李博（北京空間科技信息研究所）

北京時(shí)間2019年5月24日上午，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在卡納維拉爾角空軍基地利用重復(fù)使用的獵鷹－9運(yùn)載火箭成功發(fā)射其“星鏈”（Starlink）星座首批60顆衛(wèi)星，計(jì)劃開展大規(guī)模在軌驗(yàn)證工作，為預(yù)定年內(nèi)啟動(dòng)的正式星部署與組網(wǎng)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

作為全球航天領(lǐng)域的重大熱點(diǎn)事件，本次任務(wù)的成功，意味著時(shí)隔二十年重啟的低軌星座建設(shè)熱潮迎來重大里程碑，全球通信衛(wèi)星行業(yè)格局調(diào)整節(jié)奏或?qū)⑦M(jìn)一步加快。

1 Starlink試驗(yàn)星任務(wù)情況

本次發(fā)射的60顆衛(wèi)星，是SpaceX繼2018年2月發(fā)射兩顆原型星—微星－2A/2B（Microsat－2A/2B）之后，再次發(fā)射的一組用于演示驗(yàn)證目的的衛(wèi)星。這也是SpaceX公司提供商業(yè)發(fā)射服務(wù)以來，部署衛(wèi)星數(shù)量最多、發(fā)射質(zhì)量最大（約18.5t）的一次。

SpaceX 60顆試驗(yàn)星整流罩內(nèi)排布

單星太陽翼在軌展開

與傳統(tǒng)一箭多星方案不同，此次火箭整流罩內(nèi)并未安裝傳統(tǒng)意義上的分配器（源自馬斯克在5月 13日推特平臺(tái)的說法：“No dispenser, it’s flat-packed”。），不為每顆衛(wèi)星單設(shè)彈簧或爆炸螺栓，而采用了“特殊”的部署機(jī)構(gòu)。衛(wèi)星之間是通過“扁平封裝”（Flat-Packed）的方式緊密堆疊在一起。入軌時(shí)，衛(wèi)星隨上面級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以類似在桌上“攤牌”的方式非常緩慢地部署出去。根據(jù)本次發(fā)射的單星質(zhì)量227kg推算，火箭所采用的部署機(jī)構(gòu)質(zhì)量達(dá)到5t左右。

與原型星定制生產(chǎn)不同，本次60顆均為批量化生產(chǎn)衛(wèi)星。馬斯克透露，60顆星的發(fā)射成本要高于研制成本，按照其復(fù)用火箭的商業(yè)發(fā)射報(bào)價(jià)計(jì)算，單星研制成本應(yīng)低于100萬美元。

衛(wèi)星構(gòu)型方面，采用扁平化設(shè)計(jì)，配有單塊太陽能電池板及多副高通量Ku頻段平板相控陣天線。

推進(jìn)系統(tǒng)方面，采用氪離子霍爾效應(yīng)電推進(jìn)系統(tǒng)，而非傳統(tǒng)的氙離子，主要是考慮到用于制備工質(zhì)的氪氣成本相對(duì)較低（為氙氣1/10左右），但需要指出，這種方式能耗較高，推力器性能也會(huì)受到一定影響。任務(wù)執(zhí)行過程中，衛(wèi)星被部署至440km的軌道，隨后自主機(jī)動(dòng)抬升至550km的目標(biāo)工作軌道。衛(wèi)星在軌工作期間的軌道維持以及壽命結(jié)束后的離軌操作，也均由電推進(jìn)系統(tǒng)完成。

姿態(tài)控制方面，衛(wèi)星繼承了SpaceX龍飛船的星敏感器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，載有高精度的星敏導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的姿態(tài)指向調(diào)整。據(jù)悉，衛(wèi)星還能夠接收北美防空防天司令部（NORAD）跟蹤的空間碎片信息，并以此為依據(jù)，在靠近在軌碎片時(shí)實(shí)施機(jī)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避碰。

電源系統(tǒng)方面，本次發(fā)射的60顆衛(wèi)星太陽能電池板供電總功率超過“國(guó)際空間站”（約110kW），即單星供電功率接近2kW。

頻率使用方面，測(cè)控鏈路頻率為下行12.221GHz和上行13.925GHz，衛(wèi)星入軌后將利用下行10.7～12.7GHz和上行14.0～14.5GHz頻段與美國(guó)本土的5個(gè)Ku頻段地面站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。

通信性能方面，本次發(fā)射的60顆衛(wèi)星總?cè)萘窟_(dá)1Tbit/s，由此推算單星容量可達(dá)17Gbit/s左右。

離軌處置方面，衛(wèi)星95%以上的部件可在再入大氣層時(shí)快速燒毀。此外，需要指出的是，本次發(fā)射的衛(wèi)星未配備激光星間鏈路設(shè)備。

本次任務(wù)所采用的一級(jí)火箭曾于2018年9月和2019年初先后執(zhí)行了電星－18V（Telstar－18V）和“下一代銥星”（Iridium NEXT）衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。本次試驗(yàn)星發(fā)射之后，一級(jí)火箭擬再次進(jìn)行回收。

針對(duì)后續(xù)計(jì)劃，SpaceX公司預(yù)計(jì)在2019年年內(nèi)進(jìn)行2～6次正式星的發(fā)射。而馬斯克及SpaceX相關(guān)高管透露：

1）至少還需要再部署6組60顆衛(wèi)星，才能形成滿足啟動(dòng)基本業(yè)務(wù)需求的“最小覆蓋”（minor coverage）能力；

2）還需要部署12組衛(wèi)星（加上試驗(yàn)星約800顆衛(wèi)星），即可形成滿足美國(guó)本土服務(wù)需求的“中等覆蓋”（moderate coverage）能力；

3）預(yù)計(jì)進(jìn)行24次發(fā)射，可完成星座在550km軌道高度上規(guī)劃的所有衛(wèi)星的部署工作。

2 Starlink星座計(jì)劃概況

星座基本情況

SpaceX低軌星座項(xiàng)目最早于2015年提出，旨在提供全球高速寬帶接入服務(wù)。2016年11月和2017年3月，SpaceX公司先后向美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提出申請(qǐng)，計(jì)劃部署兩期、總數(shù)近12000顆低軌衛(wèi)星，隨后正式命名為Starlink，成為迄今為止人類提出的最大的星座項(xiàng)目。2018年3月和11月，SpaceX提交的兩期星座申請(qǐng)文件先后獲得FCC的正式許可。

第一期星座：共規(guī)劃4425顆衛(wèi)星，分布于83個(gè)軌道面，軌道高度在1150～1325km之間，工作在Ku/Ka頻段，衛(wèi)星質(zhì)量約400kg，設(shè)計(jì)壽命5年，配備霍爾電推力器、激光星間鏈路、相控陣天線等先進(jìn)設(shè)備，單星容量約17～23Gbit/s，約為OneWeb衛(wèi)星的2倍，星座容量約100Tbit/s，為OneWeb第一代星座的10倍。

第二期星座：共規(guī)劃7518顆衛(wèi)星，軌道高度在330～350km之間，工作在V頻段，同樣具備激光星間鏈路、相控陣天線等先進(jìn)載荷。

設(shè)計(jì)修改情況

值得一提的是，2018年11月，SpaceX公司向FCC提出針對(duì)第一期星座方案的修改申請(qǐng)，并于臨近發(fā)射前的2019年4月26日獲得批準(zhǔn)。本次發(fā)射的60顆衛(wèi)星全部應(yīng)用了這些修改，具體方案如下。

（1）總數(shù)量減少16顆，部分衛(wèi)星軌道降至550km

按照原計(jì)劃，第一期Starlink星座分為兩個(gè)階段部署，其中，第一階段將部署1600顆、軌道高度為1150km。而調(diào)整后，第一階段部署數(shù)量減少至1584顆、軌道高度降為550km，傾角不變，軌道面減少。由此，第一期星座總數(shù)也從4425顆減少至4409顆。

（2）用頻方案有所調(diào)整，離軌處置適當(dāng)簡(jiǎn)化

根據(jù)FCC的批準(zhǔn)文件，在第一期Starlink星座部署過程中，最先發(fā)射的不超過75顆的衛(wèi)星（實(shí)際此次發(fā)射60顆）可以做出一些技術(shù)狀態(tài)的簡(jiǎn)化，后續(xù)衛(wèi)星則仍需按原技術(shù)方案要求研制。

一是頻率方案方面，按原計(jì)劃，衛(wèi)星用戶鏈路采用Ku頻段、饋電鏈路采用Ka頻段，調(diào)整后，此次發(fā)射的衛(wèi)星在用戶和饋電鏈路均只采用Ku頻段，而且很有可能共用天線。

二是離軌處置方面，按原計(jì)劃，所有衛(wèi)星均需在離軌階段受控再入大氣層完全銷毀，但調(diào)整后，本次發(fā)射的衛(wèi)星在再入大氣層過程中被允許產(chǎn)生少量殘骸，根據(jù)SpaceX的評(píng)估，這種對(duì)離軌系統(tǒng)的簡(jiǎn)化處置，預(yù)計(jì)引起財(cái)產(chǎn)損失及人員傷害風(fēng)險(xiǎn)的概率為1/19800。

3 幾點(diǎn)分析

衛(wèi)星技術(shù)方案仍未定型，此次發(fā)射任務(wù)略顯倉促

就本次任務(wù)而言，在已發(fā)射原型星的情況下，仍選擇再次發(fā)射試驗(yàn)星而非業(yè)務(wù)星，而且衛(wèi)星質(zhì)量大幅降低、一些核心功能未能按原計(jì)劃配備，甚至SpaceX公司內(nèi)部也將此次發(fā)射的衛(wèi)星稱為Starlink v0.9，都反映出星座當(dāng)前的技術(shù)方案尚未定型，仍有很大可能發(fā)生進(jìn)一步改動(dòng)。值得一提的是，本次任務(wù)曾在SpaceX公司內(nèi)引發(fā)爭(zhēng)議，馬斯克在2018年6月因研制進(jìn)度過慢而大規(guī)模調(diào)整Starlink項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)層，包括解雇了當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)衛(wèi)星業(yè)務(wù)的副總裁，其核心分歧就在于是否應(yīng)該對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行更多輪的迭代優(yōu)化，以確?？煽啃浴?/p>

客觀來看，在僅一年左右的時(shí)間內(nèi)，就相繼完成定制原型星發(fā)射、在軌測(cè)試、方案修正，并迅速完成60顆試驗(yàn)星的重新設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線組建與批量研制發(fā)射，利用傳統(tǒng)的衛(wèi)星工程方法基本無法實(shí)現(xiàn)。雖然SpaceX宣稱其采用了設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試、發(fā)射一體化集成模式以縮短周期，但可推斷，除衛(wèi)星本身功能的裁減外，其在研制流程、特別是在測(cè)試環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行了幅度不小的簡(jiǎn)化，而且不排除大量使用非宇航級(jí)器件的可能。本次任務(wù)的最終成行，可視作在技術(shù)成熟度、工程進(jìn)度要求與衛(wèi)星質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)之間的一種妥協(xié)，馬斯克本人也對(duì)外透露“第一次任務(wù)很可能會(huì)出錯(cuò)”，“相控陣天線不一定能按最初設(shè)想工作”，或者推力器“無法按計(jì)劃點(diǎn)火”（源自馬斯克在2019年5月13日推特平臺(tái)的 說 法：“Much will likely go wrong on 1stmission”）。因此，衛(wèi)星入軌后能否真正達(dá)到預(yù)期性能，有待進(jìn)一步觀察。

工作星復(fù)雜度遠(yuǎn)超試驗(yàn)星，后續(xù)研制部署壓力巨大

如前所述，本次發(fā)射的60顆衛(wèi)星與Starlink最初規(guī)劃的工作星相比，存在載荷與平臺(tái)配置上的削減。但理性分析，對(duì)工作星而言，僅配置星間鏈路一項(xiàng)功能所帶來的載荷設(shè)計(jì)復(fù)雜度和平臺(tái)承載能力的提升，就并非從v0.9到v1.0版本的簡(jiǎn)單過渡。在透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下（如OneWeb衛(wèi)星以及本次發(fā)射的Starlink試驗(yàn)星），衛(wèi)星只是作為信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的通道，不進(jìn)行調(diào)制、編碼等復(fù)雜處理。而增加了激光終端及輔助跟瞄、光電轉(zhuǎn)換等設(shè)備后，星上還必須配備相應(yīng)信號(hào)處理器及路由算法，以完成對(duì)鄰星接收數(shù)據(jù)的基帶處理和交換路由傳輸，衛(wèi)星不再是孤立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)星座將在空間組網(wǎng)運(yùn)行，管理控制難度將大幅提升。而就行業(yè)現(xiàn)狀來看，新增載荷，特別是星上處理類載荷的質(zhì)量、空間與能耗不容忽視，也將對(duì)平臺(tái)能力提出更高的要求。

此外，就后續(xù)任務(wù)而言，SpaceX面臨著空前的研制和部署壓力。根據(jù)FCC最新的要求，所有的低軌星座運(yùn)營(yíng)商都必須在獲得許可后6年內(nèi)完成至少一半數(shù)量衛(wèi)星部署，9年內(nèi)完成整個(gè)星座建設(shè)。SpaceX的兩期星座接近12000顆衛(wèi)星均于2018年獲得FCC許可，這意味著，在2024年底前SpaceX就必須生產(chǎn)并發(fā)射近6000顆衛(wèi)星，平均每年發(fā)射數(shù)量近1100顆，而即使?jié)M足這一條件，其后3年（即2025-2027年）衛(wèi)星工廠的產(chǎn)能也必須翻番達(dá)到2000顆以上的年產(chǎn)量才能按時(shí)完成交付和部署。如果再考慮衛(wèi)星在5年設(shè)計(jì)壽命結(jié)束后所引發(fā)的更新?lián)Q代需求情況，勢(shì)必對(duì)其衛(wèi)星生產(chǎn)線建設(shè)、供應(yīng)商體系能力提出前所未有的巨大挑戰(zhàn)。

拉攏投資成為首要任務(wù)，降低建設(shè)成本勢(shì)在必行

大規(guī)模的衛(wèi)星研制和發(fā)射工作必須依賴巨額資金支持，但SpaceX在Starlink計(jì)劃上的融資進(jìn)展并不明朗，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，其自2015年以來共融資約22億美元，但由于公司并行開展了“獵鷹”系列火箭（可回收、重型等）、火星移民計(jì)劃（“星船”（Starship））、載人貨運(yùn)飛船（龍飛船）等多個(gè)耗資巨大的項(xiàng)目，因此所融資金只能部分用于星座建設(shè)。根據(jù)馬斯克最初預(yù)計(jì)，第一期星座完成建設(shè)需要至少100億美元，而按照目前的發(fā)射價(jià)格推算，兩期星座建設(shè)僅發(fā)射費(fèi)用（以單次60顆計(jì)算）也將超過100億美元，資金缺口巨大。相比之下，OneWeb計(jì)劃已籌得34.5億美元，基本能夠支持初代星座的建設(shè)需求。再考慮到SpaceX在臨近發(fā)射前的4月份，又啟動(dòng)新一輪5億美元融資計(jì)劃?？梢耘袛啵敬卧囼?yàn)星任務(wù)的緊急上馬，很大程度上也是為了提振投資者信心，為星座后續(xù)建設(shè)盡快謀求更多的資金支持。

積極開展融資是星座順利完成部署的前提，但如何有效降低建設(shè)成本，并最終衍生為對(duì)用戶的低價(jià)服務(wù)優(yōu)勢(shì)，是SpaceX作為衛(wèi)星通信領(lǐng)域新進(jìn)入者的核心競(jìng)爭(zhēng)力所在。分析來看，發(fā)射方面，其一直致力于低成本可重復(fù)使用火箭研發(fā)，此次任務(wù)就采用了此前回收的一級(jí)火箭，未來隨著火箭復(fù)用次數(shù)的增多，成本有望進(jìn)一步降低，馬斯克宣稱，未來SpaceX還計(jì)劃使用“星船”部署Starlink衛(wèi)星，發(fā)射成本有望降至當(dāng)前費(fèi)用的1/5甚至更低，但這種說法可行性存疑；衛(wèi)星方面，目前均為自研，其在西雅圖的衛(wèi)星工廠涵蓋設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、集成、測(cè)試的全流程能力，在職人員僅約400～500人（與OneWeb衛(wèi)星工廠規(guī)模相仿），而且從此前對(duì)外招聘的“生產(chǎn)自動(dòng)化”、“機(jī)器人”等職位以及馬斯克在汽車工業(yè)批量生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)判斷，利用智能工具開展自動(dòng)化生產(chǎn)線建設(shè)，是其降低衛(wèi)星研制成本的重要手段。

星座部署開啟爭(zhēng)搶節(jié)奏，關(guān)鍵市場(chǎng)已做提前布局

需要指出的是，本次任務(wù)雖然發(fā)射的只是試驗(yàn)星，但由于目標(biāo)工作軌位和測(cè)試頻段均與業(yè)務(wù)星相同，所以極有可能激活Starlink星座在國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）申報(bào)的網(wǎng)絡(luò)資料，從而起到占頻保軌的重要作用。應(yīng)當(dāng)看到，低軌星座由于其提供全球服務(wù)的特殊性，無論是技術(shù)約束、頻譜監(jiān)管還是市場(chǎng)推廣方面，先發(fā)、先用的系統(tǒng)都具有巨大優(yōu)勢(shì)。馬斯克宣稱，全球互聯(lián)網(wǎng)通信連接服務(wù)領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模約1萬億美元，而SpaceX計(jì)劃通過Starlink星座攫取其中的3%，即每年該板塊業(yè)務(wù)營(yíng)收達(dá)到300億美元甚至更多，未來該項(xiàng)目的收益將是支持其火星移民等其他項(xiàng)目的主要經(jīng)濟(jì)來源。在OneWeb已發(fā)射首批6顆業(yè)務(wù)星并計(jì)劃年內(nèi)部署150顆衛(wèi)星的情況下，SpaceX此次任務(wù)與前者爭(zhēng)搶建設(shè)進(jìn)度的戰(zhàn)略意圖明顯，而考慮到其他星座項(xiàng)目進(jìn)展遲緩，SpaceX與OneWeb所引領(lǐng)的競(jìng)爭(zhēng)格局已初步顯現(xiàn)。

在此背景下，積極搶占核心的用戶市場(chǎng)也成為星座角逐的關(guān)鍵。從SpaceX的動(dòng)向分析來看，消費(fèi)者寬帶和軍事應(yīng)用領(lǐng)域是其布局重點(diǎn)：一方面，從首批2顆試驗(yàn)星開始，SpaceX對(duì)外均以“衛(wèi)星WiFi”等為噱頭進(jìn)行重點(diǎn)宣傳，其子公司SpaceX Services則于2019年2月向FCC提出“一攬子許可”申請(qǐng)，以生產(chǎn)并運(yùn)營(yíng)100萬部Starlink用戶終端，擬為美國(guó)本土及附屬島嶼的用戶提供寬帶接入服務(wù)。而此次發(fā)射前，馬斯克也對(duì)外透露，未來Starlink的用戶終端尺寸將只有“披薩大小”，且“即插即用”，采用電掃方式，可在多星間無縫切換。另一方面，SpaceX也積極借鑒銥星（Iridium）星座的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，積極爭(zhēng)取軍方的支持，于2019年3月獲得美國(guó)空軍價(jià)值2800萬美元的“商業(yè)天基互聯(lián)網(wǎng)軍用試驗(yàn)”（DECSI）合同，將在3年的時(shí)間內(nèi)利用Starlink星座開展相關(guān)的軍事服務(wù)演示驗(yàn)證，未來有望融入美軍作戰(zhàn)衛(wèi)星通信體系，獲得更大的發(fā)展空間和收益。