卢旺达要发30万颗卫星！太空圈地背后的算计与乱象

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各个国家和卫星公司为了争夺有限的轨道资源和频段，总共提出了超过100万颗卫星的发射申请。但这只是一场“纸上”的卫星盛宴，绝大部分卫星不会真正发射。虚假繁荣的背后，暴露出现有卫星管理体系的滞后和太空拥挤带来的问题，是时候调整规定、修补漏洞了。
撰文 | 李贤焕


披着科技的外衣，一些匪夷所思的现象正在卫星行业上演。比如地处非洲内陆的卢旺达，就声称要向太空发射30万颗卫星。
且不说这个国家有没意愿和必要实现这一目标，就算要实现，按照现有人类的火箭能力，或许需要超过100年才能部署完成。但这一没有人会当真的目标，就这么堂而皇之地出现在了国际舞台上，以正式文件申请的形式提交给了联合国下属机构。
或许是因为发展得太快了，卫星行业的矛盾和混乱在显现。卢旺达例子只是其一，事实上，近年来各国提出的卫星计划都极为雄伟，预计发射总数量甚至达到了百万级。但实际上，如今地球轨道上的卫星仍不到一万颗，计划中的卫星多数并没有被造出来，只是永远停在纸上而已。
原因何在？简单的问题涉及到各国及各公司的航天愿景、航天任务的制造及发射成本、管理体系的迭代等复杂因素。本文我们以一个最新的研究入手，拆解庞大的卫星体系的“乱象”以及背后的种种原因动机，进一步看清，未来我们的卫星要如何管理？人类卫星产业的发展要走向哪里？
从100万颗“纸”卫星说起
近日，一篇发表在《科学》杂志上的文章指出，2017年至2022年期间，各国向国际电信联盟（ITU）提交的文件显示：各家计划发射的卫星超过了一百万颗，涉及300多个卫星星座。
这是一个相当离谱的数字。综合各国航天机构的统计，目前在地球轨道上的人造卫星数量约为7000-8000颗，其中相当部分已经不在工作状态。由此看来，目前各国提出申请的卫星数量，超过这个数字的100倍。


前置申请，是目前建设星座系统的规定动作。在发射卫星之前，一个国家的政府部门必须提前数年时间向ITU提出卫星计划，后者作为一个监管机构，为各方协调无线电频谱，确保卫星之间不会互相打架，即新的卫星信号不会影响甚至淹没现有的卫星信号。
先不说可行性，百万卫星计划不管事实与否，产生的问题都是明显的：
1、如果这些申请涉及的卫星里，多数如约上天，意味着未来几年时间里会有数千枚火箭点火升天，卫星遍布轨道会让太空变得更加拥挤，碰撞、信号冲突的问题会大幅加剧；
2、如果各运营商压根不打算发射这些卫星，即这些卫星停留在“纸上”，他们或许是为了先占一个卫星位置、吸引投资者注意，或是最终把无线电频谱倒卖出去，但这也就暴露出现在的管理体系有明显的漏洞，已经跟不上航天产业的进展。
是谁在申请？
其实，多数申请都肉眼可见的非常蹊跷。典型的是卢旺达政府在2021年9月向ITU提交了两个卫星星座申请，总数超过30万颗，在全球范围内都引起了轰动。相比之下，目前发射卫星最多的SpaceX，总数也就在5000颗左右。位处东非的卢旺达，至今仍是联合国公布的世界最不发达国家之一，经济以农牧业为主，但粮食仍不能自给。这个人口仅有1000余万、面积不到两个北京大的国家，2020年的人均GDP不足一千美元，全国GDP约为110亿美元，这个数字远远不够他们造出这么多的卫星。
穿透卢旺达政府背后的实际申请人，我们能进一步看到卫星运营商们的数字游戏。事实上，这份通过卢旺达政府提交的申请，其背后的发起者是来自法国的公司E-Space。除此之外，这家公司还在2023年通过法国官方提交了一份超过10万颗的卫星星座计划。


但他们从未想过要实际发射这么多，公司CEO在公开场合的表态是“至少发射3万颗”，而他们的产品开发总监的口径则是“只有几千颗卫星”。
正如他们所为，一家公司在不同国家、地区提交申请是一个相当常见的操作。比如运营着600余颗卫星的OneWeb，已经通过三个国家（墨西哥、法国和英国）提交了6118颗卫星的文件；SpaceX则通过美国、挪威、德国、汤加提交了涉及数万颗卫星的文件申请。
类似的做法也可以在船运行业看到。由于法规和执法力度更加宽松，运营成本更低，全球44%以上的船只注册在巴拿马、利比里亚和马绍尔群岛这三个国家。
通过申请、获得卫星轨道，后续进行转卖赚钱也是动机之一。比如汤加，这个太平洋上的小岛国家从来没有发射过卫星，但曾在上世纪80年代申请获得了9个卫星轨道，然后转手租出去赚了数百万美元。如今他们再次看上了卫星生意，SpaceX在2023年10月通过汤加提交了接近3万颗的卫星申请文件。
此外，包括中国、德国、西班牙、挪威、法国和所罗门群岛等大大小小的国家，都向ITU提交了大量的卫星文件申请。“但引起我们兴趣的不仅仅是这些庞大数字，”英属哥伦比亚大学研究生、前述论文作者之一伊万·赖特在接受采访时表示：“我们越深入研究这些星座的问题，就越发现ITU的监管已经完全落后了。”他表示，由于资金问题、政局变化或技术问题，许多“纸上”的卫星永远不会被发射。
申请了为什么不发？
首先是能力。
人类把东西送上太空的能力是有限的。统计显示，2022年全球共执行186次轨道发射，成功178次，涉及8个国家和地区，把2497个有效载荷和24名航天员送入轨道。在不计算今年数字的情况下，这已经是火箭发射次数最多的一年，可以视为现阶段全球最大的运送能力，最多就是两千余个。照这个速度，一百万颗卫星发完需要四百多年。
然后是成本。
以最受关注的Starlink为例，摩根士丹利曾估计Starlink卫星的制造成本为每颗100万美元，而马斯克曾公开表示单颗卫星的成本有望降至50万美元。由于Starlink未公布卫星制造成本，且具体数字会随着技术迭代、生产规模扩大而持续变化，本文取其区间，再以人民币兑美元汇率7:1进行估算：Starlink的单颗成本约为350万至700万元人民币之间。作为对比，浙商证券在2022年9月发布的研报指出，我国目前低轨通信卫星的平均造价大约在3000万元左右。
由于Starlink卫星规模已经达到5000颗，远超同行，因此在同级别卫星里，业界普遍认为SpaceX能将卫星成本压至最低。但即便如此，造卫星，尤其是卫星组网仍是一个耗资百亿美元起步的庞大生意。
还有占据成本结构近一半甚至更高的发射成本。
SpaceX自家的猎鹰9火箭是全球唯一实现常态化重复使用的运载火箭，平均单次发射载荷质量达到11.13吨，成功回收的次数已超过100次，显著降低了进入空间的成本。目前，猎鹰9低地球轨道发射服务的公开报价约为人民币2.6万元/千克（需要注意，这是对外报价而非成本价）。相较于市面上其他火箭发射服务，价格便宜了一半甚至更多。




在全方位获得成本优势的情况下，Starlink才勉强成为触碰到盈利线的低轨卫星星座。SpaceX总裁兼首席运营官Gwynne Shotwell在接受媒体采访时表示，Starlink 预期在2023年开始盈利。Starlink系统预计每年成本约为24.1亿美元，去年开始，Starlink在全球用户已经超过100万。
从这个维度再看别的制造成本、发射成本均高于SpaceX的公司，挑战和质疑声都不小，盈利更是难以期待。因此大家对这门极度费力但未必讨好的生意，大笔投入时的谨慎与保守都显得非常合理。
不发为啥要申请呢？
这时候再看涉及到100万颗的卫星申请文件，当所有人都知道计划不会被执行的时候，不管是企业还是各国政府前仆后继地递材料，必然是有相当切实的利益考量，除了作秀（商业和政治层面），还有重要的战略意义：抢占轨道资源。
卫星的轨道和频段被视为一种战略资源，不仅有限，还有优劣之分，因为不同频段的传播损耗不同，所以各方需要争抢更好的位置。在国际上，对于卫星频率和轨道资源，主要采用“先占先得”的方式。因此，发达国家率先发射卫星，占据优先位置，导致优质轨道和频率的拥挤现象。而收到各家申请的ITU就是负责协调和管理卫星轨道的组织。


此外，不同轨道的情况也不相同。
比如在距离地面约3.5万公里的地球静止轨道，卫星多以单颗存在，因此轨道资源较为充足，ITU对该轨道的管理想对简化，当卫星的10-15年寿命结束时，通常会被人为控制上升约300公里高度，进入卫星“坟墓轨道”成为太空垃圾，原先的位置就会被释放出来。
但大家争抢激烈的低地球轨道就不一样了，成百上千颗低轨卫星需要在2000公里以下的不同高度组成星座网络，它们并不存在一次性全部退役的情况，当部分卫星损坏或寿命结束时，运营商通常将会发射新卫星来进行补充，而不是释放整个轨道资源。所以情况会变成“先占永得”，后来者未来可能面临没有轨道可用的被动情况。
在地球低轨300-1000公里的轨道高度上，最终能容纳多少颗卫星？这个问题有多种版本的答案。但可以确定的是，人造卫星安全性会成为一个愈发棘手的问题。假如已申请的卫星里有10%最终被发射上去，近地轨道会多出10万颗卫星而变得更加拥挤，卫星之间如果碰撞，将产生大量太空碎片，这反过来又会导致更多的碰撞。
在这样的背景下，SpaceX去年12月向监管部门提交的文件显示，Starlink卫星的自动避碰系统在2020年12月1日至2022年11月30日的两年间，进行了26037次轨道避碰演习，平均每颗都进行了超过10次变轨，可见威胁是真实存在的。
不管从哪个角度推演，尽管太空无限大，但留给后来者的太空空间将变得越来越小，轨道资源将成为一个重要的门槛。
怎么办？
矛盾变得愈发激烈，百万“纸”卫星的现象表明，现行的卫星管理体系已经不足以支撑卫星行业的健康成长。
当然在很大程度上，这也是行业发展速度超出了过往预期造成的。参考航海业发展，我们在15-17世纪的大航海时代才开始涉足大洋，而后工业革命、现代船运技术的发展把我们拉入现代航海业的时代。从那时候开始，占全球海洋面积6成以上的公海该如何管理？各国在旷日持久的拉锯中才逐渐形成了现在的共同治理体系。
太空开发就是新的大航海时代。而对于距离地面100公里以上的外太空，那是一片空间更大、目前管理也远远更为粗糙的空间。
此外，太空也是一个极度需要秩序的场域。卫星在轨道上运行，像行走在太空上的高速公路，飞行速度动辄每秒7-8公里，一旦碰撞产生更多碎片，后果将是无人能够承受和挽救的。在这种背景下，太空卫星管理涉及对卫星轨道、频谱、太空碎片、国际合作等多个方面的监管和协调，对于确保太空活动的安全性、可持续性和有效性至关重要。
这对ITU提出了更高的要求，这个联合国下属的机构成立时间甚至早于联合国本身，以每三到四年为周期让193个会员国坐在一起，商讨全球通信领域的新规则。他们并不是没有努力，在2019年，ITU会员国通过了一项针对卫星星座组网的规定：在首次发射后两年内发射10%的卫星，在五年内发射50%，并在七年内完成整个星座的发射。
当时这一规定的出发点就是为了避免让公司占着轨道不发卫星的行为。其中有一条细则，“非规划卫星网络空间电台频率指配的规则启用时限为七年。”即第一颗卫星可以在提交文件后的7年内发射。这里就存在漏洞，在如今这个大家超量提交申请的背景下，这句话可以理解为：大家需要等待7年时间才能确认这些“纸”卫星是假的。而且根据ITU的规则，卫星星座成功申请后，7年时间里未使用的情况下，最终的结果仅是“无线电频率和相关轨道资源有效性到期，”说明这样的“占位”行为并没有太多成本和惩罚。
前述文章作者表示，ITU应该考虑加速这个过程，同时，还可以引入一些收费机制，对大规模或投机性的申请进行限制。
显然，是时候调整规定、修补漏洞了。11月20日至12月15日，世界无线电通信大会在阿联酋举办，前述文章作者在文章里指出，ITU应该赶快修订新规，解决卫星星座现有的乱象。
作者在接受媒体采访时表示，今年的会议将会重点关注卫星星座相关的问题，同时也提出了参考思路，比如限制每个星座中卫星的数量、对更大规模申报的更高费用、或是采取类似“收押金”的做法，让公司申请卫星轨道时先交钱，在卫星结束服役后再把“押金”取回等等。
只要能够让公司、政府们别胡乱申请，一方面有限的卫星轨道资源将能被更好地利用起来；与此同时，ITU也将能够更清晰地看到各方的真实意愿，以此预测未来卫星的数量，进行相应的轨道、频率安排，最终减少无线电频率干扰和卫星间碰撞的风险。


此外，美国联邦通信委员会(FCC)对卫星进行的较严格管理也值得参考。去年，FCC通过了一项新规，要求处理好卫星的“后事”，即低地球轨道卫星必须在任务结束后的五年内由运营商进行清理，避免成为在地球轨道上不受控制的垃圾。
这可不是说说而已。近期，美国电视公司Dish成为第一个因为这条新规被处罚的卫星运营商。Dish表示其运营的一颗卫星在退役时燃料不足，无法移动到“坟墓轨道”，公司因此领到一张15万美元的罚单。虽然数字不大，但受此影响，公司股价大跌，导致市值蒸发1亿美元。
随着法规变得更加细致，业界判断未来对太空碎片进行清理的需求将大幅提升。事实上，清理太空垃圾本就是近几年商业航天领域创业的方向之一。这些提议和新规指向了一个更有秩序、细致管理的空天时代。
而未来对太空的管理，眼下最迫切要做的就是处理好那上百万颗“纸”卫星，前述文章作者说，“地球轨道是属于全人类的有限资源，我们应该维护好它。”
参考文献
[1] https://theconversation.com/over-the-past-six-years-governments-proposed-launching-over-one-million-satellites-but-where-will-they-all-go-215979
[2]https://www.space.com/million-satellites-congest-low-earth-orbit-study-shows
[3]https://www.astronomy.com/science/study-satellite-traffic-jam-calls-for-urgent-changes/
[4]https://adf-magazine.com/2022/08/rwanda-plans-to-launch-satellite-constellations/
[5]https://phys.org/news/2023-10-itu-tighten-orbit-satellites.html
[6]https://www.space.com/how-many-satellites-fit-safely-earth-orbit
[7]https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2221343120
本文受科普中国·星空计划项目扶持
出品：中国科协科普部
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来源：https://view.inews.qq.com/k/20231205A0300I00
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