物聯(lián)網(wǎng)智庫 詹士 整理發(fā)布
衛(wèi)星通信有多火?
從馬斯克星鏈到Q3發(fā)射首星的中國星網(wǎng)，從Rel-17標(biāo)準(zhǔn)引入相關(guān)特性到6G提出的空天地一體，MWCSH上，高通衛(wèi)星通信芯片以現(xiàn)場(chǎng)演示方式亮相，紫光展銳也展示了即將量產(chǎn)的首顆衛(wèi)星通信SoC。連蘋果大佬沃茲尼亞克都要來摻和一腳。
似乎沒等大眾反應(yīng)過來，人人都能用上衛(wèi)星技術(shù)的時(shí)代，已在眼前。與此相關(guān)的低空軌道衛(wèi)星競(jìng)賽、潛在撞擊風(fēng)險(xiǎn)，亦成為熱門議題。
來自風(fēng)險(xiǎn)投資公司Contrary的Anna-Sofia Lesiv公開一篇長(zhǎng)文《The Satellite Renaissance》，在其中，她介紹了衛(wèi)星乃至太空技術(shù)發(fā)展的前世今生，以及未來商業(yè)前景。
Anna-Sofia Lesiv畢業(yè)于斯坦福，曾在橋水Founders Fund 和 8VC工作過。
以下為內(nèi)容全文，經(jīng)智次方?物聯(lián)網(wǎng)智庫編譯：
埃隆·馬斯克在復(fù)興太空技術(shù)方面的作用，怎么夸大都不為過。
在2008年，SpaceX成功將火箭送入軌道前，美國已失去了進(jìn)入太空的能力和愿望。將東西送入軌道的成本都是天文數(shù)字，建造和發(fā)射衛(wèi)星只能是國家或大公司才能玩的生意。
在2010年代，只有大約1000顆衛(wèi)星繞地球運(yùn)行。如今，這個(gè)數(shù)字已躍升至7000多顆。
這很大程度上要感謝SpaceX。我們正在經(jīng)歷一場(chǎng)巨大的轉(zhuǎn)變，企業(yè)家和更多普通人能將機(jī)器送入軌道。衛(wèi)星在導(dǎo)航、天氣監(jiān)測(cè)、電信、國家安全等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。
隨著衛(wèi)星和天基服務(wù)數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，許多方面都將發(fā)生變化——我們?nèi)绾芜B接到互聯(lián)網(wǎng)、如何使用技術(shù)設(shè)備，甚至如何在農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用衛(wèi)星通信。
在這一背景下，本文探討了衛(wèi)星復(fù)興時(shí)期的生活，以及即將到來的機(jī)遇。
第二太空時(shí)代的黎明
多數(shù)人可能不知道，NASA在成立時(shí)獲得了美國年度預(yù)算的4.5% ，但到2010年代初，這一數(shù)字已縮減至僅0.5%。
結(jié)果，美國火箭發(fā)動(dòng)機(jī)只能靠蘇聯(lián)時(shí)代的部件循環(huán)利用，據(jù)埃隆·馬斯克稱，這些零件存放在西伯利亞的舊倉庫中。
2011年，NASA停止了航天飛機(jī)計(jì)劃，位于哈薩克斯坦，建于蘇聯(lián)時(shí)代的拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)，成為唯一可以向國際空間站發(fā)射載人太空任務(wù)的地方。
多年來，通往國際空間站(距離地球表面約250英里，進(jìn)行微重力和太空研究的浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室)的航天器，都是通過哈薩克斯坦發(fā)射的。
由于對(duì)太空服務(wù)沒有需求，且只有少數(shù)企業(yè)有能力落地，建造氣象或通信衛(wèi)星的成本下降到2至3億美元之間。其建造者，往往是即得到政府支持，又具有太空相關(guān)制造背景的大型組織。
聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟，是波音和洛克希德·馬丁公司的合資企業(yè)，也是美國唯一一家能夠?qū)⑷魏螙|西送入軌道的實(shí)體。
它的每次發(fā)射收費(fèi)為3.8億美元，且不能保證發(fā)射甚至?xí)晒?。此外，大多?shù)衛(wèi)星配備的電池壽命僅夠維持15年左右。
將一顆衛(wèi)星發(fā)射上天花費(fèi)可能超過5億美元，因此，客戶通常是大型電信組織或國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 等國家部門。
對(duì)于這些客戶，將衛(wèi)星發(fā)射到距離地球盡可能遠(yuǎn)的地方最有意義，畢竟，離地球表面越遠(yuǎn)，衛(wèi)星對(duì)地覆蓋范圍就越大。
對(duì)于中低軌道的近地衛(wèi)星來說，其繞地速度將比地球自然自轉(zhuǎn)快，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在地球另一側(cè)。這對(duì)于追求持續(xù)、可靠網(wǎng)絡(luò)連接或衛(wèi)星電視的公司來說，并非最優(yōu)選。
最好的設(shè)定，是將衛(wèi)星定位在地球靜止軌道(GEO)上。其高度大約為3.6萬公里，衛(wèi)星可以面向地球表面近50%區(qū)域發(fā)送和接收信號(hào)。
且由于衛(wèi)星與地球同步軌道運(yùn)行，從地面用戶角度來看，衛(wèi)星似乎位于天空中的固定位置，始終可以訪問。事實(shí)上，全球每個(gè)地區(qū)都會(huì)發(fā)射自己的同步衛(wèi)星，這些衛(wèi)星就位于發(fā)射地所在位置的上方。
來自：Satellite Today
2010年代，衛(wèi)星已為人類提供一些關(guān)鍵服務(wù)，涵蓋船舶和飛機(jī)導(dǎo)航、GPS、天氣監(jiān)測(cè)和電信功能。但因缺乏低成本發(fā)射方式，人類對(duì)衛(wèi)星修復(fù)更換電池能力有限，每當(dāng)衛(wèi)星停止運(yùn)作，它就會(huì)永遠(yuǎn)在地球靜止軌道上運(yùn)行，成為一個(gè)個(gè)“技術(shù)遺跡”。
澳洲電信(TelAstra)一項(xiàng)研究表明，我們所依賴的衛(wèi)星中，超過30%運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超出了預(yù)定日期。
變化發(fā)生在2008年。
SpaceX首次軌道發(fā)射任務(wù)取得成功，人們對(duì)太空的看法開始轉(zhuǎn)換。其獵鷹1號(hào)火箭，售價(jià)僅為700萬美元，成為歷史上最便宜的火箭。
更為重要的里程碑是2015年，SpaceX開發(fā)出第一枚可重復(fù)使用火箭，獵鷹9號(hào)在卡納維拉爾港附近成功發(fā)射和著陸。
可重復(fù)使用火箭改變了將物體送入軌道的成本計(jì)算方式。此前，客戶必須支付火箭的全部費(fèi)用，才能將單個(gè)有效載荷發(fā)射到太空。
當(dāng)火箭成本可通過幾十次飛行攤銷，太空發(fā)射的門檻自然就被打下來了。
于是2015年之后，更多客戶開始對(duì)衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)感興趣。
同時(shí)，SpaceX又在其獵鷹9號(hào)上推出了“拼團(tuán)”服務(wù)。該服務(wù)可以將最多200公斤的有效載荷送入太空，價(jià)格約為每公斤27.5萬美元。
照此計(jì)算，建造發(fā)射衛(wèi)星便不再是富人的精品業(yè)務(wù)，旺盛需求出現(xiàn)，標(biāo)品和商品化成為行業(yè)趨勢(shì)。航天工業(yè)迎來“福特”時(shí)刻，約克空間系統(tǒng)公司(York Space Systems)、藍(lán)色峽谷及Apex Space都開始推行自己的量產(chǎn)小型衛(wèi)星。
到今天，繞地球運(yùn)行的7000多顆活躍衛(wèi)星中，一半以上是通信衛(wèi)星，五分之一用于地球觀測(cè)，其余則兼具情報(bào)收集和科學(xué)用途。
成本降低改變的不只是價(jià)格，過去的衛(wèi)星部署模式也被改變。
由于發(fā)射成本足夠低，過去將通信衛(wèi)星發(fā)射到地球靜止軌道變得沒必要。
通信服務(wù)機(jī)構(gòu)可以將一組小衛(wèi)星發(fā)射到近地軌道，這些衛(wèi)星可以共同覆蓋與地球靜止軌道上的一顆衛(wèi)星相同的區(qū)域，只需讓他們有更好連接就行。
加之離地面更近通信延遲越短，衛(wèi)星通信可以有更好效果。
SpaceX的星鏈(Starlink)就是這一思路的產(chǎn)物。
根據(jù)其描述，馬斯克要部署多達(dá)4.2萬顆通信衛(wèi)星，讓全球任何地方都能聯(lián)網(wǎng)。自2019年該計(jì)劃啟動(dòng)以來，SpaceX已向太空發(fā)射了3500多顆衛(wèi)星，因此，它已成為目前擁有衛(wèi)星最多的公司。
SpaceX不是唯一有此宏偉計(jì)劃的公司。Amazon、OneWeb和中國航天科技集團(tuán)均有相似計(jì)劃。貝佐斯的藍(lán)色起源正在進(jìn)行相關(guān)布局。
通信方式的變化也影響了芯片廠商戰(zhàn)略。高通CEO最近公布了該公司的計(jì)劃，欲使其移動(dòng)和筆記本電腦芯片多樣化，使它們能夠直接與衛(wèi)星合作伙伴通信，并為用戶提供“太空互聯(lián)網(wǎng)”訪問權(quán)限，無論他們?cè)诘厍蛏先魏蔚胤健?/p>
衛(wèi)星連接升級(jí)的影響還不止于此。美國農(nóng)林產(chǎn)品服務(wù)商，約翰迪爾，最近官宣，希望利用即將到來的衛(wèi)星通信，為其拖拉機(jī)提供更好的連接，便于農(nóng)場(chǎng)主通過網(wǎng)絡(luò)了解作物生長(zhǎng)狀況。
如今，衛(wèi)星數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，這產(chǎn)生了為繞地飛行服務(wù)的新商機(jī)。經(jīng)過漫長(zhǎng)的幾十年，我們終于建立了數(shù)百年夢(mèng)想的太空經(jīng)濟(jì)。
首顆衛(wèi)星
科幻小說作家阿瑟?克拉克經(jīng)常被認(rèn)為是第一個(gè)提出發(fā)射人造衛(wèi)星的人。
在1945年出版的《無線世界(Wireless World)》雜志中，他闡述了與地球同步軌道運(yùn)行的人造衛(wèi)星如何成為跨大陸通信的工具。
更早之前，牛頓提出了萬有引力定律和運(yùn)動(dòng)定律，此后宇宙旅行的愿景一直讓科學(xué)家和工程師著迷。甚至在1895年，沙皇俄國一位鄉(xiāng)村學(xué)校教師，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基 (Konstantin Tsiolkovsky) ，出版了《地球與天空的夢(mèng)想》，當(dāng)中闡述了圍繞地球運(yùn)行的人造衛(wèi)星的想法。
在后來的書中，他還闡明了液氫和液氧作為火箭燃料的概念，介紹了多級(jí)火箭的想法。
盡管人類在太空中描繪了這些預(yù)言性的藍(lán)圖，但直到20世紀(jì)前半頁，大眾對(duì)太空技術(shù)興趣也并不大。
直到冷戰(zhàn)時(shí)期，兩國基于核武器，開始研發(fā)運(yùn)載火箭技術(shù)。
20 世紀(jì) 50 年代，美蘇都在競(jìng)相開發(fā)更強(qiáng)大的火箭技術(shù)——真正用于運(yùn)輸核武器的航天飛機(jī)——1957 年，蘇聯(lián)向世界展示了他們的火箭技術(shù)到底有多么出色，震驚了世界。1947年10月4日，蘇聯(lián)的人造地球衛(wèi)星1號(hào)，這是第一個(gè)繞地軌道運(yùn)行的人造品。蘇聯(lián)天體物理學(xué)家，謝爾蓋·科羅廖夫，將一顆原始的球形衛(wèi)星綁在洲際彈道導(dǎo)彈頂部，成功將其發(fā)射到繞地球軌道。
盡管該衛(wèi)星的電池只能維持維持三周，但美國人很擔(dān)心蘇聯(lián)已有能力監(jiān)視他們。而且，人造衛(wèi)星1號(hào)發(fā)射幾周后，蘇聯(lián)又發(fā)射了人造衛(wèi)星2號(hào)，這次搭載了一位名叫萊卡的狗。
次年，美國成立了國家航空航天局(NASA)作為回應(yīng)。在一系列發(fā)射嘗試失敗后，他們于1958年1月31日，成功將第一顆小型衛(wèi)星送入軌道。
此后，人類的太空事業(yè)開始高速運(yùn)轉(zhuǎn)。
尤其在1960年，美國太空事業(yè)創(chuàng)下了許多第一，其中包括成功發(fā)射紅外遙感氣象衛(wèi)星，它可以拍攝地球云層圖像，觀測(cè)天氣。這是有史以來發(fā)射的第一顆氣象衛(wèi)星，盡管這顆衛(wèi)星最終只運(yùn)作78天。
同年，美國海軍還發(fā)射了Transit 1B定位衛(wèi)星，此后，美國國防部于1967年發(fā)射第一顆GPS衛(wèi)星。如今，GPS系統(tǒng)已經(jīng)是一個(gè)由20顆衛(wèi)星組成的強(qiáng)大網(wǎng)絡(luò)。
此外，美國還發(fā)射了“回聲”系列衛(wèi)星。這是第一顆通信衛(wèi)星，其目的是將美國無線電波傳遞到英國的地面站，讓大西洋另一側(cè)能收聽廣播。
在此基礎(chǔ)上，為增強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào)，美國宇航局工程師開發(fā)了一種稱為“行波管”的技術(shù)。它可以放大并重新發(fā)射更強(qiáng)的無線電信號(hào)。
第一個(gè)行波管安裝在NASA在1962年發(fā)射的中繼1號(hào)衛(wèi)星上。從那時(shí)起，它就成為了每顆通信衛(wèi)星的支柱，直到現(xiàn)在。
現(xiàn)代衛(wèi)星發(fā)展剖析
目前，人類已經(jīng)掌握大量太空環(huán)境的知識(shí)。
在這樣的環(huán)境中，溫度低可至-40度，高可達(dá)70攝氏度。沒有穩(wěn)定、可靠的電源，卻有各種各樣的高能宇宙射線，它們會(huì)擾亂計(jì)算機(jī)在太空中的工作。此外，還有小行星及其他衛(wèi)星撞擊的風(fēng)險(xiǎn)。
為能在太空中“生存”十多年，現(xiàn)代衛(wèi)星配備了以下系統(tǒng)：
太陽能和電池供電系統(tǒng)：衛(wèi)星存在于太陽和地球之間，有時(shí)隱藏在地球陰影后面，因此，需要多種能源選擇來維持太空活動(dòng)。幾乎所有衛(wèi)星都配備了高表面積太陽能電池板，可以利用太陽產(chǎn)生電能，或者在陰暗位置使用電池。
結(jié)構(gòu)與熱控制：極端溫度容易損壞太空中的電氣設(shè)備。因此，衛(wèi)星通常包括用于冷卻電氣元件的散熱器、隔熱毯、加熱器和多層絕緣材料。
推進(jìn)和姿態(tài)控制：衛(wèi)星的重要功能包括運(yùn)行方向保持、軌道保持上以及規(guī)避撞擊。
該過程需要使用盡可能少的能源支撐，比如反作用輪裝置應(yīng)用，或是利用磁力矩器，依靠地磁場(chǎng)相互作用力，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器控制。此外，大多數(shù)衛(wèi)星還配備了推進(jìn)器或微型發(fā)動(dòng)機(jī)。
衛(wèi)星技術(shù)的挑戰(zhàn)和機(jī)遇
隨著我們對(duì)太空的雄心壯志不斷增長(zhǎng)，人類必須應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)也隨之增加。
以下是空間技術(shù)中，一些最具影響力的新興前沿：
1、空間激光器帶來更多帶寬
人類越依賴地球觀測(cè)，遙感系統(tǒng)就越好。例如，合成孔徑雷達(dá) (SAR) 。這是許多觀測(cè)衛(wèi)星上一項(xiàng)關(guān)鍵的新技術(shù)，它能發(fā)射雷達(dá)脈沖，可以穿過惡劣的大氣條件，最終生成地球的高分辨率圖像。
然而，SAR系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)文件太大，無法通過標(biāo)準(zhǔn)無線電頻段有效傳輸。一種補(bǔ)救措施是——改用更高頻率的波長(zhǎng)信號(hào)，它單位時(shí)間可以編碼和傳輸更多信息，可見光是其中選項(xiàng)。
幾年來，NASA和SpaceX等組織一直在嘗試開發(fā)新協(xié)議，以希望通過激光在太空中傳輸信息。
該技術(shù)落地起初很難。光學(xué)激光器發(fā)射的是精確光束，比標(biāo)準(zhǔn)無線電波長(zhǎng)短得多，難以將這些激光定位到目標(biāo)上
經(jīng)過多年對(duì)激光通信協(xié)議的修改，NASA將推出自己的光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)將能更快在衛(wèi)星和地面站之間傳遞信息。
NASA對(duì)外宣稱，當(dāng)宇航員重返月球時(shí)，他們能夠傳輸該現(xiàn)場(chǎng)的高清圖像，而非當(dāng)年阿波羅11號(hào)任務(wù)中的顆粒狀黑白視頻。
大型衛(wèi)星的公司，例如擁有Starlink的SpaceX，也渴望使用激光通信，更快在衛(wèi)星之間傳輸信息。
盡管太空激光通信技術(shù)日趨成熟，且各家公司都有自己的光通信協(xié)議，但目前實(shí)現(xiàn)方面仍只算零星探索。
這項(xiàng)新技術(shù)是否需要標(biāo)準(zhǔn)化，或者什么解決方案可以使光通信與空間站和地面站實(shí)現(xiàn)互操作，還有待觀察。
2、更低價(jià)的發(fā)射成本
依靠SpaceX獵鷹9號(hào)將1公斤重物送入太空，成本約為2750美元。不過，SpaceX正推進(jìn)的星艦計(jì)劃，將這一成本降至100美元。
Republic Capital是太空技術(shù)和SpaceX的資深投資者，他們認(rèn)為，星艦可能會(huì)改變世界。
在其2022年太空技術(shù)報(bào)告中，Republic Capital寫道：
不必再擔(dān)心質(zhì)量和尺寸限制，不妨讓制造商在衛(wèi)星設(shè)計(jì)方面更有想象力。他們可以將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向建造功能越來越強(qiáng)大的衛(wèi)星，而非優(yōu)化最輕量的衛(wèi)星。
當(dāng)然，星艦的真正目標(biāo)是最終成為太陽系的航天飛機(jī)，能夠?qū)⒇浳镞\(yùn)送到月球和火星等遙遠(yuǎn)地方。
3、清理太空垃圾
盡管我們已經(jīng)非常擅長(zhǎng)將物體送入軌道，但我們?nèi)詻]有太多將物體送出軌道的方案。
隨著時(shí)間推移，這將成為一個(gè)問題。繞地球運(yùn)行的太空垃圾已經(jīng)比正常運(yùn)行的衛(wèi)星還要多。空間越擁擠，越容易碰撞損壞我們發(fā)送上天設(shè)備。
20世紀(jì)70年代末，關(guān)注太空碎片問題的NASA科學(xué)家，唐納德?凱斯勒警告：太空碰撞會(huì)產(chǎn)生更多碎片，進(jìn)而增加發(fā)生更多碰撞的可能性，直到我們進(jìn)入失控的太空災(zāi)難階段。這種現(xiàn)象被稱為「凱斯勒綜合癥」。
鑒于運(yùn)作衛(wèi)星的獨(dú)立機(jī)構(gòu)眾多，碰撞即將發(fā)生時(shí)，再做協(xié)調(diào)很困難。一些太空技術(shù)初創(chuàng)公司正試圖依靠空間通信和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)解決該問題。
其中之一名叫Privateer，其聯(lián)創(chuàng)之一是來自蘋果的史蒂夫·沃茲尼亞克 (Steve Wozniak) 。
新興的太空初創(chuàng)公司正在解決太空通信和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的問題。其中之一名為 Privateer，是由史蒂夫·沃茲尼亞克 (Steve Wozniak) 共同創(chuàng)立的一家新企業(yè)。
其公司使命，正是提供更好的空間碎片視野，即將推出產(chǎn)品之一名叫Resslek，能提供衛(wèi)星運(yùn)行管理服務(wù)，當(dāng)客戶設(shè)備將與另一個(gè)物體碰撞時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)。
4、商業(yè)空間科學(xué)
2022年，NASA宣布了國際空間站將于2031年退役。這可是一件大事，畢竟，國際空間站是目前人類唯一的太空實(shí)驗(yàn)室。
自1998年起，國際空間站在太空中一步步建造，經(jīng)歷了無數(shù)次載人任務(wù)，它體現(xiàn)了十多個(gè)國家的心血。
在這個(gè)微重力空間中，科學(xué)家得以解鎖諸多研究課題，比如：
低重力環(huán)境中蛋白質(zhì)的形成、干細(xì)胞的生長(zhǎng)、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的性質(zhì)(這被廣泛認(rèn)為是物質(zhì)的第五態(tài))、水凈化技術(shù)等等。
2002年，國際空間站發(fā)布了一份名為《對(duì)全人類貢獻(xiàn)(Benefits for Humanity)》的文件，其中列舉了諸多對(duì)人類世界有重大影響的實(shí)驗(yàn)。
太空科研具有令人難以置信的價(jià)值，這就是為什么中國在2021年發(fā)射了自己的模塊化空間站，名為天宮站。該空間站將在未來幾年繼續(xù)擴(kuò)大建設(shè)。
與此同時(shí)，國際空間站的退役對(duì)科研勢(shì)必帶來挫折，同時(shí)也影響商業(yè)。在其探索背景下，無數(shù)有潛力的新機(jī)遇被發(fā)掘，它涵蓋了太空工廠產(chǎn)業(yè)，能制造并提供關(guān)鍵材料，比如制造碳納米管、玻璃纖維電纜、有機(jī)組織等等。
為應(yīng)對(duì)上述問題，美國致力于鼓勵(lì)商業(yè)玩家協(xié)助發(fā)射空間站，這當(dāng)中，Axiom Space正在致力于建設(shè)一個(gè)專門的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，作為國際空間站繼任者。此外，NASA還拉進(jìn)來了Nanoracks、Northrop Grumman及貝索斯的藍(lán)色起源。
在沉寂數(shù)十年后，我們?nèi)阅芾m(xù)上太空夢(mèng)想，更多牢固的太空平臺(tái)能夠影響更多人的生活。微重力制造這樣的新產(chǎn)業(yè)可能出現(xiàn)，舊產(chǎn)業(yè)秩序或被瓦解(比如電纜產(chǎn)業(yè)的壟斷現(xiàn)象)。
當(dāng)然，我們走的越遠(yuǎn)，像太空碎片一樣的越多新問題就會(huì)冒出來——
但借助技術(shù)，問題往往就是機(jī)遇，兩者都充斥在太空中。
