关于StarLink,我们需要知道的事…

关于StarLink,我们需要知道的事…

就在刚才,美国太空探索技术公司SpaceX公司11月11日再次成功发射了第二批60颗Starlink卫星,卫星正在准备进入轨道。这是SpaceX公司2019年第二次发射Starlink卫星,该公司5月份曾将60颗Starlink卫星送入轨道。尽管有5颗卫星遭遇了异常,但仍有55颗卫星成功地到达了地球上空550公里的最终轨道,并始终在那里运行。

一)StarLink是什么

StarLink是SpaceX计划推出的一项通过低地轨道卫星网,提供覆盖全球的高速互联网接入服务。在2020年之前在低中高三个轨道上部署接近12000颗卫星(最终42000个),还需要再建设100万个接入型地面站和6个卫星网关站,整个计划预计需要100亿美元的投资。



每颗卫星的使用寿命大约为 5 到 7 年,退役后,推进器为卫星减速促使其脱轨,脱轨后的卫星会坠入大气层烧毁。目前,StarLink卫星能够做到燃烧掉 95% 的重量,随着技术的迭代,未来能够做到 100% 的大气层中销毁,不对地面上的人或建筑造成任何可能的伤害。

StarLink卫星每颗重约 227 公斤,搭载有一个扁平的高通量天线和单个太阳能发电板,卫星展开大概2米宽。单次发射60 颗这种卫星也恰恰能够充分利用“猎鹰 9” 的运载能力。

二)StarLink干什么

Starlink网络在理论上支持400万用户,简明说就是400万个太空“wifi”,提供宽带互联网服务。面向的是商企业用户的“痛点”需求和“不差钱”的富豪(拥有私人飞机、游艇的超级富豪)随时随地高速上网的需求。下面应用场景和用户对象将是典型的Starlink卫星网络所服务的对象:

1.民航飞机及私人飞机。目前世界上有2万架民航客机在飞(未来20年数量还要加倍),保守估计美国有20万架私人飞机,全世界的数量不详。基于上述飞机的客户,他们在飞行中的上网需求一直是无法有效解决与普及的“痛点”。

2.远洋船只。主要包括大型邮轮与大型货轮。目前世界上有300-400艘大型邮轮(载客量超过1000人),大型货轮的数量暂未统计,但量级也是以万计算的。各种远洋船只,近海游轮,私人游艇以及各种商业运行的中小型游轮,在海域,特别是远海航行中的宽带上网需求一直是“痛点”。

3.海岛。在全球范围内,很多小型海岛和私人岛屿购买Starlink卫星网络的开销,比铺设、维护海底光缆的费用要低很多。

4.科考和旅游。诸如南北极科考、珠峰等著名山峰的探险旅游中的宽带网络接入服务。

5.地面公众移动\固定宽带网络难以覆盖的边远地区。

6.紧急情况下的备份上网方案。




那么梳理一下,StarLink立足于解决当前地面互联网所存在的两大主要问题:

1.偏远地区的上网问题

在国外偏远山区的网络覆盖绝对比中国的要差不少,运营商都会考虑建设和维护成本,国外人口密度低,用户量少无法弥补运维的成本。这也是为何美国的4G建设远远落后于中国的主要原因,国外运营商绝大部分都是私人的,他们不会亏本建设网络。全球超半数人口(几十亿人)是无法上网的。

再比如本文前面的StarLink使用场景和服务对象中描述的,在海上航行的轮船、在天上的飞机,以及无人区,这些场景有极强烈的上网需求,目前也有上网的手段,但费用昂贵,而且网速慢,消费体验欠缺。

而StarLink就是为这样的场景而生。将来,StarLink的接入设备量产后的价格可以控制在200美元,设备直径大概20-40厘米,厚度大约2-3厘米。所以能够便捷地部署在汽车、船上或者是飞机上以及家庭中。

2.全球网络延迟问题

现在的光纤网络并非点对点直连,在物理上光纤不是一条直线链接,需要很多节点。海底光缆也不是我们想象的那样沿直线分布,出于海底地形地貌及地质条件考虑,都是蜿蜒曲折、兜圈弯绕的。

光纤在近距离访问的网络时延可以忽略不计,但如果需要访问较远距离的数据与设备,就会造成延时的产生。

StarLink在短距离网络数据传输方面跟光纤相比没任何优势,但全球范围内的长距离传输,它的延迟优势就非常明显,延迟仅仅 25 到 35 毫秒,能用很短的时间将数据传输地球的另一面,相当于点对点直连光缆的延迟。这是由其星座特点决定的。首先,在距地 1150km 的轨道部署 1600 颗卫星(后修改在 550km 部署 1584 颗);然后,在 1110-1325km 部署 2825 颗卫星。这属于 SpaceX 的 LEO 星座部署,选择的是 Ku/Ka 频段。将这部分卫星部署在较高轨道上,可以使信号的覆盖范围更广阔。去年 11 月,SpaceX 计划在更低的 340km 轨道上追加部署 7518 颗基于V频段的卫星可以实现信号的增强和更有针对性的服务。

时延要求对商用领域有多重要?举一个金融领域的例子。

对于金融市场,时延的经济价值最为明显。市场研究机构TABB评估,在金融电子交易中,交易处理时间(包括电脑系统处理及网络传输时间)比竞争对手慢5ms,将损失1%的利润,慢10ms则损失扩大到10%。每1ms的时延将造成4百万美元损失。

低时延,是全球金融行业的共同追求,在中国,也是如此。

再以某证券交易所为例,其最新交易系统每秒进行300000笔交易,交易系统按0.1us为最小单位进行业务排队,即当两个人同时提交了一笔交易申请,同样的价格,提前0.1us到达的交易将会先成交。先人一步,带来的就是利润的差别。与此同时,深港通、沪深500指数等均需要多地交易数据近乎实时(追求零时延)的传递。

以25ms的传输速度计算,相对于同步轨道通信卫星的延迟,省掉了575ms,也就降低亏损23亿美元,1秒(1000ms=1秒)减少损失23000亿美元。

从这个例子,可以看出StarLink所服务的对象更多是商用领域。

自发射以来,SpaceX成功地展示了Starlink卫星网络的一系列功能,包括流式传输高质量视频、玩视频游戏等。马斯克最近声称,他通过Starlink卫星提供的互联网服务发布了推文,这可能标志着SpaceX的自建用户终端(客户将用来连接Starlink网络的地面天线)进行了首次公开测试。

另外,马斯克对StarLink还有其他用途构想,就是基于Starlink实现其登陆火星后进行火星通讯的目标。

三)StarLink怎么干

SpaceX 计划,必须在 2027 年 11 月之前完成StarLink 12000 颗卫星(最终42000个)的组网工作。虽然数量巨大,但并非人们想象中的那么困难,原因是这种卫星跟我们所认知的其它卫星发射部署入轨的方式不一样。“猎鹰 9” 可同时发射60颗卫星,但SpaceX 正在研发的Starship就恐怖了,一次发几百颗卫星,而且发射费用相当于猎鹰 9 的10%,就像是在轨道上“撒豆子”一样发射。



如果想对地球进行最小程度的宽带覆盖,至少要 360 颗卫星才行,720 颗卫星能够完成中等程度的覆盖。预计最早 2020 年才能够开始投入商业运营。

这里可以估算一下,360颗卫星利用“猎鹰 9 ”的运载能力,6次就能完成360颗的发射任务,12次就能完成中等程度的网络覆盖。这样算,12000颗卫星发射并非很漫长。另据SpaceX公司官方声称,只需6次发射就能为美国和加拿大提供服务,只需24次发射就可以为全球提供服务,估计1~2年就能看到StarLink的商用项目。据《华尔街日报》预计,2024 年StarLink计划营收预计将增至 220 亿美元,到 2029 年将增至 410 亿美元。《华尔街日报》认为,到 2025 年StarLink用户将超过 4000 万,带来的收入可达 300 亿美元。

四)StarLink与SpaceX对中国航天的启示

1)发展商业航天

SpaceX是美国民间私营商业航天公司,既有美国NASA的技术体系支撑,又在经营灵活性、商业敏锐性方面有独到的优势和快速的应对。我国自2015年以来,商业航天飞速发展,一批商业航天企业崭露头角,取得了瞩目的成就。包括天仪研究院在轨10星,九天微星一箭7星,蓝箭航天发射首枚运载火箭、完成火箭工厂交付,星际荣耀和零壹空间分别成功发射2枚亚轨道火箭。卫星和荷载是商业航天的核心环节。卫星制造、卫星发射、卫星运营及卫星应用几乎概括了商业航天的上下游。以往,卫星的重量多在吨级,成本多在数千万元甚至数亿元,研发周期多在数年,发射成本多在7000万美元(美国5千万至8千万美元,欧洲2亿美元)。商业卫星多需要花费十年甚至更长时间收回成本,应用端费用居高不下,想尝试者只能望而却步。SpaceX和StarLink引发的全球关注,亮点就是数量庞大的微小卫星。微小卫星为商业航天提供了一种可能,微小卫星研制周期短,一般在一年半以内能够完成研制,发射方式灵活,可随其他卫星搭载发射,研制成本和发射成本大为减少。理论上的低价,使得过去几十年全球范围内传统航天的固有商业模式有望被打破。

我们的航天事业,目前也因商业航天的广泛参与而精彩纷呈。相信在市场的的激励下,中国商业航天一定会迎来飞速发展。

2)廉价发射技术的研究与应用

SpaceX和StarLink,其杀手锏就在于廉价发射。廉价发射的“秘密”,一是在于可回收火箭技术,另一个在于大批量卫星发射技术。

SpaceX表示,此次任务(11月11日发射60颗StarLink)首次使用了回收的二手有效载荷整流罩,该整流罩曾于2019年4月随同“猎鹰5”重型火箭发射升空。此外,SpaceX已经多次验证并在实际发射中应用了回收一级火箭技术。在此基础上,SpaceX要用巨型气球回收二级火箭。SpaceX称,重复使用火箭一级,能节约成本80%,如果二级火箭回收成功,发射成本将是目前的1%。然而,要想让火箭实现发射后可靠回收,至少要攻克两个技术要点:一是可在较大范围调节推力大小的火箭发动机技术,二是再入段多约束制导控制技术。

另外,一次发射60颗卫星,分摊到每颗卫星的发射成本将指数级降低。

这就是廉价发射的秘密。

我国航天领域在火箭回收技术方面早已开展研究和试验验证,在最近的发射活动中特别验证了基于栅格舵技术的火箭残骸回收控制,为箭体回收打下坚实基础。在一箭多星方面,我国有多次成功的经验。但是在一次发射入轨的卫星数量上,还有很大的进步空间。

3)革新卫星通信建设的指导思想

曾经有一段时期,我国卫星通信建设与应用的指导思想是作为地面通信方式的备份和补充手段。近年来,随着技术、需求和时代的发展,卫星通信建设应用的指导思想也做出了调整,“卫星通信方式向着主用、常用”调整。指导思想的改变,势必引起系统建设、应用等具体技术路线的改变。Starlink项目是需求驱动的典型,目前看起来是地面宽带网络的空间延伸和“补盲”,但Space公司的“野望”不限于此,他们就是要追求“全球全时随地高速的卫星宽带网络”接入与服务。我们的航天科技集团公司(“鸿雁”星座)、航天科工集团公司(“虹云”星座)、中国电信等“国家队”近年来就低轨宽带互联网卫星系统的建设已经展开实际的行动,验证星已经在轨运行。民营企业世域天基、中网卫通等联合立项的“鹊桥”5G低轨星座在系统设计上已达到国际领先。这便是我国卫星通信建设和应用的指导思想革新的结果。

无论中国的传统航天,还是海外的商业航天,都在打破边界、突破极限。太空开拓,是全人类最大胆的一次创业,承载着进入太空的梦想,肩负着对太空资源进行开发的任务,是人类走出“地球摇篮”的尝试,其终极收益无法估量。这意味着,航天事业无论对于中国还是外国,都是一个拥有极高成长性、极高潜力的赛道。或者更确切地说,这几乎是一条没有终点的赛道。



作者:郭浩然(资料整理源自网络公开文献)

发布于 2019-11-12