通信网络是人类构建的最复杂的工程系统，上篇写了海底电缆，这次写卫星通信的一点知识。
卫星通信的历史
通信，就是在两点之间传递信息。说话、烽火、飞鸽传书，都是一种通信（烽火是用 Sub/Pub 模式传输单比特信息的广播通信）。人类通信技术的发展，就是对信息传递的速度、距离、信息量的持续追求。
无线电的发明极大扩展了通信能力，麦克斯韦、赫兹、特斯拉、波波夫、马可尼等先贤开拓了一个新的通信时代。此后电报、电话、广播、电视、雷达、导航、移动互联网，都因无线电技术而产生或扩展。
无线电波是直线传播，要传播的越远，越需要架的更高或更多的天线（当今最高的地面天线是哈利法塔塔尖天线，高 828 米）。而最大的问题是，地球是圆的，且有大面积的海洋阻隔，架设地面天线受到了巨大制约。在这样的背景下，人造通信卫星的出现似乎理所当然。
实际上，人类关于人造卫星的构想由来已久。早在 1728 年出版的「自然哲学的数学原理」中，牛顿就论述了卫星绕地球旋转的物理学原理，不过他当时假想的是一颗加农炮发射的炮弹。1869 年，美国作家爱德华·黑尔的科幻小说「砖月亮」中，首次描述了用火箭发射人造卫星甚至空间站的构想。
进入 20 世纪，火箭和人造卫星理论的研究和探讨逐渐成熟。而首次探讨卫星用于全球通信的，是阿瑟·克拉克（对，就是「2001 太空漫游」的那个阿瑟·克拉克），他在 1945 年发表在 Wireless World 杂志上的论文，非常详细的论证了卫星通信的可能性。
阿瑟·克拉克关于通信卫星的论文，Wireless World，1945 年 10 月
1957 年，苏联的「1 号卫星」成为第一颗成功发射入轨的人造卫星，从此引发了长达几十年的太空竞赛。「1 号卫星」只实现了简单的无线电信号广播，而不具备通信中继能力。随后，美国于 1958 年发射的 SCORE，是第一颗具备地面信号中继能力的卫星。
最早的人造卫星，主要职责是进行试验和科学研究，通信并不是其主要职责。在阿瑟·克拉克的论述中，只需要 3 颗卫星就可以实现全球通信（除南北极）。
时至今日，人类已经发射过 13294 个人造天体（包含卫星、飞船、望远镜等），当前正在轨道中运行的有 5968 个，其中有多达 70% 的承担了通信职责。
统计数据
通过许多国际组织可以获取开放的卫星数据，本文主要基于对 UNOOSA（联合国外层空间事务厅），以及 USC（Union of Concerned Scientists，忧思科学家联盟）的公开数据进行的爬取分析，从中可以看到很多有趣的统计。
由于两个数据来源的数据字段及格式差异，本文的统计可能在绝对值上稍有偏差。图表使用 Ant Design Charts 生成。
卫星轨道
人造卫星分布在不同高度的轨道上，一般分为 GSO（Geosynchronous orbit，地球同步轨道，包含 GEO，Geostationary Orbit 地球同静止轨道，以及 Elliptical Orbit 椭圆轨道）、MEO（ Middle Earth orbit，中地轨道）、LEO（ Low Earth Orbit，近地轨道）。
最初的通信卫星多采用地球同步或静止轨道，好处是覆盖范围大，且对于静止轨道来说，地面天线不需要随时调整指向。缺点也显而易见，GEO 轨道位于赤道上空 35,786 km 附近，这么远的距离，电磁波信号一个来回的耗时要超过 240ms，这对于语音、互联网应用来说，显然延迟过高。所以高轨道通信卫星适合广播、电视等单向通信。而由于这个轨道的方向和高度固定，轨道位置资源也越来越紧张。
所以低延时要求的通信，就交给了 LEO 轨道卫星，这个轨道多分布于 500 km 附近。缺点也非常突出，覆盖范围小，需要大量的卫星才能组成高覆盖网络，并且这个高度仍存在稀薄的空气，摩擦会导致卫星寿命更短，一般在五年左右。
介于 GSO 和 LEO 之间的 MEO 轨道，更多是 GPS、北斗、伽利略等导航卫星的位置。
下图展示了不同轨道高度相对于地球的位置，以及代表性的卫星系统。
卫星轨道示意图，来自 WikiPedia
下图是目前在轨卫星在不同轨道的数量分布的大致情况，GSO 轨道的发射成本很高，且轨道容纳数量有限，从数量上看，大部分卫星分布在 LEO 近地轨道。
星海战术
上图是对当前在轨的 5968 颗人造卫星归属机构的的简单统计，SpaceX 以绝对的数量优势占据了近一半的数量，这就是 SpaceX 旗下用于提供互联网服务的近地轨道卫星星座 —— Starlink。
图中位列第二的，也是 Starlink 的同行竞争对手，来自英国的 OneWeb，图中也可以看到近地卫星通信网络的先驱，大名鼎鼎的铱星系统。
这个行业已经有多个大玩家入局，正在用星海战术，在距离地面数百公里的位置布局稠密的卫星网络。Starlink 最低的卫星，高度只有 258 公里（这个高度可以称为 VLEO），仅比杭州到上海的距离远一点，在这样的高度下，信号一个来回的延迟可以做到 20ms 以内，基本满足了现代互联网的时延要求。
仅仅今年，SpaceX 已经发射了 805 颗 Starlink 卫星，最近一次发射是 2022 年 7 月 12 日，猎鹰九号一次性发射了 46 颗 Starlink V1.5 卫星进入极地轨道，为高纬度地区提供服务。此前几乎每个月，都会有数次发射。到目前 SpaceX 已经向 ITU（国际电信联盟）申请了多达 42000 颗的卫星频谱。
Starlink 的卫星可能和传统的样子稍有差别，为了尽量降低发射及运行成本，它的卫星做的尽量轻和小，每个重 200 多千克，呈刀片状叠放，发射升空后再分离、展开太阳能板开始工作。
Satrlink 官网展示的老款 Starlink V1 卫星，分别是单卫星的折叠状态、60 颗卫星叠放、展开太阳能板的服务状态
Starlink 们要做什么
相信在所有人的认知里，发射卫星仍然是一件成本很高的事情。在互联网基础设施已经如此发达和便利的今天，为什么还要花巨资构建如此复杂的系统？
我们通常认知的互联网基础设施，最底层主要是由众多服务商数十年来构建的无数条陆地光缆、海底光缆及其登陆点、交换机/服务器机房构成的庞大骨干网络。
但仍有很多光缆难以触达的地方，比如飞机、船舶，比如远离大陆的岛屿、远离城市的偏远地区，也比如战场。在这些场景下，卫星互联网就成为了非常重要的补充。
卫星互联网连接在 Starlink 出现之前已经发展了很多年，而由于需求场景少，价格过高，在整个互联网市场中的占比相当小。在 FCC 2015 年的统计中， 卫星仅占整个美国互联网容量的 0.37%。
Starlink 在 2019 年开始发射卫星，2021 年初正式开放，到今年 5 月，他们宣布用户已经超过 40 万，在 35 个国家和地区提供服务。购买方案包括住宅、商业、房车、海事，也开始与航空公司合作提供机上互联网连接。
借助庞大的卫星网络，Starlink 已经可以提供世界最快的卫星互联网服务，在不同地区可以达到 50 – 250 mbps 的下载速度，以及 20 – 40 ms 的延时，远超前代的卫星连接方案。但相比于传统光纤及无线网络，服务价格也不算低，以住宅版为例，需要 599 美元的设备购买费用 ，以及每月 110 美元月费。
SpaceX 的优势，在于其可回收火箭极大的降低发射成本，自研的卫星也成本可控并持续降低。按当前的公开数据，可以做一个简单的算术题：
猎鹰九号单次发射成本算 5000 万美元，一次可以发射至多 53 颗 V1.5 卫星，卫星制造成本约 100 万美元，寿命 5 年。假定当前 40 万用户全部为住宅版用户且订阅，则五年产生营收为 ( 599 + 110 12 5 ） 400000，约 28 亿美元，已经可以支撑 1400 颗卫星的成本。*
虽然还要考虑地面站、机房、公司运营等等成本，但仅看最大头的营收和成本项，似乎是可行的商业模式。而随着卫星制造和发射成本的持续降低，以及卫星技术的进步（Starlink V2.0 卫星已在研发中，据称可以提供高一个量级的数据容量，使用 Starship 飞船一次发射 100 – 200 颗入轨），理论上可以提供更高的服务带宽和越来越低的价格。
而考虑到地球上仍有 37% 的人口，即 29 亿人无法上网（国际电联 2021 年统计数据），未来 Starlink 很可能具备与 4G/5G、光纤网络同样甚至更高的竞争力去开拓这些潜在市场。
这也许就是 Starlink 们的基本商业逻辑。
卫星互联网服务如何工作
手机或电脑等终端的天线功率无法直接与卫星通信，所以还是需要卫星天线（锅）在室外开阔处与卫星建立连接，再通过路由器为终端提供无线或有线接入。
Starlink 新款套装，包含卫星天线和路由器
更为复杂的，是卫星如何接入互联网。
卫星要通过地面站（Ground Stations）与互联网连接，根据爱好者网站 starlink.sx 的统计，Starlink 目前已经建立了 159 个地面站。这些地面站一般建设在重要的网络交换点或数据中心附近，比如直接连接了微软、Google 的重要区域的数据中心，再通过高功率天线与卫星连接。
这样的路由看起来会有点荒谬：每个用户的每一次网络连接，都要通过家里的天线与正经过头顶上方的卫星连接，卫星再通过最近的地面站，经过光缆与整个互联网通信。
Starlink 正在逐步部署具备卫星间激光通信能力的卫星，让卫星之间可以建立连接以确定最佳路由，进一步优化数据链路。关于卫星互联网的数据路由，是个很有意思的话题，网络上可以找到很多有趣的科普。
网友在加拿大圣约翰拍到的一个 Starlink 地面站，来自 Reddit
问题
相比于詹姆斯·韦伯空间望远镜，Starlink 这样的复杂的太空项目似乎不那么令人激动。确实，在极低的地球外层包裹的浓密卫星层，已经带来了很多问题，包括对天文观测的影响，碰撞的风险，以及低寿命导致的太空垃圾的担忧。
有许多人和组织是近地卫星互联网系统的坚定反对者，包括上面说的 USC 忧思科学家联盟。
一些国家的政府也开始担忧这些卫星对地面及空间安全造成的威胁。
来自 SpaceX 官网：质量面积比为 40kg/m2 的卫星在不同轨道高度的一般寿命
SpaceX 也在尝试解决这些问题，比如降低卫星的亮度以减少对地面天文观测的影响，改进材料以确保退役的卫星可以坠入大气层并能完全 100% 烧毁，让超薄的卫星在空中可以预测碰撞并收起太阳能板进行闪避。SpaceX 也提到他们尽量与国际组织及各国进行信息互通以避免空间冲突。
从结果上看，卫星互联网服务确实开始解决一些问题，SpaceX 与美国联邦政府合作，通过政府补贴，为美国偏远农村地区提供了更低价的互联网服务。在今年 1 月份，汤加因海啸破坏海底电缆而断网后，Starlink 也快速建立了临时地面站，帮助恢复互联网。
starlink.sx 展示的位于汤加的 Starlink 临时地面站及此刻连接的卫星
光缆 VS 卫星？
光缆会被卫星取代吗？短期似乎不可能会，一方面在人口稠密的城市中，光缆及蜂窝构成的网络仍是带宽高、延迟低、更便宜的方案，另一方面，卫星网络仍然强依赖由光缆构建的互联网骨干网络。
但随着卫星互联网的不断成熟，会成为重要的补充，在越来越多的场景，会成为比光缆和蜂窝网络更灵活和低成本的选择。
但是，Elon Mask 也不断提醒我们一个重要的问题：如果人类将来得以大规模移居火星，在火星表面以及火星 – 地球之间的更庞大的互联网网络，那卫星通信是不是就会成为其中最核心的媒介呢？
参考：