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卫星互联网解读—马斯克的星链与中国航天

作为钢铁侠的现实“衣钵传人”,埃隆·马斯克的每一个动作似乎都充满了科幻色彩。关于马斯克和SpaceX的新闻,我们总能隔三差五地在网上看到,大部分都是关于火箭回收、卫星发射以及移民火星。

作为钢铁侠的现实“衣钵传人”,埃隆·马斯克的每一个动作似乎都充满了科幻色彩。关于马斯克和SpaceX的新闻,我们总能隔三差五地在网上看到,大部分都是关于火箭回收、卫星发射以及移民火星。

2015年,马斯克在西雅图公布了一个比在火星上种植蔬菜还要疯狂的计划,Starlink——星链计划。该计划旨在通过建设由数以万计的星链人造卫星组成的网络,使所有卫星连成一个“星座”,为全世界每个角落提供可靠的互联网连接。

卫星互联网解读—马斯克的星链与中国航天

SpaceX公司将在未来七年内往太空发射11943颗通信卫星,这些通信卫星将覆盖整个地球,为全球几十亿人提供高网速、低延迟、价格便宜的网络服务。

目前为止,人类总共发射了约8000多颗卫星,但在轨运行的也就不到2000颗,如果星链计划能够如期完成,那么SpaceX一家公司拥有的卫星数量将是其余卫星数量总和的6倍。

其实,有关卫星互联网的竞争从上世纪九十年代就开始了。

当时,美国摩托罗拉公司在汽车电子和通信电子领域处于绝对垄断地位,就如现在的华为,是通信工程师心中认定的殿堂级公司。而那时的地面基站建设成本是非常高的,并且部署难度十分大,根本无法达到全球覆盖。

1987年,摩托罗拉公司的工程师工程师巴里·伯蒂格与其妻子在加勒比海度假时,妻子向他抱怨说,她无法用手机联系到她的客户。回到家后,巴里和摩托罗拉在亚利桑那州工作的卫星通信小组的另外两名工程师提出了一个脑洞大开的想法——“我们是否能把地面基站搬到天上去?”

于是,他们想到了一种铱星解决方案,由77颗近地卫星组成的星群,让用户从世界上任何地方都可以打电话。由于金属元素铱有 77 个电子,这项计划就被称为了铱星计划,后来由于成本预算的问题,卫星的总数降到了 66 个。

最初,摩托罗拉对这个项目的内部代号也很科幻,叫做“星球大战计划”,并于1990年对外发布计划,1996年开始部署,计划在轨运营66颗卫星,部署成本大概在60亿美金左右。

美国的“德尔塔2型”火箭、俄罗斯的“质子K型”火箭和我国的“长征2号丙改进型”火箭分别承担了铱星的发射任务。1998年5月,布星任务全部完成,11月1日,正式开通了全球的通信业务。

然而在当时,传统的手机已经完全占领了市场,由于无法形成稳定的客户群,66颗卫星还没发射完,这个项目就破产了。

铱星计划的失败给了科学家们很多思考,由于手机缺乏,销售力量不足,价格昂贵,开业的前两个季度,在全球只发展了1万用户,到申请破产为止,这个耗资50亿美元建立的通信网只有5.5万用户,而一些分析家估计该公司要实现盈利平衡至少需要65万用户。

如今,智能通讯领域飞速发展,互联网手机已经不再稀缺,于是,马斯克在铱星计划的基础上,提出了更为成熟星链计划。

星链计划中,大约35%的卫星落在1200千米的高度,主要部署在Ku波段和Ka波段,用于卫星固定、卫星广播以及卫星通信,约65%的卫星会坐落在300千米的高度的V波段。

SpaceX的官方测试数据显示,星链的网络下行速度可以达到1440Mbps,在飞行的C-12运输机上检测到了610Mbps,这个速度比铱星计划的系统快了很多。

雷达波段划分

我国频率划分及用途表

一颗猎鹰九号大概能承载六十颗星链卫星升空,每一颗卫星上都有一个功能强大的离子推进系和一个定制的内部导航传感器,有一定的推进能力,同时还可以随时改变角度。每颗星链卫星将使用激光与它周围的四颗卫星通信,组成一个全球的网络。

2018年2月,SpaceX的猎鹰九号在加利福尼亚成功发射,它携带的两颗星链实验卫星宣告了星链建设的正式开启,在此之后,SpaceX加快了星链的建设速度。

2019年5月,SpaceX成功发射了一箭60星,火箭发射之后,一级火箭被稳稳地回收到了海上平台。按照SpaceX的发射计划,以及美国政府要求的最后期限,星链计划将在2024年之前部署4425颗卫星,在2027年之前完成所有的卫星部署。

猎鹰九号火箭发射-入轨-回收流程

2020年4月23日,猎鹰九号第七次搭载60颗卫星发射,5月1日,这一趟“银河号列车”过境福建、广东等地的夜空,由于距离发射已过去一个多星期,这批星链到达轨道之后逐渐散开,所以不少群众观测到了四十颗相对明亮的卫星。

星链计划的目标群体是亚非拉偏远的农村地区,或者经济相对落后的地区,这些地区由于人口稀少或者基础设施比较落后,根本无法使用互联网,但随着现在智能手机的普及,处于偏远地区的人们有着很强意愿去连接互联网,他们只需要花200美金买一个披萨大小的设备,就可以完成互联网的链接。

一旦整个网络建成,spaceX将是全球最大的宽带互联网运营商,预计每年收入约300亿美金。只有得到了这些收入之后,马斯克登陆火星的远大目标才能够持续地进行下去。

或许有人会有这样的疑问,星链计划会不会颠覆现在的网络形式,影响我们5G的发展呢?星链计划目前处于早期,有很多的不确定性,但在可预见的未来当中,星链计划并不会颠覆未来的网络形式,它恰恰是一个和5G呈互补关系的存在。

除了身为Spacex太空探索技术公司的创始人之外,马斯克还是环保跑车公司特斯拉的CEO,车联网和低轨物联网系统架构也是星链计划的愿景之一。未来汽车会是移动互联网的另一大场景,未来的智能驾驶、智慧汽车不只是单个汽车通过传感器实现,需要通过边缘计算和上层网络来实现。

车联网和物联网是星链的本质,人们不可能只在信号好的城市里开车,就算是在室内,卫星通信网络信号还是会有很大的衰弱。而在农村、沙漠、海洋,人们无法建造太多5G基站,所以星链这类的低轨互联网的作用是配合5G而不是颠覆5G。

星链的卫星是将互联网信号直接传送到地面上的网关或用户终端的,这就意味着在基础设施的投入要少得多。简单的说,就是在农村地区的地面不需要建设那么多基站了。星链的系统延迟是比较少的,因为星链的卫星大多数分布在350~500千米的高度,这比其他卫星要近很多。

这就意味着互联网信号传播到卫星的距离短了很多,信号在空间真空中的传播速度比入地光缆快47%,星链的延迟大概是在20毫秒到35毫秒之间,未来会逐步达到10毫秒左右。依照这个速度,打游戏没有太大的问题,也能够基本满足车联网的要求,但离5G还是差一些。

中国研究院于2019年发布的《中国宽带发展白皮书》中显示,我国固定宽带用户达4.35亿,我国基础电信企业陆续启动了G.654.E干线光缆的采集。2019年推动基础电信企业在超过300个城市部署千兆宽带网络的接入,千兆网络覆盖的范围达到了2000万个家庭。

光纤的价格并不便宜,为什么我国大部分人都会觉得光纤不贵呢?原因在于,我国城市人口居多,大家分摊后就变得优惠了,像加拿大、美国,包括非洲、南北极、海洋表面等这些地广人稀的地区,接入光纤并不划算。所以星链的系统定位是全球市场,而不是某个国家的市场,更不是人口密集的城市个人用户市场。

不可否认,卫星互联网与传统的地面网络相比有其自身的优势,截至2020年3月31日,科学家联盟(usc)的数据库显示,地球上发射的在轨卫星有2666颗。而地球低轨轨道、频率资源有限,国际卫星界通常遵循“先占先得”理念,稀缺的轨道资源已经让低轨太空进入了竞争模式,那么我国在竞争激烈的卫星互联网领域中,该如何追赶呢?

2016年11月,在马斯克提出星链计划概念后的一年,中国航天科技集团公司在珠海航展期间发布了“鸿雁星座”项目,该系统将由300颗低轨道小卫星及全球数据业务处理中心组成,具有全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力,可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务。

鸿雁星座一期工程计划2021年前后完成,整个计划在 2024 年前后完成。

按照规划,鸿雁星座分为两个阶段进行建设。一期工程先发射60余颗距地1100公里左右的近地轨道卫星,完成全球覆盖,一期工程带宽有限,优先支持全球电话业务,并支持重点地区的移动宽带互联网接入;二期工程再发射300 余颗卫星,将大大扩展网络容量,完成全球移动宽带互联网业务支持。

待全部完工后,系统容量可服务200万以上移动电话(进行语音通话)用户、20万以上宽带互联网(100M以上速率数据连接)用户及1000万以上物联网(小数据量多连接数)用户。

2018年12月29日,鸿雁星座的第一颗卫星在西北大漠的酒泉发射基地成功进入预定轨道。相较于其它主要的低轨通讯系统,“鸿雁星座”进展稍慢,但我国陆地基站覆盖相对全球其它国家完善很多,内陆地区的居民几乎少有“上不了网”的情况出现,所以鸿雁星座也主要覆盖目标和市场空间并不在我国内陆人口密集区。

在我国海洋、野外、山林等区域,地面通信系统通常无法实现全面覆盖。海上轮船、海洋钻井平台、南海诸岛、两极科考、海外密林沙漠地带、海外建设队伍、海外驻守人员等通讯,此前一直依赖铱星等国外通讯系统,不仅花费高,安全问题也无法得到保障。我国目前尚无低轨卫星通信系统,若鸿雁星座成功推向市场,将成为首个满足基本卫星数据通信需求的系统。

就在鸿雁星座第一颗卫星发射的前一周,2018年12月22日,虹云工程首星在酒泉卫星发射中心成功发射并进入预定轨道,成功实现了网页浏览、微信发送、视频聊天、高清视频点播等典型互联网业务。

虹云工程脱胎于中国航天科工的“福星计划”,计划发射156颗卫星,它们在距离地面1000公里的轨道上组网运行,构建一个星载宽带全球移动互联网络,实现网络无差别的全球覆盖。

虹云工程定位的用户群体主要是集群的用户群体,包括飞机、轮船、客货车辆、野外场区、作业团队以及一些偏远地区的村庄、岛屿等。

2019年1月上旬,虹云工程首次在天地连通通信试验中通过卫星发出信息——“多少事,从来急;天地转,光阴迫。一万年太久,只争朝夕”。随后,虹云工程又完成了多次全系统、全流程互联网业务通信功能试验和多用户站入网通信试验,均取得圆满成功。

星链计划如果成功,SpaceX会成为唯一一个可以提供全球实时地面直播的公司,为全球企业或政府服务虹云卫星能够实现每24小时向地面发送超过30万张高清图片,实则已达到高清直播的水准。

但SpaceX计划发射11943万颗卫星,一颗卫星只需覆盖120公里,而虹云工程计划发射156颗卫星,覆盖面积要就比星链卫星大得多,所以高清直播的效果或许没有星链那么好。

路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。面对星链计划,我国正快马加鞭不断探索,未来可期。

本文转载自“无线深海”,未经原作者授权禁止二次转载

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