衛星互聯網計劃：馬克斯的又一驚人之舉

□ 田豐

衛星互聯網計劃：馬克斯的又一驚人之舉

□ 田豐

SpaceX公司創始人馬斯克

美國太空探索技術公司（以下簡稱SpaceX）的創始人兼首席執行官艾隆·馬斯克秉承他一貫語不驚人死不休的性格，于2016年正式宣布了他旗下醞釀已久的全球衛星互聯網計劃。該項目將為全球用戶提供低延遲、高帶寬的衛星寬帶和通訊服務。SpaceX作為一家有能力執行商業發射、載人航天、貨運發射的航天企業，其觸角終于延伸到了競爭更加激烈的全球衛星互聯網行業，從而與一網、波音和O3b等企業一同競逐大氣層外的網絡空間。這類低軌衛星星座項目自1997年“銥星”計劃開始后便層出不窮，所以并未引起關注。但是隨著去年11月15日一份SpaceX向美國聯邦通訊委員會遞交的頻率申請的公開，媒體和網友的討論瞬間被引爆。之所以如此受到關注，是因為這個計劃是由史無前例的多達4425顆低軌衛星組成的龐大衛星互聯網。雖然這個數字早在2015年SpaceX位于西雅圖的衛星分部的開張演講中就已提及，但當變成現實并提交給聯邦通訊委員會時，著實還是讓業界為之一振。

在人類已發射的衛星中，目前仍圍繞地球運行的現役衛星據不完全統計有1400余顆，另還有2600多顆已經停止工作，但仍停留在軌道上。然而，縱使兩者相加也僅有4000余顆。也就是說，SpaceX計劃發射的衛星數量將超過人類已發射的衛星總數。如此一來，一網計劃的900顆互聯網星座簡直不值一提，似乎僅有波音的2956顆星座和三星尚屬紙面構想的4600顆衛星的星座可以比肩。

2015年衛星分部開張演講

SpaceX在西雅圖的衛星分部

全球覆蓋 更高帶寬 更低延遲

SpaceX公司表示衛星發射計劃分為兩步，預部署階段需要先向一個軌道高度發射1600顆衛星，然后再發射2825顆衛星并將它們安置在不同軌道高度的4個層中，最終部署完成整個網絡。SpaceX宣稱在首批800顆衛星上天后，就能提供覆蓋全美的基本寬帶服務。一旦經過最終部署的徹底優化，這個系統就能為全球消費者和商業用戶提供高帶寬（最高每用戶1Gbps）、低延時的寬帶服務。

雖然SpaceX尚未曝光計劃中衛星的外觀和詳細配置，但從申請書中依舊可以管窺一二。計劃發射的通信衛星質量為386千克左右，傳輸頻段在Ku波段和Ka波段之間，采用自研的霍爾推進器，壽命5-7年。運行軌道固定點距離地球約1150千米至1275千米的空間層內。按照這樣的軌道高度計算，每一顆衛星大約可覆蓋寬度為2120平方千米的一個橢圓形地域。這個距離比傳統的同步軌道通訊衛星（35786千米）要低許多，更短的星地距離有助于提升網絡速度和減少延遲。此外，網絡數據包不再需要通過路由和地表網絡層層轉發，而是通過星間鏈路，加上構想中的衛星冗余覆蓋和快速切換設計，將可以提供網絡延時控制在25毫秒到35毫秒之間的可靠互聯網接入。星座中每顆衛星能夠為用戶提供的下行容量總和在17Gbps到23Gbps之間，具體數值取決于用戶終端配置。以平均值20Gbps來計算，首期部署的1600顆衛星將能夠提供32Tbps的總容量。而整個系統的部署時間將長達數年，依照慣例，SpaceX將在部署過程中不斷迭代改進和升級衛星，有可能進一步提升單顆衛星和整個衛星系統的總容量。目前系統可以提供最高容量達每用戶1Gbps的寬帶服務。而且SpaceX采用的相控陣用戶天線設計要求很低，終端安裝相對方便，操作簡單，價格也比較低廉。

2016年12月15日，SpaceX公司進一步更新了申請文件，用新的Microsat-2a & 2b試驗衛星取代之前的MicroSat-1a & 1b，初始軌道也做出了相應修改，衛星重量增加到400千克，同時安裝有星間光學通訊設備和推進系統，工作軌道變為1125千米的太陽同步軌道。2017年3月，SpaceX再次提交申請，將在之前計劃的4425顆星座基礎上繼續部署多達7518顆衛星，從而搭建一個“V波段低地軌道星座”，從而使得衛星總數飆升到難以置信的近12000顆，這數倍于人類有航天發射以來所有入軌衛星總數，同時計劃所需資金量也更加龐大。不過雖然此舉有根據聯邦通訊委員會“寧申勿空，先占先得”規則搶占無線電頻率的因素在內（類似申請的有11家公司之多），但還是使得業界對這個計劃的可行性評估再降一級。

衛星自產 火箭自備

倘若是其他企業放言要布局一個超越人類衛星總數的衛星互聯網星座，顯然會被扣上一個天方夜譚的帽子，然而SpaceX的計劃之所以被業界認真對待，主要還是SpaceX得天獨厚的一項優勢使得這種瘋狂計劃有成真的可能。這種優勢根植于SpaceX的特殊身份中，因為它不僅是一家衛星互聯網公司，更是一家已經成功攪動世界商業發射市場的發射承包商，手握價值上百億美元的發射訂單。馬斯克在所涉獵的各大領域中一直都是以行業顛覆者和價格屠夫而聞名，之所以能夠獲此名號，與其一直堅持垂直整合密不可分，而這也是其屢試不爽的一記絕招。

所謂垂直整合，即在合理可行的范圍內盡可能自行設計和生產相關零部件，在運載火箭和衛星這種通用化程度較低的行業中可以顯著提升廠商自主權并壓低生產成本。與ULA和軌道ATK等同行全球采購、合理分包的思路不同，SpaceX不僅自產火箭箭體，甚至連火箭發動機都自研自產，自旗下“梅林”系列液氧煤油火箭發動機的改型“梅林-1D”誕生之后，更是將原屬Barber-Nichols公司的發動機渦輪泵供貨也收歸麾下，而在2015年的CRS-7解體事故后更是連碳纖維符合氣瓶支架這種普通結構件都自行生產。正是這種自產火箭、自產衛星、自行發射、自行布局的“自力更生”思路，使之無需像一網和其它同行一樣四處尋找廉價發射商。SpaceX發射自家衛星無需看任何發射承包商眼色，無需任何排期，所有衛星均可以以成本價發射升空，這是所有同行競爭者都難以比擬的一大優勢。

左上：spacex公司衛星互聯網構想圖 左下：堆積的回收火箭

2017年1月二代銥星首射

讓“二手火箭”重獲新生

除自行發射外，SpaceX公司還表示不排除適當采用商業發射中的富余運力，在軌道近似的發射中順路搭車“干私活”，將部分自家衛星送入軌道。當然這種“搭車”必然是作為次級載荷，而且由于商業客戶已經支付了發射費用，搭車衛星的發射成本甚至可以“忽略不計”。正是由于都采用700千米的低地軌道，之前暫定年底發射的二代銥星收官任務中，SpaceX就曾計劃將自己的衛星互聯網試驗星MicroSat-1a 和1b通過“搭車”方式送入軌道。

當然，SpaceX在發射上的優勢不僅于此。自該公司火箭回收成功以來，SpaceX可復用火箭的流轉體系逐漸成型。但是礙于“獵鷹”9火箭自誕生以來31射2炸的發射紀錄，客戶對復用火箭大多是謹慎觀望。目前為止僅有SES公司在“極具誘惑力”的折扣和平價保險費率的感召之下，決定在SES-10任務中首次采用復用火箭執行發射。然而除此之外，面對日漸成熟的回收體系，已回收和未來將要回收的大量芯級有可能面臨乏人問津、蒙塵倉庫的窘境。

雖然復用任務的成功示范有可能吸引部分客戶改為預訂復用火箭，但仍不能保證消化掉大量積壓的“二手火箭”。所以如何為“堆積如山”的復用火箭“另謀生路”，將是該公司即將面對的全新課題。于是乎，SpaceX的衛星互聯網計劃便于此時應運而生，由于回收火箭的成本已經完全被首次發射的客戶所支付，回收后的火箭一級若需重新發射的話，對公司內部而言除翻修費用外近乎于免費；加之公司還在進行整流罩的回收復用的嘗試，在不遠的將來，很可能僅需要支出一個全新的火箭二級，再加上少許翻修費用，就可以為SpaceX自己的衛星互聯網執行一次完整的發射。面對該計劃龐大的衛星數量和隨之而來的天量發射，這些倉庫中的二手火箭堪稱“重獲新生”。即使未來商業發射和政府發射訂單因競爭等原因流失，SpaceX依舊可使旗下火箭有用武之地。

天量衛星和太空垃圾

一直以來，近地軌道日益增加的太空垃圾是全行業不得不面對的一大頑疾。因此無論SpaceX的計劃如何，數千乃至上萬顆衛星密集分布在特定軌道高度，很可能造成事實上的“SpaceX衛星層”，導致部分想穿越該層的發射不得不進行額外的規避和窗口調整。此外，無論是到壽還是故障，大量退役衛星如果不能及時得到離軌和再入處理，一旦發生碰撞，極有可能發生連鎖反應，后果不堪設想。所以公司也表示將遵循業界管理和聯邦條例來減少軌道碎片。例如在申請后半部分構想了部分防垃圾的設計，首先是衛星設計上加強多重冗余，增強魯棒性，防止意外失效和姿態失控。然后在較高軌道衛星預定壽命的5到7年后，計劃將衛星自行變軌到一個近地點300千米的軌道上，然后調整太陽能電池板姿態以最大化大氣阻力，從而保證一年以內能因為高度衰減而再入解體。但是考慮到目前衛星設計尚未定型，同時計劃不停變動，最終效果還有待觀察。

近地軌道垃圾示意圖

火星互聯的野心和殘酷的現實

SpaceX目前的衛星互聯網計劃本身已足夠“駭人聽聞”，但馬斯克的野心不止于此。他放言該項目的目標是充足獲利，從而為下一步載人登陸火星的項目賺取資金來源。而更近乎于狂想的是，未來SpaceX還要在火星架設類似的衛星網絡基礎設施，從而為“火星殖民”的宏圖愿景添磚加瓦。然而事實總是殘酷的，“衛星互聯網”并非一個“投資少、見效快”的項目，星座初成僅僅是“萬里長征第一步”，而全期投入即使樂觀估計也將高達100 億美元。雖然2015年該項目已在公司位于西雅圖的辦公室啟動，研發團隊也將在數年內增至1000 人，但畢竟衛星互聯網已非一本萬利只賺不賠的“好生意”。雖然有谷歌公司10億美金的助力，加之資本趨利的特性必然使未來資本持續涌入，SpaceX的資金缺口會隨著計劃的逐步推進有所緩和，但是如果沒有找到自己的盈利模式，而是不斷地投入和燒錢，卻沒有創造可持續的利潤收入和產業生態，在一陣喧囂過后必然會被資本拋棄，盈利不成反變累贅。

衛星互聯網面對的大多是有線寬帶不便敷設和有特殊需求的客戶群體，可以說“蛋糕”是相對固定的。而隨著大量同行的殺入，這片藍海市場可能在短短幾年內轉化為紅海市場，利潤率降低，競爭白熱化。國際上雖然對基于衛星星座的互聯網服務需求強勁，但競爭也異常激烈，僅知名的競爭對手就有銥星、一網、O3b、波音和三星等數家公司。這幾家的項目都投資甚巨，而且均實力不俗，更是早早地在商業、服務、價格上展開貼身肉搏，一時之間打得好不熱鬧。如果未來競爭加劇，難保不會重蹈上世紀一代銥星的覆轍，正所謂“其興也勃焉，其亡也忽焉”，所以SpaceX的前景不容樂觀。尤其是一網來勢洶洶，而且進度上領先于SpaceX，資本支持十分充足，衛星數量上也更具可行性。加之最近剛與亞馬遜創始人杰夫·貝索斯旗下的“藍色起源”公司簽訂了5次發射合同，將在未來采用其全新研發的“新格倫”運載火箭執行一網一箭多星的部署任務。可以說SpaceX在這個領域并非“領頭羊”，反倒是個“追隨者”。

除此之外，SpaceX還需要建設地面站，開發廉價可靠的接收終端并將其推廣到目標國家，還要與部分有網絡管制的國家洽談準入合作。這都是全行業廠商要共同面對的難題。所以我們看待這個“宏偉”計劃應該更多地從技術角度來審視，比如計劃中大規模衛星部署能為復用火箭提供充足的需求；低延遲大帶寬可為新一代小型高密度中繼衛星網絡提供樣本；離軌和冗余機制可以為星座衛星的退役提供范例。至于這個計劃本身，或許目前只是一個看起來很美的藍圖，僅此而已。★