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标题: 中国航天与LEO通信小卫星：机会与挑战 [打印本页]
作者: 晨枫    时间: 2016-8-16 04:23
标题: 中国航天与LEO通信小卫星：机会与挑战
本帖最后由 晨枫 于 2016-8-15 20:25 编辑
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曾经有段时间，中国航天的发展势头比中国航空好得多，不过这两年反过来了，中国航空捷报频传：不算已经定型的歼-10、直-10等，歼-20、运-20、直-20一个接一个。相比之下，中国航天的发展势头依然不错，“神舟”系列、“天宫”、“北斗”等都是成就，但好消息没有那么接踵而来。未来10可能对中国航天既是机会，又是挑战，能不能更上一层楼在此一搏。$ u( a0 @4 b* w/ L
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中国的军事航天依然需求很大，但未来的发展切入点在于民用航天。这与世界大势是一样的，只有靠自身能盈利、滚动发展的民用产业，高科技才能进入稳定的、可持续的发展。美国的IT工业是最好的例子，美国航空工业也一样，军用为主的麦道现在没了，洛马和诺格现在还在蹦达，而且美国的国策也不容许他们衰败，但相比民用为主的波音，他们的日子就不那么滋润了。
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民用航天的切入点在哪里呢？不是Virgin那样的航天旅游，而是以5G为契机的低轨道通信卫星。从60年代到现在，通信卫星是环球通信体系中的关键环节。传统通信卫星都是地球同步轨道（GEO）的，也称静止卫星。换句话说，以地面为参考原点，卫星在天上的位置是静止不动的。这使得地面卫星天线对准天上的卫星比较容易。现在通信卫星已经扩展到广播卫星，卫星电视就是广播卫星上发送下来的。
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GEO 卫星的覆盖面积很大，理论上3-4颗卫星就可以覆盖全世界。但同步轨道很高，达36000公里，所以信号散射较大，在发射功率不变的条件下，需要较大的卫星天线才能可靠地发射和接受。使用GEO通信卫星的便携式通信器材也很难做到真正轻小，天线的尺寸限制了微小型化的物理可能性。$ K5 ]& H; U3 D; U' @! O
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还在90年代初期，摩托罗拉公司就研制和发射了“铱星”，用低轨道（LEO）通信卫星覆盖全球，用于手机蜂窝网络通信。LEO卫星的轨道比GEO低得多，“铱星”只有700-800公里，因此天线只有半根油条大小，而且可以在全世界任何可以直视卫星的地方使用，不受手机基站塔的限制。低轨道也使得信号滞后大大减小，GEO通信卫星总是有奇怪的回声感，这是上行和下行信号必须传输72000公里的必然结果，任何技术进步都不可能消除这个滞后。这也是越洋电话越来越多地走海底光缆的原因之一，只有海底容量满了，才切换到卫星。LEO就没有这个问题，基本上感觉不到信号滞后。但摩托罗拉过于超前了，“铱星”计划在商业上失败得很惨。不过“铱星”依然得到各国政府和军警的钟爱，“铱星”是美军野外卫星通信的备用手段，电影《孤独的幸存者》里海豹突击队被塔利班追得走投无路的时候，正常卫星通信叫不通，最后还是只好拿出“铱星”电话叫通总部，报告危情。各国也用“铱星”电话作为海事和救灾时的紧急通信手段。“铱星”共发射了98枚，现在还有72枚在轨道上，其中66枚在运作中，6枚作为备份。
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7 p" X' ]1 H* ^  c$ v9 U“铱星”虽然在商业上失败了，但提供了重要的启示。这属于小卫星，发射重量只有689公斤，GEO的商业通信卫星大多10倍于此，甚至更重。小卫星的发射成本低，容易“搭便车”随其他卫星一起发射，或者一箭多星打上去。在无线漫游通信高度发达的现在，进一步摆脱基站塔的束缚，提高信号速度，成为下一代手机通信的关键，扎克伯格号称要在天空布满数以千计的LEO小卫星。不光FaceBook，Google、Apple、Samsung都在投入巨资，试图在5G时代抢占制高点，革命性地提高网络速度，不光包括海底光缆，还包括高空静止气球，现在的新热点为LEO通信卫星。/ d* j/ T& r3 \) M
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在同一条河里第二次跳下去，如果泳者不变，结果是一样的。这一次为什么就不一样？GPS为卫星信号的大众使用打开了门户。GPS不是LEO，而是中轨道（MEO），因此不是静止的，连续使用需要在不同卫星之间交接，信号抗噪声和接受灵敏度问题也解决了，大量GPS装置非常小巧，且不说手机里都有某种GPS接收能力，GPS接收还可以整合进手表的尺寸。( U( U1 _* m: C* i4 W4 J' y; |
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在5G时代，众多硅谷超级大公司蜂拥而入，带来海量资金，这只是一方面。手机通信市场已经和20年前大不一样了。20年前，手机还是小众市场，主要只是语音通信；现在手机是彻底的大众市场，用途也从语音扩大到文字、视频和网络。极大地扩大的市场给了新技术以空间和市场容量，分散和弱化了技术风险。硅谷的这些超级玩家还与航天与通信行业联手，OneWeb、SpaceX、LeoSat、空客、Intelsat、Eutelsat等已经加入的不同的双边和多边联盟。0 L% m! b8 {8 {( }! w0 A& e
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LEO还是有一大堆技术问题的。多路接入、光纤接入、公共服务、数据缓存等都有尚未解决的问题，卫星运行轨道的管理与协调、卫星之间的信号交接、海洋上空时的闲置能力、GEO传统通信卫星与LEO 5G通信卫星之间的干扰等都是问题，但LEO小卫星有一个独特优点：由于成本较低，需求数量很大，预计更新周期很快，预计2-3年，进一步加速下一代技术的研发。这和商用IT技术一样，发展速度几乎令人喘不过气来，成本也像雪崩一样迅速滑落。相比之下，GEO通信卫星成本高、数量小、更新周期慢，通常需要8-12年，成本下降的速度大大放慢。$ c& f. \9 U$ C% u; e  c( @
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对于中国来数，5G不光是地面用户端的问题，还有空基、天基基站问题。中国航天素以成本低、可靠性高著称，但SpaceX等正在挑战中国航天的这一优势。美国静止中国发射使用美国技术的卫星的禁令还在，从另一方面排挤中国。
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美国依然是世界上科技最发达的国家，美国低成本火箭和小卫星肯定具有强大的竞争力，美国在政治上的排挤和禁运肯定为中国航天制造巨大的困难，但中国是在困难中崛起的，实际上中国处在围追堵截的行业才真正获得扎实的发展，得到西方“网开一面”的行业反而常常发展乏力，不能依靠自己的力量站起来，依赖于持续外援。硅谷有超级玩家，但中国已经不是20年前了，华为、中兴、阿里巴巴、百度的实力不可轻视，中国航天也具有足够的商业化动力。LEO小卫星大众化后，美国也难以在技术上继续垄断和对中国禁运。这是挑战，更是机会。抓住了，这是中国科技创新和产业升级的巨大契机。
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LEO小卫星是全新领域，这样的突破性发展是行业洗牌的好机会。战后苏联、法国航空就是利用喷气技术重新洗牌的机会一举登上前沿的。苏联军工挤占民生的不可持续的基本国策和法国有限的综合国力使得一度登上的先进地位最终失去，但中国的可持续发展潜力远非苏联和法国可比。90年代中国航天因为美国禁运卫星而遇到困难，但现在不一样了，不仅中国有今非昔比的技术潜力，中国还有无与伦比的巨大市场，自主滚动发展就能形成足够的动势，近年来中国4G技术的发展历程已经证明了这一点。5G时代在即，中国加油！
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作者: 料理鼠王    时间: 2016-8-16 06:42
5G还是绕不过那几个通讯巨头，华为，爱立信，诺基亚，思科，虽然很热闹，就像当年的wimax，个人不看好空基5g
作者: dragan    时间: 2016-8-16 07:09
不谈谈5G卫星与中国的军队信息化水平建设的关系？理论上，甚至可以说实际上已经达到了可以指挥到人的技术水平了。
作者: 晨枫    时间: 2016-8-16 08:19
料理鼠王 发表于 2016-8-15 16:42
, s! K. M/ T% i% W6 g' p5G还是绕不过那几个通讯巨头，华为，爱立信，诺基亚，思科，虽然很热闹，就像当年的wimax，个人不看好空基5 ...
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但毕竟有一个中国巨头了啊。1 ^; R' b0 S2 _$ }

# ^8 m3 T) Y7 \! `4 i6 M爱立信、诺基亚5G还有戏吗？
作者: 晨枫    时间: 2016-8-16 08:20
dragan 发表于 2016-8-15 17:09% W  @: R; @) H) O9 `" G/ c: W
不谈谈5G卫星与中国的军队信息化水平建设的关系？理论上，甚至可以说实际上已经达到了可以指挥到人的技术水 ...
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2 M) ~$ C* p2 d0 w* x. L& j" r& k4 G7 [' \5G是民用为主，军用用这东西，估计保密和抗干扰过不了关。
作者: 料理鼠王    时间: 2016-8-16 08:29
晨枫 发表于 2016-8-16 08:19
6 u$ l2 g  ?4 R- ]但毕竟有一个中国巨头了啊。0 G! u. \; d6 j# X- X9 q
9 `2 B  q6 z2 J2 N! Q; v4 a) F
爱立信、诺基亚5G还有戏吗？
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这世界就这几个玩家了，无论从国家通讯安全还是市场份额就业来讲，肯定是需要保护的。" O0 K5 z# Q% ]% r3 h) M
只是米国佬没机会，才鼓捣出这么个空基的东西。! n) ~5 V  f# x8 j# Z8 m# d
看看当年 GSM 怎么玩死 CDMA 的。
! n" V- Z( W9 s; l& V这种和运营商双赢的模式才是将来。
作者: 舍也是得    时间: 2016-8-16 09:08
晨枫 发表于 2016-8-16 08:20& r1 B" l+ E7 r5 i+ ?) P, w8 E/ w1 Q
5G是民用为主，军用用这东西，估计保密和抗干扰过不了关。

# q) ?6 J0 Y( `. Q7 J* z$ b3 E" D保密和抗干扰不是还有量子通信卫星吗
作者: 晨枫    时间: 2016-8-16 10:21
舍也是得 发表于 2016-8-15 19:081 V+ U- Z# `) Z! E- W/ B
保密和抗干扰不是还有量子通信卫星吗
) q6 e  E1 G" w. G
这东西好像神得很，不懂。
作者: tangotango    时间: 2016-8-16 10:52
料理鼠王 发表于 2016-8-16 06:427 ^! q3 v8 F# ~, p' P# B
5G还是绕不过那几个通讯巨头，华为，爱立信，诺基亚，思科，虽然很热闹，就像当年的wimax，个人不看好空基5 ...
  B! _6 N6 ?" \
5G的核心技术还是无线侧的，思科在无线方面没什么话语权，倒是高通还有影响力。
作者: dragan    时间: 2016-8-16 11:38
晨枫 发表于 2016-8-16 10:21) ]# T- J1 _2 U. u% J' m0 w! V
这东西好像神得很，不懂。
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张召忠特地上节目提过这个事情。虽然就一句话。但是直接说有关中国军事信息化未来的发展。
作者: holycow    时间: 2016-8-16 12:15
晨枫 发表于 2016-8-15 18:21  N! R$ I5 E( j" A- [; t: V* }2 {, f! o* c
这东西好像神得很，不懂。

. o+ }! d1 y& B0 L1 l- |$ B. w贵国总理不就是量子计算的砖家$ X3 T0 a3 a& X0 \3 q
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http://www.youtube.com/watch?v=Eak_ogYMprk
作者: 晨枫    时间: 2016-8-16 12:50
holycow 发表于 2016-8-15 22:15( y4 C; x) {% `+ N1 P
贵国总理不就是量子计算的砖家

, G! e( N+ c% T呃，这是从何讲起？
作者: holycow    时间: 2016-8-16 13:00
本帖最后由 holycow 于 2016-8-15 21:03 编辑
( }, S( ^2 {3 u5 |, o
晨枫 发表于 2016-8-15 20:50
% q) N- K# \! C; o6 D, {( a呃，这是从何讲起？

! r0 H& b5 [: x
# S4 T8 @* B; i% {4 k8 P7 v0 ]视频不能看吗？这是他今年四月视察滑铁卢大学量子计算中心后的答记者问片段，现炒现卖算不错了。
作者: 然后203    时间: 2016-8-16 20:32
据说铱星通讯 不能在室内车内使用，也就是说在使用者和卫星中间不能有障碍物。
# P4 V$ [7 D4 |3 K. z6 `) s6 f6 g( {1 X/ s6 z* ]# P
北斗推广不遗余力，但GPS先发优势太大了。看来要采取一点非市场手段才行。
作者: 晨枫    时间: 2016-8-16 21:23
然后203 发表于 2016-8-16 06:325 ?( }  }: t9 ^7 z
据说铱星通讯 不能在室内车内使用，也就是说在使用者和卫星中间不能有障碍物。8 Z8 \/ H/ y4 |+ X4 @. ?
" c, n( l+ A* V0 V4 s
北斗推广不遗余力，但GPS先 ...

$ s4 F5 g4 ^& e3 k/ c* }" C$ ~4 ?: f/ l% h7 u; R: F) M
是的，这是波段问题，5G采用更低的轨道，有可能使用更高的频率，应该可以解决这个问题。如果不能在车内和室内使用，天基5G是没有生命力的，至少要达到GPS的穿透力。
作者: 晨枫    时间: 2016-8-16 21:25
holycow 发表于 2016-8-15 23:00+ u' P' Q6 }+ V1 C: o8 f
视频不能看吗？这是他今年四月视察滑铁卢大学量子计算中心后的答记者问片段，现炒现卖算不错了。 ...
! B" [3 T2 j. v+ @9 K% l  H0 F3 j3 i
有关他的新闻我一概不看，除非这家伙要加我的税！
作者: pcb    时间: 2016-8-16 21:55
晨枫 发表于 2016-8-16 21:25
* f4 M# m9 [: d- p# s  F- t! F有关他的新闻我一概不看，除非这家伙要加我的税！

; R6 Z6 t6 e" t8 X% x2 C加你的税才看？
作者: 晨枫    时间: 2016-8-16 22:19
pcb 发表于 2016-8-16 07:554 g7 [5 U# k$ j! b. i3 K
加你的税才看？
* U3 W. A$ x2 Y; ^, K$ F; o

( c# V: c2 O9 Q* s' c1 ^然后我才知道要抗议什么啊！
作者: 猫元帅    时间: 2016-8-16 23:53
一颗铱星居然有689公斤，真没想到。我一直以为就几十上百公斤呢。
作者: 晨枫    时间: 2016-8-17 00:53
猫元帅 发表于 2016-8-16 09:53
  Y- c9 r# ^+ K; W% p+ T一颗铱星居然有689公斤，真没想到。我一直以为就几十上百公斤呢。

% N" H! B! ?" l; n' B$ h% N估计成百上千的5G小卫星可能只有几十上百公斤了，只需要一个重点基站的设备和功率。
作者: pcb    时间: 2016-8-17 02:26
铱星是中轨道，比proposed的5G卫星的轨道高，要得到同样的信号强度，需要更大的功率
作者: pcb    时间: 2016-8-17 02:28
晨枫 发表于 2016-8-17 00:537 ~* y. A5 e0 Y+ m4 l: v  O* W
估计成百上千的5G小卫星可能只有几十上百公斤了，只需要一个重点基站的设备和功率。 ...

+ ?6 z; ?# Z. L6 y“只需要一个重点基站的设备和功率”! }/ b7 ^0 @% i# X4 I7 w$ Q

/ `" p! ^+ H4 Z2 y0 _! K功率要多大，需要多大面积的太阳能帆板？过地球阴影的时间多长？
作者: 晨枫    时间: 2016-8-17 03:12
pcb 发表于 2016-8-16 12:28
8 s/ m; D) ]: m5 t* w3 b7 q# n“只需要一个重点基站的设备和功率”
- m+ N) c( C8 {% j; Y! E# _" X7 \0 E/ n% w  d3 T, J. B
功率要多大，需要多大面积的太阳能帆板？过地球阴影的时间多长？ ...
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具体数据我也没有，只是猜想。
作者: 陈王奋起挥黄钺    时间: 2016-8-18 14:33
现代高带宽通讯严重依赖蜂窝网，就是同一频带在不同地点的反复使用，LEO违背了这一原则，波束赋形在5GHz以下没有太大的帮助， 在可以预见的将来我看不到解决方案。
2 q8 H  C0 H7 N; L
! b& m2 b1 K. }  @军事上LEO可以用大面积高增益定向天线， 覆盖几十公里的区域，提供短期服务，但民用那点容量，那么短的覆盖时间，根本不可能成功。即使采用多个大面积高增益定向天线，多个频带交替覆盖，也不过是减少了地面基站数量，原理还是蜂窝网。地面上能做的，拿到天上去干什么呢？ 徒增复杂性。2 r) V2 O9 G1 {

% b$ S$ ]2 L4 V/ @1 ]( H我本人看不出技术上的出路，问了几个通讯专业的大拿，他们也看不出。所以我一直怀疑Facebook和Google测试的那些技术是CIA或者美国其他情报部门资助的。
作者: 江城如画里    时间: 2016-8-19 09:44
如果搞LEO，似乎不必限于通信卫星。事实上中国航天应该做的事是把LEO卫星的基础设施搞好，这里一个有希望的思路就是分布式的皮星/纳星。简而言之，就是将以前一个大卫星做的事拆成若干个小卫星来做，将原来集中式的改成分散式的。基础设施，比如能源、射频、变轨发动机啥的，都搞成标准化的模块，由中国航天提供。各业主只要弄自己的一小部分就行了，比如中移动和华为合作搞5G基站，这只是非常小的一块，甚至连这一块都有基础的参考星，华为只要把电路板往里一装，交给中国航天，连带上面一大堆标准化模块一起射上天。到天上后进轨联合。
- s% O+ J  v; O5 S  w- Z由于接口全标准化，可以大大降低单颗卫星研制的难度曲线。比如对于华为来说，会搞电子电路就可以了，根本不必关心入轨、能源、射频啥的——这些事全由标准化的皮星、纳星模块完成了。
) z0 \& V+ {& \8 p在这个模式下，中国航天其实就是个太空集装卡车团队，各家做好个业务载荷往远征1A这样的上面级一装，全送到轨道上，由远征1A分别部署，再提供在轨控制业务，把各模块连通。
) k9 P* n; y1 n这种模式能够极大的提高灵活度和经济性。比如说硬件升级了（改6G了比如），其它部分（能源、射频啥的）都还是可用的，只要再发一颗6G的纳星上去，其它部分照常使用。# G8 V$ C! ]3 I
而且由于可以分多次发射上去，每射一次也可以灵活安排载荷。4 y5 [% ^8 U, i, k, o
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有了这些基础设施，晨大提的这些只是应用之一而已。各行各业都可以自研卫星，制约效通用的只有你的想像力。2 K. C  [% X, q# \, J
我觉得这样航天才能真正的跨入民用领域，这种体系上的成熟比SpaceX这样单项的改进要有效的多。
作者: 晨枫    时间: 2016-8-19 10:43
江城如画里 发表于 2016-8-18 19:44, o6 Z! U! Q9 b  O0 N
如果搞LEO，似乎不必限于通信卫星。事实上中国航天应该做的事是把LEO卫星的基础设施搞好，这里一个有希望的 ...
: T' }8 r2 |' {) C! x
好像这正是硅谷他们在搞的思路哎



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