“星链”星座最新发展分析

+梁晓莉 李云（中国航天系统科学与工程研究院）

2019年5月24日，美国太空探索技术公司（SpaceX）利用“猎鹰”-9火箭发射60颗“星链”低轨卫星互联网星座的试验卫星，与2018年2月发射的2颗试验卫星配合，进一步测试星载天线和电推进系统。据the verge网站6月28日报道，太空探索技术公司称此次发射的60颗试验卫星中已有45颗到达550千米的工作轨道、5颗处于轨道提升中、5颗正在进行升轨操作前的检查、2颗将验证离轨技术、3颗已与地面失去联系。未来，该公司将根据本次试验情况在今年安排2～6次“星链”业务卫星的发射计划，正式开启星座建设工作。

一、60颗试验卫星基本情况

本次发射的60颗试验卫星采用批量生产，每颗质量227千克、与后续计划发射的业务卫星（质量386千克）相比较轻，结构采用独特的平板设计、与2018年已发射的两颗试验卫星采用箱体结构明显不同，搭载了1副太阳能电池阵列、4副高通量天线、霍尔推力器、恒星敏感器和自主避撞系统，但没有搭载星间链路载荷，需要通过地面站连接。这些试验卫星退役后，仅需1～5年时间就可再入大气层，且95%的元器件将在大气层中烧毁。与传统卫星相比，此次发射的“星链”试验卫星在推力器、自主避撞和部署方式等方面均采取了独特设计。

一是霍尔推力器利用氪为工质，成本更低。“星链”试验卫星是人类历史上首次使用氪作为霍尔推力器工质的卫星。相比传统的氙，氪的价格更便宜，可以降低卫星的生产成本，但比冲较小，在执行轨道提升、姿态保持和任务末期的大气再入等任务时需要的时间更长。

二是搭载自主避撞系统，降低撞击风险。“星链”试验卫星可以获取美国国防部的太空物体跟踪数据，在需要时可进行轨道调整，实现自主避撞，从而减少人为操作失误，在太空中最大限度避免卫星间、卫星与太空碎片间的相互碰撞，降低卫星在轨运行的风险。

图1 “星链”试验卫星

三是依靠火箭上面级转动进入预定轨道。本次发射试验卫星总重超过13吨，是“猎鹰”-9火箭迄今为止发射的最重载荷。与传统利用弹簧或爆炸螺栓等物理分离的方式不同，本次发射不单设弹簧或其他部署机构。发射前，60颗试验卫星按顺序整齐的叠放在火箭的整流罩中。在火箭到达预定位置后，试验卫星随着火箭上面级的转动、利用预先设置好的转动惯量缓慢地部署到440千米的低地球轨道，随后依靠自身推力进入550千米、倾角53°的运行轨道。

二、“星链”星座基本情况

太空探索技术公司于2015年公布“星链”星座计划，致力于为个人用户提供低时延的低地球轨道卫星宽带互联网服务。整个星座采用先实现美国本土全境覆盖、后完成全球覆盖的建设思路，将分三个阶段构建。

（一）初步覆盖

第一阶段利用部署于24个550千米、倾角53°的轨道面上的1584颗Ka/Ku频段卫星完成初步覆盖，每个轨道面66颗卫星，星座容量约30太比特/秒、时延15毫秒、可为每个终端提供最高1吉比特/秒的数据传输速率，预计部署400颗卫星后开始出售初期服务，2020年～2021年部署完800颗后可满足美国、加拿大和波多黎各等国天基互联网需求。业务卫星单星收拢尺寸4.0米×1.8米×1.2米，质量386千克，设计寿命5年，星下点覆盖范围半径1060千米、容量17～23吉比特/秒。

目前，从第75颗后的“星链”卫星已经重新设计，多数元件将采用铝等熔点较低的材料，以代替原先的铁、钢和钛等，使卫星重返大气层后完全烧尽，消除对地面的风险。根据卫星最初的设计，其铁制推力器、钢制反作用轮、碳化硅通信部件（可能是用于星间链路的反射镜）等大气再入时不能完全燃烧，将对人类或地面的物体产生威胁。由于前75颗卫星已经基本制造完成，所以这些卫星的部分元件可能会落回地球，后续的卫星将不会产生该问题。

（二）全球组网

第二阶段由部署于1110千米、1130千米、1275千米和1325千米等4种不同轨道高度的2825颗Ka/Ku频段卫星完成全球组网，其轨道面个数分别为32、8、5和6，各轨道面部署50～75颗卫星不等，预计2024年左右完成部署。

（三）能力增强

第三阶段由部署在335～345千米轨道高度的7518颗V频段卫星组成轨道更低的低轨星座，增加星座容量。V频段的星座将利用目前卫星通信很少采用的37吉赫～50吉赫范围内的频谱，与前两个阶段的Ka/Ku频段星座共同为用户提供通信速率更快、时延更低的宽带卫星通信服务。

2017年～2018年，“星链”星座的所有发展计划均已得到美国联邦通信委员会的批准，获得了在美国的落地权。此外，该星座还引起了美国军方的特别关注，并于2018年获得美国空军战略开发规划与实验办公室价值2870万美元的合同，用于在未来三年内测试军方使用该星座服务的可行性与方式。

三、与“一网”星座对比

除“星链”星座外，国外的“一网”星座也提出较早、发展较快，两者异同如下：

（一）均已经进入星座初步建设阶段

“星链”星座除此次发射的60颗试验卫星外，早已于2018年2月发射了2颗试验卫星。首批2颗试验卫星目前运行状态良好，且正被美空军战略开发规划与试验办公室测试通信能力。“一网”星座于2019年2月发射首批6颗试验卫星，正在对星座的卫星设计概念和系统设计方案进行全面演示验证。

（二）采用不同的系统架构

“星链”星座采用“天星天网”架构，将卫星作为网络传输节点，通过星间链路建立高速宽带通信网络，用户可直接接入卫星互联网络，不需经过地面系统。“一网”星座采用“天星地网”架构，将卫星作为连通用户终端和网关站的通道，卫星间没有星间链路，从网关站接入地面通信网络，通过全球分布的地面站实现整个系统的全球服务能力。

（三）星座建设与运营模式不同

“星链”和“一网”星座均致力于为全球用户提供宽带接入服务，但却采取不同的建设与运营模式。“星链”星座的卫星研制与生产、卫星发射、星座运营等均由SpaceX公司一力承当。由于SpaceX公司拥有自己的火箭及可重复使用发射技术，因此将降低“星链”星座的发射成本。“一网”星座则实现了全产业链条要素的垂直整合，在卫星制造、发射、运行和营销等各个环节强力联合了一网公司、软银集团、空客防务与航天公司、休斯网络系统公司、阿里安航天公司、蓝色起源公司、罗克韦尔·柯林斯公司、高通公司、可口可乐公司、俄罗斯信使公司、塔利亚公司、意大利因特马蒂奇公司等龙头企业，形成了一个利益集团。

表1 “星链”星座和“一网”星座情况及性能对比

四、几点认识

（一）追求实现星座建设运行整体最优

太空探索技术公司采用系统思维，对“星链”星座建设运行进行多方面优化，力求实现整体最优。一方面，“星链”星座规模巨大、卫星总数将达到12000颗，卫星之间互为备份，即使少数卫星性能出现故障或失效，也不会影响整个星座运行。另一方面，卫星追求快速迭代，每颗卫星的设计寿命仅为5年左右、低于传统高轨通信卫星寿命，不仅可以大幅降低单星可靠性设计要求，而且可以在部署过程中，根据积累的实践经验、最新的用户需求、先进技术的发展等不断更新优化。例如，“星链”后续部署的卫星还将加装星间激光通信、再入大气实现星体100%烧毁等功能。此外，“星链”卫星的设计和发射均由太空探索技术公司承担，因而可以开展星箭一体优化设计，形成能够最大限度利用运载火箭能力和整流罩内包络的方案，进一步降低星座建设成本。

（二）面临多方面的星座建设和运行挑战

一方面，“星链”星座计划在低地球轨道上部署近12000颗卫星，规模达到目前在轨工作卫星的5倍左右，建设成本预计将达到100亿美元，太空探索技术公司将面临巨大的融资压力。另一方面，“星链”星座虽然已获得美国联邦通信委员的落地许可，但其要求必须在获批的6年内完成部署一半的卫星、9年内完成部署所有卫星的要求。这对卫星的批量生产、批量发射、按需离轨、运营管理以及用户终端研制等能力均提出了巨大的挑战。此外，低轨卫星互联网星座将为个人用户提供获得宽带接入服务的新途径，对政府传统信息内容安全监管方式带来新的挑战，已成为主要航天国家关注的焦点和安全防范的重点。“星链”星座想在全球范围提供互联网宽带无缝接入服务，能否通过各国的安全风险评估并获得落地许可也将面临巨大挑战。

（三）面临“一网”等同类星座的激烈竞争

低轨卫星互联网星座已成为世界通信卫星近期发展的热点与重点。2019年2月发射试验卫星的“一网”星座、2018年发射1颗试验卫星的加拿大“电信卫星”星座和亚马逊公司2019年刚提出的“柯伊伯”星座等，均有可能成为“星链”星座的竞争对手。结合各星座的进展情况来看，“一网”星座对“星链”星座的竞争压力可能最大。不过，与“一网”星座在卫星的生产、发射、运营等环节更多依靠与空客防务与航天公司、休斯网络系统公司、阿里安航天公司、蓝色起源公司等企业强强联合不同，“星链”星座建设运行基本由太空探索技术公司一力承担，其星座建设的成本、进度和质量的可控程度可能会更高。SATNET