SpaceX 首发双星！“狂人”马斯克卫星互联网梦想起步，2024 年让全球都有无线网
似乎世界已经彻底阻挡不住马斯克掀起“太空大航海时代”的脚步了！
在北京时间22日22点17分，SpaceX 的发射又一次打破了众人的想象力。虽然首次尝试回收火箭整流罩以失败告终，但仅有几百米的误差足以证明他们的技术实力。而且这次猎鹰9号火箭成功将三颗卫星送入了太空，在这之中，两颗代号分别为 Microsat-2a、Microsat-2b的卫星标志着 SpaceX 庞大的“Starlink”卫星互联网计划正式踏出了第一步，世界期待已久的全球网络覆盖也因此而变得更加靠近现实。
▲发射现场
▲火箭一二级分离
▲Starlink 实验卫星入轨
但在火箭发射升空之后，迟迟没有整流罩的消息，直到马斯克发布 Twitter 宣布整流罩回收失败。
▲马斯克通过Twitter宣布整流罩回收失败
▲整流罩落水后的尴尬画面
整流罩回收初试失利
不同于以往一次性火箭的经典场景，也不同于前不久重型猎鹰火箭“双箭回收”的发射表演，这一次，SpaceX 又大胆尝试了一个新的技能点——整流罩回收，可惜最后以失败告终。如果回收成功，其画面就像池边柳树，池中浮萍，柳叶从空中落下，盘旋几圈之后最终稳稳妥妥地落在了浮萍之上，震撼中透露些许诗意。
众所周知，位于火箭顶部的整流罩所起到的是保护搭载载荷的作用，按照传统的做法，在火箭发射升空之后，整流罩就会被废弃掉，或者进入大气层燃烧殆尽，或者坠入地球上的某个角落。
但实际上，这个巨大的金属外壳并不便宜，以猎鹰9号为例，其两片整流罩的造价高达600万美元，几乎占到了猎鹰9号6200 万美元发射价的近 10%。在 SpaceX 一级火箭回收技术已经做到炉火纯青的情况之下，整流罩的回收就顺理成章地提上了日程。
根据 SpaceX 公司的介绍，升级后的整流罩2.0 在结构和尺寸上均有所改进，不仅可以容纳更大的载荷，更重要的是满足了多次重复使用的需求。而且，SpaceX 公司在去年4月份的 SES-10 任务的发射过程中就已经成功将部分整流罩带回到岸边。
▲升级前后的整流罩尺寸对比
不过，恰如火箭回收一样，整流罩回收技术的研发也是困难重重，在前不久重型猎鹰火箭成功发射之后的新闻发布会上，SpaceX 公司的创始人兼 CEO 马斯克就坦言，开发整流罩回收技术的过程是“出奇的困难”，因为降落伞在打开之后会发生扭转缠绕的情况，但马斯克对于在今年内就找到完美的解决办法充满信心，“我非常肯定, 我们将在未来6个月内解决整流罩重复使用的问题。”而在这次失利之后，不知道后续的整流罩回收将会怎样。
▲整流罩回收的非官方概念图
为了准备此次的整流罩回收，SpaceX 的技术人员采取的类似于伞降的形式，分别为两片整流罩安装上了姿态控制推进器和降落伞，使其在下降的过程中可以不断调整飞行的方向。而在下方，是一艘名为“Mr. Steven”的回收船在准备将它抓住。这艘船也不简单，它经过了 SpaceX 的改装，装备了四个大型金属手臂，看起来就像是一个巨大的“手套”，最早是在去年12月份 Iridium-NEXT 任务执行期间被外界所看到。
▲“Mr. Steven”回收船离开港口
SpaceX 卫星星座登上擂台
这一次，SpaceX 名义上的主角是一颗名叫“Paz”的地球观测卫星，全重1341公斤，设计使用寿命为七年，由空中客车防务及航天公司研制，隶属于西班牙。其携带有一个 X 波段合成孔径雷达 (SAR) 系统，它将和未来发射的携带有光学成像系统的 Ingenio 卫星共同组成国家卫星地球观测方案 (National Programme for Earth Observation by Satellite，PNOTS)。
虽然Paz 在西班牙语中的含义是“和平”，但这颗卫星的使命却似乎与其承载的美好愿景背道而驰。根据了解，这颗卫星主要的任务是被用来侦察佩雷吉尔岛，这是一个一直被西班牙和摩洛哥双方争执的的无人岛屿，甚至在2002 两国不惜为此动用武力，而现状是这个岛处于西班牙的管控之下。而有了Paz之后，毫无疑问，西班牙的太空看守能力将得到进一步的增强。
▲Paz 卫星
当然，对于大众来说，用作军事目的的Paz已经神秘感十足，不过，对于马斯克来讲，两颗各重400 公斤、代号分别为 Microsat-2a、Microsat-2b的演示卫星才是这次发射真正的主咖。他们是SpaceX想要打造的“Starlink”卫星星座的前两颗实验性卫星，而整个卫星星座预计将会有超过 12,000 颗卫星组成。要知道，自从 1957 年苏联的斯普特尼克 1 号 (Sputnik-1) 上天之后，人类迄今为止也只发射了 4,000 余颗卫星，目前在轨运行的更是仅有不到 1,800 颗，两相比较之下就可以知道 SpaceX 的发射计划会有多么庞大。
▲SpaceX 的 Starlink 计划
按照公开的信息，该卫星星座将由多波段卫星组成，其中有大约4425颗Ka波段和ku波段卫星，其轨道高度约为1200公里，在更远的未来，还将会有7518颗V波段卫星部署在大约340公里高的低轨道。
按照计划，SpaceX 卫星系统中的每一颗卫星能够为用户提供的下行容量总和约为20Gbps左右，每位用户可以享受到最高1Gbps的宽带服务，同时，由于卫星处于低轨道，所以延时可以被控制在25ms到 35ms之间。而这个雄心勃勃的计划也并非是个旷日费时的百年工程，SpaceX 的目标是在2024年之前使 Starlink 得以全面运行。
▲Ku波段卫星的覆盖范围
其实，早在2014年11月，马斯克就在个人 Twitter 上透露了他们将要进军卫星业务的消息。到2015年初，SpaceX 首次公布了工程量空前的“Starlink”计划。按照当时马斯克的估算，这一项目将可以承载最高 50% 的全球回程通信和 10% 的城市本地互联网流量。
▲马斯克的Twitter透露消息
有意思的是，“Starlink”这一名字是受 John Green 的浪漫小说《The Fault In Our Stars》（无比美妙的痛苦）所启发，不用说，马斯克又一次向大众展示了他文艺的一面。
▲《The Fault In Our Stars》小说和由其改编而来的电影《星运里的错》
▲Starlink 的项目是去年 9 月底由 SpaceX 公开的，源于马斯克 2014 年提出的一个大胆想法：向地球低轨道发射4400枚卫星组成通信网络，这些卫星在1110公里和1325公里高度的低轨道运行，提供低于25毫秒延迟的卫星通讯连接，而目前的卫星通讯延迟均在600毫秒以下，尽管速度可能不及光纤宽带，但其将为全球大部分地区提供可接受的高速网络连接。
而根据 SpaceX 的计划，他们准备在2024年之前，通过猎鹰9号，发射4425 颗小卫星，同时部署 7518 颗近地轨道卫星，建立低轨道卫星星座。而按照马斯克的估算，这一项目将可以承载最高50%的全球回程通信和 10% 的城市本地互联网流量。2019 年起，首批用户就能使用 1 Gbps/s 的无线宽带服务。
据悉，“Starlink”项目计划利用卫星取代传统的地面通信设施，来帮助全世界尤其是偏远的地区接入高速的宽带互联网。根据 SpaceX 向美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）递交的材料显示，该卫星星座将会用于诸如全球数据的回程传输等卫星固定业务（fixed 一 satellite service，FSS）。
根据 SpaceX 此前的一份文件表示，这次发射前两颗实验星 Microsat-2a 和 Microsat-2b 的设计周期为 20 个月。每颗卫星的尺寸大约相当于一个小型冰箱, 并携带计算机、动力推进系统、指挥和控制系统以及 GPS 导航设备。按SpaceX 公司的说法, 每个卫星上还有一个 ku 波段宽带相控阵天线和一个卫星间光通信链路。
"这些主要用于实验性的工程验证, 将使 SpaceX 能够评估卫星总线和相关的子系统, 以及基于太空和地面的相控阵列技术,"一名 SpaceX 的员工在提交给 FCC 的报告中写道。
▲SpaceX 位于西雅图市雷德蒙德的卫星研发中心
目前，SpaceX 公司已经在华盛顿州西雅图市的雷德蒙德建立了卫星研发中心，还计划在加利福尼亚州、德克萨斯州和华盛顿州测试卫星与六个宽带接收站的兼容性。工程师们希望借此验证卫星和移动终端之间的宽带连接效率。
从“太空马车夫”到“互联网霸主”
虽然随着对外曝光越来越频繁，SpaceX 这家公司被越来越多的人所熟悉，但外界所不知道的是，SpaceX 的盈利能力并没有像它的知名度一样以猎鹰9号般的速度高速攀升，恰恰相反，大众所熟悉的火箭发射业务“光鲜亮丽”的外表之下其实也有商业上的瓶颈。
实际上，全球每年3000多亿美元的商业航天市场中，超过2/3 都是卫星相关联的业务，与SpaceX有关的火箭发射市场仅有区区50亿美元的规模，无论是来自企业还是政府的订单不足以使 SpaceX 这家估值已经超过200亿美元的超级独角兽企业继续高速增长。
▲SpaceX不断上涨的估值
在这种情况之下，纵使是掌握了十分成熟的火箭回收技术并且占据了较大的市场份额，马斯克依旧需要再提出一个更加“疯狂”的方案来实现其异常远大的太空理想。在当前看来，太空旅游不成规模、殖民火星更是遥遥无期，自然而然，围绕地球打造的互联网星座就变成了一个切实可行的计划。
同时，根据联合国教科文组织宽带可持续发展委员会的报告宣称，全球70亿人之中，有超过52% 也就是36亿人因为各种原因而无法使用互联网，造成这一现象的主要原因就是基础设施的缺乏和网络费用的过高，建立一个卫星网络或许还有效解决这一困局。用SpaceX 负责卫星政府事务的副总裁Patricia Cooper的话就是，“通过打造卫星互联网，常见的一些包括选址、开挖路面、铺设光缆等基础设施难题都可以得到有效缓解。”
▲联合国宽带促进可持续发展委员会《2017年宽带状况》显示全球仍有52%的人无法接入互联网
SpaceX官方也估算，建立起一个覆盖广且高效的互联网卫星网络可以使地球上的绝大多数人都可以使用上互联网，而这将是一个每年高达数百亿美元的市场，并且随着越来越多的人接入这个网络，这个市场规模还将进一步扩大。
更进一步讲，我们始终不能忘记的一点就是马斯克创办 SpaceX 的初衷就是要实现火星殖民，而这所需要资金数很有可能会以百亿、千亿美元计，面对着巨额的资金缺口，SpaceX也必须寻找新的业务增长点，正是如此，Starlink计划应运而生，而从长远来看, SpaceX公司如果打算在火星上部署一个卫星通信系统的话，那么在地球上率先搭建一个卫星星座也不失为一种实验尝试。
高通量通信卫星星座已经崛起？
近年来，全球范围内的“星座”建造浪潮似乎有重新复苏的景象，包括 O3b、OneWeb 和 LEOSat 等公司在内的多家企业都有打造中低轨道全球高通量卫星（HTS）星座的计划，目的就在于为全球提供高速宽带服务。
何谓高通量卫星？根据美国航天咨询公司 NSR 的定义，高通量卫星指的是“采用多点波束和频率复用技术、在同样频谱资源的条件下，整星的通信容量是传统固定通信卫星（FSS）几倍的通信卫星”。
在这其中，最基本的特征是多点波束和频率复用。相较于传统固定通信卫星 2000 公里左右的宽波束覆盖范围，高通量卫星的点波束仅有 300-700 公里，这样的优势是通过减小天线波束的孔径角带来卫星天线的增益提高，进而实现不同波束之间频率的复用，提高卫星系统的通信容量。随着技术的进一步发展，甚至有朝一日高通量卫星完全可以做到与当前光纤同样的通信效果。
面对如此庞大的商机，SpaceX 显然不可能成为唯一一家前来淘金的公司。多年以前，Globalstar 和铱星公司就已经开始筹划用几十颗卫星来实现全球范围内的手机通话，近年来更有 O3b 和 OneWeb 等公司准备将打造包括几百颗卫星的互联网星座。除此之外，谷歌、Facebook、三星、空中客车 (Airbus)、维珍公司 (Virgin)、高通 (Qualcomm)、休斯网络系统公司 (Hughes Network Systems) 等豪强无一不磨刀霍霍、欲分一杯羹。
以较为知名太空创业者 Greg Wyler 所创立的 OneWeb 为例，其获得了包括维珍集团的创始人理查德·布兰森和软银集团的巨额资金投资，计划打造一个拥有 700 颗卫星的卫星星座，已经获得美国联邦通信委员会的批准。目前，该公司位于佛罗里达州肯尼迪航天中心附近的一个工厂已经开始投产，计划生产上百颗的卫星，并且在今年晚些时候将会从法属圭亚那利用俄罗斯的联盟号火箭开启发射进程。
▲OneWeb 的卫星网络
甚至三星公司在2015年也提出的一个包括4600 颗卫星的互联网星座, 预计设定轨道为 1400 公里 , 每月可为全球 5 亿互联网用户提供相当于每月200千兆字节的容量。只是由于目标太过超前，这项计划并没有取得什么实质性的进展。
一时间，太空似乎突然变得热闹了起来。但面对咄咄逼人的竞争对手，马斯克只能押下更大的注，选择了更加大胆的1.2 万颗卫星的星座计划，同时还在技术上进行了升级，或许将实现卫星间激光通讯及协调。
不过，既然 SpaceX 要在不到十年的时间之内发射如此庞大规模的卫星群，就势必会引起各界的担忧，其中一个很明显的理由就是这会造成大规模的太空垃圾，甚至包括 OneWeb 在内的竞争对手已经向美国联邦通信委员会（FCC）提出了他们的担忧，认为 SpaceX 巨大的卫星星座及其形成的太空垃圾将会严重影响其它在轨卫星的正常运行。
▲太空垃圾演进图（实际上太空垃圾的比例并没有图中那么夸张）
面对这一质疑，SpaceX 回应说，他们的星座计划符合所有的安全标准，并且在他们的卫星和其它公司的卫星之间预留出了至少50公里的缓冲空间。不仅如此，SpaceX 还对卫星进行了重新设计，使它们可以在寿命到期之后仅仅花费五到七年的时间就坠入大气层焚毁，而这一数字是远远短于通常的国际标准的。
而且，为了全面压倒对手，SpaceX 还想使其卫星互联网提供的网络服务达到可以媲美有线宽带的程度。在2017年3月他们向 FCC 提交的一份申请中显示，根据应用设计，卫星互联网将“提供高速、高带宽、低延迟的网络服务，将可以和地面有线服务真正产生竞争。”
根据申请的内容介绍，和位于较高轨道的ka / ku 波段卫星一样，SpaceX还将陆续发射7518颗V 波段低轨道卫星，而根据他们的估计，首批800颗V波段卫星投入使用就将会带来十分明显的增强效果，SpaceX的用户可以在不增加任何软硬件成本的基础上就享受到带宽更高、延迟更低的网络服务。
▲常见的通信卫星都运行在距离地表3.6万公里的轨道
甚至这场激烈近地轨道争霸战已经严重影响到了传统的卫星通信商的利益。在2017 年10 月的时候, 由于市场预计新出现的低轨道互联网星座将大幅提高卫星通信容量, 导致市场参与者取消了对新的地球同步轨道宽带通信的投资，传统卫星通信商可谓有苦说不出。
不过，前景虽然美好，但鉴于前有铱星血淋淋的失败案例在先，外界还是难免会对马斯克的这一疯狂计划投来质疑的目光。卫星行业顾问 Roger Rusch 就表示, "马斯克很可能不会获得成功。" 而马斯克本人也在公开场合承认这一严峻的现实问。
但既然要做，就肯定是已经胸有成竹, 根据2017 年2月泄露的一份内部文件现实, SpaceX 公司预计, 到 2025 年, SpaceX 公司在卫星业务上所获得的收入将超过 300 亿美元, 同年其发射业务的收入预计也将达到 50 亿美元。这样来看，马斯克对卫星互联网项目寄予深厚的期望，而在这种期待和努力之下，相信实现全球联网的那一天已经不再遥远。
不知不觉之间，马斯克又将再一次改变世界！
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梦想始于三年前
2015年1月，在西雅图中心(Seattle Center)举办的一次私人聚会上，马斯克向人们宣布了提供卫星互联网服务的计划。随后，马斯克在接受《商业周刊》采访时称，推出这项卫星互联网服务需要约100亿美元资金。当月，SpaceX在华盛顿雷德蒙(Redmond)成立卫星研发中心，致力于打造新的卫星通信网络。
对于很多互联网科技公司来说，让全球人民都能用上互联网，一直是个终极目标。去做尝试的公司还是挺多的。之前 Google 的 X 实验室做过一个叫做 Project Loon 的项目，就是想通过高空气球来为全球提供 WiFi，但 Google 对于未来探索的“失败文化”似乎使得他们对于这个项目的投入并不算太多，整个项目是 2013 年 6 月份提出的，直到去年 7 月，Google 才拿到 FCC 部门的批准。可以说是进展相当缓慢了。
除了 Google 这个气球项目，包括 Facebook、三星、高通等大公司都有为全球提供网络的计划，用的方式是通过发射卫星的方式，给全球提供网络覆盖，但大多都受限于成本，进展同样缓慢。
当前，许多公司都在申请推出低轨道卫星上网服务，包括波音、ViaSat、Telesat、Audacy、Karousel LLC、Space Norway、Theia Holdings和LeoSat等。去年7月，美国联邦通信委员会(FCC)已经批准了OneWeb在美国运营卫星上网服务。
根据“先到先得”的原则，已经获得频谱资源的运营商将优先部署其卫星网络。根据规定，卫星系统之间不能相互干扰，运营商必须要制定出相应的技术和操作上的可行性解决方案。这意味着SpaceX在部署卫星时，必须要与OneWeb和Telesat等竞争对手进行协调。
去年7月，SpaceX竞争对手呼吁美国联邦通信委员会进行更多调研，以确保SpaceX如此大量的卫星不会干扰太空通信(其他卫星)。这些竞争对手指出，在2.2万英里(约合3.54万千米)的高空，卫星过于密集可能导致数据通信拥堵。随后有知情人士称，美国联邦通信委员会将要求SpaceX降低卫星发射功率，并对可使用的频谱进行限制。毫无疑问，这将在很大程度上影响网络的效率。
责任编辑：顾军
综合自DeepTech深科技、腾讯科技、凤凰网科技等。