超越星鏈?中國虹雲工程斷星鏈後路?馬斯克:軌道可容百億衛星

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自2021年12月3日中國向聯合國秘書長發普通照會,通報中國在7月1日和10月21日因SpaceX的星鏈衛星2次意外近接事件以來,全世界航天界都非常關心,歐洲航天局近日也對SpaceX的星鏈衛星發出警告和指責,稱其占用太多地球軌道空間,排擠競爭對手。

但作為SpaceX的掌門人馬斯克先生一直沒沒有正面回應,不過在12月29日(周三),馬斯克在一個采訪中表示,他否認“星鏈”衛星(Starlink)在地球軌道上占用過多空間的說法,稱地球軌道上的空間足夠大,可容納“數百億”顆衛星。

容納數百億顆衛星是一個偽命題

馬斯克說的地球軌道上可以運行數百億顆衛星其實沒毛病,比如以地球靜止衛星軌道為例,假如按StackExchange網站上給出的數據,當前在靜止軌道上的衛星有414顆,平均間隔相距0.87°。

但事實上某幾顆衛星之間距離相隔遠小於這個數據,比如最小距離的Astra 2C(目錄號 01025A)和Astra 1KR之間僅僅隻有 0.0014576°(5.25"),兩者之間的傾角幾乎就一樣(分別為 0.083°和0.089°),相距隻有1.1千米。

GEO軌道定義

假如以此為標準計算,地球軌道上高高低低、層層疊疊可以排列千億顆衛星甚至更多,從這點來說馬斯克說的沒毛病。

失控怎麼辦?

上面的數據是一個理論計算值,並且還要保證同向且衛星精準可控,比如像靜止衛星這種高軌不太受到稀薄大氣分子影響的軌道,而在低地球軌道上,那就是一張密密麻麻的網,各位知道星鏈衛星現在有多少顆衛星以及未來總計要發射多少顆衛星,另外還有失控的有多少顆衛星嗎?

星鏈當前總共發射的衛星已達到瞭1944顆,在軌1797顆,正在運行的1770顆,有的正在調整軌道,還有的則是失控和已經重返大氣層的衛星,未來將要發射的衛星總數可達4萬多顆,近期將要規劃的總共有1.2萬顆左右,分別在550公裡軌道部署約1600顆衛星,然後是在1150公裡軌道部署約2800顆Ku波段和Ka波段衛星,最後是在340公裡軌道部署約7500顆V波段衛星。

這些衛星正常工作時並不可怕,因為裝載瞭霍爾電推發動機(俗稱離子電推發動機),可以在很大的范圍內重新調整軌道,因此並沒啥毛病。但近地軌道上並非一成不變,有太多的因素會影響這些衛星的軌道:

1、衛星的可靠性:故障失去聯系;2、稀薄大氣分子的阻力持續讓軌道下降;3、太陽風暴導致地球高層大氣分子大幅度改變,導致衛星軌道快速下降;

第一種故障可能是本身設計或者元件故障,也可能是高能粒子碰撞導致的故障,第二種可以預計的改變,可以用規劃中的軌道維持完成,第三種是比較可怕的,因為太陽風暴會導致大量高能粒子轟擊衛星導致衛星故障,同時還會讓高層大氣分子密度出現大幅度波動,如果雙管齊下的話,那星鏈衛星簡直就是一場災難,太空碰碰車可能就會即刻到來。

當然這種意外事件隻會導致軌道下降,比如550千米軌道上的1600多顆衛星,假如有幾百顆軌道意外改變,甚至相撞,而且大量衛星需要變軌,估計控制通道也飽和瞭吧,另外一旦相撞,那麼有更多衛星需要規避,這絕對是控制中心的一場噩夢。

而在400千米左右的軌道,剛好是國際空間站與中國的天宮空間站,其他衛星類資產損失的隻是金錢,但空間站上可是載人的,這個結局是相當可怕的,而且馬斯克未來總共要部署的衛星高達4.2萬顆,即使按比例,550千米的軌道上可能會達到5000顆以上。

那麼可以預計的是,地心引力中的那種場景,未來一定有一天會發生,它可能來自於一次黑客事件,比如有恐怖分子黑入瞭SpaceX的衛星控制中心;也有可能來自一次超新星爆發的高能粒子轟擊事件,大量衛星失控;最有可能來自一次“卡林頓事件”級別的太陽風暴,近地軌道上的太空資產可能完全被毀。

不知道馬斯克先生有沒有考慮過如此場景,在550千米和340千米軌道部署大量低軌道通信衛星實在不夠明智,盡管其有考慮到太空垃圾更快時間墜入地球,但失控的代價是昂貴的,甚至是無可挽回的。

而7月和10月的兩次意外接近,還不是失控狀態,而是可控接近卻不通知,這個性質比失控還要惡劣,因為是故意靠近,這是意欲何為?就像在高速公路打算碰瓷,美俄衛星相撞是前車之鑒大傢都很清楚,這次馬斯克不僅不表態,還說太空空得很,可以容納數百億顆衛星,這種表態,完全就是“你行你上、不可一世”的態度。

“星鏈”衛星到底是幹嘛的?虹雲工程能與之競爭嗎?

“星鏈”衛星是馬斯克的企業SpaceX旗下的一個近地軌道通信衛星星座,全部完成後有4.2萬顆衛星圍繞地球運行,編織成一張網絡,在地球中低緯度任何地區任何時候都能保證看到數顆衛星。

而地面站則是一個有點像衛星電視的那種鍋,但其實是一種相控陣天線,即能在不改變天線發射面角度的情況下在一定范圍內跟蹤衛星,與之保持連續連接,在一顆衛星離開通信范圍後將會由另一顆衛星接替,形成一個連續的鏈路連接,就像是蜂窩移動通信模式,在高速移動中由不同的基站接入,所不同的是這次運動的是基站,而客戶端不動,但原理相差並不大。

與星鏈類似的還有銥星星座,主要提供衛星電話功能,還有ONEWEB,提供互聯網高速接入的低軌道衛星星座,當然還有中國提出並已經進入實施階段的“虹雲工程”與“鴻雁工程”。

“虹雲工程”與“鴻雁工程”規模如何?

虹雲工程是中國航天科工五大商業航天工程之一,該計劃發射156顆衛星,在距離地球1000千米的軌道上組網運行,構建一個星載全球移動互聯網絡。另一個則是更早規劃的“鴻雁工程”,兩者的目標都是建立近地軌道互聯網通信接入星座。

2018年12月22日7時51分,中國航天科工集團有限公司虹雲工程首星在酒泉衛星發射中心成功發射並進入預定軌道,2019年7月5日,中國航天科工二院發表瞭經過一個階段測試,虹雲首可衛星通信達到預定目標,刷視頻,上購物網站速度很快,視頻速率能達到1.5M以上。

2021年4月19日,澎湃新聞報道,國傢相關部門正統籌規劃鴻雁、虹雲在內的星座計劃,兩個目標相同,功能類似的計劃將會合並,而據多個媒體報道,新合並的衛星通信星座規模相當驚人。

2021年4月21日,SPACENEWS報道稱,中國正在制定一個1.3萬顆衛星的巨型星座計劃,2020年9月份,中國向國際電信聯盟(ITU)遞交的頻譜分配文件顯示瞭高達12992顆衛星的頻譜分配;文件顯示這些衛星的軌道分佈在500~1145千米,傾角在30~85°之間。

與此前“虹雲工程”的156顆衛星相比,新的星座計劃衛星數量高達1.3萬顆,並且其軌道高度在500~1145千米,與SpaceX主要分佈在550千米和340千米軌道相比,其數量隻需SpaceX的1/6即可達到SpaceX的覆蓋密度。

但兩者的區別也是比較明顯的,由於其軌道比較高,那麼需要更大的天線才能達到同樣的信號增益,這會使用更大的發射與接收天線,如果使用相控陣天線,那估計這個成本也不會低,當然也可以使用機械跟蹤天線,但由於其存在運動部件,壽命也會降低。

另一個則是其帶寬,此前的864顆衛星的鴻雁工程帶寬為8TB,這次到1.3萬顆實在是不太清楚帶寬會增加多少,與Starlink的4.2萬顆相比應該還是存在一些差距(與地面站的佈置與衛星的帶寬相關)。

不過有一點可以肯定的是STARLINK在340千米軌道的衛星壽命應該非常有限,這裡受到高層稀薄大氣分子的影響可能太大瞭,一旦太陽有個風吹草動,這裡將是第一個受到影響的,不知道SpaceX為何要這樣安排,不過低軌也有低軌的優勢,比如發射成本低,衛星接入速度也可以更高。

但從發射火箭的重復利用率來看,SpaceX的發射成本已經低到瞭相當的程度,並且衛星已經發射瞭1700多顆,想要趕上SpaceX還是有一些難度。當然回懟馬斯克最強有力的手段,就是更快地部署我國自己的近地軌道上的通信星座,對付流氓,可能用更“流氓”的手段才會比較有效。

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  • 本文由 发表于 2021年12月31日
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