“钢铁侠”的卫星互联网计划

北京时间2018年2月22日22时17分，美国太空探索技术公司（SpaceX）从加利福尼亚州范登堡空军基地成功发射了1枚“猎鹰9号”火箭。这枚火箭上搭载了3颗卫星，其中有两颗是同一型号的通信卫星，分别叫做“丁丁A”和“丁丁B”——显然来自比利时著名漫画《丁丁历险记》里那位环游全球的主角。

这两个“丁丁”的目的，是为了验证“星链”（Starlink）卫星星座计划的可行性。2015年，SpaceX开始着手这个历史上最庞大的卫星通信项目，计划在未来几年内发射12000颗通信卫星，在不同高度的轨道上覆盖全球，并且为地球上任何位置的用户提供高达1Gbps的无线宽带上网服务。有了这样的网络速度和覆盖率，人们可以实现许多以前难以想象的网络使用方式，让移动通信走进下一个时代。

人称“硅谷钢铁侠”的SpaceX 首席执行官兼首席技术官埃隆·马斯克说，这个前所未有的卫星通信网络将“使宽带网络的速度达到目前全球平均水平的180倍”。

达到5G标准

1Gbps的上网速率，足以让用户在1秒钟下载32首歌曲，或者1分钟内下载1部高清电影。即使对于有线宽带网络来说，这也算得上是高速了。目前，这样的高速有线宽带网络只在很少的几个小城市中有实验性的应用，还远远没有大规模商业化应用；而在无线宽带中，这是下一代通信标准（5G）才能达到的目标。

现在，埃隆·马斯克想要通过卫星通信技术来达到这个目标。

卫星通信技术已经有58年的历史了。美国在1960年8月发射的“回声1号”（Echo 1）是世界上第一颗通信卫星。它基本上是个直径30米的大气球，表面涂了一层薄膜金属材质来增强反射性能。就是这个看似简陋的卫星，让人类第一次通过卫星直播了语音通讯，让人们第一次通过卫星打通了跨洲电话。它的原理很简单：从地球上的某个点把数据发送到太空中，然后用光亮的表面再把这些数据送回地球上的另一点。

这是所有通信卫星的基础原理。不过，后来的通信卫星要更复杂得多。“回声1号”还只是直接反射通信信号而已，而两年后发射的“电星1号”（Telstar 1）就已经可以完成完整的信号增强和中继工作，可以把美国的电视节目送到大西洋对岸的法国。

早期的通信卫星主要用于电视、电话和广播，直到1990年代才开始用在互联网信息传输上。用于上网的通信卫星技术和卫星电话相似——用卫星天线把信号发送给卫星，同时接受来自卫星的信号，再经过调制解调后传输到电脑上。

中国在2000年开通了卫星上网业务，名叫“高速163”。这是一种单向卫星通信技术：用户可以用卫星天线下载数据到自己的电脑上，但是在向互联网发送数据时，还需要通过传统网络服务商的线路才行。这种上网方式，下载速度可以达到400kbps，在当时已经是了不起的高速了——比当时常见的调制解调器快了近十倍。

单向卫星通信技术很快就升级成了双向技术，更多商业性卫星网络公司也蓬勃发展起来。2005年，欧洲的空中客车公司开始尝试在飞机上提供无线上网服务，让卫星上网扩展到了新的领域——对于在平流层高速飞翔的飞机来说，通过卫星上网是唯一的选择。

更多的需求对卫星上网的技术提出了更高的要求。能够提供更快的上网速度、能够让更多人同时上网的通信卫星纷纷上天。2017年4月12日，中国首颗高通量通信卫星“实践13号”成功发射，最高通信总容量达到20Gbps，超过了我国之前所有通信卫星容量的总和。在正式运行时改名为“中星16号”的这颗通信卫星，将会覆盖我国大部分地区和海域，会在几年之内让我国的飞机、高铁和轮船都拥有高速无线上网能力。

SpaceX 的12000颗卫星

“实践13号”是一颗高轨道卫星，运行在离地面36000公里的地球同步轨道上。在这个高度，卫星信号能够覆盖地球表面大概三分之一的面积，而且所处的位置相对于地球是静止的。

虽然位置稳定而且覆盖范围大，但是同步轨道通信卫星也有些不足。它的信号传输路径长，信号损失会更大，通讯延时也更大。从1990年代起，一些企业开始尝试开发和使用低轨道通信卫星。

低轨道一般是指距地面2000公里以内的人造卫星轨道。虽然低轨道卫星能避免同步轨道卫星的不足，但是在这个距离上，一颗卫星只需要几十分钟就能绕地球一圈，而且信号能够覆盖的面积也要小得多。显然，像同步轨道那样指望靠3颗卫星就覆盖全球大部分区域是不可行的。

解决办法就是发射更多的卫星，让每个区域每个时刻都能有卫星覆盖。SpaceX的星链计划就是这种思路下的产物。埃隆·马斯克声称，要在2024年之前发射4425颗低轨道通信卫星，来构建覆盖全球的高速无线宽带互联网。而在这之后，还向更低高度轨道再发射7500颗卫星，来进一步提升这个系统的性能。

这是个野心勃勃的计划。现在，地球上空漂浮着四千多颗卫星，其中依然还在正常使用的大约有一千七百多颗。这是在过去60年中人类慢慢攒出来的，而马斯克计划在，6年内就发射同样数量的卫星。

被媒体称为“硅谷钢铁侠”的埃隆·马斯克，对这个计划信心满满。他认为，卫星同样是可以批量化生产的，而批量化就意味着成本的降低。而且，他的SpaceX已经掌握了火箭回收技术，可以大幅降低发射成本。大批量、低成本，这是工业化的思路，而传统的航天科技是更类似于手工制造的高成本产业。

目前，在天上游荡的“丁丁A”和“丁丁B”是验证性的实验卫星，和预计发射的其他卫星体积重量相同。单颗卫星的重量大约386公斤，是一个长4米、宽1.8米、高1.2米的长方体，还带着两块12平方米的太阳能电池板。每一颗卫星都像我国的“实践13号”那样，能提供 20Gbps的通信总容量。

使用SpaceX的可回收运载火箭，每次发射都可以搭载多颗卫星。在马斯克的计划中，这四千多颗卫星分成两个阶段发送：第一阶段，先向1150公里高度的轨道上发射1600颗卫星，分布在32个轨道，每个轨道上都有50颗卫星。第二阶段，将剩下的2825颗卫星安置在从1110公里到1325公里高度的4个轨道高度上，每个轨道高度上有数量不同的轨道，每个轨道上部署的卫星数量从50颗到75颗不等。

当所有的4425颗卫星发射完成后，将在地球上空构成5个不同高度的卫星网络，彼此之间通过激光通信，让所有人可以在所有地点使用高速无线网络。但是，不需要全部卫星发射完成，这套卫星星座系统就能开始提供服务。只要先发射800颗卫星，就能覆盖南纬和北纬15度到60度的范围——这也是地球上大多数人类生活的区域。

当然，和其他卫星上网系统一样，想要使用这套卫星系统上网的用户，都需要安装特定的卫星上网天线。据说这些天线结构简单，可以很容易地安装在窗户或者墙面上。

另一个铱星计划？

听起来，星链计划是又一个革命性的全球基础设施。许多人为这个项目欢欣鼓舞，当然也有大量的质疑。最常见的一种，是星链与铱星系统的对比。

铱星系统的惨烈失败，是上世纪末最令人关注的科技事件之一。摩托罗拉公司从1987年开始构思的这套系统，是希望通过77颗低轨道通信卫星，为全球所有地点提供卫星移动通信服务。因为“铱”的原子系数是77，所以这个项目就叫做“铱星”。虽然最终方案使用了66颗卫星而非之前设计的77颗，但是这个项目名称依然没有变化。

铱星系统是卫星通信领域的里程碑。1996年，第一颗铱星卫星上天，运行在780公里的低轨道上。到了1998年，所有66颗卫星发射完毕，开始组网运行。但是，当时的 GSM系统已经成熟，地面基站已经覆盖了大部分移动通信用户。

相比于高价的卫星通讯，大多数人的需求可以通过廉价的GSM 来满足。到了2000年，铱星系统的投资超过30亿美元，但卫星电话却只卖出了5.5万部，摩托罗拉公司不得不以极低的价格将整个铱星系统卖给了美国军方。铱星系统在2001年复活，开始正视互联网时代的机会。从2015年开始，第二代铱星系统的第一批卫星制造完成，同样通过SpaceX公司的火箭发射。

同样是通信领域、全球覆盖、理想主义色彩浓重的庞大计划，星链计划被拿出来和铱星系统相比，也是情有可原。只不过时过境迁，这种比较未必谈得上公平。在铱星系统的时代，很少有人能够预想到互联网的快速崛起，铱星系统的卫星是为了语音通信而设计的，没有考虑数据通讯功能。而星链计划一开始就瞄准了高速无线网络，提出了即使是今天也难以达到的高速率宽带。

单颗卫星的承载能力有限，因此铱星系统只能采用更高的定价来筛选用户，只为少数用户提供服务。但是，用户数量太少又意味着资金回笼太慢，运营成本抵不过收益。而且，对于铱星系统来说，卫星制造和发射都意味着高昂的成本。

星链计划则有些不同：大量的卫星意味着可以为大量客户服务，获得更高收入；同时，制造成本也会因为卫星数量的增加而下降。SpaceX在火箭回收技术上的发展则可以降低发射成本——埃隆·马斯克估计，单颗卫星的制造和发射成本将会降到略超过100万美元的程度，而整个星链计划的成本大约会超过100亿美元。

目前星链计划面临的主要问题，倒应该是通信性能的不足。要是正式发射的卫星与两颗“丁丁”卫星通量相同，则每颗卫星只能为数百名用户提供服务。虽说几年内技术发展可能会让单颗卫星的通量更大，但是提升也是有限的。在人口密集区域，这些卫星能够提供的上网带宽和同时承载的用户数量，应该难以满足用户的需求。

SpaceX的一份内部文件显示，该公司希望星链计划能在2025年时拥有4000万以上用户，同时收入达到300亿美元左右。如果要达到这个目标，现有的通量是远远不足的。也许 SpaceX已经开发出了更好的技术？毕竟在这家公司提供给美国联邦通信委员会（FCC）的申请文件中，并没有暴露多少技术细节，有些关键项目还干脆直接保密。