4、StarLink卫星供应链
“星链”(STARLINK)近地轨道宽带互联网卫星,作为SpaceX公司创始人马斯克的又一创新项目,自2015年初正式启动、2019年首次进行了正式发射。迄今,“星链”卫星已发射4000余颗,获得40余个国家批准落地,全球用户已超150万,2023年星链已经正式进入盈利模式。特别是在俄乌冲突爆发后,“星链”迅速介入并在军事领域表现出广泛应用潜力与前景。2022年底,SpaceX又隆重发布了星盾计划,实现通导遥一体化卫星和星座运行设计方案的。
对“星链”研发、生产、运营、军事应用等领域信息进行深入挖掘分析,对我们了解其具体功能、性能、发展趋势,准确筹划应对策略具有重要意义。
马斯克对卫星领域的雄心早就有所表现。2005年初,SpaceX公司就购买了英国Surrey大学下属小型卫星企业——Surrey卫星技术有限公司(SSTL)10%的股份,“以了解小型廉价航天器供应商的想法”,争取由SpaceX为其发射卫星。但在SSTL公司于2008年出售股权成为欧洲“空客”公司的全资子公司后,SpaceX在卫星领域的首次投资告终。
2014年9月,马斯克与谷歌公司前高管、WorldVu卫星公司创始人Greg Wyler就联合开发卫星互联网项目进行谈判,再次显示马斯克进入卫星领域的愿望。Greg Wyler于2007年创立O3b卫星互联网公司(后出售给欧洲卫星巨头 SES),2012年创立WorldVu卫星互联网公司。在2014年9月Greg Wyler从谷歌离职时,WorldVu公司仍具有使用Ku波段部分频段进行卫星-地面互联网通信的许可。但马斯克与Greg Wyler的合作谈判最终以破裂告终。SpaceX随后向国际通信监管机构提交卫星通信频率使用申请,以独立启动其宽带互联网卫星项目,成为“星链”发展的第一步(Greg Wyler的WorldVu公司于2015年更名为OneWeb,并成为目前“星链”的主要竞争对手之一)。
2015年1月16日晚,马斯克在美国西北部华盛顿州西雅图市一个“私人活动”中宣布,SpaceX公司在西雅图市雷德蒙德(Redmond)设立的分部正式启动,并作为SpaceX公司的“卫星研发中心”。马斯克表示,将“卫星研发中心”设于西雅图市Redmond,是为了吸收在当地众多的专业技术人才(微软、波音、亚马逊下属BLUE ORIGEN、三星半导体、任天堂、Valve等众多IT与游戏公司在Redmond地区均设有总部/地区分支,为“星链”提供了优秀技术人才库)。
马斯克当时提出的目标是,“像在火箭领域一样变革卫星领域”,以真正彻底地改变太空。马斯克提出,初步计划发射4025颗仅重数百公斤的高性能卫星,在5年内将1.0版卫星发射升空,最终使超过50%的长途互联网、10%的本地互联网接入都经过该卫星网络,未来该技术甚至可能应用于火星网络通信服务。该项目在成立之初即得到谷歌、富达投资(Fidelity)等公司约10亿美元投资,后于2017年申请英文商标“STARLINK”。
“星链”对普通民众开放试用时间早、价格低,因此占据其用户的绝大部分。但美联邦通信委员会2022年6月批准SpaceX的“星链”应用于机动平台类似动中通服务,以及“星链”新服务类型不断推出,其商业用户将由原来的中小企业向航海、航空行业扩展:
服务
规格
|
普通民众
|
房车
|
Starlink Business
|
Starlink Maritime
|
Starlink民用航空
|
原版
|
新版
|
天线尺寸 (厘米)
|
58.9
(直径)
|
50×30
|
50×30
|
57×51
|
57×51
|
约50×50
|
天线重量 (千克)
|
7.3
|
4.2
|
4.2
|
7.2
|
7.2
|
|
电源
|
100-240V
2.5A
(最大)
50/60 Hz
|
100-240V
2.0A
50-60Hz
50-75W
|
100-240V
2.0A
50-60Hz
50-75W
|
100-240V 6.3A
50-60Hz 100- 150W
|
100-240V 6.3A
50-60Hz 100- 150W
|
400W
(峰值)
|
可用性
|
≥99%
|
≥99%
|
≥99%
|
≥99%
|
≥99%
|
|
时延
(毫秒)
|
20-40
|
20-40
|
20-40
|
20-40
|
<99
|
|
下载速率(Mbps)
|
50-200
|
50-200
|
50-200;
5– 1001
|
100-350
|
100-350
|
500
|
上传速率(Mbps)
|
10-20
|
10-20
|
10-20;
1– 102
|
10-40
|
20-40
|
40-50
|
数据上限
|
无
|
无
|
无
|
无
|
无
|
|
硬件价格
|
599
|
599
|
599
|
2500
|
10000
|
|
月服务费
|
110
|
110
|
135
|
500
|
5000
|
|
注 1:不保证承诺速率与服务持续性。在使用高峰期,实际速率可能低于 承诺速率;如网络拥堵,可能暂时降低速率。
注 2:在使用高峰期、“星链”用户密集地区的预期速率。
SpaceX 2022年2月初推出和3月重新命名的“星链商用”(StarlinkBusiness)服务,面向最多需同时支持20个用户在线的中小企业机构。适用范围包括偏远地区旅游、野外资源勘探等领域。地面终端采用新型高性能天线,面积更大、扫描角度更广,适应极端天气条件能力更强。
2022年7月推出“海上星链”(StarlinkMaritime)服务,主要面向远洋邮轮、豪华游艇、货轮或海上资源勘探平台等。目前“皇家加勒比”邮轮公司(RoyalCaribbean)等已开始应用。配备两部高性能天线,可获得更宽视场角,降低信号丢失几率。计划明年一季度覆盖全球海域。
SpaceX 2022年4月先后与美JSX、夏威夷航空公司达成协议,由“星链”为其公务机、民航机提供空中网络服务。达美航空(Delta)也对“星链”服务进行了测试。SpaceX独立研发并于2022年6月首次公开展示其新型机载卫星通信天线。
A)偏远补盲。一是美国。美联邦通信委员会2020年底同意向SpaceX提供8.56亿美元补贴,以将“星链”引入偏远农村。虽然该委员会日前以“星链”仍为“在开发技术”且“用户终端价格过高”为由取消补贴计划,但仍承认“星链”的技术前景。二是加拿大。加政府将“星链”列入其高速互联网建设规划,计划至2026年帮助98%的民众接入高速网络;魁北克省政府则宣布将在今年9月底前为1万农村家庭免费提供“星链”终端。三是菲律宾。计划今年底前由政府采购“星链”终端,为偏远地区提供免费Wi-Fi。
B)抢险救灾。一是美国内救灾。“星链”2020年8月用于华盛顿州山火救灾。虽然当时仅发射700余颗“星链”卫星,但其地面终端在救灾时表现突出:仅需1人、5-10分钟即可架设完成,无需拖车等附加设备,通信带宽约为其他卫星的两倍,信号时延仅为四分之一。“星链”在2021年底肯塔基州龙卷风救灾中也得到应用。二是海外应急。“星链”参加了多次海外救灾。南太平洋岛国汤加今年1月火山喷发导致海底光缆被毁,SpaceX为此提供部分“星链”终端,并在汤加附近的斐济建设了地面站。“星链”还为2021年7月德国莱茵兰-普法尔茨州、今年3月澳大利亚新南威尔士州洪灾救援提供了支持。
C)地缘工具。在俄乌冲突爆发后,在美联邦政府机构、 按美外交政策行事的国际开发署(USAID)操弄下,迅速向乌方提供大批“星链”地面终端,其中首批有近三分之一由政府买单。“星链”在乌有效应对了俄方的干扰攻击,在维持乌政府对外发声、美西方对乌情报支援、乌军保持指挥链通畅、对俄目标实施侦察 打击等方面发挥了重要作用。“星链”进一步成为美推动外交、维护美地缘政治利益的工具。
在星座建设不断推进、民用、商业用户不断增加的背景下,“星链”的未来政府应用也将更加广泛,既可实现对海空态势的远程监视及港口、机场的流量管理,也可对偏远地区资源实施远程 保护开发、灾害预报,还可以用于地球气候、空间气象的监测预 报等广泛领域。
截止8月初,“星链”已在北美、欧洲、大洋洲和中南美洲的36个国家得到批准、落地应用:
洲
|
北美洲(3)
|
国家
|
批准时间
|
国家
|
批准时间
|
批准国
|
美国
|
2020.11
|
加拿大
|
2021.01
|
墨西哥
|
2021.11
|
|
|
洲
|
欧洲(28)
|
国家
|
批准时间
|
国家
|
批准时间
|
批准国
|
英国
|
2021.11
|
德国
|
2021.03
|
法国
|
2021.05
|
奥地利
|
2021.05
|
荷兰
|
2021.05
|
比利时
|
2021.05
|
爱尔兰
|
2021.07
|
丹麦
|
2021.07
|
葡萄牙
|
2021.08
|
瑞士
|
2021.08
|
波兰
|
2021.09
|
意大利
|
2021.09
|
捷克
|
2021.09
|
瑞典
|
2021.10
|
克罗地亚
|
2021.11
|
立陶宛
|
2021.12
|
西班牙
|
2022.01
|
斯洛伐克
|
2022.01
|
斯洛文尼亚
|
2022.01
|
保加利亚
|
2022.02
|
乌克兰
|
2022.02
|
罗马尼亚
|
2022.04
|
希腊
|
2022.04
|
拉脱维亚
|
2022.04
|
匈牙利
|
2022.05
|
北马其顿
|
2022.06
|
卢森堡
|
2022.07
|
摩尔多瓦
|
2022.08
|
洲
|
大洋洲(2)
|
国家
|
批准时间
|
国家
|
批准时间
|
批准国
|
澳大利亚
|
2021.04
|
新西兰
|
2021.04
|
洲
|
中南美洲(3)
|
国家
|
批准时间
|
国家
|
批准时间
|
批准国
|
智利
|
2021.07
|
巴西
|
2022.01
|
多米尼加
|
2022.07
|
|
|
(注:依据“星链”官方网站地图及其他开源资料整理;绿色表示欧盟国家,蓝色表示北约国家,灰色表示“五眼联盟国家”,黄色表示待入欧盟/北约国家。)
结合“星链”官网地图,分析已经批准应用的国家的特点, 可以看出:
(一)选择的政治性。首先,36个国家中,欧盟成员国占23个, 北约成员国占24个,“五眼联盟”5个成员国占全。这些区域性经济和军事联盟成员国,占36个国家的86% 。其次,明确将中国、俄罗斯、伊朗、朝鲜、阿富汗、塞尔维亚、古巴等10余个国家排除在外。最后,将台湾地区列入其未来投入使用计划。这种政治性、军事性的选择和意图暴露无遗。
(二)分布的地域性。首先,“星链”主要用户集中于北美、欧洲及大洋洲地区。据统计,“星链”约51.7%的用户流量位于美国,27.1%位于加拿大,澳大利亚、英国、新西兰、德国、法国的用户流量在1%-5.7%之间,其他国家用户流量仅约2%。其次,“星链”用户主要分布于南、北半球中高纬度地区。北半球以北纬30度至55度之间为主,南半球则集中于澳大利亚、新西兰南纬34度至46度之间地区。用户最集中的地区为美国北部、美加边境的华盛顿州、蒙大拿州、明尼苏达、缅因州一带。这种地域性的分布,一方面与“星链”初始部署的轨道选择有关,也与以服务于美国为核心的初衷有关。
(三)应用的限制性。首先是频段的限制。每个批准的国家,都对“星链”使用的频段有所限制,而且部分国家因为频段的冲突而一度中止开放“星链”的使用。其次是应用类型的限制。“星链”新服务类型的应用,也需得到相关国家政府再次批准。最新 的“海上星链”(StarlinkMaritime),目前仅接受美国用户预订,其他国家用户则需本国政府批准该服务后才能预订。
(四)威胁的潜在性。在我周边,无论是日、韩等发达国家,还是越南、老挝、柬埔寨、缅甸、蒙古等发展中国家,均被“星链”列为未来将投入使用的范围。菲律宾将在年底前使用“星链”为偏远地区提供通信服务,成为我周边首个正式应用“星链”的国家。不远的将来,“星链”将覆盖我周边几乎所有国家和地区,对地缘政治、国家主权统一和安全都将产生深远影响。
1.4 运营理念
(一)软件定义。通过对“星链”卫星版本的不断升级,SpaceX增强了卫星的通信保障能力,增加了新的功能载荷,但更重要的是“星链”星座的软件定义能力。在“星链”卫星发射升空后,SpaceX通过地面重建“星链”网络拓扑结构不断调整完善软件,大大提高“星链”网络速率;SpaceX还具备通过网络将软件分发至“星链”用户终端进行升级的能力。通过软件调整,SpaceX还可以改变卫星的空中运行姿态,降低对地面天文观测的影响。美军欧洲总部空军司令部8月采购卫星网络服务时,“星链”的软件定义的广域网(SDWAN)特点是其中标的重要因素。而“星链”团队在俄乌冲突早期通过软件更新成功应对俄网络攻击,是“星链”网络软件定义能力的最有力证明。
(二)自主运营。SpaceX强调“星链”网络的自动化,目标是实现系统的自主运营,降低人工干预程度。其原因在于“星链”星座基础设施的巨大规模、分布的广阔范围、技术的高度复杂等,依靠大量人工实施全面、直接地监视、控制、管理、维护难度巨大。为此,“星链”团队中设有运营自动化等专业岗位,具体负责“星链”网络自动化运营、扩展的工具与流程开发,保证基础设施的高度可操作性、可维护性;开发网络定制软件,实现对网络运行状态、性能的自动化监测、告警与应对;对网络自动化软件进行升级迭代等。其目标是实现网络状态的快速检测、表征以及异常情况处置的自动化,最大限度地减少人工干预。
(三)建运一体。在“星链”的日常运营过程中,只有网络运营中心有固定编组、固定人员,专门负责常态化网络监控运营。在“星链”的导航控制、星座管理、碰撞规避等方面,虽设有专门编组,但其组成人员在担负上述职责的同时,还负责星座的轨道设计、自主导航与控制技术、自主避撞技术等开发;而在“星链”网络受到攻击、服务中断等重大情况时,更是由多个部门人员联合应对。通过研发与运营团队的相对统一的方式,既保证了技术研究与实际应用的具体结合,又提高了网络异常事件的应对处置效率,同时还降低了网络运营的整体成本。
1.5 空间运营管理
一是发射后。“星链”卫星发射升空后,在地面控制下,首先进入距地面210公里的初始轨道,随后利用星载“霍尔”推进器抬升轨道,部分卫星直接进入距地球约550千米的最终轨道,部分则在距地球约380千米的过渡轨道,在停留一段时间后再进入550千米高度不同轨道面。这一过程一般持续4至5个月时间。
二是入轨后。进入550千米最终轨道后,卫星将运行近5年时间直至退役。期间,“星链”卫星对其他空间目标的跟踪监视、对可能碰撞事件的规避、对卫星系统突发事件的应对,也需要持续进行长期不断地跟踪控制。
三是到期后。卫星完成预期工作时间后几周内,将在地面控制下,利用霍尔发动机的动力将其从轨道推离;在适当高度启动高阻力模式,利用大气层的阻力使卫星进一步降速并快速脱离轨道,实现到寿卫星的再入大气层完全烧蚀。
SpaceX的任务控制中心位于加利福尼亚州霍桑市SpaceX总部工厂内一角,席位24个,除负责其火箭的发射行动监控、载人行动管理以及未来登月、登陆火星等行动。同时,SpaceX在佛罗里达州卡纳维拉尔角、加利福尼亚州范登堡基地也设有发射控制室,在美军协助下实施发射控制。而在“星链”卫星发射升空后,对其实施抬升前检测、状态控制、轨道控制、碰撞规避、网络监测、数据分析、软件升级等,则主要由SpaceX在华盛顿州西雅图市雷德蒙德的“星链”部门团队负责。
一是导航控制团队。在“星链”卫星发射升空后接管,主要负责对卫星轨道、姿态等进行控制,下设“星链”卫星导航控制、星座管理、碰撞规避等三个小组,成员共10余人,采用最早于2016年5月开始研发的专用指挥控制网络,其遥测、跟踪与指挥(TT&C)天线建于华盛顿州布鲁斯特。该团队技术人员除负责“星链”卫星空间交通的管理与星座维护外,还负责卫星轨道的设计、自主规避系统与技术的开发。同时,其人员要与美太空军第18空间防御中队等外部机构常态化协作。
二是网络运营中心。为专设机构,由网络运营工程师、分析师、技术员等专责人员组成,并分不同轮换班组全年7*24小时不间断工作。负责“星链”网络稳定运行,探测、发现、报告并排除卫星与地面网络间操作性与连通性异常,协助实施系统升级更新、提高网络整体性能等。对“海上星链”等新业务是否满足美政府机构技术要求、影响的分析,也由网络运营中心提出。
三是安全管理团队。“星链”部门内设产品安全岗位,人员具有漏洞开发与解决、安全架构设计、固件安全、操作系统安全等专长,担负系统安全审查、威胁探测与应用、系统安全升级等任务。
一是美太空军第18空间防御中队。前称第18空间控制中队,2022年4月改为现名,驻加利福尼亚州范登堡基地,负责指挥和控制美军甚至美科研机构(如麻省理工林肯实验室)相关装备组成的太空监视网络,以监视全球太空发射活动;对空间所有物体进行监视、跟踪、编目与识别;对空间目标发生碰撞、解体、再入大气层的时间、地点及其残骸的可能落点等情况发布预警;牵头负责实时空间事件处理、在轨碎片风险缓解等工作。同时,该中队还与相关大学以及国际空间机构保持业务联系。SpaceX“星链”卫星的发射、轨道运行、碰撞规避以及到寿脱轨均需要与第18空间防御中队合作,获得该中队空间态势情报信息支持。
二是空间态势感知商业机构。2016年成立的LeoLabs公司,一直在建设商业空间态势感知能力,为美国军方、航天企业提供空间态势监视、预警服务。日本航空自卫队2022年5月也与该公司签署了数据服务合同。目前该公司已在美阿拉斯加州、德克萨斯州各建立1部地面相控阵雷达,在新西兰和哥斯达黎加各建立2部相控阵雷达,并正在澳大利亚和亚速尔群岛建设新雷达,以对飞越其观测区域的任何太空物体实施跟踪监测。LeoLabs声称,相对于传统监测系统对近地轨道10厘米太空物体的监测能力,其可以实现对小至2厘米的空间物体的监测发现。目前,包括美军及“星链”、OneWeb、Planet在内的60%的近地轨道卫星运营机构都依赖该公司的数据服务。
三是空间气象预测机构。空间气象的好坏,直接影响“星链”卫星发射后能否成功入轨。美国NOAA空间气象预报中心,以及太空军第45三角洲部队,担负空间天气预测的职责,并为空间发射活动提供气象预警。是美国NOAA空间天气预测的补充。2022年2月3日,因空间天气预测失误,新发射的一批“星链”卫星受到的空气阻力比此前增加50%,导致38颗卫星再入大气层烧毁,SpaceX因此受到1000万美元以上的损失。在随后一次“星链”卫星发射过程中,SpaceX提高了卫星初始轨道高度,以避免再次受到不利空间天气可能的影响。
(一)轨道控制。利用卫星载GPS系统、地面探测系统,“星链”控制人员监测卫星的高度、速度等信息,控制其进行转轨等机动。首先,“星链”卫星发射后进入距地面210千米的初始轨道后,地面人员对其进行初始测试,对未能通过测试或因空间不利天气难以入轨的卫星采取挽救措施(在2月新发射的“星链”卫星遇到不利太空天气后,“星链”地面团队曾控制其转入“安全模式”,以平面状态飞行尽量减少空气阻力),在措施失效使其再入大气层烧毁。其次,地面控制人员控制通过测试的卫星,利用其“霍尔”发动机缓慢抬升轨道,向550千米最终轨道直接或通过380千米过渡轨道间接转移。期间,地面控制人员控制卫星采取特殊展开姿态、适度旋转机动,保证获得足够太阳能量发电、与地面保持持续联系的同时,避免太阳光反射对地面天文观测等的影响。最后,卫星进入550千米最终轨道后,在地面控制下再次重新调整姿态,将卫星通信天线朝向地球,将太阳能阵列起竖并朝向太阳,以获得足够电力供应。
(二)空间避撞。“星链”卫星以其未来4万颗的巨大规模,引起美国国家航空航天局(NASA)及其他近地轨道运营商的广泛安全忧虑。2021年8月,英国南安普顿大学研究人员认为,在“星链”完成12000颗卫星部署后,由其引发的空间碰撞风险将占90%。实际上,2021年,“星链”卫星曾两次接近中国空间站,并与欧洲卫星空中接近。为此,SpaceX采取了多种措施:首先,装备星载态势感知与规避系统。通过“星链”卫星内置“Star Tracker”传感器,精确感知每颗卫星周边态势,并与美军第18空间防御中队共享;根据星载传感器获取信息以及第18空间防御中队提供的碰撞预警情报,“星链”卫星提前实施自主机动,避免可能的碰撞。SpaceX于2022年2月下旬称,其卫星自主避撞系统已被NASA认为值得信赖,可在碰撞几率为10万分之一时即实施机动规避,比行业标准安全10倍。其次,临时降低卫星太阳能阵列避免碰撞。SpaceX还宣称,在与太空中其他卫星或空间站接近时,“星链”卫星还将调整其正常状态下太阳能阵列完全展开竖起的“鲨鱼鳍”配置,改为将太阳能阵列折叠下降的“闪避”配置,通过减小前进方向上的横截面积,以使相撞机率进一步降至原来的10%至25%。最后,SpaceX通过公开“星链”网络信息避免可能的冲突。SpaceX通过Space-Track.org网站“透明”且“持续”地共享“星链”网络的信息数据,来提高“星链”星座运行情况的透明度;同时自愿向联邦通信委员会提供“星链”星座运行状态报告,为避免可能的空间相撞提供信息参考。
(三)安全应对。SpaceX认为,其是其他“民族主义国家和行为体的攻击目标”,因此高度关注网络与信息安全问题。首先,在霍桑总部设置信息安全团队,在西雅图雷德蒙德“星链”部门设置产品安全工程师等安全岗位,支持常态化网络异常监测、识别、分类和恢复,定位和阻止威胁来源。其次,对“星链”网络出现的被攻击干扰、服务异常中断等异常情况,“星链”卫星运营、子系统工程、软件开发、导航控制、网络工程、运行自动化以及产品安全等专业技术人员合作共同应对,包括制定问题缓解措施,针对异常进行系统升级等,并提高网络异常情况的针对性快速检测、告警与应对能力。“星链”团队在俄乌冲突中,即通过对卫星系统软件的快速更新升级,成功应对了俄方的攻击,其效率与效果远超美军水平。
目前,“星链”服务已经覆盖全球七大洲共37个国家。国际电信联盟(ITU)规定,一项卫星服务在某国落地前需要获得该国政府批准。为此,SpaceX采取了多种方式推进:一是在目标国成立分公司直接推广。这应是“星链”推动落地的主要方式,具体包括意大利、西班牙、奥地利、爱尔兰、澳大利亚、新西兰、菲律宾、墨西哥、阿根廷等多国。但这一方式受到目标国家政府的政策限制。2021年下半年,SpaceX在印度成立了由其独资控股的子公司,并由马斯克前合作伙伴、Sanjay Bhargava任主管,计划2022年底前在印度推出20万套用户终端。2022年初,印度政府未向SpaceX印度子公司颁发落地许可,并要求其向印度境内5000余名“星链”用户终端预定客户退款。二是在外交配合下主动协商。SpaceX为实现“星链”在某个国家政府的落地批准,一般主动与该国政府机构联系,并得到美国外交机构的背后支持。从SpaceX公司在古巴的推动过程来看,SpaceX总裁首先于2021年10月12向巴西通信部发出进行高层视频会谈邀请;随后,美国驻巴西大使馆商务参赞代表SpaceX会见了巴西通信部高层,推动双方的视频会议进程;在巴通信部长与马斯克进行了电话会谈及在美会面后,巴西国家电信管理局(ANATEL)于2022年1月28日批准“星链”在巴西提供卫星网络服务。三是允许部分国家进行试点试用。“星链”服务正在按内部测试-外部测试-正式服务的阶段逐步推出。面对部分国家对“星链”的疑虑,SpaceX也允许其以独立试点、试用的方式,检验“星链”的效果,为后续全面推开创造条件。如智利政府向SpaceX提供了为期一年的非商业用途实验许可,允许“星链”在智利国内两个地区的教育、医疗等领域试点,提供网络速率50Mb/秒至150Mb/秒。
随着服务范围的不断扩展,SpaceX为其客服团队招聘双语客服人员,针对相应国家客户提供远程支持。目前,SpaceX已开始招聘日语、韩语客服人员,意味着“星链”服务即将进入东北亚地区。
随着“星链”星座的网络服务能力不断提高,SpaceX为其推出的服务范围、领域、方式也在不断拓展,并成为SpaceX通过“星链”获取更大利润的重要途径。一是服务的地理范围由最初的北美洲向欧洲、大洋洲、南美洲、亚洲、非洲逐步扩展,今年9月份又将服务扩展至南极洲美国南极研究中心McMurdo站,从而实现了向全球所有大洲提供服务。二是服务对象由最初的普通民众用户,逐步向小型企业、大型民航企业等商业用户以及美国军队用户等不断扩展,并针对不同类型服务提供差异化的性能,如更高的数据上行/下行速率、更短的时延等,其服务费用也因此得到提高;特别是对美军的服务,早在“星链”最初两颗实验卫星发射的2018年年底,SpaceX就已与美空军签署为空军飞机提供互联网通信的合同。三是服务领域由地面普通用户的固定式服务,逐步向地面机动房车、空中民航飞机、海上船舶、钻井平台等多领域机动式服务平台拓展,不同服务类型适应不同环境的能力也有所完善提高,其海上服务计划于2023年第一季度实现对全球所有海域的覆盖。
“星链”的发展本就是国际关注热点,但SpaceX利用马斯克的名人效应、社交媒体的传播优势,不断发布“星链”最新进展、试用效果等情况,同时采取多种推广模式以实现落地国家、用户规模的迅速攀升:一是充分利用国际热点。马斯克注重通过协助美国、德国、澳大利亚、汤加等国洪水、飓风、火山等救灾机会,向各国政府及民众展现“星链”的高速通信保障能力与不依赖地面基础设施的独特优势。而SpaceX利用俄乌冲突之机,通过多种渠道向乌提供1.5万套以上“星链”地面终端,并在俄乌冲突中发挥了重要作用,成为“星链”最成功的广告,“星链”用户规模自此出现高速增长。二是完善对外销售手段。SpaceX对“星链”的对外推广销售,一直走的是直接面向用户的相对封闭、自主、独立的销售模式。但2022年初以来,“星链”的主要竞争对手OneWeb先后与Kymeta、HUGHES等公司签署分销协议,加大争夺全球用户的步伐。面对竞争压力,2022年9月,SpaceX与远程通信提供商Speedcast签署分销协议,通过该公司实现“星链”服务的转售。这是SpaceX就“星链”服务达成的第一单分销合作。三是通过企业合作“强强联合”。SpaceX与美国第二大通信运营商T-Mobile于今年8月底宣布合作,将通过使用“星链”卫星为偏远地区的手机用户提供移动网络。这是SpaceX在“星链”应用上的又一次大胆创新。同时,SpaceX还与苹果公司就IPhone手机使用“星链”进行通信事项进行了协商。2020年10月,SpaceX还实现了与微软的合作,为微软可部署模块化数据中心在偏远地区的通信提供“星链”宽带互联网服务。
为确保“星链”用户的需要,SpaceX在美洲、欧洲、大洋洲等用户集中地区建立大量地面站:其中,北美地区目前有地面站数量超过60个,欧洲地区在20个以上,大洋洲地区也在30个左右。
一是地面网络运营。“星链”卫星间激光通信近已在对澳大利亚等国部分地区的服务中首次投入运用,SpaceX承诺今年内将继续得到完善,未来将真正实现全球覆盖。但即使未来激光通信全面应用,地面站作为“星链”与互联网的数据接口,在避免激光通信带宽拥堵、提高网络弹性、控制局部网络异常的可能影响范围等方面,地面站的重要性仍不可低估。SpaceX在雷德蒙德专门设有国际基础设施运营岗位,负责推动“星链”地面站等地面基础设施的国际开发合作、部署与运营,评估改善相关地面基础设施运营情况等,并作为所有地面站的遥控中心。
二是地面站通信装备。“星链”地面站初期采用英国Cobham公司Ku波段天线,后期以SpaceX公司自行研制的Ka波段天线为主,作为“星链”与互联网的地面网络接口。其中,英国Cobham公司1.016米直径MK3系列Ku波段天线发射频率14.0-14.5GHz、接收频率10.7-12.7GHz,信号采用右旋圆极化,发射增益40.1dBi,接收增益39.3dBi,天线法兰处最大输入功率14.93瓦;SpaceX自行研制的Ka波段天线直径1.47米,发射频率27.5-29.1GHz或28.35-29.1GHz和29.5-30.0GHz,接收频率17.8-18.6GHz和18.8-19.3GHz,信号采用左右旋圆极化,接收增益46.9dBi,发射增益49.5dBi。
天线通信范围均为地面仰角25度以上,计划未来提高至地面仰角40度以上。
三是指控天线。用于“星链”遥测、跟踪与指挥(TT&C)的地面天线位于华盛顿州布鲁斯特,天线为直径5米的抛物线天线,生产商为英国天线生产商CGC,发射频率13.9-13.95GHz、接收频率12.2-12.25GHz,信号采取右旋圆极化,接收增益52.0dBi,发射增益56.0dBi,最大输入功率为38.9瓦。
虽然SpaceX的“星链”星座已经成为迄今全球规模最大、应用最广的低轨星座,但从其近年来的运营情况看,其仍存在部分短板:
近年来,新冠疫情的蔓延导致全球供应链受到严重冲击,SpaceX的“星链”卫星生产运营同样受到影响。2021年下半年,SpaceX公司高层在多个场合明确表示,其“星链”生产受到全球芯片产能不足的影响。2021年11月,SpaceX向部分“星链”预订用户发送邮件称,因芯片供应不足导致其地面用户终端生产率下降,因此原计划于2021年底交付的用户地面终端,不得不推迟至2022年。
甚至“星链”卫星发射所需的火箭燃料组成部分的液氧,也因疫情出现短缺,影响了火箭的发射。为缓解供应链难题,SpaceX一是针对芯片等短缺零部件,向相关合作生产商提前预付货款,以求稳定供应;二是自行研发、生产部分芯片,同时考虑到新建芯片流水线的巨大时间与经济成本,考虑并购台湾的芯片工厂;三是进一步强调供应链的战略规划、风险评估管理,特别是为卫星地面系统相关材料、组件和制造寻找替代供应商,以降低单一来源采购风险,确保供应连续。
“星链”作为互联网服务网络,对网络安全高度关注。如在用户地面终端方面,除签名验证等软件安全措施外,还通过采用自研、定制且未公布架构的处理器,防止可能的黑客攻击。但由3000余颗卫星组成的网络服务即将覆盖全球,数十万用户终端广泛分布于美欧等地区,并正在向其他地区拓展,为网络攻击干扰提供了有利条件。
一是虽然美军方声称,在俄乌战争初期,SpaceX通过快速更新软件代码,成功应对俄罗斯对“星链”的网络攻击与干扰,但事实证明,“星链”网络并非牢不可破。比利时鲁汶大学的一位安全研究员近期就利用自制电路板,成功绕过“星链”用户地面终端的安全防护措施访问整个网络,且其成本仅25美元。
二是近期“星链”在乌克兰战场出现的服务中断,不能排除部分网络硬件随着战场形势的变化而被俄军控制、其网络被俄方破解、网络通信受到俄方干扰等多种可能。
三是“星链”星座的整体稳定性仍存在不足,在2021年8月、2022年1月、4月及8月底四次中断,时间30分钟至数小时不等,影响全球的“星链”用户,其网络的稳定性、安全性仍需进一步完善提高。为此,SpaceX推出奖励计划,鼓励黑客对“星链”进行攻击,其意就在尽早发现系统漏洞、硬件缺陷,防止网络系统因恶意攻击而受损。
无论是“猎鹰”可回收火箭还是“星链”低轨卫星,都是由马斯克带来的巨大创新。但马斯克作为SpaceX、“星链”的核心人物,其明确的政治立场、“猎鹰”火箭特别是“星链”卫星的巨大军事应用潜力,都为真正实现全球应用造成巨大阻碍。SpaceX公司及马斯克基于其政治立场,与美国政府的国家利益与地缘政治相绑定,首先,将“星链”服务应用于俄乌冲突,并在其中为美西方及乌政府、军队提供支持,开创了商用卫星通信网络直接介入他国军事冲突的先例;其次,马斯克10月初通过社交媒体就结束俄乌冲突提出4项建议,包括承认克里米亚为俄一部分等内容,引起乌国内强烈不满;最后,针对近期伊朗国内的民众抗议行动,SpaceX在未按国际规定取得伊朗政府批准的情况下,仅根据美国务院同意便于9月下旬宣布启动对伊朗境内的“星链”服务,使“星链”科技创新光环更加黯淡、政治工具色彩变浓。“星链”越来越明显的政治化、军事化、意识形态化特点,将进一步限制其未来的应用前景。
自西雅图分部2015年成立后,SpaceX即开始低轨宽带互联网卫星的研发工作。
目前,“星链”的领导层由马斯克、Jonathan Hofeller(“星链”商业销售副总裁)、Samuel Gibbs IV(“星链”商业运营副总裁)等SpaceX公司高层兼任,员工数量1000人左右,分为研发、生产、运营、供应链等主要团队。
其中,研发团队具体负责卫星的主体设计、软件开发、有效载荷设计、子系统开发、系统/载荷集成等,工作地点以华盛顿州雷德蒙德为主,SpaceX位于加利福尼亚州洛杉矶地区的霍桑(Hawthorne)的公司总部、加州克拉拉县山景城(Mountain View)等地也有部分研发人员。
马斯克在“星链”部门创立之初,即明确了“星链”卫星的部分研发方向,包括将采用卫星间激光通信技术、采用相控阵收发天线、霍尔推进器等。
但对卫星各个系统的研发,“星链”采取了持续升级迭代的“硅谷”模式:
1、卫星整体设计。“星链”采用创新型平板设计,使“猎鹰-9”号运载火箭一次可发射60枚1.0版本卫星或53颗1.5版本卫星,大大降低了生产与发射成本。卫星星体的总体开发、设计由大批机械工程师、结构工程师、可靠性工程师等完成,主要负责结合各类有效载荷、子系统等的部署需求,设计卫星主体结构外形设计、内部结构规划、机械结构、子系统集成安排等工作。
2、软件硬件开发。“星链”吸收的软件开发、芯片设计、PCB设计、航空电子、机械设计等领域的研发人才,约占“星链”研发人员总数的一半,研发领域涉及卫星主体及各个子系统。除专用软件外,“星链”部门大批技术人员负责自行研发专用芯片、印刷电路板(PCB)、专用大规模集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。马斯克早就认为,“星链”的开发,约有一半工作是软件,另一半是硬件,且软件的比例未来将进一步上升。
3、相控阵天线系统。“星链”卫星能够提供高通量、高速率互联网通信能力,与其先进的宽带通信天线技术直接相关。2014年底,“星链”创始员工就牵头组建了由天线、射频、数字信号处理和电子工程专业人员团队,建立相应实验室,开发卫星初始有效载荷架构、Ku/Ka波段多波束相控阵技术等。由至少10余名骨干人员组成的通信研发团队,对Ku/Ka波段相控阵天线进行研发,包括对需求的定义、分析,对天线的设计、布局、制造、组装、测试等,数十项技术获得专利,卫星通信天线的设计也已升级至多个版本。这也是马斯克宣称其2.0版“星链”卫星数据处理能力比之前高出“一个数量级”的基础。
4、卫星间激光通信系统。马科斯在“星链”部门组建之初,就指出将采用激光通信技术降低通信时延。“星链”激光通信技术研发工作在2018年全面展开,包括技术开发、原型设计、在轨测试等,研发团队在10余人以上,其激光通信设备至2019年下半年即升级迭代第3个版本。2020年9月,SpaceX公司宣布,已在两颗“星链”卫星间测试了激光通信设备;2021年1月,首次在10颗极地轨道卫星中正式使用;2021年9月,装备激光通信设备的1.5版“星链”卫星开始发射,为真正实现全球宽带互联网通信提供了基础。
5、电力保障系统。SpaceX卫星太阳能电池板的开发,至少在2016年下半年就已开始,内容包括细节设计、材料选择、机械图纸绘制、供应商选择、制造工艺设计、组装与测试设备设计等。其研发团队有骨干10人左右,负责太阳能电池板的概念、设计、开发,卫星所采用的单面太阳能电池板结构是其创新之一,既降低了发射重量,同时又降低了机械故障几率。同样,卫星太阳能电池板的研发也经过了多次升级迭代,1.0版、1.5版卫星太阳能电池板具备约3千瓦发电能力。
6、动力推进系统。马斯克在“星链”部门成立之初即明确将采用霍尔推进器为其卫星提供动力。“星链”霍尔推进器研发工作从2015年上半年即开始,核心研究团队人员数量约为10人左右,创新性地采用了成本更低的“氪”为推进剂,对霍尔推进器进行了模块化和成本控制,提高了生产效率、简化了操作程序,并为其开发了生产与测试设施。部分研究人员属于霍尔推进器研制开发领域领军人物,一举使SpaceX公司也成为将霍尔推进器送入太空数量最多的机构,使美国成为霍尔推进器研制的领先国家。
7、导航与控制系统。“星链”指挥控制网络开发始于2016年5月,主要是对遥测、跟踪与指挥(TT&C)地面网络进行设计、生产与部署,卫星星座的操作系统/平台研发不晚于2015年下半年。导航与控制系统研究团队骨干人员数量应在10余人以上,由美空军退役军官担任导航与控制部门的重要职务,负责“星链”卫星的运行安全与控制工作。
SpaceX公司迄今已发射“丁丁”试验卫星2颗,0.9版、1.0版、1.5版卫星2700余颗,后续还计划发射高达3万颗2.0版卫星。
SpaceX公司计划于2016年发射的两颗实验卫星,分别称为MicroSat-1a和MicroSat-1b。原计划发射进入距地表625公里、倾角约86.4°的圆形轨道,拍摄地球和卫星影像。该两颗未被发射,而是用于地面测试。
2018年2月,SpaceX成功将2颗原型试验卫星“丁丁A”、“丁丁B”送入太空。该卫星装备了相控阵通信天线、霍尔推进器、空间目标跟踪器、太阳能电池板等设备,卫星的制造、集成工作2017年上半年即已开始。
最初发射的75颗“星链”原型卫星称0.9版,仅装备Ku波段通信天线,重约227千克,采用的部分金属零件在再入大气层时难以完全烧蚀,对地面安全有一定影响。主要用于运行状态及受控再入大气层能力进行测试。2019年5月24日由猎鹰-9火箭首次发射,共将60颗卫星发射升空,其中3颗故障,2颗进行了受控离轨测试,55颗进入预定高度550千米、倾角53度近地轨道。
全部装备Ku/Ka波段通信载荷,后期加装遮阳板、深色涂层以降低对地面天文观测的影响,重约260千克,猎鹰-9火箭一次可发射60颗。调整部分构件的材料,可实现再入大气层后100%烧蚀的目标。首批1.0版卫星于2019年11月11日发射升空,典型轨道高度550千米、倾角53度。该型卫星开发时间应不晚于2019年初。
为目前发射的最新型“星链”卫星。全部加装激光通信链路,重量由原260千克增至约290千克;不再使用此前加装、影响激光通信的星载遮光板,但仍采用改进涂层以降低其可视度。首批1.5版卫星于2021年9月14日由猎鹰-9火箭发射升空,一次发射数量由原来60颗(1.0版)降至53颗,典型轨道高度550千米、倾角53度。其研发工作不晚于2020年初。
马斯克今年6月初宣称,首颗“星链”2.0版卫星已经生产完成。该型卫星长约7米,重1.25吨,数据处理能力将比1.0版卫星几乎“高出一个数量级”。未来依托STARSHIP飞船发射,每次可发射110-120颗,从而大大加快卫星部署速度。该型卫星研发工作至少在2021年初即已展开。
“星链”卫星实现规模化制造不是一蹴而就的,马斯克先进的制造理念、迭代的制造模式、自主的制造供应、高效的成本控制是实现规模化制造的灵魂。
“为生产而设计”是马斯克一贯的设计理念,在特斯拉汽车、“猎鹰”系列火箭上得到充分体现,“星链”的设计和生产同样不出其右。一是面向制造的设计。马斯克2020年2月明确表示,卫星的研制可以依托大量技术积累,因此“并不困难”,而建设卫星的大规模生产线对美国航天工业来说才是“极为困难”的。因此,马斯克始终把卫星的规模化制造放在卫星研发的重中之重的地位,所有的设计与研发工作始终围绕着能否实现快速制造进行。在卫星研发过程中,充分考虑所设计的系统、部件的制造难易程度,并在卫星最终设计定稿前提前启动生产制造流程,争取尽早发现设计问题。二是设计与制造的协同。在卫星生产人员与技术研发人员间建立问题沟通反馈机制,甚至技术研发人员直接参与部件、系统生产线的建设、调试,通过设计与制造环节紧密协同,及时发现设计问题、灵活调整,降低不合理设计可能导致的隐性成本,实现卫星性能、研制成本、生产进度的平衡。三是面向发射的设计。“星链”卫星在设计与生产过程中,充分考虑“猎鹰”-9火箭载荷舱的容积,创新卫星安装与释放的方式,实现了“猎鹰”发射空间与能力的最大化利用。
在“星链”卫星设备生产上,SpaceX坚持在火箭、特斯拉汽车生产上的一贯做法,核心系统、核心部件既坚持自主研发,同时也实现自主生产,并为此建立相应的生产线,从而掌握了技术与生产的主动权。截止目前,“星链”的星载高通量通信天线、卫星间激光通信设备、霍尔推进器、反作用轮、1.5版及之前各版卫星的太阳能电池板等,均由“星链”部门独立研发、自主生产,实现了多领域研发与生产的垂直整合。在用户地面通信终端、地面卫星站通信系统、卫星金属部件精加工等非核心部件、非关键系统领域,SpaceX则与外部企业展开合作,从而提高生产效率,降低生产成本,加快部署速度。通过这一方式,SpaceX掌握了卫星的关键技术,降低了在关键技术领域研发与生产对外部的依赖,既提高了生产的稳定性, 又为未来技术升级、功能载荷扩展创造了条件。
自2018年首次发射以来,“星链”卫星的生产方案、生产线根据卫星版本的变化,在短时间内实现多次调整、升级展现出巨大灵活性。2018年2月发射的2颗实验卫星,采用圆柱形星体及双太阳能电池板布局,并由技术人员手动组装;2019年5月首次发射的60颗0.9版卫星,采用平板式结构、单太阳能电池板布局,虽然外形结构有根本性变化,仍在15个月内实现了流水线批量生产;2020年1月发射的1.0版卫星增加暗色涂层,部分零部件改用可完全烧蚀的新材料生产;2020年6月发射的卫星又增加遮阳罩以降低光反射率;2021年9月发射的1.5版卫星全部配备卫星间激光通信设备。马斯克今年6月推出的2.0版卫星再次得到重大升级,不但体积、重量大大增加,还新增手机通信用25平方米天线等新载荷。而针对原定用于2.0版卫星发射的“星舰”进展迟缓,马斯克正寻求“临时解决方案”,开发可由“猎鹰”-9火箭发射的缩小版2.0卫星。“星链”卫星自推出以来,其载荷、布局、外形等已有6次以上调整升级,最小间隔时间不足半年,充分说明其卫星生产线的高度灵活性与迭代升级特点。
规模化生产是“星链”与传统卫星生产模式的重大差异。相对于传统卫星生产周期长、产量小、成本高的模式,“星链”以流水线方式,实现快速制造、规模化、低成本目标。一是不断提升制造规模。马斯克在“星链”部门成立之初,就提出将以汽车或电子产品的流水线生产模式生产卫星。SpaceX于2018年2月发射的2颗实验卫星,其制造、集成时间长达半年以上,而随着新版卫星的持续推出,其生产速度不断加快、生产规模持续上升。2020年3月时为6颗/天,已是其主要竞争对手OneWeb生产速率的4倍,而今年初以来又已增至约8颗/天。二是不断降低制造成本。马斯克早在2019年前就表示,“星链”卫星的成本远低于50万美元,低于由火箭将其送入太空的成本。在提高生度速度、降低生产成本方面,其地面用户终端体现更加明显。2021年9月生产能力为每周约5000套,2021年底后产能大幅提升;最初每套成本为2400美元/套,2021年初降至1500美元,2021年4月降至1300美元,而其最终目标是降至300至250美元。
SpaceX能够在短短数年时间内实现目前全球卫星数量最多的“星链”低轨星座的部署和运用,强大的制造能力首当其冲。
3.5.1生产设施
SpaceX的“星链”卫星系统的生产设施,主要集中于美国本土。
一是西雅图雷德蒙德,为“星链”卫星主要生产、组装基地。马斯克2015初在华盛顿州西雅图市宣布建立“星链”办公室,其办公地点位于西雅图市雷德蒙德(Redmond)东北区第68大街18390号,面积约2800平方米,主要用于“星链”卫星研发,最初人员仅约50-60人。2016年,SpaceX租用原办公地址以东约10分钟车程的雷德蒙德东北区Alder Crest Dr 22908号办公楼(面积约2800平方米),2017年初又租用该楼北侧117号楼仓储式建筑(面积约3800平方米)。2018年后,“星链”在西雅图的研发与生产逐步集中于此,最初租用的第68大街18390号办公区停用。2021年4月有报道称,SpaceX计划在距现有办公/生产设施仅1个街区位置再租一座正在建设中的面积11600平方米的建筑,用于扩大卫星生产。从功能看,“星链”卫星在西雅图的研制在新办公地办公楼进行,而卫星平台与组件的生产、有效载荷的组装主要集中于第117号建筑及新购的建筑内,生产设施总面积在15000平方米以上。
二是SpaceX加州霍桑总部,负责部分精密部件、地面终端的制造。从SpaceX对外招聘信息分析,“星链”卫星部分专用芯片、印刷电路板(PCB)等精密元器件以及部分用户地面终端的生产,均在SpaceX位于加利福尼亚州霍桑的总部工厂完成。总部工厂同时也承担“猎鹰”火箭、特斯拉汽车专用芯片、印刷电路版等精密元器件的生产任务。
三是德克萨斯州奥斯汀,未来负责用户地面终端的研发与制造。SpaceX在2021年初即开始在德克萨斯州奥斯汀建造新的“星链”工厂,用于研发、设计“星链”用户终端系统(包括信号收发天线、Wi-Fi路由器等)生产线,以更好地满足全球用户的需求。
3.5.2 生产团队
一是卫星生产。目前,SpaceX“星链”员工数量在1000人左右。其中,生产主要依托自动化流水线等规模化生产方式,生产团队人员数量相对较少,约为200人左右,主要包括生产技术员(Production Technician,约占50%)、制造工程师(ManufacturingEngineer,约占25%),并根据动力系统、航电设备、印刷电路板、太阳能电池板等不同部件生产岗位进行分工。
二是性能测试。负责对“星链”卫星的整体及各个部件产品进行测试的人员,约占“星链”生产团队人员数量的10%(20-30人)。同样,其人员根据不同的职能任务,分为系统集成测试、动力系统测试、产品质量保证等不同岗位,并设有产品质检专家、质量与可靠性高级经理等特定岗位,以确保产品性能的可靠性。
3.5.3 自动化水平
为提高生产效率实现规模化生产,同时确保生产线的稳定和产品性能与质量的一致性,SpaceX为“星链”的生产引入了大量专业生产线、流水线机器人等设备。其中,在“星链”雷德蒙德生产设施内装备了日本富士公司SMT贴片机(FUJI Pick and Place)、欧洲ABB公司层压机器人与总装线等设备。在SpaceX加州霍桑总部装备了ABB、Kuka等生产线,Espec、Thermotron、ASM、FUJI、Envirotronics、Pemtron、Mycronic、Koh Young、ITW EAE等航电生产设备,以及Hamamatsu和Arcadia/Genesis Robotic Systems等检测设备,为卫星自动化快速、批量生产提供了物质基础。
4、StarLink卫星供应链
SpaceX虽坚持重要技术、装备的自行研发生产,但将建设自有生产线成本过高、实现自行生产需时过长、自行担负效费比不高的专业部件/服务,通过对外生产合作、采购方式实现降费增效。供应链员工占其员工总数的10%左右,负责整体或具体零部件的供应链规划、分析、开发、管理等,以确保供应链稳定和可控。
SpaceX 对“星链”的对外供应链合作,采用合约制造(CM)、联合开发生产(JDM)、原始设计制造(ODM)、原始设备制造(OEM)等多种方式。SpaceX在2020年前就与瑞士意法半导体公司(STMicroelectronics)签署了制造100万套用户地面终端协议,2021年7月又与印度政府协商与印企业合作制造“星链”部件及用户终端,以提高其全球供应链效率。台湾芯片制造商——稳懋半导体公司(WIN Semiconductors),2020年就成为“星链”砷化镓(GaAs)微波射频芯片及地面设备用碳化硅基氮化镓(GaN-on-SiC)芯片供应商。同时,SpaceX还在卫星精密部件加工方面与美国JEMCO公司等进行了合作。
4.2 直接采购
直接采购市场上的成熟产品与服务,是SpaceX降低成本、加速系统建设的重要途径。SpaceX官网宣称,其“致力于在采购流程中纳入多元化供应商,以增强其提供最可靠、高质量与最具成本效益的产品/服务的能力”。在“星链”地面卫星站建设过程中,SpaceX一直采用的就是英国COBHAM公司生产的Sea Tel Model 4009 MK3系列Ku波段1米直径天线,作为“星链”地面站的通信接口。而部分地面站的建设与管理,则依托于其他公司提供的服务:英国Arqiva公司2021年3月就赢得“星链”在英国与爱尔兰之间的马恩岛(Isle of Man)提供地面站的合同。
4.3 采用通用部件
为降低“星链”卫星的成本,对部分所处环境并不恶劣、性能要求不高、作用并不关键的部件,SpaceX公司多采用工业制造标准而非航天专业标准。泰国卫星互联网提供商mu Space创始人、首席执行官James Yenbamroong在2021年10月即明确指出,由于“星链”用户终端中所采用的芯片,与其他电子设备和汽车用芯片使用相同生产线,导致“星链”在全球芯片争夺中陷入芯片短缺的困境。这至少证明SpaceX在用户地面终端的生产中,采用了通用技术与流水线,以求达到尽量降低其地面终端成本的目标。而SpaceX在德克萨斯州新建的“星链”地面终端工厂毗邻特斯拉汽车工厂,不排除其未来相互利用现有资源、控制研发与生产成本的可能。
4.4.1 产能预测
一是根据美国联邦通信委员会(FCC)的规定,获准进入美国市场的商业星座,需在6年内完成一半数量卫星部署,9年内全部部署完成。SpaceX目前进行的1.2万颗卫星发射计划,就是按此规定,拟在2027年11月前完成。二是FCC于2019年底代表SpaceX向国际电信联盟(ITU)提交3万颗卫星申请,如能获批, SpaceX仍需按FCC规定执行,即在2025年底前再发射1.5万颗,2028年底前全部发射完成。三是随着“星链”早期卫星陆续到寿,以及部分卫星在发射、入轨、在轨运行各个环节可能出现的损失,SpaceX自2024年开始需要每年补发部分卫星,发射数量从最初数百颗逐步增加,直至达到最终每年生产/发射8000颗以上的水平。
据此计算,在3万颗新卫星计划在年底前获ITU批准的理想情况下,SpaceX在2023年需生产/发射“星链”卫星约6600颗, 2024年至2027年每年需生产/发射约7000-8000颗,2028年后基本维持在每年8000颗以上水平。
虽然“星链”卫星生产采取了工业化流水线规模生产方式,但其目前日均生产8颗、全年无休稳定持续生产时最大2900颗的生产能力,远远不能满足其4.2万颗星座的建设目标要求。因此,SpaceX未来必须持续扩大产能,有可能采取以下三个方面的措施:一是进一步挖掘提升现有生产线的产能,通过优化和再造流程,实现产能的升级和改造。二是新建新的生产线,实现卫星生产能力的倍增。三是实现1.5和2.0版本卫星的分线生产,增加整体产能,同时可以利用“星舰”和“猎鹰”-9火箭同时发射两型卫星,以加快卫星的部署进程,满足美国政府的政策要求。
需注意的是,“猎鹰”-9火箭不适于发射体积、重量均明显增加的2.0版卫星,因此“星舰”发射进程的不断推迟,对2.0版卫星发射造成巨大不利影响。同时,虽然“星舰”原计划每次发射110-120颗2.0版卫星,但近期有消息称其在向“星舰”试装载时采取了集装箱模式,有可能会降低发射2.0版卫星的数量,并增加“星链”星座如期完成的压力。
4.4.3 压缩成本
控制“星链”星座建设成本,是SpaceX实现利益最大化的重要途径。一是压缩卫星制造成本。继续通过优化制造流程、减少制造周期、增大制造规模、提高自动化水平等措施,不断降低卫星制造的成本。二是压缩卫星发射成本。通过创新“星舰”的可重复使用方式、增加“猎鹰”火箭的可重复使用的次数、减少可重复使用的时间间隔,不断压缩卫星发射成本。三是压缩地面终端成本。通过扩展与人力成本、元器件成本更低的国家(地区)合作,逐步将用户地面终端成本降至300-250美元。
根据美国专业网站Reddit的统计,目前全球39个国家(地区)地面终端价格平均为494美元,月服务费72.65美元,其中8国服务费甚至下降50%以上。这与SpaceX公布的终端价格599美元、月服务费110美元有所降低,地面终端和月服务费成本压缩举措取得实际成效。
SpaceX的“星链”虽然不是最早进入近地轨道宽带互联网领域,但却是迄今为止成功发射卫星最多最快、获得落地批准国家最多、用户数量规模最大、全球影响力最高的卫星星座。
“星链”的成功,不仅颠覆了航天工程由国家或国家支持的军工巨头建设的传统模式,在卫星成本控制、研发流程、发射模式甚至安全环保等多个领域都有所颠覆、创新:
马斯克2015年指出,成立“星链”部门的原因是,航天领域中卫星研制发射与火箭研制发射数量相当甚至更多,但“卫星很多时候比火箭价格更贵”,因此SpaceX必须同时解决卫星与火箭问题才能真正彻底改变航天。为此,“星链”的研发、制造都十分强调成本控制:研发方面,在马斯克2021年7月提出的“五步工程法”中,无论是尽量减少零部件、简化优化设计、缩短周期时间还减少不必要的测试等,核心都是要在确保质量的情况下降低研发成本。
而“星链”采用平板式设计增加单次发射卫星数量、为霍尔推进器创新性采用氪为助推剂、采用单面太阳能电池板的设计减少机械组件数量等,都是降成本的重要举措。制造方面,强调“为制造而设计”的重要性,在研发过程中考虑制造因素并在最终设计定稿前就提前启动制造流程,通过设计与制造环节紧密协同,及时发现问题并及时调整,降低不合理设计可能产生的隐性成本。马斯克在2020年2月表示,“星链”卫星的制造成本“已低于将其送入轨道的成本”。
无论是“猎鹰”火箭还是“星链”卫星,马斯克均设定了激进的研发时间表,并通过边建、边用、边改的方式推进。
首先,SpaceX这种通过技术迭代推进卫星整体性能升级,而非经多次验证、确保完全可行后才最终推出产品的传统模式,保证了“星链”的及时推出、不断完善,提高了系统建设效率与效果。其卫星已先后推出、应用0.9、1.0、1.5版,2.0版也已开始生产。而其卫星通信天线已至少升级3个版本以上。为顺利推进卫星发射进程,马斯克2018年6月还为此解雇了要求对卫星进行更多试验测试再发射的核心团队。
其次,为确保“星链”星座建设的进度,虽然其部分创新技术从未经过实际检验,但研发团队甘愿承担一定风险。如卫星发射升空后允许部分卫星因故障不能抬升进入预定轨道;“星链”首创、自2016年1月即开始研究的堆叠状态数十颗卫星太空释放机制,在2019年5月首次发射时设计人员并无完全成功的把握;导航控制系统在卫星发射升空后也一度故障频发。
最后,SpaceX坚持硅谷企业文化,减少传统企业、政府机构的繁文缛节,通过提高决策效率与执行能力,加快了“卫星”研发与部署进度。
5.3 采取规模生产方式,提高星座稳定性与生存能力
根据美联邦通信委员会(FCC)规定,整个卫星星座应在获得许可之日起9年内进入轨道。而“星链”星座从最初计划的4000余颗,增至目前计划的4万余颗,对其卫星生产与发射的速度要求高。为此,SpaceX公司:一是按“近于汽车或电子消费品”的生产线生产方式,以批量生产卫星,加快生产速度。而卫星采用的霍尔推进器等子系统,也针对低成本、高速率制造要求进行了优化。2020年,SpaceX就实现了每月制造120颗“星链”卫星的速度,保证了平均每月发射2次、每次发射60颗的需要。二是随着具有相同规格、相同性能的卫星大规模发射入轨,即使其中部分卫星失效,也不会影响星座的整体功能发挥。如2022年2月初SpaceX发射的40颗“星链”卫星因太阳风影响未能成功入轨,但可通过后续发射相同功能的卫星弥补,对星座整体建设、功能发挥并不会造成明显影响,确保了星座的稳定与生存能力。
在坚持内部研发制造方面,“星链”完全沿袭了SpaceX在火箭研发的做法。
首先,为压缩成本、降低重量、缩短时间,SpaceX以自研代替采购,自行完成包括火箭箭体、发动机、电子设备和其他部件在内高达80%-90%的研制,而不是依托国际、国内供应链进行采购。而“星链”采取相同政策,无论是其卫星间激光通信设备、霍尔推进器、太阳能电池板、反作用轮等子系统,还是卫星各系统所需的专用芯片、印刷电路板(PCB)、现场可编程门阵列(FPGA)等,均由“星链”部门研发并在雷德蒙德的工厂或SpaceX的霍桑总部生产,最后在雷德蒙德总装。为此,“星链”部门还专门研制、建设了激光通信设备、太阳能电池板生产线与测试设备,并从外部引进相关生产设备。
其次,“星链”研发继续沿用SpaceX的开放思想、理念、流程与规范,至少部分采用消费级而不是“航天级”元器件,以尽量降低成本、提高竞争力。而从供应链判断,其对外依托的主要是硅或晶圆等基础原材料的供应,及部分金属部件的外包精密加工。
最后,“星链”卫星与SpaceX的火箭在研发、生产领域人才、基础设施方面部分通用,也使SpaceX具有了更强的自主研发生产能力,具备了相对成熟、完善的航天生态与产业链,为其未来进一步扩张打下了基础。
SpaceX公司的卫星与火箭产业密切关联,形成了一个研发、生产、发射的完整链条。“星链”卫星完全依赖SpaceX自行研发的“猎鹰”-9号运载火箭发射,未来将依托“STARSHIP”发射2.0版卫星。首先,SpaceX可将“星链”卫星与其火箭、飞船内部空间进行充分计算与试验,使卫星发射数量、空间布局更为合理,火箭推力得到最大化利用,是实现快速发射的必要条件。其次,“猎鹰”-9号火箭、“猎鹰重型”火箭、STARSHIP飞船均可以发射后回收并再次使用,保证了对“星链”卫星的高发射频率。
目前“猎鹰”-9火箭部分助推器已重复使用10次以上,未来还计划达到20次的目标。第三,SpaceX仍在尝试通过优化火箭性能、加注更多燃料等方式,提高“猎鹰”-9火箭的卫星运载数量。而“STARSHIP”每次可发射110-120颗“星链”2.0版卫星。据美联邦通信委员会要求,SpaceX可能需要在未来6年内发射2.0版卫星数量的一半(1.5万颗),即每年需发射“星链”卫星22次左右。SpaceX这种卫星批量生产、火箭快速高效发射能力,使其具备针对不同客户、不同场景的快速反应能力,大大提高美航天反应速度。
“星链”星座卫星数量规模庞大,SpaceX公司为其装备霍尔推进器,使其在失效、到寿后可以受控变轨,并通过重返大气层与空气摩擦而烧蚀分解。但按0.9版卫星设计,每颗“星链”卫星装备的霍尔推进器1个重1.66千克的铁制构件、4个各重1.18千克的不锈钢反作用轮、4枚各重1.43千克的碳化硅通信组件仍将落至地球表面,并可能导致地面人员伤亡。在受到外部质疑后,SpaceX公司2019年3月向美联邦通信委员会(FCC)通报称,其1.0版卫星不再使用致密金属组件,并采取可确保卫星再入大气层后完全烧蚀的结构,使其对地面人员的威胁降至0。SpaceX采用新材料、新结构设计,实现卫星完全烧蚀,既降低了对地面的威胁,也降低了对卫星进行控制以避免落入人口密集区的工作难度。
自2018年以来,据不完全统计,美军与SpaceX在卫星领域的联合研发、性能测试、演习应用、服务采购等形式的合作达20余次:
时间
|
合作机构
|
类别代号
|
内容
|
2018/12
|
美空军
|
“全球闪电”测试
|
使用“星链”为空军飞机提供互联网通信,合同为期3年、价值2870万美元
|
2019/10
|
美空军
|
“全球闪电”测试
|
使用“星链”在C-12运输机上测试时,数据下载速率达610Mbps
|
2019/12
|
美空军
|
“全球闪电”测试
|
首次“先进战场管理系统”ABMS 实验,通过“星链”将AC-130 特种作战飞机连入互联网
|
2020/05
|
美陆军
|
|
“CRADA”宽带跨军事网络数据传输合作研发协议
|
2020/09
|
美空军
|
JADC2展示
|
“星链”实现与KC-135等空中和地面平台的链接
|
2020/10
|
航天发展局
|
合作研发
|
4颗红外预警卫星研发合同,价值1.49亿美元
|
2020/12
|
美空军
|
“全球闪电”测试
|
“星链”首次应用于AC-130型机的实弹演练
|
2021/02
|
美空军
|
ABMS展示
|
通过“星链”实现多国军机共享数据、共同作战
|
2021/03
|
美空军
|
装备测试
|
“星链”地地、地空通信测试
|
2021/05
|
美空军
|
“北部边缘”演习
|
“星链”参加在阿拉斯加举行的演习
|
2021/07
|
美军欧洲/非洲总部
|
采购应用
|
美军欧洲总部、非洲总部采购,为期一年
|
2021/08
|
美军欧洲总 部空军
|
采购应用
|
获得15套“星链”保障国务院、国土安全部与美驻德国拉姆施泰因空军基地联系,以处理从阿富汗撤离人员问题
|
2021/09
|
美陆军
|
“项目融合”演习
|
“星链”应用于演习数据传输测试
|
2021/09
|
美陆军
|
采购应用
|
采购“星链”于9月22日至10月13日的短期服务
|
2021/11
|
美空军
|
合作研发
|
美空军与Vidterra LLC签署合同,研发通过“星链”实现情报、监视与侦察视频成果的低时延分发
|
2022/02/01
|
美空军
|
测试
|
资助太空互联网服务的展示活动,并在驻日本横田空军基地设立“星链”终端
|
2022/04/05
|
美空军
|
测试
|
第388战斗机联队利用“星链”将前沿部署的F-35与F-35简报系统、自主后勤信息系统连接
|
2022/05/05
|
美军
|
测试
|
使用“星链”、OneWeb为北极地区偏远前哨提供通信渠道
|
2022/08/09
|
美军欧洲/
非洲总部空
军司令部
|
采购应用
|
为美军在欧洲、非洲部队提供通信保障,价格192万美元,为期1年
|
2022/08/05
|
空军特种作 战司令部
|
采购应用
|
应用于第一特种作战联队(装备CV-22、AC-130J等型机)
|
2022/08/10
|
DARPA
|
联合研发
|
天基自适应通信节点计划(Space-BACN)第一阶段建设,SpaceX入选参加近地轨道卫星跨星座激光通信关键指挥控制技术,以及Space-BACN与商业星座接口研发
|
近年来,美军对近地轨道卫星的军事应用高度重视,并不断强化与以SpaceX为代表的低轨星座运营商的合作。
(一)需求政策。一是支持商业航天。无论是商业航天公司的发展,还是其商业成果的应用,美国防部都制定了相应的政策,为商业航天在军事领域的应用打开了方便之门。二是大力发展低轨星座。美国防部国防高级研究计划局(DARPA)推出了“黑杰克”(BLACKJACK)低轨星座计划,美国防部航天发展局推出了“下一代太空架构”,美空军今年2月又提出新计划,力求实现多个商业卫星星座的互联互通。三是积极推动有序发展。采取国内立法、国际合作等多种途径,规范低轨星座的建设和发展,加大低轨星座的监测和管控,力图将低轨卫星快速发展导致的太空碎片、资源拥挤、空间接近等不利影响降到最低限度。
(二)联合研发。为保证商业卫星公司产品符合军方需要,或解决商业卫星公司难以独立完成的研究项目,美军通常与商业企业进行联合研发。美国防部航天发展局2020年10月授予SpaceX研制生产4颗红外预警卫星合同,今年5月又寻求SpaceX等商业公司提供光学成像、雷达成像、信号分析等情报能力,为商业低轨星座提供了广阔应用前景。美陆军2020年5月与SpaceX签署协议,共同研发“星链”跨军事网络的数据传输能力。美空军则于2021年底与Vidterra公司签署合同,研发通过“星链”进行ISR视频低时延分发的技术。SpaceX与美BallAerospace公司合作研发用于战术飞机的卫星天线及保形整流罩,但美空军同时也与雷声公司签署了相关天线的研发合同。太空军今年7月明确提出与商业卫星公司合作方式,即由其提供ISR传感器载荷,或为载荷研发生产机构与商业卫星公司“牵线搭桥”,由商业卫星平台搭载相关载荷,满足美军指挥员的情报需求。
(三)性能测试。在2017年“星链”首次发射前,美空军就推出“DEUCSI”计划,探索如何将“星链”等商用星座与传统卫星通信网络集成。“星链”2018年首次发射后,美空军当年底与SpaceX签署合同,对“星链”在C-12、KC-135、C-17、AC-130等大型平台上的应用进行测试。美空军F-35战机部队今年4月也对“星链”终端进行前沿部署测试,主要用于向该型机专用维护网络传输相关数据。
(四)演习应用。为检验“星链”等商用卫星星座在重大行动中的通信保障能力与稳定性,为战时应用创造条件,美军在不同演习中应用“星链”进行通信保障:美空军在2020年10月“橙色旗”演习、2021年5月“北部边缘”演习中,均验证了“星链”在大型空中平台上的应用情况。美陆军则于2021年9月的“项目融合”演习中,对“星链”等低轨星座进行了演习数据传输测试,寻求增加可用数据传输手段,缩短“从传感器到射手”的时间。
(五)采购服务。美军目前已开始正式采购“星链”服务。 由于“星链”是目前唯一可覆盖欧洲、非洲的商用星座,而被美军欧洲总部/非洲总部连续采购。一是2021年7月采购“星链”为期一年的服务,并于同年8月用于驻德国拉姆施太因基地美空军部队与美国务院、国土安全部的联系,以解决从阿富汗撤离人员问题。二是欧洲总部空军/非洲总部空军今年8月采购为期一年的“星链”服务,重点用于第86空运联队,以满足“东欧内部及周边因支援乌克兰局势而不断增加的通信需求”。三是美空军特种作战司令部日前正式采购部分“星链”终端,用于满足装备AC-130等型机的第一特种作战联队使用。
随着建设进程的不断推进、技术的不断迭代升级,“星链”在军事领域的应用将明显增加,有极大可能向光电成像侦察、电子侦察干扰、导航定位、态势感知、反导预警拦截等多领域发展;其应用范围将全面扩展、全球覆盖,实现由局部向全球、由边缘向纵深、由通信向综合的转变,支撑“全域战”“马赛克战”等联合作战行动的实际运用。
虽然马斯克推动的“星链”星座起步相对较晚,但目前已经成为在轨卫星数量最多、覆盖范围最广、前景最为光明的商业卫星星座,同时也可能对未来军事领域构成颠覆性冲击。而马斯克正在推进的火星移民、重登月球、人形机器人、脑机接口、新能源汽车、太阳城等等计划,几乎涉及所有行业。将这些项目进行联系起来的思考,将有可能挖掘出马斯克创新发展的背后动因,有可能描绘出未来人类生活和战争的全息形态,有可能导致全球科技发展、大国博弈形势的根本性调整。对此,我们将不断跟踪研判,陆续推出最新的研究成果。
从目前来看,SpaceX公司在“星链”上的研发与创新,已经在卫星领域产生了巨大的颠覆性效果。而SpaceX公司以其独特的低成本、高效率的特殊企业文化,在吸引先进技术人才方面的巨大明星效应,在登月、登上火星、脑机接口、人形机器人等诸多领域的创新技术研发,可能再次造成太空、生物科学、人工智能领域的颠覆性发展,并再次拉开SpaceX与其他企业、美国与其他国家的技术差距。
特别是在美国对我国采取“小院高墙”式整体技术封锁与压制的背景下,我们需要加强跟踪SpaceX在近地轨道卫星及其他领域技术的发展,学习借鉴其技术研发的经验,培养具有创新意识与能力的技术人才,发挥“集中力量办大事”的优势,夺占在相关技术领域、太空等领域的竞争能力与优势。
1、“星链”之运营密码
2、探寻 “星链”规模化制造之谜
3、谁在用“星链”?
4、马斯克“星链”卫星研发的颠覆与创新
原文始发于微信公众号(太空安全):星链StarLink针对卫星互联网产品颠覆与创新