图片来源于视频截图

北京时间2019年5月24日上午10点30分,太空探索技术公司(SpaceX)一次把60颗卫星发射升空,发射地点位于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角(SLC-40),采用的是成熟可靠的猎鹰9(Block5)运载火箭。根据卫星的重量和数量,可计算出本次发射卫星载荷达14吨,但另据马斯克此前twitter,这次载荷达18.5吨,如果是这样的话,本次发射几乎达到了猎鹰9运力的极限。

升空瞬间

这是此前马斯克在twitter上披露的60颗卫星叠放在猎鹰9火箭整流罩内的情景

首先火箭把这批卫星部署到440公里的轨道上,然后卫星依靠自身的动力爬升至550公里的既定高度。这批卫星是用于进一步验证“星链”(Starlink)计划的。今年内,SpaceX将会发射真正用于实际通信的卫星。

预估耗资100亿美元的“星链”

“星链”是SpaceX公司正在研发的“卫星星座”工程,致力于形成一个低成本、高覆盖的天基全球通讯系统。SpaceX也计划向军方和科研机构售卖卫星服务。星链网络需要10多年才能构建完成,预估耗资100亿美元。

在太空展开太阳能板的样子(注意是单个)

2015年星链计划启动,2018年2月份,两颗原型测试卫星进入太空,本次发射是第二批测试卫星,也是首次大规模投放试验,总共60颗卫星,作为试验卫星,它们之间并没有激光链路相连,但有与地面通信的能力,随着后续持续新卫星的发射,早期的这些卫星会被逐渐取代。据计算,如果想对地球进行最小程度的宽带覆盖,也至少要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。

星链这个名字起得很有诗意,寓意是通过技术手段把上万颗卫星链接成一张巨大的通信网络。上面我们也提到,本次发射尚属于试验性质,卫星和卫星之间还不能采用激光相互通信。在未来,卫星和卫星的通信采用激光,因为传统的微波通信受到传输容量的限制,成为星间通信“瓶颈”。

现代的卫星通信在准确的基础上,需要量大、实时、传输距离远,这要求卫星通信具有更高的传输数据率。星间激光通信所利用的激光比微波频率高3至4个数量级。

据通信专家介绍,星间激光通信无需频率申请许可,而传统的无线电波频段是战略资源,目前国际电联严格管控星载微波频段,很难申请大容量数据带宽,激光通信意味着绕开了“管制空路”,获得了更广阔的便利空间。星间激光通信具有比微波更窄的波束,信号覆盖范围很小,因而具有很好的抗干扰和抗截获能力。

如何布局12000颗卫星?

首先完成组网的这1584颗卫星将分布在40个轨道平面上,每个轨道平面容纳66颗卫星

根据计划,星链系统总共由大约12000颗卫星组成,这些众多的卫星分布在三个不同的轨道高度层上。这1万多颗卫星的轨位资源来之不易,是SpaceX公司与美国联邦通信委员会(FCC)多次申请的结果。

卫星的布局方式曾经多次进行调整,据最新的消息是:有大约7500颗卫星运行在340公里的轨道上;大约1600颗卫星运行在550公里的轨道上;大约2800颗卫星运行在1150公里的轨道上。

其中,340公里轨道上的卫星采用的是V波段进行通讯,550公里高度和1150公里高度上的卫星采用的Ku和Ka波段。

我们知道,电磁波谱是按照频率由低到高排列而成的,光也是一种电磁波,只不过频率更高一些,高达300THz左右。

部分电磁波谱

V波段的频率为60-80GHz;K波段的频率为18-27GHz;Ku的含义是比K波段的频道要低(under),频率为12-18GHz,Ka的含义是比K波段的频道要高(above),频率为27-40GHz。

V波段在通讯中较少使用,星链中超过半数的卫星都处于该波段,运行在最低的340公里高的轨道上。换算一下可知,V波段的波长介于6mm到8mm之间,属于毫米波。前段时间,拍摄黑洞第一幅照片使用的电磁波波长为1.5mm,属于同一类。

我们再来看一下卫星分布高度的玄机:三层星链卫星都是低轨卫星,相比之下,地球同步静止轨道上的卫星要远得多,达到了36000公里的高度。低轨的好处是信号延迟短,这当然是由于近的原因,虽然信号以光速前进,但对时间很敏感的仪器来讲,还是有很大差别的。同步轨道上的卫星延迟大约477毫秒,星链卫星的延迟仅仅25到35毫秒,能够达到光纤的程度。

据悉,首先完成组网的将是处于550公里高度上的1584颗卫星,这1584颗卫星将分布在40个轨道平面上,每个轨道平面容纳66颗卫星,轨道倾角为25度,比其他两个轨道层上的卫星倾角要小。

大家会注意到,有超过半数的卫星位于最低的340公里的轨道上。在这种轨道上的卫星受到的运行阻力较大,虽然100公里的高度规定为太空,但340公里的高度还是有稀薄的气体对卫星的运行造成阻力的,不知道SpaceX利用了什么样的黑科技来克服这种先天劣势。

为了配合这12000颗卫星的通讯,SpaceX也正在积极向FCC申请在地面建造100万个地面站的方案。地面站是为了接收由卫星发送的信号,同时接收由终端用户和其他地面站发来的信号。

小步快跑,迅速迭代

SpaceX公司高效的运作方式给人留下深刻的印象,从猎鹰1火箭到猎鹰9火箭,从重型猎鹰到龙飞船,都是在迅速迭代过程中逐渐成熟起来的,几乎没听说有“定型”这一说。同样,在星链卫星的研发上,也是本着这种原则,12000多颗卫星不断发射不断优化改进。每颗卫星重约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。60颗这种卫星也恰恰能够充分利用猎鹰9的运载能力。

在完成这12000个卫星的研发后,SpaceX恐怕不再单单是一个火箭发射公司,也会变成一个相当厉害的卫星制造公司了。

卫星配备先进的离子推进器

每颗星链卫星上都搭载有离子推进器(霍尔推进器),能够调整卫星在轨道上的位置,维持轨道高度,能够在卫星报废后的主动脱轨,甚至能够主动躲避太空垃圾的碰撞等等。

NASA测试的离子推进器

离子推进器在航天器中有着越来越广泛的应用,虽然这种推进器推力有限,但经过长时间的冲量积累,也能对航天器产生可观的速度改变。离子推进器最大的优点是比冲大,比冲大意味着能够减少燃料的携带,减轻卫星的重量。

通常,离子推进器大多采用“氙”作为离子源,但星链卫星上采用的是氙的同族元素,另一种惰性气体”氪“做离子源,这可能是后者的价格比前者便宜吧。因为我们都知道马斯克已经节约到了”捡破烂“的程度,航天爱好者们私下称他为”破烂王“。因为每次火箭发射,他把能够回收的东西都回收,除了火箭一级助推器和芯级以外,整流罩也不放过。

每颗卫星的使用寿命大约为5到7年,退役后,推进器主动为卫星减速促使其脱轨,脱轨后的卫星会坠入大气层焚毁。目前,星链卫星能够做到燃烧掉95%的重量,随着技术的迭代,未来的卫星能够做到100%的销毁,不对对面上的人或建筑造成任何可能的伤害。

激烈的市场竞争

我们知道,最近几年“卫星星座”非常热门,也是各路卫星公司“讲故事”的高频词汇。总部位于英国的“OneWeb”卫星公司是SpaceX非常强劲的竞争对手。这家公司几乎与SpaceX同时提出了相似的卫星部署蓝图。2019年2月28日,OneWeb已利用俄罗斯的联盟火箭把6颗卫星送入轨道,计划部署卫星的数量为650颗。

2019年2月28日,OneWeb已利用俄罗斯的联盟火箭把6颗卫星送入轨道

2015年,三星公司也提出过一项由4600颗卫星组成的卫星星座通信网络计划。同年,加拿大公司(Telesat)提出过一个规模较小的,由117颗卫星组成的卫星通信网络,希望2021年投入使用。

2019年4月,亚马逊宣布了所谓的“柯伊伯工程”(Project Kuiper),希望在接下来的十年内部署3236颗通信卫星。

在中国,也有很多国企或私企在摩拳擦掌,准备进入卫星星座这张大网中。

从整体来看,SpaceX具有其他公司都没有的优势,那就是用自己的火箭发射自己的卫星,无论从成本角度,还是从可控角度看,都是其他公司难以望其项背的。

马斯克的太空梦想

马斯克是当今世界上最出名的企业家之一,从特斯拉到SpaceX都展现出他那旺盛的开拓能力。他曾经表示,希望自己在火星上寿终正寝。这可不是空想,从重型猎鹰火箭的成功飞行到“星舰”飞船的研发,都在一步步接近这个梦想。他挣钱的目的似乎就是为了飞出地球,定居火星,使人类成为多星球物种。

据悉,SpaceX甚至还设想把星链复制到火星上去,为将来人类在火星上的活动提供通信保障。但愿马斯克的步伐能够再快一些,让读这篇文章的朋友也都能够看到火星上的星链卫星布网成功。

信息化和软件服务网 - 助力数字中国建设 | 责编:左右