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我国的卫星互联网,未来会如何发展?

最近一段时间,华为Mate 60 Pro上面的卫星通话功能,吸引了不少的眼球,而俄乌冲突以来,星链在军事上的运用也是关注的焦点之一,马斯克宣布要往加沙输送星链地面端,国内的卫星互联网建设也即将大规模展开,可以说卫星互联网概念在最近一段时间是十分火热的。这无疑是个有讨论价值的话题。

要讨论卫星互联网,从什么地方开始说起呢?大概得从科幻黄金三杰之一的亚瑟克拉克在一篇文章中仔细讨论了地球同步卫星在通讯之中的价值,地球同步轨道的卫星自转周期与地球转动周期一致,同时方向也一致,卫星在地面的投影是八字形(只有轨道垂直于赤道的静止轨道相对于地面完全不动),同时因为极高的轨道高度,所以卫星地面覆盖面积极大,对于各种通讯的价值都极大。

从第一颗同步轨道通讯卫星“辛康2号”开始,同步轨道几乎成为了通讯,数据中继,电视转播,导航的首选,在气象和军事领域也有极大的作用。通过先天的优势,同步轨道压制了当时的其他轨道通讯卫星。

而相关的技术也一直在发展,使用的频段越来越多,卫星的寿命也明显提高。最近发射的通讯viasat-3的通讯容量已经到了1tbps(虽然这颗卫星出了问题)。我国的同步轨道卫星相较于美苏起步较晚,1984年,在第一次发射失利的情况下,长征三号火箭把东方红二号卫星送入同步轨道,开启了我国同步轨道卫星的时代。经过三十多年的发展,我国的同步轨道卫星覆盖了各方面种类,可以满足我国国计民生各方面的主要需求,华为Mate 60 Pro上面的卫星通话功能,也是使用了在同步轨道的“天通一号”。

但是同步轨道卫星作为通讯平台也是不少问题的,第一就是延迟,同步轨道的高度往往在三万多公里,这是一个即使以光速来说,也会出现明显延迟的距离,对于电话或者是短信来说,这个延迟是可以接受的,但是随着信息时代的到来,很多应用需要很低的延迟。

第二是成本,因为轨道高度问题,把一颗卫星送到同步轨道需要更多的燃料,成本会高出很多,如果用电推(推力低但是效率高)可以节省燃料,但是时间成本会很高,现在新一代的同步轨道卫星往往会选择电推与化学动力混合,同时,因为复杂的空间环境,制造这些卫星的成本也很高。

第三是轨道点位,因为轨道动力学的问题,所以同步轨道可以使用的位点是有限的,需要抢着申请的,并且卫星到寿之后,还要进入坟墓轨道来腾出位置;第四点是通讯速度,因为距离的关系,所以同步轨道卫星网络的速度,尤其是地面端上行的速度,是十分受限制的,在大型设备上还好一些,小型设备的上行速度因为增益功率的关系显得很尴尬。这些问题也是十分现实的,为了解决这些问题,其他思路的通讯卫星星座也一直在努力。

在以星链为代表的低轨大星座之前,这方面最著名的尝试是铱星,90年代末,铱星公司发射了66颗中低轨通讯卫星,开创了民用卫星通讯的新时代。但是这一开创性的行为在商业上却不怎么成功,因为用户有限,并且制造,发射与运营的成本很高,铱星公司在2000年申请破产。这套系统倒是一直用了很久(有美国军方的一些支持),很长一段时间以来,各种卫星电话指的基本上都是铱星,这套系统虽然有很多缺陷,但是在野外,海事等情况下的价值,确实是毋庸置疑的。并且后来,还借着SpaceX的兴起,发射了铱星二代系统,不过如果不出意外,这些系统会逐渐成为时代的眼泪。

而星链的兴起也是结合了很多背景的,在Falcon 9火箭实现了回收利用的初期,Falcon 9发射的主要任务实际上是同步轨道卫星。这其实是一个很有趣的事情,Falcon 9作为目前性价比最高的火箭系统,因为没有加第三级,所以其实发射高轨的效能是不如低轨的(当然底子在这里,高轨性能依然是很高的)。当然,商业任务很多时候并不是按照设计最大化进行的,但是在几年的发射之后,情况发生了变化。前面说了同步轨道卫星成本很高,所以现在的设计趋势是增加这些卫星的寿命,目前这些卫星的平均寿命到了15—20年,这样的发射趋势不足以满足SpaceX扩张的需求。于是星链这个把Falcon 9火箭的低轨性能最大化的项目应运而出,通过数量与发射成本的优势,解决传统低轨卫星的局限性。

传统低轨卫星用于通讯最明显缺点之一,是覆盖的不连续性。因为低轨道的周期和方向与地球自转是不同步的,同时因为高度较低,所以覆盖的投影也比较小,所以随着地球的转动,单颗卫星的覆盖时间是很有限的。这个问题要么提高轨道,要么增加卫星的数量,星链选择增加卫星数量。这是依靠SpaceX的火箭回收技术和大规模使用商业级元器件生产卫星来降低成本做到的。

同时,低轨卫星的地面端会面临一个问题,那就是信号切换,因为单颗数量有限,所以需要多次切换目标卫星,这在之前民用级通讯设备上是不容易实现的,但是通过新一代电子设备的使用,星链的地面端是实现了这一点的。

不得不说,星链确实是很有开创性的方向,对于缺乏基础设备的地区,以及海事航空和军事运用来说,低轨互联网星座有着巨大的价值。同时,大量使用民用级的元器件,和大量使用电推降低电推成本这件事情,也无疑是对于商业航天的整个产业链有着巨大的启发性,告诉我们商业航天有着比我们之前想象之中更大的可能性。所以我国也跟进选择建设我国的星网星座,俄罗斯和欧盟也有他们的星座计划,这都是为了更好的社会经济建设服务。

但是实话实说,相信大家在网络上面看到了很多给星链上“价值”的人,什么星链加持下乌克兰大破俄罗斯,什么星链代表了新一次工业革命。老实说给各方面东西上“价值”这种东西,大家已经见了太多次,星链绝非是最离谱的一个。星链无疑是很有价值的事务,但是把它吹到这样的地步,总归是有些意识形态作祟的,但是总归世界的运行是物质的,而马斯克先生本人的意识形态,放在现在的欧美也实在是有趣到了突兀的地步,以物配主这种事情干多了,总归是不太好的。

不过笔者在这里还是要重复几个之前文章里边提到过的事实,首先是星链可以被干扰跟踪,虽然星链使用的频段属于传统电子战设备难以覆盖的区域,但是最近一段时间在俄乌战场上面的情况已经告诉我们,这套系统是可以被干扰和定位的,毕竟SpaceX之前就抱怨过,美国使用的某些5G频道可能会严重干扰星链;至于星链的市场,毋庸置疑很适合美国乡村这种基建,但是有些钱的地方,但是对于其他基础建设较为发达的地区,星链的竞争力依然是不足的。一个很有前途的项目,没有必要因为对发达国家的莫名其妙的幻想,加上一些原不属于它的因素。

还是回到我国的星网建设上,如果让笔者大胆估计,我国的卫星互联网建设,不会像美国那边一样,各家野蛮生长,应该会限制规模和数量。而星网项目很可能是短时间之内主要的卫星互联网项目,这个项目会提高我国的卫星互联网水平,为经济社会发展做出贡献,但是更大的意义在于带动航天产业链的发展,为以后航天更多的角度提供机会。

在互联网上,我们常常会听到有人说某某电子产品或者是汽车没什么技术含量,只是组装厂。首先这种说法大多数时候是偏颇的,但是同时也不可否认的是,因为国内电子和汽车产业链的逐步完善,降低了这些行业入行难度。

航天行业也需要走过这样一个路程,而卫星互联网的建设就是加速了这样一个过程。为了降低成本扩大生产,卫星互联网的建设过程之中,必然会带动下游零部件产业,这些航天相关的零部件之前往往是定制化的,现在走到了量产化的阶段。同时,也加速了商业级元器件代替专用元器件的过程,这个过程可以降低成本,但是哪些元器件可以进行取代,如何做好备份和取舍,就需要大量的经验积累,卫星互联网的建设就是很好的过程。

同时,卫星互联网之中的很大一批,会交给民营航天企业,这是个很大的机会。要知道SpaceX的崛起虽然主要是靠他自己努力,但是Nasa交给它的空间站商业运输合同也是很关键的一部分。之前中国空间站也提出了类似的计划,但是一个这样的计划是不够的,卫星互联网的牵引是很重要的。这些年国内的商业航天有了不少进步,有的公司实现了世界上第一次甲烷火箭入轨,有的第一次发射液体火箭就成功了,有的实现了固体火箭批量发射。

但是面对未来卫星互联网的需求,他们依然有进步空间,按照SpaceX的经验,我们需要一批10+吨级别的火箭,目前各个公司都规划了这个级别的火箭,并且都计划进行回收来降低成本,并且规划的时间都主要在2024—2026年这个时间段,这也差不多是卫星互联网建设的窗口期了,想必未来几年,我们可以看到很精彩的竞争。当然,失败是不会少的,任何一款火箭初期都要面对这样的问题,这个挑战不会小,也希望大家对此有着更包容的心态(不过关键还是载荷方怎么想)

虽然因为国内的规划与基础建设,国内的卫星互联网大概率不会有什么野蛮生长,甚至规划的技术指标也会适当放低(毕竟基础设施摆在这里),但是也有更加适合发力的地方,那就是与现有移动网络的融合。如果关注一下几家公司出的6G白皮书里边,就有谈到卫星互联网的融合。

当然笔者这里说说融合容易,实际上会很复杂,比如说Mate 60 Pro在卫星通话的时候,极限功率接近十瓦,这在其他设备上可能是个无足轻重的功率,但是在移动设备上就有些太高了,但是这已经是华为顶级优化能力的体现了,原版的天通电话的体积和功率更不友好。

如果只是为了电话的话,倒是可以使用低成本低功率,在物联网领域常用的窄带卫星互联网作为解决方案,但是这又和信息时代不符合了。而星链的地面端的功率是百瓦级别的,但是这已经是功耗控制很好的了。目前各家卫星互联网企业也都有不少移动设备直连的计划和实践,但是坦率地说,速度恐怕面对3g都没什么优势。这方面如何取舍,哪些新技术可以得到使用,就需要从业者的反复探索了。

当然,一个非常现实的问题在于,即使卫星互联网业务能成功,市场能养活的发射企业数量也是很有限的,SpaceX的经验告诉我们,只要实现回收,基本上就可以实现对于一个市场的垄断,而国内这些企业规划的回收与产能,坦率地说,估计三个卫星互联网都吃不下。从纯粹市场的角度来说,这是难以解决的,但是笔者实在是不希望这方面死伤惨重,虽然美国90年代的第一波商业航天浪潮确实如此,而如今欧美的第二波商业航天浪潮之中,一些企业已经破产或者是破产边缘了。

那么这个问题怎么解决呢?一个是开拓海外市场,欧美市场因为政治原因,基本上就不要想了,广大的第三世界国家市场有着巨大的潜力,如果他们的航天相关市场能够兑现,那么确实能养活很多企业。但是这点要做好的话,难度实在是很大,这需要从头培育很多东西,国内确实有些出海的企业选择了这条最艰难的路。但是走通确实不太容易,我国的商业航天企业,恐怕也要有走这一步的准备。

另一个方向是开拓新方向,就像是类似卫星互联网这样的创新,开创一个全新的发射市场。这个想法是好的,只是哪个方向能实现,实在是很难说,各种各样的航天点子有数千个,哪个最终可以商业化落地,哪怕是最资深的专家也很难说准确。

从笔者的角度来说,类似太阳能电站或者是小行星采矿那样过于星辰大海的东西恐怕短时间难以实现,目前阶段比较有价值的,或许是类似低轨导航增强星座这样,更与地面生活相关的东西。自动驾驶显然需要更精准的导航,而低轨增强导航系统就是一个努力的方向,国内外都有车企进行这方面的布局。当然,这个方向能否落地,就实在是存在很多变数了。

笔者希望,无论是更加方便的航天,还是便捷的卫星互联网,都会成为我们日常生活的一部分,给人类社会带来更多的便捷和进步,而不是用来论证某些种族永久优越性的循环论证,让生活更好是科学的意义,满足自以为是的优越感从来不是。

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