【原创文章】时间就是金钱——Starlink(星链)的故事

主页君说

SpaceX在1月7日以一发星链组网发射拉开了低轨互联网“生死组网战”的序幕,紧接着又将在1月20日(暂定)进行下一次组网发射,真可谓来势汹汹。而OneWeb也没闲着,目前定于2月初进行下一次组网发射,两家的恩怨情仇终于进入到了最终决战的阶段,今年的低轨大战——肯定会相当好看!

本文作者:Saturn V,本号授权发表,所有打赏将直接给作者

拥有最多在轨运行卫星的私人公司,这恐怕是几年前估计没人会和SpaceX联系起来的称呼。但随着第三次Starlink卫星的发射成功,SpaceX以接近180颗在轨运行卫星打破了行星实验室(Planet)的150颗纪录,成为人类航天史上截至目前拥有最多在轨运行卫星的私人公司,而这只是SpaceX又一个庞大计划的开始,预计完整版的Starlink会有12000颗卫星,更庞大的30000颗卫星星座也在申请当中。在2016年年底SpaceX向美国联邦通信委员会递交正式申请时,恐怕没多少人会认为SpaceX是认真的,更没有几个人会想过这个庞大星座的建设会在仅4年后开始。伴随着各种各样的争议,现在也是时候来认真分析下马斯克诸多“宏伟计划”中最可能对普通人产生影响的Starlink了。

 

就是这次发射,把SpaceX送上了在轨数第一的宝座

 

时间就是金钱——Starlink(星链)的故事

要理解Starlink提供全球网络的特点,还要先从跨全球通讯说起。

现代移动设备通讯依赖无线电波也就是电磁波,和可见光一样通讯为一条直线及视线传播。我们每天用的互联网,是通过和移动通讯基站,及常说的手机塔进行视线传播(指的是电磁射线沿直线传播的行为,主页君注),而后塔和塔之间再进行视线传播。但这样就会有一个问题,地球是球形的随着距离增长弧形的地球自身便会阻挡视线,通讯基站的布置因此有距离限制,在比较偏远的地区不够造基站,只能铺设光缆或者依赖卫星通讯。

 

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俗话说站得高看得远,卫星通讯便是让“站”的高的卫星来替代通讯基站传递信息。现在最常用的卫星通讯依赖的是地球同步轨道卫星,这种卫星的轨道自转周期与地球自转周期一样,这样角速度一样相对于地表而言卫星便是静止不动的(严格来讲,只有静止卫星的星下点才是不动的),地表的通讯基站因此能稳定传输数据,因此理论上3颗同步轨道卫星便能完成覆盖全球的数据传输。OK,全球网络问题解决了……吗?
 

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别那么着急,还有一个事情我们没有说,那便是延迟。数据传输的延迟是一个非常复杂的话题,在数据格式和讯号的转换都会消耗时间,不过这些都可以通过软件和电子元件的更新解决,但有一个延迟却是无法解决的,那便是电磁波实际到达需要的时间。光速为299792千米/秒,短距离时间可忽略不计,但到地球同步轨道上就完全不同了。为简化计算,假定发射和接收的地表基站都在赤道上且都在其中两颗卫星的正下方最短距离,按照上图三颗同步轨道卫星的布置,电磁波需要实际跨越2个同步轨道高度(35786千米)外加一个圆形同步轨道高度下内接三角形的边长。

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根据勾股定理,得出边长约为1.73倍半径,及1.732倍地球半径加同步轨道高度。完成上述传输电磁波需要跨越的距离为:
35786*2+1.732*(35768+6378)=144568.872千米,除以光速得到:
144568.872/299792=0.482秒
也就是说哪怕卫星收发转换电磁数据完全不耗费任何时间,通过同步轨道卫星仅向地球三分之一经度的另一端输送信息就有0.482秒的延迟,再等对面回复便有整整1秒的延迟。没有人会想上网的时候任何操作都要等1秒多开始才有回复……更不用说赤道已是最短距离,在高纬度地区传输距离会更长。

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也因此现在我们常用的互联网,若要进行跨越全球的信息传播实际上依赖的并不是卫星,而是海底光缆。

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海底电缆不仅用于民用,军方同样使用海底光缆降低延迟。比如美国在中东臭名昭著的无人机项目(最近大火的领导先走行动,主页君注),为减少在同步轨道卫星之间传输的延迟,指令是从美国本土的空军基地先通过大西洋光缆传输到位于德国的美国军事基地,而后再用该基地的天线通过同步轨道卫星传递给在中东的无人机。(见下图)
 

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OK,那延迟问题这次终于解决了……吗?和卫星传播时电磁波几乎全部是在真空中传播不同,电磁波在海底光缆使用的光纤中的传播速度要慢。举例而言连接纽约伦敦两大金融中心的海底光缆往返的距离大约为12800千米,按照下图中最快的204357千米/秒的传输速度计算,所需时间12800/204357=0.0626秒=62.6毫秒,与之相比同步轨道卫星最短距离单程发射到卫星都需要35786/299792=0.119秒=119毫秒,更不用提纽约和伦敦两个纬度高的城市了。距离虽然短了但传输速度也慢了,尽管还是剩下了不少时间。

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那么能不能兼顾真空中光的速度和接近地表的短距离两个优势呢?可以在近地轨道建造一个庞大的网络来卫星“接力”嘛~。由于不在同步轨道,单个卫星会像飞机一样从头顶飞过,需要多个卫星以互相接力的方式完成数据传输。事实上Starlink并不是第一个采用类似设计的通讯网络,之前SpaceX发射的铱星便是由76颗在近地轨道工作的卫星来构筑的覆盖全球的通讯网。(见下图)

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只是相比较铱星约781千米的轨道高度,Starlink要更低只有约550千米。且和铱星在6个不同轨道面的卫星互相之间讯号仍需要走很大的之字形来完成经纬跨度大的传输不同,Starlink庞大的数量和50度左右的倾角意味着卫星之间只需要走很小的之字形以最接近直线距离的路线完成数据传输,实际上便是建立了一个在太空中可随意拼接组合的“真空光缆”。纽约到伦敦的直线距离为5567千米,通过Starlink传输需要的最少路径为5567*2+550*4=13334千米,之字形传输增加距离以15000千米预估,那么通过Starlink传输的延迟为15000/299792=0.05秒=50毫秒,比海底光缆快了约12.6毫秒

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“真空光缆”

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573.5千米的半径足以让多个卫星同时覆盖纽约和伦敦
只从数值上看似乎并不是特别厉害的缩短,但对于纽约和伦敦两大每秒都调动数百万资金的金融中心来说,12.6毫秒已经非常可观了。现在连接这两个城市最快的海底光缆为15年投入使用的Hibernia Express,建造斥资达三亿美金的项目传输延迟为58.95毫秒,华尔街和伦敦金融中心缩短1毫秒的延迟是真的花费了整整1亿美金……

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从紫色到蓝色,仅为了3毫秒
另外值得一提的是纽约和伦敦都临近大西洋,海底电缆并不需要绕路因而从数值上看Starlink的优势并不明显。类似的例子如果移到另两大金融中心伦敦和香港之间则完全不同,海底光缆距离单程约为20400千米,传输延迟为40800/204357=0.2秒。伦敦到香港的直线距离为9617千米,Starlink需要走的距离为9617*2+550*4=21434,之字形传输增加距离以24000千米预估,传输延迟为24000/299792=0.08秒,不到光缆传输延迟的一半。当然实际上由于接力传输的卫星数量增多,其转发信号的延迟也会增大因而会远高于0.08秒,但也已大幅度优于海底电缆传输。

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除去延迟的优势,Starlink还有不管是同步轨道卫星还是光缆都无法解决的,因地球自身的弧度导致高纬度地区不在卫星的视线内,完全无法接收信号的问题。这方面的极端可以参考在南极点的阿蒙森-斯科特南极站,只能偶尔和稍微偏离0度倾角的老式同步轨道卫星完成短时间通讯,或者通过铱星进行一定程度上的数据传输,但都没法和Starlink更多卫星提供提供的带宽和延迟相比。Starlink的全球低延迟联网不仅对于发达地区金融传输有革命意义,对于在偏远地区的科研设施来说同样是有革命性意义的。

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GOES-3会偶尔降到赤道以下
 

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届时大约提供1小时34分钟的通讯时间……
现在只剩下一个问题没有解答,为什么SpaceX要在现在造Starlink?这其实有一个很简单的答案,因为现在只有SpaceX能造且现在也只有SpaceX需要Starlink的收入。只有SpaceX能造是因为SpaceX是私人公司里唯一一个能完成从卫星制造到发射一条龙“服务”的,大量近地轨道卫星需要经常维护和补充,自造自射能消除外在因素影响在适合的时间完成发射。且这方面的反例SpaceX最清楚不过,正是因为16年9月猎鹰9测试时的爆炸导致铱星的发射被迫推迟到2017年,后续滚雪球的延迟导致第二代铱星NEXT完整商业服务推迟了半年。

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除去为全球提供互联网这个符合马斯克改变世界的“宏伟目标”外,经济上SpaceX也需要Starlink带来的额外收入。太空发射以经济学术语来说是一个价格刚性需求市场,用人话来讲便是价格的升高和降低并不会大幅度增多或减少购买数量。商业卫星运营商的不会因为SpaceX把发射价格砍了个零就增购很多新发射,这也是过去几年马斯克一直致力于拉到军方订单的原因之一,毕竟相比商业卫星军方的订单要更稳定且出价更高。事实上SpaceX发射的数量减少在2019年便已经很明显,整年只有13次发射低于17年的18次和18年的21次。根据“射得好”女士(Gwynne Shotwell)的话,这是SpaceX自创立以来第一次火箭比载荷先准备完成,在2年把之前积压的订单都发射完后2019年是没有东西可以射了。

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充满整个猎鹰9整流罩的图,在2020年会多到让你们懒得看
Starlink恰好可以填补发射次数的短缺,虽说估计由于载人龙飞船的关键的DM-2任务SpaceX在2020实际发射不了那么多,但计划中24次的Starlink也已经超过了2020年计划的14-15次的商业发射。预计今年进行前期“颠簸式”试运行的Starlink还可为SpaceX提供除了商业发射和政府投资外的第三个资金来源,在NASA和美国空军都对BFR暂时不感兴趣的现在,Starlink的收入很可能会成为BFR最主要的研发资金来源。
 
(“颠簸式”试运行来自SpaceNews对Gwynne Shotwell的一篇采访,意指星链初期的服务可能并不是很稳定,主页君注)
 
时间就是金钱,对于Starlink的可能客户来说那是以毫秒计算的百万千万资金,而对SpaceX来说,那是以金钱来换的一个殖民火星的时间。
 
 

(全文完)

 

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