小火箭聊SpaceX的星链天基互联网星座
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小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共8224字，80图。预计阅读时间：60分钟。
终于，SpaceX公司从2015年就开始撩拨大家的天基互联网星座还是开始搭建了。
公元2018年2月22日，协调世界时14点17分00秒，一枚猎鹰9号运载火箭B1038.2从美国范登堡空军基地SLC-4E工位成功点火（见上图），随后将西班牙的一颗合成孔径雷达军用对地观测卫星送入预定轨道。
随上图这颗由空中客车公司研制的军星一起进入太空的，就是SpaceX公司第一批自主研发的卫星：
MICROSAT-2A和MICROSAT-2B，也就是涉及到1.2万颗卫星的庞大的卫星星座的2颗技术验证先导星。
本文，小火箭将要和大家共同探讨如下7个问题：
SpaceX公司的星链计划是怎样的？
基于低轨星座的天基互联网怎样搭建？
在SpaceX之前，人类曾经有过怎样的尝试？
小火箭对星链与铱星的比较研究；
星链计划还需要跨过哪些技术门槛？
星链对于太空和通信领域的颠覆性；
小火箭对星链星座轨道的计算。
星链
小火箭在这里先对星链计划的logo设计团队点个赞。从这个标志中象征地球的类似笑脸的大弧线和代表卫星轨道的一根细弧线的比例来看，这个设计团队是应该是懂轨道动力学的。
这是小火箭根据星链计划的轨道参数做的一条轨道，通过和上上图的对比可以发现，SpaceX的logo还是蛮用心的。
星链计划是对SpaceX公司的starlink计划的直译，顾名思义，就是借助卫星的链接计划。
用一句话来总结这个计划就是：
通过一个由太空中能够相互链接的卫星组成的星座为全球提供5G级别的高速互联网服务。
这里的链接，指的是星地互联和星星互联。结合目前遍布全球的地面互联网基础设施和未来以高空气球和无人机为代表的中继平台，覆盖全球且速度超快的网络成为了很多人的梦想。
说起5G，小火箭觉得需要多说两句。
通过一个由太空中能够相互链接的卫星组成的星座为全球提供5G级别的高速互联网服务。
这句话中，小火箭之所以用5G级别而不用5G这个词本身，还是一个技术标准的问题。
5G通信，这里的G是Generation的缩写。因此，顾名思义5G通信就是5th Generation 通信，也就是第5代通信的意思。
2017年12月21日，国际电信标准组织3GPP RAN第78次全体会议上，5G NR首发版本正式冻结并发布。这是全球第一个可商用部署的5G标准。这一标准比原计划提前了六个月完成。标志着5G这个术语从学术探讨阶段开始尝试步入商业运营阶段。
我们日常的手机移动通信采用的是4G或者3G、2G标准。
实际上，5G的正式的完整的标准化还需要一定的时间来完善。
目前来说，从用户体验的角度来看，5G有如下五个特征：
以10Gbps的传输速率同时支持数万用户；
支持数十万的并发连接以便支撑大规模物联网；
频谱效率比4G大幅提升；
覆盖率比4G有所提高；
延迟时间显著减少。
从频率和硬件的角度来看，5G通信开始向毫米波进军了。相较于4G采用的700MHz、900MHz、1800Mhz、2600Mhz等频段，5G添加了28GHz的频段，该频段与毫米波（波长为1mm到10mm之间）的频段（30GHz到300GHZ之间）已经非常接近了。
以往，在很长一段时间，毫米波是军用雷达的专属领域。上图为配备了长弓毫米波雷达的长弓阿帕奇武装直升机。
而以往大量应用在卫星上的氮化镓和砷化镓材料也会出现在5G系统中。
SpaceX公司在2015年1月份提出的星链计划，基本上就是依赖大量低轨运行的高通量卫星组成的星座来提供这样的5G级别的天基互联网服务。
按照5G现在的技术判断，其网络传输速度将会是4G的近百倍。在5G网络中，下载一部1个G的高清电影，仅需10秒。
搭建
说起基于卫星的天基通信，大家早已不陌生了。而在聊SpaceX公司的星链计划是什么，怎样搭建之前，我们先得说清楚星链不是什么。
1945年，科幻作家，科普大师亚瑟·查尔斯·克拉克爵士提出用于远程通信的地球同步卫星的构想。
这是小火箭给出的一个由椭圆轨道向地球同步轨道转移入轨的一个算例。
在地球同步轨道（静止轨道）上运行的卫星，其轨道高度为35786公里，理论上，只需在赤道上空布置3颗这样的卫星，就能够覆盖除南北两极很少范围之外的所有地表。
这也就是一直以来，人类通信卫星的惯常做法：把昂贵的卫星送入珍贵的地球静止轨道，一待就是10年甚至15年以上。而美国的天基红外导弹预警卫星也有不少就部署在地球静止轨道上。（详见小火箭的公号文章《美国天基红外导弹预警卫星的8个问题》。）
公元1964年8月19日，休斯公司研制出的世界上第一颗地球静止轨道卫星成功入轨，紧接着就完成了1964年东京奥运会（1964年10月10日至10月24日）的跨太平洋电视转播。
1965年4月6日，休斯公司制造的第二颗地球静止轨道卫星入轨，定点在西经28°，成为了第一颗跨大西洋通信卫星。
几十年来，当我们提到电视转播，提起通信卫星，通常就是这种在地球静止轨道上运行的大卫星。
SpaceX公司的星链计划与传统的地球同步轨道上部署少量大卫星的方案不同。
为了能够尽量减少时间延迟，同时降低对单一卫星的功率的要求，SpaceX公司的星链计划采用了不同的方案：用轨道高度在1000多公里近地轨道卫星代替轨道高度为35786公里的地球同步轨道卫星。
如此说来，卫星与地面的距离近了很多，电磁波以光速从地球同步轨道传输到地面，需要119.29毫秒，而从1000多公里的近地轨道传输到地面，则仅需3.3毫秒，为同步轨道的36分之一。
不过，把轨道变低，虽然有种种好处，但是也有不少弊端。如上图所示：
地球同步轨道卫星的单星覆盖范围是大洲级别的，而近地轨道卫星覆盖的范围是省/州级别的。另外，按轨道动力学，近地轨道卫星的飞行速度较快，仅能够在同一地方的天空逗留几分钟。
这就使得，星链计划如果要完全全球覆盖，并且做到全天可用的话，需要大量部署卫星。
单颗小卫星的覆盖范围虽然有限，但是如果这些小卫星组成星座，而且星与星之间还能够进行通信的话，就能够形成一个覆盖住地球的大网。
SpaceX公司的星链计划准备这样搭建，基本上分三步走：
第一步：用1600颗卫星完成初步覆盖。
其中，前800颗卫星满足美国、加拿大和波多黎各等国的天基高速互联网的需求。
小火箭风格：这1600颗卫星分布在32条轨道上，每条轨道50颗卫星。
轨道高度1150公里，轨道倾角53°。
第二步：用2825颗卫星完成全球组网。
小火箭风格：这2825颗卫星分为4组。
第1组由1600颗卫星组成，布于32条轨道上，每条轨道50颗，轨道高度为1110公里，轨道倾角为53.8°；
第2组由400颗卫星组成，分布在8条轨道上，每条轨道50颗，轨道高度1130公里，轨道倾角为74°；
第3组由375颗卫星组成，分布在5条轨道上，每条轨道75颗，轨道高度1275公里，轨道倾角为81°；
第4组由450颗卫星组成，分布在6条轨道上，每条轨道75颗，轨道高度1325公里，轨道倾角为70°。
前两步的卫星总数量为4425颗，这些卫星工作在较为传统的Ka波段和Ku波段，力争以量取胜。
第三步：用7518颗卫星组成更为激进的低轨星座。
这些卫星的运行轨道比第一步和第二步的4425颗卫星的1110公里到1325公里轨道高度要更低，为340公里高度附近。
而且，第三步的7518颗卫星将工作在V波段。这个波段就是妥妥的毫米波了。V波段的频率为40GHz到75GHz之间，对应的波长就是7.5毫米到4毫米之间。
星链计划的三步走完成后，就在近地轨道组成了两层庞大的卫星星座，内层340公里轨道高度的7518颗卫星与外层的1000多公里轨道高度的4425颗卫星组成的11943颗卫星星座占据了上图的黄色区域，与传统的地球静止轨道的红色区域形成了较为鲜明的对比。
11943颗卫星！
这是什么概念？
按小火箭工作室的统计数据，目前世界各国在太空中运行的卫星，仍在工作状态的，总共也只有1742颗。
目前在轨运营的卫星，共有1742颗，其中，最多的是美国，804颗；第二多的是中国，有205颗；第三多的是俄罗斯，有143颗。
而SpaceX的星链计划如果完成部署，其新入轨的卫星总数就会是目前所有国家在轨运营的卫星总数的将近7倍。
尝试
如今，我们已经习惯于使用微信进行交流沟通，而数年前，我们交流的媒介主要是手机电话和短信。
公元1992年12月3日，在英国沃达丰工作的22岁的软件工程师帕普沃斯用计算机给一部2公斤重的便携式电话发送了两个单词。
和咱们逢年过节的时候做的事情类似，这小伙子给公司的这部电话发送的是“Merry Christmas” 圣诞快乐。
这就是世界上第一条短信。
很快，1993年，诺基亚就推出了世界上第一款可以收发短信的移动电话。
这家在1865年以伐木和制造木浆起家的企业，经历过1898年的橡胶业大发展和1912年的电缆行业大进军后，与1987年成为了欧洲军火巨头SAKO的股东（占50%），生产SAKO-NOKIA子弹。
进入手机行业的诺基亚，在2005年达到了事业的巅峰，年出货2.64亿部手机，全球市场占有率达32.1%，是位居第二的摩托罗拉的1.8倍。
不过，说起人类在通信领域对卫星星座的尝试，就不得不提摩托罗拉公司了。
摩托罗拉，这家在阿波罗登月计划中为登月飞船提供通信服务技术支持的公司，不仅仅在上世纪60年代末将阿姆斯特朗在登上月球的瞬间说的“这是我的一小步，却是人类的一大步”这句话传回了地球，而且一直在为提升人类的通信能力而努力。
公元1973年4月3日，时年45岁的马丁·库帕博士自信而谦卑地站在纽约曼哈顿最为繁华的街头，举起他研制的移动电话原型机，给大名鼎鼎的贝尔实验室打了一个电话。
上图为2007年库珀博士的情景再现照片。这部1.1公斤重的电话开启了人类的移动通信时代。
摩托罗拉公司当然要以库珀博士为傲了，在他的努力下，摩托罗拉领先于贝尔实验室，率先研制成功了人类第一部移动电话。
1985年，摩托罗拉公司的高级工程师巴里·伯蒂格和他的妻子在巴哈马度假。
当时，大忙人伯蒂格夫人担心在这个相对曼哈顿地区要偏远得多的地方，手机会没有信号，从而错过客户的来电。
伯蒂格的工程师灵魂被妻子的担心唤醒了，他当时灵光一闪，想出了一个由遍布在太空的大量卫星构成的星座来实现全球信号覆盖的大胆的方案。
这就是赫赫有名的铱星计划的来源。
上图每个小圆圈都代表了一颗卫星的覆盖范围。整个星座由77颗卫星构成，星座中的每颗卫星覆盖一个较小区域，而77颗卫星组合起来，就实现了对全球的覆盖。
77是元素周期表中铱元素的序列，因此计划得名为铱星。考虑到铱元素得名于彩虹女神伊丽丝，这名字真是好听。
后来，铱星星座的卫星总数由77颗减少为66颗，按理说，计划名称应该改为66号镝元素了吧。不过，后来摩托罗拉公司没有改名，依然沿用铱星这个名字。因为66号元素镝的希腊语原意为极难获取。
如果用这个名字来命名一套以信号的全球覆盖为奋斗目标的系统的话，不祥。
不过，实际上，铱本身也是极难获取的。铱是地壳中的稀有的元素之一，预计总含量仅有黄金40分之一，是白金的十分之一。
后来的故事，大家就比较清楚了。
公元1998年11月1日，时任美国副总统戈尔使用铱星移动电话打出了第一个电话，标志着铱星系统开始投入运营。
当时，一部铱星手机的报价是3000美元。
（小火箭根据通胀率计算，相当于2018年的4947美元，也就是人民币31350.62元，约为3.1万元。）
好贵。而每分钟的通话费用为3美元到8美元不等。按平均5美元来算的话，换算成2018年2月份小火箭在写这篇文章时候的人民币，约为52.22元每分钟。
那个年代，海底电缆和光纤技术的突飞猛进，铱星计划可谓生不逢时。
到1999年5月，铱星总共才获得了1万用户。投入运营5个月零20天的时候，铱星总亏损额已经超过了5亿美元。
1999年8月，铱星用户突破2万人，但是还是等不起了。1999年8月13日，铱星申请破产。2000年3月17日，铱星破产。
用整整12年研发和布设的天基系统，拥有堪称完美的星座设计，但是投入运营仅15个月就破产了。
比较
铱星的破产引发了大讨论。其案例成为了无数工商管理培训课程上的必讲内容。
铱星的影响是深远的。太空探索的商业化开始面对巨大的来自庸俗思想的压力。高科技不代表高收益，这样一句话成为了大量懒于创新或者没有自主研发能力的企业的借口。
对铱星案例的恐惧成为了今天低轨星座建设的阻碍，对依赖山寨和模仿来获取低投入高回报的贪婪成为了如今高科技研发的噩梦。
对于SpaceX的星链计划和摩托罗拉的铱星计划，小火箭认为有以下几点不同：
铱星计划的发射成本远高于星链计划。
第一代铱星系统的卫星中，大部分（55颗）是由德尔塔II型运载火箭发射的。该火箭在上世纪90年代的发射报价为5100万美元，也就是相当于今天的8409万美元。
而SpaceX公司用于发射星链卫星的猎鹰9号火箭的报价仅6200万美元。
而且，大部分星链卫星是SpaceX公司发射其他军用或者商业载荷的时候，以搭载的方式，搭车进入的太空。更何况卫星和火箭是SpaceX公司自家的，一切好商量。
比如SpaceX公司的前2颗星链卫星就是发射西班牙的军星的时候搭载上去的。
2. 星链计划的用户要远多于铱星计划。
上图为在南极地区执行任务的美国空军人员正在使用铱星系统进行通信。
铱星的通话费用和在偏远地区通话的比较优势就注定了其用户主要是军方、科学家、远洋航海者和石化行业从业人员以及一些热爱挑战极限的旅行家。
而星链计划的重点在于遍布全球的高速互联网。相较于通话，人类对高速互联网的需求要大得多。
3. 星链计划诞生的时代要好于铱星计划。
时代在发展，就连在2000年宣布破产的铱星计划也开始以第二代的方式复兴。
新一代铱星的通话费用为主动呼叫普通电话1.5美元/分钟，被动接听普通电话3美元/分钟，铱星手机终端互相呼叫，费用为1美元/分钟。
上图为SpaceX公司的猎鹰9号运载火箭发射第二代铱星卫星时的场景。
4. 星链计划的通信技术更为先进。
以往的铱星计划，带宽过窄，语音要经过大幅压缩才能传输，影响了用户体验。而星链计划以高带宽为发展重点。
从发射成本、用户量、时代背景和通信技术这4个层面来比较，我们可以发现，虽然看起来都是星座，但是星链计划的前景相对要更乐观一些。
门槛
小火箭觉得，星链计划未来，需要突破三大门槛：
第一，技术门槛。
星链的卫星，轨道非常低，单星覆盖的范围很小，因此单星提供服务的时间窗口比较窄小，对星星服务切换速度和切换的可靠性要求非常高。
对于卫星与卫星之间的链路，需要引入激光通信技术。
第二，资金门槛。
星链计划，初步需要100亿美元，随后为了架设完整的星座，陆续还需要300亿美元的资金。
当然，如果星链计划成功实施，就会使得全球其他39亿无法接入互联网的人成为全球互联网的客户。由此带来的收益，每年保守估计有300亿美元。
第三，环保门槛。
太空碎片日益增多，详见小火箭的公号文章《太空探索的三种风险》。
小火箭计算之后，发现：一块从运载火箭上剥落的直径为1cm，厚度为1mm的漆片在碰撞瞬间能够给航天器送上高达4800焦耳的动能。这个能量和一枚7.92mm毛瑟步枪专用S.m.K.H. 穿甲弹的出膛动能相当。
1980年2月14日，一颗用于研究太阳现像，特别是太阳耀斑的太阳极大期任务卫星发射升空。上图为1984年挑战者号航天飞机维修这颗卫星的时候，在星体上发现的太空垃圾撞击造成的孔洞。
美国科学家凯斯勒（Donald J. Kessler）在1978年提出了一种理论假设。他认为：“当在近地轨道运转的物体的数量达到一定程度时，这些物体在碰撞后产生的碎片将形成更多的新撞击，从而引发连锁效应。这意味着近地轨道将被危险的空间碎片所覆盖。由于失去了能够安全运行的轨道，在之后的数百年内太空探索和人造卫星的运用将变得无法实施。“
如果这个假设成立的话，今后在近地轨道运行的空间站将陷入枪林弹雨之中。
总数将近1.2万颗的卫星，需要有可靠的钝化技术，让失效的卫星及时再入大气层焚毁，以免在太空中引起连锁效应。
这一点，SpaceX公司已经进行了相关的计算，争取在未来不会引发什么乱子。
颠覆
星链计划的发布和实施的过程中，会逐渐从思想层面或者实际操作层面颠覆一些行业。小火箭在此和大家一起做一些探讨。
第一，卫星制造业。
卫星为什么那么贵？为什么一颗锁眼系列的卫星比一艘尼米兹级核动力航空母舰还要贵？为什么即使是商业卫星也会有动辄上亿美元的报价？
抛开元器件成本不提，另外一个主要原因就是产量不足，难以形成规模。
这样的话，传统的卫星产业就很难像电脑、手机或者汽车、民航客机、坦克、导弹那样，通过大量生产来摊平研发成本。
而SpaceX公司的星链计划，需要11943颗卫星，其总量已经超过了史上最畅销的喷气式客机波音737的产量（10000）。详见小火箭的公号文章《波音737！史上最畅销的客机！》。
第二，火箭发射服务业。
随着SpaceX公司的猎鹰系列运载火箭回收技术的成熟，小火箭和大家在2015年到2017年探讨的《猎鹰9号：SpaceX公司的成名之作》《SpaceX可回收火箭技术与成本分析》等诸多技术细节如今已经成真，甚至成为了公众关注的热点话题。
火箭公司的盈利模式非常清晰：无非是发射一枚火箭就获得一次服务收益。
那么，最终人们对于商业航天产业的所有疑问，或许都会归为一个问题：
未来有没有足够的卫星发射订单来支撑起整个商业航天产业？
目前看来，星链计划的实施，正在用实际行动和11943颗卫星的规划给了大家一个回答。
算起来，美国、中国和欧空局的卫星星座的计划还有不少，以后需要发射的卫星还是蛮多的。
第三，通信产业。
能够让身处世界上任何一个角落的人借助一个相当于一张披萨饼的终端设备与全世界所有人一起接入同样的天基互联网，这个想法本身就能够引起我们的无限遐想。
第四，全民关注。
观看火箭发射成为了全民活动，而商业航天企业的加入使得往日冷战时代的将火箭发射与国家荣誉绑定的概念变得更加贴近百姓的日常生活。
而当卫星星座与互联网结合起来之后，获得全民关注的理由就更加充分了。
毕竟，如今无论是逢年过节的归去还是远渡重洋的探索，亦或是上班下班的奔忙，我们不过是在不断更换着刷手机和电脑的地方而已。
星链计划的前两颗星，被马斯克本人私底下叫做丁丁A和丁丁B。来自《丁丁历险记》中的名字让小火箭一下子就想到了上图和上上图的场景。
而首批两颗星链计划技术先导星向地面测试设备发回的第一个信号，居然是Hello World！
这对于从小学习Fortran编程语言、C语言，长大了开始学习C++、JAVA，最后张开双臂拥抱Python语言的我们来说，太亲切，也太感慨了！
轨道
看到这里，熟悉小火箭的好友们一定知道，又到了弹道和轨道计算的时间了！
11943颗卫星，SpaceX公司官方还没有给出详细的示意图。很多人翻译了星链计划的技术文档，但也终归流于复述而已。
为了获取对星链计划的直观印象，小火箭启动了计算中心，用了些时间算了星链的轨道。
先算一条轨道热热身。
SpaceX公司的星链计划准备将这样搭建，基本上分三步走：
第一步：用1600颗卫星完成初步覆盖。
其中，前800颗卫星满足美国、加拿大和波多黎各等国的天基高速互联网的需求。
小火箭风格：这1600颗卫星分布在32条轨道上，每条轨道50颗卫星。
轨道高度1150公里，轨道倾角53°。
这是星链计划先期布设的情况，小火箭给出了11条轨道（每条轨道分布有50颗卫星），也就是550颗组网的样子。
随着卫星数量的增加，卫星轨道的包络也就越来越完整。这个时候，北美、南美还有亚欧大部分地区都能够在服务范围内。
从南极（捂脸）地区看起来，是上图这个样子的。此时，星链星座还没能照顾到南极地区。
慢慢补全的第一步星链星座。
第二步：用2825颗卫星完成全球组网。
小火箭风格：这2825颗卫星分为4组。
第1组由1600颗卫星组成，布于32条轨道上，每条轨道50颗，轨道高度为1110公里，轨道倾角为53.8°；
这是1600颗卫星以53.8°的轨道倾角分布在32条轨道上的样子。可以看到，除南北两极地区之外，地球表面大部分地方都能够照顾到了。
整个包络，特别像一个红灯笼。当然，由于轨道倾角不大，这个包络球的南北两极被削掉了。
第2组由400颗卫星组成，分布在8条轨道上，每条轨道50颗，轨道高度1130公里，轨道倾角为74°；
这组轨道，小火箭用黄色线条来表示。
红色轨道为第1组的1600颗卫星，上图的一根黄色线条为倾角74°的一条轨道，这上面有50颗卫星。
第2组的400颗卫星（黄色）与第1组的1600颗卫星（红色）完成了全球覆盖。上图为从地球北极上空俯瞰的样子。
这张侧视图可以更加清楚地展示，第2组卫星主要是为了添补第1组卫星在南北两极地区留下的空白的。
第3组由375颗卫星组成，分布在5条轨道上，每条轨道75颗，轨道高度1275公里，轨道倾角为81°；
第3组卫星小火箭就不和前面的2000颗卫星放一起了，否则就太密集了。
5条轨道，均布375颗卫星，每条轨道75颗星。这些是大倾角卫星。
第4组由450颗卫星组成，分布在6条轨道上，每条轨道75颗，轨道高度1325公里，轨道倾角为70°。
前两步的卫星总数量为4425颗。
第三步：用7518颗卫星组成更为激进的低轨星座。
当然，这7518颗卫星组成的星座，等到4425颗卫星的星座布置完成之后咱们再研究也不迟。
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