SpaceX公司低軌寬帶星座發(fā)展研判與啟示李博【期刊名稱】《國際太空》【年(卷),期】2018(000)008【總頁數(shù)】6頁(P20-25)【作者】李博【作者單位】北京空間科技信息研究所【正文語種】中文北京時間2018年2月22日22:17,美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)在范登堡空軍基地利用獵鷹-9(Falcon-9)運(yùn)載火箭成功發(fā)射了2顆試驗(yàn)通信衛(wèi)星微星-2A和2B(Microsat-2A和2B),計(jì)劃開展多項(xiàng)演示驗(yàn)證工作，為其“星鏈”(Starlink)低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)提供支持。本次發(fā)射任務(wù)中，SpaceX公司還嘗試回收獵鷹-9運(yùn)載火箭的整流罩，但并未獲得完全成功。本文從發(fā)射任務(wù)及SpaceX公司的星座計(jì)劃出發(fā)，對其發(fā)展情況進(jìn)行研判，同時思考我國星座建設(shè)面臨的問題和挑戰(zhàn)，結(jié)合國外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，提出相應(yīng)建議。Microsat-2A和2B試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射前配置情況任務(wù)基本情況本次發(fā)射的主任務(wù)載荷為西班牙軍用偵察衛(wèi)星“帕斯”(PAZ),2顆試驗(yàn)衛(wèi)星則作為次級任務(wù)載荷，首先進(jìn)入高514km、傾角97.44。的太陽同步軌道，隨后利用衛(wèi)星自身推進(jìn)系統(tǒng)抬升至1125km的預(yù)定任務(wù)軌道。SpaceX公司創(chuàng)始人兼CEO伊隆?馬斯克在北京時間2018年2月23日凌晨對外宣稱，2顆試驗(yàn)衛(wèi)星已完成部署，進(jìn)入預(yù)定軌道，并與地面站完成了首次通信。目前，Microsat-2A和2B衛(wèi)星對外披露的信息極少，從SpaceX公司提交美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的文件以及外媒相關(guān)報(bào)道綜合來看，2顆衛(wèi)星配置相同，采用三軸穩(wěn)定工作方式，發(fā)射質(zhì)量約400kg，設(shè)計(jì)壽命6~12個月（可能延長至20個月），將在完成任務(wù)后執(zhí)行離軌操作。星體收攏狀態(tài)尺寸為1.1mx0.7mx0.7m,2副太陽電池翼，每副尺寸為2mx8m,星上還配置了供配電、姿軌控、熱控、推進(jìn)等主要的平臺分系統(tǒng)。載荷方面，星上載有Ku頻段的相控陣天線以及激光星間鏈路發(fā)射接收設(shè)備；此外，還載有一個低分辨率的成像系統(tǒng)2顆衛(wèi)星入軌后的主要任務(wù)包括：①對衛(wèi)星平臺及相關(guān)分系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證；②對相控陣天線的射頻特性、波束指向精確度、鏈路數(shù)據(jù)傳輸能力以及地面站之間的無縫切換性能進(jìn)行驗(yàn)證。SpaceX公司將利用美國的5個固定地面站以及3個移動地面站完成上述演示驗(yàn)證工作。根據(jù)2顆衛(wèi)星的預(yù)定工作軌道分析來看，約每天最多有15min的測試窗口。Starlink星座情況項(xiàng)目背景SpaceX公司低軌互聯(lián)網(wǎng)星座項(xiàng)目最早于2015年提出，旨在利用大規(guī)模低軌衛(wèi)星提供全球高速寬帶接入服務(wù)。2016年，該公司曾向FCC提出發(fā)射6~8顆試驗(yàn)衛(wèi)星的申請，首批2顆衛(wèi)星Microsat-1A和1B原計(jì)劃2016年10月發(fā)射，但此后因設(shè)計(jì)改動過大，2顆衛(wèi)星降級轉(zhuǎn)為地面測試，任務(wù)名保留，故本次發(fā)射的衛(wèi)星延續(xù)命名為Microsat-2系列。2016年11月，SpaceX公司正式向FCC提交在美國運(yùn)營Ka頻段低軌互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的申請，文件顯示該系統(tǒng)名為“SpaceX非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)”（SpaceXNGSOSatelliteSystem），共包括4425顆衛(wèi)星。2017年3月，SpaceX公司再次向FCC提交V頻段低軌星座運(yùn)營申請，并命名為“SpaceXV頻段非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)”，該星座將由7518顆衛(wèi)星構(gòu)成。由此，SpaceX公司星座將包含接近12000顆衛(wèi)星，成為迄今為止人類提出發(fā)展的規(guī)模最大的星座項(xiàng)目。2017年8月，SpaceX公司向美國專利局提交商標(biāo)注冊申請，將其兩大星座計(jì)劃正式統(tǒng)一命名為“Starlink”，根據(jù)申請文件來看，星座的主要應(yīng)用包括衛(wèi)星通信和傳輸服務(wù)、高速無線寬帶服務(wù)，以及衛(wèi)星成像服務(wù)和遙感服務(wù)等。2017年10月，SpaceX公司與一網(wǎng)公司（ONEWEB）共同參與了美國參議院商業(yè)、科學(xué)與技術(shù)委員會的聽證會，并披露其2顆試驗(yàn)衛(wèi)星將在數(shù)月內(nèi)發(fā)射，計(jì)劃于2019年啟動在軌工作星的部署，2024年完成首批4425顆衛(wèi)星部署。2018年2月，2顆試驗(yàn)星發(fā)射成功。2018年3月底，美國FCC正式批準(zhǔn)SpaceX公司的Ka頻段低軌互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)在美國提供衛(wèi)星寬帶服務(wù)。第一期星座情況（1）按軌道面分批次完成部署，采取高效的離軌處置措施如前所述，Starlink第一期星座實(shí)現(xiàn)全運(yùn)行能力將需要部署4425顆衛(wèi)星，分布在83個軌道面上，軌道高度1110~1325km不等，在用戶端最低40。仰角條件下，可滿足全球無縫連續(xù)覆蓋。Starlink第一期星座軌道設(shè)計(jì)軌道參數(shù)初期部署（1600顆）最終部署（2825顆）軌道面數(shù)/個3232856單軌道面衛(wèi)星數(shù)量/顆5050507575軌道高度/km11501110113012751325軌道傾角/（。）5353.8748170SpaceX公司計(jì)劃分2個階段建設(shè)該系統(tǒng)，第一階段發(fā)射1600顆衛(wèi)星，分布于32個1150km的軌道面上，每個軌道面50顆衛(wèi)星；第二階段發(fā)射2825顆衛(wèi)星，分布于1110km、1130km、1275km和1325km共4個不同軌道高度，分別對應(yīng)32個、8個、5個和6個軌道面，各軌道面50~75顆衛(wèi)星不等。值得一提的是，受美國FCC監(jiān)管要求，SpaceX公司的星座部署工作將首先著眼于美國本土全境覆蓋，隨后繼續(xù)布星完成全球覆蓋。此外，為了滿足美國和國際社會對大規(guī)模星座離軌操作的要求，SpaceX公司提出了自己的處置方案，即在衛(wèi)星退役后先進(jìn)入1075km高的圓軌道，隨后利用儲備的燃料先將軌道降低至約300km處，然后關(guān)機(jī)，使其重返大氣層時燒毀，整個過程不超過1年。在提交FCC的申請文件中，SpaceX公司也專門對5個軌道面的衛(wèi)星分別進(jìn)行了離軌鈍化仿真分析，結(jié)果顯示,所有上述衛(wèi)星均可在1年的時間內(nèi)完成再入鈍化工作。（2）衛(wèi)星設(shè)計(jì)突出大容量、高速率，星間鏈路確保高適應(yīng)性Starlink第一期星座衛(wèi)星將由SpaceX公司在西雅圖的衛(wèi)星工廠設(shè)計(jì)并制造。根據(jù)該公司向FCC提交的申請文件來看，每顆衛(wèi)星的發(fā)射質(zhì)量達(dá)386kg，設(shè)計(jì)壽命5~7年，星體收攏狀態(tài)尺寸為4.0mx1.8mx1.2m,2副太陽電池翼尺寸均為6mx2m,主要參數(shù)與本次發(fā)射的試驗(yàn)衛(wèi)星存在一定差異。此外，星上還帶有霍爾效應(yīng)電推進(jìn)系統(tǒng)。載荷方面，將具備數(shù)字信號處理能力，同時配備先進(jìn)的相控陣天線，具體波束配置目前不詳，但每顆衛(wèi)星的星下可覆蓋范圍半徑達(dá)1060km。據(jù)SpaceX公司推算，第一期星座完全部署狀態(tài)下，在美國大陸最多可見衛(wèi)星數(shù)量約340顆。Starlink第一期星座衛(wèi)星覆蓋情況示意圖從容量看，衛(wèi)星用戶鏈路下行總可用帶寬約2GHz，根據(jù)并發(fā)用戶情況不同，單星容量可達(dá)17~23Gbit/s。如果按照平均20Gbit/s計(jì)算，首批1600顆衛(wèi)星的總?cè)萘靠蛇_(dá)到32Tbit/s，而整個星座的數(shù)據(jù)容量將接近100Tbit/s。為確保接入能力，實(shí)現(xiàn)高速率目標(biāo)，SpaceX公司將在地面互聯(lián)網(wǎng)接入節(jié)點(diǎn)附近配建關(guān)口站，在星座第一階段部署完成后，僅美國大陸預(yù)計(jì)就將部署約200個關(guān)口站為星座提供支持，后期將進(jìn)一步根據(jù)用戶需求擴(kuò)充關(guān)口站數(shù)量。Starlink第一期星座工作頻率情況工作鏈路頻率范圍/GHz用戶下行10.70~12.70饋電下行17.80~18.60;18.80~19.30用戶上行14.00~14.50饋電上行27.50~29.10;29.50~30.00測控下行12.15~12.25;18.55~18.60測控上行13.85-14.00值得一提的是，SpaceX公司的星座還將采用激光星間鏈路實(shí)現(xiàn)空間組網(wǎng)，配合星上處理與相控陣波束賦形技術(shù)，可在用戶層面更加靈活地調(diào)度和分配頻譜資源，同時在軌道層面靈活路由，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理以及服務(wù)連續(xù)性的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)整個星座系統(tǒng)高度的適應(yīng)性。第二期星座情況SpaceX公司新提出7518顆V頻段低軌衛(wèi)星星座，軌道設(shè)計(jì)高度分布在330~350km范圍內(nèi)。Starlink第二期星座軌道設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)軌道高度/km345.9340.8335.9軌道傾角/（°）53.048.042.0衛(wèi)星數(shù)量/顆254724782493在衛(wèi)星設(shè)計(jì)方面，同樣具備星間鏈路收發(fā)設(shè)備、相控陣天線等先進(jìn)載荷。用戶鏈路和饋電鏈路工作于相同的頻段，用戶鏈路下行可用帶寬達(dá)5GHz，上行3GHz。Starlink第二期星座工作頻率情況工作鏈路頻率范圍/GHz用戶下行/饋電下行37.50-42.50用戶上行47.20-50.20饋電上行50.40-52.40測控下行37.50-37.75測控上行47.20-47.45業(yè)務(wù)應(yīng)用根據(jù)SpaceX公司在2017年10月向美國參議院匯報(bào)的情況來看，其主要業(yè)務(wù)方向與一網(wǎng)公司計(jì)劃類似，致力于提供個人消費(fèi)者級寬帶服務(wù)，用戶段終端單價將控制在200美元，將采用易于安裝的高指向性窄波束相控陣天線，具備良好的旁帶抑制性能，最高可獲得傳輸速率將達(dá)到1Gbit/s，遠(yuǎn)超當(dāng)前地面光纖網(wǎng)絡(luò)的平均速率，時延則達(dá)到25~30ms的水平。幾點(diǎn)研判試驗(yàn)星發(fā)射具有階段性意義，但必須理性看待當(dāng)下輿論反應(yīng)毫無疑問，2顆試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功是SpaceX公司推進(jìn)其星座計(jì)劃建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，待開展的一系列在軌演示驗(yàn)證任務(wù)，將對進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、盡早啟動工作星研制提供有利支持。但當(dāng)下主流輿論對該事件的意義過分夸大，甚至部分描述與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)，因而必須理性看待。首先，試驗(yàn)衛(wèi)星與星座系統(tǒng)的頻率、軌位申請相互獨(dú)立，試驗(yàn)星的工作軌道低于正式星座，本次發(fā)射雖成功促進(jìn)了Starlink第一期星座的頻率申請獲FCC批準(zhǔn)，但對整個系統(tǒng)而言并沒有直接的占頻保軌作用，更不意味著后續(xù)部署和運(yùn)營已經(jīng)板上釘釘。其次，試驗(yàn)衛(wèi)星公開的設(shè)計(jì)參數(shù)與此前公布的4425顆衛(wèi)星方案存在較大差異，后續(xù)正式工作星采取何種方案仍存在較大變數(shù)，對整個系統(tǒng)建設(shè)成本和交付周期將產(chǎn)生何種影響，目前不可預(yù)測。再次，從本次任務(wù)無法窺探出Starlink星座建設(shè)的真實(shí)進(jìn)度，公開渠道信息唯一可確認(rèn)的是SpaceX公司在西雅圖設(shè)立了衛(wèi)星工廠，但生產(chǎn)線是否已配備、供應(yīng)商是否已選取、訂單是否已簽署等重要信息均未公布，按照馬斯克一直以來的商業(yè)邏輯，不大可能因?yàn)楸Ｃ茉蚨还肌Ｗ詈?，一些媒體對星座的應(yīng)用服務(wù)場景理解存在巨大誤區(qū)。Starlink兩期星座采用的Ku/Ka和V頻段并無法實(shí)現(xiàn)所謂的“天基WIFI”概念，日常所采用的無線寬帶接入設(shè)備，如筆記本電腦、智能手機(jī)等，均無法與該頻段的衛(wèi)星直接通信，必須借助專用終端建立接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，馬斯克在社交媒體對外宣稱的衛(wèi)星WIFI接入密碼“martians”是一種宣傳策略，只為使公眾更易接受其服務(wù)理念。發(fā)展低軌星座，直接利益在于把握風(fēng)口機(jī)遇和升級發(fā)射能力對SpaceX公司來說，從發(fā)射服務(wù)提供商向大規(guī)模低軌互聯(lián)網(wǎng)寬帶衛(wèi)星研制和運(yùn)營領(lǐng)域拓展，是其在商業(yè)航天領(lǐng)域的又一次重要戰(zhàn)略部署。就其自身利益角度來分析，該舉措主要包括兩方面目的。首先，在于把握衛(wèi)星與地面信息網(wǎng)絡(luò)演變的重大機(jī)遇，以此為切入點(diǎn)搶占發(fā)展先機(jī)。近年來，地面通信網(wǎng)絡(luò)用戶增長速度日趨緩慢，促使運(yùn)營商迫切希望拓展市場范圍，但面臨建設(shè)成本高、投資回報(bào)率低的困局。受此影響，大型互聯(lián)網(wǎng)科技公司谷歌公司（Google）、臉書公司（Facebook）等紛紛考慮通過空基、天基手段解決這—問題，SpaceX公司發(fā)展低軌星座在早期就獲得了谷歌公司的支持。另一方面，衛(wèi)星通信行業(yè)也正經(jīng)歷深刻的收入結(jié)構(gòu)調(diào)整，傳統(tǒng)最大的收入來源—固定電視直播業(yè)務(wù)增長乏力，衛(wèi)星寬帶服務(wù)業(yè)務(wù)未來10年的用戶數(shù)量和收入規(guī)模則將產(chǎn)生300%的激增（數(shù)據(jù)源自美國北方天空研究所最新版《VSAT與寬帶衛(wèi)星市場》報(bào)告），巨額的回報(bào)預(yù)期推動了以Starlink為代表的一批低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃集中涌現(xiàn)。其次，在于不斷鞏固和持續(xù)升級其既有的火箭研制及發(fā)射服務(wù)能力。目前來看，SpaceX公司的核心業(yè)務(wù)收入來源仍然是提供發(fā)射服務(wù)，這也是向其他領(lǐng)域拓展業(yè)務(wù)的根基所在。如果Starlink第一期星座建設(shè)計(jì)劃（2019－2026年）順利實(shí)施，按照當(dāng)前獵鷹－9火箭的運(yùn)載能力推算，至少可以確保每年10次以上的發(fā)射任務(wù)，對穩(wěn)固其發(fā)射業(yè)務(wù)收入、降低發(fā)射服務(wù)成本、提升市場競爭力，具有重要的意義；另一方面，Starlink星座建設(shè)所產(chǎn)生的任務(wù)增量，對其持續(xù)擴(kuò)充升級火箭研制能力和增強(qiáng)發(fā)射服務(wù)能力，也必將產(chǎn)生正面和直接的影響。思考與建議積極引入智能制造工具，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星批量化自動化生產(chǎn)以SpaceX公司和一網(wǎng)公司為代表，新興低軌通信星座成千上萬顆的衛(wèi)星交付需求，對傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制模式和理念形成巨大沖擊。一網(wǎng)公司和空客防務(wù)與航天公司（ADS）合作，充分利用智能裝配工具、大數(shù)據(jù)控制、機(jī)器人、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具以及自動測試系統(tǒng)等手段，加速整個總裝、集成和測試（AIT）流程，其1條生產(chǎn)線共包括30個測試和組裝工位，每個工位分配2名工人，可實(shí)現(xiàn)1天1星的出廠交付能力。其在佛羅里達(dá)州的衛(wèi)星工廠將配備多條生產(chǎn)線，最高交付速度可達(dá)1天3星。建議在處理低軌衛(wèi)星制造問題時，從思路上更多地考慮“生產(chǎn)”而非“研制”，引入人工智能、3D打印、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等智能制造理念工具，優(yōu)化調(diào)整衛(wèi)星總裝、測試和試驗(yàn)流程，推動衛(wèi)星的批量化、自動化、短周期生產(chǎn)，牽引宇航制造能力的轉(zhuǎn)型升級。兼顧質(zhì)量、成本與周期，利用商用現(xiàn)貨手段提升交付效率實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈戰(zhàn)略利益捆綁，塑造利于星座發(fā)展生態(tài)圈傳統(tǒng)地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星小批量、高成本特點(diǎn)，決定了需要反復(fù)測試和大量冗余措施，以最大程度降低故障率，保證最高的運(yùn)行安全和穩(wěn)定度。大規(guī)模低地球軌道（LEO）衛(wèi)星的單星成本相對較低，除了進(jìn)行衛(wèi)星長壽命設(shè)計(jì)以外，可考慮利用在軌備份星等多種手段確保故障出現(xiàn)時的服務(wù)質(zhì)量和連續(xù)性，如“下一代銥星”（IridiumNEXT）星座就包含了9顆在軌備份星，Spa