wǎng)覆蓋范圍

第一代一網(wǎng)衛(wèi)星沒有星間鏈路，因此只有在網(wǎng)關(guān)地面站范圍內(nèi)才會(huì)提供用戶服務(wù)。這些衛(wèi)星將在Ku波段提供用戶服務(wù)，衛(wèi)星略微轉(zhuǎn)動(dòng)以避免干擾地球靜止軌道上的Ku波段衛(wèi)星。地面上的用戶終端天線將是一個(gè)相控陣天線，尺寸約為36厘米 ×16厘米，并將提供50Mbps的互聯(lián)網(wǎng)下行鏈路帶寬。幾乎可以肯定上行鏈路的數(shù)據(jù)流速較少，但具體的數(shù)字尚不清楚。

“一網(wǎng)”的模擬動(dòng)畫中也出現(xiàn)了兩種終端，一種為通過定制可以像公文包一樣小且緊湊的終端，類似無線路由器；另一種為全向天線，可根據(jù)衛(wèi)星具體位置計(jì)算天線俯仰角與滾轉(zhuǎn)角，可以獲得更好的信號(hào)強(qiáng)度?！耙痪W(wǎng)”提供的網(wǎng)絡(luò)比較適合個(gè)人與公共機(jī)構(gòu)使用，其推出的接收裝置也是小型的，類似本地的互聯(lián)網(wǎng)樞紐，將通過wifi或蜂窩信號(hào)與附近的設(shè)備進(jìn)行連接，2016年時(shí)售價(jià)約為250美元。

“柯伊伯”：盲目蠻干還是背水一戰(zhàn)？

“柯伊伯”宣稱自己的衛(wèi)星將比太空探索技術(shù)公司的星鏈衛(wèi)星更為廉價(jià)。而在用戶服務(wù)方面，目前尚不清楚“柯伊伯”具體服務(wù)的報(bào)價(jià)?！皝嗰R遜”暗示衛(wèi)星會(huì)比太空探索技術(shù)公司的“星鏈”要廉價(jià)，但并無證據(jù)支持；數(shù)據(jù)流速方面宣稱可達(dá)到400Mbps，宣稱和“星鏈”的豪華服務(wù)持平。目前看來，“柯伊伯”完成建設(shè)時(shí)，“星鏈”一期星座已經(jīng)進(jìn)行4年運(yùn)營，可用市場已經(jīng)被收割得差不多了。但“柯伊伯”可以和“亞馬遜”當(dāng)前已超過2億的龐大用戶進(jìn)行捆綁銷售服務(wù)，以獲得一定的收益。

2022年4月21日，美國宇航局向6家衛(wèi)星企業(yè)——包括太空探索技術(shù)公司的星鏈衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和“亞馬遜”的柯伊伯星座——提供了總計(jì)2.785億美元的資金，用于在地球軌道上展示下一代空間通信服務(wù)，以尋求替代運(yùn)行于高軌道的數(shù)據(jù)中繼與通信衛(wèi)星系統(tǒng)。

其中“亞馬遜”的柯伊伯項(xiàng)目已獲得6700萬美元的資金?！翱乱敛碧岢龅姆椒ㄕ故玖艘粋€(gè)激光中繼網(wǎng)絡(luò)，用于為航天器提供高速率和低速率衛(wèi)星通信服務(wù)。

前景似乎十分美好，但“柯伊伯”當(dāng)前大量簽訂未首飛的運(yùn)載火箭以進(jìn)行組網(wǎng)，研發(fā)成果也寥寥無幾，還是難以讓人樂觀的。

當(dāng)前隨著俄烏沖突影響，“一網(wǎng)”遭受重大打擊，其一期剩余星座甚至將依靠“獵鷹9”來補(bǔ)全，而和印度的合約也是迫不得已，將在2022年第四季度開始使用印度火箭發(fā)射?！耙痪W(wǎng)”的不甚順利是否會(huì)對“柯伊伯”的推進(jìn)起到正向作用？而如此背水一戰(zhàn)地選擇如此多的新火箭來執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，無疑是風(fēng)險(xiǎn)極大的行為，但也是無可奈何的。因?yàn)槌恕矮C鷹9”，目前美國沒有第二款成熟、廉價(jià)、投送能力大、兼?zhèn)涓弋a(chǎn)量的運(yùn)載火箭以執(zhí)行大規(guī)模低軌道星座的建設(shè)。這也給予新的衛(wèi)星網(wǎng)一個(gè)啟示——高可靠性高性價(jià)比的運(yùn)載器將作為低軌道星網(wǎng)組網(wǎng)的關(guān)鍵要素之一，在星座“快人一步”的建設(shè)中發(fā)揮不可替代的作用。