马斯克“星链”卫星研发的颠覆与创新

“星链”（STARLINK）近地轨道宽带互联网卫星，作为SpaceX公司创始人马斯克的又一创新项目，自2015年初正式启动、2019年首次进行了正式发射。迄今，“星链”卫星已发射2700余颗，获得30余个国家批准落地，全球用户已超40万。特别是在俄乌冲突爆发后，“星链”迅速介入并在军事领域表现出广泛应用潜力与前景。对“星链”研发、生产、运营、军事应用等领域信息进行深入挖掘分析，对我们了解其具体功能、性能、发展趋势，准确筹划应对策略具有重要意义。

一、“星链”的初创

马斯克对卫星领域的雄心早就有所表现。2005年初，SpaceX公司就购买了英国Surrey大学下属小型卫星企业——Surrey卫星技术有限公司(SSTL)10%的股份，“以了解小型廉价航天器供应商的想法”，争取由SpaceX为其发射卫星。但在SSTL公司于2008年出售股权成为欧洲“空客”公司的全资子公司后，SpaceX在卫星领域的首次投资告终。

2014年9月，马斯克与谷歌公司前高管、WorldVu卫星公司创始人Greg Wyler就联合开发卫星互联网项目进行谈判，再次显示马斯克进入卫星领域的愿望。Greg Wyler于2007年创立O3b卫星互联网公司（后出售给欧洲卫星巨头 SES），2012年创立WorldVu卫星互联网公司。在2014年9月Greg Wyler从谷歌离职时，WorldVu公司仍具有使用Ku波段部分频段进行卫星-地面互联网通信的许可。但马斯克与Greg Wyler的合作谈判最终以破裂告终。SpaceX随后向国际通信监管机构提交卫星通信频率使用申请，以独立启动其宽带互联网卫星项目，成为“星链”发展的第一步（Greg Wyler的WorldVu公司于2015年更名为OneWeb，并成为目前“星链”的主要竞争对手之一）。

2015年1月16日晚，马斯克在美国西北部华盛顿州西雅图市一个“私人活动”中宣布，SpaceX公司在西雅图市雷德蒙德（Redmond）设立的分部正式启动，并作为SpaceX公司的“卫星研发中心”。马斯克表示，将“卫星研发中心”设于西雅图市Redmond，是为了吸收在当地众多的专业技术人才（微软、波音、亚马逊下属BLUE ORIGEN、三星半导体、任天堂、Valve等众多IT与游戏公司在Redmond地区均设有总部/地区分支，为“星链”提供了优秀技术人才库）。马斯克当时提出的目标是，“像在火箭领域一样变革卫星领域”，以真正彻底地改变太空。马斯克提出，初步计划发射4025颗仅重数百公斤的高性能卫星，在5年内将1.0版卫星发射升空，最终使超过50%的长途互联网、10%的本地互联网接入都经过该卫星网络，未来该技术甚至可能应用于火星网络通信服务。该项目在成立之初即得到谷歌、富达投资(Fidelity)等公司约10亿美元投资，后于2017年申请英文商标“STARLINK”。

二、卫星研发

自西雅图分部2015年成立后，SpaceX即开始低轨宽带互联网卫星的研发工作。

（一）内部组成团队

目前，“星链”的领导层由马斯克、Jonathan Hofeller（“星链”商业销售副总裁）、Samuel Gibbs IV（“星链”商业运营副总裁）等SpaceX公司高层兼任，员工数量1000人左右，分为研发、生产、运营、供应链等主要团队。其中，研发团队具体负责卫星的主体设计、软件开发、有效载荷设计、子系统开发、系统/载荷集成等，工作地点以华盛顿州雷德蒙德为主，SpaceX位于加利福尼亚州洛杉矶地区的霍桑（Hawthorne）的公司总部、加州克拉拉县山景城（Mountain View）等地也有部分研发人员。

（二）研发创新领域

马斯克在“星链”部门创立之初，即明确了“星链”卫星的部分研发方向，包括将采用卫星间激光通信技术、采用相控阵收发天线、霍尔推进器等。但对卫星各个系统的研发，“星链”采取了持续升级迭代的“硅谷”模式：

1、卫星整体设计。“星链”采用创新型平板设计，使“猎鹰-9”号运载火箭一次可发射60枚1.0版本卫星或53颗1.5版本卫星，大大降低了生产与发射成本。卫星星体的总体开发、设计由大批机械工程师、结构工程师、可靠性工程师等完成，主要负责结合各类有效载荷、子系统等的部署需求，设计卫星主体结构外形设计、内部结构规划、机械结构、子系统集成安排等工作。

2、软件硬件开发。“星链”吸收的软件开发、芯片设计、PCB设计、航空电子、机械设计等领域的研发人才，约占“星链”研发人员总数的一半，研发领域涉及卫星主体及各个子系统。除专用软件外，“星链”部门大批技术人员负责自行研发专用芯片、印刷电路板(PCB)、专用大规模集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。马斯克早就认为，“星链”的开发，约有一半工作是软件，另一半是硬件，且软件的比例未来将进一步上升。

3、相控阵天线系统。“星链”卫星能够提供高通量、高速率互联网通信能力，与其先进的宽带通信天线技术直接相关。2014年底，“星链”创始员工就牵头组建了由天线、射频、数字信号处理和电子工程专业人员团队，建立相应实验室，开发卫星初始有效载荷架构、Ku/Ka波段多波束相控阵技术等。由至少10余名骨干人员组成的通信研发团队，对Ku/Ka波段相控阵天线进行研发，包括对需求的定义、分析，对天线的设计、布局、制造、组装、测试等，数十项技术获得专利，卫星通信天线的设计也已升级至多个版本。这也是马斯克宣称其2.0版“星链”卫星数据处理能力比之前高出“一个数量级”的基础。

4、卫星间激光通信系统。马科斯在“星链”部门组建之初，就指出将采用激光通信技术降低通信时延。“星链”激光通信技术研发工作在2018年全面展开，包括技术开发、原型设计、在轨测试等，研发团队在10余人以上，其激光通信设备至2019年下半年即升级迭代第3个版本。2020年9月，SpaceX公司宣布，已在两颗“星链”卫星间测试了激光通信设备；2021年1月，首次在10颗极地轨道卫星中正式使用；2021年9月，装备激光通信设备的1.5版“星链”卫星开始发射，为真正实现全球宽带互联网通信提供了基础。

5、动力推进系统。马斯克在“星链”部门成立之初即明确将采用霍尔推进器为其卫星提供动力。“星链”霍尔推进器研发工作从2015年上半年即开始，核心研究团队人员数量约为10人左右，创新性地采用了成本更低的“氪”为推进剂，对霍尔推进器进行了模块化和成本控制，提高了生产效率、简化了操作程序，并为其开发了生产与测试设施。部分研究人员属于霍尔推进器研制开发领域领军人物，一举使SpaceX公司也成为将霍尔推进器送入太空数量最多的机构，使美国成为霍尔推进器研制的领先国家。

6、电力保障系统。SpaceX卫星太阳能电池板的开发，至少在2016年下半年就已开始，内容包括细节设计、材料选择、机械图纸绘制、供应商选择、制造工艺设计、组装与测试设备设计等。其研发团队有骨干10人左右，负责太阳能电池板的概念、设计、开发，卫星所采用的单面太阳能电池板结构是其创新之一，既降低了发射重量，同时又降低了机械故障几率。同样，卫星太阳能电池板的研发也经过了多次升级迭代，1.0版、1.5版卫星太阳能电池板具备约3千瓦发电能力。

7、导航与控制系统。“星链”指挥控制网络开发始于2016年5月，主要是对遥测、跟踪与指挥（TT&C）地面网络进行设计、生产与部署，卫星星座的操作系统/平台研发不晚于2015年下半年。导航与控制系统研究团队骨干人员数量应在10余人以上，由美空军退役军官担任导航与控制部门的重要职务，负责“星链”卫星的运行安全与控制工作。

三、研发成果

SpaceX公司迄今已发射“丁丁”试验卫星2颗，0.9版、1.0版、1.5版卫星2700余颗，后续还计划发射高达3万颗2.0版卫星。

（一）MicroSat

SpaceX公司计划于2016年发射的两颗实验卫星，分别称为MicroSat-1a和MicroSat-1b。原计划发射进入距地表625公里、倾角约86.4°的圆形轨道，拍摄地球和卫星影像。该两颗未被发射，而是用于地面测试。

（二）原型试验卫星

2018年2月，SpaceX成功将2颗原型试验卫星“丁丁A”、“丁丁B”送入太空。该卫星装备了相控阵通信天线、霍尔推进器、空间目标跟踪器、太阳能电池板等设备，卫星的制造、集成工作2017年上半年即已开始。

（三）0.9版卫星

最初发射的75颗“星链”原型卫星称0.9版，仅装备Ku波段通信天线，重约227千克，采用的部分金属零件在再入大气层时难以完全烧蚀，对地面安全有一定影响。主要用于运行状态及受控再入大气层能力进行测试。2019年5月24日由猎鹰-9火箭首次发射，共将60颗卫星发射升空，其中3颗故障，2颗进行了受控离轨测试，55颗进入预定高度550千米、倾角53度近地轨道。

（四）1.0版卫星

全部装备Ku/Ka波段通信载荷，后期加装遮阳板、深色涂层以降低对地面天文观测的影响，重约260千克，猎鹰-9火箭一次可发射60颗。调整部分构件的材料，可实现再入大气层后100%烧蚀的目标。首批1.0版卫星于2019年11月11日发射升空，典型轨道高度550千米、倾角53度。该型卫星开发时间应不晚于2019年初。

（五）1.5版卫星

为目前发射的最新型“星链”卫星。全部加装激光通信链路，重量由原260千克增至约290千克；不再使用此前加装、影响激光通信的星载遮光板，但仍采用改进涂层以降低其可视度。首批1.5版卫星于2021年9月14日由猎鹰-9火箭发射升空，一次发射数量由原来60颗（1.0版）降至53颗，典型轨道高度550千米、倾角53度。其研发工作不晚于2020年初。

（六）2.0版卫星

马斯克今年6月初宣称，首颗“星链”2.0版卫星已经生产完成。该型卫星长约7米，重1.25吨，数据处理能力将比1.0版卫星几乎“高出一个数量级”。未来依托STARSHIP飞船发射，每次可发射110-120颗，从而大大加快卫星部署速度。该型卫星研发工作至少在2021年初即已展开。

四、“星链”的颠覆与创新

SpaceX的“星链”虽然不是最早进入近地轨道宽带互联网领域，但却是迄今为止成功发射卫星最多最快、获得落地批准国家最多、用户数量规模最大、全球影响力最高的卫星星座。“星链”的成功，不仅颠覆了航天工程由国家或国家支持的军工巨头建设的传统模式，在卫星成本控制、研发流程、发射模式甚至安全环保等多个领域都有所颠覆、创新：

（一）成功控制卫星成本，使大规模部署成为可能

马斯克2015年指出，成立“星链”部门的原因是，航天领域中卫星研制发射与火箭研制发射数量相当甚至更多，但“卫星很多时候比火箭价格更贵”，因此SpaceX必须同时解决卫星与火箭问题才能真正彻底改变航天。为此，“星链”的研发、制造都十分强调成本控制：研发方面，在马斯克2021年7月提出的“五步工程法”中，无论是尽量减少零部件、简化优化设计、缩短周期时间还减少不必要的测试等，核心都是要在确保质量的情况下降低研发成本。而“星链”采用平板式设计增加单次发射卫星数量、为霍尔推进器创新性采用氪为助推剂、采用单面太阳能电池板的设计减少机械组件数量等，都是降成本的重要举措。制造方面，强调“为制造而设计”的重要性，在研发过程中考虑制造因素并在最终设计定稿前就提前启动制造流程，通过设计与制造环节紧密协同，及时发现问题并及时调整，降低不合理设计可能产生的隐性成本。马斯克在2020年2月表示，“星链”卫星的制造成本“已低于将其送入轨道的成本”。

（二）实现边建边用边改，确保星座的建设进程

无论是“猎鹰”火箭还是“星链”卫星，马斯克均设定了激进的研发时间表，并通过边建、边用、边改的方式推进。首先，SpaceX这种通过技术迭代推进卫星整体性能升级，而非经多次验证、确保完全可行后才最终推出产品的传统模式，保证了“星链”的及时推出、不断完善，提高了系统建设效率与效果。其卫星已先后推出、应用0.9、1.0、1.5版，2.0版也已开始生产。而其卫星通信天线已至少升级3个版本以上。为顺利推进卫星发射进程，马斯克2018年6月还为此解雇了要求对卫星进行更多试验测试再发射的核心团队。其次，为确保“星链”星座建设的进度，虽然其部分创新技术从未经过实际检验，但研发团队甘愿承担一定风险。如卫星发射升空后允许部分卫星因故障不能抬升进入预定轨道；“星链”首创、自2016年1月即开始研究的堆叠状态数十颗卫星太空释放机制，在2019年5月首次发射时设计人员并无完全成功的把握；导航控制系统在卫星发射升空后也一度故障频发。最后，SpaceX坚持硅谷企业文化，减少传统企业、政府机构的繁文缛节，通过提高决策效率与执行能力，加快了“卫星”研发与部署进度。

（三）采取规模生产方式，提高星座稳定性与生存能力

根据美联邦通信委员会（FCC）规定，整个卫星星座应在获得许可之日起9年内进入轨道。而“星链”星座从最初计划的4000余颗，增至目前计划的4万余颗，对其卫星生产与发射的速度要求高。为此，SpaceX公司：一是按“近于汽车或电子消费品”的生产线生产方式，以批量生产卫星，加快生产速度。而卫星采用的霍尔推进器等子系统，也针对低成本、高速率制造要求进行了优化。2020年，SpaceX就实现了每月制造120颗“星链”卫星的速度，保证了平均每月发射2次、每次发射60颗的需要。二是随着具有相同规格、相同性能的卫星大规模发射入轨，即使其中部分卫星失效，也不会影响星座的整体功能发挥。如2022年2月初SpaceX发射的40颗“星链”卫星因太阳风影响未能成功入轨，但可通过后续发射相同功能的卫星弥补，对星座整体建设、功能发挥并不会造成明显影响，确保了星座的稳定与生存能力。

（四）坚持独立研发路线，形成自主产业生态模式

在坚持内部研发制造方面，“星链”完全沿袭了SpaceX在火箭研发的做法。首先，为压缩成本、降低重量、缩短时间，SpaceX以自研代替采购，自行完成包括火箭箭体、发动机、电子设备和其他部件在内高达80%-90%的研制，而不是依托国际、国内供应链进行采购。而“星链”采取相同政策，无论是其卫星间激光通信设备、霍尔推进器、太阳能电池板、反作用轮等子系统，还是卫星各系统所需的专用芯片、印刷电路板（PCB）、现场可编程门阵列（FPGA）等，均由“星链”部门研发并在雷德蒙德的工厂或SpaceX的霍桑总部生产，最后在雷德蒙德总装。为此，“星链”部门还专门研制、建设了激光通信设备、太阳能电池板生产线与测试设备，并从外部引进相关生产设备。其次，“星链”研发继续沿用SpaceX的开放思想、理念、流程与规范，至少部分采用消费级而不是“航天级”元器件，以尽量降低成本、提高竞争力。而从供应链判断，其对外依托的主要是硅或晶圆等基础原材料的供应，及部分金属部件的外包精密加工。最后，“星链”卫星与SpaceX的火箭在研发、生产领域人才、基础设施方面部分通用，也使SpaceX具有了更强的自主研发生产能力，具备了相对成熟、完善的航天生态与产业链，为其未来进一步扩张打下了基础。

（五）星箭结合快速发射，大大提高快速反应能力

SpaceX公司的卫星与火箭产业密切关联，形成了一个研发、生产、发射的完整链条。“星链”卫星完全依赖SpaceX自行研发的“猎鹰”-9号运载火箭发射，未来将依托“STARSHIP”发射2.0版卫星。首先，SpaceX可将“星链”卫星与其火箭、飞船内部空间进行充分计算与试验，使卫星发射数量、空间布局更为合理，火箭推力得到最大化利用，是实现快速发射的必要条件。其次，“猎鹰”-9号火箭、“猎鹰重型”火箭、STARSHIP飞船均可以发射后回收并再次使用，保证了对“星链”卫星的高发射频率。目前“猎鹰”-9火箭部分助推器已重复使用10次以上，未来还计划达到20次的目标。第三，SpaceX仍在尝试通过优化火箭性能、加注更多燃料等方式，提高“猎鹰”-9火箭的卫星运载数量。而“STARSHIP”每次可发射110-120颗“星链”2.0版卫星。据美联邦通信委员会要求，SpaceX可能需要在未来6年内发射2.0版卫星数量的一半（1.5万颗），即每年需发射“星链”卫星22次左右。SpaceX这种卫星批量生产、火箭快速高效发射能力，使其具备针对不同客户、不同场景的快速反应能力，大大提高美航天反应速度。

（六）实现受控全部烧蚀，有效降低对地面的威胁

“星链”星座卫星数量规模庞大，SpaceX公司为其装备霍尔推进器，使其在失效、到寿后可以受控变轨，并通过重返大气层与空气摩擦而烧蚀分解。但按0.9版卫星设计，每颗“星链”卫星装备的霍尔推进器1个重1.66千克的铁制构件、4个各重1.18千克的不锈钢反作用轮、4枚各重1.43千克的碳化硅通信组件仍将落至地球表面，并可能导致地面人员伤亡。在受到外部质疑后，SpaceX公司2019年3月向美联邦通信委员会（FCC）通报称，其1.0版卫星不再使用致密金属组件，并采取可确保卫星再入大气层后完全烧蚀的结构，使其对地面人员的威胁降至0。SpaceX采用新材料、新结构设计，实现卫星完全烧蚀，既降低了对地面的威胁，也降低了对卫星进行控制以避免落入人口密集区的工作难度。

从目前来看，SpaceX公司在“星链”上的研发与创新，已经在卫星领域产生了巨大的颠覆性效果。而SpaceX公司以其独特的低成本、高效率的特殊企业文化，在吸引先进技术人才方面的巨大明星效应，在登月、登上火星、脑机接口、人形机器人等诸多领域的创新技术研发，可能再次造成太空、生物科学、人工智能领域的颠覆性发展，并再次拉开SpaceX与其他企业、美国与其他国家的技术差距。特别是在美国对我国采取“小院高墙”式整体技术封锁与压制的背景下，我们需要加强跟踪SpaceX在近地轨道卫星及其他领域技术的发展，学习借鉴其技术研发的经验，培养具有创新意识与能力的技术人才，发挥“集中力量办大事”的优势，夺占在相关技术领域、太空等领域的竞争能力与优势。

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