衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)織布“天網(wǎng)”，中國星鏈衛(wèi)星怎樣“智造”

出品｜網(wǎng)易新聞

導(dǎo)語：12月6日，上海微小衛(wèi)星工程中心成功將一顆衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空，這是繼11月23日成功發(fā)射衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星后又一次新的探索，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和6G什么關(guān)系？為什么再不搞就來不及了！“微小”衛(wèi)星是怎樣實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)的？

捷龍三號運(yùn)載火箭搭載衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功

一、全球低軌衛(wèi)星打響“圈地戰(zhàn)”

2023年SpaceX公司加速編織太空衛(wèi)星網(wǎng)。年初至今，SpaceX公司利用“獵鷹”-9號火箭完成58批“星鏈”發(fā)射任務(wù)，共計(jì)部署1870顆“星鏈”衛(wèi)星。目前，“星鏈”星座在軌衛(wèi)星規(guī)模達(dá)5144顆，占全球在軌衛(wèi)星總量超55%，是人類有史以來規(guī)模最大的衛(wèi)星星座。

23年“星鏈”由22年平均每10.7天發(fā)射一批，縮短至5.8天發(fā)射一批

除SpaceX激進(jìn)地圈城掠地之外，亞馬遜、蘋果、波音、英國的一網(wǎng)公司、加拿大的Telesat以及韓國三星都已發(fā)布了進(jìn)軍低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)劃；國際電信聯(lián)盟(ITU)奉行的“先占永得”基本原則，無論是軌道還是頻譜不可再生，低空領(lǐng)域的資源極具戰(zhàn)略價值，我國在2020年就已把衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入了“新基建”的范疇中，目前我國已經(jīng)占據(jù)了一部分Ka/Ku頻段。也有自己的“虹云工程”、“行云工程”、“鴻雁星座”等“星鏈項(xiàng)目”正在進(jìn)行部署中。

“虹云工程”是由中國航天科工集團(tuán)有限公司牽頭研制的覆蓋全球的低軌寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)，計(jì)劃用156顆小衛(wèi)星組成衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，“鴻雁星座”是由中國航天科技集團(tuán)自主建設(shè)的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，計(jì)劃用60顆核心骨干衛(wèi)星和數(shù)百顆寬帶通信衛(wèi)星組成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全球無死角的自由接入寬帶互聯(lián)網(wǎng)。

中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)部分項(xiàng)目介紹

二、低軌通信衛(wèi)星如何定義“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是基于衛(wèi)星通信的互聯(lián)網(wǎng)，它是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站向各類陸海空天用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入等通信服務(wù)的新型網(wǎng)絡(luò)。

低中高軌道衛(wèi)星高度對比

根據(jù)所在軌道高度不同，衛(wèi)星通常分為地球同步軌道衛(wèi)星、中地球軌道衛(wèi)星和低地球軌道衛(wèi)星（簡稱低軌衛(wèi)星）。不同軌道衛(wèi)星的在軌運(yùn)動速度、繞地球周期和對地視場不同，用途也有所不同。

這次在甘肅積石山地震應(yīng)急通信保障中起到關(guān)鍵作用的天通一號衛(wèi)星，就是發(fā)射到距離地球36000公里的高軌衛(wèi)星，這是我國獨(dú)立設(shè)計(jì)、自主研發(fā)第一套衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，只需三顆覆蓋范圍就達(dá)到亞太將近20億人口。但是高軌衛(wèi)星通信時延比較大，而且發(fā)射成本也比較高。

天通一號衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋示意圖

低軌衛(wèi)星在1000公里以內(nèi)距離地面近，基于物理性質(zhì)，具有低時延、信號強(qiáng)的特征，是搭建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的最佳載體。通過上千顆衛(wèi)星在低軌道組成通信星座，盡管衛(wèi)星始終在運(yùn)動，但每時每刻都有若干衛(wèi)星飛過頭頂，低軌道高度可將時延降低至幾十毫秒，已經(jīng)比較接近地面網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。此外，低軌衛(wèi)星的信號強(qiáng)度更強(qiáng)，相應(yīng)的地面終端可以更加小型化、輕量化，能夠滿足自動駕駛、無人機(jī)遙控等需求。

衛(wèi)星寬帶比光纖到戶與蜂窩寬帶優(yōu)勢明顯

隨著“星鏈”在俄烏戰(zhàn)爭的應(yīng)用，馬斯克表示，自俄羅斯入侵戰(zhàn)爭以來已向?yàn)蹩颂m運(yùn)送了約2萬套星鏈接收天線和路由器。

星鏈衛(wèi)星幫助烏軍傳輸作戰(zhàn)信息

低軌星座的潛在軍事用途也引起外界關(guān)注。盡管“星鏈”計(jì)劃的定位是商用衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，但在搭載其他載荷的情況下，還可提供遙感、增強(qiáng)導(dǎo)航等服務(wù)。未來，這張全球天基互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可支持遠(yuǎn)程導(dǎo)彈實(shí)時控制，其軌道推進(jìn)系統(tǒng)可對其他空間目標(biāo)實(shí)現(xiàn)動能攻擊。總之，“星群”作戰(zhàn)一旦開展，很難有其他衛(wèi)星與之抗衡。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是極為浩大的工程，火箭重復(fù)利用和“一箭多星”技術(shù)極大降低了衛(wèi)星發(fā)射成本；集成電路技術(shù)的進(jìn)步促成了衛(wèi)星的模塊化、組件化和小型化，顯著降低了衛(wèi)星的尺寸、質(zhì)量、功耗和研制成本；批量化、模塊化衛(wèi)星制造技術(shù)顯著降低了衛(wèi)星的制造成本。

四、像造汽車一樣“智造”衛(wèi)星

目前，星鏈發(fā)射的衛(wèi)星版本以 V2.0 Mini 為主，這種重量約 800kg“小衛(wèi)星”，部件的模塊化接口設(shè)計(jì)形成了通用的制造標(biāo)準(zhǔn)，為規(guī)模化制造提供可能，使不同供應(yīng)商提供的衛(wèi)星部件之間能夠相互操作。脈動裝配生產(chǎn)線 (Pulse Assembly Lines)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)，研制加工周期短、建造成本低，馬斯克曾公開透露單顆衛(wèi)星的成本可以下降到50萬美元。而我國通信衛(wèi)星過去基本以噸量級的大衛(wèi)星為主，衛(wèi)星制造端成本偏高。

“星鏈”在設(shè)計(jì)時就考慮到了緊湊性

脈動生產(chǎn)線全稱是脈動裝配生產(chǎn)線 (Pulse Assembly Lines) ，顧名思義就是像脈搏一樣一定時間跳動一次。該生產(chǎn)模式是從福特公司（Ford）移動式汽車生產(chǎn)線衍生而來的，是連續(xù)移動裝配生產(chǎn)線的過渡階段。脈動裝配生產(chǎn)線可以設(shè)定緩沖時間，當(dāng)某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，整個生產(chǎn)線停止移動，當(dāng)裝配工作完成時，生產(chǎn)線就脈動一次，轉(zhuǎn)入下一個環(huán)節(jié)或出廠。

OneWeb的初步衛(wèi)星脈動生產(chǎn)線

脈動生產(chǎn)線在飛機(jī)制造領(lǐng)域最早實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，能提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。目前，國內(nèi)新型飛機(jī)的生產(chǎn)工作大都已采用脈動生產(chǎn)線。

為了實(shí)現(xiàn)中國低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星的大型星座組網(wǎng)式服務(wù)，滿足衛(wèi)星單顆小批量定制的研制生產(chǎn)需求，我國多個低成本商業(yè)衛(wèi)星脈動式智能生產(chǎn)線正在建設(shè)中。

空間工程總體部衛(wèi)星自動化生產(chǎn)線

航天科工空間工程發(fā)展有限公司（以下簡稱“空間工程總體部”）在武漢建成國內(nèi)首條衛(wèi)星智能生產(chǎn)線，2021年5月，由空間工程總體部打造的衛(wèi)星智能生產(chǎn)線完成首顆衛(wèi)星下線。

使用機(jī)械臂完成自動總裝

投用兩年多來，實(shí)現(xiàn)了從原材料出庫到檢驗(yàn)合格之間，艙板級部裝、衛(wèi)星總裝、整星電性能測試、通信載荷測試、機(jī)械精度測試、太陽翼安裝與性能測試、質(zhì)量特性測試、振動試驗(yàn)、真空熱試驗(yàn)、檢漏試驗(yàn)等十余道工序的梳理和自動化，生產(chǎn)效率提高40%。截至目前，該產(chǎn)線已完成數(shù)十顆衛(wèi)星下線。

我國的這條衛(wèi)星生產(chǎn)線通過運(yùn)用智能化工具，比如機(jī)器人、智能裝配工具、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、自動化測試系統(tǒng)等提高生產(chǎn)效率。

零部件出庫-掃碼齊套-AGV自主配送

在裝配上，面對多品種、不同批量衛(wèi)星的生產(chǎn)任務(wù)，基于這些先進(jìn)工具實(shí)現(xiàn)的脈動式流水線效率極高，通過人機(jī)協(xié)同制造，解決了衛(wèi)星裝配重量大、難度高、質(zhì)量不一致的痛點(diǎn)，提高總裝質(zhì)量一致性。這一生產(chǎn)線可年產(chǎn)240顆衛(wèi)星，平均一天半就有一顆衛(wèi)星下線，單星場地面積需求減少70%以上，單星生產(chǎn)周期縮短80%以上，人員生產(chǎn)效率提升10倍以上。

使用機(jī)械臂完成自動部件裝配

三、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和6G什么關(guān)系？

“星地一體融合網(wǎng)絡(luò)”“空天地一體化無縫覆蓋”，這是2021年中國信通院《6G總體愿景與潛在關(guān)鍵技術(shù)白皮書》中描述的場景，未來6G技術(shù)的全域覆蓋使地球上再無任何移動互聯(lián)網(wǎng)盲點(diǎn)。因此衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將成為6G的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)一般由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段是指提供信息中繼服務(wù)的衛(wèi)星星座，少則一顆衛(wèi)星，多則成千上萬顆衛(wèi)星。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)

我國儲備了世界最多的6G技術(shù)，太赫茲技術(shù)是實(shí)現(xiàn)6G通信的主要技術(shù)。太赫茲波指頻率在0.1-10THz范圍內(nèi)的電磁波，被認(rèn)為會與未來的衛(wèi)星通信緊密結(jié)合，成為6G技術(shù)的主要波段。太赫茲波的瞬時帶寬很寬，有利于高速通信。在外太空的真空條件下，太赫茲通信能夠獲得10GB/s的傳輸速度，比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍。

去年，我國的6G試驗(yàn)衛(wèi)星已成功發(fā)射至軌道。該衛(wèi)星將建立星間收發(fā)鏈路，開展太赫茲通信在空間應(yīng)用場景下的全球首次技術(shù)驗(yàn)證，試驗(yàn)太空條件下太赫茲技術(shù)的應(yīng)用和星間鏈路構(gòu)成。這展現(xiàn)了我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在鋪設(shè)初始，就可能基于太赫茲通信建立超高帶寬，為后續(xù)的6G“天地互聯(lián)”建立基礎(chǔ)，整個產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)逐漸面向大眾消費(fèi)場景。

結(jié)語：未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不會替代地面網(wǎng)絡(luò)，而是在地面設(shè)施經(jīng)濟(jì)性差或基建力所不能及的領(lǐng)域，提供戰(zhàn)略性補(bǔ)充，最終建成“天網(wǎng)地網(wǎng)融合”，現(xiàn)實(shí)生活中無需感知、無處不在的高速網(wǎng)絡(luò)。

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