本質(zhì)、技術(shù)與競(jìng)爭(zhēng):漫談Starlink星座

+ 張晟宇（中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院）

馬斯克的過(guò)人之處在于他不但精通技術(shù)和商業(yè)，同時(shí)對(duì)于時(shí)代潮流的把握和在公眾營(yíng)銷(xiāo)方面的創(chuàng)意，都可以作為教科書(shū)式的典范。在完成了把自己開(kāi)過(guò)的跑車(chē)送入太空的炫酷表演之后，緊接著又搶先在空間網(wǎng)絡(luò)方面實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)——2017年2月，SpaceX將其天基互聯(lián)網(wǎng)星座技術(shù)驗(yàn)證星Microsat-2a/2b作為搭載載荷送入太空（喜歡給一切物品起名字的馬斯克私下稱(chēng)它們?yōu)門(mén)intinA/B，“Tintin”是比利時(shí)動(dòng)畫(huà)《丁丁歷險(xiǎn)記》主角的名字）。且不論這兩顆衛(wèi)星是否能實(shí)現(xiàn)其驗(yàn)證目的，至少在吸引公眾注意、以驗(yàn)證為理由實(shí)現(xiàn)在軌頻率使用事實(shí)及其背后占頻的目的等方面，應(yīng)該是成功的。

“改變世界”是美麗的外衣，真實(shí)的內(nèi)在是殘酷的“卡位”

憑借“私企發(fā)射當(dāng)下全球最大運(yùn)力火箭”的輿論余溫，馬斯克再次成功地在全世界范圍內(nèi)強(qiáng)化了其“顛覆者”、“科技狂人”的形象，在世人眼中，他創(chuàng)造著一個(gè)又一個(gè)創(chuàng)舉，一座又一座里程碑。鮮有人去幫他算算可回收火箭到底能省多少錢(qián)，發(fā)射跑車(chē)的火箭是否還可以搭載一些更有價(jià)值的載荷……甚至輿論上形成了這樣一種趨勢(shì)：一切對(duì)馬斯克的質(zhì)疑在公眾看來(lái)都是或泛著酸味、或附帶政治立場(chǎng)的。

馬斯克和川普一樣是用推特操控局勢(shì)的高手，其調(diào)動(dòng)情懷的能力驚人。數(shù)量巨大的工程師群體為一個(gè)極其普通的短語(yǔ)“Hello World”而瘋狂，只因?yàn)轳R斯克在推特上“布道”稱(chēng)，Tintin雙星會(huì)向地球發(fā)射“hello world”這條信息。

作為工程師，我們有義務(wù)告訴那些為“SpaceX建立全球WiFi”唱贊歌的朋友們，當(dāng)Tintin衛(wèi)星從你頭上飛過(guò)的時(shí)候，你不可能用任何2.4GHz或者5.7GHz的設(shè)備收到這句情懷滿(mǎn)滿(mǎn)的問(wèn)候，不管手機(jī)還是筆記本電腦均屬此類(lèi)，接收這條“hello world”需要專(zhuān)門(mén)的接收設(shè)備。無(wú)論如何，這次的宣傳無(wú)比成功和深入人心。

可以說(shuō)，無(wú)論是打造OneWeb的格里格·維勒還是馬斯克，目前所做的，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都是在卡位“空間網(wǎng)絡(luò)的第二次浪潮”這個(gè)時(shí)代機(jī)遇。

這個(gè)機(jī)遇并不難理解——隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，許多原本甚至連計(jì)算機(jī)都沒(méi)接觸過(guò)的人們，都被卷入了互聯(lián)網(wǎng)的浪潮之中，并隨之衍生出巨大的商業(yè)價(jià)值。如今國(guó)內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)巨頭和獨(dú)角獸企業(yè)的誕生都得益于這一時(shí)代潮流。馬斯克和維勒以及很多同樣致力于空間網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的人，正是瞄準(zhǔn)了那些通過(guò)地面基站方案接入互聯(lián)網(wǎng)并不劃算的地區(qū)和人群，來(lái)?yè)屨歼@個(gè)巨大市場(chǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作。只要“卡位”成功，就能夠捆綁更多的未來(lái)機(jī)會(huì)，如同微軟之于操作系統(tǒng)，蘋(píng)果之于智能手機(jī)。

星座特點(diǎn)，及競(jìng)爭(zhēng)者分析

本文將對(duì)Starlink星座的主要體系理念、及與競(jìng)爭(zhēng)者的比較等，做簡(jiǎn)要的分析。

1、低軌通信星座的共性

首先，Starlink作為一個(gè)NGSO（即Non-Geostationary Satellite Orbit，非地球靜止軌道 ）系統(tǒng)，先天具備低時(shí)延、動(dòng)態(tài)性和龐大系統(tǒng)的特點(diǎn)。

· 低時(shí)延。GEO軌道的先天不足就是巨大的時(shí)延，哪怕只是最短的36000公里的來(lái)回，以光速傳播的電磁波也需要200多毫秒。低軌衛(wèi)星則可以實(shí)現(xiàn)幾十甚至十幾個(gè)毫秒的延時(shí)，低時(shí)延意味著可以適應(yīng)更多類(lèi)型應(yīng)用并產(chǎn)生更大的價(jià)值空間。

· 動(dòng)態(tài)性。衛(wèi)星軌道低，覆蓋區(qū)域自然就小，每顆衛(wèi)星的過(guò)頂時(shí)間（為某一點(diǎn)提供服務(wù)的時(shí)間）也將縮短。以Starlink的LEO軌道來(lái)計(jì)算，在40度的可通信角度范圍內(nèi)的單星過(guò)境時(shí)間只有5到6分鐘，實(shí)際情況可能更短，而VLEO的過(guò)境時(shí)間則更短。因此要保證網(wǎng)絡(luò)不中斷，用戶(hù)終端需要頻繁地切換不同的接入衛(wèi)星。過(guò)多的衛(wèi)星形成的網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生時(shí)延抖動(dòng)。

· 龐大系統(tǒng)。不難理解，衛(wèi)星數(shù)量多、頻繁切換，自然造成系統(tǒng)的復(fù)雜和龐大。但提出近12000顆衛(wèi)星可以說(shuō)達(dá)到了“喪心病狂”的程度，不過(guò)這符合“科技狂人”馬斯克的一貫風(fēng)格。

2、星座組成

SpaceX向FCC提交的報(bào)告中的信息透露，Starlink是由4425顆分布在1100km高度軌道的LEO星座和7518顆分布在340km左右的VLEO（甚低軌）星座構(gòu)成。具體分布參見(jiàn)表1和表2。

本次Tintin的A/B星作為L(zhǎng)EO星座的試驗(yàn)星，將從400～500km軌道通過(guò)衛(wèi)星自身的推進(jìn)進(jìn)入1110 km到 1325 km的軌道。此次主要驗(yàn)證的內(nèi)容應(yīng)該是Ku/Ka頻段的FSS衛(wèi)星通信固定業(yè)務(wù)（從向FCC提交的報(bào)告中可知其主要業(yè)務(wù)是FSS）和星間通信。

這正是Starlink和OneWeb的區(qū)別之一：Starlink是天星天網(wǎng)，通過(guò)星間鏈路直接連接服務(wù)和用戶(hù)；OneWeb的彎管模式則是天星地網(wǎng)，每顆衛(wèi)星要同時(shí)連接地面站和用戶(hù)才能建立服務(wù)。這類(lèi)似于第一次浪潮中的銥星和全球星，只不過(guò)銥星組網(wǎng)只需要66顆，全球星只需要48顆。

3、頻率使用

Starlink的LEO星座選擇了Ku/Ka頻段，VLEO星座選擇V頻段，具體詳見(jiàn)表3和表4。關(guān)口站和用戶(hù)終端都將采用更先進(jìn)的相控陣天線技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與多顆衛(wèi)星的通信。該星座兩層軌道設(shè)計(jì)有門(mén)道，較高的4425顆衛(wèi)星使用Ku/Ka頻段，有利于更好地實(shí)現(xiàn)覆蓋；而較低軌道上的7518顆衛(wèi)星使用V頻段，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的增強(qiáng)和更有針對(duì)性的服務(wù)。

SpaceX的這一策略是非常有講究的，一方面，Ku/Ka頻段的使用是在與傳統(tǒng)業(yè)務(wù)分蛋糕，并與OneWeb等直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手“正面決斗”；另一方面，V頻段的使用也是在積極地開(kāi)拓新的頻率并期望形成壁壘。

表1 LEO 星座（source FCC）

表2 VLEO星座（source FCC）

表3 Ku/Ka頻段

表4 V頻段

SpaceX公布的TintinA/B衛(wèi)星圖片。衛(wèi)星重量約386公斤，尺寸為4×1.8×1.2m，大小相當(dāng)于一輛MiNi Cooper汽車(chē)。

OneWeb衛(wèi)星示意圖，衛(wèi)星重約150公斤，大小相當(dāng)于一臺(tái)小型冰箱

不過(guò)無(wú)論哪一方面的難度都不低，不僅存在政策門(mén)檻和協(xié)調(diào)的難度，同時(shí)還面臨較大的技術(shù)瓶頸?！装l(fā)試驗(yàn)星仍選擇使用Ku/Ka這兩個(gè)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用的頻段，而沒(méi)有V頻段驗(yàn)證載荷，顯然是有力的證據(jù)。

美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）對(duì)于這些有助于滿(mǎn)足美國(guó)本土快速增長(zhǎng)的通信需求的項(xiàng)目，表現(xiàn)出極大的支持態(tài)度——2月，F(xiàn)CC主席潘基特就曾公開(kāi)呼吁FCC其他委員和同事能夠支持、批準(zhǔn)SpaceX提交申請(qǐng)的計(jì)劃。然而國(guó)際電聯(lián)（ITU）未必如此。因此對(duì)馬斯克和SpaceX來(lái)說(shuō)，從FCC這里先打開(kāi)口子，讓衛(wèi)星上天、用既成事實(shí)來(lái)鋪路是非常不錯(cuò)的選擇。這是本次發(fā)射試驗(yàn)星的真正意義所在。

按照1150km的軌道高度計(jì)算，Starlink的每一顆衛(wèi)星大約可覆蓋半徑為1060km的區(qū)域，覆蓋面積大約為350萬(wàn)平方公里。

4、關(guān)于衛(wèi)星本身

直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手OneWeb的策略是，把衛(wèi)星設(shè)計(jì)得盡量簡(jiǎn)單，從而降低星座的成本，并采取和傳統(tǒng)制造商聯(lián)合創(chuàng)新的策略來(lái)進(jìn)行衛(wèi)星制造理念的革命。與OneWeb共同建造衛(wèi)星工廠的空客空天與防務(wù)公司公布的衛(wèi)星高度自動(dòng)化的總裝測(cè)試流程，說(shuō)明了這一理念在現(xiàn)實(shí)中的推進(jìn)。然而最終的制造成本、在軌使用情況等，還有待驗(yàn)證。

Starlink衛(wèi)星披露的細(xì)節(jié)非常少，但是毫無(wú)疑問(wèn)比OneWeb要復(fù)雜得多。SpaceX早期透露的其LEO衛(wèi)星重約386kg左右，技術(shù)難度也比OneWeb高很多。一方面增加了基于激光的星間鏈路（這將直接導(dǎo)致成本的上升），一方面星間使用光通信、關(guān)口和用戶(hù)使用微波，星上還要進(jìn)行路由（涉及到光電交換、星上的高速處理等核心技術(shù)），難度可見(jiàn)一斑。

遺憾的是，SpaceX至今尚未公開(kāi)提及如何以低成本的方法實(shí)現(xiàn)如此高難度復(fù)雜的系統(tǒng)。不知道神奇“鋼鐵俠”馬斯克能否在這方面再次給業(yè)界制造驚喜。

5、馬斯克與維勒

馬斯克與維勒曾經(jīng)準(zhǔn)備深度合作，最初維勒注冊(cè)WorldVu公司打算做低軌星座時(shí)，投資者名單中就有馬斯克。之后，馬斯克退出，而維勒?qǐng)?jiān)守理想并把公司名改為OneWeb。二人的分道揚(yáng)鑣也許是因?yàn)槔砟钌系木薮蟛町悾壕S勒的OneWeb團(tuán)結(jié)了一群強(qiáng)大的盟友，包括世界上最大的通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商和頻率資源擁有者國(guó)際通信衛(wèi)星公司、世界上最強(qiáng)大的汽水公司可口可樂(lè)、最領(lǐng)先的衛(wèi)星通信終端制造商休斯網(wǎng)絡(luò)、最強(qiáng)大的移動(dòng)通信芯片制造商高通公司、最著名的互聯(lián)網(wǎng)風(fēng)投企業(yè)軟銀、歐洲最強(qiáng)大的宇航企業(yè)空中客車(chē)、最不差錢(qián)的商業(yè)航天創(chuàng)業(yè)公司維珍銀河公司……從衛(wèi)星到終端、從資本到應(yīng)用一應(yīng)俱全；而馬斯克顯然比較簡(jiǎn)單粗暴，幾乎完全自己干，這樣的差異大概正是他們無(wú)法共事的原因。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)比務(wù)實(shí)而保守的OneWeb星座，Starlink如果能突破本文前述技術(shù)門(mén)檻，就能打造出一個(gè)靈活度更高的天基互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，獲得更強(qiáng)大的應(yīng)用能力并構(gòu)筑更高的技術(shù)壁壘。空間網(wǎng)絡(luò)二次浪潮中的星座博弈，破局之道無(wú)非兩種，一是模式創(chuàng)新，盤(pán)活現(xiàn)有技術(shù)下的市場(chǎng)再慢慢發(fā)展技術(shù)迭代；二是技術(shù)突破，以跨時(shí)代的技術(shù)能力打破現(xiàn)有格局。顯然OneWeb和Starlink選擇了不同的道路，都值得業(yè)者研究、學(xué)習(xí)與思考。