UFO上插根棍子——Starlink（星链）的故事（第二期）
本文作者：Saturn V，本号授权发表
被媒体曝光的星链接收端天线原型，确实是如马斯克所述“UFO上插一根棍子”
另一侧近乎纯平
天线支撑上的铭牌——隶属SpaceX、原型机、非商用
媒体曝光的测试天线阵，左侧是星链的，右侧球形罩内是抛物面天线
看过SpaceX公布的整流罩内卫星照片的人估计都会有个问题，那便是星链和常规认知中的通讯卫星外观差别有些大，哪怕和近年来兴起的造型各异的小型立方星比也完全算是奇葩。单面太阳能电池板，没有任何伸出卫星外的天线和明显的轨道调整引擎喷口，颇像在一个银色版子上插了面太阳能“风帆”的太空帆船，随便叠在一起塞入整流罩后就发射了。其实要理解星链卫星的设计，不如先看看为啥高轨道的通讯卫星会发展成为现如今所熟知的模样。
一个标准的高轨道通讯卫星，由容纳各类型电子和推进设备的卫星主体，太阳能电池板和通讯用天线组成，这其中占据较大视觉空间的便是通讯天线。这是因为在高轨道通讯除去距离远导致的延迟长外，还要解决电磁波在真空中长时间传播的天然扩散问题，扩散的越广信号强度越弱。和所有电磁波一样，卫星通讯的信号遵循平方反比原则及信号的强度衰减是距离的平方，固为接收传播了近3万6千千米的无线电波，高轨道通讯卫星需要庞大的天线来收集强度已大幅度衰减的信号。
接收天线要大于发射天线
轨道高度仅550千米的星链信号衰减很小，因此不需要额外的反射收集天线，也就少了外观上最明显的特征。不过低轨道同样有自己的劣势，卫星以极快的速度略过地面基站，极大限制了通讯时间。且地球同步轨道卫星相对地球静止，从地面上看便是一直有颗卫星在头顶固定位置，基站天线只需要指向一个角度即可。若星链也采用传统卫星天线，为对准从头顶快速飞过的卫星，需要不断快速调整“锅”的角度，极难实现不说还旋转机构还极易产生故障。
相控阵原理图，通过改变相位ϕ来改变波束角度θ
星链需要的是一种不用物理改变朝向便可快速改变波束发射方向的天线，这一次军事上的技术给出了答案，相控阵天线。相控阵雷达能成为主流军用雷达，是因为通过控制天线上各个单元信号的相位，便可使发出的电磁波进行互相干涉来调整发射出的波束指向，而无需实际调整雷达的朝向。和一部分机械旋转机构结合，相控阵天线能快速完成很大范围的信息传输，因此毫无疑问是星链的首选。
星链的卫星主体像一个长方形板子，很大程度上是为了布置4块相控阵天线。由于同一轨道面前后都有卫星，纵向的传输需要覆盖的范围较小，只有2面天线覆盖，横向需要覆盖该轨道面和临近轨道面之间一半的范围，因此有3面天线覆盖。相控阵已经搬到了天上，用户终端也需要相控阵跟进，SpaceX的专利申请和在星舰得克萨斯工厂外拍摄到的“UFO上插根棍子”天线进一步证实了星链用户终端为相控阵的猜测。解决了快速改变波束发射方向的问题，用户终端的天线只需要简单的机械调整对准头顶上距离最近的星链轨道面，便可完成数据传输。
可以说是非常传神的描述了。。。。。。
猜测对应的天线专利申请，尚在审批中
事实上星链并不是首个采用相控阵天线来通讯的卫星，之前SpaceX发射的铱星NEXT，类似于星链的低轨道通讯卫星，同样采用相控阵天线和用户终端沟通。只是在780千米大倾角轨道面工作的铱星没有星链那么激进，卫星依然采用对称的构造将相控阵天线布置在正中，因此卫星的整体外形构造并没有那么夸张，但也已和传统概念上的长方体卫星主体有了明显外观差别。
正中铜色的六边形阵列及为相控阵天线
不过星链相比铱星更激进的地方并不只是轨道，铱星采用两面固定的通讯天线和在同一轨道面前后的另两颗卫星沟通(cross-link fixed)，两面可调天线和临近轨道面的另两颗卫星沟通(cross-link steerable)。星链的通讯原理和铱星一致每颗卫星和最近的四颗沟通，但不同于铱星仅12.5Mbps的星间数据传输速度，星链之间的通讯将会由激光来完成。激光通讯比无线电通讯的最直接优势是长距离传输时扩散的范围更小，不过对于卫星间传输距离很短的星链来说，更多的是为了避免星链之间的互相干扰。
被干扰天线（左）和干扰天线（右）
临近卫星通讯干扰是一个现在通讯卫星就要面临的问题，不同地面基站向同一个通讯卫星发射波束会造成干扰，临近卫星同时向同一个地面基站发射波束也会造成干扰。由于无线电波指向性较弱，在波束扩散后临近卫星很容易进入传输范围内接收到不想接收的信号。
事实上临近卫星通讯干扰不仅会因为基站和卫星角度等巧合天然发生，还可以人为制造以成为军事上的一种软杀伤手段。今年年初，新成立不久的美国太空军曝光的巨型白色圆盘天线，普遍猜测的用途便是通过通讯干扰来无效化至摧毁在轨卫星。
铱星完整的网络1个轨道面只有11颗卫星，临近卫星干扰的现象并不明显。星链单一轨道面有成百乃至上千颗卫星，完全体更要覆盖至少32个轨道面，传统星间通讯方式虽理论传输性能足够，但很容易卫星A发给卫星B的信息同时被临近的卫星C接收，造成不必要的通讯干扰。激光通讯较高的指向性能避免星链之间的传输被其他星链意外接收到，且降低了扩散，卫星B在担任卫星A和C的“中转站”时，还可同时担任卫星D和E的“中转站”，进一步提高单一卫星的利用率。当然要完成指向性高的激光通讯，星链必须知晓临近星链相对自己的确切位置和速度，碍于公开资料的限制，尚不清楚SpaceX计划怎么解决这个问题，同样也不清楚星链的激光发射接收器具体在哪里，猜测为银色面板角落的3个铜色圆柱体。
注：蓝色部分为离子推进器喷口，通过电离氪气后喷射产生推力
除去这一系列为完成全球网络通讯的技术问题外，星链还要解决一个天文学上的问题。星链较低的轨道造成其反射的太阳光相比较其他近地轨道卫星更加明显，以至于在夜晚甚至可以用肉眼捕捉，显然这对于需要长时间观测夜空的天文学家来说是灾难。
不过值得注意的一点是，绝大多数的如上图的照片是在星链升轨时拍摄的，由于升轨时为降低阻力和调整质心，太阳能电池板为水平状态向前伸出卫星主体。因此看到的因电池板造成的反光只是暂时的，星链进入轨道后电池板改为立起状态挡在卫星主体背后不再反光，此时星链的亮度只有4面相控阵产生的反光。
部署模式（左）和升轨模式（右）
当然这并不是说星链本体的反光就可以忽略不计，SpaceX之前给其中一颗星链的4面相控阵天线上涂上一层吸光涂层测试减少反光效果。
根据Darksat观测的结果，亮度为没有吸光涂层星链的二分之一到三分之一左右
注意亮度级比较反常识是数字越低越亮，比如太阳是-27，土星是+1
同样值得注意的是Darksat的亮度数值5.7-5.9，已经接近人眼所能看到的极限6，大约是天王星在夜空中的亮度。普通星链也不是夜空中最亮的，现在有超过100个亮度低于4的人造卫星，而亮度一个数量级为2.5倍，也就是有超过100个人造卫星亮度大约是Darksat的6倍，所以真正让星链引起争议的并非是其的亮度而是其数量带来的覆盖度。对于星链在升轨时太阳能电池板反光过强的问题，SpaceX给出的解决方案为调整卫星姿态90度让太阳能板垂直于地表来减少反光，但这些措施能否被天文学家所接受就另说了。
有趣的是正如决定星链的影响最终是地表的太空望远镜，最终决定星链能否成功的也是地面用户终端而非太空中的卫星。SpaceX已经通过其他小卫星的“蹭车”服务分摊了星链的发射成本，剩下的任务便是生产价格足够普通百姓接受的用户终端了，这是不是很熟悉的逻辑？当然说起来容易做起来难，现在市面上同等大小相控阵天线的价格在1500美金左右，依然马斯克想的星链终端预计售价的5倍左右。不管星链最终能否成功，都将会是整合人类通讯和太空技术的一次最庞大实验。
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