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      SpaceX的“星鏈”究竟特殊在哪里?

      發布日期: 2019-07-25
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      SpaceX的“星鏈”究竟特殊在哪里?




      作者 |?梁曉莉、李云(中國航天系統科學與工程研究院)


      SpaceX的“星鏈”究竟特殊在哪里?

      2019年5月24日,美國太空探索技術公司(SpaceX)利用“獵鷹”9火箭發射60顆“星鏈”低軌衛星互聯網星座的試驗衛星,與2018年2月發射的2顆試驗衛星配合,進一步測試星載天線和電推進系統。據the verge網站6月28日報道,太空探索技術公司稱此次發射的60顆試驗衛星中已有45顆到達550千米的工作軌道、5顆處于軌道提升中、5顆正在進行升軌操作前的檢查、2顆將驗證離軌技術、3顆已與地面失去聯系。未來,該公司將根據本次試驗情況在今年安排2~6次“星鏈”業務衛星的發射計劃,正式開啟星座建設工作。


      一、60顆試驗衛星基本情況


      本次發射的60顆試驗衛星采用批量生產,質量227千克、與后續計劃發射的業務衛星(質量386千克)相比較輕,結構采用獨特的平板設計、與2018年已發射的兩顆試驗衛星采用箱體結構明顯不同,搭載了1副太陽能電池陣列、4副高通量天線、霍爾推力器、恒星敏感器和自主避撞系統,但沒有搭載星間鏈路載荷,需要通過地面站連接。這些試驗衛星退役后,僅需1~5年時間就可再入大氣,且95%的元器件將在大氣層中燒毀。與傳統衛星相比,此次發射的“星鏈”試驗衛星在推力器、自主避撞和部署方式等方面均采取了獨特設計。


      SpaceX的“星鏈”究竟特殊在哪里?

      圖1 “星鏈”試驗衛星


      一是霍爾推力器利用氪為工質,成本更低。“星鏈”試驗衛星是人類歷史上首次使用氪作為霍爾推力器工質的衛星。相比傳統的氙,氪的價格更便宜,可以降低衛星的生產成本,但比沖較小,在執行軌道提升、姿態保持和任務末期的大氣再入等任務時需要的時間更長。


      二是搭載自主避撞系統,降低撞擊風險。“星鏈”試驗衛星可以獲取美國國防部的太空物體跟蹤數據,在需要時可進行軌道調整,實現自主避撞,從而減少人為操作失誤,在太空中最大限度避免衛星間、衛星與太空碎片間的相互碰撞,降低衛星在軌運行的風險。


      三是依靠火箭上面級轉動進入預定軌道。本次發射試驗衛星總重超過13噸,是“獵鷹”-9火箭迄今為止發射的最重載荷。與傳統利用彈簧或爆炸螺栓等物理分離的方式不同,本次發射不單設彈簧或其他部署機構。發射前,60顆試驗衛星按順序整齊的疊放在火箭的整流罩中。在火箭到達預定位置后,試驗衛星隨著火箭上面級的轉動、利用預先設置好的轉動慣量緩慢地部署到440千米的低地球軌道,隨后依靠自身推力進入550千米、傾角53°的運行軌道。


      二、“星鏈”星座基本情況


      太空探索技術公司于2015年公布“星鏈”星座計劃,致力于為個人用戶提供低時延的低地球軌道衛星寬帶互聯網服務。整個星座采用先實現美國本土全境覆蓋、后完成全球覆蓋的建設思路,將分三個階段構建。



      (一)初步覆蓋

      第一階段用部署于24個550千米、傾角53°的軌道面上的1584顆Ka/Ku頻段衛星完成初步覆蓋,每個軌道面66顆衛星,星座容量約30太比特/秒、時延15毫秒、可為每個終端提供最高1吉比特/秒的數據傳輸速率,預計部署400顆衛星后開始出售初期服務,2020年~2021年部署完800顆后可滿足美國、加拿大和波多黎各等國天基互聯網需求。業務衛星單星收攏尺寸4.0米×1.8米×1.2米,質量386千克,設計壽命5年,星下點覆蓋范圍半徑1060千米、容量17~23吉比特/秒。


      目前,從第75顆后的“星鏈”衛星已經重新設計,多數元件將采用鋁等熔點較低的材料,以代替原先的鐵、鋼和鈦等,使衛星重返大氣層后完全燒盡,消除對地面的風險。根據衛星最初的設計,其鐵制推力器、鋼制反作用輪、碳化硅通信部件(可能是用于星間鏈路的反射鏡)等大氣再入時不能完全燃燒,將對人類或地面的物體產生威脅。由于前75顆衛星已經基本制造完成,所以這些衛星的部分元件可能會落回地球,后續的衛星將不會產生該問題。




      (二)全球組網

      第二階段由部署于1110千米、1130千米、1275千米和1325千米等4種不同軌道高度的2825顆Ka/Ku頻段衛星完成全球組網,其軌道面個數分別為32、8、5和6,各軌道面部署50~75顆衛星不等,預計2024年左右完成部署。




      (三)能力增強

      第三階段由部署在335~345千米軌道高度的7518顆V頻段衛星組成軌道更低的低軌星座,增加星座容量。V頻段的星座將利用目前衛星通信很少采用的37吉赫~50吉赫范圍內的頻譜,與前兩個階段的Ka/Ku頻段星座共同為用戶提供通信速率更快、時延更低的寬帶衛星通信服務。


      2017年~2018年,“星鏈”星座的所有發展計劃均已得到美國聯邦通信委員會的批準,獲得了在美國的落地權。此外,該星座還引起了美國軍方的特別關注,已于2018年獲得美國空軍戰略開發規劃與實驗辦公室價值2870萬美元的合同,用于在未來三年內測試軍方使用該星座服務的可行性與方式。


      三、與“一網”星座對比


      SpaceX的“星鏈”究竟特殊在哪里?


      除“星鏈”星座外,國外的“一網”星座也提出較早、發展較快,兩者具備以下異同:




      (一)均已經進入星座初步建設階段

      “星鏈”星座除此次發射的60顆試驗衛星外,早已于2018年2月發射了2顆試驗衛星。首批2顆試驗衛星目前運行狀態良好,且正被美空軍戰略開發規劃與試驗辦公室測試通信能力?!耙痪W”星座于2019年2月發射首批6顆試驗衛星,正在對星座的衛星設計概念和系統設計方案進行全面演示驗證。




      (二)采用不同的系統架構

      “星鏈”星座采用“天星天網”架構,將衛星作為網絡傳輸節點,通過星間鏈路建立高速寬帶通信網絡,用戶可直接接入衛星互聯網絡,不需經過地面系統?!耙痪W”星座采用“天星地網”架構,將衛星作為連通用戶終端和網關站的通道,衛星間沒有星間鏈路,從網關站接入地面通信網絡,通過全球分布的地面站實現整個系統的全球服務能力。




      (三)星座建設與運營模式不同

      “星鏈”和“一網”星座均致力于為全球用戶提供寬帶接入服務,但卻采取不同的建設與運營模式。


      “星鏈”星座的衛星研制與生產、衛星發射、星座運營等均由SpaceX公司一力承當。由于SpaceX公司擁有自己的火箭及可重復使用發射技術,因此將降低“星鏈”星座的發射成本。


      “一網”星座卻實現了全產業鏈條要素的垂直整合,在衛星制造、發射、運行和營銷等各個環節強力聯合了一網公司、軟銀集團、空客防務與航天公司、休斯網絡系統公司、阿里安航天公司、藍色起源公司、羅克韋爾?柯林斯公司、高通公司、可口可樂公司、俄羅斯信使公司、塔利亞公司、意大利因特馬蒂奇公司等龍頭企業,形成了一個利益集團。


      表1 “星鏈”星座和“一網”星座情況及性能對比

      SpaceX的“星鏈”究竟特殊在哪里?



      四、幾點認識





      (一)追求實現星座建設運行整體最優


      太空探索技術公司采用系統思維,對“星鏈”星座建設運行進行多方面優化,力求實現整體最優。一方面,“星鏈”星座規模巨大、衛星總數將達到12000顆,衛星之間互為備份,即使少數衛星性能出現故障或失效,也不會影響整個星座運行。另一方面,衛星追求快速迭代,每顆衛星的設計壽命僅為5年左右、低于傳統高軌通信衛星壽命,不僅可以大幅降低單星可靠性設計要求,而且可以在部署過程中,根據積累的實踐經驗、最新的用戶需求、先進技術的發展等不斷更新優化。


      例如,“星鏈”后續部署的衛星還將加裝星間激光通信、再入大氣實現星體100%燒毀等功能。此外,“星鏈”衛星的設計和發射均由太空探索技術公司承擔,因而可以開展星箭一體優化設計,形成能夠最大限度利用運載火箭能力和整流罩內包絡的方案,進一步降低星座建設成本。





      (二)面臨多方面的星座建設和運行挑戰


      一方面,“星鏈”星座計劃在低地球軌道上部署近12000顆衛星,規模達到目前在軌工作衛星的5倍左右,建設成本預計將達到100億美元,太空探索技術公司將面臨巨大的融資壓力。另一方面,“星鏈”星座雖然已獲得美國聯邦通信委員的落地許可,但其要求必須在獲批的6年內完成部署一半的衛星、9年內完成部署所有衛星的要求。這對衛星的批量生產、批量發射、按需離軌、運營管理以及用戶終端研制等能力均提出了巨大的挑戰。


      此外,低軌衛星互聯網星座將為個人用戶提供獲得寬帶接入服務的新途徑,對政府傳統信息內容安全監管方式帶來新的挑戰,已成為主要航天國家關注的焦點和安全防范的重點?!靶擎湣毙亲朐谌蚍秶峁┗ヂ摼W寬帶無縫接入服務,能否通過各國的安全風險評估并獲得落地許可將面臨巨大挑戰。





      (三)面臨“一網”等同類星座的激烈競爭


      低軌衛星互聯網星座已成為世界通信衛星近期發展的熱點與重點。2019年2月發射試驗衛星的“一網”星座、2018年發射1顆試驗衛星的加拿大“電信衛星”星座和亞馬遜公司2019年剛提出的“柯伊伯”星座等,均有可能成為“星鏈”星座的競爭對手。結合各星座的進展情況來看,“一網”星座對“星鏈”星座的競爭壓力可能最大。


      不過,與“一網”星座在衛星的生產、發射、運營等環節更多依靠與空客防務與航天公司、休斯網絡系統公司、阿里安航天公司、藍色起源公司等企業強強聯合不同,“星鏈”星座建設運行基本由太空探索技術公司一力承擔,其星座建設的成本、進度和質量的可控程度可能會更高。



      SpaceX的“星鏈”究竟特殊在哪里?








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