星鏈計(jì)劃 穹頂上的巨網(wǎng)

顏慧

近年來，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“星鏈計(jì)劃”（StarLink）成為全球航天業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)榇饲叭祟愡€從未這么密集地發(fā)射衛(wèi)星：每個(gè)月兩三批，每批數(shù)十顆，平均每天6顆衛(wèi)星上天。2020年11月25日，獵鷹9號(hào)火箭于美國佛羅里達(dá)州發(fā)射升空，在成功進(jìn)入太空后將 60 顆衛(wèi)星放入軌道，并在放置衛(wèi)星的任務(wù)結(jié)束后返回地球，降落在了SpaceX公司位于大西洋的移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上。你也許會(huì)好奇，星鏈計(jì)劃為什么要發(fā)射這么多衛(wèi)星？它到底是一個(gè)什么項(xiàng)目？

覆蓋全球的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)

星鏈計(jì)劃是SpaceX公司首席執(zhí)行官馬斯克于2015年1月宣布啟動(dòng)的一個(gè)項(xiàng)目。該項(xiàng)目計(jì)劃于2019—2025年在太空搭建一個(gè)由1.2萬顆衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)，其中1584顆將部署在地球上空550千米處的近地軌道，最終將為地球上所有地區(qū)（包括南極洲）全天候提供高速、低成本衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。

2018年2月22日，SpaceX公司發(fā)射了首批測試衛(wèi)星，對(duì)搭建太空“星鏈”進(jìn)行測試。一旦完成部署，“星鏈”將為地球上的用戶提供至少1Gbps的寬帶服務(wù)和最高可達(dá)23Gbps的超高速寬帶網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)也意味著，無論你在北極還是在亞馬孫叢林里都能連上互聯(lián)網(wǎng)。由于進(jìn)展順利，2020年，SpaceX公司又向國際電信聯(lián)盟（ITU）提交了3萬顆低軌道運(yùn)行的小型衛(wèi)星計(jì)劃。這意味著星鏈計(jì)劃最終會(huì)形成近4.2萬顆衛(wèi)星的超巨型衛(wèi)星星座。

星鏈計(jì)劃的本質(zhì)是將近地衛(wèi)星作為通信基站，這種模式并不是馬斯克首創(chuàng)。早在20世紀(jì)90年代，摩托羅拉公司就提出并實(shí)施了一個(gè)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)—“銥星計(jì)劃”。不過，在銥星計(jì)劃發(fā)展期間，地面通信發(fā)展迅猛，全球手機(jī)普及，由于摩托羅拉在移動(dòng)通信發(fā)展格局上的戰(zhàn)略預(yù)判失誤，最終導(dǎo)致計(jì)劃失敗。

目前，SpaceX公司已針對(duì)美國北方用戶啟動(dòng)了名為“聊勝于無”（Better Than Nothing）的星鏈計(jì)劃服務(wù)測試。參與者需花費(fèi)499美元購買天線和路由器，每月支付99美元的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費(fèi)。近日，SpaceX公司表示：該測試反饋情況“超好”，人們?cè)谙硎芎芸斓纳暇W(wǎng)速度和很短的時(shí)延。 SpaceX公司計(jì)劃將服務(wù)測試擴(kuò)展到加拿大。在測試前，“星鏈”團(tuán)隊(duì)表示，預(yù)計(jì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度在50～150Mbps之間，網(wǎng)絡(luò)延遲控制在20～40毫秒。據(jù)報(bào)道，美國網(wǎng)速測試統(tǒng)計(jì)公司Ookla最新數(shù)據(jù)顯示，“星鏈”衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的試用速度已突破160Mbps，超過美國95%的其他寬帶用戶上網(wǎng)速度。

“星鏈”背后的軍事野心

目前，全球范圍內(nèi)的商業(yè)衛(wèi)星，包括低軌的“銥星”星座，被用于軍事通信領(lǐng)域?qū)乙姴货r。因此，星鏈計(jì)劃雖然是SpaceX公司的一項(xiàng)商業(yè)低軌衛(wèi)星星座計(jì)劃，但是其軍事應(yīng)用的潛力也十分巨大。

盡管該公司首席執(zhí)行官馬斯克一再強(qiáng)調(diào)，未來會(huì)將“星鏈”打造成“全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”，主要用于民用場景，但是明眼人都能看出，星鏈計(jì)劃遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止民用這么簡單。

首先，星鏈計(jì)劃背后有美國軍方提供支持—SpaceX公司的部分發(fā)射場建在美國范登堡空軍基地內(nèi)。2020年6月，SpaceX公司宣布和美國軍方達(dá)成協(xié)議，使用“星鏈”衛(wèi)星群為美國陸軍進(jìn)行通信測試。目前，美國空軍和陸軍都已經(jīng)在積極探索對(duì)“星鏈”的應(yīng)用，預(yù)計(jì)未來可能有數(shù)萬顆衛(wèi)星支持美軍的作戰(zhàn)行動(dòng)。

星鏈計(jì)劃完成后，將為美軍作戰(zhàn)提供哪些優(yōu)勢(shì)呢？

1.大幅提升美軍寬帶通信和精確導(dǎo)航能力。

星鏈計(jì)劃可提供低成本、全球覆蓋的高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，如果用于軍事，則可提供全球無死角的高速衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的波束覆蓋，這必將大幅增強(qiáng)美軍的作戰(zhàn)通信能力和GPS精確導(dǎo)航能力。2019年，美國國防部航天發(fā)展局（SDA）表示，將從SpaceX、OneWe等公司實(shí)施低地軌道巨型衛(wèi)星計(jì)劃的企業(yè)采購服務(wù)。星鏈計(jì)劃由于采用低軌道衛(wèi)星、減少路由站等關(guān)鍵設(shè)計(jì)，其寬帶能夠?yàn)槿蛴脩籼峁┲挥?5毫秒的低延遲傳輸，與目前最強(qiáng)的高軌衛(wèi)星通信250毫秒的延遲傳輸相比，提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，它可作為戰(zhàn)區(qū)外遠(yuǎn)程發(fā)射武器的末端導(dǎo)航控制平臺(tái)，或者未來機(jī)器人部隊(duì)與無人作戰(zhàn)飛機(jī)的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)。

2019年3月，美國空軍戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和實(shí)驗(yàn)辦公室與SpaceX公司簽訂了價(jià)值2800萬美元的合同，要求其在3年時(shí)間內(nèi)，對(duì)“星鏈”開展軍事服務(wù)演示驗(yàn)證。2019年11月，美空軍對(duì)“星鏈”進(jìn)行了早期低軌技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，其中包括衛(wèi)星和美國空軍戰(zhàn)斗機(jī)的天線陣列進(jìn)行直接互聯(lián)的試驗(yàn)。據(jù)稱，“星鏈”為美軍C-12飛機(jī)提供了高達(dá)610Mbps帶寬的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，相比目前大多數(shù)飛機(jī)聯(lián)網(wǎng)所購買的海事衛(wèi)星的5～50Mbps帶寬的上網(wǎng)服務(wù)，也整整提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這將使未來遠(yuǎn)程無人機(jī)的使用成本大幅下降，無人機(jī)的使用數(shù)量可能會(huì)不斷攀升。

2.有助美國搶占有限資源以實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)時(shí)“太空封鎖”。

在航天領(lǐng)域，軌道位置和頻譜資源都是有限的自然資源，衛(wèi)星公司需要采取申報(bào)的方式向相關(guān)機(jī)構(gòu)申請(qǐng)使用資格。根據(jù)ITU的規(guī)則規(guī)定，軌道和頻譜資源主要以“先到先得”的方式分配，后申報(bào)方不能對(duì)先申報(bào)國家的衛(wèi)星產(chǎn)生不利干擾。低軌星座系統(tǒng)不僅要按照ITU的規(guī)定將衛(wèi)星發(fā)射升空，還要按照規(guī)定的時(shí)間和比例，向公眾提供相關(guān)服務(wù)，從而使頻率地位合法化、固定化。因此，提早建設(shè)和利用低軌星座系統(tǒng)，不僅能夠搶占有限的低軌軌道資源，更有利于搶占頻譜主動(dòng)權(quán)，這對(duì)于戰(zhàn)場通信的信道使用范圍將有重要影響。目前，星鏈計(jì)劃在這方面占有明顯優(yōu)勢(shì)。此外，星鏈計(jì)劃的4萬多顆衛(wèi)星全部發(fā)射到位后，在地球低軌道就會(huì)筑起一道屏障，其他國家的火箭要確定發(fā)射窗口，就要和星鏈計(jì)劃的運(yùn)營商進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，否則就會(huì)和“星鏈”衛(wèi)星相撞。一旦有戰(zhàn)事，“星鏈”可對(duì)敵實(shí)行“太空封鎖”。

3.強(qiáng)化全域偵察監(jiān)視技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

美軍依托其偵察監(jiān)視技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)構(gòu)建了全維、全天候、實(shí)時(shí)的立體偵察監(jiān)視體系，戰(zhàn)場對(duì)其具有單行透明性。若“星鏈”衛(wèi)星同時(shí)搭載光學(xué)觀測載荷，結(jié)合其重訪率高的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷光學(xué)監(jiān)控分析，通過大數(shù)據(jù)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別、分類跟蹤和圖像識(shí)別系統(tǒng)，可進(jìn)一步提高其對(duì)目標(biāo)的識(shí)別率，增強(qiáng)抗干擾能力，這將大大提升美軍對(duì)地面移動(dòng)物體和太空目標(biāo)的監(jiān)控能力。據(jù)報(bào)道，美國空軍在“銥星”星座的衛(wèi)星上搭載了戰(zhàn)場殺傷傳感器，并在美國和同盟國家的通信衛(wèi)星上搭載了太空感知傳感器。因此，美國太空軍今后極可能在“星鏈”衛(wèi)星上搭載對(duì)地對(duì)天的遙感傳感器，從而大幅提高其對(duì)地監(jiān)視偵察和太空感知能力。

盡管星鏈計(jì)劃的推進(jìn)速度很快，但它畢竟是一家公司以商業(yè)目的為主設(shè)計(jì)的計(jì)劃，和美軍的總體設(shè)想還有一定的距離。因此，美軍正在設(shè)想實(shí)施由軍方進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)并利用商業(yè)公司新技術(shù)的計(jì)劃。2019年3月12日，SDA正式成立。SDA的主要職責(zé)是加速發(fā)展和部署新的軍事航天能力，確保美軍在太空領(lǐng)域的技術(shù)和軍事優(yōu)勢(shì)。在美國組建太空軍后，SDA將移交給美國太空軍。SDA當(dāng)前的任務(wù)是迅速開發(fā)和部署基于威脅驅(qū)動(dòng)的“下一代太空體系架構(gòu)”，以對(duì)抗對(duì)手的挑戰(zhàn)或太空系統(tǒng)拒止。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，SDA采用了一種靈活的方法快速開發(fā)一個(gè)多功能的小型衛(wèi)星星座，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前和新出現(xiàn)的威脅。2019年7月1日，SDA發(fā)布第一份項(xiàng)目征求通知，借鑒了美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局“黑杰克”衛(wèi)星項(xiàng)目的理念，轉(zhuǎn)向蓬勃發(fā)展的商業(yè)航天領(lǐng)域?qū)で笾С?。試圖基于微小衛(wèi)星技術(shù)、快速發(fā)射技術(shù)和人工智能技術(shù)，開發(fā)與下一代靈活、彈性、敏捷的太空體系相關(guān)的概念、方法、技術(shù)與系統(tǒng)。美軍新一代太空體系建設(shè)的軍事需求明確指向?qū)椃烙c太空對(duì)抗，標(biāo)志著美軍太空裝備體系發(fā)展思路與途徑正醞釀著重大轉(zhuǎn)變。

“星鏈”的巨大隱患

在星鏈計(jì)劃的衛(wèi)星系統(tǒng)中，幾十顆衛(wèi)星連成一串，在某個(gè)特定軌道平面上運(yùn)行。當(dāng)這些衛(wèi)星劃過天空時(shí)，因反射太陽光而發(fā)亮，在天空中留下一串光點(diǎn)，形成夜空中一道壯觀的景象，有人將它們比喻為天空中的“三體艦隊(duì)”。隨著這些衛(wèi)星在全球各地望遠(yuǎn)鏡和相機(jī)鏡頭中頻繁展露身影，天文學(xué)家們也開始產(chǎn)生擔(dān)憂和困擾。2019年11月18日，“星鏈”衛(wèi)星出現(xiàn)在托洛洛山美洲天文臺(tái)4米級(jí)望遠(yuǎn)鏡的視野中。通常消除上述影像的技術(shù)是通過分析影像，將這些“亂入”的像素軌跡去除，但這樣的做法將降低偵測近地小行星以及其他可變物體的能力。

星鏈計(jì)劃最終可能發(fā)射4.2萬顆衛(wèi)星，雖然在軌狀態(tài)下人類肉眼通常看不見這些衛(wèi)星，但對(duì)于使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡的天文研究者以及職業(yè)天文攝影者來說影響非常大。如果這些衛(wèi)星比較暗且數(shù)量不多，一般可以通過影像分析去除這些噪點(diǎn)或異常軌跡，要是很明亮且數(shù)量多，影像處理難度會(huì)非常大。盡管SpaceX公司曾發(fā)表聲明，希望嘗試使用一種新的涂層來降低“星鏈”衛(wèi)星的亮度，并承諾會(huì)根據(jù)天文臺(tái)的需要調(diào)整衛(wèi)星的方向。但反對(duì)和質(zhì)疑的呼聲高漲，這些衛(wèi)星對(duì)于天文研究的負(fù)面影響是顯著且不可消除的。

光學(xué)天文學(xué)首當(dāng)其沖。太陽下山后，黑夜已經(jīng)降臨地球，但是地球上空的這些近地軌道衛(wèi)星會(huì)繼續(xù)反射太陽光，在夜空中顯得非常明亮。這些衛(wèi)星運(yùn)行得非?？欤拖褚活w顆明亮的天體在快速移動(dòng)。利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)太空進(jìn)行觀測，有點(diǎn)類似給太空照相，這些明亮的“星鏈”衛(wèi)星可能使部分天文圖像曝光過度，一片白茫茫，造成觀測困難。有些針對(duì)暗弱天體的觀測，單幅曝光時(shí)間非常長，如果有顆明亮的衛(wèi)星一直在快速移動(dòng)，會(huì)在天文圖像上形成一條非常亮的線，處理起來非常麻煩，對(duì)觀測質(zhì)量有很大影響。不過，光學(xué)天文學(xué)遇到的最大問題是在拍攝最微弱和最遙遠(yuǎn)的星體方面。天文學(xué)家非常擔(dān)心，這些衛(wèi)星會(huì)降低科學(xué)家捕捉那些有可能撞上地球的危險(xiǎn)小天體的能力。射電天文領(lǐng)域可能也難以幸免。幾萬顆位于近地軌道的“星鏈”衛(wèi)星會(huì)占據(jù)很多無線電波資源，將直接影響對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行觀測的射電望遠(yuǎn)鏡。衛(wèi)星上天后如果錯(cuò)誤地使用其他頻段，將會(huì)干擾地球上的射電望遠(yuǎn)鏡，影響其正常工作。

太空中的人造衛(wèi)星雖然遠(yuǎn)在天邊，但是它們會(huì)影響地面上的人類，如功率強(qiáng)大的5G信號(hào)將影響自然界中水分子狀態(tài)以致影響氣象，并影響基于衛(wèi)星云圖的天氣預(yù)報(bào)。太空中除了有人造衛(wèi)星，還有大量太空垃圾。數(shù)量龐大的“星鏈”衛(wèi)星除了帶來虛假的星光之外，還可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的問題：造成近地軌道的交通擁堵。自1957年第一顆人造衛(wèi)星上天之后，迄今為止，人類共發(fā)射了近萬個(gè)人造天體，但隨著時(shí)間的流逝，目前仍然在軌的衛(wèi)星數(shù)量約為2000顆。SpaceX公司的星鏈計(jì)劃最終將發(fā)射 4.2萬顆衛(wèi)星，將會(huì)使目前的衛(wèi)星密度提高20倍左右，屆時(shí)，大量的人造衛(wèi)星、太空垃圾將飄浮在這片區(qū)域，可能導(dǎo)致近地空間嚴(yán)重?fù)矶隆?/p>

懷著對(duì)全球高速、低成本衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的向往，對(duì)未來升級(jí)版無線互聯(lián)生活的期待，星鏈計(jì)劃在SpaceX公司的設(shè)計(jì)、推動(dòng)下誕生。開拓科技疆域的愿望是美好的，但現(xiàn)實(shí)中不斷出現(xiàn)的問題也應(yīng)該引起SpaceX公司和美國政府的重視。當(dāng)一顆顆“星鏈”衛(wèi)星升入太空，并漸漸組成一張穹頂巨網(wǎng)的時(shí)候，人們終會(huì)看到這閃耀在地球上空的人造星光灑落的是福祉，還是隱患……