258. 从第一颗人造卫星到马斯克的星链

上一期讲了GPS,GPS所依赖的重要技术是人造卫星,所以这一期讲一点人造卫星的事情。

想让人造卫星上天是一件很困难的事情,所以至今为止,拥有发射卫星能力的国家只有十来个,一部分国家是因为没技术,一部分国家是因为没有发射条件,有些国家是两者都不具备。

我们上物理课的时候讲过几个宇宙速度,其中第一宇宙速度, 又称为环绕速度,是指在地球上发射的物体绕地球飞行作圆周运动所需的最小初始速度。 经过计算以后,每秒钟要运行7.9km才能够围绕地球做圆周运动。但是由于大气层的存在,不可能围绕地球表面飞行,至少要在150km的高度运行,因此 半径要大一点,计算以后7.8km/s就可以做圆周运动了。这个速度是非常快的,北京到上海2分钟就到了。

要把卫星加速到这个速度,需要很大的能量。当我们看卫星发射的时候,大部分火箭里都是放燃料,留给卫星的空间非常小。在马斯克之前,火箭是一次性的,用一次就扔了,下一回用新的,成本是非常高的。根据马斯克的采访 ,他说只要能重复发射3次,就能和一次性的火箭比价格,目前他的已经有发射6次的了,他的意思是只要保养得当,重复使用100次也没问题,就像飞机一样。主要是马斯克吹的牛都实现了,咱也就不好说什么了。我的目标是2021年改掉吹牛的毛病。

通信卫星就是在地球轨道上,放置卫星,以作为地面微波与广播站间的通信媒介。虽然通信卫星的造价很高,但由于能传输大量的信息,而且免除架设的费用,因此对于长距离的传输仍是最普遍与最经济的方法;因为一个通信卫星所传播的地域相当的大,只要三个通信卫星就能涵盖地球上大部分的地域。

但是现在卫星越来越多了,因此会有太空垃圾。在2009年的时候, 属于美国铱卫星公司的铱星33号和属于俄罗斯航天部队的宇宙2251卫星之间发生了碰撞。 碰撞速度估计达到11.6公里/秒,碰撞发生时,铱星依然处于工作状态,而俄国卫星则已经被废弃多年。 美国国家航空航天局报告指出这次碰撞产生了大量由卫星残骸组成的航天垃圾。目前,美国航天监视网(U.S. Space Surveillance Network)追踪到了超过1000个碎片,而更多的碎片还有待发现。不过看网上讲,这些不受控的碎片会慢慢的被地球引力吸到地球上,碎片的尺寸不是很大,所以会在大气层中烧毁。

第一颗有实际用途的卫星是1962年发射的,在之前,发射的那些卫星就是为了冷战,一颗是苏联发射的,一颗是美国发射的,没有实际用途。在1962年,美国想玩点有实际用途的,就发射了一颗名为Telstar的卫星, Telstar卫星是由贝尔实验室的一个小组研制的。这颗卫星上天以后就在欧洲和北美之间进行了电视转播,取得了成功。由于这颗卫星是在低轨道运行的,每次只能转播20分钟,2.5小时转播一次。在当时还是比较先进的。

这预示着通信的太空时代拉开大幕。

只可惜的是,大幕刚要打开,就关上了。在Telstar上天的那天,美国搞了一次贷危机高空核弹爆炸,这次爆炸电离了地球的范艾伦辐射带,而Telstar1的轨道正好处于这个高度上,使得使得卫星上脆弱的三极管饱和,卫星才上天,就被炸坏了。美国想办法绕过这个三极管,但是卫星已经被摧毁的很厉害,仅仅过了3个月,卫星就彻底停止工作了。因此这个卫星也是也成为冷战中的一个技术牺牲品。当时人对范艾伦辐射带认识不够深刻,所以并不太清楚这是怎么回事。

要想跟踪这颗卫星,也算是工程学上的奇迹。在美国缅因州,跟踪这台卫星的天线非常大,以每秒1.5度的角速度变化,从而跟上这颗卫星。这非常复杂。

如果天线静止的话,会好很多,这就引出了另外一种类型的卫星,如果卫星的高度能达到35786km,其轨道和赤道重合,那么卫星围绕地球转一圈的时间是23小时56分4.0905秒。这种卫星在天空中看起来与地球静止不动。这样做的好处一是没有多普勒效应,二是天线也不用移动。如果向赤道上空发射3颗这样的卫星,那么地球上绝大部分的地区都可以由这3颗卫星来通信。

再说回前面讲的这颗Telstar卫星,虽然第一颗卫星被核弹摧毁了,但是美国没有放慢赚钱的脚步,他们拼了命的搞钱,连续发射了很多颗Telstar卫星。其中Telstar 18,在中国这边被称为亚太5号。这颗卫星是中国给美国发射的,当时我还在高中,报纸上得连载了20期,电视上天天放,期末考试还是考点,我现在都能背诵下来。

当年大概是2000年左右,当时的宣传口径是这样的,从1996年开始,美国反华势力对中国进行技术封锁,一直到2000年,中国航天一次对外发射合同也没有拿到。面对这种恶劣的局面,中国长城集团统一认识,坚定信息,团结在哪里,围绕着谁,努力攻关。终于把技术做到了世界第一,美国自己的力量都没办法发射世界上最重的卫星Telstar 18号卫星,只好低三下四的来求中国,让我们帮忙发射。中国不计前嫌,终于发射成功。事情基本上就是这么个事情。

很多年以后,我才发现,其实发射Telstar卫星的是个商业公司,他们以赚钱为目标,谁要价便宜,他们就让谁发射。而且和美国政府也没什么关系,这个公司和美国政府关系比较差,一气之下把自己卖给了加拿大,这又是另外一个故事了。这个公司不仅让中国发射,还让俄罗斯发射,还让日本发射,这颗卫星并不是什么所谓的连美国自己都没能力发射的军事卫星,而是一颗纯粹的商业卫星。

为什么我这么了解这颗卫星呢?因为当时中国人都很了解这颗卫星。除了Telstar 18这个名字,他另外的一个名字叫亚太5号,后来又有个兄弟卫星叫亚太7号。如果年龄比较大的,又看过卫星电视的,就知道这颗卫星了,当年很多国人通过这两颗卫星看成人电视。亚太5号是小锅,亚太7号是大锅。现在早就不能看了,也没人看了,因为现在互联网发达了,比看卫星电视好。

当年的时候,卫星加密还没现在这么变态,当你去装卫星锅的时候,人家都知道你要看啥,就问你装国外的还是装国内的?你说装国外的,人家也不会认为你想学外语,当时光韩星5号上就有4-5个成人频道,还能收到不少台湾和hk的节目。但是后来加密手段越来越先进了,再加上宽带越来越普及了,我就不再关注这个东西了。

现在装卫星锅是违法的,抓到了会罚款加坐牢的。

反正我对亚太5号有一种特殊的感情在里面,在书里学的是美国搞不定这么重的卫星,来找中国发射。结果等到大学毕业,要看有线电视了,就是找亚太5号的锅,然后去看成人电视。这里面有巨大的荒谬在里面,总感觉国家帮美国发射卫星,就是为了让我能看电视学外语。虽然有点曲折,但是确实是这么个意思。

现在有手机了,总感觉有线电视的用户应该少了很多吧。其实,实话实说,15年前有线电视上很有料的视频,也就相当于今天短视频上,不违规的跳舞的姑娘。那个感觉就像是我小时候你要是有一本《金瓶梅》,如果被老师抓到了,那你就完蛋了。现在呢,就算你有《金瓶梅》,我保证,100人看到,只有1个人会翻一翻,一千个人中如果有一个人看完,就算烧高香了。原因是,现在人的阈值已经提高太多了。如果在10秒钟内不能爽一下,那短视频就没人看。

虽然相对于地球静止的同步卫星有很多优点,但是有一人致命的缺点。同步卫星与地球距离太远了,单程就是3.6万公里,信号一来一回就是7.2万公里,再加上设备的延迟,经常要有1-3s左右的延迟。大家应该看过电视上的直播访谈,当一个人讲完话以后,另一个人要在那里站着2-3s钟。最近有个Facebook创始人跟空间站上的人对话的视频,延迟至少有5秒,两边讲话就是鸡同鸭讲,两边都在尬聊,最后宇航员在翻跟头来化解尴尬。

那如何解决这个问题呢?方法就是不用同步卫星,而是用轨道没那么高的卫星。铱星计划就是其中最主要的方案之一。

有关卫星,我上学时候还有一个超级失败的项目叫“铱星计划”,这个依星计划是史上最大的破产之一。铱星计划所用的卫星高度是800km,之所以定义为铱星,是因为当时想用77颗卫星,77号元素是铱元素。 后来经过计算证实,6条轨道就够了,于是,卫星总数减少到66颗,但仍习惯称为铱星。

一是轨道低,传输速度快,信息损耗小,通信质量大大提高;二是铱星系统不需要专门的地面接受站,每部移动电话都可以与卫星联络,这就使地球上人迹罕至的不毛之地,通信落后的边远地区,自然灾害现场都变得畅通无阻。所以说,铱星系统开始了个人卫星通信的新时代。

当摩托罗拉公司费尽千辛万苦终于在1998年11月1日正式将铱星系统投入使用时,命运却和摩托罗拉公司开了一个很大的玩笑,传统的手机已经完全占领了市场.由于无法形成稳定的客户群,使铱星公司亏损巨大,连借款利息都偿还不起,摩托罗拉公司不得不将曾一度辉煌的铱星公司申请破产保护,在回天无力的情况下,只好宣布即将终止铱星服务。从正式宣布投入使用到终止使用不足半年时间。

后来,一批私人投资者花了3500万美元取得了这些卫星的使用权,经过多次的改进,现在铱星计划早就开始盈利了。因为在一些不毛之地,手机没有基站,只能用卫星电话,一分钟一美元。由普通电话打到卫星手机费用大约每分钟3到14美元,由铱卫星打到普通电话大约每分钟1.5美元,铱卫星手机网内互打每分钟少于1美元。。典型的铱卫星使用者包含航海人员、航空人员、政府机关、石化工业、科学家和经常旅行者。 还是很有钱赚的。

现在已经在发射第二代铱星,差不多已经发射完了。 第二代铱星系统被命名为 Iridium Next,同样由 66 颗卫星组成,此外还有 6 颗规定冗余卫星,以及 9 座地面冗余。 这些卫星由今天的达芬奇——埃隆·马斯克的Falcon 9发射。

说到了埃隆·马斯克,就不得不说他的星链计划了。 星链是太空服务公司SpaceX计划推出的一项通过近地轨道卫星群,提供覆盖全球的高速互联网接入服务,这个不止提供铱星的通话和定位服务。说到定位服务了,马来西亚航空公司就是使用的依星的定位服务,结果飞机没了,定位也没定位出来,这两个公司扯皮了很久,让人觉得好像依星计划也不是那么NB,如果真NB的话,不至于连飞机也跟丢了。

SpaceX计划在2020年代中期之前在三个轨道上部署接近12000颗卫星:首先在550公里轨道部署约1600颗卫星,然后是在1150轨道部署约2800颗Ku波段和Ka波段卫星,最后是在340公里轨道部署约7500颗V波段卫星。整个计划预计需要约100亿美元的支出。

根据目前已经在运行的系统,美国网友给出的数据, 星链卫星距离地南只有550公里,而普通卫星一般都高达1000公里,下载速度普遍在70M左右,最慢的速度也在30M。这个速度看高清视频没什么问题。再来说延迟,已经超过了目前绝大多数的有线网络,卫星的延迟在50ms以下,最少的20ms左右,最多的也不过70ms。这个速度对我们这些打游戏的,可已经是太理想了。我打游戏,经常延迟到100ms以上,特别崩溃。所以,我对这个系统还是很有信心的,目前价格可能比较贵,但是随着用户的增多,价格应该会慢慢降下来。

这个星链是要装接收器的。这让我觉得,15年前为了看电视要装锅,以后很可能为了用星链也要装锅。两者都应该是违法的。

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