2021年7月19日,随着火箭的轰鸣声,天启星座15星成功发射入轨。星座运营方北京国电高科科技有限公司发布消息称,天启物联网星座在轨卫星达到14颗,第一阶段组网宣告完成,星座的时间重返率达到1.5小时,地面卫星终端的功率降低到0.1瓦,为开展大规模地面应用提供了良好基础。可以认为,这标志着中国信息基础设施建设达成了一个重大成就。
卫星物联网是通过地球轨道上的卫星,以相对统一的协议,在机器设备和资产之间建立起通信联系,它是万物互联目标的一个必要组成部分,也是工业互联网的一个不可缺少的有机构成。在信息基础设施的规划、建设、运营和研究当中,给卫星物联网留出一个恰当的位置,或许是信息化与工业化融合的题中应有之义。
物联网,“联”是基础和前提。目前,地面运营商网络仅覆盖陆地的20%,即有人活动的区域。作为物联网主战场的许多应用场景却发生在地面运营商不能覆盖的海洋、天空及超过70%以上的陆地,且终端常呈分散状分布(例如电力设施监测、水资源监测、野生动物跟踪保护等)。位于太空中、覆盖范围比地面基站大得多的卫星,恰好能解决这些痛点。
因此卫星物联网产业已经成为国际发达国家和地区新经济发展热点,整个行业正在进入爆发前关键阶段。根据国际主流研究机构相关报告,到2025年卫星物联网相关产业产值有望达5600亿美元至8500亿美元之巨。目前全球比较成熟的低轨卫星物联网星座系统有美国轨道通信星座(Orbcomm)、法国的ARGOS以及中国的天启星座。
考虑到卫星互联网和卫星物联网都是新生事物,它们的概念划分和知识普及正在进行当中。
应该说,这两者之间存在一定的交叉与重叠。也有相当多运营商提出了用互联网星座来实现物联网应用的解决方案。但是,从用户角度来说,这两个概念是有显著差异的。
卫星互联网以宽带、高速为主要特征。但实际上,大部分的物联网应用并不需要实时通信和高速率通信。例如:自主周期报告业务类型,比如智能公用事业(煤气、水、电)测量报告,智能农业,智能环境监测等,仅需要上行较小数据量(百字节量级),发送周期多以天、小时为单位;网络指令业务类型,如开启、关闭,设备触发发送上行报告等,下行仅需要极小数据量需求(10字节数量级),周期多以天、小时为单位。这两种服务类型已经覆盖了大部分物联网应用需求。
类似美国Orbcomm、中国天启星座这样的非实时、窄带通信星座,仅需要几十颗卫星就可以覆盖全球,与动辄几百上千、甚至数万颗的低轨互联网星座相比,建设成本低、建设周期短,甚至在星座尚未部署完成时,利用少量卫星就可以开展业务,可谓“经济实用”。在过去几年的时间里,天启星座的运营商——北京国电高科科技有限公司就是这样做的,不断发射新卫星的同时,他们积极拓展国内外市场,在智慧农业、水资源监测、电力监测、煤矿水文、集装箱运输、森林防火等领域都取得了诸多应用成就。如今,星座第一阶段组网完成后,时间重返率达到1.5小时,无论速率还是发送周期,完全能够满足大部分物联网应用场景的需求,星座的应用推广即将进入爆发期。
物联网终端强调低功耗、低成本。这类终端需要大量部署,数量未来将达到百亿级别,如果运营商及设备提供商不能实现终端的低成本化,在物联网领域就难以获得大规模的应用。我们可以对比一下,美国太空探索技术公司的星链系统和一网公司的星座,因为卫星数量多、飞行高度低,可以支撑体积较小的用户终端。但即使这样的终端,对大多数物联网应用来说,还是显得体积太大、功耗太高、价格太高。
中国可用于物联网的卫星系统不仅仅是天启星座。北斗卫星导航系统同样具备物联网应用的潜力。北斗星座独特的短报文功能,使北斗终端可以进行文本和数据的交换,这是其他所有全球导航卫星系统都不具备的功能。欧洲一些大型航空航天应用企业为了达到同样的功能,需要把GPS星座/伽利略星座和铱星星座结合在一起,才能够实现类似的物联网应用。
此外我国的移动通信系统天通一号星座也能够开展物联网应用。天通一号星座位于大约3.6万千米的地球同步轨道,依靠少数几颗卫星就能覆盖全球,并且没有重访时间的限制。但是由于通信距离远,对用户地面设备的发射功率和天线尺寸有一定的要求,因此定位于对时间重返率敏感的高端市场。
与3.6万公里高度的天通一号及2.2万公里的北斗卫星相比,低轨物联网星座的地面终端能够做到更小、更低功耗、更低成本,似乎更加贴近物联网应用的规模化甚至消费级市场。随着星座建设和研发工作的顺利推进,天启星座的终端性能不断大幅度提高,而且价格不断下降。到目前为止,天启星座已经能够实现卫星终端运行功率仅0.1瓦(100毫瓦),也就是说一台能够与低轨道卫星通信的物联网卫星终端,它的功耗还不到手机背后的一盏照明灯,用小型锂电池甚至几节干电池供电,就可以工作几个月甚至几年时间,这对于大量“无人值守”型物联网应用能不能开展起来,是决定性的。同时,低功耗,意味着天线尺寸、功放尺寸、电源功率和尺寸都可以更小。进而,卫星和终端的整体尺寸、重量、价格也可以降低到一个前所未有的程度。这为没有地面网络覆盖的航海、航空、边远地区等物联网应用提供了良好的物质条件。
作为窄带卫星物联网星座。天启星座计划于2022年年底前完成全部38颗卫星的组网,将实现物联网星座系统的全球覆盖,时间分辨率达到实时,地面终端的功耗更是低至0.05瓦。可以期待,届时随着天启星座为更多行业和领域提供优质的全球物联数据通信服务,国内的卫星物联网产业乃至整个物联网产业,都能够登上一个新的台阶。
中国的卫星物联网应用拥有良好的硬件基础,卫星物联网的运营,让国内产业界和应用界有了极好的条件,去开发各类终端应用和商业模式。最终,低轨卫星物联网与高轨卫星通信系统、北斗系统、低轨卫星互联网系统,将共同与地面5G等移动通信系统等实现网络融合和互补发展,更好地实现我国天地一体化信息系统的网络效应。
中国在开展卫星物联网应用方面具有良好的市场基础。中国是现在世界第一大制造业国家,在疫情以来的一年多时间里,中国几乎是靠一己之力,撑起了全球的主要生活必需品生产以及抗疫物资生产,为人类走出疫情、重建经济社会秩序产生了决定性的影响,相信这样的趋势在今后几年内还将继续持续下去。这样的世界性责任,推动着中国制造和物流业向更高效、更灵活、更敏捷、更安全的方向大步迈进,而卫星物联网就是其中一项不可缺少的信息化手段。
然而人们可能会提出疑问,既然卫星物联网有如此巨大的现实意义和潜在发展潜力,那么人们为什么很少听到行业媒体和公众媒体讨论这个词汇呢?这就需要指出一个多少让人有点意外的实际情况,虽然物联网以及卫星互联网都已经被列入十四五期间的新基建发展规划,但是卫星物联网却并没有名列其中。
有些学者指出,物联网既然是互联网的延伸和发展,那么卫星物联网也应当被列入卫星互联网的范畴,加以研究和发展和规划。另有一部分学者认为卫星物联网是物联网的一种实现形式,那么应当在物联网的产业规划当中对它加以考虑。
但是必须指出,卫星物联网和上述两种概念之间虽然有着很大的重合性,却也不能完全看作是同类事物。事实上它在两个领域之间的交叉与跨越,正体现了卫星物联网的特点。
我们讨论几个现实问题,首先卫星是一种在全球范围内运营的星座,尤其是低轨道卫星。它不能够按照5G概念下的物联网应用,来简单地加以讨论,目前的物联网主流是采用地面无线通信手段来解决通信连接的问题,比如说采用4G或者5G技术来实现物与物之间的连通。依托公众网络,这样的技术手段已经能够在经济发达地区达到比较好的覆盖,但是对于移动网络覆盖区之外的地域,比如南极、北极和广大的海洋,这两种技术都是不能发挥作用的。
需要指出,卫星物联网对今天的中国经济、对于“一带一路”倡议来说,并不是可有可无的东西,而应当被认为是一种非常必要的信息基础设施。特别是在连接一带一路国家的海上航路、空中航线、建设工地,有没有卫星物联网的支持,决定了智能化是不是能开展起来,也在很大程度上决定了“一带一路”倡议的信息化程度。另外,在部分地区陷入政局动荡的时候,如果有卫星物联网的支持,不但能够保证货物运输的可控、受控,在有些时候也能够为人道主义活动和人员安全提供重要的备份手段。
因此天启星座第一阶段的部署完成,为人们提供了一个很好的机会,去从国家层面探讨和研究,是不是应该把卫星物联网列入重要的新型国家基础设施。如果这场讨论能够得到令人满意的结果,不但能够有效促进中国社会经济信息化进程的发展,也能够为国家提供又一种行之有效的中国标准的全球信息化手段。