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谋局卫星互联网

未来我们也许会像生产汽车一样生产卫星。

  ◆现在国内卫星尝试流水线生产,将为今后高效批量生产卫星奠定基础,“未来我们也许会像生产汽车一样生产卫星”

  ◆规划建设民商发射场或发射工位,丰富发射场资源正当其时

  ◆中国星间通信在基础材料、软硬件核心零部件等方面仍有一定依赖,增强供应链的自主可控,是接下来要重点研究的问题

  ◆此为《瞭望》“开辟太空新赛道”专题的第2篇:

谋局卫星互联网(图1)

  

  把一颗承接互联网功能的卫星镶嵌到太空,究竟要分多少步?天地两端需要哪些技术支撑?接下来还要做哪些准备?

  回答这些问题,首先要清楚:低轨卫星系统技术主要包括卫星发射技术、卫星制造技术、星间通信技术、用户终端相控阵技术等,其中发射环节格外关键。

  2022年初发布的《中国航天科技活动蓝皮书(2021年)》数据显示,全球2021年实施的发射任务次数、航天器发射总数量,均为历史最高。然而专家认为,这些发射密度尚未达到峰值,现在还只是世界各国诸多星座天基组网计划大规模实施的前夜。

  随着国内外相应技术壁垒逐渐消除,通过卫星提供互联网接入服务的卫星互联网建设,已不存在难以逾越的技术瓶颈,低轨道、高带宽卫星星座建设正在步入快车道。

  在这场激烈的竞赛当中,中国准备好了吗?

银河航天批量研制的低轨宽带通信卫星 银河航天供图银河航天批量研制的低轨宽带通信卫星 拍卖网供图

  

  突破星座建设瓶颈

  在一张张环布地球的巨大太空网络中,卫星是构成其中的最基础要素,卫星制造是卫星互联网的根本。

  “卫星制造成本正在不断降低。”今年2月在合肥举办的空天信息与数字地球创新峰会上,中科院院士、中科院空天信息创新研究院院长吴一戎谈到,当单颗卫星的制造成本降到100万美元以内时,也将极大地降低发射成本。

  目前,国际上大部分低轨卫星已可以做到在总质量不到500千克情况下,每颗成本控制在100万美元以内。

  据中国电科发展战略研究中心战略与规划研究部高级工程师邹明介绍,近年来,卫星天线系统、自主避撞系统、星敏感器等方面以及材料、工艺的技术进步,使卫星集成度更高,小型化、模块化、批量化成为可能,极大降低了卫星体积、质量和制造成本,缩短了生产周期。

  在上海松江,一个年产300颗卫星的生产线正在建设。上海航天技术研究院副院长李昕对《瞭望》新闻周刊记者说,现在国内卫星尝试流水线生产,将为今后高效批量生产卫星奠定基础,“未来我们也许会像生产汽车一样生产卫星”。

  2021年初,国内的银河航天就启动了卫星小批量研制工作,不到一年时间,就完成小批量卫星的全部设计、总装、测试、试验和出厂工作,这是中国首次成批量研制低轨宽带通信卫星。

  今年初,银河航天的6颗低轨宽带通信卫星顺利下线,完成出厂评审,运抵发射场。银河航天拟通过该批卫星构建可以提供宽带通信服务的卫星互联网试验网络,为大规模组网应用积累经验。

  即便如此,产能依然是中国低轨卫星制造需要突破的瓶颈之一。低轨道星座建设需要在较短时间内建造成百上千颗卫星,对产能要求高。国内一些实力雄厚的卫星工厂正在建设的具备每月生产30颗小型卫星的生产线,已经接近英国“一网”公司产能,但和太空探索技术公司每月120颗相比仍有差距。

  从地面到空间,大规模星座工程建设面临全新挑战。在建设经验方面,北斗卫星定位导航是中国目前在轨规模较大的星座系统,积累了卫星、运载火箭中等规模批产批次发射经验,也具备长期管理、异常处置等在轨管理能力。然而,专家认为,同北斗系统相比,卫星互联网星座系统规模更大、功能更复杂,目前中国还缺少数百颗甚至上千颗卫星所构成星座的建设经验。

  星座建设的投入也不容忽视。国内低轨卫星星座建设主体齐全,但研究部门从已规划的星座建设需求测算,预计投入规模将超过800亿元,这是一笔巨大的前期投入。此外,按单星设计寿命5年计算,即便星座组网成功,维持星座运营还需要不停发射补网卫星,预计每年补网硬投入也在百亿元左右。

  中国电科发展战略研究中心工程师吴明阁等专家认为,国外发展卫星互联网星座的多是商业部门,追求的是互联网接入带来的巨大经济利益。但卫星互联网星座除商业用途之外,不应忽视其具有的公益属性。因此,构建可实现资源共享的卫星互联网星座,走出一条具有中国特色的建设之路,需要尽快破题。

星图地球GEOVIS Earth 视角下的海南三亚 受访者供图星图地球GEOVIS Earth 视角下的海南三亚 拍卖网供图

  

  卫星发射能力不断增强

  卫星发射在低轨星座建设成本中比重较大,如果没有高效、充足的太空发射能力,大规模星座建设难以实现。

  太空发射有赖于火箭技术的进步。在国际上,最新的可重复利用火箭技术已大幅降低了发射成本,提升了大规模星座建设效率。来自相关国际大公司的实践表明,在实现火箭回收重新利用之前,每次发射费用在数千万美元;而实现火箭回收可重复利用后,单次发射成本平均可望降至600万美元。

  对火箭而言,“大推力”和“低成本”相辅相成。上海航天技术研究院产业发展部副部长陈昌敢认为,在这两方面,目前较成功的技术案例是太空探索技术公司的“猎鹰9”火箭。

  早在2018年2月,太空探索技术公司就以一枚“猎鹰9”火箭将一颗西班牙卫星送入轨道,同时还将该公司卫星互联网项目首批原型卫星送入太空,为搭建由上万颗卫星组成的“星链”做准备。

  有分析指出,“猎鹰9”火箭将其太空运费削减到每千克2600美元,同20年前的运费相比下降了四分之三。下一代“猎鹰”重型运载火箭有可能把成本进一步降至每千克1500美元。“猎鹰9”火箭具备一箭搭载60星能力,其下一代重型运载火箭的设计能力为每次可将400颗“星链”卫星送至相应轨道,发射成本将降至原来的五分之一。

  其他的方法也在探索之中。在英国,维珍银河公司设计的做法是,由白骑士特种飞机将发射者火箭带到离地面15千米高度后,再由发射者火箭点火将小型卫星带到近地轨道。如此一来,发射费用可以做到只有太空探索技术公司报价的六分之一。

  “一箭多星”和可重复利用火箭技术在中国太空发射领域同样方兴未艾。

  在以长征系列运载火箭为主的中国航天运输系统中,多种运载火箭可“一箭多星”。今年2月,长征八号运载火箭在文昌成功将22颗卫星发射升空,创造中国“一箭多星”新纪录。

  可重复的液体燃料火箭燃料成本最低仅为固体燃料的二百分之一,虽然目前尚无发射记录,但随着可重复商业火箭的关键技术近期不断取得突破,国内可重复的液体燃料商业运载火箭首飞时间也未来可期。

  “推力决定运载能力,国内的火箭吨位与国际巨头相比有差距。”李昕说。在刚刚过去的2021年,美国共完成了51次航天发射,发射载荷总质量403.34吨,超过其他各国总和。中国执行55次发射任务,次数居世界首位,但总质量不足美国一半。

  卫星发射还需要准备好的是发射场——航天器进入空间的最后一站。

  《2021中国的航天》白皮书指出,酒泉、太原、西昌发射场适应性改造全面完成,酒泉发射场新增液体火箭商业发射工位,文昌航天发射场进入业务化应用阶段,基本建成沿海内陆相结合、高低纬度相结合、各种射向范围相结合的航天发射格局,能够满足包括各类卫星在内的多样化发射需求。

  中国海上发射也有了新的突破。2021年,海上发射平台投入使用,填补了中国海上发射火箭的空白。从理论上看,随着低倾角卫星的需求越来越旺盛,卫星发射距离赤道越近,运载能力损失就越小,发射成本也就越低,选择机动性更强的海上发射,值得重视。

  据陈昌敢等专家观察,综合现有发射计划,未来3年剩余工位总运载能力仍存不足,还不能充分满足卫星互联网星座大规模发射任务需求。中关村领创商业航天产业发展联盟、钱学森空间技术实验室发布的《中国商业航天产业研究报告(2021年)》指出,随着商业火箭型号的发展,当前发射场能力难以满足民商航天发射需求。

  国家“十四五”规划明确提出,要“打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础设施体系,建设商业航天发射场”,因此规划建设民商发射场或发射工位,丰富发射场资源正当其时。

  星间通信技术逐渐成熟

  随着低轨互联网卫星星座的加速建设,星间通信的话题也逐渐被提上日程。

  从卫星互联网产业链看,卫星通信系统由空间段、地面段、用户段组成。空间段包括卫星制造、卫星发射、星座建设等环节。地面段指卫星地面关口站、地面卫星控制中心、指令站等,可以完成卫星网络与地面网络的连通,分配资源并计费。用户段指的是各种用户终端,包括车载、机载、船载终端以及手机、电脑等移动终端。

  研究资料显示,基于毫米波、激光通信的星际链路等星间通信技术逐渐成熟,可以实现星座天基组网,既减少了地面站数量,也降低了通信时延。在关键的用户终端相控阵技术方面,近年来国内也出现了一批民营企业。

  合肥若森智能科技有限公司总经理桂万如对记者说,大规模天线阵列和波束成形技术逐步成熟,大幅提升了终端性能,减少了体积、功耗和成本,进一步推动终端小型化。国际上,可移动终端也在研制中。不过,卫星互联网所需的快速跟踪、高集成和低成本相控阵天线,以及新型高集成基带芯片、地面核心网产品和运控管理系统等,国内尚无成熟产品,需尽快部署研制。

  专家表示,从供应链看,中国星间通信在基础材料、软硬件核心零部件等方面仍有一定依赖,如何增强供应链的自主可控,是接下来要重点研究的问题。

  另一个值得关注的事是,在地面移动通信标准化演进中,中国实现3G跟随、4G赶超、5G领跑,为卫星互联网标准化的突破提供了技术基础和实施经验。而中国的相关标准化机构尚未全面开展卫星互联网标准化等相关工作,对国际卫星电视广播标准、第三代合作伙伴计划非地面网络标准的跟踪和参与还有所不足。

  让卫星互联网应用场景直接触达C端,是无数“星网人”的梦想。抬首问天,星河灿烂。征途漫漫,未有穷期……


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