马斯克的星链与芯事:芯片如何掀起卫星互联网革命?
2023-07-11 10:14:46来源:ZAKER科技
星链出现前卫星互联网的商业模式
芯流智库:星链(Starlink)之前有铱星、Oneweb 等老前辈,这三代卫星之间的商业模式有何不同?
吕和糠:第一,功能实现方面,铱星主要是中高轨道,星链主要是中低轨道,铱星从功能丰富性上先天弱了一些,主要依靠卫星实现通话,替代传统的蜂窝网络,但是蜂窝网络在通话领域具有地面传输快、范围广的优势,所以铱星一般用在海上任务等小众通讯领域。尤其随着流量扩大、频道提升,卫星传输的距离弱势逐渐明显。但到了现在 4G、5G 广域覆盖成本越来越高,经济效益变差,卫星互联网的商业模式开始成型。
【资料图】
第二,从运行的成本来看,马斯克把整个产业做成了闭环,从发射火箭到芯片再到终端运营,马斯克通过可回收的方式,一箭多星,压缩发射成本,产业链更长;同时马斯克降低卫星成本,不追求卫星的使用寿命,把卫星作为消费电子型的消耗品,很大程度解决了行业成本高的痛点。
第三,马斯克经济实力相对雄厚,能够支撑卫星研发、火箭发射等整条产业链研发往前推荐,Oneweb 等,资金实力就相对差一些,整合就没那么好。
第四,到目前,创立较早的 Oneweb 的商业模式,也在向星链的方向推进,但是依然没有星链那么极致。
芯流智库:为什么星链的发展是一种非线性的态势?从 2015 年成立以来成果并不突出,但是 2018 年以后突然爆发,卫星研发、火箭发射速度开始变得非常快,搭载的卫星数量也从开始的两个,变成几十个到上百个?
吕和糠:因为最近两年星链产业各方面技术逐渐成熟,所以发射能力提升。
第一,卫星发射是较长的产业链,马斯克基本是自己负责星链的整条产业链,技术不断迭代升级。发射火箭从可回收到海上可回收,从中型火箭到大型运载火箭,发射能力逐渐提升;
第二,卫星从立方体经历五六代到目前的球形,卫星单重从几百公斤到大几十公斤,卫星集成度、成本以及携带功能不断升级;
第三,卫星目前可以携带激光通信载荷,未来还可以增加网络防护、电子对抗等功能,不同的载荷和卫星结合能够实现新的功能,未来卫星是柔性化平台的定位。
芯片在星链中的角色
芯流智库:部分资料显示卫星使用 Sparc 架构的 SoC 芯片,是太阳公司上世纪末研发的非常小众的芯片,为什么选择这种架构?
吕和糠:其实所有卫星芯片的嵌入式系统,基本上都是 Sparc 架构。因为 Sparc 可靠性比较强。
除了主芯片之外,卫星里面其他比较重要的芯片,以前成本比较高。但是整体来讲,马斯克从芯片层面把以前非常贵的东西做成了白菜价。
比如相控阵,半导体材料原来用的是氮化镓、砷化镓,单通道成本几千美元,而一颗卫星需要相控阵天线芯片的成本就需要几千万,马斯克用硅基芯片替代,定制了收发集成度很高的芯片,使用了非常多的新技术,将成本降到了单通道几十美元的量级,是非常厉害的提升。
实现星链星间组网的激光通信,之前也很高成本,因为要在距离几万公里、几十万公里的两颗星之间用一束激光对准通信,但马斯克用了很多低成本、没有特别复杂的芯片方案,大幅降低了成本。
芯流智库:听起来似乎马斯克把卫星从传统的高高在上的层级降低了,举措类似消费电子化?
吕和糠:是的。美国传统航空体系基本由国防单位负责,都是洛克希德马丁、波音这些公司去承接任务。
马斯克走民用路线,融入了消费电子化的思路。他造车也一样,大家说造车贵,他就用工业级,看似降低了一些门槛,但从整体系统上来讲,可靠性目前可接受。
所以,其实我们可以反思一下,在整个研制流程里面,到底什么样的项目上才要高可靠性的标准。传统的高轨的一颗星,当然要讲万无一失;但是中低轨卫星,就是偏消费的高值易耗品,没必要,报废后放到太空就可以了。
当然,马斯克 " 消费电子化 " 做太空工业,也带来一个问题,就是十年后如何处理太空垃圾变成比较重要的事了。
马斯克如何管理芯片供应链
芯流智库:之前一两年芯片短缺比较严重,马斯克如何应对或者他怎样管理芯片供应链?
吕和糠:第一,因为卫星整体数量比较少,所以短缺相比起车或者其他消费品来说压力比较小。第二,在保障芯片供应链方面,马斯克卫星的核心芯片基本上都是定制的,就是先提出需求,然后找到 ST 等公司定制。
芯流智库:除了芯片外,卫星还包含很多零部件,它的卫星工厂是怎么运作的?比如流水线、工人、自动化等?
吕和糠:马斯克在卫星生产方面借鉴了造车的思路,具有创新性。
一般来说,高轨上三颗卫星可以覆盖全球,低轨要至少千颗卫星才能叫做一个星座,卫星数量级提升了上百倍。这种情况下,马斯克做了很多自动化尝试,过去卫星生产是半自动化,需要手工参与。马斯克引入全自动化生产线,将卫星产品设计为标准的立方形,从系统层面改进生产流程,大幅降低生产成本。
芯流智库:这种自动化程度比较高的工厂,产业链是否已经比较成熟?在生产自动化里,可能怎么定义生产流程是最重要的,反而其他的技术性的东西可能没那么重要?
吕和糠:自动化肯定不是技术突破上的难度。
按马斯克第一性原理来分析,首先马斯克定义了大规模巨型星座,为了实现目标,最大的困难是降低成本。传统卫星不能大规模,因为过去以安全性为主,要求保障它的可靠性,每发都能成,每颗星都能在轨运行二三十年。
但是马斯克没有可靠性、万无一失的需求,他进行很多降本的尝试,建立了自动化的工厂。过去没有人会想把卫星生产自动化,因为如果只有一颗、两颗、 十颗,自动化的投入产出是不成正比的。只有大规模生产,自动化的投入才有它的价值。所以马斯克自动化生产很大程度上是因为目标决定怎么去做。
芯流智库:星链的架构中有一个信关站,它会起到什么样的作用?
吕和糠:前面几代卫星,星与星之间的数据没有直接联通。但是每颗卫星收发都有不同的数据,就要通过一个地面比较大型的终端发信号,就像基站一样,信关站把所有信息全部重新传一遍回去,实现所有信息同步,确保每一刻数据是同步的。
后来,在异轨之间用微波的方式,同轨之间用激光的方式,实现了每颗星之间的数据互联,减少了对信关站的需求。如此,星间通信就逐渐减少了对信关站的依赖。
芯流智库:星间组网对星链能力有哪些增强?
吕和糠:卫星间信息传播速率和实时性进一步提高了,这只是星链作为一个平台的开始,星链平台上可以搭载的东西将越来越多,可以实现不同的作用。
比如可以扫描,可以勘测,可以做遥感。
而且天上只有有限的轨道资源,申请后需限期尽快使用。所以,星链一旦在太空中形成一个稳固的平台,那就是垄断且排他的。
要达成这样一个平台需要同时具备几个要素:首先是低成本大规模发射能力,然后是低成本卫星制造能力,最后是低成本终端部署能力。
芯流智库:卫星网络对传统 GPS 有影响么?
吕和糠:未来二者将建立复合网络,互相增强,可能不会有直接冲击。未来低中高轨信息共享,功能可能进一步融合。
国内卫星互联网发展
芯流智库:我国正在针对马斯克的星链推出类似的国产版本,其实我们的地面通信基础设施可以说是领先全球的,我国发展类似卫星互联网,主要考量是哪些因素?
吕和糠:中国 4G、5G 的建设已经领先全球,覆盖了大概百分之三四十的国土面积,剩余部分由传统蜂窝网络覆盖,经济价值较低,但是在特定场景,比如应急通信、抢险救援等依然还是需要。包括自动驾驶的实现,可能会面临没有网的问题,在某些地广人稀、没有信号的地方需要卫星网络来支持。未来所谓的 6G 一定是空天地一体化的通信方式。
芯流智库:星链大获成功应该是在 2019 年左右,此时我国建立起相应的计划但是进展有限,后来原来各自努力的公司开始联合攻关,如何看待我国星链经营体制的这种变化?
吕和糠:可能当时组织性还没有那么强。当时民间、国家都有自发组织,但是如果想要赶超马斯克,需要全部融合在一起,专门成立央企牵头,集中力量办大事。
但是马斯克之所以能成功,是因为他先解决有无问题,再解决好坏问题。比如一开始星链的卫星间通信使用握手协议,是最简单的一种通信方式,安全程度非常低,但这不妨碍星链随后迅速优化迭代了很多个版本,到现在,加密通信技术已经非常成熟了。
那对我们国家最大的启示,就是需要先解决有无,然后再不断地去改进完善,可能这更符合卫星互联网发展的规律。
芯流智库:我们现在有没有解决有无的问题?如果解决了,现在制造能力和发射能力处于和星链的一个什么样的相对位置?产业链各环节状况如何?
吕和糠:我们 2024 年前要发射一些新的卫星,也有招标的计划。如果从数量来讲,我们离马斯克还有点距离。但是我们起步较晚,可以理解。
产业链方面,我国目前薄弱的大概有两部分。第一部分是发射,马斯克已经反复实现各种回收的方式,从对火箭发射回收的整套技术掌握程度来看,马斯克的领先性还比较强。第二是芯片,马斯克背后有大公司在提供低成本的成熟芯片。我国芯片成本方面优势比较小,难度可能较大,尤其前面提到的相控阵等价格很难降下来。
芯流智库:星链不像特斯拉公开很多技术和标准,它后期资料保密程度很高,对中国公司研发是较大的挑战,我国如何实现技术上的突破?
吕和糠:新能源汽车需要和传统汽车 PK,所以需要盟友。但是星链是资源排他性业务,轨道资源没了就没了,所以需要保密。
尾声:总结与预测
芯流智库:我国卫星互联网发展将来应该怎么做?
吕和糠:第一,迅速脱离对好坏标准的讨论,先进行实质性的推进,要先着手去做,不用纠结是不是思虑周全、产品准备充足了。
第二,需要产业链的分工以及引入更多的民营企业参与。NASA 因为引进 SpaceX 解决了成本问题。在 SpaceX 之前,美国的航天事业成本比较高,引入民营可以通过鲇鱼效应降低成本。
芯流智库:全球卫星互联网领域,未来会呈现怎样的行业竞争格局?
吕和糠:能做卫星互联网的国家会很少,因为其要求几个要素:
第一,科研能力,卫星是高技术门槛行业,中间涉及的科研内容比较多,学科分布广、跨度大。光这一要素决定了,可能只有中、美、欧能做卫星互联网。
第二,市场需求。卫星需要盈利,需要足够的需求,也就是要足够的人口。目前来看,只有中、美、欧才能有这么多人去买单、去支持。第三世界的友人,现在虽然有很强的需求,但可能此时此刻付费能力还是有限的。
就像卫星导航,最后全世界导航网络只有四套:我国的北斗、欧洲的伽利略、俄罗斯的格洛纳斯、美国的 GPS。考虑到中低轨对敏捷、成本要求越来越高,可能俄罗斯竞争力会衰退,所以最后剩下就是中国一套,欧洲一套,美国一套。
责任编辑:hnmd003
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