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要WiFi还是要星空?马斯克的“星链”计划惹争议

时间:2020年05月19日    热线:0311-85290821   来源:中国新闻周刊

  要WiFi还是要星空?马斯克的“星链”计划惹争议

  本刊记者/彭丹妮

  发于2020.5.18总第947期《中国新闻周刊》

  4月27日,天文爱好者们注意到,一串因反射太阳光而发光的卫星在当晚8点37分从西北方升起,划过北京夜空;5月1日晚,这批卫星过境厦门,40颗肉眼可见的卫星一字排开……2019年开始,美国SpaceX公司通过一次火箭发射搭载60个卫星的方式将几批“星链”(Starlink)卫星送入太空。此后,天文学家们发现这些卫星像一列火车一样经过世界各地上空。

  这是“硅谷钢铁侠”伊隆·马斯克的又一大手笔。这位特斯拉汽车的创办者频频撼动人们的认知,他对未来生活方式的设想涉及交通、能源、支付、脑机接口等众多领域,但航天无疑是其中最有野心的布局。

  马斯克于2002年成立的商业航天公司SpaceX,用六年时间成功发射火箭,用不到16年的时间,造出了世界现役运载能力最强且可以回收的火箭。未来,他计划建造巨型火箭,可以将人类送往火星——但在那之前,他想利用火箭做另一件事:覆盖全球的网络和通讯信号。

  卫星通信:网络覆盖无死角

  2018年2月22日,在美国加州范登堡空军基地,SpaceX成功发射了一枚“猎鹰9号”火箭,并将两颗小型实验通信卫星送入轨道——这是马斯克雄心勃勃的全球互联网卫星部署计划——“星链”项目的起步。

  每颗星链卫星重227千克,大小和一辆小汽车差不多,由板状的卫星本体和一面可折叠的太阳能板组成,每颗卫星上搭载了4面相控阵天线用来进行网络服务。低轨卫星通信的优势是快。一方面,星链的信号传播速度接近真空中每秒30万公里的光速,而光信号在光纤中的传播速度为每秒20万公里,与此同时,星链不用像远距离光纤通信那样,靠一段一段接起来,而是直接点对点,因此即便考虑空地往返,这种通信手段也更高效。

  2019年5月,星链第一批发射的60颗卫星进入550千米的近地轨道,之后又分别于2019年11月和2020年1月进行了第二次和第三次发射……到了2020年4月22日,“猎鹰9号”火箭从佛罗里达州的肯尼迪航天中心基地发射,将第7批的60颗卫星送上了太空。至此,包含前述两颗实验卫星在内,星链计划已经发射了422颗卫星。

  按照马斯克给出的最新时间表,他决定在420颗卫星完成之际,就推出卫星互联网实测——目前,他们正在北美地区和加拿大利用这些卫星进行一些私人网络测试,更大规模的公众测试将在2020年11月展开。根据SpaceX去年的计划,2020年,星链卫星将至少发射9次,最多可能达到24次,也就是差不多每两周发射一次。

  根据SpaceX向美国联邦通信委员会(FCC)提交的文件,“星链”计划将在2027年之前部署1.2万颗卫星,分三层坐落在近地轨道中——7500颗、1584颗、2825颗卫星分别位于距地面340千米、550千米和1150千米的轨道上。2019年10月,SpaceX提交了新一批卫星的频率申请,计划再增加3万颗卫星运行在328~580千米之间,使得总卫星数达到4.2万颗。

  马斯克允诺的是一个具有诱惑力的目标:星链计划将通过大量低轨卫星对全球的完整覆盖,届时,无论是在人迹罕至的山川冰河,还是茫茫大海,都能接收到高通量、低延时的互联网通信网络信号。在网速方面,星链提供的是至少1Gbps/秒的宽带服务——这个速度是目前家庭宽带的30多倍,和最高可达23Gbps/秒的超高速宽带网络。到时候,消费者只需要购买SpaceX的终端设备,每个月花费几十美元,就可享受这一网络。

  青年航天学者毛新愿目前从事低轨卫星精密定轨和卫星导航系统等领域的博士后研究。他告诉《中国新闻周刊》,现在城市居民花费很少的钱就可享受便捷且快速的网络服务,所以这类通信卫星不会冲击现有光纤网络和4G/5G等基础通讯网络,而是弥补传统通信方式无法覆盖到的地方,比如大洋上的货运船、天空中的客机、南北极科考站等特殊位置。

  美国《麻省理工科技评论》近日发布的2020年十大突破性技术中,大型卫星网络占据了其中一席。这个领域的主要玩家包括SpaceX、OneWeb、亚马逊和Telesat等科技企业。该期刊认为,2020年大规模卫星网络的影响,将在今年凸显出来。与此同时,天文学家和关注太空交通管制的专家们对这些庞大的卫星网络负面影响的担忧和抱怨可能会越来越强烈。

  致力于“不破产”

  2015年初,两名太空企业家在同一周先后宣布了进军卫星互联网业务:一个是伊隆·马斯克,另一位是英国维珍集团董事长理查德·布兰森,他投资的项目便是后来成为星链劲敌的OneWeb。

  《麻省理工科技评论》认为,与过去以展示国家实力和声望为动机不同,如今,实用主义正在驱动太空领域的发展。据美国商务部估计,太空市场的价值已达3250亿美元,20年后可能会超过1.5万亿美元。以“星链”项目为标志的通讯基础设施、太空旅游、太空采矿等许多其他服务都有潜在的巨大利润。

  卫星产业赛道上,一个重要的应用场景是通信。传统卫星信号最大的问题是延迟,这是因为大部分通信卫星都在距离地球赤道35786公里的“地球静止轨道”上,这段距离足以造成超过半秒的延迟。

  “高轨道卫星离地球太远,因而到达地面时信号很弱,高带宽数据如上因特网或者看视频时,需要一个至少3米大的地面天线来接收信号。”哈佛大学天体物理学家乔纳森·麦克道尔告诉《中国新闻周刊》。

  毛新愿则解释说,高轨卫星、尤其是地球静止轨道通讯卫星,还存在诸多壁垒。一方面,这些卫星重达几吨,技术含量高而且非常昂贵,因此存在很高的技术门槛,另一方面,这些轨道是人类航天最宝贵的轨道,对于部署卫星数量会进行严格限制,分布过密的卫星也会干扰信号。

  在这种情况下,卫星数量多、信号强度高的低轨卫星互联网就成了近年航天领域的热门。毛新愿说,卫星互联网具有很高的商业价值,除了用于通信,还可以参与导航定位,通过辅助北斗系统这类高轨卫星来提高定位精度,同时,还可以在载人航天、各类勘探、气象研究、遥感等科学类项目中发挥作用。但因为一个近地轨道卫星只能负责地球一小部分的通信,所以要实现全球覆盖,需要很多卫星。

  早在1990年代,就有企业开始涉足太空互联网项目。美国曾经的通信巨头摩托罗拉公司于1987年提出了“铱星计划”,曾发射了66颗卫星。

  毛新愿说,1990年代,火箭发射一次大约是3000万美元,但发射卫星数量只有几颗,完全不同于现在一次搭载60颗卫星的做法。在这种高昂的成本下,为了维持运营,铱星收费远远高于预期,用户数量随之急剧下降,最后项目破产。同一时期,由比尔·盖茨支持的Teledesic项目也在成本飙升和投资者资金枯竭后,于2002年申请破产保护,当时Teledesic只发射了一颗卫星。

  而现在,卫星互联网项目的成本正在随着量产、可回收火箭等技术改进不断下降。毛新愿算了一笔账。按SpaceX此前说的每颗卫星100万美元的制造成本,随着量产,一颗卫星成本50万~100万美元;最昂贵的成本来自发射,但由于SpaceX使用自己制造的火箭,且可复用,因此一次发射60颗卫星的总费用约3000万美元,再加上发射场地、配套设施等等,他认为他们目前发射一颗卫星的平均成本在150万~200万美元之间。

  但直到现在,这依然是一个残酷的商业领域。今年3月末,因和软银之间20亿美元资金的谈判破裂,OneWeb申请破产,当时,该项目的在轨卫星已有74颗。

  “猜猜有多少低轨卫星互联网没有破产?零。”今年3月,在一次会议上,马斯克开玩笑说,鉴于那些破产项目的前车之鉴,SpaceX眼下正致力于“不破产”。

  SpaceX总裁兼首席运营官格温·肖特韦尔曾于2018年的一次访谈中透露,星链项目的总成本约为100亿美元。根据著名投资公司摩根·斯坦利估算,再多增加3万颗卫星可能将会花费SpaceX600亿美元。

  这笔资金如何筹措是个难题。据美国《华尔街日报》今年3月报道,FCC拨出160亿美元的基金,用于在未来10年内改善农村地区的互联网服务。SpaceX希望申请到这笔资金,然而,竞标者们认为把资金给SpaceX是一场赌博,一位前FCC官员则表示:我们不允许人们用公共资金投机。

  星链“碍眼”

  2019年5月,当星链计划的第一批60颗卫星发射时,就引发了一场商业伦理的讨论:一家公司单方面地改变了天空的模样,以及可能带来光污染、太空垃圾等实际影响。

  根据联合国卫星登记网站的最新数据显示,目前仍在轨的人造卫星有2000颗左右,即使星链按照此前1.2万颗卫星的计划,也会将这一数字增加6倍。而在同类项目中,“星链”并非唯一参与者。如此繁多的卫星正在争夺天然星空,在天文学界引发了不少批评。

  一个常被引用的例子是,在智利落成的一个价值4.66亿美元、8米宽口径且配有32亿像素照相机的大型综合巡天望远镜,本来旨在本世纪20年代快速扫描天空。但随着星链卫星群的组建,许多用这台望远镜拍摄的图像都被其“污染”,长时间曝光拍摄的照片中更是可能包含数十条卫星移动轨迹条纹。该大型巡天望远镜对未来4.2万颗星链卫星对观测的影响进行了模拟,发现30%的图像中将至少包含一条卫星轨迹。

  SpaceX对此也给出了一些解决方案。今年1月6日,SpaceX发射了一颗“暗星”,通过将卫星表面涂黑来试验对亮度的降低效果,但该措施仍不满足专业天文台的要求。SpaceX的工程师还提出可以给每个卫星配备一个遮阳伞的想法,以防止反射太阳光,不过目前还未验证。在4月向FCC提交的文件中,SpaceX透露正在研究新的降低卫星亮度的方法,并将在未来几个月中进行测试,此外,该公司将提供卫星跟踪数据,以便天文学家可以更好地协调观测活动。

  意大利都灵天体物理天文台的天文学家罗纳德·德雷梅尔在回复《中国新闻周刊》的邮件中指出,如果卫星隐形得足够好,以至于无法被肉眼捕捉到,这将是一个巨大的改进,因为这可以使卫星影像数据更容易处理,并且保护地球人仰望一览无余的夜空的愿望。然而,如何在实际和政治层面上解决这个问题上,各方还没有达成一致意见。

  太空垃圾是另一个担忧。SpaceX表示,每颗星链卫星都将能够追踪在轨碎片并自动规避碰撞,并在到达寿命后自动脱离轨道,推向大气中燃烧殆尽。不过,中科院国家天文台研究员苟利军等人近日撰文指出,如果这些卫星在轨道上受到损坏或者未能成功分散开,它们仍旧会构成严重问题。在2019年5月发射的第一批星链中,就有3颗卫星失去了联系,无法进行主动控制,从而形成了太空垃圾。

  国际天文学联合会(IAU)2019年6月发布声明,表达了对这类项目可能会破坏自然天空以及干扰射电天文学频率的担忧,在声明中,该协会将这一太空前沿领域描述为“新的、且基本上不受管制的。”

  多位受访专家认为,由于没有人想过卫星发射的数量会增长得如此快,因此监管尚未跟上这个新生的领域。罗纳德·德雷梅尔直言,就对天空可见的影响来看,这类项目的监管完全缺位。他认为, SpaceX之所以步调迈得如此快,部分原因就在于利用当前的监管真空,在规则出现之前,最大程度地抓住机会。

  另一个问题是,通信卫星项目需要如此庞大吗?OneWeb创始人格雷格·韦勒认为,发射比实际所需卫星更多的唯一原因是为了炫耀。“卫星的数量成就一家公司。从公众和筹资的角度来看,多即是好。”

  《中国新闻周刊》2020年第17期

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编辑:【梁周杰】
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