SpaceX公司低轨宽带星座发展研判与启示

李博（北京空间科技信息研究所）

北京时间2018年2月22日22：17，美国太空探索技术公司（SpaceX）在范登堡空军基地利用猎鹰－9（Falcon－9）运载火箭成功发射了2颗试验通信卫星微星－2A和2B（Microsat－2A和2B），计划开展多项演示验证工作，为其“星链”（Starlink）低轨宽带互联网星座建设提供支持。本次发射任务中，SpaceX公司还尝试回收猎鹰－9运载火箭的整流罩，但并未获得完全成功。本文从发射任务及SpaceX公司的星座计划出发，对其发展情况进行研判，同时思考我国星座建设面临的问题和挑战，结合国外发展经验，提出相应建议。

Microsat-2A和2B试验卫星发射前配置情况

1 任务基本情况

本次发射的主任务载荷为西班牙军用侦察卫星“帕斯”（PAZ）,2颗试验卫星则作为次级任务载荷，首先进入高514km、倾角97.44°的太阳同步轨道，随后利用卫星自身推进系统抬升至1125km的预定任务轨道。SpaceX公司创始人兼CEO伊隆·马斯克在北京时间2018年2月23日凌晨对外宣称，2颗试验卫星已完成部署，进入预定轨道，并与地面站完成了首次通信。

目前，Microsat－2A和2B卫星对外披露的信息极少，从SpaceX公司提交美国联邦通信委员会（FCC）的文件以及外媒相关报道综合来看，2颗卫星配置相同，采用三轴稳定工作方式，发射质量约400kg，设计寿命6～12个月（可能延长至20个月），将在完成任务后执行离轨操作。星体收拢状态尺寸为1.1m×0.7m×0.7m，2副太阳电池翼，每副尺寸为2m×8m，星上还配置了供配电、姿轨控、热控、推进等主要的平台分系统。载荷方面，星上载有Ku频段的相控阵天线以及激光星间链路发射接收设备；此外，还载有一个低分辨率的成像系统。

2颗卫星入轨后的主要任务包括：①对卫星平台及相关分系统的性能进行验证；②对相控阵天线的射频特性、波束指向精确度、链路数据传输能力以及地面站之间的无缝切换性能进行验证。SpaceX公司将利用美国的5个固定地面站以及3个移动地面站完成上述演示验证工作。根据2颗卫星的预定工作轨道分析来看，约每天最多有15min的测试窗口。

2 Starlink星座情况

项目背景

SpaceX公司低轨互联网星座项目最早于2015年提出，旨在利用大规模低轨卫星提供全球高速宽带接入服务。2016年，该公司曾向FCC提出发射6～8颗试验卫星的申请，首批2颗卫星Microsat－1A和1B原计划2016年10月发射，但此后因设计改动过大，2颗卫星降级转为地面测试，任务名保留，故本次发射的卫星延续命名为Microsat－2系列。

2016年11月，SpaceX公司正式向FCC提交在美国运营Ka频段低轨互联网通信系统的申请，文件显示该系统名为“SpaceX非静止轨道卫星系统”（SpaceX NGSO Satellite System），共包括4425颗卫星。2017年3月，SpaceX公司再次向FCC提交V频段低轨星座运营申请，并命名为“SpaceX V频段非静止轨道卫星系统”，该星座将由7518颗卫星构成。由此，SpaceX公司星座将包含接近12000颗卫星，成为迄今为止人类提出发展的规模最大的星座项目。

2017年8月，SpaceX公司向美国专利局提交商标注册申请，将其两大星座计划正式统一命名为“Starlink”，根据申请文件来看，星座的主要应用包括卫星通信和传输服务、高速无线宽带服务，以及卫星成像服务和遥感服务等。

2017年10月，SpaceX公司与一网公司（ONEWEB）共同参与了美国参议院商业、科学与技术委员会的听证会，并披露其2颗试验卫星将在数月内发射，计划于2019年启动在轨工作星的部署，2024年完成首批4425颗卫星部署。

2018年2月，2颗试验星发射成功。

2018年3月底，美国FCC正式批准SpaceX公司的Ka频段低轨互联网通信系统在美国提供卫星宽带服务。

第一期星座情况

（1）按轨道面分批次完成部署，采取高效的离轨处置措施

如前所述，Starlink第一期星座实现全运行能力将需要部署4425颗卫星，分布在83个轨道面上，轨道高度1110～1325km不等，在用户端最低40°仰角条件下，可满足全球无缝连续覆盖。

Starlink第一期星座轨道设计

SpaceX公司计划分2个阶段建设该系统，第一阶段发射1600颗卫星，分布于32个1150km的轨道面上，每个轨道面50颗卫星；第二阶段发射2825颗卫星，分布于1110km、1130km、1275km和1325km共4个不同轨道高度，分别对应32个、8个、5个和6个轨道面，各轨道面50～75颗卫星不等。值得一提的是，受美国FCC监管要求，SpaceX公司的星座部署工作将首先着眼于美国本土全境覆盖，随后继续布星完成全球覆盖。

此外，为了满足美国和国际社会对大规模星座离轨操作的要求，SpaceX公司提出了自己的处置方案，即在卫星退役后先进入1075km高的圆轨道，随后利用储备的燃料先将轨道降低至约300km处，然后关机，使其重返大气层时烧毁，整个过程不超过1年。在提交FCC的申请文件中，SpaceX公司也专门对5个轨道面的卫星分别进行了离轨钝化仿真分析，结果显示,所有上述卫星均可在1年的时间内完成再入钝化工作。

（2）卫星设计突出大容量、高速率，星间链路确保高适应性

Starlink第一期星座卫星将由SpaceX公司在西雅图的卫星工厂设计并制造。根据该公司向FCC提交的申请文件来看，每颗卫星的发射质量达386kg，设计寿命5～7年，星体收拢状态尺寸为4.0m×1.8m×1.2m，2副太阳电池翼尺寸均为6m×2m，主要参数与本次发射的试验卫星存在一定差异。此外，星上还带有霍尔效应电推进系统。

载荷方面，将具备数字信号处理能力，同时配备先进的相控阵天线，具体波束配置目前不详，但每颗卫星的星下可覆盖范围半径达1060km。据SpaceX公司推算，第一期星座完全部署状态下，在美国大陆最多可见卫星数量约340颗。

Starlink第一期星座卫星覆盖情况示意图

从容量看，卫星用户链路下行总可用带宽约2GHz，根据并发用户情况不同，单星容量可达17～23Gbit/s。如果按照平均20Gbit/s计算，首批1600颗卫星的总容量可达到32Tbit/s，而整个星座的数据容量将接近100Tbit/s。

为确保接入能力，实现高速率目标，SpaceX公司将在地面互联网接入节点附近配建关口站，在星座第一阶段部署完成后，仅美国大陆预计就将部署约200个关口站为星座提供支持，后期将进一步根据用户需求扩充关口站数量。

Starlink第一期星座工作频率情况

值得一提的是，SpaceX公司的星座还将采用激光星间链路实现空间组网，配合星上处理与相控阵波束赋形技术，可在用户层面更加灵活地调度和分配频谱资源，同时在轨道层面灵活路由，达到网络优化管理以及服务连续性的目标，实现整个星座系统高度的适应性。

第二期星座情况

SpaceX公司新提出7518颗V频段低轨卫星星座，轨道设计高度分布在330～350km范围内。

Starlink第二期星座轨道设计

在卫星设计方面，同样具备星间链路收发设备、相控阵天线等先进载荷。用户链路和馈电链路工作于相同的频段，用户链路下行可用带宽达5GHz，上行 3GHz。

Starlink第二期星座工作频率情况

业务应用

根据SpaceX公司在2017年10月向美国参议院汇报的情况来看，其主要业务方向与一网公司计划类似，致力于提供个人消费者级宽带服务，用户段终端单价将控制在200美元，将采用易于安装的高指向性窄波束相控阵天线，具备良好的旁带抑制性能，最高可获得传输速率将达到1Gbit/s，远超当前地面光纤网络的平均速率，时延则达到25～30ms的水平。

3 几点研判

试验星发射具有阶段性意义，但必须理性看待当下舆论反应

毫无疑问，2颗试验卫星发射成功是SpaceX公司推进其星座计划建设的重要环节，待开展的一系列在轨演示验证任务，将对进一步优化系统设计方案、尽早启动工作星研制提供有利支持。

但当下主流舆论对该事件的意义过分夸大，甚至部分描述与实际情况相去甚远，因而必须理性看待。

首先，试验卫星与星座系统的频率、轨位申请相互独立，试验星的工作轨道低于正式星座，本次发射虽成功促进了Starlink第一期星座的频率申请获FCC批准，但对整个系统而言并没有直接的占频保轨作用，更不意味着后续部署和运营已经板上钉钉。

其次，试验卫星公开的设计参数与此前公布的4425颗卫星方案存在较大差异，后续正式工作星采取何种方案仍存在较大变数，对整个系统建设成本和交付周期将产生何种影响，目前不可预测。

再次，从本次任务无法窥探出Starlink星座建设的真实进度，公开渠道信息唯一可确认的是SpaceX公司在西雅图设立了卫星工厂，但生产线是否已配备、供应商是否已选取、订单是否已签署等重要信息均未公布，按照马斯克一直以来的商业逻辑，不大可能因为保密原因而不公布。

最后，一些媒体对星座的应用服务场景理解存在巨大误区。Starlink两期星座采用的Ku/Ka和V频段并无法实现所谓的“天基WIFI”概念，日常所采用的无线宽带接入设备，如笔记本电脑、智能手机等，均无法与该频段的卫星直接通信，必须借助专用终端建立接入卫星网络，马斯克在社交媒体对外宣称的卫星WIFI接入密码“martians”是一种宣传策略，只为使公众更易接受其服务理念。

发展低轨星座，直接利益在于把握风口机遇和升级发射能力

对SpaceX公司来说，从发射服务提供商向大规模低轨互联网宽带卫星研制和运营领域拓展，是其在商业航天领域的又一次重要战略部署。就其自身利益角度来分析，该举措主要包括两方面目的。

首先，在于把握卫星与地面信息网络演变的重大机遇，以此为切入点抢占发展先机。近年来，地面通信网络用户增长速度日趋缓慢，促使运营商迫切希望拓展市场范围，但面临建设成本高、投资回报率低的困局。受此影响，大型互联网科技公司谷歌公司（Google）、脸书公司（Facebook）等纷纷考虑通过空基、天基手段解决这一问题，SpaceX公司发展低轨星座在早期就获得了谷歌公司的支持。另一方面，卫星通信行业也正经历深刻的收入结构调整，传统最大的收入来源—固定电视直播业务增长乏力，卫星宽带服务业务未来10年的用户数量和收入规模则将产生300%的激增（数据源自美国北方天空研究所最新版《VSAT与宽带卫星市场》报告），巨额的回报预期推动了以Starlink为代表的一批低轨宽带互联网星座计划集中涌现。

其次，在于不断巩固和持续升级其既有的火箭研制及发射服务能力。目前来看，SpaceX公司的核心业务收入来源仍然是提供发射服务，这也是向其他领域拓展业务的根基所在。如果Starlink第一期星座建设计划（2019－2026年）顺利实施，按照当前猎鹰－9火箭的运载能力推算，至少可以确保每年10次以上的发射任务，对稳固其发射业务收入、降低发射服务成本、提升市场竞争力，具有重要的意义；另一方面，Starlink星座建设所产生的任务增量，对其持续扩充升级火箭研制能力和增强发射服务能力，也必将产生正面和直接的影响。

4 思考与建议

积极引入智能制造工具，实现卫星批量化自动化生产

以SpaceX公司和一网公司为代表，新兴低轨通信星座成千上万颗的卫星交付需求，对传统的卫星研制模式和理念形成巨大冲击。一网公司和空客防务与航天公司（ADS）合作，充分利用智能装配工具、大数据控制、机器人、增强现实工具以及自动测试系统等手段，加速整个总装、集成和测试（AIT）流程，其1条生产线共包括30个测试和组装工位，每个工位分配2名工人，可实现1天1星的出厂交付能力。其在佛罗里达州的卫星工厂将配备多条生产线，最高交付速度可达1天3星。

建议在处理低轨卫星制造问题时，从思路上更多地考虑“生产”而非“研制”，引入人工智能、3D打印、虚拟和增强现实等智能制造理念工具，优化调整卫星总装、测试和试验流程，推动卫星的批量化、自动化、短周期生产，牵引宇航制造能力的转型升级。

兼顾质量、成本与周期，利用商用现货手段提升交付效率实现产业链战略利益捆绑，塑造利于星座发展生态圈

传统地球静止轨道（GEO）卫星小批量、高成本特点，决定了需要反复测试和大量冗余措施，以最大程度降低故障率，保证最高的运行安全和稳定度。大规模低地球轨道（LEO）卫星的单星成本相对较低，除了进行卫星长寿命设计以外，可考虑利用在轨备份星等多种手段确保故障出现时的服务质量和连续性，如“下一代铱星”（Iridium NEXT）星座就包含了9颗在轨备份星，SpaceX公司第一期星座每个轨道面也有2颗备份星。此外，如OneWeb卫星结构供应商华格公司（Ruag）、星敏感器供应商法国索登公司（Sodern）都曾透露将提供基于商用现货（COTS）器件的产品，以提升交付能力。

简单来说，从99%提高到99.9%的质量要求，对研制成本和交付周期而言已绝非0.9%的增量，这种思维模式上的转变，值得重视。建议参考国外新兴星座的经验，加快开展商用现货器件抗空间环境试验、器件采购与筛选控制、容错设计等研究工作，加强商用现货器件的可靠性分析、验证和评估等，在可保障星座稳定运行基础上，提高交付效率和经济可承受性。

目前来看，新兴低轨星座动辄百亿甚至数百亿美元的建设成本，决定了单纯依靠一家公司、单个实体进行建设的愿望并不现实，充分挖掘资本市场、寻找适合自己的投资者成为重要的备选方案。而一网公司深度布局整个产业链条，利用投资者在卫星制造、发射部署、地面网络、系统技术以及推广运营等各方面的支持，形成以星座计划为核心的完整系统配套生态圈，这种做法值得借鉴学习。

对我国目前正在建设的“鸿雁”星座而言，建议在内部可以充分利用中国卫通集团有限公司的卫星关口站、业务和市场渠道，在外部则考虑与电信运营商的地面网络，与大型互联网公司（BAT），以及华为、中兴等公司的业务应用和技术资源结合，与航空、远洋、物流、保险等重点行业建立战略协议，合作开发行业解决方案，捆绑营销策略，充分发挥国内航天主力军的地位，积极塑造利于星座发展的良好生态环境，主导宽带星座业态的发展。