变革者

No.26

1964年东京奥运会,欧洲和北美的观众第一次在家里的电视上观看了奥运会开幕式实况直播。

 

 

在奥运会开幕两个月前,日本委托美国发射了一颗静止地球轨道通信卫星“辛康3号”,定点在东经180度的赤道上空,以保障奥运会的卫星转播,这是人类投入商业化使用的第一颗静止地球轨道通信卫星。

 

8个月后,美国再次把一颗“晨鸟”卫星送到大西洋上空的静止地球轨道上,这颗可以24小时连续工作的卫星随后改名为“国际通信卫星-Ⅰ”,它可开通240路电话,几乎代替了大西洋海底电缆,标志着人类卫星商用通信进入新时代。

 

在传统卫星应用的三大领域(通信、导航、遥感)中,静止地球轨道通信卫星是世界上应用最早、应用最广的卫星,数十年来为大众提供诸如广播电视、数据通信、卫星电话等基本通信服务,长期占有卫星服务业收入90%以上的份额。 

 

1984年4月8日,第一颗国产静止地球轨道试验通信卫星“东方红2号”在西昌卫星发射中心发射成功,我国成为世界上第5个能独立研制和发射静止地球轨道卫星的国家。1986年2月1日,长征3号运载火箭再次将“东方红2号”实用通信广播卫星送入预定轨道,这标志着我国已全面掌握运载火箭技术,卫星通信进入了实用阶段。“东方红2号”的成功发射,结束了我国只能租用国外通信卫星看电视、听广播的历史,开启了自主卫星通信时代。 

 

此后三十多年里,我国卫星通信和广播电视事业迅猛发展,偏远地区的通信和广播电视传输条件得到极大改善。到90年代中期,我国已建成联接19个省市的卫星数字通信网,从CCTV到各省、市电视台纷纷设立卫视频道。相当一段时期里,“卫星锅”在农村随处可见,几乎是家家户户的必备品。 

 

然而,随着地面通信技术(4G、5G通信等)与互联网技术的快速发展,传统静止地球轨道卫星通信正面临越来越尴尬的局面。尤其是从2015年开始,全球静止轨道商业通信卫星年订单量迅速缩水到原来的一半。 

 

与之形成鲜明对比的,是低轨道高通量小卫星市场的迅速崛起。

 

1

从高轨走向低轨

第一代铱星计划的惨痛教训之一在于,过于超前的商业计划(参见前文《现实照耀航天梦》)导致市场运营环节的失败。

 

但是随着20多年来信息技术的不断进步,单颗卫星的功能密度也在迅速提升。频率更高的Ka频段甚至V频段转发器,以及多点波束和频率复用等新技术的应用,极大地提高了卫星的通信能力。

 

这个跨越就如同我们的手机——早期的大哥大笨重昂贵,还只能用来打电话,如今的智能手机不仅体积小、重量轻,还具备强大的移动互联网功能。

 

传统的大卫星为了增加可靠性,往往需要通过增加冗余和备份设计来实现,因而系统更加复杂,成本更加昂贵,一颗卫星动辄几十万个零件,单星价格高达几千万甚至上亿美元。而小卫星通过集成化、模块化的设计,零件数量更少,设计复杂度更低,理论上单星价格可以做到百万美元以内。

 

采用波音-702HP卫星平台研制的WGS卫星系统,

是目前美军重要的全球宽带卫星通信系统。


同时,体积和重量越小,意味着一枚火箭可以搭载的卫星越多,节省了卫星组网的大量成本,让全球覆盖、价格便宜的卫星互联网具备大规模商业化的可能性。 

 

也正是由于小卫星设计制造更容易,因此敢于采用更多的新技术——即使在天上坏了也不要紧,小卫星补网替换相对大卫星代价小得多。 

 

高通量小卫星技术越来越成熟,让低轨卫星互联网星座的建设从纸面走向现实。 

 

由于静止地球轨道通信卫星距离地表较远,信号传输延迟可能高达500-800毫秒。此外,静止地球轨道通信卫星为了避免碰撞和干扰,两星之间必须保持1000公里以上的运行距离,随着卫星的增多,这条原本狭窄的轨道已经变得越来越拥挤。 

 

低轨卫星通信系统的信号传播延迟理论上可以做到接近地面光纤,但由于低轨卫星对地视场小,需要更多数量的卫星才能实现全球覆盖。在技术和综合成本不具备优势的时代,建设大规模的低轨卫星互联网星座并不具备经济性。 

 

事实上,早在上世纪90年代末,就有不少人提出要建设全球低轨互联网星座的宏伟计划,其中包括当时正如日中天的微软公司。但同期铱星项目的惨败让投资者心有余悸,这些计划最终没有一个进入工程实施阶段。直到2012年以后,随着OneWeb和Starlink等星座计划的提出和实施,低轨卫星通信系统的建设才再次迎来新一轮风口。 

 

2002年,靠做CPU散热器生意赚到第一桶金的格里格·维勒创建了一家名为“地面通信”的企业,主要业务是在当时非洲通信最落后的国家之一卢旺达建设3G移动电话系统。但是当这个系统建好后,维勒本人却并不满意——这个通信系统顶多算是一个大号的局域网,只能解决一个大陆小国的通信问题。要实现跨越大洋、覆盖全球各个角落的通信互联,必须寻找一种能替代地面光纤和电缆网络的新型连接方式。

 

这种新的连接方式就是卫星互联网。维勒随即开始了第三次创业,筹资组建了O3b公司。O3b全名叫做“Other 3 billion”,旨在建设一个工作在Ka波段的中地球轨道(MEO)卫星星座,服务地球上“其他30亿”无法与世界连通的人群。 

 

O3b卫星由欧洲泰雷兹阿莱尼亚宇航公司(Thales Alenia Space)研制


但是,由于O3b面向的主要客户是电信运营商,全球仍然有相当一部分人群是这些运营商也无法覆盖得到的。不满足于给大户打长工的维勒,将目光投向了低轨互联网星座,注册了一家名为WorldVu的公司——这家公司的早期投资者,包括谷歌和埃隆·马斯克。 

 

WorldVu公司继承了上世纪90年代末互联网星座热潮留下的设计思想和资源遗产,其中包括从一家名叫“天桥”(SkyBridge)的公司手中买下的频率使用权。再后来,由于技术理念存在分歧,马斯克退出了WorldVu。但维勒继续坚守,并于2012年将公司名字改为OneWeb。退出OneWeb的马斯克,随后提出了自己的卫星互联网计划Starlink。 

 

在OneWeb的早期计划中,将向距离地面高度1200公里左右的近地轨道(LEO)发射大约720颗小型卫星,打造一个巨型低轨卫星星座。此外,OneWeb还计划建设一个由1280颗卫星构成的中轨道(MEO)星座。这个横跨中低轨道的卫星星座一旦建成,其他任何非静止轨道卫星星座就不能再使用OneWeb所占用的Ku频段。SpaceX、Leosat等公司的规划频谱都将受到冲击。

 

为了达到先发制人的目的,维勒凭借自己在电信行业积攒的声望,把产业生态圈中的各类资源方都发展成了合伙人——日本电信巨头软银公司、英国航空旅游巨头维珍公司、制造卫星的休斯公司和空客公司、芯片巨头高通公司、提供轨道和频率资源的国际通信卫星公司、提供分销服务的全球各地区电信运营商,甚至卖汽水的可口可乐公司——维勒认为,可以通过可口可乐分布在全球的饮料销售网点,直接面向终端用户搭售卫星数据服务。

 

格里格·维勒和OneWeb的部分投资者



截止2020年3月OneWeb申请破产保护前,这些战略投资者总计向OneWeb投资了34亿美元。尽管通过长袖善舞编织了一张巨大的商业生态网,但是维勒在技术和产品端却做得差强人意,由于团队低估了卫星制造和发射的难度,导致单星成本大大超出预期。2020年初,新冠疫情引发的美国金融市场动荡,给了这家一直依赖融资输血的明星公司致命一击。 

 

从某种意义上来说,OneWeb让上世纪末的卫星互联网构想从纸面走向现实,开启了中低轨卫星互联网星座建设的热潮。各国的科技巨头和商业航天初创企业纷纷提出了自己的“星座计划”,新一轮全球竞赛的大幕就此拉开。   

 

2

新一轮太空圈地运动 

OneWeb申请破产保护后的一段时期里,媒体不断传出有跨国公司希望收购其资产的传闻,其中还包括中国浙江的吉利集团。 

 

2020年7月,OneWeb的资产和债务重组最终落锤,英国政府和印度电信集团(Bharti Global)赢得了对OneWeb的拍卖。完成重组的OneWeb公司,在2021年再次获得欧洲通信卫星公司(ETCMY.EU)、日本软银集团、韩国韩华集团等多国财团的资本注入。 

 

多国政府和财团出手拯救OneWeb,除了看好卫星互联网的持续市场前景外,也有国家利益层面的考虑。 

 

轨位和频谱资源,是通信卫星能够正常运行的先决条件。有专家粗略估计,近地轨道(LEO)大约可容纳6万颗卫星,而仅Starlink宣布的发射计划就达到4.2万颗。按照现在各国公开的发射计划推算,到2030年左右,地球近地轨道(LEO)的卫星容纳就临近极限。

 

同时,低轨小卫星使用的频段主要集中在Ka、Ku和V频段。在轨道高度范围十分有限、频段高度集中的情况下,围绕卫星轨道和频率的竞争将愈加激烈,在“先到先得”的国际申请惯例下,谁先把卫星发射上天,谁就优先占据了地利优势。 

 

保轨占频,是这一轮空间互联网建设的争夺焦点之一。此外,作为天基通讯基础设施的低轨星座,还具有巨大的潜在军事价值。 

 

事实上,“小卫星”星座的最初建设思想就来源于军事。2006年,DARPA不惜投入大量资金发展“F6计划”,核心思路是将一颗大卫星的功能分给多颗小卫星,在战争状态下哪怕一颗卫星被敌方摧毁,也不至于影响整个“星群”的功能,以此大幅度提高卫星的生存能力。 

 

同时,低轨卫星通信传输效率高、时延低的特点,有利于实现全天候无缝高精度侦查。这就使得低轨星座具备了“太空堡垒”的战略意义,一旦将地球严密包裹,便具备强大的导弹预警及动能拦截功能,可以配合遥感定位技术对导弹进行实时控制和精准打击,在未来战场的制天、制网、制信息“三权”争夺中占据主动。 

 

2015年,埃隆·马斯克提出了更加宏伟的Starlink“星链”计划,宣称将向太空发射约1.2万颗通信卫星,其中1584颗将部署在地球上空550公里处的近地轨道。后来,受到OneWeb一路高歌猛进刺激的马斯克再度将这一计划追加到4.2万颗卫星。如果这些卫星全部部署完成,将占据大多数的太空资源,其他国家的太空活动将难以正常进行,这些影响也包括军事领域。

 

在国家力量加持下,俄罗斯、加拿大、韩国、印度等国也纷纷进场,积极抢占低轨卫星通信发展的主动权。而美国除了OneWeb、SpaceX等新兴科技公司外,亚马逊、波音等科技巨头也不甘落后,相继提出了各自宏大的星座计划。

 

2018年,俄罗斯总统普京宣布了一项名为“球体”(Sphere)的多功能卫星系统项目。这一项目由俄罗斯航天国家集团(Roscosmos)主导,采用财政拨款+市场投资的方式,计划打造由分布在17个轨道面的640颗多用途卫星组成的卫星星座,其中包含一个由288颗卫星构成的第二代“信使”(Gonets)低轨通信星座。整个“球体”星群除了服务于军事需求外,还能为消费者提供通信、导航等服务。

 

2021年7月,加拿大政府承诺向卫星电信运营商Telesat投资12亿美元,以支持其开展“加拿大历史上最大的太空计划”。这家成立于1969年的老牌卫星公司选择了与SpaceX和OneWeb不太一样的模式——专注于商业客户而非直接面向消费者。虽然其发射计划一推再推,但是凭借其在卫星运营方面积累数十年的经验和资源,Telesat的星座计划仍然被业界普遍视为Starlink和OneWeb的主要竞争对手。

 

2021年6月,韩国经济副总理、财政部长洪南基表示韩国将在10年内建设100颗微小卫星组成的卫星星座,以抢占未来6G通信技术的关键高地。而在更早之前,韩国三星公司也抛出了由4600颗微小卫星组成的互联网星座蓝图,这是Starlink之外数量最多的星座计划。

 

在航天领域历来不甘落后于人的印度,则由一家从印度科学研究所(IISc)孵化出来的初创公司Astrome主导,试图凭借其开发的毫米波通信专利技术,发射一个由198颗卫星组成,单星数据吞吐量理论上可高达180Gbps的LEO星座,以此打开全球新兴经济体的卫星通信市场。

 

全球代表性中低轨卫星星座计划



根据公开资料统计,目前全球宣布卫星互联网星座计划的公司超过30家,部署卫星计划达5万颗以上。然而,由于资金、技术、频段资源等各方面条件限制,绝大部分星座目前都处于规划阶段,据航天市场研究咨询公司Northern Sky Research(NSR)2020年预测,大约只有18%的星座能走到发射阶段。 

 

这一轮太空圈地运动的前台主角,是一大批新生代创业公司和传统科技巨头,但是幕后推动力量却是资本财阀和各国政府。各航天强国都深知低轨卫星通信系统所具有的重大战略意义,将此作为新一轮科技竞赛的主要发力点。 

 

目前来看,以SpaceX为首的美国科技公司在新一轮太空通信系统建设上领先一步。Starlink已经在北美地区试运营一段时间,2021年内可能提供覆盖全球的互联网接入服务。据SpaceX高管预计,未来Starlink的网络服务每年可带来300亿美元收入,是其现有火箭业务年收入的10倍以上。

 

3

中国“星网”蓄势待发

当马斯克的“星链”率先进入商业化试运营的时候,中国的互联网星座也已经完成了第一轮投入期。

 

中国科技公司的星座计划,提出时间仅比Starlink晚一年左右。2016-2018年间,航天科技、航天科工、中国电科、中国电信等国家队纷纷提出了各自的低轨互联网星座建设方案,并陆续发射了试验星。

 

2018年12月22日,长征十一号火箭在酒泉卫星发射中心将航天科工集团“虹云工程”的首发星送入轨道。仅仅一周后,搭载航天科技集团“鸿雁星座”首发星“重庆号”的长征二号丁运载火箭在酒泉卫星中心再次发射成功。

 

两颗技术验证星的发射成功,标志着我国低轨宽带通信卫星系统建设迈出实质性步伐。

 

鸿雁星座首发星“重庆号”
 

另一支力量也趁着商业航天的政策利好迅速崛起。2018年4月投入运营的银河航天,由资深互联网人徐鸣创办,在不到一年时间内就完成三轮融资,早期投资机构名单里不乏顺为、IDG、晨兴、高榕、源码、君联这些移动互联网时代的明星投资机构。到2020年11月,银河航天宣布完成最新一轮融资时,投后估值已经接近80亿元人民币。

 

起盘阶段顺风顺水的银河航天,将精力聚焦在研发对标Starlink的低轨小卫星宽带通信系统上。而创办时间更早的九天微星,则经历了更为曲折的探索,产品定位和技术路线历经多次调整,才逐渐从一些应用市场打开局面。

 

各方力量的入局、社会资本的热捧掀起了中国低轨星座建设的第一个小高潮。截止2018年底,国内已发布的低轨卫星星座计划超过27项,其中由民营企业发起的星座项目就有14个。根据计划相加,到2025年前,我国将发射约3100颗商业卫星。

 

这段时期,各创新主体的技术探索和经验沉淀,极大地推动了中国卫星制造产业的思维变革。从国有企业到民营初创公司,各家通过内部立项或自筹资金开展了第一轮低轨通信验证星的研制,完成了早期的技术能力积累。中国企业在产品设计和技术集成上吸收了国外的先进思想,融合本土的创新要素,规模化、批量化生产卫星的智能工厂纷纷筹建落地。

 

但是,卫星制造毕竟是一项复杂的系统工程。SpaceX、OneWeb可以借力整个美国乃至西方国家的工业科技体系为其提供配套。而被重重封锁的中国科技企业虽然在部分技术环节实现了突破追赶,但在关键工艺和核心零部件上仍然存在诸多短板。

 

从产品角度来说,商业卫星和商业火箭不一样的地方在于,商业火箭入门门槛更高,具备完整研制能力的企业并不多,每发射一次成功或者失败界定非常清晰;而商业卫星就像一件通常的数码产品,打一颗小卫星上天很容易,但是要做到兼顾功能强大、可靠耐用、还得足够低成本,却极为不易。 从商业模式上来说,按单次发射收费的商业火箭回本周期相对更快。而商业星座却需要大量前期建设投入,然后通过销售数据服务逐年回本——这不仅是一项极为烧钱的系统工程,还需要有强大的力量来推动终端应用市场开拓。

 

从行业竞争角度来说,各自为战也必然带来资源和人才的分散,乃至商业运营环节的互相消耗。“中国星座”要想从激烈的国际竞争中突出重围,充分发挥新型举国体制的优势,组建由国家统筹协调、各方力量充分参与的卫星网络公司势在必行。

 

2020年4月20日,国家发改委将卫星互联网列为“新基建”中的信息基础设施,意味着以低轨卫星通信系统为代表的太空基础设施建设上升到国家意志层面。与此同时,“星网”公司组建的坊间传言就一直不断。

 

2021年4月28日,国务院国资委发布关于组建中国卫星网络集团有限公司的公告。新组建的“星网”公司总部落地雄安新区,注册资本100亿元,也是国资委公布的央企名单中仅次于电信、联通、移动之后的又一家通信运营商。至此,中国“星网”公司终于破茧而出。

 

尽管中国“星网”的神秘面纱尚未完全揭开,但可以确定的是,在国家有力推动下,中国卫星互联网建设正式进入“一盘棋”的全新阶段。 

 

4

天地一盘棋

“一盘棋”给整个产业链带来的好处,是新型举国体制作用下的择优扶强和有序竞争。在国家的统筹规划和一体推动下,可以降低行业的“力不从心”和“内卷竞争”程度。

 

从技术、成本等角度综合来看,中国卫星互联网建设目前还需要经历一个较为漫长的投入过程。放大到整个新基建的蓝图上来看,中国星座并不宜盲目对标或者急于赶超国外星座。

 

建设卫星互联网系统的意义是给现有的地面通信网络形成有效补充,而非取代传统通信网络。从这个角度来看,中国特色的卫星互联网星座,更应结合当前国情和实际需求,充分发挥现存优势,寻找一种更高效率和更稳健的建设方案。

 

首先,从需求角度来看,如今中国地面4G网络覆盖率远超美国,行政村4G网络覆盖率已超98%,5G技术领跑全球;而美国国内的通信基站数量不及中国的1/20,北美大部分地区地广人稀,还有大量城市以外的地区未实现移动宽带网络覆盖。地缘战略方面,虽然中国近年来海外利益不断增长,但远不如美国巨大,建设能覆盖全球的卫星互联网络需求并不如美国迫切。

 

其次,从带动经济生产的角度来讲,由于卫星互联网技术尚存缺陷,短期内只能作为地面网络的补充存在。例如,卫星互联网在对大型城市密集用户提供服务方面承载能力弱,或者在楼宇、树林等遮挡物比较多的区域容易出现信号丢失,不如光纤、5G等地面网络对当前智慧工业、智慧城市、智慧交通等场景的助力作用更为直接。

 

工欲善其事必先利其器,卫星互联网的建设固然战略意义重大,但对于当前中国来说更宜稳步推进,首先打破关键技术和建设成本的制约瓶颈,避免盲目和低效率的投入。

 

低轨通信星座建设周期长、投入巨大,成本是其中的核心考量因素之一。参考铱星计划的前车之鉴,如果空间互联网的建设和运营成本无法与地面网络相提并论,则卫星星座的商业价值将大打折扣。同时,如果用户使用成本远高于Starlink等商业星座,中国星座也难以具备国际竞争力。

 

当前国内从事火箭发射和卫星制造的商业航天企业,虽然在部分技术上已经取得突破,但是从产品成熟度和生产能力来看都还与SpaceX有相当差距,实现像Starlink那样低成本、大规模的小卫星组网,仍然需要走过较长的一段时间。

 

在天地“一盘棋”的统筹规划下,中国低轨通信星座要早日实现规模化部署,还需要加快推动产业链整体创新,革新研制生产和采购方式,并结合国内地面基站数量的优势,探索论证更高效率的“天地一体化”网络建设方案,以实现整个体系的降本增效。

 

仰望星空的底气,源自于我们向天突围的魄力,更离不开我们脚踏实地的努力。我们期待苍穹之上能早日闪耀中国星座的光芒,更期待这些来自太空的技术红利,能早日成为造福人类,推动社会不断向前发展的源源动力。

 

参考文献:[1] 中国航天报,共和国航天往事,2020[2] Via Satellite杂志,格里格·维勒2018年终专访,2018[3] 原晋谦\李之宇\叶勉《美国天军卫星通信发展愿景》分析,2020[4] 蔡亚梅\汪立萍\陈利玲,美国新型“分身术”卫星计划及其关键技术,2009[5] 科技日报,俄将投巨资建“球体”卫星系统,2020[6] 环球网,NSR预测:全球只有18%的星座能走到发射阶段,2020