加餐 | 中国星链背后的太空竞赛(上)




你好,我是彭天放,这一期的加餐我想为你跟进一项我国航天领域的新进展。 



1月16号,我国首颗民营低轨宽带通信卫星,在酒泉卫星基地发射成功了。



这颗卫星来自一家我国商业航天公司银河航天,它对标的是我们多次提到过的马斯克的星链计划。银河航天的这次发射意味着,我国的商业航天领域也正式参与到了世界上最激烈的一场太空资源竞赛当中那就是,谁能建设世界上第一个巨型低轨通信星座。这场竞赛的最终结局,将会影响着整个商业航天领域的未来走向。



 




  • 这个领域究竟酝酿着怎样的机会呢?


  • 中国目前发展到了什么阶段?


  • 为什么说这是新一轮的太空资源竞赛?



 



带着这些问题,我专门请教了航天工程师张拯宁研究员以及清华大学的几位卫星专家,为你带来2期加餐。




1、当下最热门的航天领域




今天纵观整个的卫星行业,如果说什么前沿领域是最热门的,恐怕一定就是以星链计划为代表的,各种巨型通信星座项目了。



在这个领域里,其实不只有星链计划一个项目。像美国亚马逊的柯伊伯项目、脸书公司的雅典娜项目,英国著名的卫星公司一网等,都在积极申请,参与发射低轨卫星。我们中国的航天国家队也早就推出了鸿雁、虹云等多个大型通信星座项目。



伴随着大家争先恐后入场,还有一个更有意思的现象,那就是围绕低轨通信星座的争议也从没断过。具体来说,这类星座到底给谁服务?有多少用户?如何收费?能不能赚钱?各有各的说辞,但又都说不清楚。



单从商业角度看,这类项目确实存在一定盈利风险。虽然说通信市场本身规模很大,在全世界大概有8万亿美元的市场,比互联网要大20多倍。但通信卫星的市场份额一直非常低,我们讲过的铱星就是其中一个例子。



从应用的角度来看,虽然大家也提出了像航空、海洋以及人口稀疏地区的潜在应用场景,但大部分情况下,目前的卫星通信在网络速度、时间延迟这些性能上,跟未来地面通信的5G相比很难说有多么明显的优势。



更不用说,从技术上讲,要管理上万颗高速运行的卫星,这是人类从来没有遇到过的复杂难题。



那么既然商业上不够清晰、技术困难又这么大,低轨通信星座怎么就成了最热的航天项目呢?



经过调研,我发现了一条核心理由:世界各国都陆续感觉到,在人类目前的技术条件下,这种巨型星座很可能是一项具有排他性的技术。



也就是说,以目前人类的技术水平,整个地球很可能只容得下极少数的几套巨型卫星星座。如果有谁抢先搭建了第一套完整的巨型低轨通信卫星星座,后来者如果想要搭建第二套,可能要付出巨大的额外成本,甚至再后来者根本就做不到了。 



正是这种排他性赋予了这类项目一种独特的战略意义。




2、为什么这类项目有很强的排他性?




为什么说这类项目有排他性呢?我们来分析一下背后的原因。



星链计划这类星座,更完整的名称是巨型低轨宽带通信卫星星座,它有三个关键词:巨型、低轨和宽带,也正是因为这三个关键词让这类项目有了排他性。



先来说第一个关键词巨型。顾名思义,就是这类项目的卫星数量特别多。



目前全世界的卫星总数大概是2000颗左右,比较大型的星座,像GPS、北斗这种导航星座,一般有30颗左右的卫星协同运转,剩下大部分卫星在单打独斗。



而这种巨型星座规模就大多了,星链计划号称要搭建4万颗卫星的大星座,是目前在轨卫星数量的20倍,是人类已经发射过航天器数量的4倍。其他称得上巨型星座的项目一般也规划了几百上千颗卫星。



当然数量多只是一方面,另一个因素是太空资源的急剧减少,也就是接下来要说的两个关键词低轨和宽带。



接着说第二个低轨,主要是指轨道到地表的距离远近。



卫星的轨道可以分为高、中、低轨三个区域,低轨通信卫星的主要活动范围距离地表300到1200公里,这片区域的好处是能提高信号强度,并且降低信号延迟。



我在课程中讲过轨道与卫星之间的关系,其中高轨和中轨这两个区域目前已经非常稀缺,特别是地球同步轨道,已经被瓜分得差不多了。原本低轨这片区域,大家一度认为还没有那么稀缺。



但是星链计划出现之后,大家发现情况不对了。马斯克每次一申报就是上千条轨道,只要轨道申报成功,即便卫星还没发射升空,别人也无权再使用了,后申报的项目还不能跟前面的项目产生冲突。注意这个冲突不只是指你有可能撞上别人,而是即便信号有可能干扰到别人也不行。



我们讲过国际分配轨道的原则主要有2条,一个是先申报,先使用,另一个是后来的让着先来的。



这么一来,在低轨区域里,几乎要被马斯克的卫星轨道布满了,类似的项目想要规避星链的轨道变得越来越难。



等到再过几年太空里真的画满了4万2千条高速运动的轨迹线,有人再想设计另外一套几万颗卫星的巨型星座,难度可想而知。就算通过复杂的计算真的设计出第二套巨型星座轨道,它的结构一定更复杂,也就意味着要付出更多的额外成本。



目前全世界的通信星座项目已经有几十个,大部分虽然还没正式部署,但都启动了轨道申报,先把地盘占上,每次少则申报几十条,多则申报几百条轨道,低轨轨道资源越来越稀缺。



更何况, 还有最后一个关键词宽带,像星链计划和银河航天所发射的这类宽带卫星,它提供的网络带宽比过去的卫星通信能提高2-3个数量级,可以达到5G网络的水平,但这同时也带来了太空中频段资源的紧缺。



卫星是通过无线电波和地面进行通信的,如果频段所在频率太低,很难满足宽带卫星需要高速宽带通信的需求。如果频率太高,相应的卫星成本要上升,信号传输也会受到更大的干扰。



所以,这些项目为了能让用户有接近5G网络的通信速度,目前使用的频段大概分成两类,对应的频率范围大概是10G到40G赫兹这个区间。



这个区间虽然看起来很大,但是实际上能够使用的频段,面临的限制非常多。在具体卫星设计的时候,考虑的因素甚至比轨道更复杂。



低轨宽带卫星,不仅要跟很多已有广播电视卫星、定位导航卫星的通信频段错开,还要避开大量被各个国家军方所征用的军事频段。而且不同的低轨宽带星座之间,也还要留出一定的频率间隔防止相互干扰。



所以在实际的卫星设计中,往往面临非常复杂的频段调整工作,限于篇幅这里就不过多介绍了。



总之呢,太空中最稀缺的资源就是轨道和频段,在双重限制下,地球周边能够容纳的巨型通信星座数量一定是非常有限的。一旦有谁率先建立了第一座,后发者可能会面临非常大的后发劣势。




3、这类项目,错过本身就是损失




过去人类的一些大型尖端工程,像是超级计算机、航空母舰,甚至登月计划这些项目都是你先搞了,我也可以接着搞。作为后来者,不仅没有增加技术上的困难,反而可以向先行者学习,加快研发的速度,有所谓的后发优势。



真要说有什么后发劣势非常大的尖端技术,大概就是核武器了。但这也不是后来者的技术难度增加了,而是大国之间一商量,通过政治手段垄断了这项技术。



相比之下,像星链、银河航天从事的低轨宽带星座领域,先发优势比较明显。我们刚才提到的三个关键词巨型、低轨、宽带,让后发者面临更高的技术难度和成本。



因此,像这种一旦建成,就具有巨大垄断优势的太空工程,对于具备一定实力的国家和企业来说,错过本身就是不可承受的巨大损失。所以,国内外的国家队和商业航天公司,都在争先恐后地入局,跑马圈地,争夺世界第一的位置。



说到最后,你心中可能还有一个疑虑低轨通信星座如果完全不赚钱,仅仅因为轨道的稀缺就能让各国这么眼红吗?这么多位马斯克们是如何说服投资人参与这些项目呢?



下一期加餐,我会为你继续解读,我是彭天放,我们下一期见。




网友互动



请问老师,我有一个问题,虽然说卫星市场有8万亿美元之巨,但是真正有机会下场的企业和玩家并不多,能带动的产业规模未必有互联网几千亿美元的市场更大吧?至少我看不到我一个普通人有机会直接或者间接与太空探索,卫星发射一类的项目有什么联系,但是我在用网购快递,在用外卖订餐。



 



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学习了今天的课程,我有一个疑问,既然目前低轨道通信的资源如此有限,而世界上主要国家和科技巨头,都在争相布局巨型通信卫星项目,那么,是否存在这样一种可能性,主要国家、世界上那些知名的科技企业,采取合作的形式,共同开发这些项目,打造一个全人类共用的巨型通信卫星网络呢?这样无论从投资成本、经济效益等方面,无疑是更加划算的,当然,这些项目的背后,是否还存在着诸如政治因素等其他方面的考虑呢?希望得到老师的解答。



 



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摩托罗拉的铱星早已失败。没有人把怎样避免铱星的下场说清楚。现在的星链计划,技术上问题不大,商业成功难!4G移动通讯已经成熟应用,5G将商用。星链通讯能给人们生活带来什么好处?恐怕是军事应用、探险救灾有点用处吧。看不懂,不看好。


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