2024年8月6日,有中國版“星鏈”之稱的“千帆星座”(G60星鏈)首批18顆組網衛(wèi)星搭乘長征六號甲運載火箭發(fā)射升空。
北京時間2024年8月6日14時42分,長征六號甲運載火箭承載著“千帆星座”首批18顆組網衛(wèi)星,從太原衛(wèi)星發(fā)射中心直沖云霄。兩個小時后,衛(wèi)星順利進入預定的極地軌道,發(fā)射任務獲得圓滿成功,這標志著我國向全球衛(wèi)星互聯網領域邁出了重要一步。
被稱為中國版“星鏈”的千帆星座是項什么工程?它與現有衛(wèi)星系統(tǒng)有何異同?未來,千帆星座將打造怎樣的低軌互聯網布局,又將面臨哪些挑戰(zhàn)?
千帆星座是由上海市政府支持的商業(yè)航天項目,旨在提供寬帶互聯網服務。它的另一個名字叫“G60星鏈”,由此可知,它對標的國外產品是SpaceX的星鏈(Starlink)。
打個比方,千帆星座如同一個運行在天上的巨型Wi-Fi網絡,等將來建成,大家在戶外也可以上網了?？赡苡腥藭械狡婀?“移動基站無處不在,現在在戶外就能上網啊!”其實,移動基站的“無處不在”,基站多、信號好,只針對人們平時生活和工作的地方而言。城市村莊和陸地交通沿線%,在荒山、草原、沙漠、海洋、冰原這些地方,移動基站就鞭長莫及了。此外,假如遇到地震、洪水等特大自然災害,通信基站和電力系統(tǒng)被大規(guī)模破壞時,天上這座不受地面基礎設施限制的寬帶互聯網便能派上用場。
千帆星座所規(guī)劃的最終架構是到2030年底,在地球周圍部署大約14000顆衛(wèi)星,覆蓋人類活動的大部分區(qū)域。而在大洋彼岸,截至2024年3月,SpaceX星鏈已經發(fā)射了6000多顆衛(wèi)星,計劃部署12000顆,甚至有可能增至34400顆。
構建互聯網衛(wèi)星星座,不但有實用性,而且有緊迫性。無論是千帆星座還是SpaceX星鏈,它們都運行在2000公里以下的太空中,屬于近地衛(wèi)星(低軌衛(wèi)星)。全球對近地軌道資源的競爭非常激烈,目前除了中國和美國以外,還有英國、加拿大、俄羅斯、德國、韓國等多個國家相繼規(guī)劃了宏大的近地互聯網衛(wèi)星組網計劃。本著“先到先得”的分配法則,抓緊機遇,才能更有效地合理利用軌道資源。
6G通信的實現也與基于低軌衛(wèi)星的衛(wèi)星互聯網密切相關。未來的手機直連等衛(wèi)星應用,可以使手機繞過傳統(tǒng)的信號轉發(fā)設備,直接與衛(wèi)星進行信號的發(fā)送和接收,從而提供更廣闊的覆蓋范圍和更高的通信可靠性。基于這些優(yōu)勢,低軌衛(wèi)星通信成了全球熱點新興產業(yè)。截至2024年7月,全球在軌衛(wèi)星超過1萬顆,其中中低軌衛(wèi)星占比超過85%。
除了軌道占位,還有通信頻率占位值得關注。根據國際電信聯盟的規(guī)定,所有衛(wèi)星運營商必須先向國際電信聯盟提出申請,才能享有特定頻率的優(yōu)先使用權。從申請到發(fā)射是有過期時效的,不能只訂座不到場,這也對組網星座的項目執(zhí)行效率提出了嚴格要求。
從更深層次的角度來考慮,建設自己的互聯網衛(wèi)星星座,可以擺脫對國外系統(tǒng)的技術依賴,對國家安全和技術主導地位具有重要的戰(zhàn)略意義。
也許大家還有疑惑:我國不是已經有衛(wèi)星電話了嗎?為什么互聯網衛(wèi)星不在現有系統(tǒng)上升級?聽說北斗導航系統(tǒng)也有短報文功能(北斗導航系統(tǒng)提供的一種獨特通信功能,利用衛(wèi)星信號實現簡短文字通信),和“千帆”的區(qū)別又在哪里?
簡單來說,千帆星座主要致力于提供高速、海量數據的互聯網通信服務,和已有的衛(wèi)星電話或短報文業(yè)務沒有重疊關系。要說這三者的區(qū)別,最關鍵的因素就是數據量和通信延遲。
語音和短信的數據量非常小,即使通話略有延遲,使用起來也沒什么影響。所以,衛(wèi)星電話的通信衛(wèi)星和北斗導航衛(wèi)星“站得高、看得遠”,更側重每顆衛(wèi)星的信號覆蓋范圍,同時為了節(jié)省成本,把較少的衛(wèi)星盡可能遠地放到中高軌道或遠地軌道上。例如,天通一號通信衛(wèi)星就運行在距地35786公里的靜止軌道上,信號一來一回,至少需要0.24秒。
但這個短暫的通信延遲對于互聯網衛(wèi)星而言就不可忍受了。通常用戶在網上刷一個頁面,看到的每幅圖片、每段視頻都要從瀏覽器發(fā)起請求,通過衛(wèi)星送到服務器(一次地-天-地的往返),然后由服務器把圖片或視頻編碼打包,再通過衛(wèi)星傳回用戶(又一次地-天-地的往返)。整個過程包含兩次往返(0.48秒),更何況由于數據傳輸協議的一些細節(jié),光是建立連接就需要信號往返3次。
因此,互聯網衛(wèi)星距離地面不能太高,否則信號微弱、延遲嚴重。但如果衛(wèi)星飛得太低,又容易被大氣層(盡管極其稀薄)拖拽減速。
綜上,衛(wèi)星的軌道選擇必須經過審慎考慮,在多與少、高與低之間找到最優(yōu)方案。目前,千帆星座第一期計劃為到2025年底用648顆衛(wèi)星提供局部網絡覆蓋,到2027年底,再添648顆衛(wèi)星,提供全球網絡覆蓋。此次在太原首發(fā)的18顆衛(wèi)星,運行高度均在800公里左右。已有幾千顆衛(wèi)星組網的SpaceX星鏈,衛(wèi)星飛得更低,大部分運行在340公里到600公里之間。等千帆星座后續(xù)衛(wèi)星數量上去之后,也會把軌道調整到這個高度。
盡管互聯網衛(wèi)星的軌道不高,但畢竟遠在幾百公里以外,如果和沒改裝過的手機直連,還是很吃力的。例如,SpaceX星鏈的地面用戶就需要借助直徑50厘米左右的天線與衛(wèi)星通信。那為什么衛(wèi)星電話的通信衛(wèi)星可以和外觀正常的手機直連呢?這是由于發(fā)射數量不多,衛(wèi)星就可以做得很大,它的發(fā)射功率和接收靈敏度提高了,地面設備自然可以保持普通手機的模樣,比如天通一號衛(wèi)星就背著一口“大鍋”——15米口徑的網狀天線。同理,由于互聯網衛(wèi)星的發(fā)射數目成千上萬,所以必須做得相當小巧,以便一箭多星。例如,千帆星座此次發(fā)射的18顆衛(wèi)星,都是平板式外觀,以便堆疊在火箭整流罩的寶貴空間中。
此次千帆星座首批衛(wèi)星成功發(fā)射,不僅標志著中國版“星鏈”正式開建,也意味著上游衛(wèi)星、商業(yè)火箭制造以及相關設備、零部件企業(yè)真正擁有了“大客戶”,商業(yè)航天產業(yè)鏈有望全程打通。
千帆星座的衛(wèi)星數目不是十個八個,而是成千上萬。量變引起質變,衛(wèi)星數量龐大,意味著將面臨許多前所未有的挑戰(zhàn)。
首先是生產。據專家介紹,申請到電信頻率和軌道之后,7年內必須發(fā)射第一顆星,9年內的發(fā)射總數須達到10%,12年內達到50%,14年內整個星座完成發(fā)射。已知的千帆一期648顆衛(wèi)星中,一半由上海微小衛(wèi)星工程中心生產,另一半由上海格思生產。前者自主研發(fā)了衛(wèi)星智能制造平臺,建立起模塊化、標準化的生產線顆以上。后者今年能夠交付50顆至70顆衛(wèi)星,后續(xù)目標年產270顆。按這些數字來估算的線顆的短期目標,但要想實現14000顆星的完整組網目標,還需擴充生產線、進行技術革新。
其次是發(fā)射。如果按一箭18星發(fā)射的線次發(fā)射,基本上每半個月就要發(fā)射一次。如果能夠做到一箭36星,發(fā)射計劃就可以更寬裕,只是要防范風險,因為一次發(fā)射太多的話,萬一出意外,損失是相當驚人的。到2027年底,發(fā)射壓力還不算很大,但是再往后看,若要達到2030年底千帆星座構建完畢的目標,至少每年要發(fā)射4200顆衛(wèi)星,相當于117次“一箭36星”,這對衛(wèi)星的產能、火箭的產能、發(fā)射場的運維管理都是巨大的考驗。
接下來是太空碎片的隱患。自1957年蘇聯首次將人造衛(wèi)星送入太空,到2019年SpaceX星鏈上天前夕,人類往地球周圍總共發(fā)射了約5000枚航天器。從2019年開始,SpaceX星鏈僅憑一己之力,就把這個數字翻了一倍有余。如果千帆星座和其他各方的類似計劃進展順利的話,這個數字還會繼續(xù)上升。一個目前無法改變的客觀事實是,衛(wèi)星壽命有限,航天發(fā)射也會產生不少“副產品”,這些不受控的太空碎片會給在軌衛(wèi)星帶來極大威脅。2021年7月和10月期間,SpaceX星鏈衛(wèi)星曾先后兩次接近中國空間站,迫使空間站采取緊急機動措施以避免碰撞。跟蹤、清理或規(guī)避太空碎片,保證空間軌道的安全,始終是擺在各國航天機構面前的一大難題。
最后是衛(wèi)星數量激增對科研工作的影響。衛(wèi)星在可見光和射電波段都非常明亮,會嚴重干擾科學觀測。2020年11月,哈勃空間望遠鏡正在對一片天區(qū)進行長時間曝光時,SpaceX星鏈1619號從望遠鏡上方僅幾千米的地方掠過,在照片上留下一道又粗又亮的軌跡,讓觀測功虧一簣。成批衛(wèi)星在剛剛發(fā)射上天時,更是會排成一隊,浩浩蕩蕩地穿過望遠鏡的視野。針對這些問題,SpaceX也做了一些彌補方案,包括使用低反射涂層、遮光罩以及利用鏡面把陽光反射回太空等。不過,在空間望遠鏡的超高靈敏度面前,這些減光措施收效甚微。
其實,千帆星座不是我國唯一規(guī)劃的巨型星座。2020年9月,我國以“GW”為代號申報了低軌衛(wèi)星星座,共計12992顆衛(wèi)星,由2021年成立的中國星網集團負責,其首批衛(wèi)星有望很快發(fā)射。
這些巨型星座計劃需要大幅提高發(fā)射能力,來降低發(fā)射成本。為此,我國正在大力推動可回收火箭的研發(fā)。除了成本考量之外,可回收火箭還能夠有效減少太空碎片。在這一領域,北京星際榮耀和藍箭航天都是民營航天企業(yè)中的翹楚。作為國家隊,中國航天科技集團八院也已成功進行了國內首次10公里級垂直起降飛行試驗。樂觀估計,到2025年,將有多款可回收的中型運載火箭各自完成首飛。
為了提高發(fā)射流量,新的發(fā)射場也在緊鑼密鼓地建設中。2023年12月,海南國際商業(yè)航天發(fā)射中心一號發(fā)射工位竣工。這個工位專為國內新一代中型火箭長征八號設計,是發(fā)射中心的核心,也是保障國家重大任務的重要設施。2024年6月竣工的二號發(fā)射工位,則具有更強的兼容性,能滿足包括長征、快舟、捷龍等多個火箭系列十余種型號的發(fā)射要求。
在生產源頭,我國微小衛(wèi)星制造能力成長迅速。中國航天科技集團和中國航天科工集團旗下的國有企業(yè)以及銀河航天等民營航天企業(yè)均新建了制造中心,中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院也在這一領域積極開展工作。此外,香港也于2023年7月建成并啟用了ASPACE衛(wèi)星制造中心。
總體來看,作為技術迭代快、經濟效益高、產業(yè)協同性強的航天新業(yè)態(tài),商業(yè)航天已成為我國經濟發(fā)展的一個重要增長點,作為新質生產力產業(yè)發(fā)揮著積極作用。而作為商業(yè)航天的重要作品,建設互聯網星座不僅可以消除傳統(tǒng)互聯網連接的地理限制,還能夠多角度、全方位地促進前沿科技的發(fā)展。無論在過程中將遇到什么樣的挑戰(zhàn)、需要解決什么樣的問題,隨著互聯網星座計劃的實施,我們都可以期待一個更加高效智能的世界。
