疯狂的星链计划,让地球上每个角落都能上网

年5月24日，美国太空探索技术公司SpaceX向太空发射了一枚装有60颗卫星的猎鹰9号火箭。这标志着一个雄心勃勃的新项目~“星链”网络的开始。该项目的目标是为地球上哪怕是最偏远的地区提供高质量的宽带互联网，同时也为已经具备良好网络互连的城市提供更低延迟的连接。SpaceX将全力普及他们的这种全球宽带网，并声称任何人都可以接入网络，只需要事先购买一个与披萨饼盒差不多大小的一个天线。

到目前为止，已经有5批共计颗卫星被发射升空。SpaceX计划在未来10年内发射颗卫星，这将大大增加环绕地球轨道的航天器总量。SpaceX也将为此花掉数十亿美元。因此，他们一定有充分的理由做这样的事。下面，就让我们来看看星链将如何工作，以及它将如何挑战那些现存的互联网提供商。早在年，马斯克就宣布SpaceX已经开始研究卫星通信网络，并声称低成本全球宽带的需求还远远未得到满足。那时，SpaceX在美国华盛顿州的雷德蒙德开设了一个机构，专门来开发和制造这些新的通信卫星。

最初的计划是在年前将两颗卫星原型送入轨道，并在年前完成初始的卫星组网和运行。但因为他们把主要精力聚焦在了用户接收机的开发上，这种接收机需要价格低廉而且容易安装，这导致了整体计划的推延。最初的原型卫星直到年才发射升空，在成功发射了TintinA和TintinB两个原型卫星后，SpaceX进而进行了测试和对卫星设计的改进。但在这之后，SpaceX的星链项目变的悄无声息。直到年11月，SpaceX获得了联邦通信委员会FCC的批准，允许他们将另外颗卫星部署到轨道上，而在此之前，已经获得了颗卫星的批准。年5月24日，第一批量产卫星被发射入轨，世界各地的人们很快就发现了横越夜空的这串卫星。

这次发射标志着一切的开始，虽然最初的这批卫星没有完全发挥作用，但它们被用来测试诸如地球通信系统和氪推进器之类的东西，氪推进器的作用是自动躲避空间碎片，并在卫星到达生命周期后使其脱离轨道。SpaceX一直未透露卫星的细节。但根据FCC的文档，我们可以看出卫星将包含5个1.5公斤的碳化硅部件，这表示每颗卫星都将具备5个单独的激光装置。这些激光装置，就像地球上的光纤电缆一样，将利用光脉冲在卫星之间传输信息。

在太空中用光传输比在地球上用光传输有很大的优势。光速并非在每种材料中都是恒定的，实际上，光在玻璃中的传播速度比在真空中慢了47%。这为星链赢得了一个巨大的优势，而且很可能是它的最主要的盈利来源~长距离低延迟信息传输。简单地说，我们可以把它想象成数据传输速度的比拼。伦敦的一位用户希望从纽约证券交易所获得纳斯达克股票的最新价格。如果这些信息是通过原本的线路传输，比如说AC-2电缆，在光纤中的整个行程为公里。在真空中，光以每秒将近3亿米的速度传播。而在玻璃中的传播速度取决于折射率，而折射率取决于波长，为方便计算，我们暂且将其视为比真空中的光速慢1.47倍，也就是差不多每秒2亿米。这意味着数据包往返大约需要0.秒，也就是延迟为0.秒，即62.7毫秒。还有一些其它因素也会增加额外的延迟，比如将光信号转换为光缆两端的电信号需要的时间，通信队列、以及传输到计算机终端也需要时间，总时间大约为76毫秒。

要计算出星链网络的延迟要困难得多，因为我们没有实际的测量数据。但是我们可以在伦敦大学通信教授马克·汉德利的帮助下进行一些有根据的猜测。星链的第一个延迟将产生在数据上行和下行的传输过程中，信号在卫星和地球之间传输需要消耗时间。我们知道这将通过相控阵天线来实现，相控阵天线是一种无线电天线，可以在不移动部件的情况下控制其传输方向，它们是通过产生相长和相消干扰来控制无线电波的方向。每颗卫星都具备范围为81度的锥形信号覆盖，卫星的轨道距地面公里，所以每颗卫星可以覆盖半径为公里的圆形区域。在SpaceX最初计划的轨道上，覆盖范围的半径为公里。降低卫星轨道的高度减少了它的覆盖面积，但好处是也会减少延迟。如果与位于公里上（也就是地球静止轨道上）运行的传统通信卫星比较，这点尤为明显。数据以光速在地表和传统通信卫星之间上行和下行，时间为毫秒，比海底电缆慢了%。然而，由于星链卫星都运行在较低高度的轨道上，上下链路的理论延迟可以低至3.6毫秒。这就是为什么SpaceX需要发射如此多的卫星组网覆盖全球的原因。

每个单独的星链卫星都有四个相控阵天线。这种定向波束是SpaceX向FCC申请批准的主要内容，因为数千颗卫星的不定向无线电波广播会对通信产生大量干扰。当一颗星链卫星接收到数据，它就可以开始用激光在卫星之间传输这些信息。每经过一颗卫星都会产生一个小的延迟，因为激光需要被转换成电信号并再转换回来，但是这样的延迟微小到几乎可以被忽略。

使用激光传输数据是一件非常精密的工作，因为我们需要精确的击中邻近卫星上的激光接收器才能够传输数据。SpaceX第一阶段的颗卫星将占据24个轨道平面，每个平面上有66颗倾斜角度为53度的卫星。在同一轨道平面上、相邻卫星之间的通信相对简单，因为这些卫星彼此之间将保持相对稳定的位置，这给了我们一条在单个轨道平面中的固定通信线路。但在许多情况下，单个轨道平面不会覆盖两个地理位置，因此我们也需要在这些轨道平面之间传输信息。这就需要精确的跟踪，因为在邻近轨道平面上运行的卫星速度非常快，不断的进入和远离视野，这意味着连接的对象将需要切换到网络中新的卫星。

这种切换将会消耗时间，我能找到的最佳数字是参考欧洲航天局的数据中继卫星，大约是1分钟，那是一个目前正在运行的地球静止轨道卫星系统，旨在为欧洲成像卫星和其他对时效要求高的应用提供服务，比如扑灭森林大火这样的偏远地区紧急服务。星链卫星的切换速度可能更快，但它不会是瞬时的，因此它装载了5个激光通信系统，以随时保持与4颗卫星的稳定连接。如果我们现在使用这个系统从纽约传输数据到伦敦，然后再返回，采用最短的路径，以真空中的光速作为传输速度，我们可以实现最低43毫秒的延迟。而即使我们假设能够用光纤在地表搭建一个最短的路线，也需要55毫秒，比星链传输慢了28%。实际上，如我们前面看到的，平均行程时间约为76毫秒，这要比星链传输慢了77%。这对于分布于两个城市的金融市场来说，是一笔大生意。数以百万计的美元在短短几分之一秒内就会被转移，更低的延迟将在利用价格波动盈利方面提供巨大的优势。

事实上，这并不是通信公司第一次投入巨资专门为金融集团服务。希伯尼亚高速电缆是一条私人拥有的光缆，提供目前最低延迟的网络，连接新泽西州塞科库斯NY4数据中心和英格兰斯劳LD4数据中心，仅为59.95毫秒，比使用星链的最佳时间慢了39.4%。先前的光缆连接的最佳时间是由AC1电缆保持的，为65毫秒。花费了3亿美元的代价，只节省了这5毫秒的时间，但金融家们认为是非常值的。想象一下，这些对时间敏感的行业愿意为17毫秒的时间提升付出多少代价呢？尤其是当你意识到时间差随着传输距离的增加而增加时，它将变的更加有价值。纽约到伦敦的距离相对较短。对于从伦敦到新加坡的传输线路来说，这种提升将更加明显，每多1公里，速度提升带来的潜在收益也会迅速提高。

但SpaceX的计划并不仅仅是向一些客户提供这类超高速互联网服务，他们主要的宣传点是要连接地球上的每一个人，而且的确应该有足够的剩余带宽来为这些人服务。尽管互联网是人类历史上增长最快的技术之一，但到年底，世界上仍有一半以上的人口处于离线状态。人们将使用星链接收终端连接到互联网，每个终端的价格约为美元，虽然这仍然远远超出许多第三世界民众的购买力，但这是一个开始，而且这已经比目前类似的可买到的接收器便宜了很多，比如凯米塔接收器的价格为3万美元。马斯克说，这种接收器将足够薄、可以安装在汽车顶棚或者船舶和飞机中。这将使星链能够与传统的互联网提供商竞争。

据估计，仅在未来7年内，美国从4G切换到5G的过程中，仅光纤布线成本就将达到1亿美元左右。SpaceX计划以最低亿美元的代价完成整个星链项目。每颗星链卫星的成本约为30万美元，这已经大大降低了通信卫星的传统造价。而且，SpaceX也在节省发射成本，他们使用自己的猎鹰9号火箭发射，这是其他卫星制造商所没有的。如果一切按计划进行，据估计，星链每年将产生亿至亿美元的收入，远超目前大约30亿美元的年收入。这是马斯克长期目标的重要组成部分。从星链赚取的资金、将意味着SpaceX将比美国的国家宇航局NASA更有钱。它可以继续投资新火箭的研发、以及月球和火星移民项目所需的技术。

当前，该项目目标于将世界连接得更加紧密，并为那些缺乏互联网的第三世界国家创造新的教育途径。想象一下，如果最伟大的足球运动员、梅西没有被发现，也没有被带到巴塞罗那培养他的天赋，以及治好了他的生长激素缺乏症。他的天赋将永远被埋没，而事实上，在那些根本无法接受到教育的国家，这种情况经常发生在那些非常有天赋的孩子身上。

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