独家：卫星互联网宽带接入的创新与风险

航天 · 2016-11-22 23:48:02

（中国太空网讯）最近1年，至少有7家美欧和亚洲的著名高技术公司和新创互联网企业竞相宣布建设由数百颗至数千颗低轨卫星组成巨型通信网络的设想。这种改变游戏规则的创新业务，试图利用低轨巨型星座实现全球互联网的无缝连接，为世界上数以亿计目前尚未覆盖互联网业务的地区提供多媒体、高数据速率的宽带接入服务。　　一、前言　　在这新一波发展低轨通信星座的热潮中，一网公司（OneWeb）、太空探索技术公司、低轨卫星公司、三星公司、谷歌公司、高通公司和维珍集团公司等都纷纷表示对此有兴趣或准备投资和加盟，一些新创公司为此启动了星座轨位、频率的申请和卫星制造等前期准备工作。其中走在这一潮流前面的弄潮儿当属一网公司。　　2015年6月15日，一网公司宣布选定欧洲空客防务与航天公司研制生产大约900颗小卫星。其中10颗在欧洲研制试产，其余在美国建厂组装并批量生产。几乎在同时，2015年6月5日，太空探索技术公司的创始人伊隆·马斯克宣布打算在2016年发射两颗Ku频段低轨试验通信卫星，以验证组建由4000颗卫星组网的低轨巨型星座所需的技术。这两颗卫星取名为微小卫星1a和1b，将运行于615km高度的近极地轨道，其主要目标是验证巨型低轨星座所用的宽带天线通信平台及有效载荷。但由于该卫星星座所用轨位及频率资源尚未获批，卫星能否发射尚在协调中。因此马斯克一反过去的高调，在2015年7月对媒体坦言：“巨型星座计划仍处于孕育阶段，公司对低轨星座的发展将采取‘谨慎渐进’的态度，我们决不做自不量力的事。”此外，谷歌公司除了宣布要向太空探索技术公司投资9亿美元在西雅图建设一座生产数千颗小卫星的工厂外，还正在实施一项称之为“潜鸟”的互联网宽带接入计划，试图用同温层气球取代卫星通信。同样，最近三星公司发布组建由400多颗卫星组网的全球互联网宽带接入计划也只是一种早期孕育设想。可见，大部分计划都是为了抢占低轨通信的轨位和频率资源。目前正在认真实施的只有一网公司。　　二、格雷·怀勒——创新团队的核心与灵魂　　一网公司寓意于OneWorld，OneWeb，即同一世界，同一网络。它是一家在英国泽西岛注册成立的新创卫星互联网宽带接入服务公司。　　格雷·怀勒（Greg Wyler）曾是英国O3b公司的创始人，2015年被美国《空间新闻》周刊评为影响世界航天、改变航天产业游戏规则的领军人物。　　就像苹果的创新团队离不开乔布斯，阿里巴巴的创新团体离不开马云，太空探索技术公司的创新团队离不开马斯克一样，格雷·怀勒在一网星座的创新团队中也是核心与灵魂。怀勒最初的梦想就是建设O3b卫星网络，为南北纬40度区域内的30亿人间接提供宽带互联网接入服务。如今这一梦想已经变成现实，截至2015年9月已有12颗卫星在轨服务，可提供总吞吐容量为100Gbit/s的传输能力。O3b星座运行在8000km高度，釆用能与GEO通信卫星兼容共享的Ka频率。　　为了追求更高更宏大的全球互联网卫星宽带接入的梦想，怀勒离开O3b公司，创建一网公司，试图采用颠覆传统的创新技术直接为全球尚未覆盖陆基通讯的海陆空区域提供卫星互联网宽带接入服务，实现“同一世界，同一网络”的愿景。怀勒的创新团队及其合作伙伴主要有：O3b公司前技术总监布莱恩·霍尔兹，高通公司、空客公司、维珍银河公司、可口可乐公司、国际通信卫星公司、印度和墨西哥的电信网络运营商，以及法国和美国的进出口融资机构。上述与一网创新理念相同的追梦者和利益相关方，涵盖了航天产业从卫星制造、发射服务、终端设备制造、市场运营服务和金融信贷支持的全产业链。他们跨越传统创业的“市场思维”，以“资本思维”为纽带，将志同道合的利益相关方紧密连结在一起，形成命运共同体。　　三、一网星座的若干进展　　按照一网公司目前披露的信息，英国政府已为其低轨巨型星座向国际电联提交了多项Ku和Ka频率的登记申请，并已取得国际电联对其低轨Ku频段星座的授权。但一网公司必须在2018年和2020年发射首颗卫星并开通业务才能真正获得该频率的使用权。　　该公司设想的低轨卫星星座将由648颗重125kg的工作卫星组网，设计寿命5年，采用能与GEO商业通信卫星兼容共享的Ku频段，轨道高度1200km，每颗卫星的平均造价为40万～50万美元，每颗卫星的吞吐量至少为8Gbit/s，用于向边远海岛和农村等地区的用户提供50Mbit/s的互联网宽带接入服务，时延仅为20～30ms。其核心市场是尚未覆盖陆基电信的个人和航空公司，项目工程的总投入预计需要25亿～30亿美元。该公司已启动用户终端设备的研制工作，计划打造一款双模终端，能够在3G/4G/WiFi等地面网络与卫星网络之间自由切换。终端天线将采用相控阵天线技术，设想尺寸为36cm×16cm。其中最重要的终端芯片由高通公司负责，并与洛克韦尔·柯林斯公司和霍尼韦尔公司合作，共同研制航空终端。　　卫星制造。2015年2月一网公司发布卫星研制招标，共有空客、洛马、德国OHB、劳拉和泰阿公司参与竞标。经过4个月竞争，最终选择空客公司作为一网卫星制造商。航空领域的工程经验是空客取胜的最大优势。一网公司将与空客公司合作在美国建立卫星生产线，一网公司负责确定卫星性能指标并承担整个工程的监造。首批卫星将于2017年启动，多数卫星将于2018年开始部署。　　发射服务。一网公司己选择阿里安航天公司作为发射主承包商，合同价值超过10亿美元，将釆用联盟号火箭分21次将650～720颗卫星送入轨道。首发10颗试验卫星将于2017年发射，余下20次每次各携带32～36颗卫星。而维珍银河公司作为重要合作伙伴也获得了39次发射合同，并可扩展至100次。其发射者1号火箭每次发射1～3颗卫星，主要作为快速响应的补网发射提供商。　　四、创新　　关于这一波低轨星座全球互联网宽带接入的设想是否会重蹈前两波低轨通信星座的覆辙？以及它们追求的梦想究竟是颠覆传统的创新，还是盲目冒险？对于这些问题，目前因缺乏足够信息且刚处于早期发展阶段，因此很难给出明确的答案。但是从一网公司执行总裁格雷·怀勒及其合作伙伴老总们对一网的所作所为可以看出他们是认真的，决非盲目冒险；而且与传统卫星通信产业和上世纪90年代的两波低轨卫星通信星座发展相比，一网星座仍有许多创新，有的甚至是颠覆式的创新。　　1. 颠覆传统卫星制造模式　　与传统大卫星的设计、研制、试验和生产模式相比，一网星座所需的大约900颗小卫星的批量生产模式可以说是颠覆式创新。　　欧洲空客防务与航天公司之所以能在五大美欧卫星制造商的竞争中赢得这块大蛋糕，主要是其航空航天经验，而且其解决方案中注入了最优秀航空航天工程技术人才的智慧和创新思维。加上他们每年生产交付600多架商用飞机的经历，使怀勒坚信他们能够实现从年产10多颗大卫星向年产300～400颗小卫星的跨越式转型。根据一网公司与空客公司达成的协议，这一史上最大规模的大订单的前10颗卫星将在欧洲设计和生产，其余卫星将在美国本土建厂生产。其生产线每天要组装生产至少1颗卫星，平均成本不高于50万美元。这种批量组装生产模式如能获得成功，对现有传统的卫星制造业肯定会带来颠覆性影响。　　2. 创新的融资模式　　一网公司的创新团队打破了传统商业航天的投融资模式，以“资本思维”替代传统创业者的市场驱动思维，他们不是先找政府要投资或是去找风险投资，而是寻找发展卫星互联网宽带接入这一创新理念的志同道合者，并以资本为纽带形成利益相关的命运共同体。在这一产业链中的每一个角色既是投资者也是利益相关的受益者，一网公司首轮集资的5亿美元就是以这种创新的投融资模式获得的。怀勒不仅“空手套白狼”获得了卫星制造、发射服务和终端设备制造业者的投资，同时也得到了竞争对手国际通信卫星公司的支持和融资。　　3. 创新的市场运营模式　　一网公司创新团队充分汲取前两波低轨星座失败、流产和不太成功的教训，决心要在市场运营上闯出一条新路。他们的策略是：不与陆基电信网络竞争而是采取充分合作的市场运营模式。　　高通公司总裁保罗·雅各布认为，一网这个全球系统肯定要改变世界。过去他们也曾有实现全球覆盖的梦想，建成了“全球星”系统，但他们犯了错误，当时没能预料到地面蜂窝网发展如此迅速。更致命的错误就是他们向大众推销的卫星电话，不仅体积笨重、价格贵，而且还必须走出室外打开天线才能通话，这种卫星电话根本无法与地面蜂窝手机竞争。而现在一网星座采用空中回程技术，与蜂窝网络运营商合作，使人们可以使用现有的智能手机和移动终端在室内外进行方便快捷的宽带互联网接入业务。这是一网星座与过去低轨星座的最大不同点，也是创新的亮点，更重要的是这种与地面通信系统合作而不是竞争的运营策略，可以简化卫星设计，使卫星更小、造价更低廉。　　将竞争对手变成合作伙伴的另一典型案例就是与国际通信卫星公司的结盟。这种结盟创造了史无前例的合作机会和创新的低轨道与静止轨道卫星共享Ku频率带宽，以及一网星座与下一代国际通信卫星群在业务上实现互操作的创新运营模式。也就是说，由于一网卫星能在两种轨道之间进行无缝切换，因此未来对时延不敏感的流媒体业务可以利用静止轨道卫星在点波束中提供集中式大容量传输，而对时延比较敏感的业务或是需要全球覆盖的业务，可以由一网星座去完成。这种将竞争关系变成优势互补合作伙伴的运营模式是过去两波低轨星座无法做到的。　　4. 创新的轨道设计　　一网星座精心选择的近极地1200km工作轨道是权衡多种复杂需求的结果。与传统静止轨道通信卫星相比，其最大优势是辐射环境特殊和时延最小，仅有20～30ms。据一网公司航天系统技术主管布莱恩·霍尔兹透露，这一轨道的辐射特性非常特殊：它对质子辐射有益，但对电子能量总剂量不利。加上多年来美欧卫星制造业对低轨道辐射环境有了更深入的了解，在O3b卫星设计时早已采用了升级版的辐射模型，因此他们在设计一网卫星时可以采用新模型的更精确的辐射环境数据，更宽松的抗辐射裕度。同时在卫星设计时还可以充分利用上述特性，将敏感的元器件深藏在足以避免辐射的地方，甚至可以更多地采用商用微电子器件，以降低成本。此外，这种轨道有助于简化卫星系统的操作，实现所要求的无缝连接和全球覆盖，并允许在有更多业务需求的区域配置更多的容量。　　5. 首创局部地区避免干扰的“渐进俯仰”技术　　这种由一网公司首创的“渐进俯仰”（Progressive Pitch）技术，主要是为了避免干扰静止轨道上的大量Ku通信卫星，所采取的措施是让途经赤道上空的一网卫星略微俯仰转动，以降低对静止轨道共享Ku通信卫星的干扰。　　五、面临的风险和挑战　　10多年来，地面蜂窝通信网做了许多艰苦工作试图将移动通信扩展到全球，但迄今还只能覆盖人口集中的大城市和小城镇，地球上人口稀少的大部分地区仍然是通信盲区，一网的梦想就是填补这些盲区，真正确保世界上任何地方的任何人都能以较低成本、方便快捷地接入互联网。　　这种改变世界、颠覆传统的梦想能否成真，主要取决于能否闯过下述风险和挑战。　　1. 卫星制造、发射和组网面临的风险和挑战　　对于史上最庞大复杂的巨型低轨星座的研发、批生产和发射，目前尚无详细披露的计划。其成败的关键取决于能否在如此短暂的几年内大批量生产高质量、低价格的卫星。这涉及研制标准化、模块化和即插即用部组件（包括选用商用现货产品），重建并大大简化卫星制造流程。传统卫星制造流程中，开展严格的各项测试与验收是最耗费时间和“烧钱”的环节，空客公司要在简化流程和确保质量之间取得平衡将会面临严重挑战。此外如此密集的648颗卫星的发射和精确入轨，以及每年平均130～150颗补网卫星的制造和发射更是史无前例的挑战。阿里安航天公司几乎无法在现有繁忙任务下加塞安排21次欧版联盟号火箭发射一网卫星的活动。　　2. 技术风险　　低轨星座设计是非常复杂的，轨道越低，覆盖区域就越小，而且需要更多卫星在极地上空停留更长时间，耗费更多时间做卫星间的信号切换。这就是低轨卫星数量增多带来的后果。此外地面终端也将面临很大挑战，除非达到数百万的批量，否则成本很难降到大众可承受的价格。有技术分析师为了证明低轨星座设计的困难与复杂性，做了如下假设：如果终端口径30cm，并且是固定的，仰角大约15度，则天线覆盖区内应有几个子波束，当卫星过顶时，天线在每个波束之间大约每隔45秒就需要切换一次。如果卫星处在不同轨道面，情况会更加复杂。因此怀勒认为一网系统面临的技术风险，当属地面终端芯片的研发，以及如何在648颗卫星之间传递50亿bit/s的数据流，而且还要在遵守国际电联规则的前提下具备向GEO卫星和千百万用户无缝连接切换的能力。　　3. 信号干扰和落地权问题将成为潜在的挑战　　由于一网星座所用Ku频率与GEO卫星相同，因此处于赤道地区的GEO卫星通信用户可能面临潜在干扰。鉴于几年前美国光平方公司4G天地融合宽带网络对GPS卫星用户设备潜在干扰引发的争论并导致光平方公司破产的严重教训，一网卫星选用的频率能否满足国际电联严格的规则要求，以及是否会对在轨的其他卫星或地面无线设施产生干扰尚需得到实际发射卫星的验证。　　落地权对多数国家都不是问题，但对印度和中国等国家来说还需要做许多工作。　　六、结论　　1）新一波低轨通信星座追求的梦想是全球互联网宽带接入，这一梦想虽有风险，但业内市场分析师认为不会重复前两波低轨通信系统的失败。　　从本质上分析，卫星互联网全球宽带接入业务仍然是陆基光缆和蜂窝移动通信的补充、延伸和填隙，基本上还是小众市场，因此从实现梦想到收获丰厚利润还有很长的路要走。　　2）卫星互联网全球宽带接入业务不仅具有广泛的商业用途，而且对应急救援、民航部门、国土安全部门和军事部门均具有重要价值。我国决不能再次错过这一发展机遇。　　我国幅员辽阔，海洋领土300万平方千米，互联网和手机用户超过7亿。其中约有5万个行政村未通互联网宽带业务、3000多万农村家庭宽带急需升级，民航乘客宽带业务尚未开发，海上和西部大部分地区仍是通信盲区，卫星互联网宽带接入是填补这些地区数字鸿沟和境内外应急救援的最佳解决方案。为此国家将投入1400亿元力争在2020年实现宽带覆盖98％的行政村。　　3）应重视研究新一波低轨星座发展及卫星互联网宽带接入业务对我国航天产业和国家信息安全产生的潜在影响。　　低轨卫星互联网宽带接入业务如获成功，中国市场无疑是竞争的热点。这种跨越国界的全球互联网接入业务必将带来信息安全问题。信关站和落地权限制也许能解决大部分地区的管制问题，但对于西北边疆和许多边境地区却很难管控。　　4）新一波卫星互联网全球宽带接入在美欧的兴起，表明小卫星技术已日趋成熟，并已从大学和科研机构转向民营企业，从实验阶段走向实用和商用阶段。其中重要驱动力就是科技创新和市场需求。　　5）一网超级星座工程如获成功，将对传统卫星制造业和卫星通信服务业产生巨大冲击。虽然未来的大型高价值航天器仍将采用传统的研制生产程序，但小卫星星座的批生产将会采用一网星座的模式。　　6）创新是驱动航天技术及其产业发展的主要驱动力。在美国，民营的高科技企业正在创新开发大众需求的航天产品和服务，而NASA和其他官方科研机构正在将其主力转向发展地球轨道以远和涉及国家安全的颠覆性创新技术。

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