投稿|中国为什么还要送基站上天？投稿|卫星

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图片来源@视觉中国

文｜立方知造局，作者 | 赵笑达、孙鹏飞，编辑 | 小材

卫星互联网“竞赛”背后，是对6G话语权的争夺，以及先进制造能力的检验。
全球每三人中，还有一人尚未被互联网覆盖。
生活在中国，你对这个数字估计没啥感觉——毕竟在2020年中国4G网络覆盖率就已经达到98%，如今就连珠穆朗玛峰峰顶都能接收到5G信号。
中国这个基建狂魔，在2021年底承包了全球60%的基建总量，国内所有地级市、98%县城城区和80%乡镇都能被5G信号覆盖。
那么问题来了，地面基站已经铺排开，为什么中国还要送“基站”上天，发改委还把卫星互联网划定为“新基建”信息基础设施之一？
卫星互联网指的是将近地轨道的多颗通信卫星组成网络，向地面接收、传输通信信号，完成数据的传输。

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在了解卫星互联网实际用途之前，先来看一场闹剧。
今年3月，马斯克马老师在社交媒体上又一次“真性情”，他声称要单挑普京，押上乌克兰作为赌注，顺便艾特了一下克里姆林宫。不知道作为赌注的泽连斯基和乌克兰人是否同意。

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不过，马老师的确有不讲武德的资本，他旗下的卫星互联网产品星链（Starlink）参与到俄乌冲突中——乌克兰地面通信基建被炸毁后，士兵们靠用星链与外界联络，在炮火停歇的间隙刷视频、打游戏。
就连泽连斯基也要借助星链忙着与社交网络上的百万粉丝互动，与其它国家首脑连线视频会议。
这便是卫星互联网的一大作用——作为地面通信基础设施之外的补充。一旦地面网络用不上，天空网络是必要的。
比如去年河南遭遇特大暴雨，河南小镇米河与外界断联了。一架无人机搭载基站飞过上空，为小镇居民提供了5个小时的信号覆盖。
更传统的通信应急保障手段用到的是通信卫星——报平安、求助的声音经过卫星电话、应急通信车上传至卫星，等待信号传回。
【投稿|中国为什么还要送基站上天？】因此在人迹罕至的地区报道及地震、洪水等天灾现场，驮着卫星锅的通信应急车会闯入新闻镜头的画面。

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参与中国首次载人航天任务返回舱着陆场报道的卫星车
图片来源：央视网
那么，将多颗通信卫星组成一个整体，比地面基站集群更大的优势出现了——覆盖沙漠、海洋、森林等还没有地面信号的地区。
中国人口分布相对稠密，单台基站投入能覆盖到更多人群。运营商是国企，由国资主导，能快速推动通信基建。
美国人口密度只有中国的1/4左右，大多数人群集中在东西海岸和南部少数州，其他地区地广人稀。美国运营商都是私企，往往更计算成本和回报，“只要人口集中的地域信号覆盖就好。”
这就尴尬了，美国大城市还能上上网，到了郊区、高速路信号就差多了。所以你经常看到美国惊悚片的桥段，主人公要拿起手机求救，可手机就是没有信号。
了解了美国的通信现状，你会发现卫星互联网作为网络基建的补充，马斯克和贝索斯都闯进了这片市场大干快上。
2014年至今，马老师已经发射了近2400颗卫星。
而“星链”的计划发射总量是4.2万颗，近地轨道一共才有6万个卫星坑位，仅马老师一家就想拿走70%的资源。
6月30日，美国联邦通讯委员会（FCC）授权SpaceX在移动的交通工具上使用其“星链”卫星互联网，为其向商用飞机、船舶和卡车上扩展该项目打开了绿灯。
在立方知造局看来，实用主义并不感性，真正需要警惕的是卡位抢资源背后的深层逻辑——美国希望通过卫星互联网占据天空地一体化的6G话语权。
民用市场似乎被玩成了一场“太空军备竞赛” 。
为什么近几年卫星互联网再度兴起？中国没有像马斯克那样大规模快速投放近地卫星，有哪些原因？在未来通讯的“太空大战”中，我们该做好哪些准备？
了解了卫星互联网的前世今生以及在更大图景之下的战略意义，希望你有自己的答案。
01 2020年北斗卫星系统组网，它和星链有什么区别？卫星可以分为导航、遥感和通信三类。
我们熟悉的北斗三号主要用于导航，就像美国的GPS和欧洲的伽利略系统。
卫星互联网的主要组成部分是通信卫星。北斗与星链，就好比是高德地图与中国移动，虽然两者同属于互联网相关行业。
厘清了这层逻辑后，我们聚焦在通信卫星领域——
人类最早的商用通信卫星，是1965年4月发射到地球静止轨道的Intelsat-1 。
发射Intelsat-1的休斯飞机公司后来被通用汽车收购，其名下的休斯网络公司(Hughes Net)如今成为了美国最大的卫星互联网提供商，依靠的主要是地球静止轨道卫星。
加拿大的Telesat则于1972年发射了地球静止轨道通信卫星，目前运行的GEO卫星达13颗。
中国的通信卫星起步较晚，直到2016年才发射第一颗移动通信领域的卫星——天通一号。
在过去，中国发生地震等自然灾害时，地面通信中断，震区与外界隔离，救援人员不得不依靠国外公司的海事卫星。受制于人的局面，造成了应急通信保障的阻碍，于是国家自主研发卫星移动通信系统。
如今天通一号已经发射了3颗卫星组网，信号覆盖除南北极外的全球。
02 马斯克为什么要选择做低轨卫星？马斯克的星链要发射4.2万颗卫星覆盖全球，为什么天通一号只需要发射三颗？
这就涉及到卫星的轨道。

低轨道卫星（LEO），轨道高度为200～2000千米；
中高轨道卫星（MEO），轨道高度为2000～20000多千米；
地球静止轨道卫星（GEO），轨道高度为35786千米，位于赤道上空。

正如站得高看得远，高轨卫星信号能覆盖更广阔的地面，往往三颗就能覆盖全球。更接地气的低轨卫星本身视野有限，只能安插更多的眼睛，看得更全面——大规模卫星组网成为关键。
不过高轨卫星有个天然缺陷——从山顶走到地面要的更长——信号传输时的时间延迟，简称时延。
高轨卫星（GEO）优点是覆盖面更广，所以需要布局的数量少。缺点是网络延迟高，速率低。
低轨卫星（LEO）相反，覆盖面小一些，数量多，但延迟低，带宽高，建设5G、6G得靠它。

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图中密布的光点表示低轨卫星，相比之下，高轨卫星与地球显得非常遥远
一般情况下，低轨卫星的时延在50毫秒之内，与地面光纤网络差不多，应用到地球静止轨道卫星传输，消息一来一回双程时延有540毫秒。相当于玩游戏时，好友的提醒还没到，你就被秒杀了。
从轨道选择上，我们可以看出这两款通信卫星的定位——
天通一号主要对海洋、山区、高原等地区的信号覆盖，以通话、数据传输为主。
星链就像是放在近地轨道的“路由器”，接近地面就能省去信号传输中的时间延迟，替代地面基站建设。
03 星链之前，卫星互联网有哪些“先烈”？一个是摩托罗拉的铱星计划。
铱星系统的构想最早在1987年提出，理想很美好：用77颗近地卫星（实际发现66颗就够用）组成的卫星互联网，让用户从世界上任何地方都可以打电话。77这个序号在元素周期表中对应金属铱。

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“一机在手，打遍全球” 的铱星手机
图片来源：《汽车维修》2000年02期
铱星生不逢时。大招憋了将近十年，1996年才试射成功。结果到1998年系统投入运营时，时代已经变了，蜂窝网络和光纤技术迅速发展，传统手机已经完全占领市场，铱星与地面基建艰难对抗。
当时铱星电话最便宜也要25000元人民币，在中国话费高达9.8元/分钟，国际话费高达27.4元/分钟，此外是每月250元的基本通话费，客户数量最多时也只有5.5万。
与之相对，一代“价格屠夫”小灵通也是在1998年开通，凭借超高性价比，到2000年时，国内用户已超过600万。

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制表：立方知造局
铱星还有一个缺陷：必须在室外才能用，建筑物内没信号。
价格劣势和使用缺陷，最终卫星互联网在第一次与地面通信PK中告败——投入过高，设计不成功，直接死在了沙滩上。
铱星的后浪们学聪明了，与地面通信运营商正面刚不过，清楚卫星互联网是做市场空白填补，于是在商业模式上要么直面有卫星通信需求的用户，要么抱紧地面运营商大腿，由运营商把信号分发给客户。
铱星之外，另一家玩到破产边缘的公司是OneWeb（一网），不是一网通办的那个一网。
OneWeb成立于2012年，曾是“星链”之前卫星互联网的代名词，先后获得高通、维珍、空客、软银等企业、卢旺达政府以及肥宅水巨头可口可乐的融资。
到2020年，OneWeb合计融资34亿美元，然而按照OneWeb计划，建成一套卫星互联网系统需要75亿美元。
无底洞连一半都还没填满。疫情影响下，OneWeb申请破产重组。
OneWeb输在重资产模式上。
卫星互联网重资产、高风险、高回报，也就是说在获得高收益前，要先烧钱、抢客户。用OneWeb创始人怀勒的话说：这个行业现在面临的最大的风险就是融资和太空碎片，隔断时间就得找人填补资金缺口。
这也是OneWeb发展的短板——业务单一，没有自造血能力，全看金主爸爸脸色。相比而言，SpaceX的星链和蓝色起源的柯伊伯卫星互联网，背后站着美国首富和前首富——马斯克和亚马逊的贝索斯。
当然，在组建卫星互联网之前，他们也不敢为所欲为，先要把火箭技术提升，再大批量送卫星上天。
04 卫星互联网企业为什么都烧钱？各家企业是怎样降本的？成本分四块：星体成本、发射成本、卫星载荷成本，以及后续的卫星运营成本。
最烧钱的是星体成本和发射成本。
例如星链，一颗260公斤左右的卫星造价大概100万美元——这还是相对于传统制造节约了数倍成本以后的花费，也是全世界成本最低的卫星之一了。
如果仅按照制造4.2万颗卫星组网算，单单制造成本端，星链就要花费420亿美元（超过2500亿元人民币）。
于是制造端的应对方案出现了——先降逼格再降本，把一颗永流传的卫星做成批量化产品。简言之，卫星生产标准化、模块化、工厂化。
传统的卫星制造都是定制化，一次一枚，至尊限量。
近地卫星制造，是用各种方法推动流水线生产，例如用3D打印技术制造航天元器件，模块化设计，采用航天工业中成本更低的COTS元件，以及智能装配等。
这么做的好处是，一方面降低了卫星的研制和生产成本，另一方面原材料也可以规模化降价采购，大大降低产业门槛。
制造之后，更大的烧钱黑洞是发射——
按照马斯克透露的数据，不考虑回收利用，猎鹰9号运载火箭总成本约为4340万美元。火箭一飞，两三个亿人民币没了。
为了减少发射成本，卫星互联网企业走上两条路——
1. 火箭回收；
2. 挤“火车” 。
火箭回收：从2015年猎鹰9号完成首次回收到现在，目前做到火箭回收技术的，一个是马斯克，一个是贝索斯。

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信息来源：中国科学院力学研究所
重复使用回收火箭10次，能在发射成本上下降一半左右。
6月18日，SpaceX创下了同一枚猎鹰9号火箭13次发射和回收的新纪录（这枚火箭在两年内将160吨重卫星送上太空），也标志着SpaceX连续第50次成功回收火箭。
此外，SpaceX目前正在测试的星舰飞行器，除了未来用于登陆火星外，其功能之一，是以比猎鹰火箭更低的边际成本来发射卫星。
挤“火车”：一箭多星，说白了就是提升火箭空间利用率，多个人多双筷子，主要体现在火箭的设计、空间利用和负重能力。
2017年2月，印度使用极轨卫星运载火箭发射了104颗卫星，创造了当时的世界纪录。

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印度不愧是把运力发挥到极致的国家
图片来源：央视
但别被一箭104星的数字骗了——据中国航天报报道，这些卫星里，除了一颗714公斤的主星，剩下的都是我们单手就能拿起来的小卫星：
两颗印度本国的8.4公斤和9.7 公斤的纳卫星，和101颗来自美国、以色列、哈萨克斯坦、瑞士、阿联酋和荷兰等国家“搭便车”的卫星，重量均不超过4.7公斤，估计还没你家的猫重。
对比一下：今年2月22日，中国长征八号运载火箭创下了国产火箭一箭22星的记录，而它的运载能力是：700公里太阳同步轨道运载能力5吨，近地轨道运载能力8.1吨，地球同步转移轨道运载能力2.8吨。
目前一箭多星的记录保持者是Space X，同步发射143颗卫星。
降本的另一面是增效。
批量化制造和一箭多星，让卫星发射数量瞬间井喷。传统卫星发射，发完了这一颗，下一颗的发射要等新的火箭制造周期，而通过火箭回收，可以快速安排下一次发射任务。
这就是为什么SpaceX为什么可以每周发射一次，自信18个月可以送4200颗卫星上天——成本和生产、发射周期问题，得到系统性的解决。
05 马斯克为什么要疯狂放卫星？马斯克狂放卫星，为的是抢太空资源——轨道坑位和频谱。按照国际电联（ITU）规定，这些资源依照先到先得原则。
就像是登月时宇航员要跑到无主之地插上旗，显示一下这块土地的新主人。
比坑位更关键的是通信频段Ku和Ka 。Ku频段频率高，天线尺寸小，方便个体接收；Ka频段可以作为高速卫星通信和高清电视转播，同样资源位紧缺。
不过，先到先得之后还有一个附加条件——逾期作废，各国首先要向国际电联提出频率使用申请，然后自申请之日起，七年之内，必须成功发射卫星，并使用该频率传回信号，以证明抢占频率成功。
如果超过七年未使用该频率，申请直接作废。
这要说说一段中国卫星抢频段的惊险往事。
2000年时，中国和欧盟前后脚向国际电联申请了一段高度重合的频率，中国只早了一个多月。中国申报的卫星是北斗。
也就是说，中国必须赶在2007年之前成功发射卫星使用该频率，要赶在欧盟之前。然而，卡脖子出现了——星载原子钟。
原子钟是一种具有高度精确性的计时仪器，每出现十亿分之一秒（也就是一纳秒）的误差，卫星定位就会出现0.3米的偏离。
换算一下，只要每一秒钟出现百分之一的误差，那么卫星导航系统，就足以直接把一个在海南度假的人，错误定位到呼伦贝尔大草原。
这项技术掌握在欧美手里，当中国卫星与欧盟卫星成为抢频段劲敌时，2005年欧洲人临时爽约，拒绝将原子钟卖给中国。没有原子钟，北斗卫星发射到太空没用处，更紧张的是，此时距离发射deadline不到2年时间。
中科院、航天科技、航天科工三支队伍合力，愣是把国产星载原子钟成功研制了出来。2007年4月14日，装着自研原子钟的北斗升空，距离逾期时间只剩四天。
稀缺的太空资源争夺背后，是一场国家间硬实力的较劲。
06 低轨卫星拥挤有什么危害？某个晚上你和情人漫步在街头，抬头一看，天上全是人造的“星星”，是不是有些煞风景？
近地轨道只能容纳6万颗卫星——听起来确实不太符合直觉，而马斯克正是利用人的直觉错误，辩称：太空中每隔10米就有一层新的轨道“壳”：“意味着太空中有容纳数百亿颗卫星的空间，几千颗卫星根本不算什么，这就像地球上有几千辆汽车，这真没什么。”
事实却是，卫星环绕地球的速度是7.9公里/秒，间隔十米放卫星，就像高速路上的车全都首尾相连同步急速狂飙，比速度与激情还要激情。

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按照国际通行规则，航天器安全距离一般为50公里。
除了影响夜观天象，放任越来越多的卫星挤占太空，会发生什么？
碰撞雪崩。
1978 年，NASA科学家唐纳德·凯斯勒提出了“凯斯勒效应”：一旦近地轨道上的物体数量达到了一个临界值，碰撞形成的碎片就会产生更多的碰撞连锁反应，最终造成大量碎片包围地球，相应区域变得不可利用、无法通行。
换句话说，碰撞概率雪崩式放大，恶性循环。
与一个10克重的空间碎片撞击，释放的能量相当于一辆100公里时速的汽车。2009年，“铱星33号”与俄罗斯报废军用卫星“宇宙2251号”相撞，一次事件就产生了数千块碎片。
一个令人担忧的情况出现了——2021年，“星链”已发生两次危险逼近中国空间站的情况。中国外交部发言人赵立坚表示：相关避碰事件中，中国在轨航天员面临着现实、紧迫的安全威胁。
虽然美方拒不承认，但NASA的声明迅速打脸。NASA警告：“国际空间站的安全以及其他所有的NASA资产可能受（星链）影响” 。

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人类已制造了上亿片太空垃圾图片对比了采取干预措施与不采取干预措施的情况下，未来太空垃圾数量
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除了碰撞危险，过度密集的近地卫星，也会给新的火箭发射增加危险和难度，升空时还要避让卫星。
07 中国将卫星互联网列入新基建之一，背后的逻辑是什么？抢太空资源是当务之急，但不是为了抢而抢。
首先，从商业角度，发展卫星互联网，值得。
卫星互联网对应全球三分之一尚未被地面基建覆盖的人口。
据估计，中国卫星通信行业市场规模将以8.4%的年复合增长率上升，并在2024年达到3447亿元。
对于卫星互联网企业来说，熬过高投资，就是回报高光。
到2022年，星链已有超过25 万用户，按100美元服务月费计算，一年营收3亿美元。而有人曾计算，星链目前发射的所有卫星成本是6亿美元，也就是说，运营两年即可覆盖，开始进入“高回报”阶段。
马斯克在某次采访中表示，星链建成后，预计每年收入可达300亿美元，10倍于Space X 。
随着卫星制造技术与降本生产的迭代，未来的卫星带宽容量更高，加上数量众多的卫星组网，真正成为5G乃至6G时代的太空基建。
在未来的6G应用中，空天地一体无缝覆盖是必然趋势。无人驾驶等技术的落地，离不开卫星互联网与地面网络的合力推动。
其次，从国家安全角度，发展卫星互联网，必须。
规模化和批量化做得越深，卫星互联网价格就越便宜。与民用市场潜力相比，军事用途所占的份额未必有多高，却是国家安全的重要保障。
1990年的海湾战争中诞生了一个新名词：“外科手术式打击” 。
这场战争中，美国首次运用GPS导航卫星，在不掌握任何地形特征的情况下，成功横穿伊拉克西部沙漠，并将原本需要数百吨炸药才能完成的轰炸任务，2枚导弹在数百公里外突袭发射，第二枚直接通过第一枚炸开的大坝缺口精准钻入。
这解释了为什么有美国的GPS、欧洲的伽利略之后，中国要发展自己的北斗导航系统——防止技术受制于人，被甩出代际差距。
说回到卫星互联网，不论戴不戴“民用”的帽子，先进制造天然就是一个国家实力的底气。
2020年，OneWeb申请破产重组时，传言称有中国互联网公司试图收购，遭到了英国政府的反对。
虽系传言，接盘OneWeb后，英国商务部长阿洛克·夏尔马在一份声明中表示：“这笔交易将为我们提供一个机会，进一步发展我们先进的制造技术。”
第三，从产业链角度，发展卫星互联网，至关重要。
SpaceX真正可怕的，不是它计划中的4.2万颗卫星，而是它可以像造汽车、手机一样批量造卫星。
模块化设计——像电脑、手机等电子产品一样，从过去的单CPU向多CPU、多GPU的芯片堆叠、模块堆叠发展。
标准化生产——流程重塑，架构高度开放和标准化。
智能化生产——例如卫星仿真模拟，数字孪生技术的应用。
所以，中国卫星互联网的发展动因是高度集成化半导体设计制造能力、智能制造能力的提升。
中国卫星互联网的一个当务之急，就是加速发射组网，用更大的市场需求，来牵引整个产业链的持续升级。
08 尾声3G追赶、4G追平、5G领先，是中国通讯发展的浓缩。
眼下的未来发展，是天空地一体化的6G 。卫星互联网行业，涉及到通信技术、卫星制造、商业火箭等，集齐了中国制造转型升级的绝大多数要素。
时代正翻开新篇。
如同50多年前，中国第一颗东方红一号升空，卫星短暂工作28天，却标志着中国成为继苏、美、法、日之后世界上第五个独立研制并发射人造地球卫星的国家。
如今，中国5G全球领先，有了更雄厚的底气。6G竞争不能输，卫星互联网同样不会落后。