SpaceX启动大规模试验星部署的几点分析

李博（北京空间科技信息研究所）

北京时间2019年5月24日上午，美国太空探索技术公司（SpaceX）在卡纳维拉尔角空军基地利用重复使用的猎鹰－9运载火箭成功发射其“星链”（Starlink）星座首批60颗卫星，计划开展大规模在轨验证工作，为预定年内启动的正式星部署与组网运行奠定基础。

作为全球航天领域的重大热点事件，本次任务的成功，意味着时隔二十年重启的低轨星座建设热潮迎来重大里程碑，全球通信卫星行业格局调整节奏或将进一步加快。

1 Starlink试验星任务情况

本次发射的60颗卫星，是SpaceX继2018年2月发射两颗原型星—微星－2A/2B（Microsat－2A/2B）之后，再次发射的一组用于演示验证目的的卫星。这也是SpaceX公司提供商业发射服务以来，部署卫星数量最多、发射质量最大（约18.5t）的一次。

SpaceX 60颗试验星整流罩内排布

单星太阳翼在轨展开

与传统一箭多星方案不同，此次火箭整流罩内并未安装传统意义上的分配器（源自马斯克在5月 13日推特平台的说法：“No dispenser, it’s flat-packed”。），不为每颗卫星单设弹簧或爆炸螺栓，而采用了“特殊”的部署机构。卫星之间是通过“扁平封装”（Flat-Packed）的方式紧密堆叠在一起。入轨时，卫星随上面级的转动，以类似在桌上“摊牌”的方式非常缓慢地部署出去。根据本次发射的单星质量227kg推算，火箭所采用的部署机构质量达到5t左右。

与原型星定制生产不同，本次60颗均为批量化生产卫星。马斯克透露，60颗星的发射成本要高于研制成本，按照其复用火箭的商业发射报价计算，单星研制成本应低于100万美元。

卫星构型方面，采用扁平化设计，配有单块太阳能电池板及多副高通量Ku频段平板相控阵天线。

推进系统方面，采用氪离子霍尔效应电推进系统，而非传统的氙离子，主要是考虑到用于制备工质的氪气成本相对较低（为氙气1/10左右），但需要指出，这种方式能耗较高，推力器性能也会受到一定影响。任务执行过程中，卫星被部署至440km的轨道，随后自主机动抬升至550km的目标工作轨道。卫星在轨工作期间的轨道维持以及寿命结束后的离轨操作，也均由电推进系统完成。

姿态控制方面，卫星继承了SpaceX龙飞船的星敏感器设计经验，载有高精度的星敏导航系统，实现精准的姿态指向调整。据悉，卫星还能够接收北美防空防天司令部（NORAD）跟踪的空间碎片信息，并以此为依据，在靠近在轨碎片时实施机动，从而实现自动避碰。

电源系统方面，本次发射的60颗卫星太阳能电池板供电总功率超过“国际空间站”（约110kW），即单星供电功率接近2kW。

频率使用方面，测控链路频率为下行12.221GHz和上行13.925GHz，卫星入轨后将利用下行10.7～12.7GHz和上行14.0～14.5GHz频段与美国本土的5个Ku频段地面站之间进行数据传输测试。

通信性能方面，本次发射的60颗卫星总容量达1Tbit/s，由此推算单星容量可达17Gbit/s左右。

离轨处置方面，卫星95%以上的部件可在再入大气层时快速烧毁。此外，需要指出的是，本次发射的卫星未配备激光星间链路设备。

本次任务所采用的一级火箭曾于2018年9月和2019年初先后执行了电星－18V（Telstar－18V）和“下一代铱星”（Iridium NEXT）卫星发射任务。本次试验星发射之后，一级火箭拟再次进行回收。

针对后续计划，SpaceX公司预计在2019年年内进行2～6次正式星的发射。而马斯克及SpaceX相关高管透露：

1）至少还需要再部署6组60颗卫星，才能形成满足启动基本业务需求的“最小覆盖”（minor coverage）能力；

2）还需要部署12组卫星（加上试验星约800颗卫星），即可形成满足美国本土服务需求的“中等覆盖”（moderate coverage）能力；

3）预计进行24次发射，可完成星座在550km轨道高度上规划的所有卫星的部署工作。

2 Starlink星座计划概况

星座基本情况

SpaceX低轨星座项目最早于2015年提出，旨在提供全球高速宽带接入服务。2016年11月和2017年3月，SpaceX公司先后向美国联邦通信委员会（FCC）提出申请，计划部署两期、总数近12000颗低轨卫星，随后正式命名为Starlink，成为迄今为止人类提出的最大的星座项目。2018年3月和11月，SpaceX提交的两期星座申请文件先后获得FCC的正式许可。

第一期星座：共规划4425颗卫星，分布于83个轨道面，轨道高度在1150～1325km之间，工作在Ku/Ka频段，卫星质量约400kg，设计寿命5年，配备霍尔电推力器、激光星间链路、相控阵天线等先进设备，单星容量约17～23Gbit/s，约为OneWeb卫星的2倍，星座容量约100Tbit/s，为OneWeb第一代星座的10倍。

第二期星座：共规划7518颗卫星，轨道高度在330～350km之间，工作在V频段，同样具备激光星间链路、相控阵天线等先进载荷。

设计修改情况

值得一提的是，2018年11月，SpaceX公司向FCC提出针对第一期星座方案的修改申请，并于临近发射前的2019年4月26日获得批准。本次发射的60颗卫星全部应用了这些修改，具体方案如下。

（1）总数量减少16颗，部分卫星轨道降至550km

按照原计划，第一期Starlink星座分为两个阶段部署，其中，第一阶段将部署1600颗、轨道高度为1150km。而调整后，第一阶段部署数量减少至1584颗、轨道高度降为550km，倾角不变，轨道面减少。由此，第一期星座总数也从4425颗减少至4409颗。

（2）用频方案有所调整，离轨处置适当简化

根据FCC的批准文件，在第一期Starlink星座部署过程中，最先发射的不超过75颗的卫星（实际此次发射60颗）可以做出一些技术状态的简化，后续卫星则仍需按原技术方案要求研制。

一是频率方案方面，按原计划，卫星用户链路采用Ku频段、馈电链路采用Ka频段，调整后，此次发射的卫星在用户和馈电链路均只采用Ku频段，而且很有可能共用天线。

二是离轨处置方面，按原计划，所有卫星均需在离轨阶段受控再入大气层完全销毁，但调整后，本次发射的卫星在再入大气层过程中被允许产生少量残骸，根据SpaceX的评估，这种对离轨系统的简化处置，预计引起财产损失及人员伤害风险的概率为1/19800。

3 几点分析

卫星技术方案仍未定型，此次发射任务略显仓促

就本次任务而言，在已发射原型星的情况下，仍选择再次发射试验星而非业务星，而且卫星质量大幅降低、一些核心功能未能按原计划配备，甚至SpaceX公司内部也将此次发射的卫星称为Starlink v0.9，都反映出星座当前的技术方案尚未定型，仍有很大可能发生进一步改动。值得一提的是，本次任务曾在SpaceX公司内引发争议，马斯克在2018年6月因研制进度过慢而大规模调整Starlink项目团队领导层，包括解雇了当时负责卫星业务的副总裁，其核心分歧就在于是否应该对卫星进行更多轮的迭代优化，以确保可靠性。

客观来看，在仅一年左右的时间内，就相继完成定制原型星发射、在轨测试、方案修正，并迅速完成60颗试验星的重新设计、生产线组建与批量研制发射，利用传统的卫星工程方法基本无法实现。虽然SpaceX宣称其采用了设计、研制、测试、发射一体化集成模式以缩短周期，但可推断，除卫星本身功能的裁减外，其在研制流程、特别是在测试环节应当进行了幅度不小的简化，而且不排除大量使用非宇航级器件的可能。本次任务的最终成行，可视作在技术成熟度、工程进度要求与卫星质量风险之间的一种妥协，马斯克本人也对外透露“第一次任务很可能会出错”，“相控阵天线不一定能按最初设想工作”，或者推力器“无法按计划点火”（源自马斯克在2019年5月13日推特平台的 说 法：“Much will likely go wrong on 1stmission”）。因此，卫星入轨后能否真正达到预期性能，有待进一步观察。

工作星复杂度远超试验星，后续研制部署压力巨大

如前所述，本次发射的60颗卫星与Starlink最初规划的工作星相比，存在载荷与平台配置上的削减。但理性分析，对工作星而言，仅配置星间链路一项功能所带来的载荷设计复杂度和平台承载能力的提升，就并非从v0.9到v1.0版本的简单过渡。在透明转发模式下（如OneWeb卫星以及本次发射的Starlink试验星），卫星只是作为信号转发的通道，不进行调制、编码等复杂处理。而增加了激光终端及辅助跟瞄、光电转换等设备后，星上还必须配备相应信号处理器及路由算法，以完成对邻星接收数据的基带处理和交换路由传输，卫星不再是孤立的网络节点，整个星座将在空间组网运行，管理控制难度将大幅提升。而就行业现状来看，新增载荷，特别是星上处理类载荷的质量、空间与能耗不容忽视，也将对平台能力提出更高的要求。

此外，就后续任务而言，SpaceX面临着空前的研制和部署压力。根据FCC最新的要求，所有的低轨星座运营商都必须在获得许可后6年内完成至少一半数量卫星部署，9年内完成整个星座建设。SpaceX的两期星座接近12000颗卫星均于2018年获得FCC许可，这意味着，在2024年底前SpaceX就必须生产并发射近6000颗卫星，平均每年发射数量近1100颗，而即使满足这一条件，其后3年（即2025-2027年）卫星工厂的产能也必须翻番达到2000颗以上的年产量才能按时完成交付和部署。如果再考虑卫星在5年设计寿命结束后所引发的更新换代需求情况，势必对其卫星生产线建设、供应商体系能力提出前所未有的巨大挑战。

拉拢投资成为首要任务，降低建设成本势在必行

大规模的卫星研制和发射工作必须依赖巨额资金支持，但SpaceX在Starlink计划上的融资进展并不明朗，根据相关统计显示，其自2015年以来共融资约22亿美元，但由于公司并行开展了“猎鹰”系列火箭（可回收、重型等）、火星移民计划（“星船”（Starship））、载人货运飞船（龙飞船）等多个耗资巨大的项目，因此所融资金只能部分用于星座建设。根据马斯克最初预计，第一期星座完成建设需要至少100亿美元，而按照目前的发射价格推算，两期星座建设仅发射费用（以单次60颗计算）也将超过100亿美元，资金缺口巨大。相比之下，OneWeb计划已筹得34.5亿美元，基本能够支持初代星座的建设需求。再考虑到SpaceX在临近发射前的4月份，又启动新一轮5亿美元融资计划。可以判断，本次试验星任务的紧急上马，很大程度上也是为了提振投资者信心，为星座后续建设尽快谋求更多的资金支持。

积极开展融资是星座顺利完成部署的前提，但如何有效降低建设成本，并最终衍生为对用户的低价服务优势，是SpaceX作为卫星通信领域新进入者的核心竞争力所在。分析来看，发射方面，其一直致力于低成本可重复使用火箭研发，此次任务就采用了此前回收的一级火箭，未来随着火箭复用次数的增多，成本有望进一步降低，马斯克宣称，未来SpaceX还计划使用“星船”部署Starlink卫星，发射成本有望降至当前费用的1/5甚至更低，但这种说法可行性存疑；卫星方面，目前均为自研，其在西雅图的卫星工厂涵盖设计、生产、集成、测试的全流程能力，在职人员仅约400～500人（与OneWeb卫星工厂规模相仿），而且从此前对外招聘的“生产自动化”、“机器人”等职位以及马斯克在汽车工业批量生产的经验判断，利用智能工具开展自动化生产线建设，是其降低卫星研制成本的重要手段。

星座部署开启争抢节奏，关键市场已做提前布局

需要指出的是，本次任务虽然发射的只是试验星，但由于目标工作轨位和测试频段均与业务星相同，所以极有可能激活Starlink星座在国际电信联盟（ITU）申报的网络资料，从而起到占频保轨的重要作用。应当看到，低轨星座由于其提供全球服务的特殊性，无论是技术约束、频谱监管还是市场推广方面，先发、先用的系统都具有巨大优势。马斯克宣称，全球互联网通信连接服务领域市场规模约1万亿美元，而SpaceX计划通过Starlink星座攫取其中的3%，即每年该板块业务营收达到300亿美元甚至更多，未来该项目的收益将是支持其火星移民等其他项目的主要经济来源。在OneWeb已发射首批6颗业务星并计划年内部署150颗卫星的情况下，SpaceX此次任务与前者争抢建设进度的战略意图明显，而考虑到其他星座项目进展迟缓，SpaceX与OneWeb所引领的竞争格局已初步显现。

在此背景下，积极抢占核心的用户市场也成为星座角逐的关键。从SpaceX的动向分析来看，消费者宽带和军事应用领域是其布局重点：一方面，从首批2颗试验星开始，SpaceX对外均以“卫星WiFi”等为噱头进行重点宣传，其子公司SpaceX Services则于2019年2月向FCC提出“一揽子许可”申请，以生产并运营100万部Starlink用户终端，拟为美国本土及附属岛屿的用户提供宽带接入服务。而此次发射前，马斯克也对外透露，未来Starlink的用户终端尺寸将只有“披萨大小”，且“即插即用”，采用电扫方式，可在多星间无缝切换。另一方面，SpaceX也积极借鉴铱星（Iridium）星座的发展经验，积极争取军方的支持，于2019年3月获得美国空军价值2800万美元的“商业天基互联网军用试验”（DECSI）合同，将在3年的时间内利用Starlink星座开展相关的军事服务演示验证，未来有望融入美军作战卫星通信体系，获得更大的发展空间和收益。