SpaceX 首批 60 颗「星链」卫星升空!开启太空互联网新篇章

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05-24 12:57

本文来自微信公众号「腾讯科技」(ID:qqtech),作者乔辉,爱范儿经授权发布。

北京时间 2019 年 5 月 24 日上午 10 点 30 分,太空探索技术公司(SpaceX)一次把 60 颗卫星发射升空,发射地点位于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角(SLC-40),采用的是成熟可靠的猎鹰 9(Block5)运载火箭。根据卫星的重量和数量,可计算出本次发射卫星载荷达 14 吨,但另据马斯克此前 twitter,这次载荷达 18.5 吨,如果是这样的话,本次发射几乎达到了猎鹰 9 运力的极限。

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▲ 升空瞬间

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▲ 这是此前马斯克在 twitter 上披露的 60 颗卫星叠放在猎鹰 9 火箭整流罩内的情景

首先火箭把这批卫星部署到 440 公里的轨道上,然后卫星依靠自身的动力爬升至 550 公里的既定高度。这批卫星是用于进一步验证「星链」(Starlink)计划的。今年内,SpaceX 将会发射真正用于实际通信的卫星。

预估耗资 100 亿美元的「星链」

「星链」是 SpaceX 公司正在研发的「卫星星座」工程,致力于形成一个低成本、高覆盖的天基全球通讯系统。SpaceX 也计划向军方和科研机构售卖卫星服务。星链网络需要 10 多年才能构建完成,预估耗资 100 亿美元。

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▲ 在太空展开太阳能板的样子(注意是单个)

2015 年星链计划启动,2018 年 2 月份,两颗原型测试卫星进入太空,本次发射是第二批测试卫星,也是首次大规模投放试验,总共 60 颗卫星,作为试验卫星,它们之间并没有激光链路相连,但有与地面通信的能力,随着后续持续新卫星的发射,早期的这些卫星会被逐渐取代。据计算,如果想对地球进行最小程度的宽带覆盖,也至少要 360 颗卫星才行,720 颗卫星能够完成中等程度的覆盖。预计最早 2020 年才能够开始投入商业运营。

星链这个名字起得很有诗意,寓意是通过技术手段把上万颗卫星链接成一张巨大的通信网络。上面我们也提到,本次发射尚属于试验性质,卫星和卫星之间还不能采用激光相互通信。在未来,卫星和卫星的通信采用激光,因为传统的微波通信受到传输容量的限制,成为星间通信「瓶颈」。现代的卫星通信在准确的基础上,需要量大、实时、传输距离远,这要求卫星通信具有更高的传输数据率。星间激光通信所利用的激光比微波频率高 3 至 4 个数量级。据通信专家介绍,星间激光通信无需频率申请许可,而传统的无线电波频段是战略资源,目前国际电联严格管控星载微波频段,很难申请大容量数据带宽,激光通信意味着绕开了「管制空路」,获得了更广阔的便利空间。星间激光通信具有比微波更窄的波束,信号覆盖范围很小,因而具有很好的抗干扰和抗截获能力。

如何布局 12000 颗卫星?

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▲ 首先完成组网的这 1584 颗卫星将分布在 40 个轨道平面上,每个轨道平面容纳 66 颗卫星

根据计划,星链系统总共由大约 12000 颗卫星组成,这些众多的卫星分布在三个不同的轨道高度层上。这 1 万多颗卫星的轨位资源来之不易,是 SpaceX 公司与美国联邦通信委员会(FCC)多次申请的结果。

卫星的布局方式曾经多次进行调整,据最新的消息是:有大约 7500 颗卫星运行在 340 公里的轨道上;大约 1600 颗卫星运行在 550 公里的轨道上;大约 2800 颗卫星运行在 1150 公里的轨道上。

其中,340 公里轨道上的卫星采用的是 V 波段进行通讯,550 公里高度和 1150 公里高度上的卫星采用的 Ku 和 Ka 波段。

我们知道,电磁波谱是按照频率由低到高排列而成的,光也是一种电磁波,只不过频率更高一些,高达 300THz 左右。

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▲ 部分电磁波谱

V 波段的频率为 60-80GHz;K 波段的频率为 18-27GHz;Ku 的含义是比 K 波段的频道要低(under),频率为 12-18GHz,Ka 的含义是比 K 波段的频道要高(above),频率为 27-40GHz。

V 波段在通讯中较少使用,星链中超过半数的卫星都处于该波段,运行在最低的 340 公里高的轨道上。换算一下可知,V 波段的波长介于 6mm 到 8mm 之间,属于毫米波。前段时间,拍摄黑洞第一幅照片使用的电磁波波长为 1.5mm,属于同一类。

我们再来看一下卫星分布高度的玄机:三层星链卫星都是低轨卫星,相比之下,地球同步静止轨道上的卫星要远得多,达到了 36000 公里的高度。低轨的好处是信号延迟短,这当然是由于近的原因,虽然信号以光速前进,但对时间很敏感的仪器来讲,还是有很大差别的。同步轨道上的卫星延迟大约 477 毫秒,星链卫星的延迟仅仅 25 到 35 毫秒,能够达到光纤的程度。

据悉,首先完成组网的将是处于 550 公里高度上的 1584 颗卫星,这 1584 颗卫星将分布在 40 个轨道平面上,每个轨道平面容纳 66 颗卫星,轨道倾角为 25 度,比其他两个轨道层上的卫星倾角要小。

大家会注意到,有超过半数的卫星位于最低的 340 公里的轨道上。在这种轨道上的卫星受到的运行阻力较大,虽然 100 公里的高度规定为太空,但 340 公里的高度还是有稀薄的气体对卫星的运行造成阻力的,不知道 SpaceX 利用了什么样的黑科技来克服这种先天劣势。

为了配合这 12000 颗卫星的通讯,SpaceX 也正在积极向 FCC 申请在地面建造 100 万个地面站的方案。地面站是为了接收由卫星发送的信号,同时接收由终端用户和其他地面站发来的信号。

小步快跑,迅速迭代

SpaceX 公司高效的运作方式给人留下深刻的印象,从猎鹰 1 火箭到猎鹰 9 火箭,从重型猎鹰到龙飞船,都是在迅速迭代过程中逐渐成熟起来的,几乎没听说有「定型」这一说。同样,在星链卫星的研发上,也是本着这种原则,12000 多颗卫星不断发射不断优化改进。每颗卫星重约 227 公斤,搭载有一个扁平的高通量天线和单个太阳能发电板。60 颗这种卫星也恰恰能够充分利用猎鹰 9 的运载能力。

在完成这 12000 个卫星的研发后,SpaceX 恐怕不再单单是一个火箭发射公司,也会变成一个相当厉害的卫星制造公司了。

卫星配备先进的离子推进器

每颗星链卫星上都搭载有离子推进器(霍尔推进器),能够调整卫星在轨道上的位置,维持轨道高度,能够在卫星报废后的主动脱轨,甚至能够主动躲避太空垃圾的碰撞等等。

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▲ NASA 测试的离子推进器

离子推进器在航天器中有着越来越广泛的应用,虽然这种推进器推力有限,但经过长时间的冲量积累,也能对航天器产生可观的速度改变。离子推进器最大的优点是比冲大,比冲大意味着能够减少燃料的携带,减轻卫星的重量。

通常,离子推进器大多采用「氙」作为离子源,但星链卫星上采用的是氙的同族元素,另一种惰性气体」氪「做离子源,这可能是后者的价格比前者便宜吧。因为我们都知道马斯克已经节约到了」捡破烂「的程度,航天爱好者们私下称他为」破烂王「。因为每次火箭发射,他把能够回收的东西都回收,除了火箭一级助推器和芯级以外,整流罩也不放过。

每颗卫星的使用寿命大约为 5 到 7 年,退役后,推进器主动为卫星减速促使其脱轨,脱轨后的卫星会坠入大气层焚毁。目前,星链卫星能够做到燃烧掉 95% 的重量,随着技术的迭代,未来的卫星能够做到 100% 的销毁,不对对面上的人或建筑造成任何可能的伤害。

激烈的市场竞争

我们知道,最近几年「卫星星座」非常热门,也是各路卫星公司「讲故事」的高频词汇。总部位于英国的「OneWeb」卫星公司是 SpaceX 非常强劲的竞争对手。这家公司几乎与 SpaceX 同时提出了相似的卫星部署蓝图。2019 年 2 月 28 日,OneWeb 已利用俄罗斯的联盟火箭把 6 颗卫星送入轨道,计划部署卫星的数量为 650 颗。

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▲ 2019 年 2 月 28 日,OneWeb 已利用俄罗斯的联盟火箭把 6 颗卫星送入轨道

2015 年,三星公司也提出过一项由 4600 颗卫星组成的卫星星座通信网络计划。同年,加拿大公司(Telesat)提出过一个规模较小的,由 117 颗卫星组成的卫星通信网络,希望 2021 年投入使用。

2019 年 4 月,亚马逊宣布了所谓的「柯伊伯工程」(Project Kuiper),希望在接下来的十年内部署 3236 颗通信卫星。

在中国,也有很多国企或私企在摩拳擦掌,准备进入卫星星座这张大网中。

从整体来看,SpaceX 具有其他公司都没有的优势,那就是用自己的火箭发射自己的卫星,无论从成本角度,还是从可控角度看,都是其他公司难以望其项背的。

马斯克的太空梦想

马斯克是当今世界上最出名的企业家之一,从特斯拉到 SpaceX 都展现出他那旺盛的开拓能力。他曾经表示,希望自己在火星上寿终正寝。这可不是空想,从重型猎鹰火箭的成功飞行到「星舰」飞船的研发,都在一步步接近这个梦想。他挣钱的目的似乎就是为了飞出地球,定居火星,使人类成为多星球物种。

据悉,SpaceX 甚至还设想把星链复制到火星上去,为将来人类在火星上的活动提供通信保障。但愿马斯克的步伐能够再快一些,让读这篇文章的朋友也都能够看到火星上的星链卫星布网成功。

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