一网的低轨互联网规划

文/ 迟惑

2020 年的3 月20 日，就在刚刚成功发射了第二批卫星之后的一个礼拜，世人瞩目的英国低轨道全球宽带通讯卫星运营商一网公司向美国特拉华州破产法院提交了申请，希望能够按照美国破产法第11 条申请破产保护。这是一个相当令人意外的消息，就在新冠肺炎疫情爆发之前，一网星座还被人们当作商业航天的明日之星，是拯救整个卫星通信行业的标志性工程之一。在疫情刚爆发时，一网星座的建造实验与发射没有受到什么影响，然而仅仅过了不到一个月，这个具有强大品牌效应的星座居然就申请破产保护了。这其中，究竟发生了什么令人始料不及的变化呢？让我们还是从一网公司的低轨互联网规划说起。

卫星到底多少钱一颗？

虽然说一网公司破产的直接原因是新冠肺炎疫情的影响，但实际上业内研究人士很早就发现，一网星座要出问题。早在2019 年的4 月，就有媒体采用了这样的新闻标题：《一网星座如何才能够让它的第一批卫星不是最后一批卫星》。这篇报道所涉及到的内容相当多，但是核心问题之一，就是一网卫星本身的建造成本远远超过了预期。

在几年之前格里格·维勒刚刚启动星座建设的时候，一度提出一网星座的每颗卫星报价只要40 万美元。这个数字让当时的国际卫星通信界相当震惊，要知道40 万美元折合不到300 万元人民币，也就是一辆豪华轿车的价钱。如果用这么一点钱就可以造出一颗宽带卫星来，那实在是工程史上的一大突破。事实证明航天技术的突破没有这么容易，到2015 年，一网公司把卫星单价上调到了50 万美元。根据这样的计算，整个星座制造和发射成本可以控制在35 亿美元。一位分析家说，业界对于50 万美元这个单价一直是广泛质疑的。既然一网公司公开承认卫星单价有大幅度的上涨，就会严重损害自己在投资者那里的信誉。

很快，一网卫星的单价又上涨到了60 万美元。但业内分析人士表示，根据研究，如果佛罗里达工厂能够顺利运行，一网的单星成本可以控制在70多万美元。

▲ 一网星座在佛罗里达的工厂

可是到了2018 年，一网公司就开始对于星座造价到底是多少含糊其辞了。卫星单价远远超过了最初的预期。当时担任一网公司CEO 的布朗格在接受记者采访时表示，“我们不打算讨论系统的总造价。”至于单星造价，布朗格表示“不会超过100 万美元”。

很快，一网星座到底造价多少这个问题就和布朗格无关了。他在几天后离职，把CEO 的宝座让给了一位叫做阿德里安·斯泰克尔的人。有意思的是，斯泰克尔此前供职于一家叫做“拥护”的数字财富公司。根据“拥护”公司的测算，一网星座至少要花掉60 亿美元才能建成。一网公司则表示，这个数字是不精确的。

显然，决定卫星成本的是位于佛罗里达的卫星工厂。应该说，这是一家现代化程度极高的工厂，在航天史上前无来者。

佛罗里达工厂什么样

2019 年7 月12 日，经过3 年零2 个月的建设，一网公司位于美国佛罗里达州的卫星工厂正式投产。在选址的时候，维勒得到了佛罗里达州政府的积极支持，州长瑞克·斯科特还和维勒一起，参加了开工仪式。这座卫星工厂的选址也很有意思，就在肯尼迪航天中心的大门外。这也是美国从国会到州政府打造所谓佛罗里达州航天海岸经济带的一项努力成果。这座卫星工厂占地近1万平方米，投资8500 万美元，蓝色起源公司的火箭工厂就在旁边。

按照一网星座发射项目负责人乔·佩雷格里诺的说法，传统上，复杂的卫星都是先设计出来，然后再和制造部门讨论如何实现。但是一网卫星采取了不同的办法，从一开始就考虑到了制造问题，卫星的设备之间要容易组装、容易检查和维修。

▲ 2020 年1 月31 日发射的34 颗一网卫星

▲ 展会上的固定式一网终端

▲ 佛罗里达的一网卫星工厂极为先进

而一网卫星制造厂本身的设计也是按照这种战略进行的。厂内有两条并行的生产线，每条线都由一些“工作单元”组成，其中有些单元负责推进分系统，有的负责电子设备，还有的负责通信有效载荷分系统。所有工作单元的外围地面上都贴着黄色胶带作为边界。不过有些工作单元是在两条生产线之间共享的，比如太阳电池工作单元。生产线的起点在工厂的入口处，各种零部件都分类堆放在这里，然后被分组打包送到不同的工作单元那里。在推进分系统工作单元里，技师们把霍尔效应电推力器和燃料储罐用螺钉安装到卫星设备板上，然后用氦气给储罐加压来检测它是不是漏气。当然在发射前，储罐里要充入氙气。

在电子设备工作单元里，技师们要把太阳敏感器、星敏感器和计算机安装到一块背板上。在太阳电池工作单元，技师们负责一对一对地组装太阳电池，然后进行测试。有效载荷工作单元的内容比较复杂一些，需要进行大量线缆和方管的连接工作。用于和用户终端通信的Ku 频段天线、用于和系统地面站通信的Ka 频段天线要分开组装。

每个分系统完成之后，就会有一个盒子形状的机器人跑过来，把成品运输到工厂的另外一端进行总装。这种奇怪的机器人被叫做“自动引导车”。在工作单元的黄色边界线之外，还用红色胶带贴着路线指示线，“自动引导车”就靠着自己的相机和导航软件，沿着红色胶带行进。

总装线是所有的分系统组合在一起的场所，但有效载荷例外。总装完成后的卫星平台要经过一系列测试，包括振动测试等。

▲ 佛罗里达工厂实现了批产化

▲ 一网卫星天线使用太阳能电池

按照一网公司CEO 托尼·津吉斯的说法，传统上，卫星制造是以总装为核心的，技师们要在超净间里把各种分系统和设备向一个固定的工作位置集中。一网工厂却改变了模式，让分系统流动起来。当卫星总装完成，要用缓冲轨道车送去打包，装进一种6 米长的集装箱里。两个集装箱凑成一车，用平板卡车运出厂房，前往机场。

对空客集团来说，与一网公司合作开设卫星工厂，不仅仅是赚钱的问题。空客航天防务集团负责宇航系统的副总裁尼古拉斯·查慕斯说：“空客集团可以做到每天交付三架飞机。人们也在考虑这样大规模地生产卫星，但一直没有机会。要想制造一网这样大规模的星座，必须一再强调的就是不能犯错误。”为此，空客在卫星设计上采取了重大技术革新方式，传统卫星上有三套计算机系统，一网卫星上则只有一套。空客设计了一种新的计算机系统，分包给了一家具有批产能力的企业。

▲ 维勒亲自在展会上宣传一网终端

▲ 维勒展示一网天线内部

▲ 一网卫星的成本没有控制住

不过一网卫星最困难的部分不是硬件，而是软件，其开发周期是所有分系统当中最长的一个。

开工之初，卫星工厂只有80 名员工，维勒打算雇佣250 人。另外，由这家工厂带动的产业链还能为佛罗里达州带来3000 个工作机会。然而这一切在2020 年的春天戛然而止，能不能继续运行下去，还要看一网公司和债权人的谈判情况。

独具匠心的终端

任何卫星系统要想发挥作用，都离不开卫星终端，这才是一网打算用来赚钱的核心设备。

根据一网星座的系统要求，所采用的终端天线必须能够同时自动跟踪多颗卫星。对卫星终端来说，低轨道星座和静止轨道卫星最大的区别之一，就是一个动一个不动。

低轨道卫星和地面之间的相对速度基本上就是第一宇宙速度。终端要用波束来“抓住”这些高速运动的卫星，如果某一颗卫星马上就要飞出视野，需要瞬间切换到另一颗卫星上。如果用机械式扫描天线来实现这样的功能，我们就会看到天线像跳舞一样不停地摇摆。

这样的终端，无论价格、体积还是使用要求，都不是普通消费者能承受的。所以，一网公司的终端采用了近年来流行的电子扫描相控阵模式，用很多个收发单元在一个平面上按照一定的规则排成阵列。然后在计算机的控制下通过对不同收发单元的功率控制，来合成灵活指向的波束。这样就不需要天线本身摇来摇去了。如果能把收发单元做得足够小、排列得足够紧凑，就能设计出很小的天线，再装上调制解调器和电源就成了卫星终端，不但能随身携带，装在口袋里到处跑也是有希望的。

冷饮店+WiFi

▲ 维勒和可口可乐共同发明了冷饮店+WiFi 的模式

▲ 一网星座的首发火箭整流罩

一网卫星并不会直接连接到用户的手机或者电脑上。它的理念，是在地面上设置很多个小型卫星终端，这些终端本身具有WiFi 功能。手机和其他个人终端用户要来到这些终端附近，连上WiFi，才能和一网星座联通，访问互联网。

也正是因为这样，一网星座找到了可口可乐公司合作，在可口可乐的加盟冷饮店屋顶上装一个一网终端。这样，手机用户们就会聚集到冷饮店旁边，一边喝汽水一边刷朋友圈。刷到情深处还可以再来一瓶，是个双赢的局面。

▲一网终端曾经获得国际设计大奖

▲ 一网终端配套的太阳能电池可以折叠起来运输

▲ 采用两片相控阵天线的一网航空终端

然而冷饮店不是电信运营商，没有多少本钱，也不具备使用复杂设备的技能。因此一网打算设计一种价格在1000～1500 美元的终端，一切操作都是自动化的，冷饮店老板只要把它放在屋顶上接通电源就行了。当然，如果咖啡店、快餐店打算加盟，一网也会来者不拒。相对来说，民航客机用的一网终端就要贵一些，售价大概要达到15 万美元。

15 美元的个人天线

我们在前文中已经讨论了一网星座的终端模式，但维勒并没有就此止步，他还想开发一种个人终端，让消费者能直接和卫星连通。2019 年年初，维勒拿出1000 万美元，投给了一个叫瓦发的小公司。这家企业的发展方向，是开发一种非常便宜、非常小的天线，只要15 美元一副。围绕它来开发一种卫星终端，售价只要200～300美元。

当时，这家企业已经开展了两三年的研究。维勒预计，再通过一两年的研究，总计经过500 次设计迭代之后，天线成品可以在2020 年投放市场。维勒表示，天线是终端里最重要、最困难的组成部分。整个天线只有八分之一英寸厚（折合3 毫米多一点），非常轻、非常薄、功耗非常低，性价比极高，可以大量生产。

长期以来，卫星通信行业在终端天线的技术发展上进展不大。虽然相控阵天线的理论已经很成熟了，但是因为收发单元的器件价格太高，所以一直没能推广使用。几年前，一家叫做凯米塔的美国企业推出了车载超薄相控阵卫星天线，但是因为价格太贵，推广工作一直不顺利。维勒如果能做到15 美元一副天线，真的可以颠覆卫星通信行业的现状。