【科技.未來】衛星互聯網重臨 新太空競賽經已展開?

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聯合國國際電信聯盟(ITU)本月初的報告估計,到2018年年底,全球約有39億人使用互聯網,上網人口佔比首次過半數(51.2%)。換言之,未能「聯網」的人依然為數近半。

馬斯克(Elon Musk)的太空探索公司(SpaceX)希望以近12,000枚衛星向他們提供互聯網。美國聯邦通訊委員會(FCC)於今年3月批准SpaceX發射4,425枚衛星,並於11月底再通過其餘的7,518枚申請。

與此同時,OneWeb、電星(Telesat)、波音(Boeing)等新舊太空業者也紛紛進場,引發新一輪「太空競賽」。

這是SpaceX的Starlink計劃第二批獲FCC准許發射的衛星。他們已在2018年2月發射了首兩枚測試衛星TinTin A和B,3月再獲FCC批准發射首批逾4,400枚衛星。Starlink合共將發射近12,000枚衛星,SpaceX估計成本100億美元,首批預定2019年上天。

據SpaceX向FCC遞交的文件,每枚衛星的下傳連接容量(downlink capacity)將介乎17至23Gbps(每秒十億位元),將在發射800枚衛星後開始提供並陸續增加服務,預定2020年代中全面運作,覆蓋全球。屆時,Starlink「將可提供高頻寬(高達每人1Gbps)、低延遲的寬頻服務」。

之所以要用衛星,是因為光纖互聯網受地形限制而無法到達所有地方。即使在先進的歐洲和美國,其覆蓋率也分別只約為八成和七成。現時,一些偏遠的地方或極端地形,諸如海洋、沙漠和兩極等,若非依靠衛星互聯網,訊號便不能到達。

一眾新舊衛星互聯網公司,希望在現時無法上網的地區提供互聯網服務。圖為以往一項名為Zero Connect的計劃,以貨車為印度偏遠地區提供有限互聯網服務。(視覺中國)

突破傳統死穴

傳統的互聯網衛星置於地球同步軌道(Geostationary Orbit,GSO),地面天線雖容易調校接收,但軌道距離地面逾35,000公里,數據傳輸延遲(latency)時間極長。據FCC測量,光纖互聯網延遲只有十幾至廿幾毫秒,但衛星互聯網則長達600至700毫秒(millisecond)。

SpaceX的解決辦法,就是將衛星發射到距離地面約200至1,200公里的低地軌道(Low Earth Orbit,LEO),從而將延遲降至20至30毫秒。馬斯克本年5月在Twitter上說,SpaceX兩枚測試衛星運行進展「不錯」,「延遲只有25毫秒,足夠用來玩快速反應的電子遊戲。」而降低放置軌道,就意味着每個衛星可覆蓋的地面範圍將會縮小,所以才需要以數百甚至上萬個衛星築成星座(constellation)來彌補。

要連接衛星互聯網,需要在手機訊號發射站或住宅商廈頂樓安裝天線,或利用汽車天線,再經地面一隻隻貌似鐵鑊的「閘道」(Gateway),就可連接到日常使用的光纖互聯網。例如從一間已接駁衛星互聯網的住宅發出一封電郵,電郵就可經大廈天線發射上衛星,衛星之間又互相傳遞,再向地面發送,經閘道到達目的地。

「這是一場交換。低地軌道延遲較短,但系統複雜得多,你要有至少數百個衛星來組成星座。而且它們圍着地球轉,一個在上空消失另一個同時出現,你需要有天線系統追蹤。」衛星公司HughesNet負責市場推廣和銷售的執行副總裁Mike Cook解釋。

衛星互聯網捲土重來

分析公司Northern Sky Research預期,至2027年,這些星座的收益每天可達40億美元。潛在市場如此龐大,除了SpaceX,多間新舊衛星業者也正密切部署分一杯羹。最值得留意的是飛機製造商空中巴士(Airbus)的合資公司OneWeb,它得到日本軟銀集團(Softbank)、英國維珍集團(Virgin Group)、美國通訊技術商高通(Qualcomm)等科技巨企及知名創投投資。OneWeb至今仍未發射過衛星,預計在2027年完成發射900枚LEO衛星。昔日先驅Iridium將以SpaceX火箭,完成其66枚衛星組成的低地軌道星座。航空航天業的龍頭波音要建造60枚衛星的星座,也正待FCC批准。

比起其他業者要覆蓋全球的宏大願景,Telesat將只針對現時手機、船隻、飛機等網絡的空隙。他們把地球表面分為不同區域,評估在哪一區提供服務最有經濟效益,同時能減少須在地面建造的閘道總數。Telesat正計劃以512枚衛星建立星座,預計2021年完成,延時約30至50毫秒。初創公司LeoSat的星座計劃只有108枚衛星,專攻政府和企業客戶。

為了建構覆蓋全球的網絡,新舊太空業者紛紛進軍衛星互聯網市場,引發新一輪太空競賽。(Airbus官網圖片)

衛星業者還要面對另類的競爭者。Google母公司Alphabet旗下X部門開發出Loon計劃,在離地20公里高空放置大量氣球作為網絡接點,以提供互聯網服務。他們去年曾與美國電訊商AT&T和T-Mobile合作,為波多黎各在風災後提供通訊網絡,2019年將正式在非洲肯尼亞商業運作。Facebook的Aquila計劃也是類似進路,他們曾考慮使用太陽能無人機替代氣球,但在本年6月,Aquila宣布停止該計劃的硬件生產開發,轉攻軟件領域。

這些公司與SpaceX的想法或許似曾相識。早於1990年代,蓋茨(Bill Gates)有份投資的Teledesic就提出過在LEO發射800多枚衛星,為偏遠地區提供互聯網服務。雖然技術在理論上可行,惟成本以至服務售價極高,Teledesic在耗資90億美元後最終破產;其他業者如Iridium、Globalstar、Orbcomm則針對衛星電話的小眾市場。

Project Loon在地球高空放置氣球提供互聯網服務,本年將在肯亞實行。(視覺中國)

美國史丹福大學航天學助理教授Zac Manchester解釋:「要組建整個星座需要數以年計,而且因為需要多次發射,價錢十分昂貴。而在他們開展後約五年間,地面的電話網絡覆蓋已發展得很好。」因此,這些衛星公司最終也難逃破產命運,普及的衛星互聯網仍是場夢。

如今,火箭升空愈來愈便宜,加上電池、感應器、處理器等各種科技的進步,低地軌道衛星互聯網有了捲土重來的機會。例如要連結大量不斷移動的衛星,地面就不能使用機械式天線,用電子方式過濾收發信號成了必不可少的選擇。而Teledesic失敗的一大原因,就在於當年缺乏這種地面天線。

SpaceX火箭可重用,降低了衛星升空成本,衛星互聯網競賽得以重臨的原因之一。(視覺中國)

追趕生產死線

事實上,Starlink還是馬斯克移居火星計劃的一部分:「同樣的系統可以在火星造一個星座,火星也需要全球通訊糸統,但那裏沒有光纖或電纜之類。」資金上,Starlink的未來收入或可資助火星計劃:「長遠而言,在火星建造城市需要什麼?有一樣十分肯定,那就是錢,所以我們需要可大量生財的東西。」馬斯克說。據《華爾街日報》去年取得的檔案,SpaceX目標是到2025年,Starlink可有4,000萬訂戶,帶來300億美元收入。

這個理想仍有實際問題。美國麻省理工學院(MIT)航太學助理教授Kerri Cahoy認為:「衛星互聯網現時的挑戰,在於價錢能否與電纜或光纖網絡相競爭。而衛星是生產成本高昂的原因之一。」衛星公司Inmarsat倖存於1990年代的衛星研發潮流,現時以13枚地球同步衛星提供服務,其行政總裁Rupert Pearce便看淡這些星座計劃:「對我來說,一門生意不止是它能否實現,也包括我的投資能否有回報。我不認為低地軌道網絡會是一門生意。」

新的互聯網衛星將比以往小巧得多,OneWeb聲稱可大幅降降生產成本。(OneWeb官網圖片)

不過,比起現時重約一噸、成本數以千萬美元計的地球同步衛星,其中一家業者OneWeb聲稱,低地軌道互聯網衛星只重150公斤,完成後只有沙灘波般大,每個成本可降至幾十萬美元。

此外,時間也是一眾業者的敵人。英國南安普頓大學(University of Southampton)工程學高級講師Hugh Lewis指出,每個Starlink衛星壽命只有幾年,SpaceX將需要頻繁發射衛星才能維持一定數目。加上FCC的批准有時間限制,防止生人霸死地,例如規定SpaceX必須在六年內發射半數衛星,換言之,在2024年前就要發射近6,000個。

馬斯克的太空探索公司希望以近12,000枚衛星來構造互聯網通訊系統,惟生產速度是否趕得上仍然未明。(視覺中國))

因此,他們不但要生產新衛星,還要建立生產衛星的系統。現時的衛星業者一般在簽約後兩年才製造出一枚衛星。SpaceX商業銷售副主席Jonathan Hofeller在6月時透露,Starlink計劃仍處於「非常早期」:「我們仍在技術開發階段,不止要對的技術,還要成本夠低。」據《路透社》報道,慣於追趕死線的馬斯克就因不滿Starlink的進度,在同月解僱了七名經理級員工。

至於OneWeb,Google硬件工程師Jonny Dyer曾參與一項與OneWeb的合作計劃,他認為OneWeb也未準備好:「供應鏈的規模不足以應付需求量,每單位成本居高不下。」過去兩年,OneWeb就這方面進行了改良。他們在4月製造了第一枚衛星,預計在2019年2月發射第一枚衛星之前,可再生產十枚。為加快進度,OneWeb將在美國佛羅里達州的新廠房再開兩條生產線,預期2019年3月可生產出第一枚衛星,並將產量最終提升至每周十枚。

上文節錄自第144期《香港01》周報(2018年12月31日)《科技巨企紛紛進場 衛星互聯網引發新太空競賽》。

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