柯伊伯星座：夹缝中生存还是新的第三极？

文/褚淮

▲ 在美国，很多地方并没有接入地基网络的持续能力

▲ “柯伊伯”的第二轨道面卫星示意图

低地球轨道卫星星座概念最初是在上世纪80年代中期提出的，是美国总统里根“星球大战”计划的一部分。在苏联解体后，这些技术的民用化使得90年代出现了计划使用大约100颗卫星（如“铱星”和“全球星”）的商业星座计划。

上世纪90年代“铱星”计划提出的初衷，就是为在边远的、并未接入移动通信蜂窝网络的地区提供电话服务。如果将通信基站搬到太空，然后利用卫星转发信号，就可以获得全球覆盖的通信服务网络。这在某种程度上和当前推进中的低轨道大型卫星星座构架相同。

纯通信的低轨道星座从来就不是为了和地面基站竞争，而是补盲——在光纤拉不到的地方、深山中的居民、海洋中的货轮、荒野中的探险队、南极的科考队、雨林的开拓者等，无法获得手机基站和地面宽带通信，而低地球轨道星座可以为他们提供服务。预期这个市场的规模在3亿人。

2014年初，太空探索技术公司创始人马斯克和一网创始人格雷格·维勒准备合作规划一个由大约700颗卫星组成的星座，称为WorldVu（“一网”前身），其规模将是当时最大的铱星星座的10倍以上。然而，合作在2014年6月破裂，随后太空探索技术公司自主投入研发星链大型低轨道互联网星座项目，而WorldVu演化为一网项目。从此，两个大型星座的竞争拉开帷幕。“柯伊伯”在稍晚后加入了竞争，但它需要面对的对手绝非泛泛之辈。在讨论“柯伊伯”的可行性之前，需要先对这两个强劲的对手，进行一些了解。

▲ “星链”已经为全球提供服务

▲ “星链”的地面网关站

马斯克的“星链”王国

目前，美国联邦通信委员会批准的太空探索技术公司“星链”，包括一期星座和二期星座。目前使用猎鹰9火箭部署的一期星座包括4种轨道：在53°/550千米轨道部署1584颗；53.2°/540千米轨道部署1584颗；70°/570千米轨道部署720颗；而运行于97.6°/极轨道上的卫星为520颗。截至2022年4月底，已经发射了2091颗“星链”，为32个国家和地区提供服务。一期星座将在2024年3月组网50%的卫星，并在2027年完成全部组网。

在此之外，太空探索技术公司也在谋求建设二代“星链”。目前配置激光星间链路的星链V1.5卫星质量约为295千克，单星转发容量为20G。而二代“星链”重达850～950千克，单星转发容量为80G。这些沉重的卫星将分三组部署在更低的轨道上——2493颗卫星运行在42°/335.9千米轨道，2478颗卫星运行在48°/340.8千米轨道，另外2547颗卫星运行在53°/345.6千米轨道。猎鹰9火箭将无法大量部署二代星链卫星，将使用星船超重火箭部署。这些卫星总计数量为11922颗。马斯克还称要再额外发射3万颗星链卫星，但尚未得到美国联邦通信委员会批准。

“星链”项目具备难以想象的廉价优势。当前一颗星链卫星的预期价格仅为5万美元，而一发猎鹰9火箭复用发射边际成本仅为1500万～2000万美元——提供16吨的复用运力和约53颗v1.5版卫星的发射。更庞大的全复用运载火箭星船尚未定型，但估计其可至少投送150颗v2版“星链”至预定轨道。

低地球轨道星座需要强大的投送能力和快速发射的运载器。当前，一枚“猎鹰9”芯级的周转周期已经压缩至21天——从火箭落在“缺乏庄重”号或者其他回收船上，到重新从卡纳拉维拉尔角太空军基地发射升空。如此快速的周转使得太空探索技术公司足以在一个月内从其3座发射台上发射总计6次——假设产能足够，一个月可部署300颗卫星。二期星座使用的星船超重火箭按照马斯克说法，将具备更快的周转和更少的检修时间。虽然目前面对美国联邦通信委员会卡脖子和BN-7损坏的故障而暂时无法进行轨道试飞，但轨道级试飞也已箭在弦上，只等待BN-7修复和BN-8堆叠完成。

在减少轨道碎片方面，卫星会在失效后降轨，排空推进剂和钝化以加速离轨，对于失效的星链卫星，其运行的300～570千米低轨道空气阻力较大，而卫星帆板又十分巨大，因此受到的空气阻力足以使其在失效后3～5年实现自主离轨，完全满足美国宇航局提出的25年留轨指标。

铱星项目在组网后15个月快速破产的原因，在于其向用户提供的服务过于昂贵而又能够被迅速发展的蜂窝通信网络所替代，因此低轨道通信星座必须提供高性能的服务和合理的价格，才能具备与中地球轨道星座或静止轨道星座的竞争力，而其优势则在于远低于中高轨道通信系统的通信延迟。对于“星链”，其向用户提供延迟低至20米/秒的服务，通信速率100～200Mbps。一套标准“星链”套件包括星链天线、wifi路由器、电缆和底座。星链终端需要一片较为宽广的天区才能连接上卫星，如想要专门架在屋顶上的支架要加钱。据电子邮件显示，“星链”卫星互联网服务最初的定价为99美元/月，同时用户需要支付499美元购买“星链”设备。“星链”于2022年3月22日表示，对已支付定金的客户提供的用户套件价格将从499美元提高到549美元，而新客户将支付599美元。

2022年2月，太空探索技术公司发布了名为“星链商务”的更高性能服务套餐，将提供更大的高性能天线，通信的速率在150～500Mbps之间，天线成本为2500美元，每月服务费为500美元。这项高级服务将于2022年第二季度开始。

▲ “星链”可以使得人们在服务范围内任何地方接上互联网

“星链”为传统互联网服务提供商历来无法提供服务的地区提供基本的在线服务和资源。借助“星链”，全球农村社区和学生现在可以进行虚拟就诊和远程学习，极大地方便了像美国中部地广人稀地区的上网服务。同时“星链”的军用潜力也已显现，在F-35A搭载S“星链”通信终端进行实验时，基于该平台的红外预警卫星也作为“传感层计划”的一部分等待实施。“星链”提供的战区通信和网络恢复能力也在俄乌冲突中体现，并且成功应对了俄罗斯方面的电子战干扰。其强大的数据流量、抗干扰能力和应急反应速度，是其军用的巨大优势。

维勒的一网星座

一网卫星质量约为150千克，一期星座设648颗卫星，将在12个轨道倾角为86.4°的近极轨道平面上运行，轨道高度为1200千米。最初星座计划了18个轨道平面，每个平面49颗卫星，需要882颗卫星和一些备份星，但改进的卫星提高了覆盖能力，使其减少了卫星数量的需求。

2017年，一网公司宣布第一期648颗卫星的大部分容量已被出售，并且规划建设第二期星座。一网星座二期曾计划设置47844颗卫星，包括在40°倾角和55°倾角各设36个轨道面，部署两个23040颗卫星的网络，在87.9°轨道再部署36个轨道面总计1764颗。但在2021年1月12日，“一网”请求将两个低倾角星座的卫星数削减90%，星座方案变更为均运行于1200千米轨道的6372颗星。

一网卫星使用已经发射过近两千次的俄罗斯联盟号运载火箭部署。一网公司在2015年6月向阿里安航天公司签订了21发联盟号运载火箭的合同，包括联盟2.1b-弗雷盖特M运载火箭和联盟ST-B 弗雷盖特-MT运载火箭。这些火箭将在大西洋畔的库鲁航天中心、哈萨克斯坦的拜科努尔发射场、以及俄罗斯的东方发射场发射。“联盟号”在库鲁和拜科努尔发射时设34颗卫星，而在“东方”发射时设36颗。廉价量大的联盟号运载火箭在某种程度上构成了和猎鹰9火箭接近的投送效率——虽然还赶不上前者的一半运载能力，但对于648颗卫星的小星座，也足够了。

▲“一网”的网关站

但由于俄乌冲突影响，俄罗斯航天国家集团拒绝使用最后几发联盟号运载火箭发射在美国生产的一网卫星。目前“一网”计划向太空探索技术公司购买3发猎鹰9火箭，并且计划在2022年底开始使用印度的极地卫星运载火箭和静地卫星运载火箭 3发射。尚不清楚“一网”二期星座将具体使用哪些火箭发射。

▲ “一网”的微小终端

一网卫星的设计将符合美国宇航局提出的25年离轨标准。但由于其运作的轨道极高，1200千米轨道纯依赖大气阻力降轨将消耗上千年，几乎完全不可能只依赖大气阻力完成降轨，因此一网卫星也设置了失联时自动使用电推离轨的程序。对于在轨故障无法降轨或者直接失效的卫星，一网公司给出的应对策略为每颗卫星携带激光雷达靶标和Altius DogTag磁力抓取装置，若卫星失控，则可由第三方航天器对接并离轨。多方努力下一网卫星因为失效而成为空间碎片的理论概率被降到了小于0.01。

▲ “一网”卫星运行在更高倾角的轨道上提供全球服务

▲ 几种不同的星网覆盖范围

第一代一网卫星没有星间链路，因此只有在网关地面站范围内才会提供用户服务。这些卫星将在Ku波段提供用户服务，卫星略微转动以避免干扰地球静止轨道上的Ku波段卫星。地面上的用户终端天线将是一个相控阵天线，尺寸约为36厘米 ×16厘米，并将提供50Mbps的互联网下行链路带宽。几乎可以肯定上行链路的数据流速较少，但具体的数字尚不清楚。

“一网”的模拟动画中也出现了两种终端，一种为通过定制可以像公文包一样小且紧凑的终端，类似无线路由器；另一种为全向天线，可根据卫星具体位置计算天线俯仰角与滚转角，可以获得更好的信号强度。“一网”提供的网络比较适合个人与公共机构使用，其推出的接收装置也是小型的，类似本地的互联网枢纽，将通过wifi或蜂窝信号与附近的设备进行连接，2016年时售价约为250美元。

“柯伊伯”：盲目蛮干还是背水一战？

“柯伊伯”宣称自己的卫星将比太空探索技术公司的星链卫星更为廉价。而在用户服务方面，目前尚不清楚“柯伊伯”具体服务的报价。“亚马逊”暗示卫星会比太空探索技术公司的“星链”要廉价，但并无证据支持；数据流速方面宣称可达到400Mbps，宣称和“星链”的豪华服务持平。目前看来，“柯伊伯”完成建设时，“星链”一期星座已经进行4年运营，可用市场已经被收割得差不多了。但“柯伊伯”可以和“亚马逊”当前已超过2亿的庞大用户进行捆绑销售服务，以获得一定的收益。

2022年4月21日，美国宇航局向6家卫星企业——包括太空探索技术公司的星链卫星网络和“亚马逊”的柯伊伯星座——提供了总计2.785亿美元的资金，用于在地球轨道上展示下一代空间通信服务，以寻求替代运行于高轨道的数据中继与通信卫星系统。

其中“亚马逊”的柯伊伯项目已获得6700万美元的资金。“柯伊伯”提出的方法展示了一个激光中继网络，用于为航天器提供高速率和低速率卫星通信服务。

前景似乎十分美好，但“柯伊伯”当前大量签订未首飞的运载火箭以进行组网，研发成果也寥寥无几，还是难以让人乐观的。

当前随着俄乌冲突影响，“一网”遭受重大打击，其一期剩余星座甚至将依靠“猎鹰9”来补全，而和印度的合约也是迫不得已，将在2022年第四季度开始使用印度火箭发射。“一网”的不甚顺利是否会对“柯伊伯”的推进起到正向作用？而如此背水一战地选择如此多的新火箭来执行发射任务，无疑是风险极大的行为，但也是无可奈何的。因为除了“猎鹰9”，目前美国没有第二款成熟、廉价、投送能力大、兼备高产量的运载火箭以执行大规模低轨道星座的建设。这也给予新的卫星网一个启示——高可靠性高性价比的运载器将作为低轨道星网组网的关键要素之一，在星座“快人一步”的建设中发挥不可替代的作用。