天空中的新星座

星链星座的首批 60 颗卫星准备发射。来源：SpaceX

背景介绍

1945 年，阿瑟•克拉克基于最早发表于 1942 年的轨道空间站的构想撰写了一篇开创性的论文《地球外的中继 — 火箭站能否实现全球无线电覆盖？》。在这篇文章中，克拉克概述了仅使用三颗卫星分布在赤道上空 22,236 英里的地方，就能实现全球通讯覆盖的理论 - 这也就是所谓的地球静止轨道。在这一距离，卫星运动的速率与地球旋转的速率相同，这意味着该轨道也与地球同步。它被称为“地球静止”轨道，是因为位于这一距离的卫星相对于地面观测者静止不动。虽然实际上使用三颗等距离分布的卫星就能建立环球通信中继服务，但是现在轨道已变得非常拥挤，其中布满了仅服务于地球表面单一地区（例如北欧）的窄波束装置。低地球轨道 (LEO) 卫星必须在掠过天空的数分钟内进行跟踪，因此通过对地静止的卫星进行无线电通信要轻松得多。但是其中有相当的复杂性。

如果住在赤道，那就太棒了

卫星如需在空中绝对静止，就必须绕赤道旋转。赤道上的接收器可直接“看到”位于上空的卫星。问题是，从赤道向北极方向前进，随着纬度增大，卫星越来越低。例如在北欧或加拿大，地面天线几乎指向地平线，因此更高的大气密度、地形地势和地面建筑会造成大量干扰。有一个看似显而易见的解决方案，那就是倾斜轨道，使卫星位于相应纬度的上空。遗憾的是，该轨道虽然仍与地球同步，但是不再相对地球静止，而且卫星轨迹会呈现“8 字形”。尽管如此，它将始终保持在视野中，使用可移动天线或具有一定波束宽度的天线可确保通讯不中断。

地球静止卫星成本高昂

这些卫星体积大，重量重，还需要通过助推火箭从低转移轨道进入驻留轨道，再通过自带的推进系统进入高运行轨道。这意味着它需要携带大量燃油，用于发射过程以及在使用寿命期间进行漂移校正。无线电系统因距离地球遥远而耗电量大，这反过来意味着需要安装大型太阳能电池板。此外还有可靠性这一重要的问题。地球静止卫星代表着巨额投资，如果工作寿命短于预期，将造成巨大的损失。因此要投入大量的人力物力，通过设计冗余，增加环境屏蔽功能以及执行严格的发射前测试，提高“任务”成功的可能性。毕竟，如果过早出现系统故障，将可能导致地球上的整个地区失去所有的卫星电视频道！当工作寿命结束后，它必须能够进入“墓地轨道”，以避免成为“太空垃圾”，使工作轨道变得更加杂乱。

卫星星座

1998 年，铱星通讯卫星星座在低地球轨道开始运行。它由 66 颗卫星组成，每颗卫星都充当网状网络中的节点在南北两极之间轨道运行。铱星提供全球卫星电话覆盖，并证明了太空“无线网络”的商业可行性。极地轨道在北极和南极地区具有特别好的信号覆盖 - 这些正是卫星电话特别重要的区域！作为新的替代网络，新一代铱星 (Iridium-NEXT) 正在通过 2017 年发射的首批 10 颗卫星逐步建立。这些卫星仍然体积较大且成本高昂，但是只能支持有限的低速率同步“对话”，因为卫星的数量还太少。如需实现宽带互联网接入，似乎还需要……

大型星座

自铱星开始运作以来，卫星技术经历了革命性的发展，航天器的尺寸和成本大幅缩减。我们现在有了小型卫星，如 CubeSat、PocketQube，现在又推出了 Sprite（见下文）。SpaceX 刚刚向低地球轨道发射了 60 颗卫星，作为可包含多达 12000 颗卫星的未来“星座”的试运行。星链项目的目标是在太空中创建蜂窝或网状网络，从而为全世界提供宽带互联网接入。这批 60 颗卫星从仅携带一节火箭的“发射器”（参见标题图片）释放到轨道中。

已展开太阳能电池板的星链卫星。来源：SpaceX

星座的优点

星座在距离地球更近的 100 至 1200 英里上空轨道中运行。需要使用大量卫星才能获得足够的覆盖范围，但这是可行的，因为：

• 推进仅用于微小的轨道修正以及轨道保持。
• 所需的发射器功率小得多。
• 更短的距离意味着通信延迟或“卫星延迟”更少。
• 单个卫星可靠性的重要性降低 - 网状网络本身具有容错性能。
• 闲置“备件”可保留在轨道中，需要时移动。

缺点

主要问题有两个：其中一个在设计阶段已解决，另一个在某种程度上不可预料。

• 轨道过度拥挤和“太空垃圾”的问题。
• 夜空中遍布闪烁的白光，天文学家感到苦恼。

现在，地球周围太空逐渐成为大型垃圾场，垃圾的密集程度已是热门话题。任何驶往轨道的新航天器都必须在足够低的高度运行，当任务完成后重新进入大气层自动燃烧，或者包含强制离轨机构，以便在必要时运行。

在铱星进入轨道后不久，地面观察员注意到了一个奇特的现象 – 天空中出现闪烁的光，这种现象被称为铱星闪光。它们是由太阳光反射在太阳能电池板上形成的。任何卫星都可能出现这种情况，但是一整个星座的相同卫星使这种现象更加明显。没有人对这种现象特别反感，最后闪光观测成为一种常见的观星活动。然而新一代铱星 (Iridium-NEXT) 卫星不会闪光，因此对于部分爱好者来说是一件憾事。但是，成千上万颗耀眼的卫星会造成其它的问题，可能会干扰地球天文学。

星链卫星在刚刚发射后可见                  来源：SatTrackCam

SpaceX 声称，一旦星链卫星到达运行位置后，问题就会解决。我们拭目以待。

Sprite 星座

一颗 KickSat-2 Sprite 卫星。                                          来源：康奈尔大学

去年 3 月，太空卫星的尺寸缩小至印刷电路板级别，105 颗“Sprites”卫星从名为 KickSat-2 的 3U CubeSat 发射到轨道中。3 天后地面通讯成功，卫星离轨。

KickSat-2 将 Sprite PCB 卫星发射到轨道中。            来源：康奈尔大学

事实上，数量庞大的这种小而脆弱的卫星可以具有实际用途。显然，它们的功率和可靠性不足以支持宽带互联网网络，然而它们可能正是短周期科学研究项目所需要的。例如，将无线电调谐至可以接收来自太空中远距离物体信号的 Sprites 阵列，可以用作地球上的大型射电望远镜。可以进行测量，将结果传至地面，然后 Sprites 离轨。

在星座中驾驶自己的航天器

想不想有机会搭建并驾驶属于自己的 Sprite？前段时间，我无意中在 Kickstarter 上发现了这个 AmbaSat-1 卫星项目。基于 Arduino 的卫星将在“发射”后（与 KickSat Sprites 相同）尝试与位于地面的 LoRaWAN Things Network 建立通讯。

AmbaSat Sprite：在 Kickstart 上寻求支持者的 200 颗卫星中的 1 颗。

如果计划进行顺利，星座将于 3 个月后离轨。

结论

这些 PCB Sprites 令人印象深刻，但是技术仍在不断发展。加利福尼亚大学 (UCSB) 的研究人员正在研究基于单个半导体晶圆的航天器。这些尺寸以厘米计的 晶圆级航天器将配备摄像头、传感器和推进器，组成突破摄星项目的核心，从而将探头送至距离我们最近的恒星 - 半人马座阿尔法星。

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