硬核航天“老兵”张海明:商业航天是一场长跑

郑晨烨2024-10-21 20:44

记者 郑晨烨 很少有人知道,早在上世纪90年代,中国航天业就曾在美国人身上赚到过“第一桶金”——4900万美元。

1994年1月5日,时任美国总统比尔·克林顿批准向中国出口用于商业发射的美国卫星(包括AsiaSat-2和EchoStar卫星),授权美国企业在中国进行商业卫星发射。1995年12月28日,在西昌卫星发射中心,长征二号E运载火箭将来自美国的卫星送入了轨道。由此,这笔价值4900万美元的发射合同,成为中美航天史上一段少为人知的往事。

作为这段往事的亲历者与推动者之一,张海明每次讲起此事时,听众大多都会显得难以置信:“中美竟然有过卫星发射的相关合作?”

彼时,张海明在美国EchoStar卫星公司从事管理工作,正是在他的建议和沟通下,这家美国卫星企业最终选择来中国洽谈首颗卫星的发射事宜,并最终促成此事。

离开EchoStar公司后,张海明曾经担任洛克希德·马丁商业卫星北亚区市场总监,主要负责组织卫星设计方案、技术转让与项目投标等工作。

2004年,张海明回国,先后担任中国移动(香港)广播卫星公司董事副总经理、香港亚洲卫星公司副总裁。眼下,张海明是北京星途智联科技有限公司(下称“网翎公司”)的CEO(首席执行官)。2024年5月6日,网翎公司推出了中国首款民用卫星上网终端设备——OneLinQ网翎卫星上网机。该设备也成了国内首款直接对标Starlink(星链)的上网终端。

在10月16日结束的第十九届玄奘之路戈壁挑战赛上,网翎公司为这项知名极限赛事提供了10余台卫星上网机,用于赛事各个点位的卫星通信传输,覆盖并满足了6000人在赛事中直播、中继、移动指挥、工作内容传输等宽带网络可实现的各类服务。

10月17日,记者与这位从业已38年的商业航天界“老兵”进行了深入交流。张海明在采访过程中一直向记者强调:“商业航天与卫星互联网,从中国的角度来说,起步没有太晚。”

起步没有太晚是客观现实,存在差距也是客观现实。

8月6日,我国首个低轨商业卫星星座——“千帆星座”首批组网卫星顺利发射,10月15日,“千帆星座”第二批组网卫星在太原卫星发射基地成功发射并入轨,这标志着我国“千帆星座”进入常态化发射阶段。

同样是在10月15日,SpaceX在美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角40号发射台发射了星链10-10任务,这已是第195批星链的发射任务,也是SpaceX在2024年第101次完成发射任务。

在张海明看来,随着“千帆星座”卫星的常态化发射,我国在低轨卫星互联网领域正逐步形成完整的产业链。这不仅仅意味着卫星发射的数量增加,更重要的是从研发、制造、发射到运营服务的全链条布局将开始完善,中国的商业航天有机会迎头赶上。

“商业航天是一场长跑。”张海明说。

对话

美国卫星在中国的第一次发射

:请介绍一下你早年间的从业经历。你在美国当时都做了些什么?为什么会选择在国外从事商业航天的相关工作?

张海明:国外企业在商业航天方面的视野可能比国内企业更开阔一些。比如,美国的公司会仔细规划如何打通整个产业链,从卫星的制造、发射到最终的市场商业模式等。举个例子, EchoStar一开始也是一个小的创业公司,几十个人,做一些初级产品,比如卫星终端天线。

这些天线会连接到室内的卫星接收机。那时候主要是零售业务,别人批发过来,我们零售。后来,我们开始贴牌生产卫星接收机,自己做好设计,拿到中国台湾和香港地区生产,然后在美国销售,实际上就变成了贴牌经销商。做了这些之后,我们就开始考虑发射自己的卫星。

记得是在1994年。当时我们开会讨论说,现在公司有了地面端和卫星端,但空间端还没有。租用别人的卫星不划算,我们要自己发射卫星。于是,我们把公司的所有资产都抵押给债权人,以高达19%的利率贷款购买卫星进行发射。

搞高利贷就为了发射卫星,现在回想起来有些风险,如果卫星发射失败了,我们可能连翻身的机会都没有,只能卷铺盖回家或者干其他事情。

我们先找到洛克希德·马丁公司,他们发射质量好,但发射任务也很多,我们要等到三年以后。我们等不了那么长时间,就去了法国。法国人说可以给我们加个塞儿,但需要额外的费用,报价1.1亿美元,我们没有那么多钱。

后来我提议,不如我们到中国试试?中国也能发射。我说中国有一个火箭系列叫“长征”。他们问,发过哪些卫星?我说现在发的不多,但确实能发射。价格我也不知道,但肯定会比法国便宜。他们说,要不然去一趟聊聊?

于是,我跑到北京。当时的航天工业部下面有一个中国长城工业总公司,在黄寺大街。

我们就去和他们谈。他们一听我们是美国的EchoStar公司,都有些惊讶,没听说过。我们告诉他们,我们准备发射第一颗卫星。最终,中国方面同意发射,价格是4900万美元。

虽然价格低了,但是保险费高了。因为发射次数少,保险公司觉得风险大。要保的话,保险费率是26%。但整个算下来还是省了一些钱。我们决定就用中国的火箭发射,公司也安排我多来中国跑一跑,那以后,我来北京的次数就多了。

1995年12月28日,发射成功。美国公司的卫星在中国发射,这是第一次。

中国卫星互联网:技术上的挑战

:现在卫星互联网新一轮的全球竞争如火如荼,从你的视角来看,我国的卫星互联网发展处于怎样的阶段和水平?面临哪些挑战?需要怎样的发展模式?

张海明:中国卫星互联网起步不能说太晚。因为中星16号卫星(编者注:又称实践十三号卫星,2017年4月12日由长征三号乙运载火箭发射,是中国首颗高轨道高通量通信卫星)的发射相比之下还是比较早的。只是当时受制于卫星技术的限制,高通量卫星的容量做得不是很大,属于一定的试验性质。后来又有了亚太6D、中星26号。

下一步还有中星27号。所以我觉得,从整体容量的角度来看,我们在卫星互联网方面还是迈出了比较快的步伐。

不过这并不等于高质量。与国际水平相比我们还有差距,主要体现在以下几个方面:

第一,卫星容量没有达到国外的水平。所谓卫星容量,是指一颗卫星能够传输和处理数据的能力。比如,中星26号的容量是100Gbps(即每秒100亿比特的数据传输),而美国Viasat现在发射的第三代高通量Ka频段卫星,容量达到1Tbps,就是1000Gbps。

第二,在卫星的载荷灵活度方面,国外已经实现了星上处理,我们现在还不行。比如中星6D的点波束覆盖一个地方,它的容量就是固定的。如果有星上处理技术,就动态调整空间资源,把不用的卫星容量调到有需要的地方。

比如现在卫星对印度有覆盖,但印度没有用户,处于空转状态,你在甘肃这边有需求,可以通过地面的指令把容量动态调整到甘肃,这样就可以支持更多的用户。

:目前Starlink(星链)的低轨星座建设进度非常快,这让我国在占据频谱和轨道资源方面有一定压力。那么,低轨卫星在卫星互联网中有哪些关键作用和优势?构建低轨卫星星座又面临哪些技术挑战呢?

张海明:低轨卫星的作用和优势确实非常明显。

首先,容量大,甚至比高通量卫星的容量还要大,因为它的频率复用次数更多,每颗卫星都可以进行频率复用,而且现在已经达到上千级别的卫星星座,容量肯定会非常大。

第二,低轨卫星的功率更大,时延更短,这使得许多需要实时通信的应用都可以实现。所以说,它的优势还是相当明显的。

但是,构建低轨卫星星座面临的技术挑战也很多。

首先,我们从来没有做过,需要摸索出一个可实施的组网方案。到底什么样的组网方式能够充分发挥卫星资源的作用,这一点还需要验证。因为你得发射相当数量的卫星,之后把你的组网方案放进去,看看哪种方式最合适。这是目前面临的一个挑战。

第二个挑战是成本。能否用规模化、流水线式的低成本卫星把价格真正降下来?

我不知道我们现在低轨卫星的具体价格,但是肯定比马斯克的第一代卫星要高。他的第一代卫星能够做到50万美元/颗,也就是几百万元人民币。

要组成一个网,需要几百颗卫星。如果要提供好的商业服务,怎么也得上千颗吧?这样一来,成本就会非常高,我觉得这是一个很大的挑战。

还有一个挑战是发射这么多卫星的运载能力。因为卫星需要通过运载火箭发射上去,那么,我们什么时候能实现火箭回收——这样才能把成本降下来。

现在我们的可垂直回收火箭还处于实验阶段,而马斯克有的火箭已经使用了20多次了。每一次复用的发射成本都以30%的速度递减,因此他的成本就降下来了。

我看到的最新数据是,载荷按公斤来算,我们发射一个卫星到低轨,是每公斤5万元人民币。而马斯克现在的报价是每公斤2000美元,合不到1.5万元人民币。

他如果真把“星舰”火箭实验成功,成本就更低了,因为“星舰”的运载能力更强。 

对于未来几年的发展态势,我觉得最起码可以对标马斯克,对标星链。包括终端,他的终端现在还需不需要补贴,我们不清楚。但他已经将便宜的终端规模性地推向市场,目前有400万用户。而且越便宜用户越多,量越大成本越低,进入良性循环。

:如果马斯克的技术能像他做特斯拉一样开源,是不是我们的进步会快一些?

张海明:很多人还是通过购买他的终端,拆开来看能不能做反向工程,才了解到一些。他肯定不会公开,公开之后等于自己给自己设置发展障碍。

卫星网络与地面网络的融合

:未来,卫星互联网的发展将呈现出怎样的趋势?从你们自身而言,如何深耕卫星互联网领域?

张海明:未来的发展趋势是实现天地网络的融合,也就是卫星网络与地面网络的融合。

目前,卫星网络使用的是卫星通信的标准,比如DVB(编者注:即数字视频广播,是一种用于传输数字电视信号的开放标准,广泛使用于卫星通信当中);地面网络使用的是5G,下一步是6G。现在好的地方在于,地面网络5G是由一个名为3GPP的国际标准化组织制定的,并且他们已经迈出了这一步,提出了天地融合的概念,推出了NTN(非地面网络)的通信标准。

非地面网络主要指低空的气球、卫星等。他们制定了相关的标准,已经发展到第18版,接下来还有第19版,逐步在完善。

如果第19版的标准最终确定,那么从标准角度来看,卫星与地面网络的融合就已经迈出了坚实的一步,可以开展很多业务。现在做到第18版,至少对于透明传输(编者注:在卫星通信中,所谓透明传输,是指卫星不进行复杂的数据处理,而直接将接收到的信号传输回地面)的卫星和物联网卫星,这些标准和相应的接口都已经明确。

技术细节我们不展开讨论,但卫星与地面网络的融合将产生什么效应呢?如果NTN标准被大家普遍接受,那么,从卫星到终端的成本都会大幅度下降。标准化就是为了降低成本,而且这是5G的标准,大家在终端中都在使用。按照这个思路走,成本是会大幅度下降的。

所以我认为,未来的卫星互联网一定要走天地网络融合的路,进而实现标准和使用的融合。对用户来说,连接方式不是他们需要考虑的,只要能连接上就行。可能是卫星,也可能是地面网络。也不一定非要到偏远地区,即使在城市,有些地面网络也不够完善。通过卫星和地面的融合,就不存在某些地方信号差的问题,真正实现了网络的“世界大同”,这是我对未来发展的展望。

:对于卫星互联网的发展,AI(人工智能)有哪些用武之地?前景如何?

张海明:AI现在在很多领域都有应用。首先,我个人的理解是提高设计的效率。我们现在设计一颗卫星、设计火箭、设计一个卫星网络,需要考虑各种因素,而AI经过足够的训练后,考虑的因素可能比我们更全面、更细致。

因此,我认为在卫星产业链的设计上AI会做得更好。它的效率更高,出错率更低,我们不用反复试错。例如,传统设计可能需要不断仿真、调整,而AI可以通过算法在多个方案中迅速找到最合适的方案,大家很快就能聚焦。从资源利用和时间效率上,我认为会更高。

其次,AI在卫星的数据预处理上也能发挥作用。它至少可以对卫星采集到的数据进行过滤。目前应用较多的是遥感卫星。遥感卫星对地观测,采集了大量数据,但很多数据是无用的,不是我们需要的。那怎么办?用AI来过滤。

例如,如果有云层,光学遥感卫星返回的数据就是无效的,因为云层挡住了观测。这部分数据不需要处理,AI可以自动过滤掉。如果再细化一些,针对特定观测区域,其他数据可以忽略不计。这样在处理大量数据时效率会大大提高。未来,卫星在空间端就可以直接计算出精细的数据。

目前可能还有一个过渡阶段,我们在过滤完数据后,将有用的数据传回地面处理,然后再提供给用户。但我认为未来这些功能在卫星上就能实现。

AI的强大、准确性和有效性,完全取决于你为它输入了什么有用的数据,如何训练它,让它变得越来越聪明。最终,它的聪明程度可能远超我们,能在极短时间内解决我们思考很久的问题。所以,我认为AI在这方面确实有很大的作用。

产业链要向商业市场倾斜

:从中国卫星通信的发展趋势来看,想要快速追赶,最重要的是什么?

张海明:我们呼吁整个卫星产业链都要向商业航天、商业市场倾斜。

大家现在也都有这个意识。比如,火箭回收到什么程度?马斯克能回收一级火箭,我们能不能回收二级?我们能否既回收火箭的主体部分,也能回收其他部件?在这个基础上,我们能不能进一步降低火箭本身的成本?这些都需要整个行业、产业链去考虑,甚至为产业链提供零部件的分系统厂家,也要做这方面的工作。

作为传统概念来说,航天是技术门槛高、成本高的行业。但当商业化推进之后,老百姓使用起来就会像使用家电一样方便。使用卫星的容量就像使用现在地面网络的容量一样,或者接近。这样,不管是数字经济、科技发展还是网络经济,基础就能更好。

所以,商业航天需要大家多努力,最终让老百姓第一用得起,第二喜欢用,第三用得方便。

未来,卫星可能不完全是一个手机,但最终落实到用户手里的就是手机,或者其他小型通信终端、游戏机等。因为网络把所有东西都连在一起,形成一个无论在什么地方、想用多少流量都能用得上的环境,使用起来不会卡顿,方便快捷,所有想要得到的信息都在掌中。

我们现在做好自己这部分,希望能推动整体产业链的发展。其他产业链的下游终端厂商也已经在做了。我们希望通过上下游的配合使整个产业链健康发展,把市场从小众做到大众,老百姓以后用卫星就像玩儿一样,如果你还没用上卫星互联网,都不好意思跟人打招呼。

现在马斯克已经给出了好的示范。大家看到,只要把成本降下来,市场绝对有。 

我们现在做的话,第一,能不能赶上他?第二,能不能超过他?我们有没有另辟蹊径的能力?

如果没有这个能力,按照马斯克的思路去做,能不能也把成本做到那么低?他能做到400万用户,我们能不能做到500万、600万,甚至800万?

用户会说,你这个终端放在我这里不能超过一个什么价位,必须低,价格高了就不行。你有没有合适的技术和产品去匹配?市场是明摆着的,接下来就看谁能够跨过这个坎触达用户。

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