全面開啟！中國與美國在全球低軌衛星星座領域正式展開競爭
小火箭出品
本文作者：邢強博士
美國SpaceX公司提出了星鏈計劃，中國航天科技集團提出了鴻雁星座計劃，中國航天科工集團則給出了虹雲工程計劃。
中國和美國，兩大航天技術主體提出的3大低軌星座計劃揭開了人類低軌星座的全球化競爭與協作的序幕。
我國將開始著手建設的鴻雁全球低軌衛星星座，計劃在今年（2018年）發射系統的首顆衛星。整個星座預計在2023年建成，到時候我們就可以隨時隨地使用由衛星提供的互聯網接入服務了。
中國鴻雁星座由300顆低軌道小衛星及全球數據業務處理中心組成，具有全天候、全時段及在複雜地形條件下的實時雙向通信能力，可為用戶提供全球實時數據通信和綜合信息服務。
中國虹雲工程計劃發射156顆小衛星，在距離地面1000公里的軌道上組網運行，構建一個星載天基寬頻全球移動互聯網路，以滿足中國及國際互聯網欠發達地區、規模化用戶單元同時共享寬頻接入互聯網的需求。虹雲工程預計在2022年完成部署。而同樣的，也是要在今年（2018年）發射首顆衛星。
美國星鏈計劃分三步走。完成後，就在近地軌道組成了兩層龐大的衛星星座，內層340公里軌道高度的7518顆衛星與外層的1000多公里軌道高度的4425顆衛星組成的11943顆衛星星座佔據了上圖的黃色區域，與傳統的地球靜止軌道的紅色區域形成了較為鮮明的對比。
11943顆衛星！
這是什麼概念？
按小火箭工作室的統計數據，目前世界各國在太空中運行的衛星，仍在工作狀態的，總共也只有1742顆。
目前在軌運營的衛星，共有1742顆，其中，最多的是美國，804顆；第二多的是中國，有205顆；第三多的是俄羅斯，有143顆。
而SpaceX的星鏈計劃如果完成部署，其新入軌的衛星總數就會是目前所有國家在軌運營的衛星總數的將近7倍。
在美國的星鏈計劃和中國的鴻雁星座、虹雲工程的發布和實施的過程中，會逐漸從思想層面或者實際操作層面顛覆一些行業。小火箭在此和大家一起做一些探討。
第一，衛星製造業。
衛星為什麼那麼貴？為什麼一顆鎖眼系列的衛星比一艘尼米茲級核動力航空母艦還要貴？為什麼即使是商業衛星也會有動輒上億美元的報價？
拋開元器件成本不提，另外一個主要原因就是產量不足，難以形成規模。
這樣的話，傳統的衛星產業就很難像電腦、手機或者汽車、民航客機、坦克、導彈那樣，通過大量生產來攤平研發成本。
而SpaceX公司的星鏈計劃，需要11943顆衛星，其總量已經超過了史上最暢銷的噴氣式客機波音737的產量（10000）。詳見小火箭的公號文章《波音737！史上最暢銷的客機！》。
第二，火箭發射服務業。
隨著SpaceX公司的獵鷹系列運載火箭回收技術的成熟，小火箭和大家在2015年到2017年探討的《獵鷹9號：SpaceX公司的成名之作》《SpaceX可回收火箭技術與成本分析》等諸多技術細節如今已經成真，甚至成為了公眾關注的熱點話題。
火箭公司的盈利模式非常清晰：無非是發射一枚火箭就獲得一次服務收益。
那麼，最終人們對於商業航天產業的所有疑問，或許都會歸為一個問題：
未來有沒有足夠的衛星發射訂單來支撐起整個商業航天產業？
目前看來，星鏈計劃的實施，正在用實際行動和11943顆衛星的規劃給了大家一個回答。
算起來，美國、中國和歐空局的衛星星座的計劃還有不少，以後需要發射的衛星還是蠻多的。
第三，通信產業。
能夠讓身處世界上任何一個角落的人藉助一個相當於一張披薩餅的終端設備與全世界所有人一起接入同樣的天基互聯網，這個想法本身就能夠引起我們的無限遐想。
第四，全民關注。
觀看火箭發射成為了全民活動，而商業航天企業的加入使得往日冷戰時代的將火箭發射與國家榮譽綁定的概念變得更加貼近百姓的日常生活。
而當衛星星座與互聯網結合起來之後，獲得全民關注的理由就更加充分了。
畢竟，如今無論是逢年過節的歸去還是遠渡重洋的探索，亦或是上班下班的奔忙，我們不過是在不斷更換著刷手機和電腦的地方而已。
星鏈計劃的前兩顆星，被馬斯克本人私底下叫做丁丁A和丁丁B。來自《丁丁歷險記》中的名字讓小火箭一下子就想到了上圖和上上圖的場景。
而首批兩顆星鏈計劃技術先導星向地面測試設備發回的第一個信號，居然是Hello World！
這對於從小學習Fortran編程語言、C語言，長大了開始學習C++、JAVA，最後張開雙臂擁抱Python語言的我們來說，太親切，也太感慨了！
軌道
看到這裡，熟悉小火箭的好友們一定知道，又到了彈道和軌道計算的時間了！
11943顆衛星，SpaceX公司官方還沒有給出詳細的示意圖。很多人翻譯了星鏈計劃的技術文檔，但也終歸流於複述而已。
為了獲取對星鏈計劃的直觀印象，小火箭啟動了計算中心，用了些時間算了星鏈的軌道。
先算一條軌道熱熱身。
SpaceX公司的星鏈計劃準備將這樣搭建，基本上分三步走：
第一步：用1600顆衛星完成初步覆蓋。
其中，前800顆衛星滿足美國、加拿大和波多黎各等國的天基高速互聯網的需求。
小火箭風格：這1600顆衛星分布在32條軌道上，每條軌道50顆衛星。
軌道高度1150公里，軌道傾角53°。
這是星鏈計劃先期布設的情況，小火箭給出了11條軌道（每條軌道分布有50顆衛星），也就是550顆組網的樣子。
隨著衛星數量的增加，衛星軌道的包絡也就越來越完整。這個時候，北美、南美還有亞歐大部分地區都能夠在服務範圍內。
從南極（捂臉）地區看起來，是上圖這個樣子的。此時，星鏈星座還沒能照顧到南極地區。
慢慢補全的第一步星鏈星座。
第二步：用2825顆衛星完成全球組網。
小火箭風格：這2825顆衛星分為4組。
第1組由1600顆衛星組成，佈於32條軌道上，每條軌道50顆，軌道高度為1110公里，軌道傾角為53.8°；
這是1600顆衛星以53.8°的軌道傾角分布在32條軌道上的樣子。可以看到，除南北兩極地區之外，地球表面大部分地方都能夠照顧到了。
整個包絡，特別像一個紅燈籠。當然，由於軌道傾角不大，這個包絡球的南北兩極被削掉了。
第2組由400顆衛星組成，分布在8條軌道上，每條軌道50顆，軌道高度1130公里，軌道傾角為74°；
這組軌道，小火箭用黃色線條來表示。
紅色軌道為第1組的1600顆衛星，上圖的一根黃色線條為傾角74°的一條軌道，這上面有50顆衛星。
第2組的400顆衛星（黃色）與第1組的1600顆衛星（紅色）完成了全球覆蓋。上圖為從地球北極上空俯瞰的樣子。
這張側視圖可以更加清楚地展示，第2組衛星主要是為了添補第1組衛星在南北兩極地區留下的空白的。
第3組由375顆衛星組成，分布在5條軌道上，每條軌道75顆，軌道高度1275公里，軌道傾角為81°；
第3組衛星小火箭就不和前面的2000顆衛星放一起了，否則就太密集了。
5條軌道，均布375顆衛星，每條軌道75顆星。這些是大傾角衛星。
第4組由450顆衛星組成，分布在6條軌道上，每條軌道75顆，軌道高度1325公里，軌道傾角為70°。
前兩步的衛星總數量為4425顆。
第三步：用7518顆衛星組成更為激進的低軌星座。
當然，這7518顆衛星組成的星座，等到4425顆衛星的星座布置完成之後咱們再研究也不遲。
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