本質、技術與競爭:漫談Starlink星座

+ 張晟宇（中科院微小衛星創新研究院）

馬斯克的過人之處在于他不但精通技術和商業，同時對于時代潮流的把握和在公眾營銷方面的創意，都可以作為教科書式的典范。在完成了把自己開過的跑車送入太空的炫酷表演之后，緊接著又搶先在空間網絡方面實現快速反應——2017年2月，SpaceX將其天基互聯網星座技術驗證星Microsat-2a/2b作為搭載載荷送入太空（喜歡給一切物品起名字的馬斯克私下稱它們為TintinA/B，“Tintin”是比利時動畫《丁丁歷險記》主角的名字）。且不論這兩顆衛星是否能實現其驗證目的，至少在吸引公眾注意、以驗證為理由實現在軌頻率使用事實及其背后占頻的目的等方面，應該是成功的。

“改變世界”是美麗的外衣，真實的內在是殘酷的“卡位”

憑借“私企發射當下全球最大運力火箭”的輿論余溫，馬斯克再次成功地在全世界范圍內強化了其“顛覆者”、“科技狂人”的形象，在世人眼中，他創造著一個又一個創舉，一座又一座里程碑。鮮有人去幫他算算可回收火箭到底能省多少錢，發射跑車的火箭是否還可以搭載一些更有價值的載荷……甚至輿論上形成了這樣一種趨勢：一切對馬斯克的質疑在公眾看來都是或泛著酸味、或附帶政治立場的。

馬斯克和川普一樣是用推特操控局勢的高手，其調動情懷的能力驚人。數量巨大的工程師群體為一個極其普通的短語“Hello World”而瘋狂，只因為馬斯克在推特上“布道”稱，Tintin雙星會向地球發射“hello world”這條信息。

作為工程師，我們有義務告訴那些為“SpaceX建立全球WiFi”唱贊歌的朋友們，當Tintin衛星從你頭上飛過的時候，你不可能用任何2.4GHz或者5.7GHz的設備收到這句情懷滿滿的問候，不管手機還是筆記本電腦均屬此類，接收這條“hello world”需要專門的接收設備。無論如何，這次的宣傳無比成功和深入人心。

可以說，無論是打造OneWeb的格里格·維勒還是馬斯克，目前所做的，本質上來說都是在卡位“空間網絡的第二次浪潮”這個時代機遇。

這個機遇并不難理解——隨著移動互聯網的發展，許多原本甚至連計算機都沒接觸過的人們，都被卷入了互聯網的浪潮之中，并隨之衍生出巨大的商業價值。如今國內的互聯網巨頭和獨角獸企業的誕生都得益于這一時代潮流。馬斯克和維勒以及很多同樣致力于空間網絡發展的人，正是瞄準了那些通過地面基站方案接入互聯網并不劃算的地區和人群，來搶占這個巨大市場的基礎設施建設工作。只要“卡位”成功，就能夠捆綁更多的未來機會，如同微軟之于操作系統，蘋果之于智能手機。

星座特點，及競爭者分析

本文將對Starlink星座的主要體系理念、及與競爭者的比較等，做簡要的分析。

1、低軌通信星座的共性

首先，Starlink作為一個NGSO（即Non-Geostationary Satellite Orbit，非地球靜止軌道 ）系統，先天具備低時延、動態性和龐大系統的特點。

· 低時延。GEO軌道的先天不足就是巨大的時延，哪怕只是最短的36000公里的來回，以光速傳播的電磁波也需要200多毫秒。低軌衛星則可以實現幾十甚至十幾個毫秒的延時，低時延意味著可以適應更多類型應用并產生更大的價值空間。

· 動態性。衛星軌道低，覆蓋區域自然就小，每顆衛星的過頂時間（為某一點提供服務的時間）也將縮短。以Starlink的LEO軌道來計算，在40度的可通信角度范圍內的單星過境時間只有5到6分鐘，實際情況可能更短，而VLEO的過境時間則更短。因此要保證網絡不中斷，用戶終端需要頻繁地切換不同的接入衛星。過多的衛星形成的網絡將產生時延抖動。

· 龐大系統。不難理解，衛星數量多、頻繁切換，自然造成系統的復雜和龐大。但提出近12000顆衛星可以說達到了“喪心病狂”的程度，不過這符合“科技狂人”馬斯克的一貫風格。

2、星座組成

SpaceX向FCC提交的報告中的信息透露，Starlink是由4425顆分布在1100km高度軌道的LEO星座和7518顆分布在340km左右的VLEO（甚低軌）星座構成。具體分布參見表1和表2。

本次Tintin的A/B星作為LEO星座的試驗星，將從400～500km軌道通過衛星自身的推進進入1110 km到 1325 km的軌道。此次主要驗證的內容應該是Ku/Ka頻段的FSS衛星通信固定業務（從向FCC提交的報告中可知其主要業務是FSS）和星間通信。

這正是Starlink和OneWeb的區別之一：Starlink是天星天網，通過星間鏈路直接連接服務和用戶；OneWeb的彎管模式則是天星地網，每顆衛星要同時連接地面站和用戶才能建立服務。這類似于第一次浪潮中的銥星和全球星，只不過銥星組網只需要66顆，全球星只需要48顆。

3、頻率使用

Starlink的LEO星座選擇了Ku/Ka頻段，VLEO星座選擇V頻段，具體詳見表3和表4。關口站和用戶終端都將采用更先進的相控陣天線技術來實現與多顆衛星的通信。該星座兩層軌道設計有門道，較高的4425顆衛星使用Ku/Ka頻段，有利于更好地實現覆蓋；而較低軌道上的7518顆衛星使用V頻段，可以實現信號的增強和更有針對性的服務。

SpaceX的這一策略是非常有講究的，一方面，Ku/Ka頻段的使用是在與傳統業務分蛋糕，并與OneWeb等直接競爭對手“正面決斗”；另一方面，V頻段的使用也是在積極地開拓新的頻率并期望形成壁壘。

表1 LEO 星座（source FCC）

表2 VLEO星座（source FCC）

表3 Ku/Ka頻段

表4 V頻段

SpaceX公布的TintinA/B衛星圖片。衛星重量約386公斤，尺寸為4×1.8×1.2m，大小相當于一輛MiNi Cooper汽車。

OneWeb衛星示意圖，衛星重約150公斤，大小相當于一臺小型冰箱

不過無論哪一方面的難度都不低，不僅存在政策門檻和協調的難度，同時還面臨較大的技術瓶頸。——首發試驗星仍選擇使用Ku/Ka這兩個在衛星通信領域已有廣泛應用的頻段，而沒有V頻段驗證載荷，顯然是有力的證據。

美國聯邦通信委員會（FCC）對于這些有助于滿足美國本土快速增長的通信需求的項目，表現出極大的支持態度——2月，FCC主席潘基特就曾公開呼吁FCC其他委員和同事能夠支持、批準SpaceX提交申請的計劃。然而國際電聯（ITU）未必如此。因此對馬斯克和SpaceX來說，從FCC這里先打開口子，讓衛星上天、用既成事實來鋪路是非常不錯的選擇。這是本次發射試驗星的真正意義所在。

按照1150km的軌道高度計算，Starlink的每一顆衛星大約可覆蓋半徑為1060km的區域，覆蓋面積大約為350萬平方公里。

4、關于衛星本身

直接競爭對手OneWeb的策略是，把衛星設計得盡量簡單，從而降低星座的成本，并采取和傳統制造商聯合創新的策略來進行衛星制造理念的革命。與OneWeb共同建造衛星工廠的空客空天與防務公司公布的衛星高度自動化的總裝測試流程，說明了這一理念在現實中的推進。然而最終的制造成本、在軌使用情況等，還有待驗證。

Starlink衛星披露的細節非常少，但是毫無疑問比OneWeb要復雜得多。SpaceX早期透露的其LEO衛星重約386kg左右，技術難度也比OneWeb高很多。一方面增加了基于激光的星間鏈路（這將直接導致成本的上升），一方面星間使用光通信、關口和用戶使用微波，星上還要進行路由（涉及到光電交換、星上的高速處理等核心技術），難度可見一斑。

遺憾的是，SpaceX至今尚未公開提及如何以低成本的方法實現如此高難度復雜的系統。不知道神奇“鋼鐵俠”馬斯克能否在這方面再次給業界制造驚喜。

5、馬斯克與維勒

馬斯克與維勒曾經準備深度合作，最初維勒注冊WorldVu公司打算做低軌星座時，投資者名單中就有馬斯克。之后，馬斯克退出，而維勒堅守理想并把公司名改為OneWeb。二人的分道揚鑣也許是因為理念上的巨大差異：維勒的OneWeb團結了一群強大的盟友，包括世界上最大的通信衛星運營商和頻率資源擁有者國際通信衛星公司、世界上最強大的汽水公司可口可樂、最領先的衛星通信終端制造商休斯網絡、最強大的移動通信芯片制造商高通公司、最著名的互聯網風投企業軟銀、歐洲最強大的宇航企業空中客車、最不差錢的商業航天創業公司維珍銀河公司……從衛星到終端、從資本到應用一應俱全；而馬斯克顯然比較簡單粗暴，幾乎完全自己干，這樣的差異大概正是他們無法共事的原因。

結語

對比務實而保守的OneWeb星座，Starlink如果能突破本文前述技術門檻，就能打造出一個靈活度更高的天基互聯網系統，獲得更強大的應用能力并構筑更高的技術壁壘。空間網絡二次浪潮中的星座博弈，破局之道無非兩種，一是模式創新，盤活現有技術下的市場再慢慢發展技術迭代；二是技術突破，以跨時代的技術能力打破現有格局。顯然OneWeb和Starlink選擇了不同的道路，都值得業者研究、學習與思考。