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万人炸金花拿手机WIFI连接SpaceX的星链?你想多了

  

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双十一当天,在中国网友们开心买买买的同时,美国的太空企业SpaceX也向太空发出了自己的一批“宝贝”。第二批总计60颗“星链”(Starlink)卫星发射升空,使马斯克和SpaceX与太空互联网愿景的实现又接近了一步。

然而,和广受赞誉的猎鹰9与猎鹰重型火箭不同,星链计划受到了来自不同方面的质疑。同时,和一些自媒体的吹捧所不同的是,星链既不能让你拿手机WIFI就能连上太空互联网,也不会让你免费获得上网的机会。

拿手机WIFI连星链?你想多了

提到卫星通信,读者们最先想到的可能是一个个”大锅“式的卫星天线。这些大锅对准的,一般是位于赤道正上方、距离地表3万6千公里的地球静止轨道上的卫星。当卫星处于这个轨道时,与地面保持相对静止,只需一次调整固定好大锅的朝向后,就可以进行稳定的通信。

然而,对于通过卫星进行的互联网连接来说,由于静止轨道距离地面太远,电磁信号与卫星间的传输要经历较大的延迟,因此上网的用户体验并不是最理想的。而如果将卫星部署在距离地面几百到一千多公里的近地轨道,则可以显著的降低延迟。

不过,由于这些轨道上的卫星相对地面是运动的,特定的某颗卫星不会总处于某个位置的上空,因此往往需要部署数量较多卫星才能使特定地区的用户可以持续的获得服务。这些协作工作的卫星被称为“卫星星座”。

“星链”卫星星座构想图

我们熟知的GPS,就是卫星星座的一种。曾经一度濒临失败后又被美国国防部接手的铱星系统,则是工作在近地轨道上的通信卫星星座。而马斯克将要组建的星链,也是近地轨道上的一个通信卫星星座。与已有的星座相比,除了不干语音通信这种“旧活”、专门为用户连接上网服务外,星链最大的特定就是卫星数量相当庞大。按照马斯克目前不知道能否兑现的计划,从现在开始,星链讲以每两周60颗的速度发射。到2020年代中期,星链将部署多达12000颗卫星。要知道,全世界目前在轨工作的卫星也不到2000颗。

60颗星链被打包发射到太空中、还未入轨时的画面

得益于近年来不断发展的微小卫星技术,一颗卫星的体积、重量和成本都可以做到前所未有的低。目前已经发射的两批星链卫星,单颗的重量都在250kg左右,比以往几吨重的大型通信卫星轻了一个数量级。卫星可以通过Ka和Ku波段与地面通信,未来可能还会试验使用V波段的卫星。由卫星的频段可以看出,卫星通信的频段与WIFI信号并不在一个频段,显然不可能让各种电子设备通过WIFI方式与卫星直接连接。

事实上,通信频段的选择本来就是根据应用需要进行,穿过几堵墙就会严重衰减的WIFI信号,显然无法承担起穿过大气层和电离层,与卫星交换信息的任务。在早先接受CNN采访时,马斯克已经明确表示,用户需要配备一个与星链的特别接入设备,才有可能享受卫星上网的便利。马斯克曾经在推特上打趣说”卫星的WIFI密码是‘火星人’(martians)“,这显然是一个美式的幽默,想要拿出手机就连上星链,是没有可能的。

“星链”卫星

SpaceX宣称星链的另一个卖点是为未能接入互联网的地区和人口带来互联网服务。诚然,卫星通信从技术上的确能实现这一点,但这种宣传口号,未免给人一种马斯克在搞送互联网下乡和因特网扶贫之类的慈善活动的感觉。但实际上,星链作为一个商业项目,回本并盈利是其商业成功的基本要求。据估计,如果星链的规模真的达到计划中的12000颗,其耗资可能搞到100亿美元。

而星链的使用,也肯定是要付费的。这些之前没有互联网的地区和人口,很大程度上是因为经济欠发达才没有便捷的互联网介入,而这些地区收入并不高的潜在用户如何让SpaceX回本和赚钱,前景并不明朗。

不过,好在马斯克还有另一个金主。美国军方已经对星链系统产生了兴趣,美国空军在去年12月向SpaceX拨付了2800万美元的研究经费,而如此巨款支撑的仅仅是在星链上进行军用通信的测试。一旦测试效果良好、美军决定采购SpaceX的服务,估计SpaceX将持续获得金额更大的合同。

马斯克和SpaceX的高层在与美国空军谈生意

作为一家商业公司,寻求商业上的成功是就是它的本职,但在商业目的之外配以看起来能够占领道德高地的宣传,让人不能不对这个公司产生“嘴上全是主义、心里都是生意”的印象。

太空垃圾风险和焦虑的天文学家

笔者本人是共享单车的忠实用户,但也见识过不同共享单车厂商疯狂投放单车圈地、造成城市公共管理诸多问题的情况。而现在,不少人正在担心星链如此巨大的卫星投放量,会不会在太空中造成如共享单车乱象一样的问题。马斯克星链计划的总卫星数,相当于全世界现在在轨工作卫星数的好几倍,这高达12000颗(远期计划中数量甚至更大)卫星,即便有小概率的卫星失效,都会带来不小的太空垃圾风险。

对于这样的风险,作为美国政府部门的NASA所属的部门已经开始了研究。根据NASA的太空碎片办公室发布的一项研究结果,对于成千上万颗小卫星组成的地轨星座系统,必须有99%以上的卫星能够完成任务后处置(PMD),在结束工作后会即时离轨。对于正常工作的卫星来说,一般都会预留燃料,在寿命将近时利用发动机控制卫星降低轨道,快速进入与大气层强烈相互作用并下坠焚毁的阶段。然而,如果卫星在工作过程中意外失效,就不能完成NASA研究中所要求的即时离轨,只能等待卫星与中高层稀薄大气的缓慢作用,使卫星的轨道逐渐降低。在早先的设计中,星链曾经计划使用1000公里左右高度的轨道。而后来为了能让失效的卫星在几年之内能自行坠落,其实际使用的轨道降低到了550公里。

坏消息是,在今年5月发射的第一批60颗星链卫星中,在仅仅一个多月之后就已经有3颗与地面失联,有可能成为太空垃圾了。随着时间的增加,这些卫星是否会继续暴雷就不得而知。

同时,如果按照马斯克的想法,大跃进式的在短时间内建成星链,在卫星的可靠性尚未被充分验证和改进之间,海量的星链卫星就已经进入了近地轨道。从笔者自己工作领域的角度看,近几年刚好是太阳活动水平在11年周期中的低年,吹袭地球的太阳风暴较少,给卫星带来的风险也较低。

而一旦进入五六年后的太阳活动高年,这些卫星是否能够经受住频繁出现的太阳风暴所带来的高能粒子打击和表面充放电效应,也是一个未知数。如果这些卫星为了降低成本而并没有进行足够的抗击恶劣空间效应的能力,而他们身上的“死穴”又是被批量复制的,在最糟糕的情况下,大量卫星在太阳风暴的打击下集体失效,可能会让近地轨道变得难以利用。

在星链的官网上,除了一两句话宣称自己的卫星很靠谱,不会造成太空垃圾的大问题外,外界找不到关于这些卫星进一步的资料,因此很难确认这些结论是否靠谱。在NASA的那项研究中,研究者也坦言他们所得到的卫星资料是十分有限的。

对于太空垃圾的问题,马斯克构思“星链”的宏大版图时似乎并没有考虑,只是FCC等监管部门和业界舆论提出质疑时,才在原来的系统方案上进行修补,而且至今也没有公布SpaceX自身开展的系统的太空垃圾风险研究结论或报告,而这些都是引起外界疑虑的原因。毕竟,共享单车泛滥时,城管部门出动几辆卡车就能把胡乱停放的单车清走,但清理太空中失效的卫星,则是一件既十分复杂又耗资巨大的事情。

国际天文联合会公布的天文观测受到影响的实例。图中的亮点为美国洛厄尔天文台试图观测的天体,图中的亮线为星链卫星侵入望远镜视野后留下的痕迹

除了太空垃圾外,天文学家们也对星链的部署提出了担忧。由于这种通信卫星的太阳能电池板和外壳多使用高反射率材料,其在夜空中呈现出明显的闪光。在星链之前,星链的“前辈”铱星带来的闪光就给天文学家的观测们增加了一点麻烦。不过由于铱星数量较小,这种麻烦的出现也不大频繁。而如果12000颗星链一起上天,天文学家们担心以后在地面进行的光学天文观测将被严重的干扰。

除此之外,星链无处不在的无线电覆盖也会干扰接收天体无线电信号的射电天文学的观测。为此,国际天文联合会曾经专门发表声明,代表天文学界对星链的部署提出了担忧。但是,马斯克和SpaceX的态度还是一如既往的敷衍应付,只是断言自己的卫星不会产生严重影响,却拿不出系统的研究报告和结论。


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