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來源 | 騰訊科技

作者 | 喬輝

北京時間2019年5月24日上午10點30分，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）一次把60顆衛(wèi)星發(fā)射升空，發(fā)射地點位于美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角（SLC-40），采用的是成熟可靠的獵鷹9（Block5）運(yùn)載火箭。根據(jù)衛(wèi)星的重量和數(shù)量，可計算出本次發(fā)射衛(wèi)星載荷達(dá)14噸，但另據(jù)馬斯克此前twitter，這次載荷達(dá)18.5噸，如果是這樣的話，本次發(fā)射幾乎達(dá)到了獵鷹9運(yùn)力的極限。

升空瞬間

隨后，馬斯克和SpaceX官方twitter確認(rèn)發(fā)射成功

這是此前馬斯克在twitter上披露的60顆衛(wèi)星疊放在獵鷹9火箭整流罩內(nèi)的情景

首先火箭把這批衛(wèi)星部署到440公里的軌道上，然后衛(wèi)星依靠自身的動力爬升至550公里的既定高度。這批衛(wèi)星是用于進(jìn)一步驗證“星鏈”（Starlink）計劃的。今年內(nèi)，SpaceX將會發(fā)射真正用于實際通信的衛(wèi)星。

預(yù)估耗資100億美元的“星鏈”

“星鏈”是SpaceX公司正在研發(fā)的“衛(wèi)星星座”工程，致力于形成一個低成本、高覆蓋的天基全球通訊系統(tǒng)。SpaceX也計劃向軍方和科研機(jī)構(gòu)售賣衛(wèi)星服務(wù)。星鏈網(wǎng)絡(luò)需要10多年才能構(gòu)建完成，預(yù)估耗資100億美元。

在太空展開太陽能板的樣子（注意是單個）

2015年星鏈計劃啟動，2018年2月份，兩顆原型測試衛(wèi)星進(jìn)入太空，本次發(fā)射是第二批測試衛(wèi)星，也是首次大規(guī)模投放試驗，總共60顆衛(wèi)星，作為試驗衛(wèi)星，它們之間并沒有激光鏈路相連，但有與地面通信的能力，隨著后續(xù)持續(xù)新衛(wèi)星的發(fā)射，早期的這些衛(wèi)星會被逐漸取代。據(jù)計算，如果想對地球進(jìn)行最小程度的寬帶覆蓋，也至少要360顆衛(wèi)星才行，720顆衛(wèi)星能夠完成中等程度的覆蓋。預(yù)計最早2020年才能夠開始投入商業(yè)運(yùn)營。

星鏈這個名字起得很有詩意，寓意是通過技術(shù)手段把上萬顆衛(wèi)星鏈接成一張巨大的通信網(wǎng)絡(luò)。上面我們也提到，本次發(fā)射尚屬于試驗性質(zhì)，衛(wèi)星和衛(wèi)星之間還不能采用激光相互通信。在未來，衛(wèi)星和衛(wèi)星的通信采用激光，因為傳統(tǒng)的微波通信受到傳輸容量的限制，成為星間通信“瓶頸”。現(xiàn)代的衛(wèi)星通信在準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，需要量大、實時、傳輸距離遠(yuǎn)，這要求衛(wèi)星通信具有更高的傳輸數(shù)據(jù)率。星間激光通信所利用的激光比微波頻率高3至4個數(shù)量級。據(jù)通信專家介紹，星間激光通信無需頻率申請許可，而傳統(tǒng)的無線電波頻段是戰(zhàn)略資源，目前國際電聯(lián)嚴(yán)格管控星載微波頻段，很難申請大容量數(shù)據(jù)帶寬，激光通信意味著繞開了“管制空路”，獲得了更廣闊的便利空間。星間激光通信具有比微波更窄的波束，信號覆蓋范圍很小，因而具有很好的抗干擾和抗截獲能力。

如何布局12000顆衛(wèi)星？

首先完成組網(wǎng)的這1584顆衛(wèi)星將分布在40個軌道平面上，每個軌道平面容納66顆衛(wèi)星

根據(jù)計劃，星鏈系統(tǒng)總共由大約12000顆衛(wèi)星組成，這些眾多的衛(wèi)星分布在三個不同的軌道高度層上。這1萬多顆衛(wèi)星的軌位資源來之不易，是SpaceX公司與美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）多次申請的結(jié)果。

衛(wèi)星的布局方式曾經(jīng)多次進(jìn)行調(diào)整，據(jù)最新的消息是：有大約7500顆衛(wèi)星運(yùn)行在340公里的軌道上；大約1600顆衛(wèi)星運(yùn)行在550公里的軌道上；大約2800顆衛(wèi)星運(yùn)行在1150公里的軌道上。

其中，340公里軌道上的衛(wèi)星采用的是V波段進(jìn)行通訊，550公里高度和1150公里高度上的衛(wèi)星采用的Ku和Ka波段。

我們知道，電磁波譜是按照頻率由低到高排列而成的，光也是一種電磁波，只不過頻率更高一些，高達(dá)300THz左右。

部分電磁波譜

V波段的頻率為60-80GHz；K波段的頻率為 18-27GHz；Ku的含義是比K波段的頻道要低（under），頻率為12-18GHz，Ka的含義是比K波段的頻道要高（above），頻率為27-40GHz。

V波段在通訊中較少使用，星鏈中超過半數(shù)的衛(wèi)星都處于該波段，運(yùn)行在最低的340公里高的軌道上。換算一下可知，V波段的波長介于6mm到8mm之間，屬于毫米波。前段時間，拍攝黑洞第一幅照片使用的電磁波波長為1.5mm，屬于同一類。

我們再來看一下衛(wèi)星分布高度的玄機(jī)：三層星鏈衛(wèi)星都是低軌衛(wèi)星，相比之下，地球同步靜止軌道上的衛(wèi)星要遠(yuǎn)得多，達(dá)到了36000公里的高度。低軌的好處是信號延遲短，這當(dāng)然是由于近的原因，雖然信號以光速前進(jìn)，但對時間很敏感的儀器來講，還是有很大差別的。同步軌道上的衛(wèi)星延遲大約477毫秒，星鏈衛(wèi)星的延遲僅僅25到35毫秒，能夠達(dá)到光纖的程度。

據(jù)悉，首先完成組網(wǎng)的將是處于550公里高度上的1584顆衛(wèi)星，這1584顆衛(wèi)星將分布在40個軌道平面上，每個軌道平面容納66顆衛(wèi)星，軌道傾角為25度，比其他兩個軌道層上的衛(wèi)星傾角要小。

大家會注意到，有超過半數(shù)的衛(wèi)星位于最低的340公里的軌道上。在這種軌道上的衛(wèi)星受到的運(yùn)行阻力較大，雖然100公里的高度規(guī)定為太空，但340公里的高度還是有稀薄的氣體對衛(wèi)星的運(yùn)行造成阻力的，不知道SpaceX利用了什么樣的黑科技來克服這種先天劣勢。

為了配合這12000顆衛(wèi)星的通訊，SpaceX也正在積極向FCC申請在地面建造100萬個地面站的方案。地面站是為了接收由衛(wèi)星發(fā)送的信號，同時接收由終端用戶和其他地面站發(fā)來的信號。

小步快跑，迅速迭代

SpaceX公司高效的運(yùn)作方式給人留下深刻的印象，從獵鷹1火箭到獵鷹9火箭，從重型獵鷹到龍飛船，都是在迅速迭代過程中逐漸成熟起來的，幾乎沒聽說有“定型”這一說。同樣，在星鏈衛(wèi)星的研發(fā)上，也是本著這種原則，12000多顆衛(wèi)星不斷發(fā)射不斷優(yōu)化改進(jìn)。每顆衛(wèi)星重約227公斤，搭載有一個扁平的高通量天線和單個太陽能發(fā)電板。60顆這種衛(wèi)星也恰恰能夠充分利用獵鷹9的運(yùn)載能力。

在完成這12000個衛(wèi)星的研發(fā)后，SpaceX恐怕不再單單是一個火箭發(fā)射公司，也會變成一個相當(dāng)厲害的衛(wèi)星制造公司了。

衛(wèi)星配備先進(jìn)的離子推進(jìn)器

每顆星鏈衛(wèi)星上都搭載有離子推進(jìn)器（霍爾推進(jìn)器），能夠調(diào)整衛(wèi)星在軌道上的位置，維持軌道高度，能夠在衛(wèi)星報廢后的主動脫軌，甚至能夠主動躲避太空垃圾的碰撞等等。

NASA測試的離子推進(jìn)器

離子推進(jìn)器在航天器中有著越來越廣泛的應(yīng)用，雖然這種推進(jìn)器推力有限，但經(jīng)過長時間的沖量積累，也能對航天器產(chǎn)生可觀的速度改變。離子推進(jìn)器最大的優(yōu)點是比沖大，比沖大意味著能夠減少燃料的攜帶，減輕衛(wèi)星的重量。

通常，離子推進(jìn)器大多采用“氙”作為離子源，但星鏈衛(wèi)星上采用的是氙的同族元素，另一種惰性氣體”氪“做離子源，這可能是后者的價格比前者便宜吧。因為我們都知道馬斯克已經(jīng)節(jié)約到了”撿破爛“的程度，航天愛好者們私下稱他為”破爛王“。因為每次火箭發(fā)射，他把能夠回收的東西都回收，除了火箭一級助推器和芯級以外，整流罩也不放過。

每顆衛(wèi)星的使用壽命大約為5到7年，退役后，推進(jìn)器主動為衛(wèi)星減速促使其脫軌，脫軌后的衛(wèi)星會墜入大氣層焚毀。目前，星鏈衛(wèi)星能夠做到燃燒掉95%的重量，隨著技術(shù)的迭代，未來的衛(wèi)星能夠做到100%的銷毀，不對對面上的人或建筑造成任何可能的傷害。

激烈的市場競爭

我們知道，最近幾年“衛(wèi)星星座”非常熱門，也是各路衛(wèi)星公司“講故事”的高頻詞匯。總部位于英國的“OneWeb”衛(wèi)星公司是SpaceX非常強(qiáng)勁的競爭對手。這家公司幾乎與SpaceX同時提出了相似的衛(wèi)星部署藍(lán)圖。2019年2月28日，OneWeb已利用俄羅斯的聯(lián)盟火箭把6顆衛(wèi)星送入軌道，計劃部署衛(wèi)星的數(shù)量為650顆。

2019年2月28日，OneWeb已利用俄羅斯的聯(lián)盟火箭把6顆衛(wèi)星送入軌道。

2015年，三星公司也提出過一項由4600顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座通信網(wǎng)絡(luò)計劃。同年，加拿大公司（Telesat）提出過一個規(guī)模較小的，由117顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，希望2021年投入使用。

2019年4月，亞馬遜宣布了所謂的“柯伊伯工程”（Project Kuiper），希望在接下來的十年內(nèi)部署3236顆通信衛(wèi)星。

在中國，也有很多國企或私企在摩拳擦掌，準(zhǔn)備進(jìn)入衛(wèi)星星座這張大網(wǎng)中。

從整體來看，SpaceX具有其他公司都沒有的優(yōu)勢，那就是用自己的火箭發(fā)射自己的衛(wèi)星，無論從成本角度，還是從可控角度看，都是其他公司難以望其項背的。

馬斯克的太空夢想

馬斯克是當(dāng)今世界上最出名的企業(yè)家之一，從特斯拉到SpaceX都展現(xiàn)出他那旺盛的開拓能力。他曾經(jīng)表示，希望自己在火星上壽終正寢。這可不是空想，從重型獵鷹火箭的成功飛行到“星艦”飛船的研發(fā)，都在一步步接近這個夢想。他掙錢的目的似乎就是為了飛出地球，定居火星，使人類成為多星球物種。

據(jù)悉，SpaceX甚至還設(shè)想把星鏈復(fù)制到火星上去，為將來人類在火星上的活動提供通信保障。但愿馬斯克的步伐能夠再快一些，讓讀這篇文章的朋友也都能夠看到火星上的星鏈衛(wèi)星布網(wǎng)成功。