自從馬斯克提出“星鏈計(jì)劃”，星鏈（Starlink）這個(gè)詞就一直熱度不下。近日，據(jù)WCCFTech報(bào)道，SpaceX的星鏈衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)正面臨著來(lái)自多個(gè)方面的批評(píng)，它計(jì)劃發(fā)射大約3萬(wàn)顆第二代衛(wèi)星。
加快推動(dòng)星鏈計(jì)劃為什么會(huì)被多方面抗議？NASA對(duì)SpaceX計(jì)劃作為Starlink第二代升級(jí)的一部分而放入軌道的衛(wèi)星數(shù)量之多表示擔(dān)憂，一是認(rèn)為過(guò)多的衛(wèi)星數(shù)量會(huì)干擾其他衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，二是會(huì)存在極高的不同衛(wèi)星之間的軌道碰撞。
同行OneWeb認(rèn)為如果美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）批準(zhǔn)了星鏈發(fā)射3萬(wàn)顆衛(wèi)星的申請(qǐng)，那么SpaceX的子公司應(yīng)該受到一些條件的限制來(lái)確保OneWeb這樣的小型星座不會(huì)受到損害。由于軌道上的衛(wèi)星數(shù)量較多，一旦來(lái)自不同公司的兩顆競(jìng)爭(zhēng)性衛(wèi)星被觸發(fā)，OneWeb的衛(wèi)星將100%地發(fā)生波段分裂事件，OneWeb認(rèn)為，目前關(guān)于非地球靜止衛(wèi)星服務(wù)運(yùn)營(yíng)商(NGSO)之間的頻譜共享規(guī)則是不充分的，這可能導(dǎo)致更大的星座利用模糊性來(lái)獲得優(yōu)勢(shì)。
同時(shí)亞馬遜和Dish Network 一樣，單獨(dú)向 FCC 提出了對(duì) SpaceX 計(jì)劃的擔(dān)憂，國(guó)內(nèi)也有不少企業(yè)都表示FCC 應(yīng)該提出合理的限制條件。既然是這樣，像星鏈這樣的低軌衛(wèi)星通信路要怎么走？
低軌衛(wèi)星通信與“星鏈計(jì)劃”
低軌衛(wèi)星通信（LEO）是天基互聯(lián)網(wǎng)的一種形式，類似地面的基站搬到了太空上。天基互聯(lián)網(wǎng)是指利用位于地球上空的各類空天平臺(tái)向用戶終端提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的新型網(wǎng)絡(luò)。低軌衛(wèi)星通信是利用運(yùn)行在距地面約1000公里軌道高度的衛(wèi)星群向地面提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，通過(guò)大量衛(wèi)星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。
而“星鏈計(jì)劃”要在2019年至2024年間，在太空搭建由約1.2萬(wàn)顆衛(wèi)星部署一個(gè)完整的全球覆蓋低軌衛(wèi)星通信，旨在提供高速互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線微波接入，在全球范圍內(nèi)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，特別是目前通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)。這個(gè)計(jì)劃在2015年被馬斯克提出，這一項(xiàng)目被命名為“星鏈”（Starlink）。2019年5月，美國(guó)太空探索技術(shù)公司利用獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭成功將“星鏈”首批60顆衛(wèi)星送入軌道。截止目前，星鏈已經(jīng)發(fā)射了近2100顆衛(wèi)星。
衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)是覆蓋面廣，相較于地面上的移動(dòng)通信系統(tǒng)只覆蓋了20%的陸地面積，衛(wèi)星通信可以完成全球覆蓋。同時(shí)衛(wèi)星位于太空，受地面條件影響較小，可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)不間斷運(yùn)作。并且，衛(wèi)星的可用頻帶很寬，加之現(xiàn)階段被廣泛采用的多波束星載天線技術(shù)，提高了系統(tǒng)容量，可支持海量終端連接需求。因而，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)更易于對(duì)海量的大范圍運(yùn)動(dòng)目標(biāo)提供網(wǎng)絡(luò)連接支持與服務(wù)。
所以星鏈剛出，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為實(shí)現(xiàn)“海陸空天”一體化有了可執(zhí)行方案，但是隨著越來(lái)越多的星鏈衛(wèi)星被送上太空，海量衛(wèi)星部署低軌衛(wèi)星通信遭到了質(zhì)疑和擔(dān)憂。
首先，星鏈發(fā)射的衛(wèi)星距離地表也比較近，最近的只有550千米左右。這是什么概念？北京到上海的距離是1200公里。星鏈不同于傳統(tǒng)衛(wèi)星通信或者GPS導(dǎo)航，只需要幾十或者幾百顆衛(wèi)星就能完成部署。而星鏈預(yù)定的軌道部署由1.2萬(wàn)顆衛(wèi)星組成，那么這些衛(wèi)星群將密密麻麻地將地球包裹著，需要占據(jù)大量的軌道資源，容易造成太空擁堵、衛(wèi)星碰撞。
同時(shí)，地球上空的這些近地軌道衛(wèi)星會(huì)繼續(xù)反射太陽(yáng)光，在夜空中顯得非常明亮，對(duì)天文學(xué)影響帶來(lái)極大的負(fù)面影響。此前NASA對(duì)外聲稱，這個(gè)在近地軌道額外部署3萬(wàn)顆衛(wèi)星的計(jì)劃可能造成軌道“嚴(yán)重?fù)矶隆保黾优鲎诧L(fēng)險(xiǎn)，影響NASA的科研及載人航天任務(wù)。
其次，根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的規(guī)定，衛(wèi)星頻率和軌道資源的主要分配形式為“先申報(bào)就可優(yōu)先使用”的搶占方式。沒(méi)有明確的衛(wèi)星管理指標(biāo)，這種不良性競(jìng)爭(zhēng)讓衛(wèi)星部署變成是一場(chǎng)“太空圈地”運(yùn)動(dòng)，顯得野蠻了些。根據(jù)測(cè)算，地球的近地軌道總共只能容納大約6萬(wàn)顆衛(wèi)星。星鏈目前多用于加密部署軍事通信，且衛(wèi)星也相當(dāng)于一顆高速的“炮彈”，存在國(guó)際安全隱患。2021年12月，星鏈兩次近距離接觸中國(guó)空間站，對(duì)中國(guó)空間站和上面搭載的航天員生命健康構(gòu)成危險(xiǎn)。
第三，發(fā)射的衛(wèi)星在大空中報(bào)廢，回收技術(shù)的不成熟導(dǎo)致形成大量太空垃圾。2022年2月3日，SpaceX最新部署的一批49顆星鏈衛(wèi)星在發(fā)射一天后就發(fā)生了磁暴，導(dǎo)致40顆衛(wèi)星報(bào)廢。所謂磁暴，就是因太陽(yáng)爆發(fā)引起的地球磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)。一般情況下，地磁的改變會(huì)導(dǎo)致在軌衛(wèi)星的姿態(tài)發(fā)生變化，影響正常通信，但這次磁暴卻一次性報(bào)廢了40顆衛(wèi)星。
第四，搶占資源造成的通信干擾。實(shí)際上，衛(wèi)星通信頻譜資源存量本身有限，一方面是覆蓋全球的低軌衛(wèi)星頻率協(xié)調(diào)難度大，另一方面是地球上5G毫米波也在不斷發(fā)展，和衛(wèi)星通信使用的頻段相接近可能會(huì)造成信號(hào)干擾和阻塞的情況發(fā)生。
目前缺少一套太空法案來(lái)明文規(guī)定企業(yè)發(fā)射衛(wèi)星的管理準(zhǔn)則，畢竟低軌衛(wèi)星通信在視訊通信方面的確是促進(jìn)各行各業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)。
全球發(fā)展衛(wèi)星通信
星鏈并不是全球第一個(gè)低軌衛(wèi)星，最早的低軌衛(wèi)星就是銥星系統(tǒng)（Iridium），77顆衛(wèi)星，拉開(kāi)了低軌衛(wèi)星通信的序幕。銥星系統(tǒng)跟當(dāng)時(shí)地面蜂窩通信系統(tǒng)（GSM）基本差不多同期，最后銥星系統(tǒng)申請(qǐng)破產(chǎn)并被分拆。
圖源：網(wǎng)絡(luò)
地球上蜂窩移動(dòng)通信從2G發(fā)展到了5G，當(dāng)然衛(wèi)星通信也在不斷發(fā)展，以O(shè)neWeb來(lái)分析，公開(kāi)的數(shù)據(jù)，低軌衛(wèi)星720個(gè)，系統(tǒng)總?cè)萘?.4Tbit/s，單用戶大概可以達(dá)到400兆比特/秒，如果平均用戶速率是100兆，OneWeb整個(gè)系統(tǒng)可以支持并發(fā)的用戶數(shù)只有5.4萬(wàn)個(gè)。實(shí)際上，單顆衛(wèi)星現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)下來(lái)，包括SpaceX、OneWeb跟5G單基站的通信容量基本上在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。
2019 年以來(lái)，SpaceX 已將共計(jì) 2091 顆 Starlink 衛(wèi)星發(fā)射到軌道上。根據(jù)天文學(xué)家的數(shù)據(jù)，截至目前，約有 1920 顆仍在軌道上。同時(shí)，星鏈互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星已經(jīng)開(kāi)始提供運(yùn)營(yíng)服務(wù)，目前Starlink星鏈提供2套餐，基礎(chǔ)套餐月費(fèi)下行速率50-250Mbps、上行速度10-20Mbps，延遲20-40ms；而Premium高級(jí)付費(fèi)套餐包含了一根更高性能的天線，下行速率150-500Mbps、上行速度20-40Mbps，延遲20-40ms。
而低軌通信衛(wèi)星和地面通信系統(tǒng)對(duì)比，各有優(yōu)劣。
類型 | 軌道高度 | 通信延遲 | 缺點(diǎn) |
低軌通信衛(wèi)星 | 500-1000km可覆蓋全球 | 30-50ms | 所需衛(wèi)星數(shù)量較多，維護(hù)和控制比較復(fù)雜 |
地面通信系統(tǒng) | 基站覆蓋范圍 4G：1-3km 5G：100-300m | 無(wú)線蜂窩通信10-50ms 光纖10-20ms | 基站建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本高；易受地形、環(huán)境影響 |
目前國(guó)外不止馬斯克在部署低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，國(guó)外已經(jīng)建成了多個(gè)能夠提供物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，比如軌道通信（Orbcomm）和高級(jí)研究與全球觀測(cè)衛(wèi)星（ARGOS）等系統(tǒng)。
而我國(guó)也在大力發(fā)展低軌衛(wèi)星通信，2020年4月，國(guó)家發(fā)改委將“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”列入“新基礎(chǔ)設(shè)施”名單，與5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新能源充電樁并行。
2020年10月26日，天啟6號(hào)物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星在我國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是我國(guó)首個(gè)投入運(yùn)營(yíng)的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)星座。
2021年7月25日，我國(guó)首次低軌寬帶衛(wèi)星與5G專網(wǎng)融合試驗(yàn)在北京和濟(jì)南完成。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)“行云工程”的誕生，該工程能為一些地質(zhì)災(zāi)害、海上運(yùn)輸通信、海洋環(huán)境等提供監(jiān)測(cè)，同時(shí)打造覆蓋全球的天基物聯(lián)網(wǎng)。
2021年9月27日，吉利宣布開(kāi)始批量生產(chǎn)商業(yè)衛(wèi)星，成為繼特斯拉之后全球第二家做衛(wèi)星發(fā)射的汽車公司。
項(xiàng)目 | 軌道高度 | 衛(wèi)星數(shù)量 | 頻段 |
SpaceX-starlink（星鏈） | 300~500km； | 46000顆 | Ku波段; |
倫敦衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公司-OneWeb | 1200km | 648顆 | KU 頻段； |
加拿大衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商Telesat-LEO（LightSpeed衛(wèi)星） | 1000km | 近300顆 | Ka頻段（17.8-20.2GHz）1.8GHz的帶寬用于下行鏈路； |
中國(guó)航天-GW星座 | 300~500km； | 12992顆 | Ka頻段; |
北京國(guó)電高科科技有限公司的天啟星座 | 900km | 38顆 | 共同服務(wù)于全球物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) |
虹云工程 | 1000km | 156顆 | Ka 頻段，預(yù)計(jì)接入速率可達(dá)到 500Mbit/s，將采用毫米波相控陣技術(shù)，低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng) |
行云工程 | 800-1400km | 80顆 | 窄帶物聯(lián)網(wǎng) |
加拿大HeliosWire公司 | 796km | 30顆 | S波段30 MHz帶寬，支持50億個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集 |
美國(guó)開(kāi)普勒通信公司 | 575 km | 140顆納衛(wèi)星 | 14~14.5 GHz（上行） |
澳大利亞艦隊(duì)空間技術(shù)公司 | 500~600km | 超過(guò)100顆納衛(wèi)星 | 幫助全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)低帶寬連接 |
以色列的天空全球公司 | 500~600km | 約200顆納衛(wèi)星 | S波段，地面終端采用8 cm的貼片天線，能夠提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和即時(shí)消息 |
亞馬遜-Project Kuiper（柯伊伯） | 590~630km | 3236 顆 | 最高網(wǎng)速400Mbps，寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù) |
吉利天地一體化 | 200~2000km | 168 顆 | 寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù) |
來(lái)源：物聯(lián)傳媒整理
寫(xiě)在最后
低軌衛(wèi)星通信目前雖然在太空上被“一家獨(dú)大”，但這不會(huì)是長(zhǎng)久的現(xiàn)象，同時(shí)隨著各大衛(wèi)星的建成使用，低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)規(guī)模將迅速擴(kuò)大，從2020年的不到2 000萬(wàn)美元增長(zhǎng)至2027年的1.3億美元，平均年增長(zhǎng)率接近70%。屆時(shí)，通過(guò)低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)獲取應(yīng)用的終端數(shù)量將突破 370 萬(wàn)。在此期間，低軌衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展需要提升，以及太空衛(wèi)星管理法案亟待出臺(tái)。
參考資料：
電信科學(xué)：《低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景、業(yè)務(wù)特點(diǎn)和技術(shù)挑戰(zhàn)》
快科技：《月費(fèi)3000 網(wǎng)速500Mbps！星鏈最新49顆衛(wèi)星上天》
極果：《中國(guó)版「星鏈」來(lái)了！無(wú)線網(wǎng)覆蓋全球，未來(lái)能用衛(wèi)星上網(wǎng)》
華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)：《中國(guó)低軌道衛(wèi)星行業(yè)運(yùn)行現(xiàn)狀，低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)將是未來(lái)6G技術(shù)基礎(chǔ)》
