马斯克“星链”迈出商用第一步被美军方盯上,或为GPS“备胎”

商业
马斯克“星链”迈出商用第一步被美军方盯上,或为GPS“备胎”
麻省理工科技评论 2020-10-29

2020-10-29

满心期待或小心提防,不管怎样,这个野心勃勃的计划开始变现
马斯克 商业
满心期待或小心提防,不管怎样,这个野心勃勃的计划开始变现

美国时间 10 月 26 日晚间,有用户贴出特斯拉 CEO 埃隆・马斯克旗下太空探索技术公司 SpaceX 的一封邮件,其内容表明该公司的 “星链”(Starlink)卫星互联网项目已经开始下一阶段的测试工作。

报道称,未明确数量的用户已经收到 SpaceX 的官方电子邮件,邀请其加入 “聊胜于无(Better Than Nothing)Beta” 测试。这对于 SpaceX 和马斯克来说,是一个里程碑,标志着 “星链” 网络迈出了商业化的第一步。

野心勃勃的 “星链” 计划

“星链” 是 SpaceX 推出的一项通过近地轨道卫星群,提供覆盖全球的高速互联网接入的项目,其初衷是为了在全球范围内提供网络服务,尤其是目前网络不可及的偏远地区。

最初的设想是在地球上空的预定轨道部署由 1.2 万颗卫星组成的巨型卫星星座。截至目前,SpaceX 已经成功发射了 15 批星链互联网卫星,入轨卫星总数达到 893 颗,如果包括 2018 年发射的 2 颗原型卫星,入轨卫星总数则为 895 颗。虽暂时不足以覆盖全球,但已经能为美国西北地区提供网络服务。

马斯克“星链”迈出商用第一步被美军方盯上,或为GPS“备胎”

图 | 不断增长的 “星链” 星座

邮件还显示,“星链” 卫星互联网服务最初的定价将为 99 美元 / 月,同时用户需要支付 499 美元购买 “星链” 上网设备,包含终端接收设备、三脚架和 WiFi 路由器等。此外,一款名为 “Starlink” 的 App 也已经在 Android 及 iOS 应用商店上架。

马斯克“星链”迈出商用第一步被美军方盯上,或为GPS“备胎”

图 | “星链” 用户终端 / 卫星天线

该项目团队表示,希望参与测试的用户暂时不要有过高的期待。

未来几个月内,“星链” 网络数据传输速度预计在 50Mbps 至 150Mbps 之间,网络延迟控制在 20ms 至 40ms。之后,2021 年夏季,随着发射更多的卫星和建设更多的配套地面站,网络延迟预计将降低到 16ms 至 19ms。当然,测试期间不排除偶尔出现网络中断的情况。

马斯克“星链”迈出商用第一步被美军方盯上,或为GPS“备胎”

图 | Reddit 用户贴出的邮件截图

在邮件的最后,SpaceX 添加了购买链接。一名 Reddit 这样写道,“香!我在华盛顿东部时间晚上 7:38 分收到邮件,立刻就完成了下单购买,虽然扣除运费和税费价格也有将近 600 美元,虽然还需要再花 100 美元订购将其安装在皮卡上的配件,但一个字,值!”

此前,马斯克曾公开表示,不需要特殊的额外装置,任意类型的屋顶都可以轻松安装 “星链” 终端设备,用户只需要将其指向天空,便可以轻松使用 “星链” 服务。如今这一卫星互联网服务正式开始测试,将极大改善 4G 和 5G 基站覆盖率不高的国家人民和深入无人区的探险家和科研人员的工作生活体验。

据悉,位于德克萨斯州的埃克托县独立学区(Independent School District)将成为第一个与 SpaceX 达成服务的学区,“星链” 将为没有互联网或连接不畅的家庭提供宽带服务。

单纯民用可能会亏掉内裤

今年 5 月,美国陆军与 SpaceX 签署了一项协议 —— 测试在军事网络中使用 “星链” 来传输数据。这项协议签署于 5 月 20 日,并允许美国陆军在三年时间内使用 “星链” 的服务。

对此,北京邮电大学经济管理学院博士生导师吕廷杰教授在此前接受采访时断言,纯粹民用的“星琏” 计划不可能盈利,一定是出于军事目的。

他为大家算了一笔账。

国际上通用的算法,发射一颗卫星需要 2 亿 2 千万美元,其中卫星本身的成本占一半,另一半是火箭的成本、保险费用等。而由于马斯克掌握了 “火箭回收” 和 “一箭多星” 的技术,导致他每次发射卫星的成本大幅下降,所以姑且算发射单颗卫星的成本总计 1 亿美元,那么 1.2 万颗卫星,就是 1.2 万亿美元。

“星链” 计划从 2019 年开始,2025 年结束。每次发射卫星 60 颗,平均每年发射 2400 颗,截止 10 月底发射了大概 7.5% 的发射量。马斯克的预见是 2025 年有四千万人使用该 “星链” 网络,那么 1.2 万亿美元的成本能收回来吗?

2019 年中国三大运营商的年收入是 1.31 万亿人民币。如果到了 2025 年,中国运营商里边的 1/40 的用户也就是 4000 多万的人用星链网络,那么按中国现在的资费标准,一年中国市场 1/40 的人能产生 46 亿美元的收益,1.2 万亿美元的投资,需要 260 年才能收回成本,显然这笔买卖并不划算。

在投入产出差距如此巨大的情况下,为什么马斯克还要做这件事呢?无疑是出于军事层面的考虑。

马斯克“星链”迈出商用第一步被美军方盯上,或为GPS“备胎”

图 | 凤凰网《前行者》栏目截图

还有一些细节需要注意,星链网络采用的是 QV(毫米波)波段,同国际无线电协会规划的 6G 预留频段重合,相较于传统的 KU 和 KA 波段,它频率更高,载荷量更大,为了解决高通量,所以才需要密集放星。

而使用卫星网络和日常的 4G 网络是不一样的。

首先是信号问题。室内是没有卫星信号的,通过专用的设备接收到信号之后,手机等智能设备还需要将数据传送回卫星,这需要相当大的功率,因此我们在电视上看到的卫星通信器材才显得很笨重。

其次是时延问题。星链计划 1.2 万颗卫星,8 千颗卫星放置在距离地面 550 公里的低轨道上,另外 4 千颗星放置在高 1200 公里的轨道上,而电磁波是有传输速度的。可以想象,从卫星到地面,550 公里的时延接近 4 毫秒,1200 公里的时延大概 8 毫秒。

而高可靠低时延的 5G,相同的指标仅 1 毫秒,卫星网络在用户体验方面远远不如常规网络。

GPS 的潜在 “备胎”?

近日,一家由美国军方资助的研究得出结论,这个日渐庞大的巨型卫星群可能有了一个新的次要用途 —— 用作全球定位系统(GPS)的替代品。

并且相比 GPS,由于星链卫星属于近地轨道(LEO)卫星,因此具有成本低、精度高、传输速度快、几乎不受干扰等特点,当星链卫星的密度足够,将可以替代 GPS 为全球提供导航服务。

得克萨斯大学奥斯汀分校无线电导航实验室的托德・汉弗莱斯(Todd Humphreys)和彼得・伊安努奇(Peter Iannucci)在非同行评审论文中声称,他们已经设计出一个系统,可以借助传统的 GPS 信号,用相同的卫星来提供比 GPS 精确 10 倍的定位精度,而且受到的干扰更少。

GPS 由约 30 颗卫星组成,在离地 2 万公里的高空运行。每颗卫星不断发送无线电信号,包含其位置信息和由卫星所携带的高精密原子钟给出的确切时间。地面上的接收器通过比较多颗卫星发出的信号到达地面所需的时间,计算出它们所在的位置,误差通常在几米之内。

马斯克“星链”迈出商用第一步被美军方盯上,或为GPS“备胎”

图 | GPS 卫星

不过,这些信号到达地面时非常微弱,一旦受到意外干扰或电子干扰就很容易消失,这是 GPS 固有的短板。例如在地中海东部,GPS 信号就经常受到无线电波干扰。

美国军方严重依赖 GPS。去年,致力于军队现代化的美国陆军未来司令部访问了汉弗莱斯的实验室,讨论了他在 2008 年联合创办的一家初创公司 ——Coherent Navigation。该公司旨在用铱星的信号来粗略替代 GPS,于 2015 年被苹果公司收购。

军方人士询问汉弗莱斯是否有兴趣和 SpaceX 公司谈谈,尝试用星链卫星来代替 GPS。后来,汉弗莱斯见到了 SpaceX 的人,对方对这个想法也感兴趣,于是,军方给了一年时间来研究这个问题。为此,陆军未来司令部投资了几百万美元。

用 LEO 卫星群(如离地 550 公里的星链卫星)来导航并不是什么新概念。

事实上,美国在 20 世纪 60 年代发射的第一批航天器中,有一些是绕距地 1100 公里轨道飞行的过境卫星,为海军舰艇和潜艇提供位置信息。LEO 卫星群的优点是发出的信号比 GPS 强一千倍,缺点是每颗卫星只能覆盖其下方的一小块区域,因此要想在全球覆盖稳定的信号,需要成千上万的卫星。

推倒重来 VS 升级改造

目前,马斯克的星链卫星已经基本就位,但为了能够行使 GPS 的导航功能,还需要建立一个全新的 LEO 超精密时钟卫星网络,这又是一项耗资巨大的工程。

Xona 空间系统公司正打算这样做 —— 在未来六年内至少发射 300 颗低轨卫星,其组成的星座可以提供与当前 GPS 类似的覆盖范围。

与 Xona 不同,汉弗莱斯和伊安努奇想通过简单的软件升级来改造星链卫星—— 利用这些卫星的通信能力和现有 GPS 卫星来提供定位导航服务。

他们声称,这个新系统为大多数用户提供的定位服务甚至比 GPS 还要精确。这是因为每个星链卫星上的 GPS 接收器可以利用消费品中少见的尖端算法来将其定位在仅仅几厘米之内。这些技术利用 GPS 无线电信号的物理特性和编码来提高定位精度。本质上来说,星链卫星可以为地面用户完成繁重的计算任务。

星链卫星本质上也是太空中的互联网路由器,网速能达到 100MB/s,而 GPS 卫星的通信速度不到 100Byte/s,是后者的 100 万倍。

伊安努奇说:“GPS 的传输速度太慢了,因此无法提供卫星实际位置的最新精确数据。而如果卫星发送信息的速度快上一百万倍,数据就会更接近真实。”

据汉弗莱斯估计,这个融合了 LEO 导航的新系统将利用即时轨道和时钟计算将用户定位到 70 厘米以内。相比之下,智能手机、手表和汽车上的大多数 GPS 系统只能精确到几米。

马斯克“星链”迈出商用第一步被美军方盯上,或为GPS“备胎”

图 | 星链

但对美国国防部来说,这个新系统的关键优势是很难被干扰或欺骗。它到达地面的信号不仅更强,而且其微波频率天线的方向性比 GPS 天线强十倍,这意味着比起干扰器发出的信号,接收到真正的卫星信号更容易。

据汉弗莱斯和伊安努奇的计算,该系统可以为世界上 99.8% 的人口提供连续导航服务,而其仅耗费星链卫星不到 1% 的下行链路容量和不到 0.5% 的能源容量。

斯坦福大学 GPS 实验室的托德・沃尔特斯(Todd Walters)没有参与这项研究,他说:“我认为这个解决方案确实比只用 GPS 更可靠,更精确。如果不需要改造星链卫星的话,这个方法当然更简单便捷。”

然而,这个新系统也有缺点。据预期,最初的星链巨型卫星群不会在纬度 60 度以上运行,这意味着赫尔辛基的居民可能享受不到它带来的好处,北极或南极地区也覆盖不到。

另外,要在地面上使用该系统,还要用 SpaceX 自己的星链卫星天线,而不是现在安装在智能手机和手表里的廉价 GPS 芯片。

因此与 GPS 不同的是,未来带有 LEO 导航的服务都价格不菲,主要是因为 SpaceX 对星链卫星进行了巨额投资,开始需要看到有收益回报。由于这些原因,并不是人人都看好这一新系统。

Xona 的首席执行官布莱恩・曼宁(Brian Manning)表示:“我们很久以前就研究过这种方法,无论是从商业上还是从技术层面上来说,都没有什么意义,这就是我们要开发一个独立于 “星链” 卫星群的原因。”

美国陆军未来司令部和 SpaceX 都没有对置评请求作出回应,但 UT 研究人员(德克萨斯大学奥斯汀分校)希望马斯克能看到这项新技术的价值。伊安努奇说:“这可能真的会让全球导航系统焕然一新。”

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech