各個國家和衛星公司爲了争奪有限的軌道資源和頻段,總共提出了超過 100 萬顆衛星的發射申請。但這隻是一場 " 紙上 " 的衛星盛宴,絕大部分衛星不會真正發射。虛假繁榮的背後,暴露出現有衛星管理體系的滞後和太空擁擠帶來的問題,是時候調整規定、修補漏洞了。
撰文 | 李賢煥
披着科技的外衣,一些匪夷所思的現象正在衛星行業上演。比如地處非洲内陸的盧旺達,就聲稱要向太空發射 30 萬顆衛星。
且不說這個國家有沒意願和必要實現這一目标,就算要實現,按照現有人類的火箭能力,或許需要超過 100 年才能部署完成。但這一沒有人會當真的目标,就這麽堂而皇之地出現在了國際舞台上,以正式文件申請的形式提交給了聯合國下屬機構。
或許是因爲發展得太快了,衛星行業的矛盾和混亂在顯現。盧旺達例子隻是其一,事實上,近年來各國提出的衛星計劃都極爲雄偉,預計發射總數量甚至達到了百萬級。但實際上,如今地球軌道上的衛星仍不到一萬顆,計劃中的衛星多數并沒有被造出來,隻是永遠停在紙上而已。
原因何在?簡單的問題涉及到各國及各公司的航天願景、航天任務的制造及發射成本、管理體系的叠代等複雜因素。本文我們以一個最新的研究入手,拆解龐大的衛星體系的 " 亂象 " 以及背後的種種原因動機,進一步看清,未來我們的衛星要如何管理?人類衛星産業的發展要走向哪裏?
從 100 萬顆 " 紙 " 衛星說起
近日,一篇發表在《科學》雜志上的文章指出,2017 年至 2022 年期間,各國向國際電信聯盟(ITU)提交的文件顯示:各家計劃發射的衛星超過了一百萬顆,涉及 300 多個衛星星座。
這是一個相當離譜的數字。綜合各國航天機構的統計,目前在地球軌道上的人造衛星數量約爲 7000-8000 顆,其中相當部分已經不在工作狀态。由此看來,目前各國提出申請的衛星數量,超過這個數字的 100 倍。
這篇發表在 Science 上的文章,揭開了百萬顆 " 紙上 " 衛星的荒誕現實。
前置申請,是目前建設星座系統的規定動作。在發射衛星之前,一個國家的政府部門必須提前數年時間向 ITU 提出衛星計劃,後者作爲一個監管機構,爲各方協調無線電頻譜,确保衛星之間不會互相打架,即新的衛星信号不會影響甚至淹沒現有的衛星信号。
先不說可行性,百萬衛星計劃不管事實與否,産生的問題都是明顯的:
1、如果這些申請涉及的衛星裏,多數如約上天,意味着未來幾年時間裏會有數千枚火箭點火升天,衛星遍布軌道會讓太空變得更加擁擠,碰撞、信号沖突的問題會大幅加劇;
2、如果各運營商壓根不打算發射這些衛星,即這些衛星停留在 " 紙上 ",他們或許是爲了先占一個衛星位置、吸引投資者注意,或是最終把無線電頻譜倒賣出去,但這也就暴露出現在的管理體系有明顯的漏洞,已經跟不上航天産業的進展。
是誰在申請?
其實,多數申請都肉眼可見的非常蹊跷。典型的是盧旺達政府在 2021 年 9 月向 ITU 提交了兩個衛星星座申請,總數超過 30 萬顆,在全球範圍内都引起了轟動。相比之下,目前發射衛星最多的 SpaceX,總數也就在 5000 顆左右。位處東非的盧旺達,至今仍是聯合國公布的世界最不發達國家之一,經濟以農牧業爲主,但糧食仍不能自給。這個人口僅有 1000 餘萬、面積不到兩個北京大的國家,2020 年的人均 GDP 不足一千美元,全國 GDP 約爲 110 億美元,這個數字遠遠不夠他們造出這麽多的衛星。
穿透盧旺達政府背後的實際申請人,我們能進一步看到衛星運營商們的數字遊戲。事實上,這份通過盧旺達政府提交的申請,其背後的發起者是來自法國的公司 E-Space。除此之外,這家公司還在 2023 年通過法國官方提交了一份超過 10 萬顆的衛星星座計劃。
盧旺達 30 萬顆衛星計劃的真正發起者,是這家法國公司。
但他們從未想過要實際發射這麽多,公司 CEO 在公開場合的表态是 " 至少發射 3 萬顆 ",而他們的産品開發總監的口徑則是 " 隻有幾千顆衛星 "。
正如他們所爲,一家公司在不同國家、地區提交申請是一個相當常見的操作。比如運營着 600 餘顆衛星的 OneWeb,已經通過三個國家(墨西哥、法國和英國)提交了 6118 顆衛星的文件;SpaceX 則通過美國、挪威、德國、湯加提交了涉及數萬顆衛星的文件申請。
類似的做法也可以在船運行業看到。由于法規和執法力度更加寬松,運營成本更低,全球 44% 以上的船隻注冊在巴拿馬、利比裏亞和馬紹爾群島這三個國家。
通過申請、獲得衛星軌道,後續進行轉賣賺錢也是動機之一。比如湯加,這個太平洋上的小島國家從來沒有發射過衛星,但曾在上世紀 80 年代申請獲得了 9 個衛星軌道,然後轉手租出去賺了數百萬美元。如今他們再次看上了衛星生意,SpaceX 在 2023 年 10 月通過湯加提交了接近 3 萬顆的衛星申請文件。
此外,包括中國、德國、西班牙、挪威、法國和所羅門群島等大大小小的國家,都向 ITU 提交了大量的衛星文件申請。" 但引起我們興趣的不僅僅是這些龐大數字," 英屬哥倫比亞大學研究生、前述論文作者之一伊萬 · 賴特在接受采訪時表示:" 我們越深入研究這些星座的問題,就越發現 ITU 的監管已經完全落後了。" 他表示,由于資金問題、政局變化或技術問題,許多 " 紙上 " 的衛星永遠不會被發射。
申請了爲什麽不發?
首先是能力。
人類把東西送上太空的能力是有限的。統計顯示,2022 年全球共執行 186 次軌道發射,成功 178 次,涉及 8 個國家和地區,把 2497 個有效載荷和 24 名航天員送入軌道。在不計算今年數字的情況下,這已經是火箭發射次數最多的一年,可以視爲現階段全球最大的運送能力,最多就是兩千餘個。照這個速度,一百萬顆衛星發完需要四百多年。
然後是成本。
以最受關注的 Starlink 爲例,摩根士丹利曾估計 Starlink 衛星的制造成本爲每顆 100 萬美元,而馬斯克曾公開表示單顆衛星的成本有望降至 50 萬美元。由于 Starlink 未公布衛星制造成本,且具體數字會随着技術叠代、生産規模擴大而持續變化,本文取其區間,再以人民币兌美元彙率 7:1 進行估算:Starlink 的單顆成本約爲 350 萬至 700 萬元人民币之間。作爲對比,浙商證券在 2022 年 9 月發布的研報指出,我國目前低軌通信衛星的平均造價大約在 3000 萬元左右。
由于 Starlink 衛星規模已經達到 5000 顆,遠超同行,因此在同級别衛星裏,業界普遍認爲 SpaceX 能将衛星成本壓至最低。但即便如此,造衛星,尤其是衛星組網仍是一個耗資百億美元起步的龐大生意。
還有占據成本結構近一半甚至更高的發射成本。
SpaceX 自家的獵鷹 9 火箭是全球唯一實現常态化重複使用的運載火箭,平均單次發射載荷質量達到 11.13 噸,成功回收的次數已超過 100 次,顯著降低了進入空間的成本。目前,獵鷹 9 低地球軌道發射服務的公開報價約爲人民币 2.6 萬元 / 千克(需要注意,這是對外報價而非成本價)。相較于市面上其他火箭發射服務,價格便宜了一半甚至更多。
不同型号火箭的發射價格
在全方位獲得成本優勢的情況下,Starlink 才勉強成爲觸碰到盈利線的低軌衛星星座。SpaceX 總裁兼首席運營官 Gwynne Shotwell 在接受媒體采訪時表示,Starlink 預期在 2023 年開始盈利。Starlink 系統預計每年成本約爲 24.1 億美元,去年開始,Starlink 在全球用戶已經超過 100 萬。
從這個維度再看别的制造成本、發射成本均高于 SpaceX 的公司,挑戰和質疑聲都不小,盈利更是難以期待。因此大家對這門極度費力但未必讨好的生意,大筆投入時的謹慎與保守都顯得非常合理。
不發爲啥要申請呢?
這時候再看涉及到 100 萬顆的衛星申請文件,當所有人都知道計劃不會被執行的時候,不管是企業還是各國政府前仆後繼地遞材料,必然是有相當切實的利益考量,除了作秀(商業和政治層面),還有重要的戰略意義:搶占軌道資源。
衛星的軌道和頻段被視爲一種戰略資源,不僅有限,還有優劣之分,因爲不同頻段的傳播損耗不同,所以各方需要争搶更好的位置。在國際上,對于衛星頻率和軌道資源,主要采用 " 先占先得 " 的方式。因此,發達國家率先發射衛星,占據優先位置,導緻優質軌道和頻率的擁擠現象。而收到各家申請的 ITU 就是負責協調和管理衛星軌道的組織。
Starlink 衛星在地球軌道上的分布示意圖
此外,不同軌道的情況也不相同。
比如在距離地面約 3.5 萬公裏的地球靜止軌道,衛星多以單顆存在,因此軌道資源較爲充足,ITU 對該軌道的管理想對簡化,當衛星的 10-15 年壽命結束時,通常會被人爲控制上升約 300 公裏高度,進入衛星 " 墳墓軌道 " 成爲太空垃圾,原先的位置就會被釋放出來。
但大家争搶激烈的低地球軌道就不一樣了,成百上千顆低軌衛星需要在 2000 公裏以下的不同高度組成星座網絡,它們并不存在一次性全部退役的情況,當部分衛星損壞或壽命結束時,運營商通常将會發射新衛星來進行補充,而不是釋放整個軌道資源。所以情況會變成 " 先占永得 ",後來者未來可能面臨沒有軌道可用的被動情況。
在地球低軌 300-1000 公裏的軌道高度上,最終能容納多少顆衛星?這個問題有多種版本的答案。但可以确定的是,人造衛星安全性會成爲一個愈發棘手的問題。假如已申請的衛星裏有 10% 最終被發射上去,近地軌道會多出 10 萬顆衛星而變得更加擁擠,衛星之間如果碰撞,将産生大量太空碎片,這反過來又會導緻更多的碰撞。
在這樣的背景下,SpaceX 去年 12 月向監管部門提交的文件顯示,Starlink 衛星的自動避碰系統在 2020 年 12 月 1 日至 2022 年 11 月 30 日的兩年間,進行了 26037 次軌道避碰演習,平均每顆都進行了超過 10 次變軌,可見威脅是真實存在的。
不管從哪個角度推演,盡管太空無限大,但留給後來者的太空空間将變得越來越小,軌道資源将成爲一個重要的門檻。
怎麽辦?
矛盾變得愈發激烈,百萬 " 紙 " 衛星的現象表明,現行的衛星管理體系已經不足以支撐衛星行業的健康成長。
當然在很大程度上,這也是行業發展速度超出了過往預期造成的。參考航海業發展,我們在 15-17 世紀的大航海時代才開始涉足大洋,而後工業革命、現代船運技術的發展把我們拉入現代航海業的時代。從那時候開始,占全球海洋面積 6 成以上的公海該如何管理?各國在曠日持久的拉鋸中才逐漸形成了現在的共同治理體系。
太空開發就是新的大航海時代。而對于距離地面 100 公裏以上的外太空,那是一片空間更大、目前管理也遠遠更爲粗糙的空間。
此外,太空也是一個極度需要秩序的場域。衛星在軌道上運行,像行走在太空上的高速公路,飛行速度動辄每秒 7-8 公裏,一旦碰撞産生更多碎片,後果将是無人能夠承受和挽救的。在這種背景下,太空衛星管理涉及對衛星軌道、頻譜、太空碎片、國際合作等多個方面的監管和協調,對于确保太空活動的安全性、可持續性和有效性至關重要。
這對 ITU 提出了更高的要求,這個聯合國下屬的機構成立時間甚至早于聯合國本身,以每三到四年爲周期讓 193 個會員國坐在一起,商讨全球通信領域的新規則。他們并不是沒有努力,在 2019 年,ITU 會員國通過了一項針對衛星星座組網的規定:在首次發射後兩年内發射 10% 的衛星,在五年内發射 50%,并在七年内完成整個星座的發射。
當時這一規定的出發點就是爲了避免讓公司占着軌道不發衛星的行爲。其中有一條細則," 非規劃衛星網絡空間電台頻率指配的規則啓用時限爲七年。" 即第一顆衛星可以在提交文件後的 7 年内發射。這裏就存在漏洞,在如今這個大家超量提交申請的背景下,這句話可以理解爲:大家需要等待 7 年時間才能确認這些 " 紙 " 衛星是假的。而且根據 ITU 的規則,衛星星座成功申請後,7 年時間裏未使用的情況下,最終的結果僅是 " 無線電頻率和相關軌道資源有效性到期," 說明這樣的 " 占位 " 行爲并沒有太多成本和懲罰。
前述文章作者表示,ITU 應該考慮加速這個過程,同時,還可以引入一些收費機制,對大規模或投機性的申請進行限制。
顯然,是時候調整規定、修補漏洞了。11 月 20 日至 12 月 15 日,世界無線電通信大會在阿聯酋舉辦,前述文章作者在文章裏指出,ITU 應該趕快修訂新規,解決衛星星座現有的亂象。
作者在接受媒體采訪時表示,今年的會議将會重點關注衛星星座相關的問題,同時也提出了參考思路,比如限制每個星座中衛星的數量、對更大規模申報的更高費用、或是采取類似 " 收押金 " 的做法,讓公司申請衛星軌道時先交錢,在衛星結束服役後再把 " 押金 " 取回等等。
隻要能夠讓公司、政府們别胡亂申請,一方面有限的衛星軌道資源将能被更好地利用起來;與此同時,ITU 也将能夠更清晰地看到各方的真實意願,以此預測未來衛星的數量,進行相應的軌道、頻率安排,最終減少無線電頻率幹擾和衛星間碰撞的風險。
退役衛星遍布軌道示意圖丨來源:歐洲空間局
此外,美國聯邦通信委員會 ( FCC ) 對衛星進行的較嚴格管理也值得參考。去年,FCC 通過了一項新規,要求處理好衛星的 " 後事 ",即低地球軌道衛星必須在任務結束後的五年内由運營商進行清理,避免成爲在地球軌道上不受控制的垃圾。
這可不是說說而已。近期,美國電視公司 Dish 成爲第一個因爲這條新規被處罰的衛星運營商。Dish 表示其運營的一顆衛星在退役時燃料不足,無法移動到 " 墳墓軌道 ",公司因此領到一張 15 萬美元的罰單。雖然數字不大,但受此影響,公司股價大跌,導緻市值蒸發 1 億美元。
随着法規變得更加細緻,業界判斷未來對太空碎片進行清理的需求将大幅提升。事實上,清理太空垃圾本就是近幾年商業航天領域創業的方向之一。這些提議和新規指向了一個更有秩序、細緻管理的空天時代。
而未來對太空的管理,眼下最迫切要做的就是處理好那上百萬顆 " 紙 " 衛星,前述文章作者說," 地球軌道是屬于全人類的有限資源,我們應該維護好它。"