李博（北京空間科技信息研究所）

北京時(shí)間2018年2月22日22：17，美國(guó)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(kāi)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(duì)其發(fā)展情況進(jìn)行研判，同時(shí)思考我國(guó)星座建設(shè)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，結(jié)合國(guó)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

1 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(jí)任務(wù)載荷，首先進(jìn)入高514km、傾角97.44°的太陽(yáng)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(shí)間2018年2月23日凌晨對(duì)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(duì)外披露的信息極少，從SpaceX公司提交美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）的文件以及外媒相關(guān)報(bào)道綜合來(lái)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(gè)月（可能延長(zhǎng)至20個(gè)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1.1m×0.7m×0.7m，2副太陽(yáng)電池翼，每副尺寸為2m×8m，星上還配置了供配電、姿軌控、熱控、推進(jìn)等主要的平臺(tái)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(gè)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(duì)衛(wèi)星平臺(tái)及相關(guān)分系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證；②對(duì)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(wú)縫切換性能進(jìn)行驗(yàn)證。SpaceX公司將利用美國(guó)的5個(gè)固定地面站以及3個(gè)移動(dòng)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(lái)看，約每天最多有15min的測(cè)試窗口。

2 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(qǐng)，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(dòng)過(guò)大，2顆衛(wèi)星降級(jí)轉(zhuǎn)為地面測(cè)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(guó)運(yùn)營(yíng)Ka頻段低軌互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)的申請(qǐng)，文件顯示該系統(tǒng)名為“SpaceX非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)”（SpaceX NGSO Satellite System），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(yíng)申請(qǐng)，并命名為“SpaceX V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(guó)專利局提交商標(biāo)注冊(cè)申請(qǐng)，將其兩大星座計(jì)劃正式統(tǒng)一命名為“Starlink”，根據(jù)申請(qǐng)文件來(lái)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(wú)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(guó)參議院商業(yè)、科學(xué)與技術(shù)委員會(huì)的聽(tīng)證會(huì)，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(dòng)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(guó)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(guó)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(gè)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(wú)縫連續(xù)覆蓋。

Starlink第一期星座軌道設(shè)計(jì)

SpaceX公司計(jì)劃分2個(gè)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(gè)1150km的軌道面上，每個(gè)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(gè)不同軌道高度，分別對(duì)應(yīng)32個(gè)、8個(gè)、5個(gè)和6個(gè)軌道面，各軌道面50～75顆衛(wèi)星不等。值得一提的是，受美國(guó)FCC監(jiān)管要求，SpaceX公司的星座部署工作將首先著眼于美國(guó)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(guó)和國(guó)際社會(huì)對(duì)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(chǔ)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(shí)燒毀，整個(gè)過(guò)程不超過(guò)1年。在提交FCC的申請(qǐng)文件中，SpaceX公司也專門對(duì)5個(gè)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(shí)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(qǐng)文件來(lái)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4.0m×1.8m×1.2m，2副太陽(yáng)電池翼尺寸均為6m×2m，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(hào)處理能力，同時(shí)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(guó)大陸最多可見(jiàn)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(gè)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(guó)大陸預(yù)計(jì)就將部署約200個(gè)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

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(shí)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(gè)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)

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

業(yè)務(wù)應(yīng)用

根據(jù)SpaceX公司在2017年10月向美國(guó)參議院匯報(bào)的情況來(lái)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(gè)人消費(fèi)者級(jí)寬帶服務(wù)，用戶段終端單價(jià)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(shí)延則達(dá)到25～30ms的水平。

3 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(wú)疑問(wèn)，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(kāi)展的一系列在軌演示驗(yàn)證任務(wù)，將對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、盡早啟動(dòng)工作星研制提供有利支持。

但當(dāng)下主流輿論對(duì)該事件的意義過(guò)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(qǐng)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(qǐng)獲FCC批準(zhǔn)，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)而言并沒(méi)有直接的占頻保軌作用，更不意味著后續(xù)部署和運(yùn)營(yíng)已經(jīng)板上釘釘。

其次，試驗(yàn)衛(wèi)星公開(kāi)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(duì)整個(gè)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(cè)。

再次，從本次任務(wù)無(wú)法窺探出Starlink星座建設(shè)的真實(shí)進(jìn)度，公開(kāi)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(lái)的商業(yè)邏輯，不大可能因?yàn)楸Ｃ茉蚨还肌?/p>

最后，一些媒體對(duì)星座的應(yīng)用服務(wù)場(chǎng)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(wú)法實(shí)現(xiàn)所謂的“天基WIFI”概念，日常所采用的無(wú)線寬帶接入設(shè)備，如筆記本電腦、智能手機(jī)等，均無(wú)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(duì)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(jí)發(fā)射能力

對(duì)SpaceX公司來(lái)說(shuō)，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(yíng)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(lái)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(lái)，地面通信網(wǎng)絡(luò)用戶增長(zhǎng)速度日趨緩慢，促使運(yùn)營(yíng)商迫切希望拓展市場(chǎng)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(shū)公司（Facebook）等紛紛考慮通過(guò)空基、天基手段解決這一問(wèn)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(lái)源—固定電視直播業(yè)務(wù)增長(zhǎng)乏力，衛(wèi)星寬帶服務(wù)業(yè)務(wù)未來(lái)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(guó)北方天空研究所最新版《VSAT與寬帶衛(wèi)星市場(chǎng)》報(bào)告），巨額的回報(bào)預(yù)期推動(dòng)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(jí)其既有的火箭研制及發(fā)射服務(wù)能力。目前來(lái)看，SpaceX公司的核心業(yè)務(wù)收入來(lái)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(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)其持續(xù)擴(kuò)充升級(jí)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。

4 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(dòng)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(wàn)顆的衛(wèi)星交付需求，對(duì)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等手段，加速整個(gè)總裝、集成和測(cè)試（AIT）流程，其1條生產(chǎn)線共包括30個(gè)測(cè)試和組裝工位，每個(gè)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(wèn)題時(shí)，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(cè)試和試驗(yàn)流程，推動(dòng)衛(wèi)星的批量化、自動(dòng)化、短周期生產(chǎn)，牽引宇航制造能力的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

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(cè)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(duì)較低，除了進(jìn)行衛(wèi)星長(zhǎng)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(shí)的服務(wù)質(zhì)量和連續(xù)性，如“下一代銥星”（Iridium NEXT）星座就包含了9顆在軌備份星，SpaceX公司第一期星座每個(gè)軌道面也有2顆備份星。此外，如OneWeb衛(wèi)星結(jié)構(gòu)供應(yīng)商華格公司（Ruag）、星敏感器供應(yīng)商法國(guó)索登公司（Sodern）都曾透露將提供基于商用現(xiàn)貨（COTS）器件的產(chǎn)品，以提升交付能力。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，從99%提高到99.9%的質(zhì)量要求，對(duì)研制成本和交付周期而言已絕非0.9%的增量，這種思維模式上的轉(zhuǎn)變，值得重視。建議參考國(guó)外新興星座的經(jīng)驗(yàn)，加快開(kāi)展商用現(xiàn)貨器件抗空間環(huán)境試驗(yàn)、器件采購(gòu)與篩選控制、容錯(cuò)設(shè)計(jì)等研究工作，加強(qiáng)商用現(xiàn)貨器件的可靠性分析、驗(yàn)證和評(píng)估等，在可保障星座穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)上，提高交付效率和經(jīng)濟(jì)可承受性。

目前來(lái)看，新興低軌星座動(dòng)輒百億甚至數(shù)百億美元的建設(shè)成本，決定了單純依靠一家公司、單個(gè)實(shí)體進(jìn)行建設(shè)的愿望并不現(xiàn)實(shí)，充分挖掘資本市場(chǎng)、尋找適合自己的投資者成為重要的備選方案。而一網(wǎng)公司深度布局整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條，利用投資者在衛(wèi)星制造、發(fā)射部署、地面網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)技術(shù)以及推廣運(yùn)營(yíng)等各方面的支持，形成以星座計(jì)劃為核心的完整系統(tǒng)配套生態(tài)圈，這種做法值得借鑒學(xué)習(xí)。

對(duì)我國(guó)目前正在建設(shè)的“鴻雁”星座而言，建議在內(nèi)部可以充分利用中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)有限公司的衛(wèi)星關(guān)口站、業(yè)務(wù)和市場(chǎng)渠道，在外部則考慮與電信運(yùn)營(yíng)商的地面網(wǎng)絡(luò)，與大型互聯(lián)網(wǎng)公司（BAT），以及華為、中興等公司的業(yè)務(wù)應(yīng)用和技術(shù)資源結(jié)合，與航空、遠(yuǎn)洋、物流、保險(xiǎn)等重點(diǎn)行業(yè)建立戰(zhàn)略協(xié)議，合作開(kāi)發(fā)行業(yè)解決方案，捆綁營(yíng)銷策略，充分發(fā)揮國(guó)內(nèi)航天主力軍的地位，積極塑造利于星座發(fā)展的良好生態(tài)環(huán)境，主導(dǎo)寬帶星座業(yè)態(tài)的發(fā)展。