马斯克的“星链”挑战5G?可能带来很多好处,但仍面临诸多挑战和问题

美国太空探索技术公司(SpaceX)成功一次将60颗卫星送入轨道,这是SpaceX公司“星链”计划的第八次发射。2019年5月23日,“星链计划”用“猎鹰9号”第一次成功发射了60颗卫星,迄今为止,该公司迄今已通过8次发射将480颗“星链”组网卫星送入轨道。

“星链”(Starlink)是SpaceX正在开发的卫星网络的名称。由于目前的互联网宽带系统无法到达地球每一个角落,特别是一些人迹罕至的地区。为了解决这个难题,2015年1月,SpaceX创始人马斯克提出卫星互联网服务计划,即“星链计划”,准备向近地轨道发射大约12000颗卫星,而当前全球在轨工作的全部卫星不到2000颗,由它们组成的网链将为人类社会提供全覆盖无死角的互联网服务。根据美国联邦通讯委员会(FCC)批准的方案,这些卫星分布在距离地面336-1325公里的近地轨道范围内,其中4425颗在700英里(约1126公里)的高空运行,另外7518颗在200英里(约322公里)的高空运行。后来,该公司又计划增加30000颗,使“星链”达到42000颗卫星。

相比一箭10星,虽然“星链”的一箭60星并无技术突破,但一次要把60颗卫星送入轨道,还是面临许多技术挑战。首先必须解决在一瞬间大量释放卫星可能引发的碰撞问题,卫星要按照预定程序顺利“出舱”且不能相互擦碰。这需要为每一颗卫星“量身定做”最佳的分离路线和分离的时间,实现多颗卫星的“各行其道”。此外,卫星释放的过程中,火箭的结构角度和重心分布会发生改变,姿态控制系统必须在每一颗卫星的分离瞬间保证火箭飞行稳定。同时,避免不同卫星内部电子设备产生无线电干扰也是技术人员必须解决的重要问题。毫无疑问,实现这一目标的技术门槛相当高。

一旦“星链”完成,会极大改善全球通讯,甚至会颠覆现行的互联网架构。众所周知,卫星互联网通过电缆发送互联网信号,而电缆必须通过物理敷设才能到达遥远的地方。另外目前的卫星互联网使用的航天器在地球上某个特定地点上空22,236英里的轨道上运行,但在这个距离上,发送和接收数据通常会有一定的时间延迟。这意味着目前的通过电缆通讯存在三个方面弊端:一些地方根本无法被卫星信号所覆盖,同时,电缆成本很高,最后,很难做到即时通讯。“星链”则能有效克服上述弊端。一方面,“星链”的卫星位于近地轨道,因而更接近地球和互联网,“星链”卫星意味着将大量的信息迅速传送到地球上的任何一个点,甚至海洋和其他非常难以到达的地方,这样就根本不需要在那些地方敷设昂贵的光纤电缆。另一方面,“星链”中卫星互联网是由约42000多颗卫星通过空间传送信息的,这相当于在真空中传输信息,其传输速度比光纤电缆快47%。与此相关,“星链”推出一种全新的网络通讯协议,运用在其专用的互联网星座上,其技术表明这是一种去中心化的连接网络,每个用户都具备服务器功能,数据在这些服务器上通过新协议自动流通,达到最佳访问与传输速度,卫星能精确了解每个用户的物理位置。如果这套系统运行良好,则可能颠覆现有及未来互联网架构。另外,“星链”互联网星座采用端对端(end-to-end)的计算机固件加密技术,目前的电脑黑客技术根本无法破解,这种能力未来也能通过加密补丁技术的全球范围内的升级来巩固信息传输的安全性。

由于拥有这么多优势,据马斯克估计,“星链”将抢占全球3%到5%的电信市场,年收入3万亿美元。

尽管“星链”可能带来很多好处,但仍面临诸多挑战和问题。首先,如此数量的卫星,一旦失效是否会成为太空垃圾或碎片?会不会造成严重的太空拥堵?这是“星链”面临的最大质疑。目前地球轨道上有2000颗运行中的卫星,“星链”部署完毕后将大大增加这一数字。这可能会增加卫星在太空相撞的风险,产生更多的碎片,进一步威胁其他航天器。在2019年的发射中,有三颗“星链”卫星通讯中断而失去联系,这为上述担忧提供了实锤。同时,自1957年苏联发射第一颗人造卫星以来,人类一共发射了大约一万枚人造天体(目前仍然在轨的卫星数量为2000颗左右),而“星链”准备最终发射42000颗卫星(根据SpaceX提交给FCC的备案,他们准备在此前12000颗的基础之上,额外再发射30000颗卫星),这将会使目前的卫星密度提高20倍左右,届时大量的人造卫星、太空垃圾将漂浮在这片区域中,导致近地空间的严重拥堵。

其次,“星链”可能给天文学带来灾难。当42000颗卫星全部发射完毕后,22个卫星通常或连成一串,在某个特定轨道平面上运行。当它们划过天空之时,因反射太阳光而发亮,在天空形成一串光点。这让天文学家们开始产生担忧和困扰。因为这42000颗卫星反射的太阳光是一种虚假的星光,可能会打乱它们长期曝光的天空图像,射电天文学家还怀疑,这些卫星所使用的频率可能与科学家用来研究太空中遥远物体的频率交叉。

而作为新兴技术,“星链”一问世就对相关产业、尤其是5G技术形成严峻挑战。相对于5G来说,“星链”由于采用卫星传输的方式,因此信号覆盖将不会受到地形、地貌和所在区域的限制;同时,由于每一颗卫星都能提供20Gbps的容量,数量庞大的卫星显然可以带来相当可观的系统容量,因而,“星链”的容量大、速度高。在美国5G落后中国的情况下,美国联邦政府放行“星链”,其背后的战略较量不言而喻。但“星链”也有相比5G的劣势——存在带宽问题。众所周知,一个WiFi同时连接的人数越多,网速越慢。从目前SpaceX公布的测试数据看,60颗卫星能提供1T的带宽,测试的下行速度能达到610Mbps,距离理论上的1Gbps还有较大差距。即使后续SpaceX能将单颗卫星的带宽提升到1T,在面对人口较多的地区时仍无法提供足够的速度。而5G覆盖的是一个地区就有千万甚至上亿的用户,两者显然不是在一个数量级。估计SpaceX也意识到了这个问题,就增加卫星数量,弥补网速较慢的短板,所以卫星增加到42000颗。

总体而言,“星链”作为一种新兴的技术,既有优势、也有不足,既面临挑战,也有广阔发展前景。在满足移动宽带和语音需求方面,与既有网络有很好的互补性,可以共同完成对城乡的覆盖。对我国来说,刚刚在新基建战略中加入的卫星互联网,与5G并重发展,缩小与美国的差距,这是一项很重要的战略决策。

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