陈蓝:马斯克做不到的,我们可以做到

来源:观察者网

2023-11-30 08:44

陈蓝

陈蓝作者

航天爱好者,英文电子杂志“Go Taikonauts”创办人之一

【文/观察者网专栏作者 陈蓝】

北京时间2023年11月23日18时,我国在西昌卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭,成功将卫星互联网技术试验卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。

图1 卫星互联网技术试验卫星发射升空(图源:互联网)

如果您一直关注中国航天,一定会记得几个月前几乎一模一样的一条新闻:

北京时间2023年7月9日19时00分,我国在酒泉卫星发射中心使用长征二号丙运载火箭,成功将卫星互联网技术试验卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。

除了火箭、发射时间和地点,此次发射几乎就是一次复刻。美国军方的空间物体监测系统还发现,两次发射都是一箭多星,上次是两颗星,这次则是三颗。它们都进入了倾角50度左右、高度1100公里的圆轨道。

那么,是什么样的卫星系统需要国家队来发射这样一个小星座进行试验?答案已经呼之欲出,那就是1.3万颗星的星网(又称国网,以下统一用星网简称),我国规划的巨型低轨互联网星座。

笔者在上篇文章中已经全面介绍了移动卫星通信40年的漫长发展历史,那么本文就作为它的续篇,对我国在未来通信技术最重要的发展方向(没有之一)——天地融合的宽带互联网星座方面的发展做一个展望。

虽然低轨宽带互联网星座在30年前就曾成为过媒体热点,但铱星和全球星的商业失败让比尔·盖茨等投资者最后知难而退。真正让低轨卫星互联网成为现实的是马斯克的星链,目前星链卫星数量已经超过5000,活跃用户数量超200万,而且还在过去一年中实现了盈利。

星链让众多怀疑论者不得不承认了卫星互联网的技术可行性。它成功地进行了市场教育,也为包括中国在内的后来者完成了多项技术和商业验证:

·卫星使用定向多波束平面相控阵天线,保证了容量和信号强度;

·地面移动终端使用平面相控阵天线,用电子定向波束自动跟踪卫星是可行的;

·低轨星座可以实现比地面光纤更短的通信延迟(因消除了光纤内部反射和复杂路由);

·星间链路能进一步缩短通信延迟,减少地面关口站数量,从而降低系统运营成本;

·平板卫星技术可行,层叠发射能实现一箭60星以上;

·使用可复用火箭可以做到每年50次以上的高频率组网发射;

·巨型低轨星座技术上是可行的,商业上是成立的。

图2 星链一箭60星发射(图源:SpaceX)

必须承认,在这个领域我们落后了。但事实上,我们起步并不是太晚,我国在十年多前就开始低轨互联网星座的规划和预研。那么,这些年都发生了什么?我们先回顾一下。

我国最早尝试低轨星座的,是我上篇文章中提到过的大唐通信所属北京信威通信技术公司。这个曾开发SCDMA(大灵通)、TD-SCDMA、McWill等通信技术的技术公司,后来因连年亏损差点倒闭。2010年商人王靖入主信威后,开始实施低轨通信星座的宏伟计划。2014年9月,和清华合作研制、号称国内首颗低轨移动通信卫星的“灵巧通信试验卫星”发射并进行了成功的初步测试,但从此没了下文。十来年前,国内类似信威的商业卫星项目还有不少,但都未能成正果。

航天科技和航天科工两大集团早在上个十年就宣布了低轨宽带“鸿雁”和“虹云”星座。按照规划,鸿雁一期由60颗卫星组成,整个系统由324颗卫星组成,预计于2025年建设完成,可实现覆盖全球的互联网接入。“虹云”星座计划发射156颗卫星实现全球组网,也计划于2025年完成建设。2018底,两大工程的首发验证星相继发射成功,间隔只有7天。但此后都陷入沉寂,两个项目的组网发射均未发生。

迄今为止,国内真正实施、已初步完成组网发射并投入使用的低轨星座,是国电高科的天启物联网星座。但它只是一个窄带通信星座,只能用于物联网数据采集。天启也规划了宽带星座,但近几年民营的银河航天非常活跃,它已经进行了三次发射。

2020年1月16日,银河航天首发星上天。该卫星采用Q/V和Ka频段,具备10Gbps速率的透明转发通信能力,号称国内首颗低轨宽带通信卫星。2022年3月5日,银河航天02批6颗星一箭多星发射成功,单星容量达40Gbps。7颗卫星构成的“小蜘蛛网”低轨通信试验系统传输速率超200Mbps,延迟小于30毫秒。但受卫星数量限制,通信时长不超过30分钟。银河航天曾有过巨型星座计划,但目前已不再提起。7月23日,银河航天发射成功灵犀03星,重点转到平板卫星和柔性电池板等新技术试验。

其实,在星链快速取得巨大成功以后,明眼人都能看得出,我国的这些星座计划规模都偏小,性能和星链差距甚大,竞争力不足,被打入冷宫也在情理之中。

情况在2020年9月出现了变化。中国在国际电联为名为GW的巨型星座注册了无线电频率,星座规模12992颗,分布于500-600公里和1100公里左右两种高度。你可能注意到,今年发射的卫星互联网技术试验卫星就位于其轨道之一。

这才是一个真正对标星链的计划,目前世界上也没有第三个。它显然整合了包括“鸿雁”和“虹云”在内的多个原有星座,一举达到了新的高度。2021年4月,中国卫星网络集团有限公司(简称星网公司)在雄安挂牌成立。中国巨型互联网星座正式登场。

归纳一下,这些年来,我们一方面密切跟踪星链的进展(所谓摸着鹰酱过河),另一方面不断自我摸索和低成本试错,以便制定后发制人的优化方案。所以,我们的进展看起来确实缓慢,但避免了大的方向性错误和弯路。巨型星座不可能一夜间从天而降,我们这些预研所积累的技术和经验,是接下来厚积薄发的重要基础。

近来,国内卫星互联网进展的新闻越来越多,我们能感觉到前进的步伐在不断加快。

在通信技术方面,天地融合的NTN(非地面网络)近日一直是关注热点。它是3GPP 5G-A(5.5G)和未来6G标准的一部分,一旦实现,卫星将成为太空基站,手机(包括目前不支持卫星通信的存量手机)将能直连卫星实现语音通话和宽带上网。华为、中兴等通信设备厂商和中国三大运营商都在紧锣密鼓地开发NTN相关产品或进行NTN地面试验。

9月初,中国移动携手中兴通讯、是德科技共同完成国内首次运营商NR-NTN(宽带)低轨卫星实验室模拟,成功验证了NR-NTN透明转发和星上再生两种基本组网模式下的手机直连低轨卫星的技术可行性,实现了端到端全链路贯通及数据传输验证。11月13日,中国电信联合中兴通讯等发布5G NTN技术白皮书。11月21日,华为在重庆发布了下一代手机直连卫星的研究成果,并公布了NR-NTN再生卫星在轨测试验证结果。

10月底,银河航天公司透露,灵犀03星成功实现了国内首例终端到终端低轨卫星通信测试。这意味着用户将能避免地面信关站,直接使用星上交换设备实现两个用户的通话。

在卫星技术方面,银河航天的灵犀03星是我国首款平板式卫星,和星链卫星非常类似。发射后第四天,灵犀03星堆叠压紧分离机构在轨分离成功,柔性太阳翼展开,QV天线成功解锁并展开到位。

11月21日,银河航天创始人徐鸣在重庆透露,公司正在研制相控阵天线和太阳翼一体化的“翼阵合一”通信卫星,目前已完成卫星的二维展开关键技术攻关。这个技术对未来存量手机直连卫星非常重要,因为只有卫星装备了巨大的平面相控阵天线,才能有足够的发射功率让地面手机收到信号,也能接收来自地面极其微弱的信号。美国AST SpaceMobile的蓝行者三号卫星已经通过实测证明存量手机也能直连卫星,它的天线/太阳翼面积达64平方米。

图3 银河航天平板卫星(图源:银河航天)

图4 银河航天“翼阵合一”卫星(图源:银河航天)

这次发射的卫星互联网技术试验卫星由航天科技五院研制,估计发射重量和通信容量更大,但卫星的具体信息没有透露。

按照国际电联规定,卫星登记频率后,必须在限定时间内完成发射。所以,从明年开始,我们将见证星网大规模组网发射的开始。那么,如此规模和密度的发射,我们准备好了吗?我们有足够的火箭用来发射吗?我们的发射成本能降下来吗?

答案是:没有问题,已经准备好了。我们的航天人期待这一天已经很久了!

毫无疑问,火箭国家队依然将是巨型低轨星座发射的主力。海南商业航天发射场就是为了支持未来大规模高密度发射而建设的。更具体地讲,短期内就是为了支持星网星座发射而建设的。2022年7月6日和10月30日,一号二号工位相继开工。目前发射场建设已接近尾声,今年年底将完成硬件建设,2024年实现常态化发射。长征八号将成为海南商业发射场主力,而二号工位未来可支持多达19型火箭发射。

图5 建设中的海南商业航天发射场(图源:互联网)

中国近年来成长起来的多家商业火箭公司自然也能分到一杯羹。星际荣耀、星河动力、中科宇航、天兵科技、蓝箭航天都已经展示了入轨发射的能力。东方空间等后来者也即将加入俱乐部(预期12月首发)。为了降低成本,几乎所有火箭公司都在加速可复用型号的研制。11月2日,星际荣耀成功进行了双曲线二号甲烷箭的发射和回收。11月21日,蓝箭宣布了朱雀三号可复用型号。

图6 双曲线二号回收(图源:中国航天报)


图7 朱雀三号发布(图源:互联网)

巨型星座极大地拉动了火箭需求,能通过竞争有效降低发射成本,加速火箭技术的进步。和星链用猎鹰九号单一型号完成组网不同,中国巨型星座采用的火箭将会百花齐放、百家争鸣。中国几乎所有火箭公司都盯着星网的发射。它们之间的竞争将非常激烈,也将非常精彩。星网计划对中国商业火箭公司的影响极大,篇幅有限这里就不展开了,下次有机会再专文讨论。

作为后来者,我们的星网在功能和性能上大概率应该能追平星链。而且,站在巨人的肩膀上,实现对星链的超越也不是没可能。由于星网的技术资料非常少,我们目前没有办法对具体功能做出判断。但可以肯定,星网最终一定会支持手机直连;也许,在星链之前。

从卫星互联网目前进展看,星网公司、两大航天集团、三大移动运营商、华为、中兴、银河航天、民营火箭公司等都已经深度参与。未来,我国的卫星互联网完全有可能会走向一个开放式体系。我们期望看到,从星上和地面通信设备到单体卫星,从火箭载荷接口到移动终端硬件、应用软件,都有标准化的接口,不同厂商的产品都能方便地集成和互通。和任何新技术一样,基于卫星互联网也会出现我们目前无法想象的各种应用。这将是一个新的生态。生态越开放,参与者越多,规模就会越大,价值也越大。

这样的一个生态,是我们相比星链的后发优势。我们应充分发挥我们的体制优势来建立这个生态。马斯克做不到的,我们可以做到。

放到中美竞争的大图景中看,作为下一代通信技术的核心,巨型低轨互联网星座的重要地位无论怎么强调都不为过。它不仅具有重要的经济和军事价值,也将(继手机后)再次改变我们每个人的生活方式。只有在这场竞争中胜出,我们才能真正掌握自己的命脉。

今天在中国,大部分卫星发射都已经变得平淡无奇、少人关注。但几十年后回过头来看,有些平淡无奇的发射注定会成为重要历史事件的一部分。

这样的历史事件或许很快就会发生。

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责任编辑:周子怡
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