布局卫星互联网的价值、意义与挑战

|热点专题 作者:腾讯研究院 2021-06-23
    

 

作者

翟尤   腾讯研究院产业安全中心主任、高级研究员

 

1957年,苏联发射了人类历史上第一颗人造地球卫星,轰动全球,从此拉开空间探索与竞争的新纪元。 美国前总统肯尼迪曾指出,航天科技是国家威望的象征。 随着技术水平不断进步与普及,空间探索开始向商业领域开放。 时至今日,SpaceX的猎鹰9号火箭已经可以一次性搭载60颗星链卫星发射升空,短时间、高密度的发射让空间探索不再让人觉得遥不可及,商业化创新在空间探索领域开辟出新的发展路径。

根据卫星的轨道高度不同,卫星主要分为三类: 第一类是高度在3.6万千米的地球静止轨道高通量卫星,理论上讲3颗高通量卫星就可以覆盖全球; 第二类是高度在2000千米~3.6万千米的地球中轨道卫星; 第三类是高度在500千米~2000千米的低轨道互联网星座。 低轨道卫星传输时延相对较短、路径损耗少,因此受到全球各国关注。 截至2021年4月,太空中总计有7389颗卫星,2020年至今发射超过2100颗,占卫星总数超过28.4%,这其中低轨道卫星占据绝大多数。 然而,卫星互联网的发展并非一帆风顺,从定位和应用都经历过一轮曲折的历程。

 

角色定位与优势发挥成为卫星互联网发展关键

 

卫星互联网发展历史不长,这期间与地面通信设施经历了多次竞争与合作的历程。 如何找准自身定位、发挥优势、获得用户认可,成为卫星互联网商业模式是否成功的关键。

1.高额成本导致“先驱”变为“先烈”。 1987年,摩托罗拉公司提出“铱星计划”,准备采用77颗近地轨道卫星实现全球部署,数字77和元素周期表中的“铱”序列号一致,故命名为“铱星计划”。 “铱星计划”希望通过多颗卫星构建覆盖全球的通信网络。 时任美国副总统戈尔在铱星卫星电话商用当天,向电话发明人亚历山大·贝尔的曾孙拨通了全球第一个铱星电话,极具象征意义。 但遗憾的是,铱星计划替代地面通信的设想在当时并不现实,最终只获得了5万多个用户,这对于整个项目的投资金额来讲可谓杯水车薪。 项目失败的原因主要在于,一方面终端与通话费用昂贵,通过铱星进行通信需要定制终端,价格在2万人民币左右,每分钟通话费用在20~50元人民币,价格较高; 另一方面信号覆盖差,铱星信号覆盖在室内较差,数据传输速率较低,导致应用场景不够,最终铱星计划在1999年提出破产保护。

2.差异化定位发挥卫星互联网独特优势。 第一代铱星计划虽然失败,但破产重组之后,新铱星开始轻装上阵,重点聚焦互联网数据服务和电话业务。 2009年重组后的铱星卫星电话用户就超过了30万人。 相比于初代铱星想要颠覆地面通信,新一代铱星的目标更多是成为电信运营商网络容量的补充和备份。 同时在海事、森林、航空等特殊领域为用户提供通信服务。 而这些领域由于建设成本、技术等因素难以通过地面通信基站来实现通信网络覆盖,反而体现出卫星互联网的独特价值和重要性。

3.航天商业化发挥“鲶鱼效应”。 根据美国联邦通信委员会评估,目前美国仍有超过2000万人口没有接入宽带网络。 此时星链的定位是与固定宽带或无线通信融合互补,尤其是在地面通信网络覆盖不到的地方提供宽带服务,这也印证了星链的广告语“Better Than Nothing Beta”。 较为清晰的定位和卫星互联网特有的优势,截至目前帮助星链获得超过1万名用户,落地覆盖市场包括美国、加拿大、英国等11个国家。 同时,商业公司重塑卫星互联网产业链关键环节,从火箭研制、卫星研发到发射服务垂直整合,推动成本快速下降,打破传统供应商缺乏竞争和创新力不足等困境,有效提高卫星研制与卫星组网的速度和灵活性,从而构建起“技术创新-工业级模块化量产-海量发射需求”的正向发展循环

全球主要低轨卫星通信公司重要里程碑

数据来源: 中金公司

 

 

技术与商业模式创新倒逼航天业加速改革

美国国家航空航天局(以下简称“NASA”)作为冷战时期美苏太空竞争的产物,随着世界格局变迁经费大幅下滑,内部创新机制出现僵化、高成本低效率被人诟病,尤其是2003年美国哥伦比亚航天飞机坠毁,导致NASA重新思考自身定位与发展路径。 与此同时,没有历史包袱的商业航天发射与卫星公司开始崭露头角,并得到政府青睐和民众支持。 得益于政府部门逐步开放商业航天市场,尤其是随着通信、导航、气象等卫星发射需求处于快速增长阶段,近地轨道运输需求较高。 较为适宜的政策与市场环境,给近地轨道商业发射提供了难得的机遇。 同时,商业航天企业加快技术吸收与创新,既注重吸收过去几十年来行业积累的经验与技术,又擅长跨领域优势互补和工业模块化量产,从成本和可用性等多种角度提升技术应用与商业模式创新

1. 技术开放策略激发创新活力。 埃隆·马斯克曾公开表示: “我不知道如果没有NASA的帮助,我们会怎样,我们感激之至。 ”通过技术咨询、设施共享等方式,NASA将内部积累沉淀的技术成果和管理经验源源不断地输送给参与商业航天的企业。 例如将阿波罗登月和航天飞机的大量技术报告进行开放,SpaceX消化吸收后将其改造升级为猎鹰9号火箭上使用的梅林发动机。 同时,在空间站人员与货物运输、载人飞船研制等方面,NASA均提供了大量政府订单和资金支持。 美国联邦通信委员会通过美国农村数字发展机遇基金向SpaceX首期提供8.86亿美元资金,为美国35个州的超过64万个宽带欠发达地区提供卫星互联网宽带服务。

2.目标导向构建分步式共赢理念。 除了在技术上给予支持和指导外,NASA在商业化改革过程中启动的商业轨道运输项目(COTS)具有开创意义,该项目本质上是目标导向的分解式过程管理: 一方面竞争招标替代过往指令性科研计划。 构建基于总体解决方案的合同制,倒逼承包商通过技术创新来降低成本。 同时,政府部门在发射场等基础设施方面给予商业公司提供支持。 另一方面 分解任务清单,创新融资激励模式 。 航天产业周期长难度大,NASA把整体解决方案拆分成一级里程碑和二级里程碑,按照完成里程碑进度的企业予以付款。 同时,商业企业每完成一轮融资,NASA会配套相应资金予以激励。 以SpaceX为例,为了中标COTS项目,公司花费4个月时间做好解决方案的分解和筹备工作。

3.构建成本与效率正循环。 航天系统有着自成体系的研发流程和严格的航天级产品品质要求,商业公司从成本和效率角度使用工业级产品逐步进行替代,并加快研发模块的打通,通过标准化、批量化生产有效降低成本。 以SpaceX为例,航天员使用的专用安全带替换成赛车手使用工业级安全带产品; 梅林发动机在结构设计上尽量简单,消除复杂架构带来的不稳定性; 研发人员普遍使用互联网常用软件开发工具; 龙飞船主控系统的芯片组大量使用X86处理器; 同时,企业管理层中,吸纳波音、麦道飞机、NASA等众多知名机构的专业人才和管理人员加入; 火箭引擎团队仅有25名工程师,但是人员精简并不代表效率降低,各个团队实现扁平化管理,构建强有力的最小战斗单元。

2020年11月,猎鹰9号火箭成功将4名宇航员发射升空

 

 

卫星互联网是构建“空天地”一体化网络的重要一环

 

卫星互联网与地面通信系统的融合,正逐步构建覆盖空天地一体化的网络体系,打造向地面和空中终端提供宽带互联网接入服务的新型基础设施。 同时也将成为占领空间制高点、牵引新技术创新、振奋与凝聚民心的重要强心剂。

1.上亿人口尚未实现宽带网络覆盖。 我国固定宽带业务发展较快,截至2021年4月底,我国固定互联网宽带接入用户总数超过5亿户,行政村光纤和4G网络通达比例均超过98%。 但欧美发达国家人口密度相对较低,且居住分散,并不适合进行固定宽带尤其是光纤的铺设,高昂的成本对于电信运营商来讲是一笔不小的开支,而且成本收回时间较长。 同时,“一带一路”沿线相关国家也存在信息通信基础设施不够完善的情况,而这些地面通信网络难以覆盖的用户群体,成为卫星互联网的潜在用户。

2.垂直领域网络接入需求旺盛。 普通用户主要在城市或人口密集区域活动,但航海、航空、岛屿等区域也有较强的网络接入需求。 据统计,全球有约20万架次飞机、十几万艘私人游艇,同时还有大量渔船和货轮在海上有通信需求。 沙漠、森林等区域也需要有大量的网络覆盖,传统地面通信服务很难覆盖到以上地区,需要通过卫星互联网来进行补充。 同时,国际金融业务交易频次以秒甚至毫秒计算,因此对网络时延要求非常高,进而对国际金融企业来讲具有较强的实用性。

3.卫星互联网与地面通信形成优势互补。 根据国际电信联盟(ITU)统计分析,全球个人用户的互联网普及率仅为53.6%,虽然发达国家的个人用户普及率已经达到86.6%,但发展中国家的比例仅为47%,最不发达国家的用户上网比例仅为19.1%,尤其是非洲和东南亚国家的网络覆盖比例最低。 卫星互联网作为一种重要的通信手段,与5G等移动通信技术并非对立而是不断融合,构建起空天地海一体化通信网络。 早在2020年6月发布的5G标准R16中,就有卫星互联网的技术文档纳入其中。 同时,6G研发工作已经将卫星互联网纳入其中并作为构建空天地一体化通信网络的重要组成部分,未来将在5G和6G等地面移动通信网络中与卫星互联网进行平滑切换。

全球个人用户网络使用占比(2005--2019)

数据来源: ITU官网

 

4.发展卫星互联网是国家综合实力的重要体现。 布局卫星互联网不但体现了一个国家卫星制造能力和发射水平,也是未来打造空天地网络基础设施,实现智慧航空、智慧海洋、智慧农业的重要抓手,逐步成为各国开展重大科学基础研究的重要平台设施。 同时,按照卫星轨道资源先到先得的国际原则,先发国家发射的低轨道卫星将会抢占更多轨道资源,对其他国家卫星互联网发展带来挑战。 例如地球近地轨道可容纳约6万颗卫星,而星链计划部署超过4.2万颗,占比超过70%。 同时,卫星在轨道运行难以受到有效监控和管理,对国家安全密切相关。

 

“星辰大海”仍面临诸多风险和挑战

卫星互联网在快速发展的同时,仍面临大量挑战,一方面卫星互联网传输速率和时延难以满足多场景需求; 另一方面卫星寿命较短,需要对卫星发射和后续运维工作做好长期规划和准备。

1.带宽较高,实用性有待验证。 据媒体披露,目前星链提供的普通用户的实测速率在50-100Mbps,时延在50毫秒左右,基本达到4G增强型移动网络能力。 但地面通信基站可以根据人口密集程度进行有针对性的配置和布局,灵活性较高。 而卫星互联网无法解决在人口稀少地区资源被浪费的问题: 主要是因为卫星的飞行轨道基本固定,对人口稠密和稀少地区提供的服务资源和能力相当,如何既能保证人口密集区域的通信覆盖,又能降低偏远地区或海洋等区域通信资源可能出现的浪费现象,需要进一步论证分析。 同时,卫星互联网服务难以直接面向终端用户,需要通过碟形天线进行中转,很难实现当前我们用手机或者电脑直接连入网络的模式,用户体验仍需提升。

2.建设运维成本高,需持续投入。 在制造与发射方面,我们以星链为例,按照每次发射60颗卫星,最终部署超过4万颗卫星的计划,SpaceX公司至少需要发射700次以上。 即使卫星制造可以扩大量产规模以及实现猎鹰9火箭常规化重复使用,整个卫星制造和发射成本仍将超过500亿美元。 在运维方面,由于星链卫星主要部署在低轨道,因此稀薄的空气将会对卫星飞行产生阻力和能量消耗。 同时,卫星的寿命一般在5~7年左右,也就是说每隔7年左右就需要对卫星进行一轮更新,整体运维成本和更新费用预计每年超过百亿美元。

3.太空碎片与化学物质影响地球生态体系。 目前以星链为代表的卫星互联网,卫星体积小寿命短且数量庞大,对光学、射电天文台会造成潜在观测干扰。 同时大量卫星部署在近地轨道会产生太空碎片带来安全风险。 虽然卫星在大气层中会烧毁绝大部分部件,但所产生的化学物质可能会破坏地球臭氧层。 例如卫星的主要成分是铝,在燃烧后会产生氧化铝,如果大气中含有大量氧化铝将会造成散射,最终改变地球的反照率。   

 

参考资料:

【1】鹿艺,肖尤丹.SpaceX创新机制及对我国航天技术发展的启示,三思派,2021-05-06.

【2】余建斌. 中国空间站彰显创新精神,人民日报,2020-02-2.

【3】程亦之.SpaceX发射完成星链星座第一个轨道层,三体引力波,2021-05-27

【4】任友善,熊文明,刘爱国.马斯克是如何从NASA取到真经的? , 钛禾产业观察,2021-06-15

【5】任友善,熊文明,刘爱国.从NASA到SpaceX: 美国商业航天的隐秘往事,钛禾产业观察,2020-12-06

【6】翟尤等著,《数字时代,构建安全共赢新生态》,电子工业出版社,2021年4月出版

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