“鋼鐵俠”的衛星互聯網計劃

北京時間2018年2月22日22時17分，美國太空探索技術公司（SpaceX）從加利福尼亞州范登堡空軍基地成功發射了1枚“獵鷹9號”火箭。這枚火箭上搭載了3顆衛星，其中有兩顆是同一型號的通信衛星，分別叫做“丁丁A”和“丁丁B”——顯然來自比利時著名漫畫《丁丁歷險記》里那位環游全球的主角。

這兩個“丁丁”的目的，是為了驗證“星鏈”（Starlink）衛星星座計劃的可行性。2015年，SpaceX開始著手這個歷史上最龐大的衛星通信項目，計劃在未來幾年內發射12000顆通信衛星，在不同高度的軌道上覆蓋全球，并且為地球上任何位置的用戶提供高達1Gbps的無線寬帶上網服務。有了這樣的網絡速度和覆蓋率，人們可以實現許多以前難以想象的網絡使用方式，讓移動通信走進下一個時代。

人稱“硅谷鋼鐵俠”的SpaceX 首席執行官兼首席技術官埃隆·馬斯克說，這個前所未有的衛星通信網絡將“使寬帶網絡的速度達到目前全球平均水平的180倍”。

達到5G標準

1Gbps的上網速率，足以讓用戶在1秒鐘下載32首歌曲，或者1分鐘內下載1部高清電影。即使對于有線寬帶網絡來說，這也算得上是高速了。目前，這樣的高速有線寬帶網絡只在很少的幾個小城市中有實驗性的應用，還遠遠沒有大規模商業化應用；而在無線寬帶中，這是下一代通信標準（5G）才能達到的目標。

現在，埃隆·馬斯克想要通過衛星通信技術來達到這個目標。

衛星通信技術已經有58年的歷史了。美國在1960年8月發射的“回聲1號”（Echo 1）是世界上第一顆通信衛星。它基本上是個直徑30米的大氣球，表面涂了一層薄膜金屬材質來增強反射性能。就是這個看似簡陋的衛星，讓人類第一次通過衛星直播了語音通訊，讓人們第一次通過衛星打通了跨洲電話。它的原理很簡單：從地球上的某個點把數據發送到太空中，然后用光亮的表面再把這些數據送回地球上的另一點。

這是所有通信衛星的基礎原理。不過，后來的通信衛星要更復雜得多。“回聲1號”還只是直接反射通信信號而已，而兩年后發射的“電星1號”（Telstar 1）就已經可以完成完整的信號增強和中繼工作，可以把美國的電視節目送到大西洋對岸的法國。

早期的通信衛星主要用于電視、電話和廣播，直到1990年代才開始用在互聯網信息傳輸上。用于上網的通信衛星技術和衛星電話相似——用衛星天線把信號發送給衛星，同時接受來自衛星的信號，再經過調制解調后傳輸到電腦上。

中國在2000年開通了衛星上網業務，名叫“高速163”。這是一種單向衛星通信技術：用戶可以用衛星天線下載數據到自己的電腦上，但是在向互聯網發送數據時，還需要通過傳統網絡服務商的線路才行。這種上網方式，下載速度可以達到400kbps，在當時已經是了不起的高速了——比當時常見的調制解調器快了近十倍。

單向衛星通信技術很快就升級成了雙向技術，更多商業性衛星網絡公司也蓬勃發展起來。2005年，歐洲的空中客車公司開始嘗試在飛機上提供無線上網服務，讓衛星上網擴展到了新的領域——對于在平流層高速飛翔的飛機來說，通過衛星上網是唯一的選擇。

更多的需求對衛星上網的技術提出了更高的要求。能夠提供更快的上網速度、能夠讓更多人同時上網的通信衛星紛紛上天。2017年4月12日，中國首顆高通量通信衛星“實踐13號”成功發射，最高通信總容量達到20Gbps，超過了我國之前所有通信衛星容量的總和。在正式運行時改名為“中星16號”的這顆通信衛星，將會覆蓋我國大部分地區和海域，會在幾年之內讓我國的飛機、高鐵和輪船都擁有高速無線上網能力。

SpaceX 的12000顆衛星

“實踐13號”是一顆高軌道衛星，運行在離地面36000公里的地球同步軌道上。在這個高度，衛星信號能夠覆蓋地球表面大概三分之一的面積，而且所處的位置相對于地球是靜止的。

雖然位置穩定而且覆蓋范圍大，但是同步軌道通信衛星也有些不足。它的信號傳輸路徑長，信號損失會更大，通訊延時也更大。從1990年代起，一些企業開始嘗試開發和使用低軌道通信衛星。

低軌道一般是指距地面2000公里以內的人造衛星軌道。雖然低軌道衛星能避免同步軌道衛星的不足，但是在這個距離上，一顆衛星只需要幾十分鐘就能繞地球一圈，而且信號能夠覆蓋的面積也要小得多。顯然，像同步軌道那樣指望靠3顆衛星就覆蓋全球大部分區域是不可行的。

解決辦法就是發射更多的衛星，讓每個區域每個時刻都能有衛星覆蓋。SpaceX的星鏈計劃就是這種思路下的產物。埃隆·馬斯克聲稱，要在2024年之前發射4425顆低軌道通信衛星，來構建覆蓋全球的高速無線寬帶互聯網。而在這之后，還向更低高度軌道再發射7500顆衛星，來進一步提升這個系統的性能。

這是個野心勃勃的計劃。現在，地球上空漂浮著四千多顆衛星，其中依然還在正常使用的大約有一千七百多顆。這是在過去60年中人類慢慢攢出來的，而馬斯克計劃在，6年內就發射同樣數量的衛星。

被媒體稱為“硅谷鋼鐵俠”的埃隆·馬斯克，對這個計劃信心滿滿。他認為，衛星同樣是可以批量化生產的，而批量化就意味著成本的降低。而且，他的SpaceX已經掌握了火箭回收技術，可以大幅降低發射成本。大批量、低成本，這是工業化的思路，而傳統的航天科技是更類似于手工制造的高成本產業。

目前，在天上游蕩的“丁丁A”和“丁丁B”是驗證性的實驗衛星，和預計發射的其他衛星體積重量相同。單顆衛星的重量大約386公斤，是一個長4米、寬1.8米、高1.2米的長方體，還帶著兩塊12平方米的太陽能電池板。每一顆衛星都像我國的“實踐13號”那樣，能提供 20Gbps的通信總容量。

使用SpaceX的可回收運載火箭，每次發射都可以搭載多顆衛星。在馬斯克的計劃中，這四千多顆衛星分成兩個階段發送：第一階段，先向1150公里高度的軌道上發射1600顆衛星，分布在32個軌道，每個軌道上都有50顆衛星。第二階段，將剩下的2825顆衛星安置在從1110公里到1325公里高度的4個軌道高度上，每個軌道高度上有數量不同的軌道，每個軌道上部署的衛星數量從50顆到75顆不等。

當所有的4425顆衛星發射完成后，將在地球上空構成5個不同高度的衛星網絡，彼此之間通過激光通信，讓所有人可以在所有地點使用高速無線網絡。但是，不需要全部衛星發射完成，這套衛星星座系統就能開始提供服務。只要先發射800顆衛星，就能覆蓋南緯和北緯15度到60度的范圍——這也是地球上大多數人類生活的區域。

當然，和其他衛星上網系統一樣，想要使用這套衛星系統上網的用戶，都需要安裝特定的衛星上網天線。據說這些天線結構簡單，可以很容易地安裝在窗戶或者墻面上。

另一個銥星計劃？

聽起來，星鏈計劃是又一個革命性的全球基礎設施。許多人為這個項目歡欣鼓舞，當然也有大量的質疑。最常見的一種，是星鏈與銥星系統的對比。

銥星系統的慘烈失敗，是上世紀末最令人關注的科技事件之一。摩托羅拉公司從1987年開始構思的這套系統，是希望通過77顆低軌道通信衛星，為全球所有地點提供衛星移動通信服務。因為“銥”的原子系數是77，所以這個項目就叫做“銥星”。雖然最終方案使用了66顆衛星而非之前設計的77顆，但是這個項目名稱依然沒有變化。

銥星系統是衛星通信領域的里程碑。1996年，第一顆銥星衛星上天，運行在780公里的低軌道上。到了1998年，所有66顆衛星發射完畢，開始組網運行。但是，當時的 GSM系統已經成熟，地面基站已經覆蓋了大部分移動通信用戶。

相比于高價的衛星通訊，大多數人的需求可以通過廉價的GSM 來滿足。到了2000年，銥星系統的投資超過30億美元，但衛星電話卻只賣出了5.5萬部，摩托羅拉公司不得不以極低的價格將整個銥星系統賣給了美國軍方。銥星系統在2001年復活，開始正視互聯網時代的機會。從2015年開始，第二代銥星系統的第一批衛星制造完成，同樣通過SpaceX公司的火箭發射。

同樣是通信領域、全球覆蓋、理想主義色彩濃重的龐大計劃，星鏈計劃被拿出來和銥星系統相比，也是情有可原。只不過時過境遷，這種比較未必談得上公平。在銥星系統的時代，很少有人能夠預想到互聯網的快速崛起，銥星系統的衛星是為了語音通信而設計的，沒有考慮數據通訊功能。而星鏈計劃一開始就瞄準了高速無線網絡，提出了即使是今天也難以達到的高速率寬帶。

單顆衛星的承載能力有限，因此銥星系統只能采用更高的定價來篩選用戶，只為少數用戶提供服務。但是，用戶數量太少又意味著資金回籠太慢，運營成本抵不過收益。而且，對于銥星系統來說，衛星制造和發射都意味著高昂的成本。

星鏈計劃則有些不同：大量的衛星意味著可以為大量客戶服務，獲得更高收入；同時，制造成本也會因為衛星數量的增加而下降。SpaceX在火箭回收技術上的發展則可以降低發射成本——埃隆·馬斯克估計，單顆衛星的制造和發射成本將會降到略超過100萬美元的程度，而整個星鏈計劃的成本大約會超過100億美元。

目前星鏈計劃面臨的主要問題，倒應該是通信性能的不足。要是正式發射的衛星與兩顆“丁丁”衛星通量相同，則每顆衛星只能為數百名用戶提供服務。雖說幾年內技術發展可能會讓單顆衛星的通量更大，但是提升也是有限的。在人口密集區域，這些衛星能夠提供的上網帶寬和同時承載的用戶數量，應該難以滿足用戶的需求。

SpaceX的一份內部文件顯示，該公司希望星鏈計劃能在2025年時擁有4000萬以上用戶，同時收入達到300億美元左右。如果要達到這個目標，現有的通量是遠遠不足的。也許 SpaceX已經開發出了更好的技術？畢竟在這家公司提供給美國聯邦通信委員會（FCC）的申請文件中，并沒有暴露多少技術細節，有些關鍵項目還干脆直接保密。