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空间频率轨道争夺战
时间:2021-02-16 17:47 点击次数:187

  巨型低轨通信星座技术,正在掀起半个世纪以来一场最大规模的太空“圈地运动”。

  4月27日晚,北京的夜空迎来了一批特殊的“访客”——列队整齐的一串“流星”排成肉眼可见的“一字形”缓慢地划过天空。这并不常见的奇特景象引来许多市民录像转发,不少人一度联想到了UFO。4天后,同样的景象又出现在厦门的夜空……

  尽管很多国人对这幕场景感到陌生和惊奇,但国内熟悉航天产业的人早已在严阵以待这批特殊“访客”。它们不是UFO,而是来自美国一家著名的科技企业太空探索技术公司(SpaceX)的卫星阵列。6月3日,该公司用一枚“猎鹰9”火箭将“星链”计划第8批60颗卫星送入太空。至此,“星链”计划成功发射的卫星已近500颗,刚过其计划发射量的百分之一。

  巨型低轨通信星座技术,正在掀起半个世纪以来一场最大规模的太空“圈地运动”。

  什么是巨型低轨通信星座?——简单来说,就是通过数量巨大的、运行在低地球轨道(高度大约300~2000公里)的卫星组成的卫星通信系统,给地面用户提供类似“Wi-Fi”效果的网络服务。这项技术有望解决目前地球上超过80%的面积以及接近50%的人口无法上网的问题。

  这种通过卫星给地面用户提供网络信号的技术,伴随着上世纪末“铱星计划”的失败,原本几乎已被业界放弃。但随着卫星发射成本的迅速下降,以及卫星本身通信性能的提升,以低轨通信星座为代表的卫星互联网,近几年内迅速成为了航天产业中最具商业潜力和战略意义的发展方向。

  卫星物联网、天地一体化的“6G”网络、跨越国界的信息服务能力、金融等行业的广阔应用前景,伴随着巨型低轨通信星座技术,引起了许多国家和企业的关注。

  这其中最著名的项目,可能就是“星链”计划了。太空探索技术公司创始人埃隆·马斯克宣称,要用一个包含42000颗卫星组成的巨大星座,组成一个覆盖全球的网络,为全球人口提供服务。

  截至今年1月,全世界累计公布的类似通信星座项目数量达到37个,涉及至少12个国家的30家企业,拥有具体发射和部署计划的卫星总数超过34235颗,而且这些数字还在不断增加。要知道,自从1957年第一颗人造卫星诞生以来,人类在63年的时间内总共发射的卫星数量,根据不同的统计数字也就9000颗左右,而目前在天上运行的卫星数量大约只有2000颗。

  也就是说,这一轮围绕低轨通信星座展开的新“太空竞赛”,很可能会让太空中的卫星数量在短时间内暴涨20倍以上。这就带来了一个巨大的问题——空间频率和轨道资源的激烈争夺。

  频率和轨道是卫星运行中必不可少且极其稀缺的资源。一颗卫星所占据的通信频率和运行轨道,是很难跟其他卫星共享的。新发射的卫星必须规避已有卫星的通信频率和飞行轨道,否则就会产生通信上的相互干扰,甚至卫星相撞的严重事故。2009年2月,俄罗斯西伯利亚上空就发生了美国的一颗商用通信卫星和俄罗斯一颗报废的通信卫星剧烈相撞的事故。

  近年来,爆炸式增长的星座数量和建设规模,使太空频率轨道资源的竞争达到了前所未有的激烈程度,一场围绕频率轨道资源展开的太空“圈地运动”已悄然展开。

  这场“圈地运动”的裁判,也就是太空频率轨道资源的分配者,是联合国专门机构国际电信联盟(ITU),其分配的总原则是“先申报先使用”。

  根据ITU《无线电规则》等相关条款要求,所有卫星系统在投入使用前,必须向ITU申报并登记其频率轨道资源的使用信息,即卫星网络资料。也就是说,频率轨道使用权的确认不是看发射日期,而是以申报通过的日期顺序为准。我国历史上就曾经发生过这样的情况——卫星率先入轨,但因为申报晚,只能被迫让出轨道变成没法提供服务的“流浪卫星”。

  在通信星座最关注的非静止轨道(NGSO)卫星领域,根据ITU在2019年11月公布的数据,目前共有224份通信类卫星网络资料,卫星总数达156298颗,分别集中在Ku(22555颗)、Ka(60688颗)、V(60470颗)、E(12585颗)四个频段上。可以看出,中低轨道Ka和V频段卫星的频率轨道资源竞争已趋于白热化。

  从卫星申报的所属国家来分析,目前法国、美国、中国和英国4个国家申报资源最多。特别是法国,虽然没有公布明确和具体的卫星计划,但其频率轨道储备最积极,巨型星座最多。此外,加拿大、挪威、列支敦士登、塞浦路斯等国家也不甘示弱,在多个频段和轨道高度储备资源,待价而沽。

  5月29日,赛迪顾问物联网产业研究中心与新浪5G,联合发布了《“新基建”之中国卫星互联网产业发展研究白皮书》。白皮书指出,地球近地轨道可容纳共约6万颗卫星,其中,太空探索技术公司等美国公司已提出明确部署计划,到2029年,将合计完成46100颗卫星的发射任务。

  在这轮围绕太空频率轨道资源“挤兑式”申报的背后,隐藏的是世界各国都陆续感觉到的一个技术趋势——在人类目前的技术条件下,类似“星链”这种巨型低轨通信星座,很可能是一项具有排他性和极大先发优势的技术。

  什么叫排他性呢?拿轨道来说,原本低地球轨道这片空间一度被认为是不那么稀缺的。但在“星链”出现之后,情况发生了变化。“星链”每次申报就多达上千条轨道。当轨道与频率“捆绑”在一起后,只要频率轨道申报成功,即便卫星还没发射升空,后申报的项目也不能跟前面的产生冲突,需要主动避让,这就是排他性。

  这么一来,后发者想要规避“星链”这种先发者的频率和轨道,就会变得越来越困难。于是短时间内涌入诸多玩家,争相竞争太空频率轨道资源,加速布局。

  比如,曾被业界视为太空探索技术公司最大对手的英国卫星互联网公司一网(OneWeb),虽然已于今年3月申请破产保护,却依然在5月26日向美国联邦通信委员会(FCC)提出请求,希望把星座组网卫星数量增加至4.8万颗。而对于具体频轨资源较为保密的“星链”计划,也在过去几年中多次对外宣称将提高计划中的卫星总量(最新的数字是4.2万颗)。

  目前,关于大规模发射通信卫星星座的盈利能力,在商业领域依然存在一定的争议。但是抛开短期商业收益的计算,争夺关键的频率轨道资源对于发展通信星座有着重要的战略意义。

  在军事应用方面,2019年年末美国空军的一架C-12侦察机率先发来了“星链”的使用体验报告——610兆/秒,这是美国空军对于星链网络速度的测试结果。这个速度比现在美国军用通信标准的5兆/秒快了102倍。对比现在5兆/秒网速下美军的战斗力,可以想象得到这背后蕴藏的巨大军用潜力。

  而截至2019年,美国空军已向马斯克赞助了约3000万美元,用于支持“星链”计划的军事用途研发,并且投入了2.15亿美元的专项经费,用于资助各种类似的高速卫星网络项目。

  在数据应用方面,一个全球范围的通信星座将能掌握航空、航海甚至物联网等多种应用的数据和信息流,可以影响全球范围内数据交换的规则制定权。因此,各个国家在相关问题上非常敏感。

  2019年,俄罗斯拒绝了一网在其本土建立卫星通信站的请求。拒绝的理由是2019年5月由普京总统签署的一项法案。这项法案要求,所有俄罗斯网络流量信号在传输过程中必须通过由政府监管的通信设施进行。就在同一年,印度政府也拒绝了一网在当地部署卫星通信站的申请。可以看出,卫星频率轨道资源争夺的下一步,将是各国围绕未来信息主导权的攻防战争。

  中国近年来在航天领域表现不俗。2019年,我国蝉联世界航天发射次数的冠军,航天发射达到35次,第二和第三名分别是俄罗斯的25次和美国的21次。

  在以实际的卫星发射确认太空资源的导向之下,近些年来有很多低轨通信星座项目正在加速部署。2018年年底,航天科工集团的“虹云计划”,发射了我国第一颗低轨宽带通信卫星。来自航天科技集团的“鸿雁计划”也预计到2023年完成300颗卫星的部署。同时,在这一轮新的太空资源竞赛之中,民营商业航天灵活、高效的优势,也将对布局国际空间频率轨道资源发挥不可忽视的作用。

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