中国国家利益与太空竞争

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太空到底有多远?

◎鲁伊

对于这个问题,英国天文学家弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)给出过一个有趣的答案:一点儿都不远,你只要开车垂直向上,一小时就到了。

根据美国航空航天局( NA S A)对太空的定义, 只要到达地面92 6公里以上的高度,就能够算是太空。但实际上,绝大多数太空飞行器运行的轨道,是在130公里以上的范围。到了600公里以上的轨道高度时,大气非常稀薄, 阻力作用几乎是微不足道的,太空飞行器即可长期停留。

然而,要冲破地心引力进行这种垂直于地面的太空旅行,其难度何止地面旅行的上百倍。事实上,直到1957年,苏联将第一颗人造卫星Sputnik发射升空, 向太空进军才不再是极少数科学家和科幻作家的梦想。

严格说,俄语中意为”朋友”或”卫星”的Sputnik, 只是一个在230公里×950公里的轨道上转了3个星期, 除了发出”嘟嘟”声什么都做不了的金属球。但它却标志着太空时代的到来。 以此为原点,美国和苏联展开了长达数十年的太空竞争,政治因素和政府行为成为这场竞争的主导。 1970年4月1日, 中国发射的第一颗人造卫星”东方红一号”, 虽然比Sputnik晚了,但所遵循的,依然是这种政治当先的思路。

可是, 20世纪90年代后,航天领域的全球化和商业化趋势越来越显著。加入航天俱乐部的国家超出了美、 苏、 中、 日及欧洲的传统格局, 涌人航天领域的商业投资,也第一次超过了来自政府的财政投入。以往冷清、 罕有人至的太空,于是开始变得拥挤。而将这种拥挤体现得最为淋漓尽致的,便是在地球赤道上方36万公里处、 与赤道处在一个平面上的对地静止轨道(Geostationary Orbit)上各国卫星对轨道位置和频率资源的争夺。

几乎每一个从事卫星产业的人,都能数出一连串在这36万公里之上的堪比三十六计的争夺故事:没有能力发射卫星的国家, 只是凭借占有轨道位置的优势,就能够收到每年几百万美元的租金。没有做好轨位和频率协调的卫星, 即使发射升空,使用上也会受到诸多限制,甚至被迫关闭服务功能。为了保护住已经有的轨道位置,甚至出现了”漂星”这种奇特的现象——购买一颗马上要到使用寿命期限甚至已经部分失效的卫星,让它漂到自己的轨位上,从而维持住优先性……

在这一花样百出的争夺背后,是当前全球民用航天业务中最具市场效益的卫星通信和卫星广播领域。由于对地静止轨道上的卫星与地球同步,地面接收站保持相对不动, 就能够接收到它传送的数据, 因此,赤道上方36万公里的这个轨道,成为放置通信卫星和广播卫星的最好用、 最常见的位置。可是, 由于卫

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星和卫星之间存在干扰,在这个圆周上,不可能无限地放下去,按照国际电信联盟的规定, 必须隔开一定角度。而先登先占的制度,又使以往在太空竞争中先行一步的国家, 以及对国际规则认识透彻的一些国家,占据了很大优势。后来者想要再从中分一杯羹,不得不挖空心思,付出很大代价。

前后,一项调查表明,美国人平均每天使用太空资产至少9次。尽管你可能并没有意识到这一点,但无论是打开一张报纸,买一张彩票,看一眼股市行情,还是刷一次信用卡, 背后其实都有着广泛的卫星应用,更不用说GPS导航系统所带动的高达上百亿美元的全球市场, 以及被它深刻改变的现代旅行方式。

在这一意义上,今日对地静止轨道上的以商用和民用卫星为主的争夺战, 投射的,其实是几十年前的太空竞争所锁定的格局。在这场争夺战中经历的挫折和成功, 固然本身可能影响数十亿美元的市场,但其更深远的意义,却在于为未来中国在进一步发展航天技术、争夺更广阔范围内的空间优势的战略布局,提供并不遥远的镜鉴。

卫星照耀中国

回顾通信卫星在中国的发展历程,最常被提及的是3个关键性年份: 1972年, 1990年, 。发生在这3年中的标志性事件,清晰地折射出中国在卫星乃至太空探索领域走过的一条典型路径。

◎鲁伊

通信卫星是干什么用的?最简单的回答似乎是空间通信。在1945年的《无线电世界》杂志上, 阿瑟·克拉克已经给出了这种通信的基本概念: ”一个半径为4.2万公里的圆轨道,绕地球一周的时间正好是24小时,如果其轨道平面与地球赤道吻合,轨道上的物体将绕地球旋转,并相对于地球表面的观测者静止在上面相同的一点上……人造卫星在这个轨道上能够提供接收和传输服务, 能作为转发器为位于卫星下方的地球上任何两点间进行转发任务。在地球上任何地方接收到的数据都能被转发到全球范围的可见区域。”

”很少有一个新的科学设想对进一步缩小地球产生了这样大的影响。”在《理解航空》一书中,美国空军科学研究院的特洛伊·凯彻( Troy Kitch)这样写道。然而,从阿瑟·克拉克提出的卫星通信到当前全世界广泛使用的卫星通信, 中间其实已经经历了许多代技术演进,而人类对空间通信的需求,其实也在不断随着时代变迁和政治经济形势的变化而调整。在这种情况下,对通信卫星的审视, 必须用动态的眼光。

1972年,尼克松访华

1972年2月21 日, 中国通信史翻开历史性的一页:卫星通信正式开通。催生这件事的由头,正是美国总统尼克松访华。

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解放军总参通信部前副部长杨千里回忆,尼克松派基辛格来打前站的时候, 就向中国提出,要求进行电视新闻实况转播,可是按照当时的通信设备和通信水平,这简直就是一项无法完成的任务。”美国人因此提议,她们带来两个移动式卫星通信地面站,一个5米口径的放在首都机场, 另一个7.5米的放在虹桥机场,这两口 ‘锅’后来都留在了中国。”杨千里说。

不过, 虽然卫星天线运来了, 当时的国务院总理周恩来却想到了另一个问题:美国的卫星通信站到中国境内工作,牵涉到国家主权问题。于是, 当时又采取了一个折中方案, 由中国出面, 向美国牵头成立的国际卫星组织租用天上的卫星转发器,然后再转租给美国。

在此之后, 日本首相田中角荣访华,也按照这种模式进行了实况转播, 而田中角荣带来的10米口径的卫星地面站, 留在了上海邮电部邮电科学研究院第一研究所。

几个留下的卫星地面站,一方面为中国自行研发卫星地面站提供了借鉴, 另一方面,也促使中国领导人和科学家开始考虑,加紧研制自己的通信卫星。 1974年,北京邮电学院的黄仲玉、 林克平和钟义信给中央写了一封题为《关于建设中国卫星通信的建议》的信,在此基础上, 国家计委和国防科委起草了《关于发展中国通信卫星的报告》 , 1975年3月31日正式得到中央军委批准,这便是中国通信卫星工程” 331工程”的由来。到了1984年4月8日, 中国第一颗静止轨道试验通信卫星”东方红二号”成功发射,并占据东经125度的静止轨道位置, 中国才终于在自己的国土上方拥有了自己的通信卫星。这颗”东方红二号”卫星的发射成功,使得中国成为世界上第五个独立研制、 发射和运行地球静止轨道卫星的国家。

事实上,这颗卫星发射时,对地静止轨道上的轨道频率资源,并不稀缺, 中国其实比许多后来的竞争者都走在前面。”在当时的认识上,并没有觉得我们需要那么多的卫星轨道资源。”杨千里说。第一颗发到天上的”东方红二号”通信卫星,仅携带有两个C频段转发器, 与之相对应,现在的”东方红四号”卫星平台, 能够装载30个C频段转发器,还有16个Ku频段转发器。但当时最迫切的问题,不是天上的转发器不够用,而是地面上没有什么能接收卫星信号的天线, 因此卫星的主要用户并不多, 除了军用通信, 民用的只有向新疆、 西藏等地传送一下电视信号, 以及报纸的远距离传版。”以前的报纸一级一级往下送,要花费相当长的时间。后来有了航空版, 用马粪纸在排好的铅版上打成模,用飞机送到中等城市,再重新灌注铅水做版。这种航空版质量很不好, 总是麻麻糙糙的。等到有了卫星,就能够用像办公桌那么宽的传真机,将整版报纸传到分印点。当时这种卫星传版非常慢,一版要传25分钟到30分钟,而且只要中间出现故障,就要重新传, 因此也只有《人民日报》、 《参考消息》这样的大报才能做到。”杨千里说。

从1984年到1990年, 中国的通信卫星产业总体上走的是一条以自主研发为主的缓慢前进路线。随着

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地球站的逐渐普及推广,军用和民用的需求也在不断增加, 由此也催生了太空上的卫星布局: 1986年,第三颗”东方红二号”通信卫星占据了东经103度的轨道位置; 1988年3月,一颗”东方红二A号”卫星定点东经87.5度, 向地面提供卫星电视广播和电话服务; 1988年12月和1990年2月,第二颗和第三颗”东方红二A号”卫星先后定点于东经98度和115度。从对地静止轨道占位问题上来看, 中国此时事实上已经占据了5个非常有利的位置。

然而,危机却也在这看似平稳的发展道路下暗涌。

如今任职于美国休斯网络系统公司——全世界最大的卫星制造和卫星业务运营商之一——的李庆安,曾经是中国海洋石油公司的通信处处长。在她的回忆中,上世纪80年代后期, 由于改革开放开始显出效果,各行业对通信的要求都急剧增长,而当时的地面网络并不能满足,一些大型国有企业比如中海油和云南烟草,开始将目光转向新的解决方案,也即卫星。但在这个关键时刻, 东方红卫星的发展却未能尽如人意。

中国空间技术研究院航天无线电频率研究发展中心的主管李辉介绍道, 当时,尽管通信卫星产业已经发展了几年,有了很大进步,但在长远规划方面,做得并不够好。”比如新加坡这样的国家,在其卫星设计寿命终结之前五六年,就已经开始考虑接替星的问题了。但在我们国家,特别是商用卫星运营初期对卫星接替、发射的周期和风险考虑不足,一旦遇到接替星发射推迟或失败等问题则措手不及,甚至出现卫星失效、 业务无法接替、 坐失市场机遇等情况”事实上, 80年代末期,在轨运行的”东方红二A号”的几颗卫星,都属于超期服役,一些星上转发器已经无法正常工作,但由于预定的接替星发射失败,使得许多通信卫星用户急得四处寻找门路。在这前后,一个名叫黄翔骏的美籍华人看到了其中潜在的巨大商机。

1990年, ”亚洲一号”

”这个黄翔骏,可不是一般人。”中信集团前副总工程师马纪龙对本刊记者感叹道。

1984年, 由休斯公司制造的一颗Westar-6通信卫星发射失败,漂浮在距离地面200多公里的低轨上。幸运的是,地面跟踪站监测到了它的位置,并发现运转良好。当初为这颗卫星承保的英国MS保险公司在评估了可能的风险和收益后, 向NA S A求助,于是在8个月后, ”发现号”航天飞机特意执行了一次拯救任务,由两名宇航员经过太空行走把它”抓”了回来。

当时,任职于泛美航空公司国际部的黄翔骏,注意到中国上空专用的地区通信卫星还很少,认为这是一个大好商机,于是和加拿大人约翰逊联合成立了PGT公司,准备以万美元的代价从保险公司手中将这颗卫星买到手,然后用中国的长征火箭发射到中国上空。

”应当说,在那个时候,黄翔骏就敏感地嗅到了改革开放之后,全球经济中心东移的风向,并预料到

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这种东移对卫星通信的必然需求,真是了不起。”马纪龙说。可是,黄翔骏的运气并不太好。她所在的泛美航空公司经营不善面临破产,新成立的PGT公司,一个主要投资者中东富豪卡舒基也遇到问题, 资产被冻结。在这种情况下,黄翔骏四处奔波,游说各方,却最终无能为力。而以此为契机, 1988年2月, 中信技术公司与香港的英资公司大东电信局、和记黄埔合作成立了亚洲卫星有限公司,经过几轮谈判协调,成功地从美方获得了Westar-6卫星的出口许可证。这颗此前历经周折的卫星,终于在1990年4月7日由中国长征火箭发射成功,这便是大名鼎鼎的”亚洲一号”。

亚洲卫星公司中国部总经理张海明在接受本刊记者采访时表示: ”亚洲一号”最重要的意义,首先是创造了中国火箭走向国际市场的一个先河。”在很长时间里,外国人对中国火箭能力并不了解。虽然我们把自己的卫星送上过天,但对于国外的卫星,还是第一次。”在发表于4月号《数字通信世界》上的一篇纪念”亚洲一号”卫星成功发射20周年的文章中, 当时的亲历者透露,在发射前中美双方的技术协调中,很快就发现, ”长征三号”火箭与卫星的接口尺寸不一致,主要是因为国外采取统一的标准尺寸,而国内是自己的一套系统。此后用了半个月时间, 中国科学家才拿出了自行设计的符合国际标准的星箭过渡锥,解决了卫星在火箭上的座位问题。而中国火箭发射场上逃生装置的增设,也是从发射”亚洲一号”卫星而始。在此之外,才是给中国用户提供服务上的意义。”最起码讲,在当时, ‘亚洲一号’让中国的用户在卫星容量上有了选择的余地, 能够使用中国自行研制的‘东方红二号’ ,也能够使用美国制造的‘亚洲一号’ 。”

”亚洲一号”卫星所占据的轨道位置,是在东经105.5度上。它和亚洲卫星当前另外使用的100.5度、

122.2度两个轨位,都是香港回归前,亚洲卫星公司以香港的名义向国际电信联盟申请到的。”由于熟悉国际上轨道位置申报的程序,我们的申报登记材料准备得很充分, 因此这三个位置上的优先性一直牢牢掌握在亚洲卫星公司手中。”马纪龙说。而就在这一时期,亚太地区对地静止轨道上的位置争夺,开始呈现白热化。

这种争夺所体现的其实是这一时期有关各国在经济发展过程中对太空资源与国民经济的新认知。 以中国为例,在李庆安向本刊记者的描述中,是”各大部委、 各大企业、 银行证券业,都在发展自己的卫星专网, 四处寻找可用的卫星转发器”。同样的景象也出现在所谓”亚洲四小龙”的国家和地区中。各个有实力的国家都在争先恐后地向对地静止轨道上发射通信卫星, 由此也进入国际电信联盟最忙碌的一段时期。

总部位于日内瓦的国际电信联盟,是各国政府协调全球电信网络和服务的机构。 由于卫星通信也要使用到无线电波,牵涉到不同无线电业务之间的频率干扰问题, 因此也归属国际电信联盟管理。

”人们经常说到轨位,但其实最突出的资源特质是频谱。”李辉对本刊记者介绍道, ”在非静止轨道上,

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轨道资源受限的特性并不那么鲜明,但能够使用到的无线电频率是有限的。频率超出一定范围, 当前的设备、 技术难以应用,是频谱资源紧张的重要原因之一。因此说轨道位置和频率,是一个整体概念,专业上统称为频轨资源。”

刚开始从事频轨资源协调的工作时,李辉一度将这件事”想得很简单”——”不就是考虑相邻的两颗星怎么兼容工作的技术问题吗? ”做得时间长了,她逐渐体会到,这不是简单的技术问题。”协调涉及资源问题,而资源问题又涉及国家的战略储备问题,卫星项目属于一个国家在天上的基础设施,涉及国家利益,往往牵涉到国家安全、 经济发展、 外交、 政治问题。”李辉说。

在90年代初期, ”亚洲一号”卫星发射后,整个亚太地区经济发展也是通信卫星产业发展的黄金十年中,频轨资源的争夺问题显得特别突出。”由于此前没有对申报登记足够重视,一些现有轨位的维护又不是很好,再加上其它国家的竞争,在这段时间, 中国的卫星吃过好几次亏。”李辉说。其中最著名的就是在卫星圈里大名鼎鼎的”汤加现象”——亚太卫星公司发射的两颗卫星,发射上天后无位可占,无奈之下, 只好以很高的代价, 与登记了东经134度和138度两个位置上的C频段资料但却没有卫星在轨的汤加合作。

对频轨资源认识不足的历史教训,有时会被归结为令中国的通信卫星产业在1997到1998年左右走入低谷的原因,但问题并不这么简单。”轨道位置和频率资源说到底是能够用更先进技术解决的问题。”杨千里说。这一论点从李辉这里得到了许多实例的印证。

”比如美国有一颗还在工作中的气象卫星,却不再维护资料了。因为它的抗干扰能力强,别人干扰不着它,如果有人抗议它可能会产生干扰, 反正轨道位置多得是,大不了就走。”另外一个例子, 则是中国在134和138两个位置上漂亮的还击, ”汤加虽然在这两个位置的C频段上占了先登先占的便宜,但中国有了使用Ku频段转发器的卫星后,及早向国际电联提交了这一频段申报资料, 因此中国在这两个位置的Ku频段资源占有,有优先权。”

从长远的角度看,还是技术和国家实力在决定太空中的话语权。

,汶川地震

”喂, 喂,我们这里地震了……”

5月12日14点40分,汶川地震后12分钟, 中国电信四川公司汶川分公司的刘道彬用海事卫星终端拨出了汶川通往外界的第一个电话,可是,这次通话只接通了10秒。

随后,这部汶川地区唯一能够拨通的电话被交到汶川县委书记王彬手中,但在接下来的时间里, 它每天只能完成12次被叫,一次成功的主叫也未能实现。

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在这场高达8级的地震中,共有26809个移动通信和小灵通基站受损,传输光缆损毁达到2.46万皮长公里,重灾区的109个乡镇, 与外界通信联系完全中断。卫星通信成为救援部队的首选,但,发生在前面的那一幕情景,并不少见。海事卫星手机和瑟拉亚卫星手机这全球两大移动卫星通信系统,此前由于未能在国内形成广泛应用,缺乏信道资源,并没有给出足够令人满意的答案。反倒是北斗导航系统,起到了至关重要的作用。

”汶川地震对于当时处于非常低迷状态的中国卫星通信产业,是一个极大的刺激。”李庆安告诉本刊记者。此前,经过90年代的黄金期, 由于从开始, 邮电部进行调整,地面通信网络大降价,达到70%以上的降幅,卫星通信从成本效益比上,一下子就显得竞争不过地面网络了。与此同时, 另一项主要业务卫星广播, 由于种种限制,也未能获得理想的市场收益。”当时的状况,是通信卫星的发展进入淘汰期,各部委企业专网纷纷关掉,许多卫星通信项目接连下马,全国双向卫星小站的数目从2万个下降到8000多个。与此同时,美国卫星通信却一直处于高速发展期,如今已经达到几千万的装机量,几千亿美元的产值。”这种对比的一个直接后果,就是美国的通信卫星事业,从研制到发射到应用,各个环节的核心技术水平,都与其它国家拉开了更大的差距。

”汶川地震所暴露出来的一个重要问题,是中国整体来看,通信网络还是一维通信,很脆弱,一旦遇到紧急状况就会出问题,可靠性不够好。卫星通信在应急通信、 发展立体多维通信网络上的作用,一下子凸现出来。”李庆安说。

可靠性,是被我们的采访对象提及最多的一个词。这或许是从事的行业使然。”国际市场上,一颗卫星的标准造价是2.5亿美元,发射后,在空中工作的时间越长,卫星业务运营公司越能盈利,而一旦发射到太空中, 它就不能再修理。”李庆安告诉本刊记者, ”所有这一切,都使得卫星产业追求高可靠性,本身技术上并不一定要多先进,但要在几年或十几年的时间里,在太空环境中,不出问题。”李庆安告诉本刊记者,这是一个软科学问题,不是单靠硬技术就能直接赶上的。

”中国现在制造一个飞行十几分钟的火箭,没问题,非常好;一个要在太空中飞一星期的神舟飞船,也还能够,但在这种要求在太空中工作时间超过一年的卫星制造上, 与美国和欧洲相比,就有很大差距。”李庆安所举的这个例子,其实或许能够引申到卫星航天之外的很多领域。

北斗的骄傲与未来

6月2 日, 中国第四颗北斗导航卫星成功升空。在一片低迷的市场行情中寻求新的投资热点的证券公

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司欢呼,这将带动空间技术概念股的兴起。从国外媒体的视角,这被解读为中国导航系统对欧洲伽利略系统的完胜,对美国GPS系统发起的挑战。但在我们采访的卫星专家眼中,两种说法,都有言过其实之处。这颗卫星的真正意义, 当前更大程度上,在于它所象征的”转变”。中国的北斗卫星导航系统,走的是一条与美国GPS系统和俄罗斯GLONAS S系统都截然不同的技术发展道路。对北斗系统的一切评价,都不能脱离这条路线选择背后的复杂的历史原因。

◎鲁伊

1993年2月,李贵琦离开西安, 到北京某部报到。一早到的时候只有她一个人, 自己拎着暖水瓶找地方打开水, 到中午,才又来了一个同志。

”我们俩大概就是北斗导航系统正式筹建时最开始加入的两个人了。”退休前担任”北斗一号”地面应用系统副总师的李贵琦回忆道。

这个时候,距离中科院院士、 两弹一星功勋奖章获得者陈芳允提出奠定北斗导航系统理论基础的”双星定位设想” , 时间已经过去了 。此时,美国已经基本完成了GPS系统的卫星布网工作,两年后便开始投入正式使用, 与其竞争的俄罗斯GLONASS系统,也在紧锣密鼓地加紧部署。

GPS导航系统的原理,是在6个距地球2.66万公里的近圆形轨道面上,放置24颗卫星, 它们的分布使得地球上任何地方的用户在任何时候都能看到至少4颗卫星,形成精确定位所需要的几何图形。GLONASS虽然在轨道半径和轨道面分布上与GPS略有不同,但主体上延续的仍是这一原理。然而, 陈芳允提出的双星定位设想,却与这两大主流卫星导航系统截然不同。

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”我们不是不想做GPS,但当时做不到。”李贵琦说。她介绍说, GPS其实是在第一代子午仪卫星导航定位系统的基础上发展起来的,从1969年起, 中国就已经在做这种子午仪卫星,做好没多久,还没有往上放,美国就发展到了GPS系统,子午仪系统被淘汰掉了。既然这个系统已经落后了,再往天上放没有意义, 因此直到现在还放在仓库里。”可是,在对子午仪卫星的演练过程中,美国已经研发出了导航卫星上的核心部件原子频标,也即俗称的原子钟,而在中国,却还没有这个储备。 1979年之后,美国GPS的发展相当快, 中国的导航系统到底该从哪儿起步?专家学者的争论非常大。正是在这个背景下, 原来做通信卫星研究的陈芳允院士根据当时的实际情况,提出了双星定位理论。”

所谓的双星定位原理,其实还是测量学上的三球交汇, 只不过把两颗地球静止轨道上的卫星作为两个球面,而把地球本身看成另外一个球面。这样, 只需要两颗卫星——而不是24颗——就能够满足对导航定位的需求。

可是,这个方案也有它的局限性。”我们常说地球是个圆,但它表面其实坑坑洼洼,从喜马拉雅山到海