本质、技术与竞争，卫星工程师漫谈Starlink星座
作者 | 张晟宇
编辑 | 黑法丝
马斯克的过人之处在于他不但精通技术和商业，同时对于时代潮流的把握和在公众营销方面的创意都可以作为教科书式的典范。在完成了把自己开过的跑车送入太空的炫酷表演之后，紧接着又抢先在空间网络方面实现快速反应——将其天基互联网星座技术验证星TintinA/B作为搭载载荷送入太空（卫星的官方名字叫MICROSAT-2A/2B，喜欢给一切物品起名字的马斯克私下称它们为TintinA/B，“Tintin”是比利时动画《丁丁历险记》主角的名字）。且不论这两颗卫星是否能实现其验证目的，至少在吸引公众注意、以验证为理由实现在轨频率使用事实以及背后占频的目的应该是成功的。
凭借“私企发射当下全球最大运力火箭”的舆论余温，马斯克再次成功地在全世界范围内强化了其“颠覆者”、“科技狂人”的形象，在世人眼中，他创造着一个又一个创举，一座又一座里程碑。鲜有人去帮他算算可回收火箭到底省了多少钱，发送跑车的火箭是否还可以搭载一些更有价值的载荷……甚至舆论上形成了这样一种趋势：一切对马斯克的质疑在公众看来都是或泛着酸味、或附带政治立场的。
马斯克和川普一样是用推特操控局势的高手，其调动情怀的能力惊人。数目巨大的工程师群体被一个日常到不能再日常的短语“Hello World”完全俘获，只因为马斯克在推特上“布道”称，Tintin双星会向地球发射“hello world”信息。
作为工程师，我们有义务告诉那些为“SpaceX建立全球WiFi”唱赞歌的朋友们，当Tintin卫星从你头上飞过的时候，你不可能用任何2.4GHz或者5.7GHz的设备收到这句情怀满满的问候，不管手机还是笔记本电脑均属此类。接收这条“hello world”需要专门的接收设备，然而这个宣传却无比的成功和深入人心。
是的，所有声称连上这个Wi-fi的图片都是假的。改个路由器名称，你也可以开启朋友圈炫耀模式；如果把路由密码也改成“Martians”，就有机会收割一拨小白的好奇宝宝。这一场大乌龙都是马斯克随意在推特上开的玩笑造成的，他大概严重高估了世人的科学素养。
其实笔者和很多人一样，都是马斯克的粉丝，对他的关注早从2010年就开始了，对于Starlink的关注也是从消息伊始持续至今。
这个机遇并不难理解——随着移动互联网的发展，许多原本甚至连计算机都没接触过的人们，都被卷入了互联网的浪潮之中，并随之衍生出巨大的价值。如今国内的互联网巨头和独角兽企业的诞生都得益于这一时代潮流。马斯克和维勒以及很多同样致力于空间网络发展的人，正是瞄准了那些通过地面基站方案接入互联网并不划算的地区和人群，来抢占这个巨大市场的基础设施建设工作。只要“卡位”成功，就能够捆绑更多的未来机会，如同微软之于操作系统，苹果之于智能手机。
下面我们来具体地看看Starlink是一个怎么样的系统，它的主要体系理念，及与竞争者的简要对比分析。
首先，Starlink作为一个NGSO（即Non-Geostationary Satellite Orbit，非地球静止轨道 ）系统，先天具备低时延、动态性和庞大系统的特点。
● GEO轨道的先天不足就是巨大的时延，哪怕只是最短的36000公里的来回，以光速传播的电磁波也要用掉200多毫秒，想要用GEO卫星提供的网络打《王者荣耀》，不分分钟团灭都难。低轨卫星可以实现几十个乃至十几个毫秒的延时，低时延意味着可以有更多类型应用并产生更大的价值空间。
● 动态性。因为卫星飞得低了，覆盖区域自然就小了，每颗卫星的过顶时间（为某一点提供服务的时间）也短了，以Starlink的LEO轨道来计算正过顶在40度的可通信角度范围内的单星过境时间也就5到6分钟，实际情况只会比这个时间还要短，而VLEO的过境时间就更短了。因此要保证网络不中断，用户终端需要频繁地切换不同的接入卫星。另外过多的卫星形成的网络也会产生时延抖动。
● 庞大系统。不难理解，卫星数量多、频繁切换，自然造成系统的庞大。可是多到4425+7518=11943颗卫星只能说是“丧心病狂”，不过这符合马斯克的一贯风格，也是他被诸多狂热粉丝膜拜的原因。
按照1150km的轨道高度计算，Starlink的每一颗卫星大约可覆盖半径为1060km的区域，覆盖面积大约为350万平方公里。
从SpaceX向FCC提交的报告里可以得知，Starlink是由4425颗分布在1100km高度轨道的LEO星座和7518颗分布在340km左右的VLEO（甚低轨）星座构成。具体分布参见表1和表2的星座轨道。
表1 LEO 星座（source FCC）
表2 VLEO星座（source FCC）
本次Tintin的A/B星作为LEO星座的试验星，将从搭载的400～500km轨道通过卫星自身的推进进入1,110 km到 1,325 km的轨道。此次主要验证的内容应该是Ku/Ka频段的FSS卫星通信固定业务（从向FCC提交的报告中可知其主要业务是FSS）和星间通信。
这正是Starlink和OneWeb的区别之一：Starlink是天星天网，通过星间链路直接连接服务和用户；OneWeb的弯管模式则是天星地网，每颗卫星要同时连接地面站和用户才能建立服务。这类似于第一次浪潮中的铱星和全球星，只不过铱星组网只要66颗，全球星只要48颗。
SpaceX公布的TintinA/B卫星图片
Starlink的LEO星座选择了Ku/Ka频段，VLEO星座选择V频段，具体详见表3和表4。关口站和用户终端都将采用更先进的相控阵天线技术来实现与多颗卫星的通信。该星座两层轨道设计有门道，较高的4425颗卫星使用Ku/Ka频段，有利于更好地实现覆盖；而较低轨道上的7518颗卫星使用V频段，可以实现信号的增强和更有针对性的服务。
表3 Ku/Ka频段
表4 V频段
SpaceX的这一策略是非常有讲究的，一方面，Ku/Ka频段的使用是在与传统业务分蛋糕，并与OneWeb等直接竞争对手死磕；另一方面，V频段的使用也是在积极地开拓新的频率并期望形成壁垒。
不过无论哪一方面的难度都不低，不仅存在政策门槛和协调的难度，同时还面临较大的技术瓶颈。——首发试验星选择使用Ku/Ka这两个在卫星通信领域已有广泛应用的频段，而没有V频段载荷，显然是有力的证据。
一个技术上的小彩蛋是，据说用户通过同时接收两层系统的信号，可以获得更好的服务，这一细节内容非常值得期待。
美国联邦通信委员会（FCC）对于这些有助于满足美国本土快速增长的通信需求的项目，都表现出了很大的支持态度——本月，FCC主席潘基特就曾公开呼吁FCC其他委员和同事能够支持、批准SpaceX提交申请的计划。然而到国际电联（ITU）就是另外的情况了，所以对马斯克和SpaceX来说，从FCC这里打开口子，先让卫星上天、用现实来铺路是非常不错的选择。这是本次发射试验星的真正意义所在。
直接竞争对手OneWeb的策略是，把卫星设计得尽量简单，从而降低卫星的成本并采取和传统制造商联合创新的策略来进行卫星制造理念的革命，与OneWeb共同建造卫星工厂的空客（Airbus）公布的卫星高度自动化的总装测试流程，说明了这一理念在现实中的推进。然而最终的制造成本、在轨使用情况等，还有待验证。
OneWeb卫星示意图
Starlink的卫星透露的细节非常少，但是毫无疑问比OneWeb要复杂很多。早期透露的LEO星座卫星大概重386kg左右，技术难度也比OneWeb高很多。一方面增加了基于激光的星间链路（这样一来成本要增加不少），一方面星间使用光通信，关口和用户使用微波，星上还要进行路由（这样还涉及到光电交换、星上的高速处理等核心技术），难度可见一斑。
遗憾的是，SpaceX至今尚未公开提及如何以低成本的方法实现如此高难度复杂的系统。我等粉丝只能抱着对马大侠的一贯信任，等待这些神技揭晓所带来的惊喜。
OneWeb创始人Greg Wyler
维勒与马斯克曾经准备合作，最初维勒注册WorldVu公司准备做低轨星座时，投资者名单中就有马斯克。之后，马斯克退出，而维勒坚守理想并把公司名字改为OneWeb。两人的分道扬镳也许是因为理念上的巨大差异：维勒的OneWeb团结了一群强大的盟友，包括世界上最大的通信卫星运营商和频率资源拥有者国际通信卫星公司、世界上最强大的汽水公司可口可乐、最领先的卫星通信终端制造商休斯网络、最强大的移动通信芯片制造商高通公司、最著名的互联网风投企业软银、欧洲最强大的宇航企业空中客车、最不差钱的商业航天创业公司维珍银河公司……从卫星到终端、从资本到应用一应俱全；而马斯克显然比较简单粗暴，几乎完全自己干，这样的差异大概正是他们无法共事的原因。
对比务实而保守的OneWeb星座，Starlink如果能突破本文前述技术门槛，就能打造一个灵活度更高的天基互联网系统，获得更强大的应用能力并构筑更高的技术门槛。空间网络二次浪潮中的星座博弈，破局之道在笔者看来无非两种，一是模式创新，盘活现有技术下的市场再慢慢发展迭代，二是技术突破，以跨时代的技术能力打破现有格局。显然OneWeb和Starlink选择了不同的道路，都值得业者研究、学习与思考。
作者介绍
张晟宇
毕业于法国图卢兹第三大学空间技术专业，现工作于中国科学院微小卫星创新研究院，任卫星总体设计师。个人公众号：宇聊。
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