从星链计划看低轨道卫星商机（3）

王志强博士

2022年中推出的第二代星链（Starlink）卫星，本体长度为7米，重量1,250公斤为第一代的5倍重。第二代的设计规格考虑到SpaceX新的发射系统「星舰号」（Starship）直径为9米，长度7米的衞星刚好可以躺平、叠放在舱内的衞星发射架上。本文还是从第二代Starlink卫星的火箭发射谈起：

火箭发射

第一代Starlink与台湾的福卫五号卫星，都是由「猎鹰9号」（Falcon 9）发射到低轨道– Falcon 9的第一节火箭（Booster）使用9具Merlin液态火箭。载运第二代Starlink卫星的「星舰号」（Starship）所使用的「超重型火箭」（Super Heavy Booster, B7）安装33具SpaceX自行研发的「猛禽引擎」（Raptor）（注一）。
 

大部分的液态火箭的燃料是采用精炼煤油RP1，优点是常温下为液态、容易储存，缺点是燃烧后产生「焦化污渍」（Coking）。因为过去大部分的火箭是一次性使用，所以焦化不是问题，但是如果需要重复使用火箭引擎，清理引擎上的「焦化污渍」会是个头痛的问题。

SpaceX的「猎鹰九号」（Falcon 9）使用的Merlin 火箭引擎就是使用RP1为燃料，每次回收后都需要花上数周的时间做清理。为了避免coking的问题，有些液态引擎采用液化氢为燃料（例如如太空梭主引擎），SpaceX则采用「液态甲烷」（就是液化天然气CH4），猛禽引擎使用CH4为燃料也是前所未有的创举。

附带一提，Blue Origin开发的BE4引擎也采用甲烷为燃料。天然气燃烧后没有焦化的问题，这个优点使得快速清理Starship上的33具火箭引擎成为可能。

第一代Starlink卫星

Starlink最初的服务对象设定在没有基站的偏远地区，或是海洋中的船舰及空中飞行的飞机–要达到这个目标，Starlink衞星之间必需要能够「互相传讯沟通」（inter-satellite communication）。

第一代Starlink卫星并没有这项功能，当时是依靠建立地面站来解决信号传输问题：除了在使用者自家安装19寸圆盘或20 x 12寸方盘天线外，还得靠附近的「地面接收站」（Ground Station），以及电信营运商既有的地面光纤网络。一般一个400平方米围篱的地面接收站设有9个直径2.86米的雷达天线（参见下图）。
 

以美国为例，共有32个「地面接收站」（Gateways），每一个接收站方圆800公里（500里）的用户，利用自家平盘天线，经由通过上空的䘙星和邻近的地面接收站连接；换句话说，地面接收站和自家天线必需锁住同一颗衞星，因为第一代Starlink衞星之间没有互相沟通的功能。

用户上传或下载的信号都需要透过现有的地面/海底的光纤网络传输，再依赖靠近住家附近（800公里内）地面接收站的Ka-band电磁波，传送到正在通过上空的某颗Starlink衞星，这颗Starlink卫星再将信号传到用户的天在线，这也是为什麽在海洋上没有Starlink网络的原因。

第二代Starlink卫星

Starlink卫星从第1.5代就开始就有inter-satellite communication 的能力，第二代Starlink卫星（注二）间通讯是利用雷射光作信号传输（Laser Inter Satellite Link；LISLs）；光在太空中传播速度要比在光纤上更快，大约快30%，在真空中以光速直接传输，比起经由地面站、透过光纤网络，信号延迟可降低50%，而且由于当前技术可以有效控制雷射光束精度，更可以大大的增加通讯带宽。

第二代Starlink卫星在2022年中已经出现，它的功能比第一代至少增强5倍。第一代与第二代同样使用四片「相控阵列天线」（Phased Array Antenna）（注三），其中两片用来跟「地面站」（Gateways）连系，另两片用来跟地面用户连繋的。

Starship可运载150公吨荷载到「近地轨道」（LEO），一次可运载110~120颗第二代Starlink卫星。这个数目的衞星刚好可以一次布满一个轨道面，而「星链星座」（Starlink Constellation）在53度倾角，550km高度的「壳层」共有72个轨道面。

根据SpaceX说法，当第二代Starlink卫星开始量产，再加上Starship的巨大运载能力，第二代Starlink卫星的成本将会比前一代更低，可以预期前一代的Starlink卫星会被淘汰，猎鹰9号的Starlink发射任务也将终止。

看完本系列的三篇文章，读者是否可以看出Musk要在低轨道建立起6G通讯网络的商业版图？ 台湾厂商曾经帮助Tesla开创出电动汽车市场，「星链计划」所衍生的庞大商机，不正是台湾ICT产业的强项，台湾厂商又怎能缺席！

注一：SpaceX的「猛禽引擎」（Raptor）

注二：「星链计划」（Starlink）现况

注三：星链（Starlink）相控阵列天线

地面接收站（Gateways）及9个直径2.86米的雷达天线