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中国虹云工程怎么样了?能与星链竞争?马斯克:轨道可容百亿卫星

自2021年12月3日中国向联合国秘书长发普通照会,通报中国在7月1日和10月21日因SpaceX的星链卫星2次意外近接事件以来,全世界航天界都非常关心,欧洲航天局近日也对SpaceX的星链卫星发出警告和指责,称其占用太多地球轨道空间,排挤竞争对手。

但作为SpaceX的掌门人马斯克先生一直没没有正面回应,不过在12月29日(周三),马斯克在一个采访中表示,他否认“星链”卫星(Starlink)在地球轨道上占用过多空间的说法,称地球轨道上的空间足够大,可容纳“数百亿”颗卫星。

容纳数百亿颗卫星是一个伪命题

马斯克说的地球轨道上可以运行数百亿颗卫星其实没毛病,比如以地球静止卫星轨道为例,假如按StackExchange网站上给出的数据,当前在静止轨道上的卫星有414颗,平均间隔相距0.87°。

但事实上某几颗卫星之间距离相隔远小于这个数据,比如最小距离的Astra 2C(目录号 01025A)和Astra 1KR之间仅仅只有 0.0014576°(5.25"),两者之间的倾角几乎就一样(分别为 0.083°和0.089°),相距只有1.1千米。

GEO轨道定义

假如以此为标准计算,地球轨道上高高低低、层层叠叠可以排列千亿颗卫星甚至更多,从这点来说马斯克说的没毛病。

失控怎么办?

上面的数据是一个理论计算值,并且还要保证同向且卫星精准可控,比如像静止卫星这种高轨不太受到稀薄大气分子影响的轨道,而在低地球轨道上,那就是一张密密麻麻的网,各位知道星链卫星现在有多少颗卫星以及未来总计要发射多少颗卫星,另外还有失控的有多少颗卫星吗?

星链当前总共发射的卫星已达到了1944颗,在轨1797颗,正在运行的1770颗,有的正在调整轨道,还有的则是失控和已经重返大气层的卫星,未来将要发射的卫星总数可达4万多颗,近期将要规划的总共有1.2万颗左右,分别在550公里轨道部署约1600颗卫星,然后是在1150公里轨道部署约2800颗Ku波段和Ka波段卫星,最后是在340公里轨道部署约7500颗V波段卫星。

这些卫星正常工作时并不可怕,因为装载了霍尔电推发动机(俗称离子电推发动机),可以在很大的范围内重新调整轨道,因此并没啥毛病。但近地轨道上并非一成不变,有太多的因素会影响这些卫星的轨道:

1、卫星的可靠性:故障失去联系;

2、稀薄大气分子的阻力持续让轨道下降;

3、太阳风暴导致地球高层大气分子大幅度改变,导致卫星轨道快速下降;

第一种故障可能是本身设计或者元件故障,也可能是高能粒子碰撞导致的故障,第二种可以预计的改变,可以用规划中的轨道维持完成,第三种是比较可怕的,因为太阳风暴会导致大量高能粒子轰击卫星导致卫星故障,同时还会让高层大气分子密度出现大幅度波动,如果双管齐下的话,那星链卫星简直就是一场灾难,太空碰碰车可能就会即刻到来。

当然这种意外事件只会导致轨道下降,比如550千米轨道上的1600多颗卫星,假如有几百颗轨道意外改变,甚至相撞,而且大量卫星需要变轨,估计控制通道也饱和了吧,另外一旦相撞,那么有更多卫星需要规避,这绝对是控制中心的一场噩梦。

而在400千米左右的轨道,刚好是国际空间站与中国的天宫空间站,其他卫星类资产损失的只是金钱,但空间站上可是载人的,这个结局是相当可怕的,而且马斯克未来总共要部署的卫星高达4.2万颗,即使按比例,550千米的轨道上可能会达到5000颗以上。

那么可以预计的是,地心引力中的那种场景,未来一定有一天会发生,它可能来自于一次黑客事件,比如有恐怖分子黑入了SpaceX的卫星控制中心;也有可能来自一次超新星爆发的高能粒子轰击事件,大量卫星失控;最有可能来自一次“卡林顿事件”级别的太阳风暴,近地轨道上的太空资产可能完全被毁。

不知道马斯克先生有没有考虑过如此场景,在550千米和340千米轨道部署大量低轨道通信卫星实在不够明智,尽管其有考虑到太空垃圾更快时间坠入地球,但失控的代价是昂贵的,甚至是无可挽回的。

而7月和10月的两次意外接近,还不是失控状态,而是可控接近却不通知,这个性质比失控还要恶劣,因为是故意靠近,这是意欲何为?就像在高速公路打算碰瓷,美俄卫星相撞是前车之鉴大家都很清楚,这次马斯克不仅不表态,还说太空空得很,可以容纳数百亿颗卫星,这种表态,完全就是“你行你上、不可一世”的态度。

“星链”卫星到底是干嘛的?虹云工程能与之竞争吗?

“星链”卫星是马斯克的企业SpaceX旗下的一个近地轨道通信卫星星座,全部完成后有4.2万颗卫星围绕地球运行,编织成一张网络,在地球中低纬度任何地区任何时候都能保证看到数颗卫星。

而地面站则是一个有点像卫星电视的那种锅,但其实是一种相控阵天线,即能在不改变天线发射面角度的情况下在一定范围内跟踪卫星,与之保持连续连接,在一颗卫星离开通信范围后将会由另一颗卫星接替,形成一个连续的链路连接,就像是蜂窝移动通信模式,在高速移动中由不同的基站接入,所不同的是这次运动的是基站,而客户端不动,但原理相差并不大。

与星链类似的还有铱星星座,主要提供卫星电话功能,还有ONEWEB,提供互联网高速接入的低轨道卫星星座,当然还有中国提出并已经进入实施阶段的“虹云工程”与“鸿雁工程”。

“虹云工程”与“鸿雁工程”规模如何?

虹云工程是中国航天科工五大商业航天工程之一,该计划发射156颗卫星,在距离地球1000千米的轨道上组网运行,构建一个星载全球移动互联网络。另一个则是更早规划的“鸿雁工程”,两者的目标都是建立近地轨道互联网通信接入星座。

2018年12月22日7时51分,中国航天科工集团有限公司虹云工程首星在酒泉卫星发射中心成功发射并进入预定轨道,2019年7月5日,中国航天科工二院发表了经过一个阶段测试,虹云首可卫星通信达到预定目标,刷视频,上购物网站速度很快,视频速率能达到1.5M以上。

2021年4月19日,澎湃新闻报道,国家相关部门正统筹规划鸿雁、虹云在内的星座计划,两个目标相同,功能类似的计划将会合并,而据多个媒体报道,新合并的卫星通信星座规模相当惊人。

2021年4月21日,SPACENEWS报道称,中国正在制定一个1.3万颗卫星的巨型星座计划,2020年9月份,中国向国际电信联盟(ITU)递交的频谱分配文件显示了高达12992颗卫星的频谱分配;文件显示这些卫星的轨道分布在500~1145千米,倾角在30~85°之间。

与此前“虹云工程”的156颗卫星相比,新的星座计划卫星数量高达1.3万颗,并且其轨道高度在500~1145千米,与SpaceX主要分布在550千米和340千米轨道相比,其数量只需SpaceX的1/6即可达到SpaceX的覆盖密度。

但两者的区别也是比较明显的,由于其轨道比较高,那么需要更大的天线才能达到同样的信号增益,这会使用更大的发射与接收天线,如果使用相控阵天线,那估计这个成本也不会低,当然也可以使用机械跟踪天线,但由于其存在运动部件,寿命也会降低。

另一个则是其带宽,此前的864颗卫星的鸿雁工程带宽为8TB,这次到1.3万颗实在是不太清楚带宽会增加多少,与Starlink的4.2万颗相比应该还是存在一些差距(与地面站的布置与卫星的带宽相关)。

不过有一点可以肯定的是STARLINK在340千米轨道的卫星寿命应该非常有限,这里受到高层稀薄大气分子的影响可能太大了,一旦太阳有个风吹草动,这里将是第一个受到影响的,不知道SpaceX为何要这样安排,不过低轨也有低轨的优势,比如发射成本低,卫星接入速度也可以更高。

但从发射火箭的重复利用率来看,SpaceX的发射成本已经低到了相当的程度,并且卫星已经发射了1700多颗,想要赶上SpaceX还是有一些难度。当然回怼马斯克最强有力的手段,就是更快地部署我国自己的近地轨道上的通信星座,对付流氓,可能用更“流氓”的手段才会比较有效。