擁擠的圓舞曲：衛(wèi)星正在堵塞星空

劉紓驊

擁堵的人造衛(wèi)星（創(chuàng)意圖）

2022年10月12日，《Science》雜志刊載的一篇文章中提到，2017年至2022年，國際電信聯(lián)盟（ITU）已經(jīng)收到超過25個通信衛(wèi)星星座計劃，包括百萬顆低軌衛(wèi)星的軌道與頻譜申請。

根據(jù)UCS衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫截至2023年初的數(shù)據(jù)：全球在軌活躍衛(wèi)星總數(shù)為6718顆，其中低軌衛(wèi)星為5937顆，很難想象到2030年，該數(shù)量會暴增近200倍。公開信息顯示，隨著近地衛(wèi)星軌道變得更加擁擠，馬斯克旗下SpaceX所擁有的星鏈衛(wèi)星，每月正進行數(shù)千次的防碰撞機動，這也加劇了人們對近地軌道安全性的擔憂。

擁擠的太空之上，衛(wèi)星的軌道和頻段被視為一種戰(zhàn)略資源。國際社會規(guī)定，對于衛(wèi)星頻率和軌道資源，主要采用“先占先得”的方式—發(fā)達國家率先發(fā)射衛(wèi)星，占據(jù)優(yōu)先位置，導致優(yōu)質(zhì)軌道和頻率的擁擠現(xiàn)象。

對于普通人來說，一個最大的疑問是，我們還能看到真正的星空嗎？當然，問題的嚴峻性，也遠不止于此。

“太空圈地”，跨越百年

作為世界最大、歷史最悠久的國際電信組織，ITU的歷史可追溯到19世紀。在首條大西洋電報電纜鋪設(shè)完畢后，國際、洲際電報通信需求激增。由于各國電報系統(tǒng)互不兼容，造成信號進入他國國境后，需轉(zhuǎn)換為該國的電碼繼續(xù)傳輸，大大增加了信息傳遞成本。

為使信息傳遞更加順暢，破除信息壁壘，20多個國家派代表參加了首屆國際電報會議，成立國際電報聯(lián)盟，并簽訂了《國際電報公約》。

隨著遠距離信號傳輸技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，從電話到無線電，國際電聯(lián)肩負了愈發(fā)豐富的職能。在1927年的華盛頓會議上，國際電聯(lián)正式獲得為各國各類無線電服務(wù)分配頻段的職權(quán)。1932年，國際電報聯(lián)盟易名為國際電信聯(lián)盟。

二戰(zhàn)后，《聯(lián)合國憲章》生效，聯(lián)合國成立。1947年11月15日，國際電信聯(lián)盟并入聯(lián)合國，次年將總部移至日內(nèi)瓦。

1957年，世界首顆人造衛(wèi)星“斯普特尼克一號”由蘇聯(lián)發(fā)射升空后，美國于1958年發(fā)射了世界首顆通信衛(wèi)星，即可以作為地球以外通信中繼站的“斯科爾號”，衛(wèi)星通信時代自此開啟。

各國衛(wèi)星通信的頻率與軌道資源，順理成章由聯(lián)合國常設(shè)機構(gòu)之一、制定了多項國際標準及規(guī)則的ITU負責分配與協(xié)調(diào)，如為全球衛(wèi)星通信服務(wù)商分配C、Ku及Ka頻段。

星空中的戰(zhàn)爭與和平

1982年6月，在全世界密切關(guān)注下，華約集團舉行了“反核突襲”軍事演習。演習中，蘇軍在一天內(nèi)發(fā)射了靶標衛(wèi)星及名為“衛(wèi)星殲擊機”的軍事衛(wèi)星。在地面信號指令的遙控下，兩顆衛(wèi)星多次快速變軌，做出華麗的戰(zhàn)術(shù)動作，最后于西德上空相撞爆炸，令北約集團為之側(cè)目。

此前，雙方已開發(fā)了通過高能激光照射方式，影響或毀壞敵方衛(wèi)星光電系統(tǒng)的天基反衛(wèi)星武器。

冷戰(zhàn)時代，衛(wèi)星技術(shù)背離了本應致力于分享信息、造福人類的初衷。地球軌道上運行的衛(wèi)星猶如蓄勢待發(fā)的鋼鐵猛獸，相當一部分具備軍事用途，為未來戰(zhàn)爭服務(wù)。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，大戰(zhàn)陰霾暫時散去，各國衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量出現(xiàn)短暫的下降。隨著包括衛(wèi)星技術(shù)在內(nèi)的大量軍用技術(shù)，向民用領(lǐng)域轉(zhuǎn)移，發(fā)射民用、商用衛(wèi)星成為了新的潮流—如為監(jiān)視蘇聯(lián)潛艇而設(shè)計的“子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)”，其后繼型號擁有一個如今家喻戶曉的名字：GPS。

世界首顆人造衛(wèi)星“ 斯普特尼克一號”的等比例模型

2023年7月15日，美國佛羅里達州，SpaceX獵鷹9號火箭發(fā)射54顆星鏈衛(wèi)星

衛(wèi)星猶如蓄勢待發(fā)的鋼鐵猛獸，相當一部分具備軍事用途。

“太空攪局者”馬斯克

2015年，全球在軌衛(wèi)星近1500顆。本世紀前15年，發(fā)射衛(wèi)星還是一項成本極高的工程，直到一位顛覆了行業(yè)慣例的攪局者埃隆·馬斯克出現(xiàn)。2015年12月21日，馬斯克任CEO的SpaceX公司發(fā)射了“獵鷹9號”運載火箭，并首次實現(xiàn)了一級火箭垂直回收。這個里程碑式的成功改寫了航天史，讓衛(wèi)星發(fā)射成本“白菜價”逐漸成為現(xiàn)實。

“獵鷹9號”成功回收前，據(jù)資料稱，美國航天飛機的發(fā)射成本約為4.5億美元，運載成本約每公斤2萬美元；俄羅斯“聯(lián)盟號”火箭發(fā)射成本約5000萬美元，運載成本約每公斤7000美元；歐洲“阿里安”火箭發(fā)射成本約1.65億美元，運載成本約每公斤1萬美元；中國“長三乙”火箭發(fā)射成本約7000萬美元，運載成本約每公斤6000美元；印度的極軌可拋棄火箭發(fā)射成本約1500萬美元，運載成本約每公斤2700美元。

雖然印度“極簡版”運載火箭在單次發(fā)射中將成本降至極低，但與可回收循環(huán)、最多發(fā)射5次的“獵鷹9號”相比，仍不足以相提并論：“獵鷹9號”單次發(fā)射成本1240萬美元，運載成本達到驚人的每公斤563美元?！矮C鷹9號”的極低發(fā)射成本，適時匹配了SpaceX野心勃勃的“星鏈”計劃。

低軌衛(wèi)星大時代

2015年，SpaceX公司披露了發(fā)射1.2萬顆近地軌道通信衛(wèi)星，組成大型星座通信網(wǎng)絡(luò)的“星鏈”計劃。雖曾遭到業(yè)內(nèi)人士的廣泛質(zhì)疑，但SpaceX在短期內(nèi)攻克了衛(wèi)星模式化制作、可回收火箭和一箭多星技術(shù)，成為目前最知名與最成功的低軌星座系統(tǒng)。

2022年3月9日，在卡納維拉爾角40號發(fā)射場中，“獵鷹9號”火箭帶著48枚衛(wèi)星進入預定軌道，至此“星鏈”已部署了2282顆衛(wèi)星。2023年，SpaceX的總發(fā)射載荷，約占全球火箭發(fā)射載荷的80%。

“星鏈”預計發(fā)射4.2萬顆衛(wèi)星，目前采用的軌道高度為540-570千米，項目后期將發(fā)射高度為335-346千米極低軌道衛(wèi)星，形成混合星座?！靶擎湣笨赏ㄟ^大量傾斜軌道衛(wèi)星，對中低緯度地區(qū)進行信號覆蓋，并可利用極地軌道衛(wèi)星對高緯度地區(qū)進行信號補充，完善星間鏈路。“星鏈”計劃完成后，足以承載6G、物聯(lián)網(wǎng)等未來科技新目標。

“星鏈”獲得初步成功后，引發(fā)了通信網(wǎng)絡(luò)星座的大擴張，具備航天實力的國家和公司紛紛行動起來，推出了自己的星座計劃，低軌通信衛(wèi)星“大時代”即將來臨。

由于部分開發(fā)者并不掌握全套核心技術(shù)，各計劃的命運不免南橘北枳，相去甚遠。如世界最大的電子商務(wù)公司亞馬遜，采用租借“獵鷹9號”使用權(quán)的方式，布置自己的星座“柯伊伯”，計劃進行得中規(guī)中矩。

并非所有計劃均進展順利。預計發(fā)射648顆衛(wèi)星便可完成星座組網(wǎng)的英國OneWeb公司，就未獲幸運女神青睞。該公司選擇俄羅斯的“聯(lián)盟號”火箭承擔衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，至2022年初，該計劃仍在順利進行，但俄烏沖突的發(fā)生改變了事態(tài)。

由于西方集體對俄制裁，OneWeb公司成為了夾縫中的犧牲品，計劃被迫暫停。在OneWeb終于得到“獵鷹9號”的租用權(quán)時，發(fā)射計劃已推遲8個月之久。到2023年3月，本階段最后一批Oneweb衛(wèi)星由印度火箭成功發(fā)射入軌，OneWeb星座信號基本覆蓋全球，成為目前世界第二大星座網(wǎng)絡(luò)。

德、法、加、俄等國均大力發(fā)展星座網(wǎng)絡(luò)布局，中國也將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列為新型基礎(chǔ)設(shè)施，開展了“GW-2”“GW-A59”，及“虹云工程”“鴻雁星座”“星網(wǎng)工程”等低軌通信衛(wèi)星計劃，向ITU提交了1.3萬顆衛(wèi)星的軌道與頻譜申請。

2023年，SpaceX的總發(fā)射載荷，約占全球火箭發(fā)射載荷的80%。

近地軌道“紙衛(wèi)星”大塞車

如上所述，ITU對于衛(wèi)星軌道與頻段申請采取“先占先得”的規(guī)定，如果已在軌衛(wèi)星由于種種原因失靈，發(fā)射方可以重新申報進行替換。若申報方未按時完成衛(wèi)星發(fā)射及信號驗證，發(fā)射額度將會被取消。在近地軌道衛(wèi)星申請井噴式爆發(fā)的當今，作為稀缺資源的軌道與頻段，必將引發(fā)激烈的競爭。

2021年，聯(lián)合國公布的世界最不發(fā)達國家之一，非洲國家盧旺達向ITU提出申請，將建設(shè)總數(shù)超過30萬顆衛(wèi)星的兩個星座計劃，一時造成全球業(yè)內(nèi)嘩然。消息人士稱：明顯不具備如此級別發(fā)射能力的盧旺達，背后的實際申請人為一家法國公司，并且，這些衛(wèi)星中絕大部分將“停留在紙面上”。

根據(jù)ITU在2019年的新規(guī)定，星座申報方需于7年內(nèi)發(fā)射首星，首星發(fā)射后2年內(nèi)需發(fā)射10%，5年內(nèi)需發(fā)射50%，7年內(nèi)全部完成。此規(guī)定意味著，申報后7年內(nèi)，這些衛(wèi)星占據(jù)的軌道與頻段資源將被占據(jù)。

此規(guī)定給投機性申請?zhí)峁┝瞬僮骺臻g，部分申請者用近似搶注互聯(lián)網(wǎng)域名的方式申請衛(wèi)星資源。根據(jù)業(yè)內(nèi)專家數(shù)據(jù)，雖然近地軌道足以容納百萬顆衛(wèi)星，但衛(wèi)星間的干擾、碰撞等風險將大大增高。

由于低軌衛(wèi)星使用壽命低于高軌衛(wèi)星，未來，報廢衛(wèi)星及太空垃圾的數(shù)量也將隨著入軌衛(wèi)星的數(shù)量激增，它們將對正常運行的衛(wèi)星造成重大安全威脅。為此，美國聯(lián)邦通信委員會規(guī)定，本國衛(wèi)星失去功能后5年內(nèi)，必須由運營方清理出原軌道，否則將處以罰款，但此規(guī)則暫未推廣至全球。

以目前衛(wèi)星數(shù)量的增加趨勢，可以預見，未來在近地軌道上，會上演一場稠密擁擠的圓舞曲。

2023年12月4日，德國航空航天中心，科學家研發(fā)制動帆，致力于更快處理廢棄衛(wèi)星

部分申請者用近似搶注互聯(lián)網(wǎng)域名的方式申請衛(wèi)星資源。

未來，新時代的巴別塔

《圣經(jīng)·舊約·創(chuàng)世紀》故事中記載：遠古時代人類使用統(tǒng)一的語言，他們試圖共同修建一座直抵天堂的高塔“巴別塔”。上帝為了阻止此計劃，在工程即將成功時，使人類產(chǎn)生了語言之別，當無法溝通后，“巴別塔”的建造就此失敗。

低軌通信衛(wèi)星星座提供的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，無須依賴密集的地面基站，可以幫助生活在極端環(huán)境下或極度貧困地區(qū)的人們接入高速網(wǎng)絡(luò)，獲取足以改變命運的科學知識，它們就像這個時代的“巴別塔”。

今日世界仍面臨戰(zhàn)爭威脅，價值觀的沖突碰撞，使部分地區(qū)和平遙遙無期，信息獲取的不對稱是造成此種情況的重要原因。據(jù)ITU在2023年的報告，非洲只有37%的人使用互聯(lián)網(wǎng)，亞洲及中東地區(qū)也有1/3的居民從未使用過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

希望近地軌道通信衛(wèi)星的發(fā)展，可以更好地幫助價值觀迥異的陣營擱置爭議，共同發(fā)展，將目光投向神秘、浩瀚的地球之外，跨出“地球搖籃”，譜寫人類開發(fā)宇宙的新篇章。

責任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com