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低轨卫星星座背后的产业赛跑

05/22 10:10
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作者:陈彬,编辑:李墨天

2月3日7:37,西昌发射场迎来了第200次发射任务。一枚搭载了11颗卫星的长征二号丙运载火箭,在破晓之时缓缓升空。不同以往的是,这一次发射的卫星,来自一家民营企业。

在航天领域,由民营企业构成的商业航天,正日渐成为一股不容忽视的力量。

中国商业航天的故事,最早可以追溯到2014年:彼时,国家放开了政策限制,鼓励民间资本造火箭、放卫星,一些企业开始了早期探索。

而在近两年,随着企业陆续取得突破,商业航天开始爆发。

2021年,吉利旗下的商业航天公司时空道宇,在浙江台州建成全球首个深度融合航天制造和汽车制造能力的卫星超级工厂,实现了卫星的工业化生产。

2023年,这家企业还成为全球首家实现卫星通信及星基高精定位车规级量产应用的商业公司。目前,已经完成自有星座两个轨道面部署。2024年内完成星座第三个轨道面部署后,开启全球化商业应用。

去年,民营火箭产业也按下了加速键,5家公司先后发射了13枚火箭。年底,我国首个商业航天发射场,也在海南竣工。

中国商业航天如火如荼的背后,是一场正悄悄拉开帷幕的太空竞赛。

21世纪太空竞赛

当下,跑马圈地最激烈的,莫过于低轨卫星星座建设。

北京时间5月15日02:39,一枚搭载了20颗星链卫星的猎鹰9号火箭,成功进入地球轨道。截至2024年5月15日,SpaceX已经发射了足足35次星链卫星[2]。同一时间,其他国家也加快了建设低轨卫星星座的脚步。

众所周知,现代社会的信息传输,几乎完全依赖地面通信。

然而,出于自然环境、基站建设成本等问题,目前尚有80%以上的陆地地区、95%以上的海洋地区,没有被地面网络所覆盖。

在这些“信息社会的死角”,基于低轨卫星的卫星通信就成了最好的选择。借助运行在地球轨道上的卫星星座,可以实现对整个地球的网络覆盖。

由此可见,低轨卫星星座有着非常重大的价值:它可以给处于极端环境、基建落后、地面网络无法覆盖地区的人们,提供实时的网络服务。除此之外,它还是6G网络的重要组成部分。

当然,通信只是低轨卫星的主流应用方向,它还能实现高精定位、遥感等功能。

然而,低轨卫星星座的技术特征,决定了民营企业才会是破局的关键。

卫星运行的地球轨道,按照轨道高度从低到高,分别是低轨道、中轨道以及地球同步轨道。低轨道由于距离地面更近,因此传输延时最低,速率更高,是目前唯一能实现近似地面通信效果的轨道。

然而,低轨卫星星座如果要覆盖全球,对卫星星座的设计要求非常高。

由于轨道高度低,单颗低轨卫星只能覆盖一小片区域。因此,需要通过数十颗、数百颗乃至更多的低轨卫星,组网成一个星座,系统结构复杂,且操作、控制、管理难度较高。

除此之外,低轨卫星还存在使用寿命较短等问题。

因此,发力低轨卫星,需要低成本、批量生产卫星的能力。

事实上,早在上世纪末,各个国家已经意识到了低轨卫星星座的潜力。

然而,传统的卫星生产,大多依赖实验室定制研发,单颗成本极其昂贵,更别提组建星座了,这显然不是传统航天机构所擅长的。

因此,民营企业接棒成为了发展低轨卫星星座的重要有生力量。在中国,民营商业航天企业时空道宇冲在了第一线。

当下,时空道宇是全球第6家,也是国内首家能够独立建设并运营商业卫星星座的企业,同时也是国内唯一实现星座整轨部署的商业航天企业。

目前,时空道宇正在建设并运营,全球首个服务于未来出行生态的低轨卫星星座——吉利未来出行星座。预计在两年内,时空道宇将完成星座一期72颗卫星部署,实现全球实时数据通信服务。

然而,即便对于时空道宇这样的民营企业来说,参与“低轨道竞赛”,仍是个不小的挑战。

拥抱产业思维

早些年,外界普遍并不太看好卫星通信这个方向。毕竟,民营企业的第一次尝试,就以一场惨败收场。

上世纪80年代,摩托罗拉推出了全球首款商业手机,并搭载了刚刚兴起的1G网络。然而,1G网络建设的种种缺陷,令摩托罗拉感到不满。于是,这个风头正盛的手机巨头,启动了一个非常大胆的项目:

通过发射77颗卫星,来组建一个覆盖全地球的网络。摩托罗拉将这个项目命名为铱星(Iridium),因为金属元素铱的原子序数刚好为77。

然而,铱星项目的建设成本高达50亿美金,需要超100万用户才能摊平成本[8]。1998年底,铱星项目正式投入使用,用户仅有约2万人[9]。只运行了8个月,铱星项目便濒临破产。2000年,摩托罗拉不得不宣布所有卫星将脱离轨道。

所幸美国政府接盘,免除了40亿美金的债务,铱星才得以存续下来。当年铱星的失败,揭示了低轨卫星产业化的两个关键性难题:

如何降低建设星座的成本?以及如何扛住庞大的研发开支,找到成功的商业模式?

针对这些问题,时空道宇在摸着前人过河的过程中,探索出了一种非常巧妙的解题思路。

制造卫星是一项昂贵、复杂、耗时,且工程精密度极高的工作,通常多在实验室进行。

幸运的是,时空道宇作为吉利旗下的公司,拥有丰富的汽车制造知识。

通过借鉴吉利汽车制造的自动化装配技术,以及批量化制造管理模式,时空道宇打造了一条智能柔性脉动式生产线,实现了卫星AIT(总装、集成和测试)量产。

工业化批量生产的模式,使得时空道宇能够大幅缩短卫星的总装集成测试周期,并将生产成本降低45%。

如今,从下单到卫星出厂,时空道宇只需要28天。而在量产阶段,台州卫星超级工厂每天可出厂1-2颗卫星,已接近国际一流的商业航天企业[10]。

对于时空道宇而言,吉利庞大的汽车工业,既是前置产业,帮助解决了降本难题;同时也是下游产业,提供了可行的落地模式。

去年,时空道宇创新性地将卫星通信落地到汽车上,和极氪共同推出了全球首款量产卫星通信乘用车——极氪001FR。如今,极氪009光辉版、新款极氪001、极氪007、吉利银河E8等车型,都配备了双向卫星通信功能。

对于卫星通信而言,出行是个极其重要的场景。

当处于无地面网络覆盖的环境时,配备了卫星通信的车辆,仍可以提供网络服务,不必担心失联。

与此同时,时空道宇的吉利未来出行星座,不光具备卫星通信功能。星座二期将拓展至168颗低轨卫星,将提供全球高精定位服务,能够让车辆“永不迷路”。

“卫星上车”,可以切实解决许多极端环境行驶的痛点。

时空道宇是国内率先实现车载卫星应用产品规模化落地的商业航天企业。然而,出行只是时空道宇产业化版图的第一步。

实际上,低轨卫星星座的想象空间,远不止于此。

目标,星辰大海

今年4月,曾经“死过一次”的铱星,公布了一季度的财务数据:2.039亿美金的营收,以及980万美元的净利润,俨然已经重获新生。

当年,铱星能够存续下来,离不开美国政府的帮扶。然而,政府订单只占铱星收入的12%。相比之下,不断增长的商业服务,构成了其收入的主要来源。铱星将卫星通信服务,拓展到了海运、航空、物联网等领域中。

以航空为例,目前铱星的第一代服务已经安装在6万多架飞机之上[13]。

去年,铱星又推出了新一代的Iridium Certus服务,通过运行在低轨道上的卫星星座,可提供最高704 Kbps的网络服务。5月初,加拿大飞机制造商Bombardier,宣布将使用Iridium Certus航空服务。

而在海运端,铱星今年又刚刚收获了中远海运这个来自中国的大客户。

从中可以看出,铱星的商业扩张,完全建立在全球市场的基础之上。

道理其实不难理解:卫星企业在建设星座时,向来是以地球为“基础单位”。不管是铱星、星链,还是吉利未来出行星座,都可以给全球任何一个地点提供服务。

既然已经剑指星辰大海,再将产业落地限制在少数国境线之内,格局未免小了些。

因此,早在2021年星座规划建设初期,时空道宇便开始了海外业务的筹备工作。探索的领域,也不仅局限于出行。

目前,时空道宇已完成基于自有星座的手机直连卫星通信芯片研发和流片,预计将于下半年实现规模化量产应用。而在自动驾驶智能网联等领域,时空道宇也积累了不少相关经验。

在杭州第19届亚运会期间,时空道宇以航天科技赋能亚运,提供高精定位、卫星通信、遥感AI技术支持,助力杭州举办智慧亚运,保障大型国际赛事出行安全。

时空道宇高精定位产品及服务应用于近2000辆亚运会官方指定用车,实现车辆精准管理与调度,累计保障里程超200万公里。

目前,时空道宇在全球商业化落地的核心业务模式,是与海外电信运营商进行深度的绑定和合作,为行业用户提供从数据服务到芯片的完整解决方案。同时根据各个地区的市场需求,因地制宜地开展低轨卫星星座相关的应用服务。

去年,时空道宇成功在东南亚、中东、非洲等地取得了业务进展,完成了一系列战略合作签约。

例如在去年底,时空道宇与马来西亚电信运营商Altel签约,结合当地丰富的港口与农业资源,加速智慧港口、智慧农业等解决方案的落地。

在中东、非洲等地区,时空道宇已经与当地电信运营商合作,开展手机直连卫星通信等卫星应用业务。

吉利未来出行星座第三轨卫星,计划于今年下半年发射,届时,时空道宇将正式开启星座的全球应用服务。星座第四轨卫星将搭载手机直连卫星通信载荷,为海量存量手机提供手机直连卫星通信服务。

在全球商业竞争的背景上,时空道宇找到了适合自己的道路。

尾声

时至今日,外界对于航天的认知,大多仍保留着“高精尖国家项目”的刻板印象。事实上,随着以低轨卫星制造及应用、商业运载火箭等为代表的商业航天产业日渐成熟,游戏规则正在改变。

不论是率先起跑的美国,还是其他追赶者,都保持着“国家队”与“民间队”互相搭伙过日子的形式。

可以预见的是,商业航天将在未来20年的科技产业中,将扮演非常重要的地位。但正如前文提到,这远没有看上去那么简单,很多环节都尚未跑通。不论是放卫星,还是造火箭,都存在着海量工程难题需要克服。

尽管我国开放民间资本进入已有10年,愿意投身其中的企业仍算不上多。

因此,那些敢于探索的先驱企业,值得外界更多的掌声。因为,它们的经验与成果,将决定太空红利彻底爆发的时候,中国的科技从业者能分到多少蛋糕。

参考资料

[1] 到处抢人,中国民营火箭排队上天,南风窗[2] SpaceX launches 20 Starlink satellites on 50th mission of the year,space.com[3] 低轨卫星通信启动,天地一体通信迈向6G,南京证券[4] 论高低轨道在我国未来卫星通信中的应用,张更新、甘仲民、牛鑫[5] 卫星通信发展提速,星地一体未来可期,中信证券[6] 他山之石系列——卫星通信专题(二)铱星星座商业模式分析,西南证券[7] A Heavenly Sign - The Iridium satellite story,David Vernon’s Scribbles[8] Iridium satellite phone re-launch, BBC News[9] Iridium Fails to Find a Market : Satellite Phone Misses Its Orbit,The New Yorker Times[10] 专访时空道宇CEO王洋:目前商业卫星最具市场前景的是卫星制造及应用领域,21世纪经济报道[11] 商业航天的“引擎”还能撬动什么,中国新闻周刊[12] How Iridium stays ahead in the space race,Tech Wire Asia[13] Satcom providers stand ready as Iridium introduces Certus aviation,runwaygirl network

编辑:李墨天

视觉设计:疏睿

责任编辑:李墨天

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