千帆星座与近地轨道互联网卫星星座

情感 2024-10-16 18:32 广东

无论是航天发射还是俄乌战争，总是听说星链星链的，就好奇了解一下低轨道互联网星座。正好8月份我国的千帆星座发射，互联网中的资料相对多一些，就尝试用一些基本的问题作为线索，自我解答一下。其中肯定有片面和不足，而且阅读的资料有限且不是最新，业内人士不必细看，只适合给小白留个印象。航天方面的信息每天都有新的变化，等以后有时间再完善更新吧。

什么是千帆星座？

这是我国在建的巨型近地轨道互联网星座之一。预计部署上万颗卫星，完成基于卫星的互联网传输网络。8月份是千帆星座的第一次发射，预计今年将部署108颗卫星，首期648颗组网。目前千帆星座使用了长征6A火箭发射，采用堆叠的方式一次18颗卫星。

也许是因为卫星形态像是一个撑开船帆的小船，所以得名千帆星座。预计2030年，实现1.5万颗卫星的全球低轨互联网卫星星座。

为何选择了近地轨道？

千帆星座的定位，就是近地轨道（也就是低轨道）通讯卫星。这也是近年星链，一网等互联网卫星系统所选择的轨道面。先来看看这个近地轨道有什么优劣。

从同步轨道回归近地轨道

高轨道也就是同步轨道相对静止，很多大型通讯卫星，特别是电视信号通讯卫星，都是部署在同步轨道上，如中星系列通讯卫星。同步轨道可以时刻在用户头顶，静止不动，最适合做通讯中继。但同步轨道部署难度大，传输延时大（大约250-500毫秒），且轨道有限也限制总容量，地面接收设备要求高。而近地轨道就具有低延时（大约20-30毫秒），发射容易，地面设施简单等优势。近地轨道更适合发展成便捷和快速的个人通讯轨道。下图是一张2020年联通某个白皮书的数据截图，可以对比参考下。

近地轨道的问题一：飞得太快

以空间站为例，在300-400km高度的近地轨道，环绕地球一次大约1个多小时。这个相对速度非常快，卫星从你头顶经过的时间只有10多分钟，与你当前地面的通讯就会中断。

但是如果在同一个轨道面部署一串卫星，接力通过你的上空，这个问题看似就解决了。如果在多个轨道面部署更多的卫星群，形成个星座，那就可以兼顾实时性和低延时的要求。

比较著名的早期低轨道通讯卫星系统，就是摩托罗拉公司的铱星系统。初代铱星星座包括6个轨道面77个卫星。每个卫星重约600kg，具备3480个信道。另外在地面有11个关口站，主要承担语音业务，服务数百万用户。

近地轨道的问题二：还是飞得太快

以往与卫星通讯，还需要使用抛物面天线对准卫星。比如电视信号的静止通讯卫星，在家里使用一个的“锅”对着天空某处即可。但由于低轨卫星的运动速度很快，抛物面天线跟踪低轨卫星很困难，更别说星座了。而卫星本身也需要机械运动简单的天线结构。于是，在军用雷达领域熟悉的相控阵技天线就应用到了大数量的天地通讯上。每个近地轨道卫星，会使用相控阵天线，减少机械运动。下图是星链卫星面向地面的结构，可见四个方块就是相控阵阵面。

而地面终端也同样适合相控阵技术，避免机械运动去寻找快速的卫星。如星链系统的地面接收天线就是相控阵天线，确保巨型星座四面八方从头顶快速飞过时，能准确和这些卫星通讯。当然这种天线成本跟上会比同样大小的抛物面贵。

How big？How much？How launch？

选择好了轨道，我们再来看看这种卫星设计的特点，还有怎么部署到太空中。

这样的卫星有多大呢？

因为数量庞大，近地轨道星座的卫星不可能做得太大。以这次千帆星座为例，运载实力5吨左右的长6A火箭发射18颗，单星的重量可能200-300kg。具备一个太阳能板，采用堆叠结构放在火箭里，太阳板打开之后像个帆船。而同比一网公司的卫星大约147kg，星链v1.5大约200kg左右。下图是一些卫星装载布局的示意图，其中右下就是千帆星座等低轨星座在整流罩里的堆叠方式，可见和传统卫星的区别。

近地轨道的互联网星座卫星，前面也说了形态上更像个风帆。因为需要堆叠布置，所以尽量做成了一个平板状，而不是常规卫星的立方体状。整个卫星一面是面向地球，安装了前面所说的相控阵通讯阵列等；另一面带有一个单翼太阳能板；另外还带有一个小型的离子推进器。以星链卫星为例，目前的第一代星链，单价在百万美元之内，后续会压做到数十万美元。在压低成本的同时，也方便批量生产。

这样的卫星需要多少？

受制于火箭运力、卫星产能的限制，其实新闻里谈到的上万颗卫星，只是个规划数量。千帆星座第一批次是2025年完成648颗星座，按照长6A每次18颗的运力，大约需要36次任务。发射压力还是挺大的。

这还只是形成互联网星座的最基本的卫星数量。如果要完成针对全球上亿用户的宽带互联网组网，数量还是很惊人的。按照计划，各大互联网卫星系统的申请数量，都是达到四位数甚至五位数。下图是亚马逊的柯伊伯，星链，一网公司申请的卫星数量，这还是2020年的数据。

这样的卫星怎么部署？

在千帆星座之前，星链和一网（OneWeb）是开展了实际部署的星座。其中一网公司的系统已经完成了600多个卫星的发射，主要使用联盟火箭。而星链的脚步就快很多，仰仗着猎鹰9号的返回技术，已经实现了大约七千个卫星的发射规模。

下图是一个最典型的猎鹰9发射星链任务的示意图。一次发射，可以部署22颗重约790kg的2代星链卫星。大约发射100次能部署2200颗卫星。

仰仗着猎鹰9火箭的低成本，spaceX公司才可以大量部署星链卫星。下图是2022年之前猎鹰9火箭的每年发射数量。从2022年开始，星链的部署大大加快，在2023年，猎鹰9发射了90多次。而2024年破百次发射不成问题。其中大部分任务都是用于部署星链。这样的巨型部署能力，也是星链快速形成星座的基础。

而我国千帆星座的主要发射火箭是长6A，后续还有星网公司的星座系统，很可能会由长12和长8A在文昌商发进行发射。而我国很多商业火箭公司，也都在发展大吨位低成本近地轨道火箭，都想在未来低轨星座发射市场分一杯羹（商业火箭相关内容可移步：我国商业火箭发展概况）

和星链一样，千帆星座这样以堆叠方式发射的卫星，数量较多也受制于成本，不可能额外安装上面级。发射时卫星分离后更像是一串珠子，还需要自行爬行到自己的轨道面。卫星上安装的小型电推就是省力不省时的轨道机动工具。下图就是央视节目中介绍了千帆星座的电推。

除了卫星本身，还依赖什么？

当然星座本身并不是近地轨道通讯系统的全部，还有很多瓶颈制约了这种业务的发展，这些瓶颈有技术的，有业务能力的，也有法律法规，还有和传统通讯网络的商业竞争。

必不可少的地面关口站

卫星星座其实更类似基站，用户的目标还是接入地表世界的互联网中。除了卫星星座，地面还需要一定数量的关口站（英文名就是gateway）。卫星会将用户的信息通过关口站传递给地面。一般来说，完成一次通讯，最快的方式就是用户和关口站链接同一个卫星。这叫无星间链路模式，需要大量关口站。其中一网公司为其600多颗星座配置了40-50个关口站。而星链后期计划采用星间激光通讯，使用户和关口站之间进行多颗卫星的通讯。这样能减少关口站地理数量，但是延时和架构复杂度就更大了。而关口站的部署，也都会受制于各国的法律法规以及人口密度的影响。

https://satellitemap.space/这个网站可以查星链和一网的卫星以及关口站。下图就是一个简单的星链关口站，也叫信关站了。

更大的火箭系统

前几天spaceX的星舰完成了第五次飞行测试，取得了预想中的成功。而今后星舰的最大发射任务，很可能就是星链部署任务。星舰在设计上拥有巨大的货仓，也是很适合进行星链部署。每个星舰可以发射400个1代星链，作为对比猎鹰9是60个。部署效率会大大提升，单位重量的成本也更小。下图就是星舰部署星链的想象图。

复杂的卫星管理

巨型的近地轨道卫星星座，也为卫星管理带来很大的挑战。在几年前，我们需要测控的卫星还是百这个级别，每年发射几十个。而现在的星座规模，已经是千，万级别。下图就是个星链的运行图，密密麻麻都是卫星，肉眼是没法数清楚了。测控方面的文章不好找，有什么挑战啊，怎么解决啊以后有好资料再补充。至少确保不要撞到什么。对于卫星测控的人力物力需求，也是不亚于火箭的。

太空垃圾

这么巨大的星座，也同样会产生很大的太空垃圾问题。用于发射千帆星座的长6A火箭，在千帆第一次任务时就出现过二级产生大量太空垃圾。除了火箭本身的二级垃圾问题，卫星寿命到期也是个问题。大量的卫星飞在天上，难免会有失效的。比如太阳风暴就是常见的卫星杀手。如果处理失效卫星别成为太空垃圾也是个研究方向。下图是航天爱好者微博里找来的，ULA关于不同轨道衰减再入周期的示意图。550km左右的轨道是years，几年后可再入。但是更高的轨道就很久了。

网络安全，天文观测，军事化

这些问题我也没精力看太多，点到为止。我本身是搞网络安全的，海量的互联网卫星，特别是今后还开展手机直连业务，也就相当于暴露在公网环境中了。这些卫星的网络安全，比如防病毒，防信息截取，数据安全什么的，也都是需要提前思考的。而天文观测的问题也是迟早要面对，一些天文组织已经提出，这样的卫星群，对小行星预警，射电望远镜运行，都可能造成影响。

当然还有最直接的军事化问题。星链本身已经在军事通讯上展现很大潜力，而星链自带的相控阵天线，也可能演进成预警系统。而这种全球化的通讯能力，也可能用于武器运转，比如下图，乌克兰就在无人攻击艇上加装星链终端，使之具备了简易的远程打击能力，给黑海舰队造成很大麻烦。

越往后写得越潦草，这稿就到此为止吧。以后等找到更好的资料，再继续修改。

对航天感兴趣的小朋友也可以看看我以前的笔记：

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近年世界火箭大全（2021-2024.3）推荐

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIzNjM0NDc5NQ==&mid=2247516793&idx=1&sn=ee9b6d0e03809b6316d563fd16859008

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