太空基建正当时：太空互联网竞赛拉开

文/陈根

随着SpaceX星链计划的持续推进,从2019年5月开始发射卫星至今,星链已经完成了26次发射,目前发射入轨的星链卫星总数超1000颗。同时,亚马逊、英国的OneWeb等公司也在几个月内相继将数千颗卫星送入轨道。不论承认与否,太空互联网,距离人们都已经越来越近。

一场全球性的太空互联网竞赛已经拉开帷幕,未来几年数以万计的太空互联网卫星涌入太空似乎已成定局。太空基建正当时,商业卫星的需求呈现一种爆发式增长的态势,商业航空也作为被看好的行业受到了市场的持续关注。

然而,机遇往往与挑战相生,数以万计的太空互联网卫星作为过去人们不曾踏足的领域,在带来巨大经济效益前景的同时,也对于太空和地球都具有强烈的安全意义。

太空基建正当时

卫星互联网并非新近的概念。简单来说,卫星互联网即地球上(包括地面、水面和低层大气中)的无线电通信站之间,利用人造卫星作为中继站转发或反射无线电波,以此来实现两个或多个地球站之间通信的一种通信方式。

上世纪90年代,时处1G时代的美国摩托罗拉公司曾部署了铱星低轨卫星通信星座。其一代系统于1987年提出,1990年对外发布,1997年开始部署,1998年系统正式上线运营,却在仅仅9个月后申请破产。

这个部署了13年、在轨运营66颗卫星、成本高达60亿美元的星座计划,被Don Colussy花费2500万美元收购,成交价仅为成本的0．42%。

铱星破产的最核心问题在于过高的成本导致了高昂的使用价格。据铱星公司最初估算,需要大约65万个用户才能够实现盈亏平衡,但铱星系统运行期间,只有2万左右的用户使用铱星电话,直到破产时也只有6万用户,与预想的用户数量相差甚远。市场需求的下降以及初期市场估算时过于乐观,导致铱星公司的经营很快就难以为继。

此外,海底电缆和光纤的大量铺设,让2G时代加速到来,人类的洲际通信不再单纯依赖于卫星。以诺基亚为代表的手机通话和短信业务的崛起,也让通信的应用场景发生了改变。也正因此背景,上世纪末的全球星(Globalstar)、轨道通信(Orbcomm)、泰利迪斯(Teledesic)和天空之桥(Skybridge)星座系统,皆因投资过大导致入不敷出,在2000年前后宣布破产。

各大卫星公司的破产也让从业者意识到,卫星互联网替代地面通信网络的可能性几乎为零,它只能成为电信运营商的补充和备份。铱星重组后也调整了策略,并在2003年的伊拉克战争中战时通信方面发挥了重要作用。此后,美国政府成为了铱星的最重要客户,2019年来自美国政府的收入就有近1亿美元,占总收入的20%左右。

尽管过去以铱星系统为代表的卫星通信一度与地面通信构成直接商业竞争,但最终却因为投入成本过高、技术优势不明显、用户需求少而未能成为主流。但伴随地面第五代移动通信(5G)商用临近,人类社会对通信的需求有望达到一个新高度,卫星通信与地面 5G 的融合得以成为产业讨论的新热点。

5G时代的重要特征之一在于灵活高效、万物互联,而地面通信网络受制于地理环境因素,尚难以实现全球全方位无缝覆盖。放眼全球大概70亿人中,仍有40亿人不能上网,他们广泛分布在拉美、南美洲、澳大利亚以及东南亚地区,太空互联网的铺设则可以为这些地区的人们提供便捷的上网服务。

可以说,太空互联网本身解决的问题,就是用更低的成本去解决地面网络服务的问题,所以整个网络服务所提供的是通用的网络服务,而不是像从前的卫星互联网。卫星互联网更多解决的是在沙漠、高山等地方,进行网络覆盖。太空互联网则是在整个地面网络的升级,可以解决地面网络重新覆盖的问题。

同时,卫星优越的广播/多播能力还可以为网络边缘及用户终端提供高效的数据分发服务,进一步提升网络整体通信效率。在此基础上,卫星星座将作为一种太空基础设施成为通信产业链中重要一环,星地通信网络有望在 5G 时代由竞争走向合作,形成星地融合新商业模式。

人造卫星面临安全挑战

人造卫星应用场景的日益扩大,在带来机遇的同时,也伴随着安全的挑战。

一方面,卫星的轨道、频段是一种战略资源,它是有限的,而且有优劣之分,不同频段传播损耗不同。国际上,卫星频率和轨道资源主要是“先占先得”的抢占方式,因此发达国家率先发射卫星,优先使用,优质轨道和频率颇为拥挤。这就意味着,低轨卫星相继发上太空,也将提升太空“交通事故”的风险。

2019年5月24日,SpaceX发射了首批60颗“星链”卫星。成功发射后,除了3颗失联的卫星,绝大多数卫星上升至距地球550千米的轨道,而少数几颗卫星则在更低的轨道上进行特定项目的训练。而被降到320千米的轨道高度练习“脱轨技术”的44号卫星就差点与欧洲航天局的“风神”(Aeolus)地球观测卫星相撞。

2019年8月28日,欧洲航天局通过数据分析发现,“风神”卫星与“星链”44号卫星存在相撞的可能性,撞击风险为五万分之一。随后,他们与SpaceX的科学家进行了联络。由于在欧洲航天局制定的标准中,当两颗卫星相撞的风险超过万分之一时,需要采取进行避撞机动,而当时的情况并未触及该阈值,因此双方均决定不需要采取行动。

然而,随后的预警指出,两颗卫星在9月2日相撞的风险超过千分之一,这已经远远超出了采取避撞措施的临界值。这时,当欧洲航天局再度联络SpaceX、请求进行避让时,SpaceX却没有予以回应。最终,在距离两颗卫星会面还差半个轨道时,“风神”地球观测卫星启动了推进器,提升卫星轨道高度,避免了这一潜在的卫星撞击事件。

显然,陆续发射升空的人造卫星以及不断增加的“太空垃圾”,让地球轨道变得日益拥挤,卫星遭遇撞击事件的可能性也随之增加。目前,不同高度的地球轨道上共分布了超过2000颗卫星。而如果“星链”计划得以完整执行,地球轨道上的卫星数量将骤增6倍。

按照计划,在“星链”计划中,将有1500多颗卫星分布在550千米的轨道、2800颗分布在1100～1300千米的地球轨道上。另外,还有7000多颗卫星将分布在340千米左右的极低地球轨道。一旦这些卫星部署完毕,卫星的飞行安全将迎来更大的考验。欧洲航天局曾在推特上表示,随着卫星的增多,尤其是“星链”计划的实施,手动的避让措施将不足以确保卫星的飞行安全。

另一方面,越来越多的互联网卫星也让网络安全专家们忧心忡忡。丹佛大学(University of Denver)研究网络冲突的博士后研究员威廉?阿科托(William Akoto)认为,包括美国在内,国际上目前还缺乏针对商业卫星的网络安全标准和法规。而卫星的复杂供应链和利益相关方的层级关系,意味着卫星极易受到网络攻击。

无疑,黑客一旦控制这些卫星,后果将非常可怕。黑客可以通过简单的指令批量关闭卫星,从而导致全球服务中断。黑客还可能堵塞或欺骗来自卫星的信号,从而对关键基础设施造成破坏。例如连入太空互联网的电网、供水网络和运输系统。

这些新式太空互联网卫星中的一些具有推进器,可使其加减速并改变太空方位(变轨)。如果黑客控制了这些卫星,后果将是灾难性的,例如黑客可能会改变卫星的轨道,将其撞向其他卫星甚至国际空间站。

事实上,早在1998年,就有卫星黑客事件发生。当时,黑客通过入侵马里兰州戈达德太空飞行中心的计算机控制了美国-德国ROSAT X射线卫星。然后,黑客指示卫星将其太阳能电池板直接对准太阳,导致电池炸毁,卫星瘫痪。这颗解体的卫星最终在2011年坠毁。除了破坏性攻击,黑客还可以劫持卫星以勒索赎金,就像1999年黑客控制英国的天网卫星时所发生的那样。

随着技术的发展,黑客对卫星进行网络攻击的威胁变得更加可怕。2008年,黑客完全控制了两颗NASA卫星,其中一颗被劫持约2分钟,另一颗持续约9分钟。此外,2018年,另一队国家黑客针对卫星运营商和国防承包商发起了一次复杂的攻击,此外伊朗黑客组织也曾尝试过类似的攻击。

全球互联网不仅是一个行业的发展,同时对于太空和地球都具有强烈的安全意义。在日益激烈的卫星运营市场竞争中,确保太空互联网的安全将是太空互联网发展的前提,关乎人类社会的福祉。