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低轨卫星互联网的梦想与挑战

发布时间:2018-04-27 13:34        来源:互联网        作者:

王政霄 恒大互联网集团研发工程师

近年来,低轨卫星领域风起云涌,国外资本巨头纷纷进入,以SpaceX、OneWeb为代表的一批创新企业狂飙突进,牢牢抢占了发展的主动权,短短两三年时间,彻底颠覆人们对卫星互联网的固有观念,对国内产业发展和安全监管势必产生巨大影响。

富有争议的项目

知乎上有一个问题:如何评价SpaceX 的星链(Starlink)计划?有近20万次的浏览量,数百人在讨论。有人觉得技术方案完美,但是落地有困难;有人认为卫星互联网成本太高,很难有市场竞争力;有人非常看好星链的前景,也有人觉得马斯克在忽悠投资人。总而言之,这是一个富有争议的项目计划。

地球卫星轨道分低轨、中轨、高轨。低轨一般是指位于地球表面500-2000公里的范围。轨道越低,一颗卫星覆盖的范围越小,通常需要由几十颗至几千颗不等的低轨卫星进行组网,才能实现全球实时、无缝的宽带服务,这种低轨卫星系统被称为星座。相比较高轨卫星系统、地面光纤系统,低轨卫星星座具有全球覆盖、部署简便、高速传输等优势,最近两年发展势头非常迅猛。美国硅谷科技狂人马斯克创立的SpaceX是其中的佼佼者,他推出的星链计划,想法十分超前大胆。

星链计划将在未来几年内发射1.2万颗低轨卫星,为地球上任何位置的用户提供高达1Gbps的无线宽带上网服务。什么概念?按马斯克的说法,这个前所未有的卫星通信网络将“使宽带网络的速度达到目前全球平均水平的180倍”。作为比较,目前我国4G移动网络的下载速度大约是100Mbps。如果马斯克能实现这一网络速度,加上全球覆盖的绝对优势,将对我们的生产生活产生颠覆性的影响。鉴于马斯克以往创造的商业奇迹,让业界对这个星链计划充满期待。

很多人认为,低轨卫星互联网一旦实现,将迅速蚕食当前移动卫星通信的企业和个人业务,并抢占当前由地面通信运营商垄断的移动电话和互联网运营市场。更进一步来看,这种覆盖全球的新业务,在救灾、航海等民用领域将发挥巨大的作用,势必创造出更多新业态和新价值。

当然,也有人看衰,认为在马斯克之前,也有很多人设想过、实践过这样的卫星星座计划,但至今没有人成功。由于卫星研制发射周期长、成本高,前期投资太大,通信费用高昂,根本无法与地面通信竞争。

先驱者以失败告终

卫星互联网并不是什么新鲜话题。上个世纪九十年代,很多企业都提出了这样的计划。如果更进一步,将范围扩大到语音通信业务,先驱者应该是摩托罗拉的铱星计划。

现在流行找“痛点”,有“痛点”的地方就有机会。铱星计划的缘起也是一个偶然发现的“痛点”。一位在海边度假的摩托罗拉工程师,偶然听到妻子抱怨说,海滩太偏,电话信号难以覆盖。工程师就想,如果环绕全球用卫星组建一个星座,不就解决了全球覆盖的问题了吗?这个想法得到摩托罗拉高层的高度认可,很快启动了铱星计划。之所以叫铱星计划,是因为该系统由77颗低轨道通信卫星组成,与金属元素“铱”的原子序数一样。1996年,第一颗铱星卫星上天,运行在780公里的低轨道上,两年后,铱星项目最终发射66颗卫星,开始组网运行。遗憾的是,一直到2000年,铱星系统只卖出5.5万部卫星电话,用户寥寥无几,项目严重亏损,摩托罗拉公司不得不以2亿美元的极低价格将整个铱星系统卖给了美国军方。

铱星计划是低轨卫星通信的先驱,也是20世纪最悲壮的科技项目之一。除了铱星计划外,同期的还有全球星系统、轨道通信系统、天空之桥系统、泰利迪斯系统等,这些项目无一不以失败告终。

这些项目失败的原因主要有三个:一是卫星星座研发部署周期太长、成本太高。以铱星项目为例,它从开始论证,到最终部署完毕,足足花费了十年时间,投资超过30亿美元。由于技术能力限制,单颗卫星的容量有限,根本满足不了大量用户的通话和网络接入需求。二是对地面通信发展的错误估计。在卫星系统研制和部署的十年间,蜂窝电话迅猛发展,GSM系统已经成熟,地面基站已经覆盖了大部分移动通信用户,待到卫星上天具备服务能力之时,无论是通话质量、通信费用,还是手机终端、覆盖范围,都已经无法与地面通信相抗衡。三是市场运营模式并不成熟。从铱星来看,一开始他就定位服务于高端用户,只为少数“高层次的国际商务旅行者”用户提供服务。用户数量太少就意味着资金回笼太慢,运营成本抵不过收益,最终失败的命运就不可避免。

后来者面临突破

随着技术的发展,特别是互联网的普及,广大用户的消费、生活习惯发生了翻天覆地的变化。覆盖更广、速度更快、延时更低的网络成为广大消费者的迫切需求。地面通信发展速度非常迅速,一定程度上满足了用户的需求,但是在更为广大区域内还没有可靠的网络接入服务。这部分需求,引起了一部分人的关注,他们依然希望通过卫星组网来解决问题,只不过技术能力和成本控制,早已经不可跟十几年前的铱星系统同日而语。2012年OneWeb应运而生。相较于公众对SpaceX的关注,OneWeb的知名度稍微不如,但是在业内却是实打实的明星创业公司。

回顾铱星系统的失败经验,可以预知OneWeb面临的困难。如何控制高昂的卫星研制发射成本?如何处理卫星与地面的关系?他们还面临新的难题,如何获得有限的轨位和频率资源?这三个问题,都是制约卫星互联网业务开展的重要因素,是所有低轨卫星星座面临的共同难题。

如何控制高昂的卫星研制发射成本?

按照OneWeb的星座计划,他们在未来几年内要将1980颗卫星布置在1200公里的轨道上。要知道,目前所有的在轨卫星也不过2000多颗,单单卫星的研制成本,就是一个天文数字,而且传统卫星的研制都是以年为单位的,研发生产周期过长。过去5年,全球每年大概只发射了200颗卫星,但是单单OneWeb一家,每年发射的数量就将达到300-400颗。现有的卫星发射能力,远远不能满足未来几年卫星互联网星座的发射需求。

技术的进步为OneWeb控制成本提供了解决之道:产品向小型化、量产发展。它通过与空客集团合作建设卫星工厂,将航空飞机的批量制造经验融合到卫星研制当中,批量化生产卫星,进而达到大幅度降低生产成本的目的。卫星工厂正在研制高度自动化的机器人生产线,并且利用人工智能对生产流程进行优化,预计每天可以生产2颗卫星,每颗卫星重量仅150公斤,单颗成本只有惊人的50万美元,比传统卫星造价降低了一个数量级。2015年OneWeb与阿里安航天公司签署了用联盟火箭共21次发射卫星的合同,发射成本下降到传统发射的1/5。

如何处理卫星与地面的关系?

铱星失败的一个重要教训,就是商业模式不成熟。OneWeb吸取铱星的失败教训,充分吸收O3b的成功经验,将个人消费者作为目标客户,不出手类似铱星电话那样的专用卫星终端设备,不与发展较快的智能手机和平板电脑争夺用户,相反,用户可以继续使用现有的智能手机和平板电脑访问卫星网络。OneWeb还选择与休斯网络公司合作,利用其完善的销售渠道和丰富的销售经验,主攻传统行业用户,同时还创造性地与可口可乐公司合作,利用可口可乐遍布全球的销售网点,更加贴近大众消费市场。

资本在OneWeb的发展中扮演了关键角色,为OneWeb打通了产业链的上下游。无论是卫星制造、卫星发射、标准与芯片研发,还是终端研制、地面系统、信关站建设、产品分销等,OneWeb都和传统领域具备深厚经验的公司建立了成熟的商业合作模式,进而形成了完备、协同的低轨卫星互联网产业生态。截至2017年12月,OneWeb已经完成四轮融资,共计22亿美元,融资额已经足够支持其首期882颗卫星的制造发射。

如何获得有限的轨位和频率资源?

频率和轨位资源是卫星互联网项目的命门,它就好比盖房子,什么都齐备了,却没空地开工。轨位和频率资源就是盖房子用的土地资源。

卫星频率和轨道资源是国际性资源,必须按照国际电信联盟的规定依法使用。一般认为,两颗低轨卫星之间要相差50公里的高度,才能保证安全。一个轨道高度上部署了卫星,其他公司就不能再用这个高度。这样一来,轨位资源就相当稀缺。频率资源也是一样,国际电联的规则是“先登先得”,后面登记的人要跟前面的协调。常规的C和Ku频段资源已经被瓜分殆尽,在卫星技术成熟的L、S、扩展C、扩展Ku以及Ka频段的使用也逐渐接近饱和。2015年以来全球掀起卫星互联网热潮,很多企业都向国际电信联盟提出频率轨位申请,OneWeb在这件事上又抢先一步,获得了Ku频段的使用权,抢占了发展的先机。

按照OneWeb的计划,今年5月他们将发射首批10颗卫星,明年为阿拉斯加全境提供服务,2020年覆盖美国。目前来看,项目成功的可能性极大。一旦其取得成功,占据了市场的主动权,在轨位和频率资源十分有限,技术能力相差甚远的情况下,势必对我国卫星互联网产业发展造成极大的影响。

是不是风口?

站在台风口,猪都能飞上天。互联网时代的风口论,让一批又一批的人不遗余力地寻找着下一个风口。低轨卫星互联网是不是风口?就世界范围内来看,低轨卫星互联网无疑是风口,是潮流,是趋势。

技术的进步是低轨卫星互联网发展的内在动力,特别是卫星制造技术和卫星发射技术的进步。现在卫星设计不仅重量轻而且容量大,OneWeb单颗卫星的容量大于8Gbps,SpaceX单颗卫星的容量据说可以达到TB级别,完全可以满足高速的互联网接入。

社会资本已经疯狂涌入这一领域。软银、高通、谷歌、空客、波音等多家巨头已经布局低轨卫星互联网,甚至可口可乐、脸书等企业都参与了投资,资本的力量将助推卫星互联网的迅速发展。

用户需求的变化才是风口最大的成因。随着移动互联网、物联网、人工智能的发展,用户对网络的全覆盖、低延时等要求更高,以智能汽车为例,如果要实现无人驾驶,不可避免地就是要解决网络延迟问题,当前的4G技术存在一定的信息延迟问题,随着5G技术的发展,信号延迟问题有望得到解决,但是覆盖范围又有限,难以满足用户需求,提供媲美5G速度的低轨卫星互联网可以完美解决这一问题。

最近两年,低轨卫星互联网爆炸式的发展,也印证了这一判断。据不完全统计,全世界已经公布的低轨星座计划有13个,总规划卫星数超过2.4万颗,是目前全球在轨卫星的近15倍。

马云曾对“风口论”有一番评论:猪碰上风也会飞,但是风过去摔死的还是猪,因为你还是猪,每个人要思考怎么把控这个风,怎么提升自己,不应该去寻找风口,而是真正把自己变得一点点风就能够飞起来。

我们几乎可以肯定,在低轨卫星互联网上,马云的论断一样会成真。如此多的星座计划,最终能成功的肯定寥寥无几。频率轨位资源的限制、技术能力的限制、前期巨大的投入、发展的不确定性,相互之间以及与5G技术发展普及之间的竞争,都可能让这些星座计划最终以失败收场,重演当年铱星的惨剧。所不同的是,在激烈的竞争中,总有人会胜出,区别只在于谁会胜出罢了。

何去何从?

在十几家星座计划里,我们看到国内有三家,其中鸿雁、虹云都是国有航天企业开展的项目,拥有雄厚的技术能力和资本实力;九天微星是一家民营企业,其创始人在航天系统工作十年,而且已经成功发射了一颗试验卫星,发展势头很好,它避开了风头正劲的卫星互联网业务,转而从提供卫星物联网业务做起,避免直接与国际巨头正面竞争,为其发展壮大提供了潜在可能性。

毋庸置疑,国内卫星互联网项目必定面临更大的压力。一方面,技术能力与国外同类公司有明显的差距,同样研制300公斤级别的卫星,我们的研发周期和制造成本都要高出很多,发射成本也相对更加高昂。由于政策、技术门槛、资金需求量等方面的限制,国内社会资本对卫星互联网项目热度并不高,很难形成技术、资本的堆积效应。另一方面,我国在轨道和频率资源协调方面,也落后于主要竞争对手美国,比如OneWeb已经取得了Ku频段的使用权,其他企业想要使用就必须跟OneWeb进行协调,这样协调难度就非常大,因为彼此之间是竞争关系,OneWeb势必百般阻拦。这将成为制约我国低轨卫星互联网发展的最重要因素。

国内的低轨卫星互联网势头,远远谈不上火热。我们谈得比较多的是共享单车、互联网金融、人工智能,很少有听到资本大规模涌入低轨卫星互联网领域。九天微星近期完成了2亿元的A轮融资,相较于国外动辄数亿、数十亿美元的融资来看,相对于卫星项目巨大的前期投入来看,聊胜于无。在国有企业拥有垄断地位的产业领域,社会资本很难有所贡献,在国内低轨卫星互联网的发展问题上,需要有更加深远的考虑。面对国外巨头的强势冲击,如果我们不把握机遇,迅速谋求发展,一旦被国外公司牢牢占据有限的频率轨位资源,我们再想发展就不太可能了。

站在十字路口,何去何从,我们拭目以待。

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