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新太空竞赛:低轨卫星背后的中美大国博弈

2020-03-19 10:37:38    创事记 微博 作者: 远川科技评论   

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  作者/喻隽哲   支持/远川研究所制造组

  来源:远川科技评论(ID:kechuangych)

  3月3日,吉利卫星项目在台州正式开工。吉利进军低轨卫星的消息一出,让人不禁联想到太平洋彼岸的另一位汽车狂人——Elon Musk。

  SpaceX作为马斯克控股的另一科技企业,不仅仅造火箭造飞船,旗下的StarLink(星链)计划,同样是造低轨卫星的啊!

  作为第二位造车+造星的选手,吉利难道是想复制马斯克的道路吗?

  不仅如此,谷歌、亚马逊、三星、SpaceX、波音、腾讯,中国与美国两国的这些产业巨人们纷纷发布了进军低轨卫星通信领域的计划,阴谋何在?我们来详细分析下。

  Part1.什么是低轨卫星?

  书福哥这次要造的可是低轨卫星,这一下子从地上跑的升级到天上飞的,咱们先得捋清楚低轨卫星是什么?

  低轨卫星是人造地球卫星的一种,是环绕地球运行的无人航天器,传输信号通过无线电传播。

  这样说什么是人造卫星你可能不明白,但是你肯定知道GPS卫星定位。

  当我们打开手机导航时,手机作为一个GPS接收器就会与至少4颗GPS卫星相连,通过无线电传输信号与卫星交换信息,计算得到我们即时的位置信息。这就是人造卫星日常的一个应用途径。

  而人造卫星按轨道高度分类,可以分为低轨(LEO)、中轨(MEO)和高轨(GEO)三类。根据安信证券研报,其中低轨卫星是指距地面高度在500-2000公里环绕地球运行的无人航天器,相比中轨距地面2000-35786公里和高轨距地35786公里,低轨卫星的轨道高度最低,因此名为低轨人造卫星。

图1:卫星轨道示意图图1:卫星轨道示意图

  既然咱们离地面近,那肯定有咱们独特的优势不是?

  高轨通信卫星由于离地面远,传输信号距离远、延迟大,据安信证券研报资料,一般延迟为500毫秒左右,而低轨卫星离地高度大大缩短,约为高轨高度的1/30,大多可以实现50毫秒以内的延时,接近地面光纤网络速度。

  没想到这小小卫星能量倒是挺大,那之前怎么从来没听说过?

  其实不然,低轨卫星在20年前曾有过一次辉煌期。

  1987年,摩托罗拉提出手机全球通信的低轨卫星概念,并于两年后正式立项为“铱星计划”。

  1997、1998两年期间,铱星计划一共发射了66颗用于手机全球通信的低轨人造卫星,并正式宣布运营。

  然而,次年八月,铱星公司由于通话掉话率高达15%,数据传输率仅2.4kb/s,且业务收费高等重重问题,宣布破产。

图2:铱星计划重要历史节点图2:铱星计划重要历史节点

  一个摩托罗拉孕育了数十年,投入资金超五十亿美金的太空项目,仓惶落幕。

  而时隔20年,全球无数巨头企业,包括谷歌、亚马逊、三星、SpaceX、波音、腾讯,纷纷发布了进军低轨卫星通信领域的计划,提出了OneWeb、StarLink、WeEarth等数十个低轨卫星通信方案。

  自当年一代霸主摩托罗拉折戟之后,江湖豪强再战低轨卫星,各位的底气从何而来?

  Part2.为什么要进军低轨卫星?

  首先,底气从巨大的市场中来。

  根据东吴证券研报:2018年,全球卫星产业总收入为2774亿美元。其中卫星产业规模主要来源于地面设备和卫星服务收入,占总产业收入的91%。而巨头们要进入的恰恰是这两项关键之处。

图3:全球卫星产业规模结构图3:全球卫星产业规模结构

  其次,底气从发射低轨卫星的低成本中来。

  目前低轨卫星的生产已经实现流水线、批量化的方式。根据东北证券研报,低轨卫星行业目前总融资额度第二的OneWeb公司的单星研制成本约在60万美金左右,而咱们的北斗卫星和美国的GPS卫星的单颗造价都要远高于一亿美金,美国军用的AEHF-4卫星造价更是高达18亿美元

  光是卫星便宜还不够,还得要有火箭把卫星给送上天。

  当年摩托罗拉可是花了整整50亿美金才把66颗卫星送上了天;而现在SpaceX的猎鹰9号运载火箭单次发射成本已经稳定在了6千万美金,一架猎鹰9可以搭载60颗低轨卫星,这比起当年也是便宜了一个数量级还不止。

  这还不算完,现在低轨卫星的传输速度也进步了一个数量级。

  当年的铱星,网络传输速度仅仅2.4kb/s,而现在OneWeb和StarLink发布的网络服务速度都至少达到了Mb/s这个数量级,毫不逊色于地面光纤。

  当然,不论是技术进步引领的速度快或是成本低,这些都不是各大巨头们必须进军低轨卫星的原因。

  巨头们的野心到底在哪里?巨头们的野心其实藏在物联网里!

  目前的5G建设搞得是如火如荼,地面基站步步推进,大家手机上也渐渐搭载上了5G芯片。5G的看点可不单单是网速快,最重要的是带我们走向“万物互联”。

  5G建设的目标是要将“人与人”的连接,升级成“人与人,人与物,物与物”的全空间连接!

  图4:低轨卫星典型应用场景(包括:汽车,飞机,房屋,其他移动设备)资料来源:中国银河证券,远川研究所

  根据华西证券相关研报,物联网现在通信标准已经推出,以NB-IoT蜂窝网络和LoRa低功耗无线局域网技术为代表的无线通信技术已经成为主流。知名国际咨询机构IDC和Gartener也均预测2020年全球物联网设备将达200亿个以上,华为也预测2025年物联网设备将接近1000亿个。

  但是要完成物联网的全球化覆盖,眼下还有一到难关摆在大家面前。

  根据全球互联网统计信息(Internet World States)的数据,目前全球仍有42%的人口,约32亿人没有被互联网普及。而且,由于5G地面基站建设易受海洋、沙漠、雪山等独特地形制约,荒野偏僻地区仍将是信号的盲区。

图5:全球主要地区未连接互联网家庭数量统计图5:全球主要地区未连接互联网家庭数量统计

  想实现全球物联网要怎么搞?

  各个巨头纷纷望向了头顶的那片星空。

  Part3.巨头们的野望

  作为有着汽车狂人之称的书福哥,进入这片星空,他要做的是车联网。

图6:吉利控股旗下股权结构图6:吉利控股旗下股权结构

  吉利此次进军低轨卫星,用书福哥的话说:那就是为了无人驾驶!

  现阶段无人驾驶的定位技术主要还是靠GPS卫星定位系统,但是GPS卫星属于中轨卫星,离地高度大概在2万到3万多公里,所以有时信号达到地面强度会很弱。

  举个例子,现在当你下班行走在高楼耸立的市中心街道时,打开导航,你常常无法得到自己确切的位置。

  这是因为卫星定位信号天然的脆弱性。如果这种情况发生在无人驾驶汽车身上,后果可能不堪设想,下班后的你很可能被它带着环游某条街道无数次,却仍然无法找到回家的路。

  而书福哥这次做的低轨卫星增强系统就是要通过低轨卫星来提高卫星导航的精确性!

  根据学术文章《低轨导航增强GNSS发展综述》,低轨卫星由于离地高度低,绕地球旋转一周的时间远小于中高轨卫星,在相同时间段内经过的轨迹更长,可以加快高精度定位的收敛时间,提升抗干扰和反欺骗能力。低轨增强系统就是将低轨卫星作为卫星导航系统的高精度天基监测站,与中高轨卫星定位系统形成互补,对增强定位的精度完好性

  通过低轨卫星来增强导航的卫星信号,就能帮吉利定最准的位!成为整条街最“准”的仔!

  当然大洋彼岸的另一位造车狂人也进入了这片星空,他要用低轨卫星联动他旗下的生态。

  StarLink(星链计划)作为马斯克控股的又一科技公司SpaceX旗下的业务,通过发射低轨卫星群,提供覆盖全球的高速互联网接入服务。

图7:星链项目建设计划图7:星链项目建设计划

  据东兴证券相关研报,星链计划在2019-2024年间,将4425颗卫星送上轨道。目前SpaceX已经将240颗卫星送达轨道,预计在今年年底对北美地区实行网络服务运行试点。当将4425颗低轨卫星都送上轨道后,SpaceX将向全球提供最高1Gbps的宽带服务。

  这时候大家问题就来了,这和小马哥旗下的生态圈有啥关系?这不是学着移动、电信给我卖网吗?

  还真不是这么简单。

  小马哥手下可不只有一个特斯拉,他同时还造屋顶(Solarcity)、造隧道(The Boring)、造火箭、造飞船(SpaceX)。

图8:左:特斯拉中:SpaceX 右:The Boring图8:左:特斯拉中:SpaceX 右:The Boring

  有了星链,你还用得着每次OTA推送时打开手机给你的特斯拉开移动热点?

  有了星链,无人驾驶的特斯拉还怕不能和吉利低轨卫星增强系统争锋?

  有了星链,到时候无论是在家里、隧道、火箭还是飞船上,小马哥的星链都将无处不在,万物互联就这么任性!

  当然,不仅仅是两位汽车狂人,其他巨头们进军低轨卫星都有着他们各自“万物联网”的算盘。

  据中国银河证券研报,谷歌早在2010年初就联合汇丰银行发起了“O3b计划”,意图为其他不能上网的30亿人(other 3 billion)提供卫星网络服务。

  Facebook也于2017年成立了卫星公司,号称要比星链网速快10倍!

  去年4月亚马逊发布的Kuiper项目,计划要发射3236颗低轨通信卫星,数量仅次于星链!

  国内巨头腾讯也入局,19年12月发布的最新产品“WeEarth 超级地球”,就计划搭建一套包括300颗卫星的对地观测网。

  安信证券相关研报就称:WeEarth只是腾讯进军空天互联网的第一步,未来通过优化平台,可以进一步拓展通信、导航等相关业务,最终形成空天互联网云平台的演化。

  Part4.低轨卫星的大国博弈

  巨头们如今纷纷押注低轨卫星,为的是抢夺优势轨位和频段。

  其实卫星的频段和轨道资源其实是有限且有优劣之分的。根据安信证券相关研报,卫星频段中,0.3-10GHz频段传播消耗最小,30GHz附近也消耗相对较小。而且,对于频段与轨道的分配,目前国际规则是“先申报先使用”!

  争夺优势卫星轨位,这不单单是巨头们对于制空权的竞赛,更是拉开了又一次大国竞赛的序幕!

  上世纪60-70年代,美苏两国为了在太空竞赛中拔得头筹,一共向太空发射了三十多艘载人飞船,完成六十多次太空飞行,更是有载人登月壮举。

  而几十年后的今天,美国已经不再以国家的形式投入巨额资金进行航空航天研发,逐渐转变为通过财政支持私营航天企业开拓太空科技。

  SpaceX作为目前美国最大的私人航天企业,与美国国家航空航天局(NASA)和美国空军渊源颇深。NASA于2011年正式与SpaceX合作商业载人航天项目,SpaceX的诸多技术也被视为当年NASA相关研发项目的延申。

  SpaceX旗下的星链计划组网后,首要任务就是交付美国军方使用,美国对低轨卫星这一战可谓势在必得。

  而如今太空竞赛的另一方,已从苏联换成了日新月异的中国,中国对于此战同样是虎视眈眈。

  早在2016年12月的《十三五国家信息化规划》中就明确指出“要通过移动蜂窝、光纤、低轨卫星等多种方式完善偏远地区和贫困地区网络覆盖。”

  2018年4月发改委发布通知:减少卫星运营商的频率占用费,免除了部分高通量卫星终端用户的占用费,开展空间科学研究的卫星系统实行50%的减缴政策。

  而且,对于低轨卫星我们有两个杀手锏:航天科技的“鸿雁星座”与航天科工的“虹云工程”。

  鸿雁星座与18年底成功发射了首颗试验卫星,预计今年7月再发两颗卫星,于2024年组网完成。而虹云工程同样是在18年底试射成功,预计在2022年完成156颗卫星组网业务。

  同时,国内卫星产业链的整体建设也是如火如荼。

图9:低轨卫星产业链图9:低轨卫星产业链

  低轨卫星互联网目前建设重点是基础设施建设和卫星研发,产业链上游需求十分明确;来随着基础建设完成,产值占比更大的应用服务将是巨大看点!

图10:低轨卫星产业链相关厂商图10:低轨卫星产业链相关厂商

  现阶段,产业链上游卫星的研发、制造企业如:航天科工、中国卫星、银河航天,均已有自己的低轨卫星星座计划,研发制造工作在稳步推进。

  未来,随着卫星的上天,产业景气度将向下游传导。传统的卫星应用及服务企业如:中国卫通、航天科技,和跨界卫星运营企业吉利、腾讯,利用组网星座系统,将逐步推进天地一体化进程!

  从2000年中国建成北斗一号系统,到今年6月预计完成万众瞩目的北斗三号系统,我们花了20年时间打造出我国完全自主可控的全球导航卫星系统,而美国的GPS卫星导航系统交付运营是在1994年。

  卫星定位系统之争,我们慢了20年。此次,低轨卫星的中国与美国竞争序幕再次拉开。

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