4.2万颗卫星背后,一场被忽视的资源竞争

编者按:本文来自微信公众号 “甲子光年”(ID:jazzyear) ,作者 刘景丰,编辑 火柴Q。36氪经授权发布。

4.2万颗卫星背后,一场被忽视的资源竞争

4月下旬以来,马斯克又一次站到了聚光灯中央,这次,吸引关注的不是特斯拉,而是他的另一家公司——SpaceX。

此前,SpaceX的星链计划在2019年10月16日将卫星发射总数量从1.2万颗更新到了令人咋舌的4.2万颗卫星(1.2万颗已获批准,3万颗已提交申请)。

这些卫星,将打造天基互联网,实现高带宽、低延时的卫星通信。

4月22日,当这一宏伟计划的第七批60颗卫星上天后,马斯克进一步宣称:该卫星互联网业务“3个月内内测,6个月内公测”。

4.2万颗卫星背后,一场被忽视的资源竞争

星链计划发射中的卫星,像一串梦幻的“星际列车”。

“高带宽、低延时”,听上去完全是冲着中国正大力发展的5G而来。

至今,SpaceX已发射的星链卫星总数达422颗。而今年,星链共计划送1000多颗卫星上天。

未来,如果4.2万颗卫星全部上天,则马斯克会凭一己之力,将目前太空的卫星密度提高20倍——目前,人类发射的仍然在轨的卫星数量仅为2000颗左右。

这4.2万颗卫星多数会分布在500多公里高度的近地轨道,它们将把近地外太空分割成一个个如北京城大小的区域,每颗卫星之间的距离为240公里左右。

而在吸引眼球的卫星上天背后,一场被忽视的资源竞争有正在展开——毕竟太空不是谁家,卫星不是想发就发。

每一颗进入澄澈星空的人造天体都需要先经历凡尘地面的“纸上谈兵”,这里没有穿过唐怀瑟之门的C射线,也没有在猎户座边缘熊熊燃烧的太空飞船;只有冗长、磨人的国际会议乃至纠纷。

这就是围绕卫星频率资源——这一卫星上天的“通行证”——的争夺。

本文,「甲子光年」采访了天仪研究院创始人兼CEO杨峰,九天微星副总裁李源,北京航天驭星科技有限公司副总裁、技术总监朱太平等业内从业者,看马斯克如何实现他的太空大版图,以及中国在太空竞争中的差距与机会。

1.俨然落后的资源竞争

在马斯克发射4.2万颗卫星背后,一场由商业航天公司发起的太空资源争夺战正在拉开。

这背后,既有个体公司的“神通”,也有整个国家的支持。

实际上,卫星频率或卫星轨道可以说是一种不可再生的战略资源。

“理论上从地球表面以上180公里到地球同步轨道之间可以发射无数颗卫星,属于可再生资源。但星链这种由成千上万颗小卫星组成的网络,当一小部分卫星损坏或寿命结束,会发射新卫星补网,而不是把整个轨道资源让出来。这就形成‘先占永得’的局面。” 北京航天驭星科技有限公司副总裁、技术总监朱太平告诉「甲子光年」。

此外,考虑到卫星安全运行的需要,也要对太空卫星数量进行限制。

既然资源不可能无限,争夺必然激烈。

早在上世纪90年代,美国铱星公司就提出铱星计划,向近地轨道发射了66颗卫星,以提供全球任何地点的电话业务。2015年,马斯克宣布SpaceX推出星链计划,向近地轨道发射1.2万颗通信卫星。随后到2018年3月,联邦通讯委员会FCC做出批准,允许其将4425颗卫星送入轨道;同年11月, FCC再次批准其将7518颗卫星送入轨道,为SpaceX打造完整太空卫星网络铺平了道路。

2016年,由软银投资的英国商业航天公司OneWeb准备用720颗卫星实现低轨覆盖,计划先对发达国家地面网络未覆盖的中小型企业开展B2B卫星通信服务,之后再对偏远地区提供服务。

今年,OneWeb和SpaceX又先后扩充了卫星规模,其中OneWeb追加了1260颗卫星的申请,SpaceX则追加了3万颗卫星。不过OneWeb现在是出师未捷身先死,该公司由于融资困难等问题已提交破产申请;而SpaceX追加的3万颗卫星对应的频率正在申请中。

除此之外,美国电商巨头亚马逊也提出了自己的星链计划Kuiper项目,计划向近地轨道发射3236颗卫星,但项目处于早期研发阶段,还未发射任何卫星。

粗算下来,仅这几家商业航天公司的星座计划包含的卫星总数已经超过4.7万颗。

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未来地球将被各种卫星团团包围

中国在2017年,也推出了自己的“星链”计划——虹云工程,该工程由中国航天科工执行,计划发射156颗卫星,在距离地面1000公里的轨道上组网运行,构建一个星载宽带全球移动互联网络。

此外,中国航天科技集团也推出鸿雁星座计划,在 2022 年建成由 60 颗卫星组成的通信网络;二期计划到2025年部署320颗卫星,构建“海、陆、空、天”一体的卫星移动通信与空间互联网接入系统,实现全球任意地点的互联网接入。

民营商业航天公司中,九天微星的物联网星座则包含72颗卫星。

这些卫星已部分发射,虽然没有公开对外宣称具体情况,但其中的大部分已获得频率许可。

从已获频率许可的卫星部署数量上看,600对阵1.2万,双方差距十分悬殊。

在差距背后,有一个规则问题——太空资源虽然是人类共有的资源,但卫星不是想发就能发。太空也要讲“基本法”。

这个“基本法”就是太空频率申请规则,即由主管国际信息通信技术事务的机构——国际电信联盟(ITU)制定的《无线电规则》。

根据《无线电规则》,地球同步轨道只有一条,是不可再生资源,各国之间要公平分配;而其他轨道则需要各国按“先登先占”的原则协调分配。

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在2019年世界无线电通信大会上,来自北理工大学的中国代表正在争取尚未分配的太赫兹频谱权益。

目前,地球静止轨道上C频段通信卫星已近饱和,Ku频段通信卫星也很拥挤。

近年来,包括日本、印度、韩国、马来西亚在内的亚太国家,纷纷自行或联合制造通信卫星,抢占轨道资源。各国卫星之间出现“撞车”的情况时有发生。抢占卫星频率和轨道资源,争夺太空优势,已成为当今世界卫星发展领域的热点之一。

如今商业航天公司争夺的近地轨道资源,正是这种“先登先占”的蛋糕。

国内民营商业航天公司天仪研究院卫星副总师陈刚告诉「甲子光年」,在美国,SpaceX需向联邦通讯委员会(FCC)提交卫星用频申请,而且FCC对马斯克的星链计划也有政策上的倾斜,在申请过程中制造了很多便利。

FCC在一份声明中就曾表示:“通过这一行动(星链计划),委员会将进一步采取措施,提高美国高速宽带的可用性和竞争力。”这也侧面印证了FCC对星链计划的支持,因此SpaceX能够很快申请到相关频率。

实际上,FCC不仅对包括SpaceX在内的商业航天项目给与支持,在外还有专人常驻国际电信联盟,目的就是守在门口要频率资源。

这种积极、强势的政府风格,是SpaceX等美国民营商业航天公司获得如此巨量卫星频道资源的重要原因。

而在国内,角色类似于美国FCC的机构是国家无线电管理局(即国家无线电办公室),隶属于工信部。

它的职责是对内分配资源,对外申报、协调卫星频率。

目前国内大多数的卫星发射项目依然由国有航天企业掌握,这些资源由国家配给,单个国企又缺乏向上推动政府更积极参与国际资源竞争的商业动力。

而本就弱势的国内民营商业航天企业,虽然有获得更多资源的商业动力,但在现行体制下,也较难推动上级采取动作。

回看过往,在导航卫星的频率争夺上,中国就吃过亏。

美国的GPS卫星系统到目前为止仍是全球主流的卫星定位系统,向全球免费开放使用,一度占据了全球导航市场90%以上的市场份额,全球用户超过33亿。

除了大家都知道的定位、导航作用外,GPS还有授时功能——它掌握着时空定位能力,已经融入了国民经济建设和社会发展的各个应用领域,是生产作业、乃至军事活动的重要基础设施。

在卫星频率上,起步于上世纪70年代的GPS和同时代的苏联格洛纳斯定位系统(苏联解体后由俄罗斯接管),在早期抢占了中轨道全部5个导航频段中的4个,坐拥黄金C位。这让他们在不需要发射太多数量卫星的同时,也能保证定位的精度,还能减少发射和运营成本。

等中国的北斗和欧洲的伽利略计划在2000年前后起步时,就只能抢边角料了,双方为频率申请的先后问题拉扯了8年。

然而现在,和导航卫星的频率争夺不同,新一轮太空资源争夺赛中,中国商业航天在天基互联网方面与美国的起跑时间相差无几。

如果说,过去是由于起步太晚,导致频率争夺占了下风,这一次,就没有理由再落后了。

2.仅有频率资源是不够的

但是,频率资源还只是第一道门槛。

“我特别不喜欢听到‘资源’这个词。”天仪研究院创始人兼CEO杨峰告诉「甲子光年」。

即使一个国家或企业,拥有所有的频率资源,所有的轨道资源,也不意味着它就能成功。

“如果它的卫星成本很贵,它的火箭运载很贵,卫星上去又不好使,它建起来的网络没人用,不也是白搭吗?”杨峰说。

换句话说,频率资源,是发展太空业务的必要非充分条件。

在他看来,太空资源的争夺,除了频率资源,还要考验一家企业的持续融资能力、火箭发射能力、卫星制造能力,以及持续运营能力。

一个眼前的例子便是OneWeb。

OneWeb 一直被视作马斯克SpaceX的劲敌,也是除SpaceX之外仅有的正式批量部署低轨道通信卫星的公司,目前其在轨运行卫星已有74颗,并先后获得软银20亿美元的投资。然而由于成本太高,卫星业务不仅无法变现还连连亏损,加上新冠肺炎带来的影响,最终其在今年3月底提交了破产申请。

对此杨峰曾分析称,OneWeb在融资、收入、竞争、发射所遇到的问题都是表面问题,是冰山露出的一角,而埋藏在深处的则是成本和技术问题。

说白了,拼到最后,还是要看技术能否足够好,成本是否足够低。

这场中美太空争夺赛中,频率资源差距之外,航天成本上的差距也尤为明显。

根据自媒体“小火箭”创始人、北京航空航天大学博士邢强测算,2020年1月SpaceX发射60颗卫星的总成本约为3500多万美元,平均下来,每个重达260公斤的卫星发射成本不足60万美元,每公斤发射成本只有2300美元。

而在业内,SpaceX的猎鹰火箭之后,被认为世界上第二便宜的商用火箭发射费用也在1万美元/公斤左右。

天仪研究院杨峰也表示,目前猎鹰9的发射价格对外是6200万美元,但是其他的火箭可能一发要上亿美元;SpaceX一次发射火箭可以装60颗卫星,而在传统的方式下只能装30颗,甚至更少。此外,SpaceX号称一颗卫星的造价仅50多万美元,而一般传统的卫星造价要在两三百万美元,甚至更多。

4.2万颗卫星背后,一场被忽视的资源竞争

星链计划发射画面,目前SpaceX的火箭已能实现一次发射60颗卫星。

在运载能力方面,SpaceX在2018年发射了一枚猎鹰重型运载火箭,运载力达63吨。能制造如此大推力运载火箭的国家,也只有美国和俄罗斯。而我国目前比较先进的军用运载火箭 长征5号,近地轨道运载力是25吨,地球同步轨道运载力仅为14吨,远不及猎鹰重型火箭。

不可否认,中国航天的整体技术水平、发射成功率在全球范围内名列前茅。《中国航天科技活动蓝皮书(2019年)》的数据称,2019年,在102箭、492个航天器的世界航天发射版图中,中国航天以全年发射运载火箭34次、航天器86个的成绩,分属第一、第二的位置。

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4.2万颗卫星背后,一场被忽视的资源竞争

技术不差,可细算下来,为什么就出现这么大的差距?

这是因为,中国航天长期以国有经营为主,一直以国家军事任务、探测任务为先。这就意味着,其研发、制造费用可以不计成本,并不以市场竞争为出发点。

而美国商业航天市场早在上世纪便已形成,铱星便是一个例子,尽管困于商业化瓶颈被收购,但它的技术积累和商业化探索仍是一笔宝贵的财富。

此后的SpaceX站在前人的基础上,不仅把卫星研发成本降低到50万美元的极低水平,还在全球首次掌握了火箭回收技术,大大降低了卫星发射成本。

这带来一个启示:长期被国家支撑的航天产业,需要一条灵活的“鲶鱼”来搅动这摊静水。

3.仅有国家队是不够的

这条“鲶鱼”,就是民营商业航天企业。

国内民营卫星创业公司九天微星的副总裁李源告诉「甲子光年」,发展民营商业航天的目的,就是为了降成本,做创新。

首先,国内航天成本高的重要原因是供应链可选较少,市场化不够。

中国的航天长期是国家队在做,许多供应链没有向商业市场开放,这就造成国内航天产业供应链的市场化成熟度较低。

据「甲子光年」了解,一般情况下,国内传统航天公司在研发航天产品时,如果需要哪些系统部件,它会自己成立一个研究院所,然后把子系统的研发生产放到该研究院所,自己消化掉。

这样的结果就是,每家公司都变成了一个总包单位,形成了封闭的供应链。尽管这需要大量的资金投入,甚至有一些是重复投入,但由于研发生产的背后是国家财力支撑,因此不差钱。

在某些环节,中美航天产品制造成本的差距甚至可达十倍以上。

缺乏成熟供应链,同样给民营商业航天公司带来成本居高的问题,制约民营商业航天的发展。

第二,传统航天没有形成好的技术成果转化创新机制。

美国有很多研究院所做的航天技术创新,中国并不是没有做过或者想过,只不过最后没敢做。

没敢做的原因,既有供应链上的差距,又有体制上的制约。「甲子光年」了解到,由于国内航天公司承担着国家发射任务,对安全、稳定要求极高,对试错的容忍度不及民营商业航天公司,因此对冒风险的技术创新比较谨慎。

第三,则是国内传统航天企业的技术迁移能力不够。

“中国需要去做的一点,就是跨圈。”九天微星李源说。

说白了,做航天创新,不能只从航天圈去想,还要从其他圈子——包括5G的圈子、车规级的圈子、工业的圈子——去想接下来可以迁移的模块或者子模块有哪些,做大胆的尝试。

放活民营商业航天,是倒逼解决这些问题的最好方法。

美国航天基金会2019年的数据显示,全球航天经济总量已达3835亿美元。其中,商业航天收入3073亿美元,约占全球航天经济总量的80.1%;政府航天收入762亿美元,约占19.9%。

从美国的数据来看,商业航天已成为航天经济总量增长的主要因素,而民营商业航天公司将会成为航天的重要角色。

航天专家黄志澄曾表示,未来我国在太空探索领域尤其是载人探月探火等方面,很可能面临与美国的同台竞争,届时民企的作用将进一步凸显。例如,载人登月需要靠国家队,但建设月球基地可能更需要民企,因为月球资源开发市场风险高、具有很大不确定性,完全花纳税人的钱去开发未必妥当,而民企则更适合。

这里必须再提一下马斯克,在中国专家认为需要靠“国家队”来做的载人航天领域,马斯克也不会放过。

5月27日,SpaceX计划用其自主研发的载人龙飞船(Crew Dragon)进行首次载人飞行,将两名NASA宇航员送往国际空间站。

包括SpaceX在内的美国商业航天民营公司已是四处开花,虎视眈眈。

这更凸显了中国在航天领域开展“军民融合”,引入民营企业活水的必要性。

下一场“星球大战”,已在路上。

这一次,主角不能再依靠甘愿骑自行车上班的院士。

像马斯克这样有知识、有野心也有资本加持的“科技大亨”,中国也不怕来一沓。

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