专家视点丨“星链”真的有那么神奇吗?

作者:张弛

本文转载自:人民邮电报(ID:rmydbwx)

马斯克的“星链”计划,早已经超越了科技领域,成为了全球热点话题。在最近的俄乌军事冲突中,“星链”卫星也频上热搜。

“星链”计划涉及层面众多,要全面客观准确地总结,得从美国科技的大背景说起。

众所周知,科研立项要经过技术论证,稍有疑点就要反复讨论,以确保所有技术环节的科学原理都成立,而且要有足够可靠的工程实现方法。

但近十年来,美国兴起了IT创投思维,跟常规的严谨科研立项不同,它的基本套路就是讲故事、卖情怀、拉投资,稍微搞出点成果就大肆宣传,拉来更多的投资。

因为技术障碍非常多,项目经常会失败。如Outernet计划、Google的热气球计划、扎克伯格的无人机计划等。

那么,马斯克的“星链”计划到底是怎么回事儿?它究竟有多大的“魔力”?下面笔者为您一一道来。

01

星链卫星计划的由来

 

2015年是SpaceX 开始大发展的时期,2015 年1 月16日, 马斯克宣布投资100亿美元建造 4425 颗卫星组成的 “星链”星座。

谷歌和富达投资10亿美元,启动了项目,预计在2020着完成,并在美国提供卫星宽带服务。

2019年5月,SpaceX公司才以一箭60星的方式把第一批星链卫星送入轨道。截至2020年11月25日,星链卫星计划总计发射了953颗卫星,距离4425颗的目标相差甚远。

于是,SpaceX公司向美国联邦通信委员会申报,计划2024年部署完成4425颗卫星,2027年部署完成7518颗卫星,预备占位卫星30000颗,共计42000多颗卫星,每月部署2~3批,周期长达9年。

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专家视点丨“星链”真的有那么神奇吗?

根据“星链”计划的官方文件,一颗卫星的典型覆盖面积是353万平方公里,比这个面积大的国家全世界也只有6个,相当于9个多德国和220个北京地区,即使考虑到卫星采用了相控阵技术,真正服务地区比覆盖面积小些,但其范围也是惊人的。

现在光北京地区就建设了2万座铁塔,每座铁塔上还不止一家基站,然后这么一颗卫星就能为上百个北京地区提供服务,速率能够吗?好比是在游泳池里打了一个鸡蛋,还能喝出鸡蛋汤的味道?

2018年2月,网上有个消息传爆了,很多科技媒体报道,有手机连上了马斯克“星链”卫星的Wi-Fi。

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马斯克在跟他人的对话中称“不要告诉别人,密码是martians”。

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众多人欢呼鼓噪,认为以后就可以接入卫星Wi-Fi了。

这是最初两颗“星链”试验卫星的其中一颗,马斯克起名TintinA和TintinB,创意来自《丁丁历险记》。

笔者在第一时间公开辟谣,断言这是一条编造的假新闻,因为“星链”卫星与手机的频率不对,两者不能直接通信。

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无线电波有一个特性,那就是频率越高,电波的指向性就越强,也就更利于集中能量将信号传递到远方,马斯克的互联网卫星使用的是Ka和Ku波段,在20GHz左右。

而手机使用的Wi-Fi频段分别是2.4GHz和5GHz,相对来说全向性较强,在路由器周围任何方向都有较均匀的信号,以方便我们的使用。

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Wi-Fi的全向性信号衰减很严重,会随着距离的平方倍衰减,如果加上空中干扰,接近立方倍的衰减,因此不能指望2.4GHz和5GHz的信号传多远。指望手机这点微弱的信号传递给太空中的卫星,这就是痴人说梦。

卫星发射的信号手机能收到吗?卫星的信号频率在20GHz左右,手机没有接收这个频段的接收器,根本就不可能收到。

也就是说,“星链”卫星的信号既不可能被手机收到,手机的Wi-Fi信号也不可能发射到卫星,手机连接成功卫星Wi-Fi的图片是骗人的。

将来“星链”如何为地面上的手机提供上网服务呢?现行手机的信号不可能发射到卫星,而且与卫星直接通信的设备不能有遮蔽顶,所以要在室外空旷地域装转发器,以20GHz左右的频率与卫星通信,以2.4GHz或5GHz跟手机通信,它起到了中继的作用。

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但这个转发器的对星频率有问题,它跟我国5G规划的28GHz频率完全重合,将来的街上会密集配置着28GHz的5G微基站,旁边如果还有着相同频率的卫星转发器,将会严重干扰5G微基站的信号,政府主管部门不可能允许个人私装这个东西。

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从2014年开始,美国科技人士就为全世界人民的上网问题操碎了心,搞的计划形形色色,有用卫星的,有用无人机的,有用热气球的,总之就是往天上搞,核心卖点就是覆盖足够大用户足够多。

一个站点的带宽资源基本固定,所服务的用户数越多,单个用户分得的速率就越少,这是很简单的多人分蛋糕的道理,可他们就是绝口不提人均速率。

正确的做法是缩小站点范围,然后把站点资源分配给更少的人群,每个人得到的资源就更多。单站点服务范围越来越小,通量密度越来越大,这也是5G的发展趋势。

02

为了抢占频率和轨道?

有很多人怀疑“星链”的目的是抢占轨道和频率,甚至都成为了网络共识,其实这依然是外行揣度,并不是实情。

首先说轨道,地球表面积5.1亿平方公里,如果每隔一公里摆一个卡车,可以摆5亿辆卡车,而卫星轨道面当然比地球表面积更大得多,即使以10公里的间距发射卫星,仍然可以摆放500万颗,所以说区区几千颗卫星就想把卫星轨道占满了,这根本是无稽之谈。

而且,星链二期的高度是550公里,这个位置还是有稀薄空气阻力的,再加上地球是个不规则球体,引力并不均衡,低轨卫星必然会偏离轨道,过不了5、6年就会跌落大气层烧毁了。

星链计划的时间跨度是十多年,最后的卫星还没打,前面的卫星就已经掉下来了。

那为什么会有轨道拥挤的说法呢?主要有两个原因,一是来源于对赤道上空36,000公里同步静止轨道的印象,这个轨道只有一个圈,的确比较拥挤,而中低运动轨道是一个球面,情况完全不同。

二是图片的误导,有的卫星图片看起来非常拥挤了,其实这是比例严重不对等的错觉,把地球画得很小,把卫星画得很大,显得很满当,其实这不是真实比例。

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例如上图,卫星密密麻麻显得轨道很拥挤,可按比例推算,一颗卫星比一个城市都大。

至于抢频率的说法,并不是无稽之谈,对一些落后国家来说,的确存在这个问题,但中国作为卫星大国不必担心。

道理是这样的,所有卫星频率都必须通过两级报备,首先报给自己本国的无线电管理部门,本国政府同意后再报给国际电信联盟ITU。

已经在轨运行开展业务的卫星频率具有高优先级,新发射卫星的频率要保证不与这些高优先级频率冲突,这就需要大量的协调工作。

因此每年中国在国际电信联盟的会议上,就会跟很多卫星国家进行沟通、协商,协调工作非常复杂。

回到“星链”卫星的频谱,一期计划的频谱是20G赫兹左右,这是通信卫星最常用的Ku和Ka段,既然常用就说明以前早就被人占用,因此在进行无干扰认证的时候就比较困难。

作为美国重点项目,美国联邦通讯委员网开一面批准了它在美国上空的使用权,但在其他国家上空就有两种面临两种情况。

一种是落后国家,反正本国也没卫星,不存在干扰问题,这些国家政府没有必要、没有动力、也没有能力去管辖,因此星链卫星在非洲大地应该畅通无阻。

二是中国和俄罗斯这样的卫星大国,这种常用通信频率,本国卫星早就占用或者部分占用了,那星链就必须论证不会影响前序卫星的正常工作,要做一个兼容性的证明,而且要得到政府主管部门的认可和批准,否则你在中国上空就不能开机。

这个规则是对等和公平的,中国卫星过境美国时能否开机,也得要美国政府的批准。

既然有政府的严格管控,鉴于Ka和Ku频段的常见性,跟我国的32颗通信卫星有可能重叠,需要大量的沟通协调工作。

03

俄乌军事冲突中助力?

俄乌战事初期的2022年2月27日,马斯克发了个推特,称“星链”服务在乌克兰激活,更多终端正在运送之中。

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话音刚落,有一乌克兰人在推特上回应,星链服务在乌克兰基辅开通了,并上传了下载速度136.76兆的截图,这迅速成为了全球热点消息,也在国内疯传。

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这很令人怀疑,星链卫星需要天线和调制解调器套件,还必须在线注册,这个乌克兰人在战乱中是如何得到设备的?

在推特上,笔者看到了一些跟我有同样疑问的人,当然被 99%的欢呼喝彩帖所淹没。

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笔者查证了这位马上就接通星链的乌克兰基辅人,他推特的自我介绍,显示他是个能力很强的电子工程师。

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乌克兰名字拗口,就叫他电子哥吧。

电子哥的推特显示,早在去年12月份,他就采购到了星链的套件,而且非常得意地说,这是乌克兰第一个也是唯一的星链套件。

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星链在乌克兰没有开展服务,买它回来就是块砖,电子哥称这是乌克兰唯一一套,恐怕果真如此。

不能用为啥还买?电子哥的能力很强悍,他把套件拆了,把星链套件的身份验证芯片给黑了,而且还获得了成功。

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电子哥把黑掉星链认证系统的全过程,在推特上交代得清清楚楚,甚至包括他在破解过程中的疑惑。

马斯克把乌克兰上空的星链频道打开了,近2000颗卫星中,有人测出有5颗在乌克兰能用。

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电子哥第一时间尝试连通,但并没有成功,于是就联系了“星链”工作人员,在“星链”官方工程师的帮助下,他终于连通了,这就是136.76兆下载速度的真相。

为什么速度这么高?实际上整个乌克兰就他一个用户,带宽都给他了。

前段时间汤加出事,马斯克捐献了50部星链套件,搞得全世界人人皆知。

这次捐赠,乌克兰副总统公开感谢,到底有多少呢?报道有一卡车。

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这些设备能起什么作用呢?乌克兰军队卫星情报车不可能立马改接口,并无多大军事意义。

对民间应用呢?星链天线需要屋顶固定安装,不适合东跑西藏的战乱环境,不如带宽低些的卫星电话好使。

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英国每日电讯3月18日报道,乌方的delta center指控系统,集成了“星链”卫星的通信能力,表明“星链”卫星助力了乌克兰的军事行动。

指控系统的数据链应是“不落地”的保密直传,从示意图可以看出,星链卫星的信号不是直传给无人机的,而是通过碟形天线套件,将信息“落地”后再转信的,这就失去了快速反应的军事意义。

04

“星链”卫星反导?

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【2018年5月,美国国防部的小火箭计算中心弹道导弹对抗演习中,星链星座完成了对来自某国经过北极上空飞向华盛顿、洛杉矶和西雅图的总计51枚核弹头进行在轨拦截,全部获得成功。2018年7月,五角大楼进一步举行敌对国家对美国发起饱和打击对抗演习中,星链星座对多达350枚来袭的洲际弹道导弹进行了拦截,再次全部获得成功。而且对于每一枚来袭弹头,“星链”系统都有5至7次的拦截机会,这极大的抵消了敌方导弹及核力量的突防能力。】

上图与上述描述在网上疯传,而这些都是彻头彻尾的低级谣言。

星链卫星反导,需要两个前提条件,一是高水准的导引头,可以探测导弹并锁定。二是大推力发动机,从而产生撞击导弹的高速度。

星链卫星没有导引头,而且发动机是不用化学燃料的霍尔效应推进器,推力0.04-0.1牛,可以推起一张A4纸,或者一小绺头发。

导弹每秒上千米的高速,星链卫星如果推到每秒100米的速度,需要霍尔推进器连续推好几天。

我国曾向联合国发送普通照会,称“星链”卫星干扰到我空间站的安全。但那是脱轨待坠落卫星无方向目标的缓慢机动,其实就是漂浮的太空垃圾干扰空间站轨道了,并不是有意的瞄准撞击。

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至于上图说法,更是无稽之谈,“星链”卫星不过是个Ka/Ku频段的通信转发器,可以简单理解成把基站发射到了空中,并无侦查手段,何来获取秘密一说?这种弱智说法简直不可理喻,但却在网上流传。

05

北美使用现状

“星链”已经在北美等地提供了服务,国外网站上出现了越来越多的“星链”服务的测评报告,态度非常一致,基本都是负面吐槽。

第一是费用高,499美元买一套组件,每月服务费100美元,综合算下来,每年的开销那将近1万元人民币,即使是高收入的美国人,也觉得这太贵了。

第二是信号易遮挡,星链地面设备与卫星之间的通信,采用的是ka/Ku段波,波长在一两厘米左右,很容易被树叶遮挡。

因此锅的安装必须对空没有遮蔽,在屋顶安装的时候,还要用木架子向上延伸三米。

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第三容易掉线,星链卫星处于500多公里的中低轨道,对地相对速度很高,每颗卫星的持续服务时间很短,在卫星切换过程中,网络就变得非常缓慢。

如果是看视频问题不大,因为视频是先下载到缓存的,而要开视频会议就会直接掉线,玩游戏刷抖音也不成。

第四是安装比较麻烦,野外不好找市电,除非用车载逆变器。碟形天线要摇头,其机械结构的寿命令人担忧。

第五是时延太高,信号通过卫星一上一下跑上千公里,而且还得通过地面光缆进行传播,实际应用时会有100ms的时延。

为什么美国不老老实实的在地面建基站,还坚持发这么多卫星?

这跟美国的国情有关,美国土地私有化,挖光纤沟涉及大量征地问题,官司打多少年都扯不清。地面走不通,只能往空中走,而空中计划普遍不靠谱。

马斯克的“星链卫星技术”,就是在这种大背景下的产物。

06

总结

马斯克的“星链”计划,属于低轨道互联网卫星系统,与提供通话服务的铱星不同,它采用的是互联网协议,旨在提供高速互联网服务,这是一项科技进步。

为公众提供普遍性的高速互联网接入服务,按照国际电信联盟的规范,需要具备三个基础能力。

一是通量密度,每平方公里的总流量,例如5G的通量密度是10万Gbps/平方公里。

二是连接密度,每平方公里的连接数,例如5G的连接密度是100万/平方公里。

三是空口时延,终端到设备的空中对接时长,例如5G的空口时延是1ms。

由于卫星的覆盖面积极大,所以其通量密度极低,这是卫星的最大弊端。

华为研究结论:4000颗移动互联网卫星的服务能力是每平方公里600多kbps,3万多颗卫星是每平方公里16兆bps。

中兴研究结论:500公里轨道上将地球覆盖完毕需要62,000颗,其信号光斑直径60公里,通信能力也只是运营商的1/500万。

同样由于卫星覆盖面积大的原因,其连接密度就很小。

再由于卫星距离地面几百公里,空口时延就会很高。

总之,“星链”卫星的通量密度、连接密度和空口时延都远远达不到5G指标,只能作为地面网络的有益补充,在海洋、沙漠、高山、戈壁等无基站的地方起到补盲作用,而不可能替代和颠覆地面基站。

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