卫星互联网计划：马克斯的又一惊人之举

□ 田丰

卫星互联网计划：马克斯的又一惊人之举

□ 田丰

SpaceX公司创始人马斯克

美国太空探索技术公司（以下简称SpaceX）的创始人兼首席执行官艾隆·马斯克秉承他一贯语不惊人死不休的性格，于2016年正式宣布了他旗下酝酿已久的全球卫星互联网计划。该项目将为全球用户提供低延迟、高带宽的卫星宽带和通讯服务。SpaceX作为一家有能力执行商业发射、载人航天、货运发射的航天企业，其触角终于延伸到了竞争更加激烈的全球卫星互联网行业，从而与一网、波音和O3b等企业一同竞逐大气层外的网络空间。这类低轨卫星星座项目自1997年“铱星”计划开始后便层出不穷，所以并未引起关注。但是随着去年11月15日一份SpaceX向美国联邦通讯委员会递交的频率申请的公开，媒体和网友的讨论瞬间被引爆。之所以如此受到关注，是因为这个计划是由史无前例的多达4425颗低轨卫星组成的庞大卫星互联网。虽然这个数字早在2015年SpaceX位于西雅图的卫星分部的开张演讲中就已提及，但当变成现实并提交给联邦通讯委员会时，着实还是让业界为之一振。

在人类已发射的卫星中，目前仍围绕地球运行的现役卫星据不完全统计有1400余颗，另还有2600多颗已经停止工作，但仍停留在轨道上。然而，纵使两者相加也仅有4000余颗。也就是说，SpaceX计划发射的卫星数量将超过人类已发射的卫星总数。如此一来，一网计划的900颗互联网星座简直不值一提，似乎仅有波音的2956颗星座和三星尚属纸面构想的4600颗卫星的星座可以比肩。

2015年卫星分部开张演讲

SpaceX在西雅图的卫星分部

全球覆盖 更高带宽 更低延迟

SpaceX公司表示卫星发射计划分为两步，预部署阶段需要先向一个轨道高度发射1600颗卫星，然后再发射2825颗卫星并将它们安置在不同轨道高度的4个层中，最终部署完成整个网络。SpaceX宣称在首批800颗卫星上天后，就能提供覆盖全美的基本宽带服务。一旦经过最终部署的彻底优化，这个系统就能为全球消费者和商业用户提供高带宽（最高每用户1Gbps）、低延时的宽带服务。

虽然SpaceX尚未曝光计划中卫星的外观和详细配置，但从申请书中依旧可以管窥一二。计划发射的通信卫星质量为386千克左右，传输频段在Ku波段和Ka波段之间，采用自研的霍尔推进器，寿命5-7年。运行轨道固定点距离地球约1150千米至1275千米的空间层内。按照这样的轨道高度计算，每一颗卫星大约可覆盖宽度为2120平方千米的一个椭圆形地域。这个距离比传统的同步轨道通讯卫星（35786千米）要低许多，更短的星地距离有助于提升网络速度和减少延迟。此外，网络数据包不再需要通过路由和地表网络层层转发，而是通过星间链路，加上构想中的卫星冗余覆盖和快速切换设计，将可以提供网络延时控制在25毫秒到35毫秒之间的可靠互联网接入。星座中每颗卫星能够为用户提供的下行容量总和在17Gbps到23Gbps之间，具体数值取决于用户终端配置。以平均值20Gbps来计算，首期部署的1600颗卫星将能够提供32Tbps的总容量。而整个系统的部署时间将长达数年，依照惯例，SpaceX将在部署过程中不断迭代改进和升级卫星，有可能进一步提升单颗卫星和整个卫星系统的总容量。目前系统可以提供最高容量达每用户1Gbps的宽带服务。而且SpaceX采用的相控阵用户天线设计要求很低，终端安装相对方便，操作简单，价格也比较低廉。

2016年12月15日，SpaceX公司进一步更新了申请文件，用新的Microsat-2a & 2b试验卫星取代之前的MicroSat-1a & 1b，初始轨道也做出了相应修改，卫星重量增加到400千克，同时安装有星间光学通讯设备和推进系统，工作轨道变为1125千米的太阳同步轨道。2017年3月，SpaceX再次提交申请，将在之前计划的4425颗星座基础上继续部署多达7518颗卫星，从而搭建一个“V波段低地轨道星座”，从而使得卫星总数飙升到难以置信的近12000颗，这数倍于人类有航天发射以来所有入轨卫星总数，同时计划所需资金量也更加庞大。不过虽然此举有根据联邦通讯委员会“宁申勿空，先占先得”规则抢占无线电频率的因素在内（类似申请的有11家公司之多），但还是使得业界对这个计划的可行性评估再降一级。

卫星自产 火箭自备

倘若是其他企业放言要布局一个超越人类卫星总数的卫星互联网星座，显然会被扣上一个天方夜谭的帽子，然而SpaceX的计划之所以被业界认真对待，主要还是SpaceX得天独厚的一项优势使得这种疯狂计划有成真的可能。这种优势根植于SpaceX的特殊身份中，因为它不仅是一家卫星互联网公司，更是一家已经成功搅动世界商业发射市场的发射承包商，手握价值上百亿美元的发射订单。马斯克在所涉猎的各大领域中一直都是以行业颠覆者和价格屠夫而闻名，之所以能够获此名号，与其一直坚持垂直整合密不可分，而这也是其屡试不爽的一记绝招。

所谓垂直整合，即在合理可行的范围内尽可能自行设计和生产相关零部件，在运载火箭和卫星这种通用化程度较低的行业中可以显著提升厂商自主权并压低生产成本。与ULA和轨道ATK等同行全球采购、合理分包的思路不同，SpaceX不仅自产火箭箭体，甚至连火箭发动机都自研自产，自旗下“梅林”系列液氧煤油火箭发动机的改型“梅林-1D”诞生之后，更是将原属Barber-Nichols公司的发动机涡轮泵供货也收归麾下，而在2015年的CRS-7解体事故后更是连碳纤维符合气瓶支架这种普通结构件都自行生产。正是这种自产火箭、自产卫星、自行发射、自行布局的“自力更生”思路，使之无需像一网和其它同行一样四处寻找廉价发射商。SpaceX发射自家卫星无需看任何发射承包商眼色，无需任何排期，所有卫星均可以以成本价发射升空，这是所有同行竞争者都难以比拟的一大优势。

左上：spacex公司卫星互联网构想图 左下：堆积的回收火箭

2017年1月二代铱星首射

让“二手火箭”重获新生

除自行发射外，SpaceX公司还表示不排除适当采用商业发射中的富余运力，在轨道近似的发射中顺路搭车“干私活”，将部分自家卫星送入轨道。当然这种“搭车”必然是作为次级载荷，而且由于商业客户已经支付了发射费用，搭车卫星的发射成本甚至可以“忽略不计”。正是由于都采用700千米的低地轨道，之前暂定年底发射的二代铱星收官任务中，SpaceX就曾计划将自己的卫星互联网试验星MicroSat-1a 和1b通过“搭车”方式送入轨道。

当然，SpaceX在发射上的优势不仅于此。自该公司火箭回收成功以来，SpaceX可复用火箭的流转体系逐渐成型。但是碍于“猎鹰”9火箭自诞生以来31射2炸的发射纪录，客户对复用火箭大多是谨慎观望。目前为止仅有SES公司在“极具诱惑力”的折扣和平价保险费率的感召之下，决定在SES-10任务中首次采用复用火箭执行发射。然而除此之外，面对日渐成熟的回收体系，已回收和未来将要回收的大量芯级有可能面临乏人问津、蒙尘仓库的窘境。

虽然复用任务的成功示范有可能吸引部分客户改为预订复用火箭，但仍不能保证消化掉大量积压的“二手火箭”。所以如何为“堆积如山”的复用火箭“另谋生路”，将是该公司即将面对的全新课题。于是乎，SpaceX的卫星互联网计划便于此时应运而生，由于回收火箭的成本已经完全被首次发射的客户所支付，回收后的火箭一级若需重新发射的话，对公司内部而言除翻修费用外近乎于免费；加之公司还在进行整流罩的回收复用的尝试，在不远的将来，很可能仅需要支出一个全新的火箭二级，再加上少许翻修费用，就可以为SpaceX自己的卫星互联网执行一次完整的发射。面对该计划庞大的卫星数量和随之而来的天量发射，这些仓库中的二手火箭堪称“重获新生”。即使未来商业发射和政府发射订单因竞争等原因流失，SpaceX依旧可使旗下火箭有用武之地。

天量卫星和太空垃圾

一直以来，近地轨道日益增加的太空垃圾是全行业不得不面对的一大顽疾。因此无论SpaceX的计划如何，数千乃至上万颗卫星密集分布在特定轨道高度，很可能造成事实上的“SpaceX卫星层”，导致部分想穿越该层的发射不得不进行额外的规避和窗口调整。此外，无论是到寿还是故障，大量退役卫星如果不能及时得到离轨和再入处理，一旦发生碰撞，极有可能发生连锁反应，后果不堪设想。所以公司也表示将遵循业界管理和联邦条例来减少轨道碎片。例如在申请后半部分构想了部分防垃圾的设计，首先是卫星设计上加强多重冗余，增强鲁棒性，防止意外失效和姿态失控。然后在较高轨道卫星预定寿命的5到7年后，计划将卫星自行变轨到一个近地点300千米的轨道上，然后调整太阳能电池板姿态以最大化大气阻力，从而保证一年以内能因为高度衰减而再入解体。但是考虑到目前卫星设计尚未定型，同时计划不停变动，最终效果还有待观察。

近地轨道垃圾示意图

火星互联的野心和残酷的现实

SpaceX目前的卫星互联网计划本身已足够“骇人听闻”，但马斯克的野心不止于此。他放言该项目的目标是充足获利，从而为下一步载人登陆火星的项目赚取资金来源。而更近乎于狂想的是，未来SpaceX还要在火星架设类似的卫星网络基础设施，从而为“火星殖民”的宏图愿景添砖加瓦。然而事实总是残酷的，“卫星互联网”并非一个“投资少、见效快”的项目，星座初成仅仅是“万里长征第一步”，而全期投入即使乐观估计也将高达100 亿美元。虽然2015年该项目已在公司位于西雅图的办公室启动，研发团队也将在数年内增至1000 人，但毕竟卫星互联网已非一本万利只赚不赔的“好生意”。虽然有谷歌公司10亿美金的助力，加之资本趋利的特性必然使未来资本持续涌入，SpaceX的资金缺口会随着计划的逐步推进有所缓和，但是如果没有找到自己的盈利模式，而是不断地投入和烧钱，却没有创造可持续的利润收入和产业生态，在一阵喧嚣过后必然会被资本抛弃，盈利不成反变累赘。

卫星互联网面对的大多是有线宽带不便敷设和有特殊需求的客户群体，可以说“蛋糕”是相对固定的。而随着大量同行的杀入，这片蓝海市场可能在短短几年内转化为红海市场，利润率降低，竞争白热化。国际上虽然对基于卫星星座的互联网服务需求强劲，但竞争也异常激烈，仅知名的竞争对手就有铱星、一网、O3b、波音和三星等数家公司。这几家的项目都投资甚巨，而且均实力不俗，更是早早地在商业、服务、价格上展开贴身肉搏，一时之间打得好不热闹。如果未来竞争加剧，难保不会重蹈上世纪一代铱星的覆辙，正所谓“其兴也勃焉，其亡也忽焉”，所以SpaceX的前景不容乐观。尤其是一网来势汹汹，而且进度上领先于SpaceX，资本支持十分充足，卫星数量上也更具可行性。加之最近刚与亚马逊创始人杰夫·贝索斯旗下的“蓝色起源”公司签订了5次发射合同，将在未来采用其全新研发的“新格伦”运载火箭执行一网一箭多星的部署任务。可以说SpaceX在这个领域并非“领头羊”，反倒是个“追随者”。

除此之外，SpaceX还需要建设地面站，开发廉价可靠的接收终端并将其推广到目标国家，还要与部分有网络管制的国家洽谈准入合作。这都是全行业厂商要共同面对的难题。所以我们看待这个“宏伟”计划应该更多地从技术角度来审视，比如计划中大规模卫星部署能为复用火箭提供充足的需求；低延迟大带宽可为新一代小型高密度中继卫星网络提供样本；离轨和冗余机制可以为星座卫星的退役提供范例。至于这个计划本身，或许目前只是一个看起来很美的蓝图，仅此而已。★