太空开发，从来不缺“赌局”。
对于无垠的太空而言，探索和开发的空间一直都在。上周四，SpaceX进行了最新的一次Falcon 9火箭发射任务，“很自然”地再次获得了成功，一次性将SpaceX自己的“StarLink”互联网卫星计划的首批60颗测试卫星送入了轨道。
此次StarLink任务的徽章
单单1次发射成功，对于去年完成接近30次发射任务的SpaceX来说实在不算什么，但这60颗卫星的上天仅仅只是一个开始，它们所开启的，是一场实际规模达到上万颗卫星，总投资500亿美元起跳，同时也是有史以来最大民营太空项目的“大赌局”。
在前沿技术专栏之前的相关文章中《民营卫星上天潮》，我们其实曾经就提到过SpacexX的StarLink，它其实是民营卫星浪潮的发展方向中，“大规模低轨互联网星座”的代表。
成本500亿美元起跳，这么高的投资还有人感兴趣，自然是因为有高回报。根据Elon Musk的计算，一旦StarLink成功运行，就将会每年为他带来100亿美元的收入，然后他还会考虑用这笔钱去资助他其他的项目。可以说是真的不消停了。
事实上，几乎国内外超过半数的民营卫星创业公司都会在自己的PPT里面加上“大规模低轨互联网星座”的存在，少说几百颗，多的也有写上几千颗计划的。根据虎嗅初略统计，整体数量超过20000颗完全不是问题，这个数字已经超越人类现役卫星总数10倍。
数以万计的民营卫星上天，注定会改变人类的生活。
但跟之前、人类已经进行了半个多世纪的太空探索不同，“大规模低轨互联网星座”完全没有例子可以借鉴参考，其中各个环节所存在的变数更是众多。这也让SpaceX显得尤为重要，第一个吃螃蟹的它如果真的能够成功，那么意味着其他人也可以积极跟进，假如失败，那么这一条商业路径可能就注定无法走通了。
这也是太空开发刺激的地方，一边是极高的风险，一边是一旦成功就将创造巨大价值的可能性。首先拨动这个俄罗斯轮盘的，就是Elon Musk的StarLink。研究和分析StarLink，是了解这一赛道目前最好的方式。
通俗地理解互联网卫星
时间已经来到9102年（这是个梗），互联网其实早已经成为全世界人民的生活“必需品”，再加上互联网本身就是无疆界，所以StarLink并不能算是“再造一个互联网”。
而是要利用卫星的特性，提供更加有“特性”的“网络服务”，最终的目标还是商业化。
Elon Musk之所以敢做这件事情，一来是因为卫星的确在通信这件事上有优势，二来SpaceX实在是一个节约太空开发的法宝。不做白不做。
飞机头顶装的卫星天线
首先有一点必须说明——能够提供“互联网服务”卫星现在就已经有，而且正在大规模被使用，最好的例子就是我们寻常坐飞机过程中使用的空中联网服务。飞机顶部的天线负责和卫星进行互联通信，然后在机舱内以Wi-Fi的形式提供给乘客使用。
之所以用卫星来做通信，也是因为卫星在通信上本身拥有天然优势：高。
就以我们寻常能看到的手机基站为例，不管最终的天线如何布置，它们总会架设比较高的地方。因为无线电波本身是直线传播，但地球表面是个球形，更高的信号源理论上能传输的距离就更远，正所谓登高望远。
这一点对于移动通讯这样的中短距离无线通信，改变已经非常明显，对于卫星来说更是如此。因为卫星的轨道动辄几千上万公里，完全能够直接无视各种地形、边界跨越上万公里传输数据。
这也是在全球很多第一手新闻的现场，你都会看到一种卫星转播车，车顶上往往还会有一个大大的天线锅。它的作用就是把现场拍摄到的画面，通过太空中的卫星，转发到电视台总部，甚至可以做到在地球背面实时连线。
SpaceX的优势则更好理解一些。
目前SpaceX的Falcon 9火箭已经能够高频率地完成各类卫星发射任务，第一级助推器基本上都可以做到回收使用3次，这为SpaceX节约了大量的经费。如果按照公众号“小火箭”的估算，在后期火箭回收次数上升之后，SpaceX能够硬生生挤出超过50%的单次发射成本。
随着发射次数的增加，Falcon 9火箭的发射成本持续下降
这个节约能力，对于上万颗卫星的超大星座是“必不可缺”的。
当星座中卫星的数量大幅提升变得可能，就是时候“浪起来”了。假如把宇宙想象成一个大工厂，卫星其实其实就是里面的工人。传统的做法就是要请几个能力超强、能够同时兼顾大量工作、但是工资和培训费用都很高的工人，而StarLink的做法其实就是把工厂里面的工人换成普通工人，但是最终数量远超前者，以达到甚至超越前一种模式。
最终的评判结果只有一个，哪种模式下工厂最赚钱。
关于StarLink的技术细节
前面我们先用比较简单的语言做了个介绍，但对于卫星来说，技术细节实在太重要。StarLink和传统的通信卫星不同，关键在于3点：
StarLink为了全系统实现更高的数据吞吐量，星座卫星数量要远远多于通信卫星；
因为成本和技术实现的原因，StarLink采用了远比寻常通信卫星低的轨道；
StarLink致力于成为一种大众普及应用的卫星服务。
先说数量。按照SpaceX的计划，整个StarLink卫星星座将会由11943颗卫星组成。总共分三批上天：
第一批1600颗，每组50颗，分布在32条轨道上，轨道高度1150公里。将会在北美形成初步的通信能力；
第二批，总计2825颗卫星，分布在4种轨道上，轨道高度从1110公里到1325公里；
第三批，总计7518卫星，目前部署计划还煤油，只知道其将会采用340公里高的卫星轨道。
数量的巨大差别，也导致了卫星轨道的巨大差别。
O3b星座的轨道其实像是给地球套了个宽松的“呼啦圈”
举个简单的例子，以目前最典型的提供互联网服务的通信卫星O3b的卫星为例，其轨道就要简单的多，27颗卫星像一个“呼啦圈”一样套在赤道上空。因为单颗卫星其实就已经可以覆盖1/3长的赤道，所以完全能够形成充足覆盖。
相比之下，StarLink星座的“呼啦圈”就复杂到另外一个世界去了。
首批1600颗卫星，分成32组，每组50颗卫星。50颗卫星单独运行在一条与赤道夹角53°的轨道上，并且保持的均匀间隔，然后由32条这样的轨道，绕着半个赤道形成“半个”星座。
然后是第二批的2825颗卫星中的头1600颗卫星，运行在高度略低于首批卫星的1110公里高度上，轨道夹角则略大于之前的53°，改成了53.8°。主要目的是为了方便后面1600颗卫星的入轨和位置调整。
前3200颗卫星最终会形成一个这样的大“筒”（南北极没有盖住）
这3200颗卫星，总计64组，会最终形成一个“筒型”的星座结构（上下没有盖子）。虽然没有覆盖南北极，但是因为人类本身主要生活在中低纬度地区，这样的分布已经足以覆盖绝大部分客户。
4425颗卫星的星座看上去大致是这个样子（卫星的个头比显示的小许多）
第二批中剩下的1225颗卫星的轨道倾角则要更大，分别是74°、81°、70°，这样的角度卫星就能够覆盖地球的两极，同时这样的设置也与StarLink最终想要实现的星座卫星之间相互的激光信息传输相关。
至于未来更多的7518颗超低轨道卫星，目前分析资料并不多。但其实在前面3200颗卫星暂时还没有完成的情况下，我们其实也可以暂时先把它放到一边。
通常的通信卫星到这里也就完整了，但是StarLink还有另外一个秘密武器星座中大规模使用的激光星对星传输。
橙色线是单颗StarLink卫星在太空中的激光连接
这也是因为StarLink本身采用近地轨道，在地面上看，卫星其实一直在保持移动，所以如果要完全依赖地面站完成卫星与卫星之间的信号传输，失败的概率会很大。相反，在太空中用激光去完成这件事，反而会简单一些。
在StarLinks的卫星设计中，卫星之间的激光传输能力是相当重要的一环。而根据目前的资料，StarLinks的卫星间激光传输设计也很特殊。
因为前3200颗、64组卫星只是轨道位置略微有些差异，相邻接近平行的两条轨道上卫星的运动不仅方向相同，速度也基本接近，所以SpaceX让其卫星优先连接自己身边的4颗卫星：同轨道前一颗、同轨道后一颗、左边轨道后一颗、右边轨道前一颗，最后是交错轨道上距离最近的一颗。
橙色线都是激光链路
假如我们把这些激光连接都在3200颗的星座中表示出来，就会得到上面这张图。按照StarLink目前的计划，这一网络将肩负绝大部分数据传输职责，因为其非常密集，所以在两个地点传输的过程中，也可能存在效果相近的路线。在爆发性大流量的需求下可以考虑多路并发传输。
时效一直是Elon Musk宣传的一个特点，它的效果我们也暂时放到后面来分析。
最后是地面站，这一部分其实是Elon Musk和SpaceX最少提及，也是吃瓜群众关心最少的部分。卫星海拔高，覆盖范围大，但是同样的，其单位面积内的信号强度也会被“摊薄”，对于GPS那一类只接收信号和铱星那一种只是需要传输少量语音信号的卫星应用来说，一个额外的大增益天线已经足够。
典型的主动跟踪式卫星天线
但对于大流量的互联网应用来说，普通的天线还真的是处理不来。必须换用体积更大，能聚集起信号的定向锅状天线，它的作用就是把卫星的信号聚拢起来，集中到天线的接收器上。而天线本身，则可以在水平和垂直角度进行旋转，把整个天线对准太空中的卫星。
这样的接收装置，StarLink也不能免俗。
其实早在今年2月，SpaceX就向美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission）发送了一份申请，内容就是关于其未来地面卫星站的布局——SpaceX的姐妹公司、SpaceX Services，希望能够获得一个在地面建立100万个地面卫星站，以便于终端用户能够用上SpaceX的网络。
早在上周的SpaceX发射任务之前，就有人在美国华盛顿州见到了疑似SpaceX卫星基站——一个放置有4个主动卫星天线的拖板车，以及一个看上去至少有接近100平方的密闭机房。
这样设置的原因一是因为StarLink卫星轨道低，单颗卫星对于特定地点的可视时间（卫星不断绕着地球转圈，就像太阳一样会在地平线起落）很短，大约只有10分钟，所以必须用多个卫星天线来与多颗卫星连接，形成不间断的数据连接。
而机房的作用则更加简单一些，一是处理卫星下行的数据解码，二是起到接入点的作用，将卫星网络接入地面现有网络，通过地面现有的有线、无线设施服务到最终客户。
这一部分也是大多数人在分析StarLink的时候选择忽略的东西，也是潜在的最大成本增加来源。
首次发射还有什么细节？
虽说上周被发射的只是60颗没有激光系统的试验卫星，但是依旧传递出了不少关于StarLink的新信息，首先就是SpaceX的运载能力。
一发Falcon 9火箭满打满算目前可以送60颗卫星上天，这个数字正好比StarLink前3200颗卫星单轨道的50颗多10颗。这并不是什么巧合，而是已经指出了未来StarLink的部署方式。
因为3200颗卫星总共分为64组，每一组之间的轨道角度不同，所以想要在一次发射中同时送不同轨道的卫星上天，其实会涉及到一系列变轨操作，既不经济又会增加失败的概率，反正火箭都已经实现多次重复利用了。
所以SpaceX大概率将会以一次发射建设一条StarLink轨道的方式来完成初期3200颗卫星。这一点从本次发射细节中同样有所透露。
StarLink卫星实际排列效果
60颗StarLink卫星被释放到太空
本次发射中，60颗StarLink卫星的排布方式卫星像卡片一样，层叠起来。在太空中释放时在440公里的轨道高度上保持层叠的形状飞入轨道。随后这些卫星开始依次启动他们自带的霍尔发动机（离子推进器），有计划地向他们最终的550公里轨道高度改变（加速）。
在变轨的过程中，这些原本层叠的卫星因为各自加速的大小和时间不同，整体形态也有所展开。
有天文爱好者甚至拍下了“一整列”StarLink卫星划过天空的视频。不得不说，这个方法很机智，SpaceX之所以没有把这些卫星直接送到目标轨道，就是因为他们要利用卫星自己加速提升轨道的过程来将这些卫星调整到正确的位置。
另外一点值得思考的是，SpaceX在本次测试中选择了发射60颗而不是50颗，有可能是因为SpaceX小尺寸版本的整流罩的确最大容量就是60颗，他们想要先尝试一下极限状态。也有可能是将另外10颗卫星作为备用星，一同送入轨道。后面一种情况中，初期3200颗的卫星网络中就还要加上另外640颗备用卫星。
在完成本次发射之后，StarLink还公开了自己的新官网，公布了包括卫星外形在内的一系列详细信息。的确足够开脑洞。
因为发射过程中要将卫星“叠”在一起，所以SpaceX采用了非常少见的“扁”卫星造型，卫星主体基本呈现一个长方形，一面是通信所需的4个相控阵天线，另外一面则是一块大面积的折叠太阳能电池板。除了这两大关键部件之外，卫星上还搭载了星空定位（通过识别星星来确定卫星位置）、惯性动作器（用飞轮调整卫星姿态）。
整体而言非常简洁而又紧凑，完全区别于人类之前所使用的大型通信卫星。按照寻常的航天项目而言，这么先进的卫星造价肯定十分昂贵，要知道很多大型的通信卫星动辄十几亿美元。但他们却仍在使用很多消费级市场已经淘汰的电子组件。
真正导致卫星造价高涨的不是其他，正是卫星的数量。之前被发射价格所限制的发射次数限制了卫星的数量，整个系统往往只有几颗甚至十几颗的卫星，是不可能享受到大规模工业化的成本效应的。相反，它们需要使用大量的定制组件，这些专门定制的首要结果，就是报价贵。
可因为StarLink全星座庞大的数量，StarLink卫星其实完全可以用更加工业化的手段来采购和制造。在这种前提下，卫星用更加高技术的组件（例如内部使用更多电路板而非连线，使用集成度更高的芯片等0），反而还能促进成本的降低。
这些细节都体现出了SpaceX的决心与其在建设星座系统上的独有优势。
（上篇完。在下篇中，我们将就StarLink整个计划未来的资金需求、商业前景以及可能的影响力展开分析，敬请期待。）
评论