晨枫：中国航天与LEO通信小卫星：机会与挑战(2016-08-17 07:16:05) 曾经有段时间，中国航天的发展势头比中国航空好得多，不过这两年反过来了，中国航空捷报频传：不算已经定型的歼-10、直-10等，歼-20、运-20、直-20一个接一个。相比之下，中国航天的发展势头依然不错，“神舟”系列、“天宫”、“北斗”等都是成就，但好消息没有那么接踵而来。未来10可能对中国航天既是机会，又是挑战，能不能更上一层楼在此一搏。
中国的军事航天依然需求很大，但未来的发展切入点在于民用航天。这与世界大势是一样的，只有靠自身能盈利、滚动发展的民用产业，高科技才能进入稳定的、可持续的发展。美国的IT工业是最好的例子，美国航空工业也一样，军用为主的麦道现在没了，洛马和诺格现在还在蹦达，而且美国的国策也不容许他们衰败，但相比民用为主的波音，他们的日子就不那么滋润了。
民用航天的切入点在哪里呢？不是Virgin那样的航天旅游，而是以5G为契机的低轨道通信卫星。从60年代到现在，通信卫星是环球通信体系中的关键环节。传统通信卫星都是地球同步轨道（GEO）的，也称静止卫星。换句话说，以地面为参考原点，卫星在天上的位置是静止不动的。这使得地面卫星天线对准天上的卫星比较容易。现在通信卫星已经扩展到广播卫星，卫星电视就是广播卫星上发送下来的。
GEO
卫星的覆盖面积很大，理论上3-4颗卫星就可以覆盖全世界。但同步轨道很高，达36000公里，所以信号散射较大，在发射功率不变的条件下，需要较大的卫星天线才能可靠地发射和接受。使用GEO通信卫星的便携式通信器材也很难做到真正轻小，天线的尺寸限制了微小型化的物理可能性。
还在90年代初期，摩托罗拉公司就研制和发射了“铱星”，用低轨道（LEO）通信卫星覆盖全球，用于手机蜂窝网络通信。LEO卫星的轨道比GEO低得多，“铱星”只有700-800公里，因此天线只有半根油条大小，而且可以在全世界任何可以直视卫星的地方使用，不受手机基站塔的限制。低轨道也使得信号滞后大大减小，GEO通信卫星总是有奇怪的回声感，这是上行和下行信号必须传输72000公里的必然结果，任何技术进步都不可能消除这个滞后。这也是越洋电话越来越多地走海底光缆的原因之一，只有海底容量满了，才切换到卫星。LEO就没有这个问题，基本上感觉不到信号滞后。但摩托罗拉过于超前了，“铱星”计划在商业上失败得很惨。不过“铱星”依然得到各国政府和军警的钟爱，“铱星”是美军野外卫星通信的备用手段，电影《孤独的幸存者》里海豹突击队被塔利班追得走投无路的时候，正常卫星通信叫不通，最后还是只好拿出“铱星”电话叫通总部，报告危情。各国也用“铱星”电话作为海事和救灾时的紧急通信手段。“铱星”共发射了98枚，现在还有72枚在轨道上，其中66枚在运作中，6枚作为备份。
“铱星”虽然在商业上失败了，但提供了重要的启示。这属于小卫星，发射重量只有689公斤，GEO的商业通信卫星大多10倍于此，甚至更重。小卫星的发射成本低，容易“搭便车”随其他卫星一起发射，或者一箭多星打上去。在无线漫游通信高度发达的现在，进一步摆脱基站塔的束缚，提高信号速度，成为下一代手机通信的关键，扎克伯格号称要在天空布满数以千计的LEO小卫星。不光FaceBook，Google、Apple、Samsung都在投入巨资，试图在5G时代抢占制高点，革命性地提高网络速度，不光包括海底光缆，还包括高空静止气球，现在的新热点为LEO通信卫星。
在同一条河里第二次跳下去，如果泳者不变，结果是一样的。这一次为什么就不一样？GPS为卫星信号的大众使用打开了门户。GPS不是LEO，而是中轨道（MEO），因此不是静止的，连续使用需要在不同卫星之间交接，信号抗噪声和接受灵敏度问题也解决了，大量GPS装置非常小巧，且不说手机里都有某种GPS接收能力，GPS接收还可以整合进手表的尺寸。
在5G时代，众多硅谷超级大公司蜂拥而入，带来海量资金，这只是一方面。手机通信市场已经和20年前大不一样了。20年前，手机还是小众市场，主要只是语音通信；现在手机是彻底的大众市场，用途也从语音扩大到文字、视频和网络。极大地扩大的市场给了新技术以空间和市场容量，分散和弱化了技术风险。硅谷的这些超级玩家还与航天与通信行业联手，OneWeb、SpaceX、LeoSat、空客、Intelsat、Eutelsat等已经加入的不同的双边和多边联盟。
LEO还是有一大堆技术问题的。多路接入、光纤接入、公共服务、数据缓存等都有尚未解决的问题，卫星运行轨道的管理与协调、卫星之间的信号交接、海洋上空时的闲置能力、GEO传统通信卫星与LEO
5G通信卫星之间的干扰等都是问题，但LEO小卫星有一个独特优点：由于成本较低，需求数量很大，预计更新周期很快，预计2-3年，进一步加速下一代技术的研发。这和商用IT技术一样，发展速度几乎令人喘不过气来，成本也像雪崩一样迅速滑落。相比之下，GEO通信卫星成本高、数量小、更新周期慢，通常需要8-12年，成本下降的速度大大放慢。
对于中国来数，5G不光是地面用户端的问题，还有空基、天基基站问题。中国航天素以成本低、可靠性高著称，但SpaceX等正在挑战中国航天的这一优势。美国静止中国发射使用美国技术的卫星的禁令还在，从另一方面排挤中国。
美国依然是世界上科技最发达的国家，美国低成本火箭和小卫星肯定具有强大的竞争力，美国在政治上的排挤和禁运肯定为中国航天制造巨大的困难，但中国是在困难中崛起的，实际上中国处在围追堵截的行业才真正获得扎实的发展，得到西方“网开一面”的行业反而常常发展乏力，不能依靠自己的力量站起来，依赖于持续外援。硅谷有超级玩家，但中国已经不是20年前了，华为、中兴、阿里巴巴、百度的实力不可轻视，中国航天也具有足够的商业化动力。LEO小卫星大众化后，美国也难以在技术上继续垄断和对中国禁运。这是挑战，更是机会。抓住了，这是中国科技创新和产业升级的巨大契机。
LEO小卫星是全新领域，这样的突破性发展是行业洗牌的好机会。战后苏联、法国航空就是利用喷气技术重新洗牌的机会一举登上前沿的。苏联军工挤占民生的不可持续的基本国策和法国有限的综合国力使得一度登上的先进地位最终失去，但中国的可持续发展潜力远非苏联和法国可比。90年代中国航天因为美国禁运卫星而遇到困难，但现在不一样了，不仅中国有今非昔比的技术潜力，中国还有无与伦比的巨大市场，自主滚动发展就能形成足够的动势，近年来中国4G技术的发展历程已经证明了这一点。5G时代在即，中国加油！
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