星链、卫星通信与“太空子弹”｜一文看懂卫星技术发展及前景
物联网智库 詹士 整理发布
卫星通信有多火？
从马斯克星链到Q3发射首星的中国星网，从Rel-17标准引入相关特性到6G提出的空天地一体，MWCSH上，高通卫星通信芯片以现场演示方式亮相，紫光展锐也展示了即将量产的首颗卫星通信SoC。连苹果大佬沃兹尼亚克都要来掺和一脚。
似乎没等大众反应过来，人人都能用上卫星技术的时代，已在眼前。与此相关的低空轨道卫星竞赛、潜在撞击风险，亦成为热门议题。
来自风险投资公司Contrary的Anna-Sofia Lesiv公开一篇长文《The Satellite Renaissance》，在其中，她介绍了卫星乃至太空技术发展的前世今生，以及未来商业前景。
Anna-Sofia Lesiv毕业于斯坦福，曾在桥水Founders Fund 和 8VC工作过。
以下为内容全文，经智次方・物联网智库编译：
埃隆·马斯克在复兴太空技术方面的作用，怎么夸大都不为过。
在2008年，SpaceX成功将火箭送入轨道前，美国已失去了进入太空的能力和愿望。将东西送入轨道的成本都是天文数字，建造和发射卫星只能是国家或大公司才能玩的生意。
在2010年代，只有大约1000颗卫星绕地球运行。如今，这个数字已跃升至7000多颗。
这很大程度上要感谢SpaceX。我们正在经历一场巨大的转变，企业家和更多普通人能将机器送入轨道。卫星在导航、天气监测、电信、国家安全等领域发挥着越来越重要的作用。
随着卫星和天基服务数量的持续增长，许多方面都将发生变化——我们如何连接到互联网、如何使用技术设备，甚至如何在农场应用卫星通信。
在这一背景下，本文探讨了卫星复兴时期的生活，以及即将到来的机遇。
第二太空时代的黎明
多数人可能不知道，NASA在成立时获得了美国年度预算的4.5% ，但到2010年代初，这一数字已缩减至仅0.5%。
结果，美国火箭发动机只能靠苏联时代的部件循环利用，据埃隆·马斯克称，这些零件存放在西伯利亚的旧仓库中。
2011年，NASA停止了航天飞机计划，位于哈萨克斯坦，建于苏联时代的拜科努尔航天发射场，成为唯一可以向国际空间站发射载人太空任务的地方。
多年来，通往国际空间站（距离地球表面约250英里，进行微重力和太空研究的浮动实验室）的航天器，都是通过哈萨克斯坦发射的。
由于对太空服务没有需求，且只有少数企业有能力落地，建造气象或通信卫星的成本下降到2至3亿美元之间。其建造者，往往是即得到政府支持，又具有太空相关制造背景的大型组织。
联合发射联盟，是波音和洛克希德·马丁公司的合资企业，也是美国唯一一家能够将任何东西送入轨道的实体。
它的每次发射收费为3.8亿美元，且不能保证发射甚至会成功。此外，大多数卫星配备的电池寿命仅够维持15年左右。
将一颗卫星发射上天花费可能超过5亿美元，因此，客户通常是大型电信组织或国家海洋和大气管理局 (NOAA) 等国家部门。
对于这些客户，将卫星发射到距离地球尽可能远的地方最有意义，毕竟，离地球表面越远，卫星对地覆盖范围就越大。
对于中低轨道的近地卫星来说，其绕地速度将比地球自然自转快，有时会出现在地球另一侧。这对于追求持续、可靠网络连接或卫星电视的公司来说，并非最优选。
最好的设定，是将卫星定位在地球静止轨道（GEO）上。其高度大约为3.6万公里，卫星可以面向地球表面近50%区域发送和接收信号。
且由于卫星与地球同步轨道运行，从地面用户角度来看，卫星似乎位于天空中的固定位置，始终可以访问。事实上，全球每个地区都会发射自己的同步卫星，这些卫星就位于发射地所在位置的上方。
来自：Satellite Today
2010年代，卫星已为人类提供一些关键服务，涵盖船舶和飞机导航、GPS、天气监测和电信功能。但因缺乏低成本发射方式，人类对卫星修复更换电池能力有限，每当卫星停止运作，它就会永远在地球静止轨道上运行，成为一个个“技术遗迹”。
澳洲电信（TelAstra）一项研究表明，我们所依赖的卫星中，超过30%运行时间已经超出了预定日期。
变化发生在2008年。
SpaceX首次轨道发射任务取得成功，人们对太空的看法开始转换。其猎鹰1号火箭，售价仅为700万美元，成为历史上最便宜的火箭。
更为重要的里程碑是2015年，SpaceX开发出第一枚可重复使用火箭，猎鹰9号在卡纳维拉尔港附近成功发射和着陆。
可重复使用火箭改变了将物体送入轨道的成本计算方式。此前，客户必须支付火箭的全部费用，才能将单个有效载荷发射到太空。
当火箭成本可通过几十次飞行摊销，太空发射的门槛自然就被打下来了。
于是2015年之后，更多客户开始对卫星实验感兴趣。
同时，SpaceX又在其猎鹰9号上推出了“拼团”服务。该服务可以将最多200公斤的有效载荷送入太空，价格约为每公斤27.5万美元。
照此计算，建造发射卫星便不再是富人的精品业务，旺盛需求出现，标品和商品化成为行业趋势。航天工业迎来“福特”时刻，约克空间系统公司(York Space Systems)、蓝色峡谷及Apex Space都开始推行自己的量产小型卫星。
到今天，绕地球运行的7000多颗活跃卫星中，一半以上是通信卫星，五分之一用于地球观测，其余则兼具情报收集和科学用途。
成本降低改变的不只是价格，过去的卫星部署模式也被改变。
由于发射成本足够低，过去将通信卫星发射到地球静止轨道变得没必要。
通信服务机构可以将一组小卫星发射到近地轨道，这些卫星可以共同覆盖与地球静止轨道上的一颗卫星相同的区域，只需让他们有更好连接就行。
加之离地面更近通信延迟越短，卫星通信可以有更好效果。
SpaceX的星链（Starlink）就是这一思路的产物。
根据其描述，马斯克要部署多达4.2万颗通信卫星，让全球任何地方都能联网。自2019年该计划启动以来，SpaceX已向太空发射了3500多颗卫星，因此，它已成为目前拥有卫星最多的公司。
SpaceX不是唯一有此宏伟计划的公司。Amazon、OneWeb和中国航天科技集团均有相似计划。贝佐斯的蓝色起源正在进行相关布局。
通信方式的变化也影响了芯片厂商战略。高通CEO最近公布了该公司的计划，欲使其移动和笔记本电脑芯片多样化，使它们能够直接与卫星合作伙伴通信，并为用户提供“太空互联网”访问权限，无论他们在地球上任何地方。
卫星连接升级的影响还不止于此。美国农林产品服务商，约翰迪尔，最近官宣，希望利用即将到来的卫星通信，为其拖拉机提供更好的连接，便于农场主通过网络了解作物生长状况。
如今，卫星数量呈指数级增长，这产生了为绕地飞行服务的新商机。经过漫长的几十年，我们终于建立了数百年梦想的太空经济。
首颗卫星
科幻小说作家阿瑟・克拉克经常被认为是第一个提出发射人造卫星的人。
在1945年出版的《无线世界（Wireless World）》杂志中，他阐述了与地球同步轨道运行的人造卫星如何成为跨大陆通信的工具。
更早之前，牛顿提出了万有引力定律和运动定律，此后宇宙旅行的愿景一直让科学家和工程师着迷。甚至在1895年，沙皇俄国一位乡村学校教师，康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基 (Konstantin Tsiolkovsky) ，出版了《地球与天空的梦想》，当中阐述了围绕地球运行的人造卫星的想法。
在后来的书中，他还阐明了液氢和液氧作为火箭燃料的概念，介绍了多级火箭的想法。
尽管人类在太空中描绘了这些预言性的蓝图，但直到20世纪前半页，大众对太空技术兴趣也并不大。
直到冷战时期，两国基于核武器，开始研发运载火箭技术。
20 世纪 50 年代，美苏都在竞相开发更强大的火箭技术——真正用于运输核武器的航天飞机——1957 年，苏联向世界展示了他们的火箭技术到底有多么出色，震惊了世界。1947年10月4日，苏联的人造地球卫星1号，这是第一个绕地轨道运行的人造品。苏联天体物理学家，谢尔盖·科罗廖夫，将一颗原始的球形卫星绑在洲际弹道导弹顶部，成功将其发射到绕地球轨道。
尽管该卫星的电池只能维持维持三周，但美国人很担心苏联已有能力监视他们。而且，人造卫星1号发射几周后，苏联又发射了人造卫星2号，这次搭载了一位名叫莱卡的狗。
次年，美国成立了国家航空航天局（NASA）作为回应。在一系列发射尝试失败后，他们于1958年1月31日，成功将第一颗小型卫星送入轨道。
此后，人类的太空事业开始高速运转。
尤其在1960年，美国太空事业创下了许多第一，其中包括成功发射红外遥感气象卫星，它可以拍摄地球云层图像，观测天气。这是有史以来发射的第一颗气象卫星，尽管这颗卫星最终只运作78天。
同年，美国海军还发射了Transit 1B定位卫星，此后，美国国防部于1967年发射第一颗GPS卫星。如今，GPS系统已经是一个由20颗卫星组成的强大网络。
此外，美国还发射了“回声”系列卫星。这是第一颗通信卫星，其目的是将美国无线电波传递到英国的地面站，让大西洋另一侧能收听广播。
在此基础上，为增强卫星信号，美国宇航局工程师开发了一种称为“行波管”的技术。它可以放大并重新发射更强的无线电信号。
第一个行波管安装在NASA在1962年发射的中继1号卫星上。从那时起，它就成为了每颗通信卫星的支柱，直到现在。
现代卫星发展剖析
目前，人类已经掌握大量太空环境的知识。
在这样的环境中，温度低可至-40度，高可达70摄氏度。没有稳定、可靠的电源，却有各种各样的高能宇宙射线，它们会扰乱计算机在太空中的工作。此外，还有小行星及其他卫星撞击的风险。
为能在太空中“生存”十多年，现代卫星配备了以下系统：
太阳能和电池供电系统：卫星存在于太阳和地球之间，有时隐藏在地球阴影后面，因此，需要多种能源选择来维持太空活动。几乎所有卫星都配备了高表面积太阳能电池板，可以利用太阳产生电能，或者在阴暗位置使用电池。
结构与热控制：极端温度容易损坏太空中的电气设备。因此，卫星通常包括用于冷却电气元件的散热器、隔热毯、加热器和多层绝缘材料。
推进和姿态控制：卫星的重要功能包括运行方向保持、轨道保持上以及规避撞击。
该过程需要使用尽可能少的能源支撑，比如反作用轮装置应用，或是利用磁力矩器，依靠地磁场相互作用力，实现对航天器控制。此外，大多数卫星还配备了推进器或微型发动机。
卫星技术的挑战和机遇
随着我们对太空的雄心壮志不断增长，人类必须应对的挑战也随之增加。
以下是空间技术中，一些最具影响力的新兴前沿：
1、空间激光器带来更多带宽
人类越依赖地球观测，遥感系统就越好。例如，合成孔径雷达 (SAR) 。这是许多观测卫星上一项关键的新技术，它能发射雷达脉冲，可以穿过恶劣的大气条件，最终生成地球的高分辨率图像。
然而，SAR系统生成的数据文件太大，无法通过标准无线电频段有效传输。一种补救措施是——改用更高频率的波长信号，它单位时间可以编码和传输更多信息，可见光是其中选项。
几年来，NASA和SpaceX等组织一直在尝试开发新协议，以希望通过激光在太空中传输信息。
该技术落地起初很难。光学激光器发射的是精确光束，比标准无线电波长短得多，难以将这些激光定位到目标上
经过多年对激光通信协议的修改，NASA将推出自己的光通信系统，该系统将能更快在卫星和地面站之间传递信息。
NASA对外宣称，当宇航员重返月球时，他们能够传输该现场的高清图像，而非当年阿波罗11号任务中的颗粒状黑白视频。
大型卫星的公司，例如拥有Starlink的SpaceX，也渴望使用激光通信，更快在卫星之间传输信息。
尽管太空激光通信技术日趋成熟，且各家公司都有自己的光通信协议，但目前实现方面仍只算零星探索。
这项新技术是否需要标准化，或者什么解决方案可以使光通信与空间站和地面站实现互操作，还有待观察。
2、更低价的发射成本
依靠SpaceX猎鹰9号将1公斤重物送入太空，成本约为2750美元。不过，SpaceX正推进的星舰计划，将这一成本降至100美元。
Republic Capital是太空技术和SpaceX的资深投资者，他们认为，星舰可能会改变世界。
在其2022年太空技术报告中，Republic Capital写道：
不必再担心质量和尺寸限制，不妨让制造商在卫星设计方面更有想象力。他们可以将重点转向建造功能越来越强大的卫星，而非优化最轻量的卫星。
当然，星舰的真正目标是最终成为太阳系的航天飞机，能够将货物运送到月球和火星等遥远地方。
3、清理太空垃圾
尽管我们已经非常擅长将物体送入轨道，但我们仍没有太多将物体送出轨道的方案。
随着时间推移，这将成为一个问题。绕地球运行的太空垃圾已经比正常运行的卫星还要多。空间越拥挤，越容易碰撞损坏我们发送上天设备。
20世纪70年代末，关注太空碎片问题的NASA科学家，唐纳德・凯斯勒警告：太空碰撞会产生更多碎片，进而增加发生更多碰撞的可能性，直到我们进入失控的太空灾难阶段。这种现象被称为「凯斯勒综合症」。
鉴于运作卫星的独立机构众多，碰撞即将发生时，再做协调很困难。一些太空技术初创公司正试图依靠空间通信和卫星导航系统解决该问题。
其中之一名叫Privateer，其联创之一是来自苹果的史蒂夫·沃兹尼亚克 (Steve Wozniak) 。
新兴的太空初创公司正在解决太空通信和卫星导航系统的问题。其中之一名为 Privateer，是由史蒂夫·沃兹尼亚克 (Steve Wozniak) 共同创立的一家新企业。
其公司使命，正是提供更好的空间碎片视野，即将推出产品之一名叫Resslek，能提供卫星运行管理服务，当客户设备将与另一个物体碰撞时，会发出警报。
4、商业空间科学
2022年，NASA宣布了国际空间站将于2031年退役。这可是一件大事，毕竟，国际空间站是目前人类唯一的太空实验室。
自1998年起，国际空间站在太空中一步步建造，经历了无数次载人任务，它体现了十多个国家的心血。
在这个微重力空间中，科学家得以解锁诸多研究课题，比如：
低重力环境中蛋白质的形成、干细胞的生长、玻色-爱因斯坦凝聚态的性质（这被广泛认为是物质的第五态）、水净化技术等等。
2002年，国际空间站发布了一份名为《对全人类贡献（Benefits for Humanity）》的文件，其中列举了诸多对人类世界有重大影响的实验。
太空科研具有令人难以置信的价值，这就是为什么中国在2021年发射了自己的模块化空间站，名为天宫站。该空间站将在未来几年继续扩大建设。
与此同时，国际空间站的退役对科研势必带来挫折，同时也影响商业。在其探索背景下，无数有潜力的新机遇被发掘，它涵盖了太空工厂产业，能制造并提供关键材料，比如制造碳纳米管、玻璃纤维电缆、有机组织等等。
为应对上述问题，美国致力于鼓励商业玩家协助发射空间站，这当中，Axiom Space正在致力于建设一个专门的科学实验室，作为国际空间站继任者。此外，NASA还拉进来了Nanoracks、Northrop Grumman及贝索斯的蓝色起源。
在沉寂数十年后，我们仍能续上太空梦想，更多牢固的太空平台能够影响更多人的生活。微重力制造这样的新产业可能出现，旧产业秩序或被瓦解（比如电缆产业的垄断现象）。
当然，我们走的越远，像太空碎片一样的越多新问题就会冒出来——
但借助技术，问题往往就是机遇，两者都充斥在太空中。
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