7月17日晚，有市民发现在奥体中心一带的夜空中出现了几十个串起来、闪着暗光的“珍珠”，专家为你揭秘其背后的秘密。
新媒体编辑/王姗
7月17日晚，在北京的奥体中心一带，有细心的市民发现在夜空中出现了几十个闪着暗光的小亮点，他们首尾排列成一行，整齐划一地在星空之中穿行，好似被细绳串起来的珍珠。后经权威专家确认，这些夜空中的不速之客，正是马斯克麾下的SpaceX公司于7月16日发射的G5-15批次共54颗V1.5型星链卫星。▲7月17日晚，在北京的奥体中心一带，有细心的市民发现排成一排的小亮点在夜空中出现 （视频来自网络）据统计，星链项目的发射活动异常频繁：7月还未结束，SpaceX就已经在本月完成了四次发射，将四批共139颗星链卫星送入太空。这些小家伙们也开始频繁地出现在不少城市的夜空中。目前杭州淳安县、贵州铜仁净梵山、浙江台州均有网友或天文部门观测到。此外，本月在美国洛杉矶、孟加拉国迪纳杰布尔，也有网友观测到星链造访。SpaceX推动星链项目的目的，是为了构建一套天基互联网星座系统，作为一个人造卫星技术和互联网应用技术深度融合的领域，这种由人造卫星构成的互联网系统背后又有着哪些些不为人知的故事呢？ 在科技迅猛发展的当下，我们早已习惯了互联网带来的种种便利，而这是建立在复杂的移动通信网络基础设施之上的。根据2021年中国无线接入网行业研究报告显示：一座4G网络基站的建设成本约为20万-25万元，而一座5G基站更是高达36万元。未来我国规划中的5G网络基站将达到580万座。可以想见，能够覆盖全国的基站网络，所耗费的建设成本将是一笔天文数字！▲中国电信湖南公司在十八洞村建设的5G基站（图片来源：澎湃新闻）
这显然不是每个国家都能承受得起的。为了实现互联网的全球覆盖，人们开始在太空中寻求解决方案：即在近地轨道组建由通信卫星构成的太空互联网。国内某高校一位长期致力于通信卫星研究的专家对记者说：“卫星互联网主要优势是覆盖范围广，可以服务全球。尤其是中低轨道卫星互联网，能实现全球包括海洋在内的均匀覆盖。” 而马斯克正是看到了太空互联网巨大的市场前景，在2015年正式提出了星链计划。其实早在互联网时代以前，人造卫星就已经是通信行业重要的参与者。1957年，苏联成功将第一颗人造卫星送入太空，就间接开启了人类利用卫星进行实时通信的新时代。此后的几十年间，通信卫星不仅成为电话、导航和电视直播业务的主力军之一，还向数据和多媒体通信领域大举扩张。这一时期，首次实况转播体育赛事的美国 “辛康-3”号卫星、由“国际通信卫星组织”发射的“晨鸟”号卫星，以及为我国首次实现电视信号转播的“东方红2”号卫星都是这一时期的代表作。▲正在进行总装的美国电星-1号试验通信卫星（图片来源：诺基亚贝尔实验室）
很快，为了进一步满足卫星信号的覆盖需求，人们开始向太空批量发射卫星，多颗卫星在太空协同工作，组成卫星星座，能够为地面提供不间断的通信服务。在光缆和现代移动通信基站被普及之前，人类的移动通信业务主要是通过通信卫星来实现的，据美国忧思科学家联盟全球在轨卫星数据库显示：星链项目上马前，全球共有769颗通信卫星在轨运行。而这些通信卫星一般被发射到中地球轨道或者地球静止轨道运行的。▲低轨道、中轨道与地球静止轨道卫星运行示意图（图片来源：LTT Business Consulting）
在地球静止轨道上，绕地球转动速度与地球自转速度相同，卫星相对地表某地点是静止不动的，故而又被称为“同步卫星”或“静止卫星”。由于这类卫星天线波束覆盖面积非常大,因此在同步轨道发射少量卫星，组成一个卫星星座，就可以实现信号的全球覆盖。另外，这类卫星在天空中是静止不动的，地面的信号接收天线只需要固定地对准卫星的方向即可接收持续不断的信号，这也节省了地面设施的建设与运维成本。当然，这种卫星的缺点也十分明显：由于地球同步轨道距地面高度超过3万公里，信号传输到地面的距离较长，信号延迟超过了100毫秒，经常造成很大不便。同时，一颗地球静止通信卫星的制造与发射成本也非常高。相比之下，中地球轨道距离地面要更近一些，位于距地面2000-35786公里之间，人类早期发射的部分通信卫星就运行在这个轨道区间内。由于卫星距离地面较近，信号延迟要比地球静止通信卫星更低，在互联网时代，中地球轨道通信卫星提供的传输速度甚至可以与地面光纤媲美。但很快人们就发现了其中的问题，以美国的电星-1号为例，它的轨道周期与地球的自转周期并不一致，卫星相对地面是运动的，这就使得信号持续传输给地面变得非常困难，地面天线必须时时转动方向才能对准相对运动中的卫星，人们为此花在地面设施上的成本就显而易见地高。为了尽可能地扬长避短，传统的通信卫星星座基本都是由中地球轨道与地球静止轨道卫星相结合组成的，我们耳熟能详的美国“全球定位系统”(GPS),以及我国的“北斗卫星导航系统”都是这样构成的。随着互联网科技发展的不断深入，人们在日常生活中对网速的要求越来越高，地球静止轨道卫星由于自身信号高延迟的特点，自然无法企及地面基站和光纤所能达到的数据传输速度。中地球轨道卫星虽然信号延迟小了很多，但依然无法完全满足通信供应商对于网络的需求。既然卫星轨道距离越低，信号延迟就越小，那么能不能把运行轨道进一步降低，下探到2000公里以下的低轨道区域呢？低轨道这一区域又可以进一步被分为三层：340公里左右的低层， 550公里左右的中层，以及1100公里左右的上层。在这一区域，卫星的延迟信号能降低到25毫米以下，信号传输效率能够得到极大改善。不过也因为轨道更低，从地面看这些卫星，通常是匆匆划过天空，地面天线需要更加频繁地转动方向对准卫星，只有大幅提高卫星的数量，才能保证信号传输的持续性。因此，低轨道通信卫星星座通常都拥有规模庞大的卫星群。▲美国国家航空航天博物馆展出的由备件组装的铱星（图片来源www.flickr.com）
低轨道通信卫星其实早已有之，但直到90年代，在移动通信技术高速发展的潮流下，低轨道的商业价值才开始受到重视。美国移动通信领域的巨头成为第一个吃螃蟹的人。1993年，美国摩托罗拉公司就斥巨资推动名为“铱星”的商业项目，即在低轨道组建移动通信卫星星座，该项目原计划在距地面781公里处的6个低轨道上发射77颗卫星（后削减至66颗）。▲铱星移动电话终端设备（图片来源：iridium.com）
按照预期，项目投入运营之后，地面上的用户通过手持的移动卫星电话，可以在地球的任何角落实现信号的发送与接收——这种覆盖全球的通信便捷性在那个年代无疑是划时代的。项目上马之际，摩托罗拉董事长罗伯特-加尔文的勃勃雄心丝毫不亚于今日的马斯克，他坚信凭借“轨道低、传输速度快，通信质量好”等优点，铱星项目必能为摩托罗拉抢占未来通信领域的大片市场。然而理想很丰满，现实很骨感：90年代末，2G时代到来，地面移动通信基站建设进入到一个黄金期，摩托罗拉公司很快就发现，铱星项目高昂的发射与运营成本，特别是移动卫星电话高昂的费用，使其很难发展稳定的用户，最终在市场的残酷竞争下，摩托罗拉扶持的铱星公司迅速成为弃儿，于1999年惨淡收场。比铱星稍晚，基于相同理念打造的“全球星“和“轨道通信”等移动通信卫星星座项目在世纪之交也是步履维艰。站在今天的角度，回顾“铱星”、“全球星”和“轨道通信”等项目，可以看出，这些项目在上马之际正好赶在了移动通信全面开花，但互联网技术还未深入大众的尴尬时间节点上，虽然他们都致力于打造一个覆盖全球用户的天基卫星网络体系，但奈何当时的卫星通信技术尚不完善，产业生态也不成熟。最终在地面通信网络面前败下阵来。直到人类全面进入互联网时代，智能手机的普及带动移动网络成为人们的刚需，卫星互联网星座的相对优势才开始全面显露出来。“目前低轨道通信卫星的优势主要体现在信号延迟低、用户终端小。” 这位专家向记者介绍道，“首先，信号延迟通常只有4-6毫秒，而中高轨道卫星延迟都在百毫秒级别。其次轨道较低，信号上行所需的功率更低，卫星地面终端的功耗也很低，那么就能够在汽车这样的民用移动平台布设用户终端，终端的使用成本也低很多。”马斯克正是看准了这个风口之下庞大的市场潜力，才开始上马他的“星链”计划。除了“星链”项目外，目前全球还有英国的OneWeb项目, 亚马逊公司的“柯伊伯”项目、加拿大的“开普勒通信“等在低轨道通信卫星星座建设领域比较有竞争力。他们一窝蜂地涌向低轨道这片区域，除了看重低轨道卫星本身的通信优势外，还发现了这一区域蕴含的巨大富矿：频段资源。▲伦敦大学学院的Mark Handley教授制作的未来星链网络渲染图，这幅密密麻麻的星链卫星几乎挤满了低轨道空域（图片来源：伦敦大学学院）
如果不同的卫星系统所使用的通信频率相近，那么产生的信号干扰将极大影响系统的使用。因此，卫星系统不同，所使用的频率原则上也不同。这就造成了在一定轨道区域内，可供卫星系统使用的频段资源是有限的，特别是在低轨道区域，这一区域航天器材数量多，但可用的频段资源是有限的。虽然50年前签署的《外层空间条约》规定，各国应在平等的基础上，自由进入天体的一切区域。但具体到低轨道频段资源的利用与分配上，国际电联(ITU)则规定，频段的使用遵循“先占先得”的原则，即谁申报得早，谁就先占用。马斯克在开展“星链”项目之初，就把“无利不起早”表现得淋漓尽致，他先期一口气向国际电联申报了1.2万颗卫星，后来更是增加到了4.2万颗，这一疯狂做法，如同几百年前欧洲贵族们的跑马圈地一样，迅速为他的星链计划占得有利先机，同时也就此掀起了抢占卫星轨道与频段资源的狂潮。整个星链项目将陆续向低轨道区域发射多达4.2万颗通信卫星，这种规模是一个什么概念呢？要知道，从前苏联发射人类第一颗人造卫星开始，到马斯克的“星链”项目上马，人类总共不过发射了4000余颗卫星，一个“星链”项目计划中的规模就超过了过去人类发射卫星数量的10倍！而截止今年7月19日，星链项目已将4837颗卫星成功送入轨道！▲猎鹰9号将星链卫星群送入预定轨道想象图（图片来源：NASA）
星链项目采取的卫星批量化生产模式，让其低成本优势进一步凸显。“卫星在工厂大规模生产，使得‘星链‘项目的单卫星成本大大降低，据说已经到了200万元，而我国一颗通信卫星造价都在千万元级别。” 这位专家向记者解释道，“而随着集成电路等基础工业的进步，卫星的制造成本还会进一步降低”。根据SpaceX官方消息，星链计划总投资额不超过300亿美元，而进行地面5G网络的部署成本则可能高达9000亿美元！有强大的研发生产能力做支撑、有精准的商业眼光做导航、加上低廉的投入成本和未来可期的高收益，“星链”项目自然成了这个时代的宠儿。而“星链”计划的主要竞争者就显得有些弱小了。亚马逊公司的“柯伊伯”项目也不过是计划将3236颗卫星发射到近地轨道，英国的OneWeb项目规模也只有146颗，且还在破产的边缘徘徊。相比于同行只专注于卫星研发，从卫星与火箭研发、生产到发射和运营，SpaceX公司都是亲力亲为，特别是其研制并批量生产的猎鹰-9号火箭，其强大的运载能力能够实现最多60颗卫星同时上天。同时该火箭可重复使用，也保证了低廉的发射成本。 “星链项目实现了卫星的批量化生产，这也是我们一直追求的。与批量化生产形成对比的是传统的 ‘一星一研’制，每一次卫星的研制与生产都要从头再来，在成本上很难形成优势。”该专家这样说道。首先，星链项目下的卫星规模极为庞大，加上发射效率极高，在短期内让低轨道区域变得十分拥挤，同时马斯克跑马圈地一般地在占用了大量频段资源，这极大限制了其他国家商业卫星发射活动的施展空间，而未来马斯克的“星链帝国”一旦建成，到那时低轨道区域还会有其他商业通信卫星项目存活吗？表面上看，星链项目的初衷是惠及全球用户，但在背后巨大的商业利益驱使下，谁能保证这条形成垄断的“星链”不会蜕变为捆绑全球用户利益的“锁链”？其次，星链计划的小卫星们集体抢占低轨道区域，也对这一区域现有的航天器形成不小的威胁。这位专家就强调道：“本身低轨道的航天碎片就比较多，‘星链‘卫星大规模部署后，等于增加了很多空间目标，对于空间站之类的大型航天器确实增加了威胁。”这些卫星体积小，质量轻，寿命短，无论是在运行周期内出现问题横冲直撞，还是寿终正寝坠入大气层前漫无目的的漂泊，都足以让附近的宇宙飞船、空间站和卫星身处险境。早在2019年，欧航局的“风神”气象卫星也险些与星链卫星相撞，引起欧航局的抗议。2021年星链卫星曾两度威胁中国的天宫空间站，迫使其做出紧急避碰动作。这些星链小家伙们，已俨然成了低轨道区域的危险分子。▲星链卫星也对天文观测带来了不小的困扰，图为一张天文图像被 星链卫星留下的轨迹所破坏（图片来源：洛厄尔天文台）
面对各大资本在低轨道区域的疯狂扩张，作为世界重要的航天大国，中国有什么应对的方案吗？▲今年7月9日，我国长征二号丙运载火箭在酒泉卫星发射中心，成功将卫星互联网技术试验卫星送入预定轨道（图片来源：航天科技集团一院）
实际上，我国在低轨道卫星互联网星座的部署上，除了技术难题有待克服外，还存在用户需求方面的问题。“我国的特色就是地面通信网络建设非常发达，这就导致国内对卫星互联网的需求就不大。”这位专家向记者强调，“而要面向海外用户，又存在地缘战略方面的困扰。美国在这一领域拥有稳定的海外用户群，星链已经在欧洲、澳大利亚和新西兰等地规模化使用了，而我国的用户又在哪里呢？”目前我国规划的卫星互联网星座，有两个并行的方案。一个是成立了星网公司，以该公司为牵头单位，整合国内资源，发挥集中力量办大事的优势，复制国外方案，打造中国版本的低轨“星链”计划。“另一个是发展有特色的中轨道卫星互联网星座，” 专家介绍道，“相比于低轨道卫星，中轨的优势在于：只需要少量的卫星就可以实现全球覆盖，破解了我国地球同步卫星轨位只能覆盖亚太的问题。单星可最大覆盖1/4地球表面，能够适应卫星用户地理分布不均匀的特性，卫星容量利用效率高。通过波束定向实现按需覆盖，地面的需求在哪里，我就满足哪里。”相比于拥挤的低轨道区域，中轨道的方案给了卫星更广阔的部署空间，在相对较小的星座规模下，还能保证信号服务的全球覆盖，这种方案实际上就在低轨道卫星发射日益内卷的当下，另辟蹊径地指出一条适合中国的天基互联网星座建设之路。我们有理由相信，随着我国航天科技力量的不断壮大，我们终将在天基互联网星座领域走出自己的特色，在服务本国网民的同时，用中国方案、中国智慧，为全球用户提供便利！