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卫星行业新趋势:个头越来越小,数量越多越好

发表时间:2016-10-17 11:20:35 点击:5944 回复:2

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#卫星#

火箭是令人振奋、蔚为壮观的一种太空飞行,但如果不装载点什么有用的东西,火箭基本上就是烟花。要了解这一航天行业的最新创举,首先去看看航天器制造领域发生了什么巨变吧。


在美国加州的帕洛阿尔托(Palo Alto),有一家工厂从前苏联发射人类第一颗人造卫星“伴侣号”(Sputnik)那年就开始制造航天器,那时候在帕洛阿尔托还没有人听说过硅谷呢。


SSL,曾名Space Systems/Loral,已经制造了100多颗通讯卫星,其中81颗仍在服役。这里有数间拥挤而整洁的房间,每间都有大教堂中殿那么高。目前里面摆放着几十颗卫星,相当于该公司一年多的订单量。


这些卫星都是同样的结构:直径1.2米的圆柱体封在一个方形的箱子里。卫星要完成的任务越多,外罩的箱子就越高,太阳能板就越长,用于将数据传回地面客户的天线和反射器阵列也更大更复杂。


快要完工的Sky Muster II是其中最大的一颗卫星,用于为澳大利大人口不太稠密的地区提供宽带通讯。它高9米,定制有复杂的反射器阵列,适于服务该国的内陆地区。


通讯卫星业务主要由四家卫星运营商主导,它们分别是欧洲通讯卫星组织(Eutelsat),国际海事卫星组织( Inmarsat), 国际通讯卫星组织(Intelsat)和环球卫星公司(SES)。它们的收入主要来自需将电视信号传送到用户家中的公司,但也服务于数据传输和移动通讯市场。


SSL工程和运营主管保罗·埃斯蒂(Paul Estey)说,这些卫星运营商为了竞争客户,对SSL这样为数不多的专业飞行器制造公司的需求越来越多。


卫星行业锐意创新,但也谨慎规避损失。SSL最小的通讯卫星售价一亿美元左右,最大的价格大概是三亿美元。加上运载火箭所需的一亿美元,卫星有可能十年之后才能开始产生利润。由于卫星要在恶劣环境下运行,且没有维修的可能,还要保证很长的工作寿命,所以不会采用带有任何重大风险的新技术。


沿着101公路驱车一小时会看到一家完全不同的飞行器工厂。Planet Labs最近更名为Planet,它的工厂占据了旧金山市场街南区一栋老旧但别致的建筑。底层一间跟较大的星巴克差不多面积的房间里摆放了很多工作台和工具,用于制造三十厘米长、每个重约五公斤的卫星。如果你能分辨,就会发现很多元件是用于制造其他设备的,最多的就是智能手机的元件。


制造一颗Planet称之为“鸽子”的卫星(见图)需要大概一周。房间最里面有几十个卫星已经打包好准备发货。这便是航空事业的新面目:小而多。


超小型卫星被称为立方体卫星,“鸽子”卫星正是这一大家族中的一员。上世纪九十年代末,斯坦福大学和位于圣路易斯奥比斯波(Obispo)的加州州立理工大学的研究人员认识到,只要有一定数量的标准化就可让发射超小型卫星变得简单许多。


他们制定出了一个叫“1U”立方体卫星的标准:这是一个大小为10cm×10cm×11.5cm的箱体,配备电子和物理接口,可以和其他类似设备一起放入一个分配器——该分配器可作为次级有效载荷发射(卫星发射器的设计载荷能力经常会大于主载荷所需)。


这个标准广为业界接受。截止2013年初,已经发射了约100颗立方体卫星。用于设计和制造这种卫星的工具已经非常完善,一个富有创意的老师带领一班学生也可以尝试造一颗卫星。


Planet创始人克里斯·保舒仁(Chris Boshuizen)、 威尔·马歇尔(Will Marshall)和罗比·申格勒(Robbie Schingler)认为立方体卫星有可能成为一个行业的基础。


几年前在美国国家航天航空局埃姆斯研究中心(Ames Research Centre)工作的时候,他们研究了一个3U立方体卫星(三个并排放置的1U)所能装载的最大望远镜可以实现什么功能。


在像国际空间站那样的低轨道位置将这样的望远镜朝向地球,所拍摄照片的分辨率可以达到五米或者更高一些。通过在更大的卫星上安装更大型的望远镜拍摄,其他公司所出售的卫星图像分辨率要高很多,立方体卫星拍出的照片根本没法与之相比。


但3U立方体卫星可以几十或几百颗地部署。例如在农业监控这样的市场,以数量弥补质量,大批小型卫星所收集到的海量信息也许能弥补分辨率低的不足。


2014年,首批28颗“鸽子”卫星从部署地发射至国际空间站。Planet总部举办松饼早餐会庆祝这次发射,之后的13次发射也都延续了这一传统。Planet目前运营的飞行器有63个,其能力也许受大小所限,但公司称它们的技术复杂度堪比任何地方的卫星。而且这些小卫星撑起了一个潜力巨大的商业模式。马歇尔说Planet现在有超过100个客户购买“鸽子”卫星发回的数据,而且这一数字还有望大幅增加。


Planet的成功一定程度是因为消费电子产品成本不断下降以及功能不断增强,尤其是智能手机元件。手机销量以十亿计,其元件越来越小,耗电量也越来越低,这些都很关键。


即便如此,没有经常改进卫星的意愿也没用,准确说是要持续改进。截至今年六月,“鸽子”已经经历了14次升级。


如今,卫星上装配了和以前不同的照相机,使用了新天线,采用了重建的电子元件,电源系统则是基于特斯拉汽车所用的锂离子电池组,而不再是原来的AA电池。卫星现在能“看到”四个颜色波段,以前只有三个。卫星在定位和定向方面的表现也有极大提升。马歇尔说,按每公斤的性能来比较,“鸽子”比五年前的尖端技术要好上100倍。这种快速创新在硅谷很正常,但在卫星业界却是前所未见。


飞吧,小宝贝


相比昂贵的大型卫星,开发小型卫星需要对风险有不同的态度。Planet预料到有些创新会失败,也清楚国际空间站发射的“鸽子”卫星寿命本来就很短,一般飞行9到18个月后就会重新进入大气层。这种态度加快了进步的步伐,提升了公司整体的适应能力。


一个大型通讯卫星可能会决定一家公司的命运。


1988年首个专用于电视直播的卫星Astra1A由欧洲首枚阿丽亚娜4型火箭装载发射。鲁伯特·默多克知道,如果火箭中途爆炸,他刚起步的天空广播公司也就跟着完蛋了,还有可能将他媒体王国的其余部分一并卷入火海。


Planet已经历了两次运气不佳的发射,眼看着整批“鸽子”卫星在一片火光中坠向地球,但公司仍屹立不倒。


一个公司愿意承担风险的前提是其投资者对风险有同样的态度,而Planet的投资者正是如此。这是打造小型低成本卫星业务的另一个结果;这种业务所需的资本相对较少。Planet几乎所有资金都来自硅谷的天使投资者和风险基金。


当卫星只有几公斤重、零件只有几千个,技术进步能够得以加速;同理,当卫星的成本每颗只有几十万美元甚至更少,融资也就变得容易多了。


经过三轮融资之后,目前Planet的总投资额为1.58亿美元。换做SSL,这点钱只够买一颗卫星。


弗吉尼亚州航空航天分析机构Tauri Group的一项研究显示,2001至2005年间,全球航天业的风险投资总额仅为1.86亿美元,2011至2015年间上升至23亿美元。其中一半的投资者来自加州,大部分投资要么投向小型卫星,要么投向专为小型卫星特殊要求而定制的发射器。风险资本家对其中涉及的技术也越来越放心。


个头小,数量多


像Planet这样的公司也的商业愿景听起来也很熟悉。Tauri Group的报告指出,新兴起的航天公司在向风险资本推销自己的时候,已经可自称在“追随地面科技走过的高回报的历程:降低系统成本,大幅增加新产品的用户数量,尤其是新数据产品”。


流行趋势是另一个因素。和“鸽子”一样,硅谷的投资者也是成群结队。


近几年,其中一位所创立的SpaceX的成功让航天业变得尤为引人关注,吸引了大批投资者。新的资本来源看似催生了很多卫星。七月,咨询公司Euroconsult估计,2016到2025年将会发射约3600颗小型商用卫星,其中超过2000颗属于风险资本投资的对地球进行观测的公司。


其他公司,包括一些资本雄厚的公司,则想让小型卫星革命更进一步。如今,大型通讯卫星基本都在距离地球3.6万公里的轨道上飞行,这是因为在这个高度,卫星绕地球飞行一圈需要24小时。这就意味着从地面上看,它们好像是静止不动的。


对于依赖一根天线指向同一方向的业务来说这是一个巨大的优势,但也有代价。一条特定的天线和信号放大器可以处理的数据量与到地表距离的平方成反比。


也就是说,距离地球越近,可以处理数据便越多。同时也会更快:无线电讯号经过3.6万公里到达“地球静止”轨道再回到地球会有四分之一秒的延迟,这对有些应用来说是个问题。


尽管如此,通讯卫星大都已经放弃了较低轨道的优势,这有两个原因。轨道越低,就需要越多的卫星以确保在地面总能看到一颗。


在太空移动的卫星需要接收器来跟踪,这并不是说要有移动“大锅盖”;现在的卫星接收器可以进行电子跟踪,但这样的技术要求很高。


越多越好


OneWeb是由包括Intesat、维珍集团和空客公司在内的多家公司合作的一个项目,其基本理念就是现代天线可以克服这一通讯难题,以及使用小卫星能够解决信号覆盖的问题。


该项目计划利用轨道高度仅1200公里的648颗卫星为地球上任何一个地方提供无缝通讯服务。这一商业计划聚焦发展中国家,把全面覆盖、随意连接的需求变成了服务特性,即便再边远的地方也能覆盖得到。首批卫星将在明年发射。


靠立方体卫星是无法做到这一点的,仅凭创业公司的预算也不够。OneWeb是一个数十亿美元的项目,位于图卢兹的空客工厂正在制造卫星原型。在佛罗里达州,OneWeb和空客的航天与防务公司正在建立一间工厂,在此它们希望可以利用高度自动化的系统每天生产4颗150公斤重的飞行器。这种生产规模在卫星行业前所未见,足足多出了一个数量级。


该项目不仅在技术上非常大胆,还面临着诸多竞争。谷歌(OneWeb的创新者曾在此就职)正在研究同温层气球作为替代来为发展中国家提供网络连接。Facebook正在研究太阳能驱动的高空无人机。


仍占主导的通讯卫星行业也在关注最新的发展。在谷歌时,OneWeb创始人曾研究过一个称之为O3B的系统,系统以还未享受到数据服务的“另外三十亿人”(other three billion)来命名。他们离开谷歌后,该系统仍在继续发展。如果系统建成,将会由20颗在距离地球8000公里轨道上飞行的卫星构成。


今年夏天,四大通讯卫星运营商之一的SES收购了谷歌和其他初始合作者的股份,从而完全掌控了这个项目。


同时,在此之前仅从事发射业务的SpaceX也在谈论建立自己的低轨道通讯系统,可能会运行4000颗小型卫星。仅这一个项目所需的卫星数量就相当于目前在轨卫星数量的三倍之多。(来源虎嗅)

发表时间:2016-10-17 11:20:35
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