【科技．未来】卫星互联网重临 新太空竞赛经已展开？
联合国国际电信联盟（ITU）本月初的报告估计，到2018年年底，全球约有39亿人使用互联网，上网人口占比首次过半数（51.2%）。换言之，未能“联网”的人依然为数近半。马斯克（Elon Musk）的太空探索公司（SpaceX）希望以近12,000枚卫星向他们提供互联网。美国联邦通讯委员会（FCC）于今年3月批准SpaceX发射4,425枚卫星，并于11月底再通过其余的7,518枚申请。与此同时，OneWeb、电星（Telesat）、波音（Boeing）等新旧太空业者也纷纷进场，引发新一轮“太空竞赛”。
这是SpaceX的Starlink计划第二批获FCC准许发射的卫星。他们已在2018年2月发射了首两枚测试卫星TinTin A和B，3月再获FCC批准发射首批逾4,400枚卫星。Starlink合共将发射近12,000枚卫星，SpaceX估计成本100亿美元，首批预定2019年上天。
据SpaceX向FCC递交的文件，每枚卫星的下传连接容量（downlink capacity）将介乎17至23Gbps（每秒十亿位元），将在发射800枚卫星后开始提供并陆续增加服务，预定2020年代中全面运作，覆盖全球。届时，Starlink“将可提供高频宽（高达每人1Gbps）、低延迟的宽频服务”。
之所以要用卫星，是因为光纤互联网受地形限制而无法到达所有地方。即使在先进的欧洲和美国，其覆盖率也分别只约为八成和七成。现时，一些偏远的地方或极端地形，诸如海洋、沙漠和两极等，若非依靠卫星互联网，讯号便不能到达。
突破传统死穴
传统的互联网卫星置于地球同步轨道（Geostationary Orbit，GSO），地面天线虽容易调校接收，但轨道距离地面逾35,000公里，数据传输延迟（latency）时间极长。据FCC测量，光纤互联网延迟只有十几至廿几毫秒，但卫星互联网则长达600至700毫秒（millisecond）。
SpaceX的解决办法，就是将卫星发射到距离地面约200至1,200公里的低地轨道（Low Earth Orbit，LEO），从而将延迟降至20至30毫秒。马斯克本年5月在Twitter上说，SpaceX两枚测试卫星运行进展“不错”，“延迟只有25毫秒，足够用来玩快速反应的电子游戏。”而降低放置轨道，就意味着每个卫星可覆盖的地面范围将会缩小，所以才需要以数百甚至上万个卫星筑成星座（constellation）来弥补。
要连接卫星互联网，需要在手机讯号发射站或住宅商厦顶楼安装天线，或利用汽车天线，再经地面一只只貌似铁镬的“闸道”（Gateway），就可连接到日常使用的光纤互联网。例如从一间已接驳卫星互联网的住宅发出一封电邮，电邮就可经大厦天线发射上卫星，卫星之间又互相传递，再向地面发送，经闸道到达目的地。
“这是一场交换。低地轨道延迟较短，但系统复杂得多，你要有至少数百个卫星来组成星座。而且它们围着地球转，一个在上空消失另一个同时出现，你需要有天线系统追踪。”卫星公司HughesNet负责市场推广和销售的执行副总裁Mike Cook解释。
卫星互联网卷土重来
分析公司Northern Sky Research预期，至2027年，这些星座的收益每天可达40亿美元。潜在市场如此庞大，除了SpaceX，多间新旧卫星业者也正密切部署分一杯羹。最值得留意的是飞机制造商空中巴士（Airbus）的合资公司OneWeb，它得到日本软银集团（Softbank）、英国维珍集团（Virgin Group）、美国通讯技术商高通（Qualcomm）等科技巨企及知名创投投资。OneWeb至今仍未发射过卫星，预计在2027年完成发射900枚LEO卫星。昔日先驱Iridium将以SpaceX火箭，完成其66枚卫星组成的低地轨道星座。航空航天业的龙头波音要建造60枚卫星的星座，也正待FCC批准。
比起其他业者要覆盖全球的宏大愿景，Telesat将只针对现时手机、船只、飞机等网络的空隙。他们把地球表面分为不同区域，评估在哪一区提供服务最有经济效益，同时能减少须在地面建造的闸道总数。Telesat正计划以512枚卫星建立星座，预计2021年完成，延时约30至50毫秒。初创公司LeoSat的星座计划只有108枚卫星，专攻政府和企业客户。
卫星业者还要面对另类的竞争者。Google母公司Alphabet旗下X部门开发出Loon计划，在离地20公里高空放置大量气球作为网络接点，以提供互联网服务。他们去年曾与美国电讯商AT&T和T-Mobile合作，为波多黎各在风灾后提供通讯网络，2019年将正式在非洲肯尼亚商业运作。Facebook的Aquila计划也是类似进路，他们曾考虑使用太阳能无人机替代气球，但在本年6月，Aquila宣布停止该计划的硬件生产开发，转攻软件领域。
这些公司与SpaceX的想法或许似曾相识。早于1990年代，盖茨（Bill Gates）有份投资的Teledesic就提出过在LEO发射800多枚卫星，为偏远地区提供互联网服务。虽然技术在理论上可行，惟成本以至服务售价极高，Teledesic在耗资90亿美元后最终破产；其他业者如Iridium、Globalstar、Orbcomm则针对卫星电话的小众市场。
美国史丹福大学航天学助理教授Zac Manchester解释：“要组建整个星座需要数以年计，而且因为需要多次发射，价钱十分昂贵。而在他们开展后约五年间，地面的电话网络覆盖已发展得很好。”因此，这些卫星公司最终也难逃破产命运，普及的卫星互联网仍是场梦。
如今，火箭升空愈来愈便宜，加上电池、感应器、处理器等各种科技的进步，低地轨道卫星互联网有了卷土重来的机会。例如要连结大量不断移动的卫星，地面就不能使用机械式天线，用电子方式过滤收发信号成了必不可少的选择。而Teledesic失败的一大原因，就在于当年缺乏这种地面天线。
追赶生产死线
事实上，Starlink还是马斯克移居火星计划的一部分：“同样的系统可以在火星造一个星座，火星也需要全球通讯糸统，但那里没有光纤或电缆之类。”资金上，Starlink的未来收入或可资助火星计划：“长远而言，在火星建造城市需要什么？有一样十分肯定，那就是钱，所以我们需要可大量生财的东西。”马斯克说。据《华尔街日报》去年取得的档案，SpaceX目标是到2025年，Starlink可有4,000万订户，带来300亿美元收入。
这个理想仍有实际问题。美国麻州理工学院（MIT）航太学助理教授Kerri Cahoy认为：“卫星互联网现时的挑战，在于价钱能否与电缆或光纤网络相竞争。而卫星是生产成本高昂的原因之一。”卫星公司Inmarsat幸存于1990年代的卫星研发潮流，现时以13枚地球同步卫星提供服务，其行政总裁Rupert Pearce便看淡这些星座计划：“对我来说，一门生意不止是它能否实现，也包括我的投资能否有回报。我不认为低地轨道网络会是一门生意。”
不过，比起现时重约一吨、成本数以千万美元计的地球同步卫星，其中一家业者OneWeb声称，低地轨道互联网卫星只重150公斤，完成后只有沙滩波般大，每个成本可降至几十万美元。
此外，时间也是一众业者的敌人。英国南安普顿大学（University of Southampton）工程学高级讲师Hugh Lewis指出，每个Starlink卫星寿命只有几年，SpaceX将需要频繁发射卫星才能维持一定数目。加上FCC的批准有时间限制，防止生人霸死地，例如规定SpaceX必须在六年内发射半数卫星，换言之，在2024年前就要发射近6,000个。
因此，他们不但要生产新卫星，还要建立生产卫星的系统。现时的卫星业者一般在签约后两年才制造出一枚卫星。SpaceX商业销售副主席Jonathan Hofeller在6月时透露，Starlink计划仍处于“非常早期”：“我们仍在技术开发阶段，不止要对的技术，还要成本够低。”据《路透社》报道，惯于追赶死线的马斯克就因不满Starlink的进度，在同月解雇了七名经理级员工。
至于OneWeb，Google硬件工程师Jonny Dyer曾参与一项与OneWeb的合作计划，他认为OneWeb也未准备好：“供应链的规模不足以应付需求量，每单位成本居高不下。”过去两年，OneWeb就这方面进行了改良。他们在4月制造了第一枚卫星，预计在2019年2月发射第一枚卫星之前，可再生产十枚。为加快进度，OneWeb将在美国佛罗里达州的新厂房再开两条生产线，预期2019年3月可生产出第一枚卫星，并将产量最终提升至每周十枚。
上文节录自第144期《香港01》周报（2018年12月31日）《科技巨企纷纷进场 卫星互联网引发新太空竞赛》。
相关文章：【科技．未来】互联网卫星笼罩地球 加剧太空垃圾危机？
延伸阅读：新太空时代：从政治角力到商业竞赛特朗普命NASA转型 太空商业化未得美国人心
各界重返月球 是竞赛还是合作？降低升空成本 贝索斯要太空探索遍地开花