物聯網智庫 詹士 整理發布
衛星通信有多火?
從馬斯克星鏈到Q3發射首星的中國星網，從Rel-17標準引入相關特性到6G提出的空天地一體，MWCSH上，高通衛星通信芯片以現場演示方式亮相，紫光展銳也展示了即將量產的首顆衛星通信SoC。連蘋果大佬沃茲尼亞克都要來摻和一腳。
似乎沒等大眾反應過來，人人都能用上衛星技術的時代，已在眼前。與此相關的低空軌道衛星競賽、潛在撞擊風險，亦成為熱門議題。
來自風險投資公司Contrary的Anna-Sofia Lesiv公開一篇長文《The Satellite Renaissance》，在其中，她介紹了衛星乃至太空技術發展的前世今生，以及未來商業前景。
Anna-Sofia Lesiv畢業于斯坦福，曾在橋水Founders Fund 和 8VC工作過。
以下為內容全文，經智次方?物聯網智庫編譯：
埃隆·馬斯克在復興太空技術方面的作用，怎么夸大都不為過。
在2008年，SpaceX成功將火箭送入軌道前，美國已失去了進入太空的能力和愿望。將東西送入軌道的成本都是天文數字，建造和發射衛星只能是國家或大公司才能玩的生意。
在2010年代，只有大約1000顆衛星繞地球運行。如今，這個數字已躍升至7000多顆。
這很大程度上要感謝SpaceX。我們正在經歷一場巨大的轉變，企業家和更多普通人能將機器送入軌道。衛星在導航、天氣監測、電信、國家安全等領域發揮著越來越重要的作用。
隨著衛星和天基服務數量的持續增長，許多方面都將發生變化——我們如何連接到互聯網、如何使用技術設備，甚至如何在農場應用衛星通信。
在這一背景下，本文探討了衛星復興時期的生活，以及即將到來的機遇。
第二太空時代的黎明
多數人可能不知道，NASA在成立時獲得了美國年度預算的4.5% ，但到2010年代初，這一數字已縮減至僅0.5%。
結果，美國火箭發動機只能靠蘇聯時代的部件循環利用，據埃隆·馬斯克稱，這些零件存放在西伯利亞的舊倉庫中。
2011年，NASA停止了航天飛機計劃，位于哈薩克斯坦，建于蘇聯時代的拜科努爾航天發射場，成為唯一可以向國際空間站發射載人太空任務的地方。
多年來，通往國際空間站(距離地球表面約250英里，進行微重力和太空研究的浮動實驗室)的航天器，都是通過哈薩克斯坦發射的。
由于對太空服務沒有需求，且只有少數企業有能力落地，建造氣象或通信衛星的成本下降到2至3億美元之間。其建造者，往往是即得到政府支持，又具有太空相關制造背景的大型組織。
聯合發射聯盟，是波音和洛克希德·馬丁公司的合資企業，也是美國唯一一家能夠將任何東西送入軌道的實體。
它的每次發射收費為3.8億美元，且不能保證發射甚至會成功。此外，大多數衛星配備的電池壽命僅夠維持15年左右。
將一顆衛星發射上天花費可能超過5億美元，因此，客戶通常是大型電信組織或國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 等國家部門。
對于這些客戶，將衛星發射到距離地球盡可能遠的地方最有意義，畢竟，離地球表面越遠，衛星對地覆蓋范圍就越大。
對于中低軌道的近地衛星來說，其繞地速度將比地球自然自轉快，有時會出現在地球另一側。這對于追求持續、可靠網絡連接或衛星電視的公司來說，并非最優選。
最好的設定，是將衛星定位在地球靜止軌道(GEO)上。其高度大約為3.6萬公里，衛星可以面向地球表面近50%區域發送和接收信號。
且由于衛星與地球同步軌道運行，從地面用戶角度來看，衛星似乎位于天空中的固定位置，始終可以訪問。事實上，全球每個地區都會發射自己的同步衛星，這些衛星就位于發射地所在位置的上方。
來自：Satellite Today
2010年代，衛星已為人類提供一些關鍵服務，涵蓋船舶和飛機導航、GPS、天氣監測和電信功能。但因缺乏低成本發射方式，人類對衛星修復更換電池能力有限，每當衛星停止運作，它就會永遠在地球靜止軌道上運行，成為一個個“技術遺跡”。
澳洲電信(TelAstra)一項研究表明，我們所依賴的衛星中，超過30%運行時間已經超出了預定日期。
變化發生在2008年。
SpaceX首次軌道發射任務取得成功，人們對太空的看法開始轉換。其獵鷹1號火箭，售價僅為700萬美元，成為歷史上最便宜的火箭。
更為重要的里程碑是2015年，SpaceX開發出第一枚可重復使用火箭，獵鷹9號在卡納維拉爾港附近成功發射和著陸。
可重復使用火箭改變了將物體送入軌道的成本計算方式。此前，客戶必須支付火箭的全部費用，才能將單個有效載荷發射到太空。
當火箭成本可通過幾十次飛行攤銷，太空發射的門檻自然就被打下來了。
于是2015年之后，更多客戶開始對衛星實驗感興趣。
同時，SpaceX又在其獵鷹9號上推出了“拼團”服務。該服務可以將最多200公斤的有效載荷送入太空，價格約為每公斤27.5萬美元。
照此計算，建造發射衛星便不再是富人的精品業務，旺盛需求出現，標品和商品化成為行業趨勢。航天工業迎來“福特”時刻，約克空間系統公司(York Space Systems)、藍色峽谷及Apex Space都開始推行自己的量產小型衛星。
到今天，繞地球運行的7000多顆活躍衛星中，一半以上是通信衛星，五分之一用于地球觀測，其余則兼具情報收集和科學用途。
成本降低改變的不只是價格，過去的衛星部署模式也被改變。
由于發射成本足夠低，過去將通信衛星發射到地球靜止軌道變得沒必要。
通信服務機構可以將一組小衛星發射到近地軌道，這些衛星可以共同覆蓋與地球靜止軌道上的一顆衛星相同的區域，只需讓他們有更好連接就行。
加之離地面更近通信延遲越短，衛星通信可以有更好效果。
SpaceX的星鏈(Starlink)就是這一思路的產物。
根據其描述，馬斯克要部署多達4.2萬顆通信衛星，讓全球任何地方都能聯網。自2019年該計劃啟動以來，SpaceX已向太空發射了3500多顆衛星，因此，它已成為目前擁有衛星最多的公司。
SpaceX不是唯一有此宏偉計劃的公司。Amazon、OneWeb和中國航天科技集團均有相似計劃。貝佐斯的藍色起源正在進行相關布局。
通信方式的變化也影響了芯片廠商戰略。高通CEO最近公布了該公司的計劃，欲使其移動和筆記本電腦芯片多樣化，使它們能夠直接與衛星合作伙伴通信，并為用戶提供“太空互聯網”訪問權限，無論他們在地球上任何地方。
衛星連接升級的影響還不止于此。美國農林產品服務商，約翰迪爾，最近官宣，希望利用即將到來的衛星通信，為其拖拉機提供更好的連接，便于農場主通過網絡了解作物生長狀況。
如今，衛星數量呈指數級增長，這產生了為繞地飛行服務的新商機。經過漫長的幾十年，我們終于建立了數百年夢想的太空經濟。
首顆衛星
科幻小說作家阿瑟?克拉克經常被認為是第一個提出發射人造衛星的人。
在1945年出版的《無線世界(Wireless World)》雜志中，他闡述了與地球同步軌道運行的人造衛星如何成為跨大陸通信的工具。
更早之前，牛頓提出了萬有引力定律和運動定律，此后宇宙旅行的愿景一直讓科學家和工程師著迷。甚至在1895年，沙皇俄國一位鄉村學校教師，康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基 (Konstantin Tsiolkovsky) ，出版了《地球與天空的夢想》，當中闡述了圍繞地球運行的人造衛星的想法。
在后來的書中，他還闡明了液氫和液氧作為火箭燃料的概念，介紹了多級火箭的想法。
盡管人類在太空中描繪了這些預言性的藍圖，但直到20世紀前半頁，大眾對太空技術興趣也并不大。
直到冷戰時期，兩國基于核武器，開始研發運載火箭技術。
20 世紀 50 年代，美蘇都在競相開發更強大的火箭技術——真正用于運輸核武器的航天飛機——1957 年，蘇聯向世界展示了他們的火箭技術到底有多么出色，震驚了世界。1947年10月4日，蘇聯的人造地球衛星1號，這是第一個繞地軌道運行的人造品。蘇聯天體物理學家，謝爾蓋·科羅廖夫，將一顆原始的球形衛星綁在洲際彈道導彈頂部，成功將其發射到繞地球軌道。
盡管該衛星的電池只能維持維持三周，但美國人很擔心蘇聯已有能力監視他們。而且，人造衛星1號發射幾周后，蘇聯又發射了人造衛星2號，這次搭載了一位名叫萊卡的狗。
次年，美國成立了國家航空航天局(NASA)作為回應。在一系列發射嘗試失敗后，他們于1958年1月31日，成功將第一顆小型衛星送入軌道。
此后，人類的太空事業開始高速運轉。
尤其在1960年，美國太空事業創下了許多第一，其中包括成功發射紅外遙感氣象衛星，它可以拍攝地球云層圖像，觀測天氣。這是有史以來發射的第一顆氣象衛星，盡管這顆衛星最終只運作78天。
同年，美國海軍還發射了Transit 1B定位衛星，此后，美國國防部于1967年發射第一顆GPS衛星。如今，GPS系統已經是一個由20顆衛星組成的強大網絡。
此外，美國還發射了“回聲”系列衛星。這是第一顆通信衛星，其目的是將美國無線電波傳遞到英國的地面站，讓大西洋另一側能收聽廣播。
在此基礎上，為增強衛星信號，美國宇航局工程師開發了一種稱為“行波管”的技術。它可以放大并重新發射更強的無線電信號。
第一個行波管安裝在NASA在1962年發射的中繼1號衛星上。從那時起，它就成為了每顆通信衛星的支柱，直到現在。
現代衛星發展剖析
目前，人類已經掌握大量太空環境的知識。
在這樣的環境中，溫度低可至-40度，高可達70攝氏度。沒有穩定、可靠的電源，卻有各種各樣的高能宇宙射線，它們會擾亂計算機在太空中的工作。此外，還有小行星及其他衛星撞擊的風險。
為能在太空中“生存”十多年，現代衛星配備了以下系統：
太陽能和電池供電系統：衛星存在于太陽和地球之間，有時隱藏在地球陰影后面，因此，需要多種能源選擇來維持太空活動。幾乎所有衛星都配備了高表面積太陽能電池板，可以利用太陽產生電能，或者在陰暗位置使用電池。
結構與熱控制：極端溫度容易損壞太空中的電氣設備。因此，衛星通常包括用于冷卻電氣元件的散熱器、隔熱毯、加熱器和多層絕緣材料。
推進和姿態控制：衛星的重要功能包括運行方向保持、軌道保持上以及規避撞擊。
該過程需要使用盡可能少的能源支撐，比如反作用輪裝置應用，或是利用磁力矩器，依靠地磁場相互作用力，實現對航天器控制。此外，大多數衛星還配備了推進器或微型發動機。
衛星技術的挑戰和機遇
隨著我們對太空的雄心壯志不斷增長，人類必須應對的挑戰也隨之增加。
以下是空間技術中，一些最具影響力的新興前沿：
1、空間激光器帶來更多帶寬
人類越依賴地球觀測，遙感系統就越好。例如，合成孔徑雷達 (SAR) 。這是許多觀測衛星上一項關鍵的新技術，它能發射雷達脈沖，可以穿過惡劣的大氣條件，最終生成地球的高分辨率圖像。
然而，SAR系統生成的數據文件太大，無法通過標準無線電頻段有效傳輸。一種補救措施是——改用更高頻率的波長信號，它單位時間可以編碼和傳輸更多信息，可見光是其中選項。
幾年來，NASA和SpaceX等組織一直在嘗試開發新協議，以希望通過激光在太空中傳輸信息。
該技術落地起初很難。光學激光器發射的是精確光束，比標準無線電波長短得多，難以將這些激光定位到目標上
經過多年對激光通信協議的修改，NASA將推出自己的光通信系統，該系統將能更快在衛星和地面站之間傳遞信息。
NASA對外宣稱，當宇航員重返月球時，他們能夠傳輸該現場的高清圖像，而非當年阿波羅11號任務中的顆粒狀黑白視頻。
大型衛星的公司，例如擁有Starlink的SpaceX，也渴望使用激光通信，更快在衛星之間傳輸信息。
盡管太空激光通信技術日趨成熟，且各家公司都有自己的光通信協議，但目前實現方面仍只算零星探索。
這項新技術是否需要標準化，或者什么解決方案可以使光通信與空間站和地面站實現互操作，還有待觀察。
2、更低價的發射成本
依靠SpaceX獵鷹9號將1公斤重物送入太空，成本約為2750美元。不過，SpaceX正推進的星艦計劃，將這一成本降至100美元。
Republic Capital是太空技術和SpaceX的資深投資者，他們認為，星艦可能會改變世界。
在其2022年太空技術報告中，Republic Capital寫道：
不必再擔心質量和尺寸限制，不妨讓制造商在衛星設計方面更有想象力。他們可以將重點轉向建造功能越來越強大的衛星，而非優化最輕量的衛星。
當然，星艦的真正目標是最終成為太陽系的航天飛機，能夠將貨物運送到月球和火星等遙遠地方。
3、清理太空垃圾
盡管我們已經非常擅長將物體送入軌道，但我們仍沒有太多將物體送出軌道的方案。
隨著時間推移，這將成為一個問題。繞地球運行的太空垃圾已經比正常運行的衛星還要多。空間越擁擠，越容易碰撞損壞我們發送上天設備。
20世紀70年代末，關注太空碎片問題的NASA科學家，唐納德?凱斯勒警告：太空碰撞會產生更多碎片，進而增加發生更多碰撞的可能性，直到我們進入失控的太空災難階段。這種現象被稱為「凱斯勒綜合癥」。
鑒于運作衛星的獨立機構眾多，碰撞即將發生時，再做協調很困難。一些太空技術初創公司正試圖依靠空間通信和衛星導航系統解決該問題。
其中之一名叫Privateer，其聯創之一是來自蘋果的史蒂夫·沃茲尼亞克 (Steve Wozniak) 。
新興的太空初創公司正在解決太空通信和衛星導航系統的問題。其中之一名為 Privateer，是由史蒂夫·沃茲尼亞克 (Steve Wozniak) 共同創立的一家新企業。
其公司使命，正是提供更好的空間碎片視野，即將推出產品之一名叫Resslek，能提供衛星運行管理服務，當客戶設備將與另一個物體碰撞時，會發出警報。
4、商業空間科學
2022年，NASA宣布了國際空間站將于2031年退役。這可是一件大事，畢竟，國際空間站是目前人類唯一的太空實驗室。
自1998年起，國際空間站在太空中一步步建造，經歷了無數次載人任務，它體現了十多個國家的心血。
在這個微重力空間中，科學家得以解鎖諸多研究課題，比如：
低重力環境中蛋白質的形成、干細胞的生長、玻色-愛因斯坦凝聚態的性質(這被廣泛認為是物質的第五態)、水凈化技術等等。
2002年，國際空間站發布了一份名為《對全人類貢獻(Benefits for Humanity)》的文件，其中列舉了諸多對人類世界有重大影響的實驗。
太空科研具有令人難以置信的價值，這就是為什么中國在2021年發射了自己的模塊化空間站，名為天宮站。該空間站將在未來幾年繼續擴大建設。
與此同時，國際空間站的退役對科研勢必帶來挫折，同時也影響商業。在其探索背景下，無數有潛力的新機遇被發掘，它涵蓋了太空工廠產業，能制造并提供關鍵材料，比如制造碳納米管、玻璃纖維電纜、有機組織等等。
為應對上述問題，美國致力于鼓勵商業玩家協助發射空間站，這當中，Axiom Space正在致力于建設一個專門的科學實驗室，作為國際空間站繼任者。此外，NASA還拉進來了Nanoracks、Northrop Grumman及貝索斯的藍色起源。
在沉寂數十年后，我們仍能續上太空夢想，更多牢固的太空平臺能夠影響更多人的生活。微重力制造這樣的新產業可能出現，舊產業秩序或被瓦解(比如電纜產業的壟斷現象)。
當然，我們走的越遠，像太空碎片一樣的越多新問題就會冒出來——
但借助技術，問題往往就是機遇，兩者都充斥在太空中。
