NASA:布局衛星互聯網的價值、意義與挑戰_NAS幣ASA幣

作者

翟尤騰訊研究院產業安全中心主任、高級研究員

1957年，蘇聯發射了人類歷史上第一顆人造地球衛星，轟動全球，從此拉開空間探索與競爭的新紀元。美國前總統肯尼迪曾指出，航天科技是國家威望的象征。隨著技術水平不斷進步與普及，空間探索開始向商業領域開放。時至今日，SpaceX的獵鷹9號火箭已經可以一次性搭載60顆星鏈衛星發射升空，短時間、高密度的發射讓空間探索不再讓人覺得遙不可及，商業化創新在空間探索領域開辟出新的發展路徑。

根據衛星的軌道高度不同，衛星主要分為三類：第一類是高度在3.6萬千米的地球靜止軌道高通量衛星，理論上講3顆高通量衛星就可以覆蓋全球；第二類是高度在2000千米～3.6萬千米的地球中軌道衛星；第三類是高度在500千米～2000千米的低軌道互聯網星座。低軌道衛星傳輸時延相對較短、路徑損耗少，因此受到全球各國關注。截至2021年4月，太空中總計有7389顆衛星，2020年至今發射超過2100顆，占衛星總數超過28.4%，這其中低軌道衛星占據絕大多數。然而，衛星互聯網的發展并非一帆風順，從定位和應用都經歷過一輪曲折的歷程。

角色定位與優勢發揮

成為衛星互聯網發展關鍵

衛星互聯網發展歷史不長，這期間與地面通信設施經歷了多次競爭與合作的歷程。如何找準自身定位、發揮優勢、獲得用戶認可，成為衛星互聯網商業模式是否成功的關鍵。

山東：加快布局人形機器人、元宇宙等前沿領域:金色財經報道，山東省印發《山東省制造業創新能力提升三年行動計劃（2023—2025年）》，其中提出，加快布局未來產業。研究制定山東省未來產業高質量發展行動計劃，加快布局人形機器人、元宇宙、量子科技、未來網絡、碳基半導體、類腦計算、深海極地、基因技術、深海空天開發等前沿領域，推進6G技術研發和應用。建設濟南、青島未來產業先導區。力爭到2025年，重點依托省級以上高新區、經濟開發區等特色園區，打造10個左右特色鮮明、創新力強的未來產業集群。[2023/5/5 14:44:35]

1.高額成本導致“先驅”變為“先烈”。1987年，摩托羅拉公司提出“銥星計劃”，準備采用77顆近地軌道衛星實現全球部署，數字77和元素周期表中的“銥”序列號一致，故命名為“銥星計劃”。“銥星計劃”希望通過多顆衛星構建覆蓋全球的通信網絡。時任美國副總統戈爾在銥星衛星電話商用當天，向電話發明人亞歷山大·貝爾的曾孫撥通了全球第一個銥星電話，極具象征意義。但遺憾的是，銥星計劃替代地面通信的設想在當時并不現實，最終只獲得了5萬多個用戶，這對于整個項目的投資金額來講可謂杯水車薪。項目失敗的原因主要在于，一方面終端與通話費用昂貴，通過銥星進行通信需要定制終端，價格在2萬人民幣左右，每分鐘通話費用在20～50元人民幣，價格較高；另一方面信號覆蓋差，銥星信號覆蓋在室內較差，數據傳輸速率較低，導致應用場景不夠，最終銥星計劃在1999年提出破產保護。

完美世界：公司立足內容優勢 逐步落地元宇宙相關布局:3月14日消息，完美世界表示，公司立足內容優勢，逐步落地元宇宙相關布局。舉例來說，元宇宙需要極為扎實的技術實力以及技術累積，完美世界是業內少有的涉足過各類技術、各種引擎、并有能力自研引擎的游戲公司。此外，包括《幻塔》在內，公司有多個開放世界的項目，開放世界很容易向元宇宙貢獻內容，這些都是公司的先發優勢。公司在元宇宙方面的工作，會分階段逐步推進實現。[2022/3/14 13:55:50]

2.差異化定位發揮衛星互聯網獨特優勢。第一代銥星計劃雖然失敗，但破產重組之后，新銥星開始輕裝上陣，重點聚焦互聯網數據服務和電話業務。2009年重組后的銥星衛星電話用戶就超過了30萬人。相比于初代銥星想要顛覆地面通信，新一代銥星的目標更多是成為電信運營商網絡容量的補充和備份。同時在海事、森林、航空等特殊領域為用戶提供通信服務。而這些領域由于建設成本、技術等因素難以通過地面通信基站來實現通信網絡覆蓋，反而體現出衛星互聯網的獨特價值和重要性。

3.航天商業化發揮“鯰魚效應”。根據美國聯邦通信委員會評估，目前美國仍有超過2000萬人口沒有接入寬帶網絡。此時星鏈的定位是與固定寬帶或無線通信融合互補，尤其是在地面通信網絡覆蓋不到的地方提供寬帶服務，這也印證了星鏈的廣告語“BetterThanNothingBeta”。較為清晰的定位和衛星互聯網特有的優勢，截至目前幫助星鏈獲得超過1萬名用戶，落地覆蓋市場包括美國、加拿大、英國等11個國家。同時，商業公司重塑衛星互聯網產業鏈關鍵環節，從火箭研制、衛星研發到發射服務垂直整合，推動成本快速下降，打破傳統供應商缺乏競爭和創新力不足等困境，有效提高衛星研制與衛星組網的速度和靈活性，從而構建起“技術創新-工業級模塊化量產-海量發射需求”的正向發展循環。

中國移動董事長：將積極布局區塊鏈等融合創新能力體系構建:中國移動董事長楊杰表示，中國移動將充分發揮科技創新引領作用，積極布局5G+AICDE、區塊鏈、定位、大視頻等融合創新能力體系構建。（人民郵電報）[2020/7/1]

技術與商業模式創新倒逼航天業加速改革

美國國家航空航天局作為冷戰時期美蘇太空競爭的產物，隨著世界格局變遷經費大幅下滑，內部創新機制出現僵化、高成本低效率被人詬病，尤其是2003年美國哥倫比亞航天飛機墜毀，導致NASA重新思考自身定位與發展路徑。與此同時，沒有歷史包袱的商業航天發射與衛星公司開始嶄露頭角，并得到政府青睞和民眾支持。得益于政府部門逐步開放商業航天市場，尤其是隨著通信、導航、氣象等衛星發射需求處于快速增長階段，近地軌道運輸需求較高。較為適宜的政策與市場環境，給近地軌道商業發射提供了難得的機遇。同時，商業航天企業加快技術吸收與創新，既注重吸收過去幾十年來行業積累的經驗與技術，又擅長跨領域優勢互補和工業模塊化量產，從成本和可用性等多種角度提升技術應用與商業模式創新。

1.技術開放策略激發創新活力。埃隆·馬斯克曾公開表示：“我不知道如果沒有NASA的幫助，我們會怎樣，我們感激之至。”通過技術咨詢、設施共享等方式，NASA將內部積累沉淀的技術成果和管理經驗源源不斷地輸送給參與商業航天的企業。例如將阿波羅登月和航天飛機的大量技術報告進行開放，SpaceX消化吸收后將其改造升級為獵鷹9號火箭上使用的梅林發動機。同時，在空間站人員與貨物運輸、載人飛船研制等方面，NASA均提供了大量政府訂單和資金支持。美國聯邦通信委員會通過美國農村數字發展機遇基金向SpaceX首期提供8.86億美元資金，為美國35個州的超過64萬個寬帶欠發達地區提供衛星互聯網寬帶服務。

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2.目標導向構建分步式共贏理念。除了在技術上給予支持和指導外，NASA在商業化改革過程中啟動的商業軌道運輸項目具有開創意義，該項目本質上是目標導向的分解式過程管理：一方面競爭招標替代過往指令性科研計劃。構建基于總體解決方案的合同制，倒逼承包商通過技術創新來降低成本。同時，政府部門在發射場等基礎設施方面給予商業公司提供支持。另一方面分解任務清單，創新融資激勵模式。航天產業周期長難度大，NASA把整體解決方案拆分成一級里程碑和二級里程碑，按照完成里程碑進度的企業予以付款。同時，商業企業每完成一輪融資，NASA會配套相應資金予以激勵。以SpaceX為例，為了中標COTS項目，公司花費4個月時間做好解決方案的分解和籌備工作。

3.構建成本與效率正循環。航天系統有著自成體系的研發流程和嚴格的航天級產品品質要求，商業公司從成本和效率角度使用工業級產品逐步進行替代，并加快研發模塊的打通，通過標準化、批量化生產有效降低成本。以SpaceX為例，航天員使用的專用安全帶替換成賽車手使用工業級安全帶產品；梅林發動機在結構設計上盡量簡單，消除復雜架構帶來的不穩定性；研發人員普遍使用互聯網常用軟件開發工具；龍飛船主控系統的芯片組大量使用X86處理器；同時，企業管理層中，吸納波音、麥道飛機、NASA等眾多知名機構的專業人才和管理人員加入；火箭引擎團隊僅有25名工程師，但是人員精簡并不代表效率降低，各個團隊實現扁平化管理，構建強有力的最小戰斗單元。

瑞士再保險加速布局保險科技領域:近日，瑞士再保險與來自硅谷的全球科技創新生態平臺Plug and Play（以下簡稱PNP）在北京簽署合作協議，達成全球合作伙伴關系。今后，瑞士再保險和PNP 將共同發掘并篩選中國乃至全球有潛力的科技創新公司，并利用各自的平臺與經驗，孵化轉變保險行業的創新技術，將其與保險公司的需求“鏈接”，推動產業技術升級。[2018/3/16]

衛星互聯網是構建

“空天地”一體化網絡的重要一環

衛星互聯網與地面通信系統的融合，正逐步構建覆蓋空天地一體化的網絡體系，打造向地面和空中終端提供寬帶互聯網接入服務的新型基礎設施。同時也將成為占領空間制高點、牽引新技術創新、振奮與凝聚民心的重要強心劑。

1.上億人口尚未實現寬帶網絡覆蓋。我國固定寬帶業務發展較快，截至2021年4月底，我國固定互聯網寬帶接入用戶總數超過5億戶，行政村光纖和4G網絡通達比例均超過98%。但歐美發達國家人口密度相對較低，且居住分散，并不適合進行固定寬帶尤其是光纖的鋪設，高昂的成本對于電信運營商來講是一筆不小的開支，而且成本收回時間較長。同時，“一帶一路”沿線相關國家也存在信息通信基礎設施不夠完善的情況，而這些地面通信網絡難以覆蓋的用戶群體，成為衛星互聯網的潛在用戶。

2.垂直領域網絡接入需求旺盛。普通用戶主要在城市或人口密集區域活動，但航海、航空、島嶼等區域也有較強的網絡接入需求。據統計，全球有約20萬架次飛機、十幾萬艘私人游艇，同時還有大量漁船和貨輪在海上有通信需求。沙漠、森林等區域也需要有大量的網絡覆蓋，傳統地面通信服務很難覆蓋到以上地區，需要通過衛星互聯網來進行補充。同時，國際金融業務交易頻次以秒甚至毫秒計算，因此對網絡時延要求非常高，進而對國際金融企業來講具有較強的實用性。

3.衛星互聯網與地面通信形成優勢互補。根據國際電信聯盟統計分析，全球個人用戶的互聯網普及率僅為53.6%，雖然發達國家的個人用戶普及率已經達到86.6%，但發展中國家的比例僅為47%，最不發達國家的用戶上網比例僅為19.1%，尤其是非洲和東南亞國家的網絡覆蓋比例最低。衛星互聯網作為一種重要的通信手段，與5G等移動通信技術并非對立而是不斷融合，構建起空天地海一體化通信網絡。早在2020年6月發布的5G標準R16中，就有衛星互聯網的技術文檔納入其中。同時，6G研發工作已經將衛星互聯網納入其中并作為構建空天地一體化通信網絡的重要組成部分，未來將在5G和6G等地面移動通信網絡中與衛星互聯網進行平滑切換。

“星辰大海”仍面臨諸多風險和挑戰

衛星互聯網在快速發展的同時，仍面臨大量挑戰，一方面衛星互聯網傳輸速率和時延難以滿足多場景需求；另一方面衛星壽命較短，需要對衛星發射和后續運維工作做好長期規劃和準備。

1.帶寬較高，實用性有待驗證。據媒體披露，目前星鏈提供的普通用戶的實測速率在50-100Mbps，時延在50毫秒左右，基本達到4G增強型移動網絡能力。但地面通信基站可以根據人口密集程度進行有針對性的配置和布局，靈活性較高。而衛星互聯網無法解決在人口稀少地區資源被浪費的問題：主要是因為衛星的飛行軌道基本固定，對人口稠密和稀少地區提供的服務資源和能力相當，如何既能保證人口密集區域的通信覆蓋，又能降低偏遠地區或海洋等區域通信資源可能出現的浪費現象，需要進一步論證分析。同時，衛星互聯網服務難以直接面向終端用戶，需要通過碟形天線進行中轉，很難實現當前我們用手機或者電腦直接連入網絡的模式，用戶體驗仍需提升。

2.建設運維成本高，需持續投入。在制造與發射方面，我們以星鏈為例，按照每次發射60顆衛星，最終部署超過4萬顆衛星的計劃，SpaceX公司至少需要發射700次以上。即使衛星制造可以擴大量產規模以及實現獵鷹9火箭常規化重復使用，整個衛星制造和發射成本仍將超過500億美元。在運維方面，由于星鏈衛星主要部署在低軌道，因此稀薄的空氣將會對衛星飛行產生阻力和能量消耗。同時，衛星的壽命一般在5～7年左右，也就是說每隔7年左右就需要對衛星進行一輪更新，整體運維成本和更新費用預計每年超過百億美元。

3.太空碎片與化學物質影響地球生態體系。目前以星鏈為代表的衛星互聯網，衛星體積小壽命短且數量龐大，對光學、射電天文臺會造成潛在觀測干擾。同時大量衛星部署在近地軌道會產生太空碎片帶來安全風險。雖然衛星在大氣層中會燒毀絕大部分部件，但所產生的化學物質可能會破壞地球臭氧層。例如衛星的主要成分是鋁，在燃燒后會產生氧化鋁，如果大氣中含有大量氧化鋁將會造成散射，最終改變地球的反照率。

參考資料：

鹿藝，肖尤丹.SpaceX創新機制及對我國航天技術發展的啟示,三思派，2021-05-06.

余建斌.中國空間站彰顯創新精神，人民日報，2020-02-2.

程亦之.SpaceX發射完成星鏈星座第一個軌道層，三體引力波，2021-05-27

任友善，熊文明，劉愛國.馬斯克是如何從NASA取到真經的？，鈦禾產業觀察，2021-06-15

任友善，熊文明，劉愛國.從NASA到SpaceX：美國商業航天的隱秘往事，鈦禾產業觀察，2020-12-06

翟尤等著，《數字時代，構建安全共贏新生態》，電子工業出版社，2021年4月出版

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