“星星组链”，天基互联网迈出实质一步

兰顺正

2019年5月25日晚，馬斯克旗下的太空探索技术公司（SpaceX）的一枚“猎鹰9号”重型火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空。

美东时间5月25日晚10点30分，美国太空探索技术公司（SpaceX）的一枚“猎鹰9号”运载火箭在得克萨斯州卡纳维拉尔角第40发射场点火成功，随后将60颗服务于“星链计划”的卫星推举升空。此次发射意味着SpaceX公司雄心勃勃的“星链计划”迈出了实质性的第一步。

“太空互联网”

SpaceX是由早期投资人埃隆·马斯克在2002年6月建立的一家太空运输公司。经多年发展，该公司用事实证明了自己的实力，开创了多项人类航天史上的“第一”，其中之一就是开发了可部分重复使用的“猎鹰”系列运载火箭，使廉价太空旅行成为可能。马斯克推出“星链计划”同样引人注目。

简单而言，“星链计划”就是试图构建“太空互联网”。SpaceX宣称，“星链计划”属于下一代卫星互联网，能够以可靠的技术和低廉的成本为全球终端用户提供低延迟、高带宽的网络宽带服务，尤其是那些“未被互联网覆盖的人群”。该计划于2015年正式启动。2018年2月，SpaceX用“猎鹰9号”火箭将属于微软公司的两颗原型测试卫星Microsat-2a和 Microsat-2b送上太空。按照SpaceX公司描绘的蓝图，“星链计划”将大致分三步走：首先发射1600颗卫星完成初步的全球覆盖，其中前800颗卫星满足美国及北美洲的天基高速互联网需求。接着用2825颗卫星完成全球组网，这前两步的卫星总数为4425颗。最后用7518颗卫星组成更激进的“低轨星座”。“三步走”完成后，将有11943 颗卫星在轨。如果再加上一些备份星，“星链计划”预计向地球近地轨道发射12000颗“星链”卫星。

其实，天基互联网并非由SpaceX首创，此前已有类似服务出现，不同之处在于，目前的太空互联网服务一般采用地球同步卫星，轨道高度36000公里，优点是卫星可以固定在某个区域上空运行，而且只需要3颗就能覆盖全球大部分区域。缺点在于，36000公里的距离会导致信号往返时间较长，延迟比较明显，无法满足如实时通信等对信号延迟度要求较严格的互联网服务，而且通信距离越远，所需能量就越大，卫星天线的功率也必须比较大，因此，提供有关服务的地球同步卫星一般都是大型卫星，成本很高。为了提高服务质量，使用近地轨道卫星提供互联网服务的方案开始受到重视。使用轨道在距离地球2000公里以内的卫星尤其便于小型化和降低成本，但轨道越低，覆盖整个地球表面所需的卫星数量越多，需要组建卫星互联网，这也是“星链计划”要发射多达12000颗卫星的原因。

除了SpaceX，多家企业和机构也有自己的相关计划，如美国全球卫星电信网络的初创公司OneWeb计划建立一个由720颗卫星组成、轨道高度1200公里高的超大规模星座。加拿大电信卫星公司也提出了建立由117颗低轨卫星组成的卫星星座计划。在我国国内，则有中国航天科技集团公司拟组建的“鸿雁”全球卫星通信星座系统。“鸿雁星座”由300多颗低轨道卫星及全球数据业务处理中心组成，具有数据通信、导航增强等功能，可实现全天候、全时段以及在复杂地形条件下的实时双向通信能力，为用户提供全球无缝覆盖的数据通信和综合信息服务。据悉该星座建成后，智能手机将直接进入卫星应用领域，支持用户从地面网络切换到卫星网络。

插上5G的翅膀

人类通信史发展到现在，5G成为了最显要的热词。5G是“第五代移动通信技术”的简称，也是4G技术的延伸。和已广泛应用的4G技术相比，5G通信技术数据传输速率更高且延时低，平均传输速度可达每秒1Gb，理论峰值速率甚至可达每秒10Gb。同时，5G 通信技术在提高数据传输速率的同时还能大幅降低能耗，使低功率电池续航时间提高10倍以上。此外，5G通信技术支持广域大容量的高速移动终端。据悉5G通信网络能够支持每平方公里600万个设备的接入。5G更是大国博弈的重要领域，美国总统特朗普在白宫发表有关美国5G部署战略的讲话时就称，“5G竞赛是一场美国必须打赢的比赛……这是我们一定会赢的竞赛。”一个时期以来美国打压中兴、华为等科技企业以及对华发动贸易战，都与争夺5G“制高点”有着千丝万缕的联系。

未来SpaceX的“星链计划”如获成功并与5G技术结合，影响将十分巨大。

首先在民用领域，随时随地实现按需的信息互联互通是信息时代的最重要特征和必备条件，尤其在移动互联、远程操控、智能制造高度发达的未来，空中、海上及陆上偏远地区的互联网应用和高速率、低延时通信需求巨大。目前，全球还有一半以上人口无法接入互联网，天基互联网的接入对于远程通信、教育、医疗、防灾减灾等重大民生和社会问题能提供有力的保障，将有助于提高地区城市化水平、改善地区经济落后现状、促进区域共同繁荣，满足落后地区政府和民众的切实需求。有分析认为，未来卫星互联网服务提供商在服务刚刚进入市场时会先以航班、舰船以及北极地区的刚需用户等高端客户为目标，将价格定在较高水平。然后随着时间的推移，再逐步降低价格并扩大市场。SpaceX认为，星链计划最终实施后，每年全球范围内预计将有300亿美元的收益。同时，在未来物联网将是大势所趋，但现有的通信手段还达不到要求，而天基互联网可以保障数据传输的及时性、有效性，让万物互联成为可能，实现对万物的“管、控、营”一体化，如在运送蔬菜、生鲜食品的过程中，可以随时了解货物以及车辆的情况，以实现最优配置和调度。

在军事领域，5G与天基互联网更是“黄金组合”。在信息时代，战争是陆、海、空、太空、网络一体化作战，对信息化作战条件下的通信业务要求越来越高，天基5G则能很好的适应这些要求。具体而言，天基5G高速率、低延时的特性可以高效采集、传输、处理海量战场数据，为指挥员提供实时数据分析结果并快速更新态势信息，帮助后者建立对战场态势的高度感知，获得更全面的视角。同时，天基5G通信技术能使更多的用户利用同一频率资源进行通信，从而在不增加基站密度的情况下大幅提高频率应用效率，有助于实现战场信息终端的互联互通，打破原本各军兵种平台由于体制、装备等方面的限制被困于“信息孤岛”的状态。

天基5G还能让“无人军团”更加成为可能。构建大容量、低延时、高速率的战术通信网络是实现遥控无人作战的前提，但受限于作战环境，基于光纤传输的通信手段是难以触及的，而天基5G能提供战场所需的通信解决方案，满足后方目标识别和指挥通信需求，各类自动化武器系统也可以实现在毫秒级别的控制周期内完成传感器测量、数据传输和智能解算等。在战地医疗中，天基5G网络可以实现医生与机器人手术平台远程连接，为伤员提供远程手术支持。后勤保障部门可以灵活控制无人运输车队，使战场物资配送更加高效。可以说，天基5G将对人类战场的作战样式产生颠覆性的影响。

除了成为军队战斗力的“倍增器”，“星链计划”甚至存在直接参战的潜能。在该计划伊始，就有观点认为其会影响太空环境，因为总数近 1.2万颗的卫星，如果被空间碎片撞击产生新的碎片，并引发连锁反应，后果不堪设想，如何处理已经失效的卫星也是大问题。对此，SpaceX称在卫星选材上会尽量少地采用难熔金属或者阻燃复合材料，这样卫星失效后在进入稠密大气后不久就会完全烧毁（目前能够做到95%以上），最大限度减少再入碎片问题。而且“星链计划”卫星都带有离子电推进发动机，能够实时收到来自地面的太空碎片监控情况，必要的时候能自主进行最优规避轨道的在轨优化计算并实施变轨，以免被太空碎片击中后形成更多碎片引发空间灾难。也有专家指出，“星链计划”采用的这种防撞技术只需稍作修改，就能用来拦截敌方弹道导弹，因为如果卫星能够按照最优轨道规避碎片，同时也就具备了按最优轨道拦截洲际弹道导弹弹头的能力。

2018年，中国知名航天领域专家邢强博士及其研究团队曾使用计算机模拟过“星链计划”拦截核弹头的能力，并将结论公开发表。在用计算机模拟的中弹道对抗演习中，部署完成的“星链”星座完成了对来自某地经过北极上空飞向华盛顿、洛杉矶和西雅图的总计51枚核弹头的在轨拦截。在第二次进一步地饱和打击的对抗演习中，“星鏈”星座对多达350枚的洲际弹道导弹弹头进行了拦截，全部成功。在这一推演中，单星拦截成功率虽略低于标准系列反导系统，但是配合地面陆基中段拦截弹，“星链”系统对于每颗弹头，都有5到7次的拦截机会，使得敌方突防变得极其困难。邢强博士认为，在必要时，“星链”星座相邻的卫星可以实施对撞自毁，产生上百个碎片，封锁整条轨道，甚至通过多星自毁生成太空碎片网，影响某些国家的二次核反击能力。

难度也不小

“星链计划”的作用不可小觑，但要想成功也必须跨过一些难关。

首先是资金。虽然“星链计划”的卫星可以用SpaceX自己的可重复利用的“猎鹰”火箭发射，并采用流水线式的卫星生产模式，降低发射和卫星生产成本，但要发射的卫星总数大得惊人，SpaceX目前的计划是每次发射60颗，每年发射1000到2000颗。据SpaceX估计，“星链计划”初步需要耗资100亿美元，后续需要300亿美元的资金。SpaceX期望“星链计划”组网成功后，公司每年从中获得300亿美元的收益，但有业内人士指出，至少在本世纪中叶前，整个市场需求很难达到每年300亿美元。

其次是技术。理论上天基互联网是可行的，但具体技术依然存在挑战。一方面，用近地轨道卫星代替地球同步卫星需要庞大的数量，低轨卫星相互之间需要经常切换信号和数据，所以卫星对地通信的协议、频率设计等有更高要求，还需要解决卫星与卫星之间通信的问题。另一方面，由于低轨卫星单星覆盖的范围较小，所以提供服务的时间窗口较窄，要求星间服务能够无缝衔接，这其中涉及的诸如链路损耗、卫星功耗、数据分发等技术细节能否在短时间胜任还有待观察。同时根据“星链计划”官方文件，一颗“星链”卫星的典型覆盖面积是353万平方公里，相当于9个多德国，或者220个北京，坊间对此有不少质疑之声，因为即使卫星采用了相控阵技术，真正服务地区比覆盖面积小些，但一颗卫星能提供的带宽在如此巨大的覆盖面积下会被几千万用户分享，那么人均能分到的带宽就会明显不足。现在光北京地区就建设了2万座铁塔，每座铁塔上还有多个基站。用一颗卫星为上百个北京地区提供服务，速率能否得到保障也是个问题。另外，在短时间内发射大量卫星，对于卫星制造技术乃至卫星制造业而言，都将是一个巨大的挑战，可能存在技术不确定性。

第三是太空环境问题。尽管马斯克对于“星链”卫星采用的防撞技术和失效后的钝化技术信誓旦旦，但还是有不少科学家担心如此数量庞大的卫星系统一旦转化为太空碎片后会给今后的太空利用带来灾难性后果。而且在第一批“星链”卫星上天后，就有很多天文学家担忧，越来越多的“星链”卫星会产生大量的反射光信号，进而“污染”星空，影响天文观测。

“星链计划”示意图