+梁曉莉 李云（中國航天系統科學與工程研究院）

2019年5月24日，美國太空探索技術公司（SpaceX）利用“獵鷹”-9火箭發(fā)射60顆“星鏈”低軌衛(wèi)星互聯網星座的試驗衛(wèi)星，與2018年2月發(fā)射的2顆試驗衛(wèi)星配合，進一步測試星載天線和電推進系統。據the verge網站6月28日報道，太空探索技術公司稱此次發(fā)射的60顆試驗衛(wèi)星中已有45顆到達550千米的工作軌道、5顆處于軌道提升中、5顆正在進行升軌操作前的檢查、2顆將驗證離軌技術、3顆已與地面失去聯系。未來，該公司將根據本次試驗情況在今年安排2～6次“星鏈”業(yè)務衛(wèi)星的發(fā)射計劃，正式開啟星座建設工作。

一、60顆試驗衛(wèi)星基本情況

本次發(fā)射的60顆試驗衛(wèi)星采用批量生產，每顆質量227千克、與后續(xù)計劃發(fā)射的業(yè)務衛(wèi)星（質量386千克）相比較輕，結構采用獨特的平板設計、與2018年已發(fā)射的兩顆試驗衛(wèi)星采用箱體結構明顯不同，搭載了1副太陽能電池陣列、4副高通量天線、霍爾推力器、恒星敏感器和自主避撞系統，但沒有搭載星間鏈路載荷，需要通過地面站連接。這些試驗衛(wèi)星退役后，僅需1～5年時間就可再入大氣層，且95%的元器件將在大氣層中燒毀。與傳統衛(wèi)星相比，此次發(fā)射的“星鏈”試驗衛(wèi)星在推力器、自主避撞和部署方式等方面均采取了獨特設計。

一是霍爾推力器利用氪為工質，成本更低?！靶擎湣痹囼炐l(wèi)星是人類歷史上首次使用氪作為霍爾推力器工質的衛(wèi)星。相比傳統的氙，氪的價格更便宜，可以降低衛(wèi)星的生產成本，但比沖較小，在執(zhí)行軌道提升、姿態(tài)保持和任務末期的大氣再入等任務時需要的時間更長。

二是搭載自主避撞系統，降低撞擊風險?！靶擎湣痹囼炐l(wèi)星可以獲取美國國防部的太空物體跟蹤數據，在需要時可進行軌道調整，實現自主避撞，從而減少人為操作失誤，在太空中最大限度避免衛(wèi)星間、衛(wèi)星與太空碎片間的相互碰撞，降低衛(wèi)星在軌運行的風險。

圖1 “星鏈”試驗衛(wèi)星

三是依靠火箭上面級轉動進入預定軌道。本次發(fā)射試驗衛(wèi)星總重超過13噸，是“獵鷹”-9火箭迄今為止發(fā)射的最重載荷。與傳統利用彈簧或爆炸螺栓等物理分離的方式不同，本次發(fā)射不單設彈簧或其他部署機構。發(fā)射前，60顆試驗衛(wèi)星按順序整齊的疊放在火箭的整流罩中。在火箭到達預定位置后，試驗衛(wèi)星隨著火箭上面級的轉動、利用預先設置好的轉動慣量緩慢地部署到440千米的低地球軌道，隨后依靠自身推力進入550千米、傾角53°的運行軌道。

二、“星鏈”星座基本情況

太空探索技術公司于2015年公布“星鏈”星座計劃，致力于為個人用戶提供低時延的低地球軌道衛(wèi)星寬帶互聯網服務。整個星座采用先實現美國本土全境覆蓋、后完成全球覆蓋的建設思路，將分三個階段構建。

（一）初步覆蓋

第一階段利用部署于24個550千米、傾角53°的軌道面上的1584顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星完成初步覆蓋，每個軌道面66顆衛(wèi)星，星座容量約30太比特/秒、時延15毫秒、可為每個終端提供最高1吉比特/秒的數據傳輸速率，預計部署400顆衛(wèi)星后開始出售初期服務，2020年～2021年部署完800顆后可滿足美國、加拿大和波多黎各等國天基互聯網需求。業(yè)務衛(wèi)星單星收攏尺寸4.0米×1.8米×1.2米，質量386千克，設計壽命5年，星下點覆蓋范圍半徑1060千米、容量17～23吉比特/秒。

目前，從第75顆后的“星鏈”衛(wèi)星已經重新設計，多數元件將采用鋁等熔點較低的材料，以代替原先的鐵、鋼和鈦等，使衛(wèi)星重返大氣層后完全燒盡，消除對地面的風險。根據衛(wèi)星最初的設計，其鐵制推力器、鋼制反作用輪、碳化硅通信部件（可能是用于星間鏈路的反射鏡）等大氣再入時不能完全燃燒，將對人類或地面的物體產生威脅。由于前75顆衛(wèi)星已經基本制造完成，所以這些衛(wèi)星的部分元件可能會落回地球，后續(xù)的衛(wèi)星將不會產生該問題。

（二）全球組網

第二階段由部署于1110千米、1130千米、1275千米和1325千米等4種不同軌道高度的2825顆Ka/Ku頻段衛(wèi)星完成全球組網，其軌道面?zhèn)€數分別為32、8、5和6，各軌道面部署50～75顆衛(wèi)星不等，預計2024年左右完成部署。

（三）能力增強

第三階段由部署在335～345千米軌道高度的7518顆V頻段衛(wèi)星組成軌道更低的低軌星座，增加星座容量。V頻段的星座將利用目前衛(wèi)星通信很少采用的37吉赫～50吉赫范圍內的頻譜，與前兩個階段的Ka/Ku頻段星座共同為用戶提供通信速率更快、時延更低的寬帶衛(wèi)星通信服務。

2017年～2018年，“星鏈”星座的所有發(fā)展計劃均已得到美國聯邦通信委員會的批準，獲得了在美國的落地權。此外，該星座還引起了美國軍方的特別關注，并于2018年獲得美國空軍戰(zhàn)略開發(fā)規(guī)劃與實驗辦公室價值2870萬美元的合同，用于在未來三年內測試軍方使用該星座服務的可行性與方式。

三、與“一網”星座對比

除“星鏈”星座外，國外的“一網”星座也提出較早、發(fā)展較快，兩者異同如下：

（一）均已經進入星座初步建設階段

“星鏈”星座除此次發(fā)射的60顆試驗衛(wèi)星外，早已于2018年2月發(fā)射了2顆試驗衛(wèi)星。首批2顆試驗衛(wèi)星目前運行狀態(tài)良好，且正被美空軍戰(zhàn)略開發(fā)規(guī)劃與試驗辦公室測試通信能力?！耙痪W”星座于2019年2月發(fā)射首批6顆試驗衛(wèi)星，正在對星座的衛(wèi)星設計概念和系統設計方案進行全面演示驗證。

（二）采用不同的系統架構

“星鏈”星座采用“天星天網”架構，將衛(wèi)星作為網絡傳輸節(jié)點，通過星間鏈路建立高速寬帶通信網絡，用戶可直接接入衛(wèi)星互聯網絡，不需經過地面系統?！耙痪W”星座采用“天星地網”架構，將衛(wèi)星作為連通用戶終端和網關站的通道，衛(wèi)星間沒有星間鏈路，從網關站接入地面通信網絡，通過全球分布的地面站實現整個系統的全球服務能力。

（三）星座建設與運營模式不同

“星鏈”和“一網”星座均致力于為全球用戶提供寬帶接入服務，但卻采取不同的建設與運營模式。“星鏈”星座的衛(wèi)星研制與生產、衛(wèi)星發(fā)射、星座運營等均由SpaceX公司一力承當。由于SpaceX公司擁有自己的火箭及可重復使用發(fā)射技術，因此將降低“星鏈”星座的發(fā)射成本?！耙痪W”星座則實現了全產業(yè)鏈條要素的垂直整合，在衛(wèi)星制造、發(fā)射、運行和營銷等各個環(huán)節(jié)強力聯合了一網公司、軟銀集團、空客防務與航天公司、休斯網絡系統公司、阿里安航天公司、藍色起源公司、羅克韋爾·柯林斯公司、高通公司、可口可樂公司、俄羅斯信使公司、塔利亞公司、意大利因特馬蒂奇公司等龍頭企業(yè)，形成了一個利益集團。

表1 “星鏈”星座和“一網”星座情況及性能對比

四、幾點認識

（一）追求實現星座建設運行整體最優(yōu)

太空探索技術公司采用系統思維，對“星鏈”星座建設運行進行多方面優(yōu)化，力求實現整體最優(yōu)。一方面，“星鏈”星座規(guī)模巨大、衛(wèi)星總數將達到12000顆，衛(wèi)星之間互為備份，即使少數衛(wèi)星性能出現故障或失效，也不會影響整個星座運行。另一方面，衛(wèi)星追求快速迭代，每顆衛(wèi)星的設計壽命僅為5年左右、低于傳統高軌通信衛(wèi)星壽命，不僅可以大幅降低單星可靠性設計要求，而且可以在部署過程中，根據積累的實踐經驗、最新的用戶需求、先進技術的發(fā)展等不斷更新優(yōu)化。例如，“星鏈”后續(xù)部署的衛(wèi)星還將加裝星間激光通信、再入大氣實現星體100%燒毀等功能。此外，“星鏈”衛(wèi)星的設計和發(fā)射均由太空探索技術公司承擔，因而可以開展星箭一體優(yōu)化設計，形成能夠最大限度利用運載火箭能力和整流罩內包絡的方案，進一步降低星座建設成本。

（二）面臨多方面的星座建設和運行挑戰(zhàn)

一方面，“星鏈”星座計劃在低地球軌道上部署近12000顆衛(wèi)星，規(guī)模達到目前在軌工作衛(wèi)星的5倍左右，建設成本預計將達到100億美元，太空探索技術公司將面臨巨大的融資壓力。另一方面，“星鏈”星座雖然已獲得美國聯邦通信委員的落地許可，但其要求必須在獲批的6年內完成部署一半的衛(wèi)星、9年內完成部署所有衛(wèi)星的要求。這對衛(wèi)星的批量生產、批量發(fā)射、按需離軌、運營管理以及用戶終端研制等能力均提出了巨大的挑戰(zhàn)。此外，低軌衛(wèi)星互聯網星座將為個人用戶提供獲得寬帶接入服務的新途徑，對政府傳統信息內容安全監(jiān)管方式帶來新的挑戰(zhàn)，已成為主要航天國家關注的焦點和安全防范的重點?！靶擎湣毙亲朐谌蚍秶峁┗ヂ摼W寬帶無縫接入服務，能否通過各國的安全風險評估并獲得落地許可也將面臨巨大挑戰(zhàn)。

（三）面臨“一網”等同類星座的激烈競爭

低軌衛(wèi)星互聯網星座已成為世界通信衛(wèi)星近期發(fā)展的熱點與重點。2019年2月發(fā)射試驗衛(wèi)星的“一網”星座、2018年發(fā)射1顆試驗衛(wèi)星的加拿大“電信衛(wèi)星”星座和亞馬遜公司2019年剛提出的“柯伊伯”星座等，均有可能成為“星鏈”星座的競爭對手。結合各星座的進展情況來看，“一網”星座對“星鏈”星座的競爭壓力可能最大。不過，與“一網”星座在衛(wèi)星的生產、發(fā)射、運營等環(huán)節(jié)更多依靠與空客防務與航天公司、休斯網絡系統公司、阿里安航天公司、藍色起源公司等企業(yè)強強聯合不同，“星鏈”星座建設運行基本由太空探索技術公司一力承擔，其星座建設的成本、進度和質量的可控程度可能會更高。SATNET