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太空地缘政治:星链和卫星互联网如何重塑未来

访问次数: 1122 次    作者: 远望智库开源情报中心 忆竹 编译    发布时间: 2023-10-10

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美国辛里奇基金会今年5月发表了亚历克斯·卡普里(ALEX CAPRI)研究员,新加坡国立大学商学院和李光耀公共政策学院讲师的题为“太空地缘政治:星链和卫星互联网如何重塑未来”的报告。


一、引言


改变全球商业的互联网太空竞赛正日益受到地缘政治因素的驱动。美中超级大国的竞争正在推动一场互联网太空竞赛,这场竞赛正在改变全球商业的进程。涉及低地球轨道(LEO)卫星的一场技术革命有望将高速互联网带到地球的每一寸土地。到2030年,由大约6万颗低地球轨道卫星组成的星座将覆盖整个地球。推动这一历史性转变的是地缘政治,而非包容性经济发展。

这一点在俄乌战争中表现得最为明显,日常技术正在重新定义军事战略。尽管莫斯科的网络攻击使乌克兰的互联网瘫痪,俄罗斯军方摧毁了乌克兰的电信和电力基础设施,但乌克兰人已经能够通过基于卫星的星链互联网服务与世界连接。

这种连通性帮助乌克兰定位、瞄准并摧毁了俄罗斯的军事资产,所有这一切都是在一个小型星链卫星天线和一个烤面包机盒子大小的星链接收器的帮助下完成的,这些设备是在易贝和亚马逊上购买的,并通过当地的最后一英里物流提供商交付,有时就在前线的视线范围内。

报告主要观点如下:

(1)在低地球轨道技术和火箭科学方面的先发优势让少数公司获得了战略优势,比如埃隆·马斯克(Elon Musk)的星链,由他的航天器技术公司SpaceX控制。低地球轨道部门的高进入壁垒将对寻求发展本国安全的低地球轨道生态系统的其他政府构成挑战。

(2)为了与星链这样的公司竞争,中国正在建造自己的LEO星座(GuoWang),这将使全球市场两极分化。正如地缘政治将中国电信巨头华为和5G网络周围的电信格局分为两部分一样,LEO星座将受到越来越多的出口管制、制裁、国际武器交易法规(ITAR)和黑名单的限制。脱钩、围栏和朋友支持将塑造基于空间的互联网生态系统的发展。

(3)俄乌战争展示了基于太空的互联网连接,以及它通过开源数字战争带来的不对称力量的倍增效应。星链和中国大疆(DJI,全球领先的消费级无人机制造商)提供的商业产品被用于致命目的,引发了禁止和制定新规则来管理商业和军事资产日益融合的呼声。

LEO卫星技术及其相关架构增加了越来越多受技术民族主义影响的战略产业,包括半导体、高超音速、量子和超级计算、电动汽车和5G。


二、卫星技术和空间地缘政治的趋势


2.1 低地球轨道卫星


低地球轨道技术和火箭科学的先发优势,以及低地球轨道领域的高准入门槛,让马斯克的星链等公司受益匪浅。

技术的革命性进步导致了数百甚至数千颗低地球轨道卫星的“网状”或“星座”的产生。低地球轨道在地球表面上方的高端2000公里,低端160公里。大多数低地球轨道在地球上方500到1000公里之间。

由于它们相对靠近地球表面,低地球轨道覆盖的面积要小得多,因此,需要更多的低地球轨道来覆盖广阔的地理区域,特别是在欠发达地区或世界海洋上。但是低地球轨道卫星比它们海拔更高的同类提供更快的通信(更低的时延)。

截至2023年5月,星链已经部署了不到4000颗LEO卫星,其高速互联网由全球100万付费用户访问。该公司已申请许可证,将多达4万颗小型卫星送入低地球轨道。星链由SpaceX运营,SpaceX是马斯克创立的先驱公司,负责建造、发射和可重复使用火箭和其他航天器的合同运营商。

低地球轨道卫星的平均成本约为1400万美元。这远远低于地球同步轨道或地球同步轨道精致卫星,但包含数百颗甚至数千颗“小卫星”的激增的低地球轨道卫星群是昂贵的。麦肯锡2020年发表的一份报告估计,一个实用的低地球轨道星座至少要花费约50亿美元。


2.2 技术和制造业的革命


半导体技术和人工智能的快速发展,以及超级计算,导致了星上处理器和光学激光交叉链接的革命,这使得数据和其他高速通信的安全传输可以在卫星星座的不同“层”之间进行。

随着技术的进步,低轨卫星的生产成本已经大幅下降。现在,卫星零部件的标准化和商品化使制造商能够实现模块化生产。这反过来又导致了每月可生产数百颗卫星的大型装配线的建立

大规模生产的低地球轨道卫星将把高速互联网带给几乎任何地方的任何人,从在最偏远的公海航行的爱冒险的游艇驾驶员,到穿越世界上最后一片未被探索的丛林的科学家。

天基互联网将前所未有地弥合贫富之间的数字鸿沟,因为它将电子商务和数字贸易带到了每个城镇和村庄。然而,在人类冲突的问题上,星链和类似的网络赋予了众所周知的“自由战士”和“恐怖分子”同样的权力。

在模块化供应链中,Telesat、蓝色峡谷技术公司和空客等商业运营商专门制造卫星“总线”,即承载卫星有效载荷并提供卫星热环境、辐射屏蔽、遥测、光学传感器、高度、电源和其他控制的主体和结构组件。

其他公司如SA Photonics、Mynaric和雷神专门生产“有效载荷”——卫星上的科学和技术设备,例如,可能包括天线、转发器和摄像机。这些有效载荷支持电信、导航、监控、成像、高速互联网等。

根据《商业市场洞察》的数据,多产LEO星座的增长,加上私营专业制造商的崛起,将使有效载荷市场的价值从2022年的50亿美元左右增加到2030年的300亿美元左右。与此同时,由越来越多的低地球轨道提供的数据服务的市场总值到2030年将达到450亿美元。


2.3 SpaceX和火箭革命


如果没有以可承受的成本和高频率向空间发射有效载荷的手段,任何天基互联网卫星星座都是不可能的。在这里,SpaceX在可重复使用运载火箭方面的突破改变了太空竞赛的经济学。

SpaceX的火箭科学家使得重复使用其“猎鹰9号”和“猎鹰”重型运载火箭的第一级成为可能,这大大降低了美国国家航空航天局(NASA)一次典型太空发射的成本。发射“猎鹰”重型火箭比美国宇航局退役的航天飞机便宜10倍。

依靠领先的人工智能和算法,一旦SpaceX火箭携带有效载荷进入太空,它就会翻转并被引导回地球——而不是落回地球,成为海底的另一个无用的太空碎片——在那里它会减速并以极高的精度垂直着陆。SpaceX火箭可以在固体地面上的指定着陆点着陆,也可以在海上的浮动着陆台上着陆。

根据马斯克的说法,该公司的目标是重复使用运载火箭多达100次。到2022年3月,SpaceX已经发射了148枚火箭,回收了110枚第一级,并重复使用了其中的87枚。

SpaceX缩短发射间隔时间的能力,主要是因为它重复使用了第一级运载火箭,使该公司到2020年占据了全球商业航天发射市场的20%以上。

然而,就星链而言,拥有一个将LEO星座建造与SpaceX独特的发射能力相结合的垂直集成模型,使该公司成为该领域的主导者。除了高速互联网,星链的目标是最终提供基于空间的通用移动电话服务。

SpaceX开创的另一项主要的技术成就,是在一次任务中发射了许多卫星。2023年2月初,SpaceX成功完成了“猎鹰9号”火箭的第200次发射,该火箭将53颗星链卫星一次送入低地球轨道。

当今低地球轨道小卫星的紧凑尺寸依赖于微处理能力的指数增长。这里,模块化又一次显著降低了成本。


2.4 太空军事化


国家安全的需要正在加速低地球轨道星座的发展。例如,2019年,美国成立了太空发展署(SDA ),负责建设更具弹性的太空建筑。同年成立了一个新的武装力量分支“太空军”(在主流文化界经常被嘲笑),以解决非常现实的生存问题。

美中地缘政治竞争和俄乌战争促使国家安全局对下一代卫星星座提出了一系列要求。这些新网络必须有一层又一层的传感器,不仅能够实现无缝和安全的数据通信,还可以密切跟踪高超音速导弹(以五倍音速飞行)和巡航导弹。该星座的其他功能是提供导航服务和一般监视能力。

从历史上来看,卫星通信网络背后的基础设施包括拥有几颗大型“精致”卫星的小型星座。然而,这种配置可以通过破坏系统内的单个大型卫星而失效。

通过放置数百颗LEO卫星,SDA旨在实现“数量上的弹性”,其假设是对手摧毁如此多的小型卫星群太困难、成本太高。其他国家也有同样的假设。


2.5 双重用途和技术民族主义的兴起


2018年,美国国防高级研究计划局(DARPA)推出了21点计划(Project Blackjack),该计划在很大程度上依赖于与商业公司的合作关系。其中,Blackjack开发了互操作性标准和架构,允许商业卫星运营商和美国军方之间进行无缝通信。激光是一项经常受到关注的技术。所谓的“光交联”激光通信已成为解决方案的关键部分。

1966年,正是DARPA(当时被称为ARPA)开发了现代互联网的前身,即ARPANET。花了几十年的时间

然而,标准编码协议的出现。当谈到低地球轨道星座的扩展时,今天,DARPA和美国国防机构已经试图影响和抢先制定驱动商业卫星互联网领域的标准。

DARPA和SDA授权与星链这样的公司合作,将互联网覆盖扩展到地球表面的每一平方英寸,这背后有着明显的地缘政治动机。一个目标是通过提供无处不在的互联网接入来扩大西方软实力的覆盖范围。

随着美国公司建造的低地球轨道星座的扩大,美国情报和国防相关机构也可能在信号情报方面享有显著优势。

同样,天基互联网增强了人们在极端条件下参与战争和其他作战的能力,如俄乌战争。通过提供对开源平台和在线资源的访问以及数据和信息的无限制流动,基于空间的互联网服务已经颠覆了现代战争。这同样适用于朋友和敌人,无论他们被视为“自由战士”还是“恐怖分子”。

马斯克的星链是基于太空的互联网报道中最突出的名字,但其他新兴参与者包括亚马逊的Project Kuiper、Telesat的Lightspeed、Viasat和Spacelink。这些公司在DARPA和各自国家的国防机构的监督下竞争和创新。

所有商业实体都必须适应地缘政治的现实,并在互操作性和国家安全问题上进行合作。为此,既有慷慨的公共研发资金和利润丰厚的公共部门合同的激励,也有被排除在关键伙伴关系之外的威胁,或者更直白地说,是制裁和惩罚等惩罚性措施的威胁。

在GEO到LEO生态系统中有许多生产零部件的主要公司,如约克航天系统公司、洛克希德·马丁公司、L3 哈里斯公司和SpaceX公司。例如,蓝色峡谷技术公司和空中客车公司生产卫星总线,而SA Photonics、Mynaric和雷神公司生产各种有效载荷。

2023年4月初,DARPA和SDA获得了成功发射“零期工程”的奖励,当时SpaceX火箭将10颗独立的LEO卫星送入轨道。这次发射的特点是由SpaceX公司建造的两颗卫星,旨在跟踪弹道导弹和高超音速导弹。其他八颗卫星由约克航天系统公司建造,具有激光光学系统,旨在将数据从天基传感器传输到地面。

出口管制和制裁使全球价值链分叉低地球轨道星座对国家安全的影响对贸易和全球供应链有深远的影响。正如电信设备、半导体、人工智能和量子科学等涉及"双重用途"技术的其他生态系统一样,低地球轨道也受到出口管制和其他贸易和技术转让限制。

结果将进一步分化全球价值链。如果与中国、俄罗斯或其他黑名单上的企业(或与它们有关联的第三方)存在任何现有联系,它们将受到越来越多的审查,并最终面临脱钩的压力。就像半导体一样,技术民族主义的压力将使供应链受到支撑和限制。

三、星链和乌克兰战争


俄乌冲突开启了战争的新时代,日常技术重新定义了军事战略,并让大国和小国之间的竞技场变得公平。

廉价商用无人机的武器化模糊了简单的日常商业用途和致命战争之间的界限。以往的军事冲突强调大型、昂贵武器系统的重要性,而俄乌战争展示了分散式独立操作的设备和武器系统连接到基于云的平台和网络的优势。

天基宽带无人驾驶飞机,通常被称为无人机 (UAV)为乌克兰军队提供了宝贵的情报和侦察,使他们能够定位、瞄准和摧毁俄罗斯军事资产。

据估计,在俄罗斯入侵乌克兰后的一年内,到2023年2月,乌克兰境内约有15万名星链活跃用户。

就在俄罗斯的炸弹和导弹将哈尔科夫和巴赫穆特的城市夷为平地的时候,乌克兰的公民士兵正在eBay和亚马逊上购买新的星链天线和接收器,并通过当地的最后一英里物流供应商将它们送到他们的作战掩体中,有时就在前线的视野之内。


3.1 眼睛、耳朵和无人机革命


星链宽带为乌克兰军队提供了耳目,并使土耳其制造的TB2无人机得以致命使用,其中包括致命的美国“神风”弹簧刀无人机和“凤凰幽灵”无人机,它们本质上都是带翅膀的弹药。

乌克兰高度关联的战争影响了该地区面临莫斯科可能侵略的其他国家调整其军事哲学。例如,在经过不到一年的战场情报严格审查后,立陶宛从美国购买了600架神风无人机,总价值近5000万美元。

在乌克兰,其他便携式武器,如美国的“毒刺”导弹,旨在击落4500米高空的低空飞行飞机,以及更先进、更昂贵的系统,如高机动性火炮火箭系统,都提供给了乌克兰作战部队。

星链是美国对乌克兰全面军事援助计划中一个意想不到的结果。在俄乌战争的第一年,华盛顿提供了大约30亿美元,并承诺再提供270亿美元。考虑到这笔巨额支出的成败可能归结于乌克兰军队是否能够继续有效地使用星链,具有讽刺意味的是,星链的运行成本仅为每次订阅购买价值500美元的硬件。

基于空间的互联网连接产生了巨大的不对称力量倍增器。伦敦国际战略研究所(IISS)估计,到2023年2月,入侵一年后,俄罗斯损失了大约2000辆坦克,数量超过其部署在乌克兰坦克的50%。


3.2 数字共享空间中的开源和众包战争(crowd-sourced war)


星链实现了战场上的部队和他们的武器系统之间的连接,更广泛地说,它允许大规模动员众包情报,这支持了乌克兰的战争努力。

全球公域拥有丰富的专业知识,通过星链访问互联网,乌克兰行为者可以受益于来自世界各地、智库、学术界和非政府组织的开源思想和分析,或者来自纸上谈兵的观察家和业余爱好者。

例如,乌克兰军方获得了免费的地理空间监视分析,这些分析来自志愿专家,他们研究“欧洲数字地球开放数据计划”的免费卫星图像,或者来自其他使用谷歌地图获取俄罗斯军方实时道路动向的人。还有一些人分析了通过YouTube上传的前线情报,并为乌克兰情报和军事规划者提供了宝贵的见解。

俄乌战争吸引了以前以网络游戏玩家、工程师、信息技术工作者或普通“互联网极客”为生的普通公民,成为开源战争机器的一部分。

其他人,如神秘的“黑客行动主义者”组织“匿名者”将事情掌握在自己手中,并向俄罗斯宣战。“匿名者”是一个无定形的集体,由计算机程序员、编码员和网络安全专家组成。

“匿名者”侵入了俄罗斯央行、俄罗斯航天局、俄罗斯国家航天公司以及俄罗斯天然气工业股份公司(Gazprom)等俄罗斯石油和天然气公司的数据库,删除或打乱了它们的数据。

匿名黑客行动主义者还侵入了继续在俄罗斯开展业务的西方公司的网络,比如雀巢,窃取了用户名、密码和电子邮件,并将其发布到互联网上。他们还屏蔽并关闭了俄罗斯和白俄罗斯的网站,劫持了俄罗斯媒体平台和新闻机构,并发布了经过审查的数据和图像。

四、地缘政治与天基互联网的未来


地缘政治和技术民族主义在天基互联网上的融合给国际社会带来了独特的挑战。例如,出现了严重的问题,即是否应该允许政府将私营公司的核心能力武器化用于战争。

2023年2月,SpaceX采取措施限制乌克兰使用无人机执行某些行动,如用炸弹攻击目标。最初,星链的管理人员出于防御目的审查了其网络的使用情况,但随后,随着网络武器化的增加,无论是规模还是复杂程度,星链都实施了控制。不出所料,这引起了乌克兰的强烈抗议。乌克兰军队继续访问星链,但关于什么构成使用该网络用于“进攻”或“防御”目的的辩论仍未解决,这是各方持续愤怒的根源。

但是,即使在星链的军事应用之外,社交媒体平台上直播的暴力冲突的后果也存在伦理问题。这样的图像回避了一个问题,即应该执行什么规则来阻止它,或者从一开始就防止它发生。

关于避免过度依赖外国实体的必要性,英国和欧盟正在合作开发星空联盟的竞争对手OneWeb(尽管它们通过美国LEO防御和互操作性倡议进行合作)。OneWeb的主要投资者包括英国政府、法国政府和印度的巴蒂电信(Bharti Enterprises)公司。

欧盟宣布计划花费60亿欧元建立自己的弹性LEO卫星星座,希望这将为集团提供网络安全和相对独立。虽然英国、欧盟、美国和其他国家在LEO星座项目上密切合作,但网络的区域化和本地化将继续快速发展。


4.1 形成一个多边空间框架?


各国在同意关于空间商业化和军事化的互利规则方面有既得利益。第一个问题涉及低地球轨道的过度拥挤。到2030年,将近6万颗低地球轨道(LEO)卫星将进入太空。因此,卫星碰撞的危险和由此产生的空间碎片可能对全球通信和贸易构成威胁。

除了空间碎片问题之外,还有光污染问题。随着越来越多的LEO流星雨布满夜空,它们会反射更多的光,改变天文学家和其他人的夜景。这些问题需要政府和私人利益集团的共同管理和合作。

甚至可能发生卫星故障或整个网络灾难性故障等事故,这可能会促使人们寻找其他地球上的选择,如扩大现有的光纤电缆网络。

但这不太可能。目前,全球95%的互联网流量仅通过200条洲际和地区性海底光缆传输。这些电缆上岸的地方只有10个主要的阻塞点。因此,地缘政治动机的破坏、瘫痪的风险,以及它们无法连接遥远的地理位置,使得海底电缆成为未来互联网的次要选择。

对于互联网和移动电话服务来说,LEO将代表人类连接的下一个阶段。因此,每个国家、企业和个人必须学会适应太空时代的下一个阶段。


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