06 | 资源：为什么谈卫星必谈轨道？

你好，我是彭天放，欢迎跟我一起透视卫星技术前沿。

上一讲我们谈到，太空的任务环境，实际上才是卫星各个功能模块的设计师。

那我们现在造出了一颗功能齐全的卫星，是不是把它打上天就能开始工作了呢？

其实还不行。

卫星能不能真正发挥功能，关键还要看它的轨道设计，而轨道恰恰就是最稀缺的一类太空资源。

1.轨道是一种稀缺的资源吗？

你可能想，轨道怎么会是稀缺资源呢？太空空间不是非常大吗？

其实不然，甚至还发生过一次著名的两星相撞事故。

2009年2月10日，俄罗斯西伯利亚上空发生了一场意外。

在距离地球790公里的地方，美国一颗商用通信卫星铱星33（就是第2讲中那个起死回生的商业卫星公司）和俄罗斯一颗报废的通信卫星，发生了剧烈的碰撞。

这次碰撞也让全世界都紧张了一回。

因为碰撞，在太空中形成了两个巨大的碎片云，产生的碎片数量超过2000片。这些碎片以22倍的音速在太空中飞行。

这个速度下，一块重10g的卫星碎片，在地面足以击穿轻型的装甲车。

而且，这次碰撞发生的位置是近地轨道，这里分布了大量通信和遥感卫星。

如果某颗卫星在这次事故中被高速碎片击中，自己报废不说，还可能产生更多的碎片，引发太空中的连锁反应，造成大面积的卫星瘫痪事故。所幸，最终这种连锁反应没有发生。

但你可能还很疑惑，为什么看起来无限大的太空空间，沙粒一样小的卫星竟然会相撞呢？

两颗卫星飞得远一点不就好了吗？

能用的轨道真的就这么少吗？

答案是，太空看起来空间非常大，但卫星功能与轨道直接相关，真正留给卫星的轨道空间非常有限。

2.为什么轨道资源是有限的？

为什么可用轨道这么少呢？这里我们用一个简单的模型解释一下卫星轨道的条件限制。

我们可以把卫星的轨道简化成环绕地球的圆周运动，这样理论上只要有两个参数就可以确定卫星的圆周轨道了。

一个是轨道平面的半径，也就是卫星相对于地球的高度。

另一个是轨道所在平面与地球赤道面的夹角，也就是所谓的倾角。

你光看这两个数据，卫星可用的轨道好像是可以无限多。但是把卫星的功能加进来，可用的轨道就非常少了。

比如说，我有一颗侦察卫星，每次拍照片的宽度是3000公里。我想用这颗卫星扫描全球，怎么办呢？

最高效的方法，就是让这颗卫星连续绕地球15圈，每次错开一个机位就行了。但地球也在自转啊，而且这个自转相对太阳还是倾斜的，而且每次拍照是不是最好还要趁着卫星下面的区域刚好是白天来进行？这些因素算下来，其实卫星能用的高度和倾角就不多了。

而且，实际情况还要比这更复杂。卫星轨道一般不是圆形，是椭圆。这意味着需要6个参数才能确定。

而这些轨道，要么就是需要跟地球或太阳的自转周期产生一些对应关系，要么就是能针对特定区域进行持续监测。

常用的轨道其实只有为数不多的几类，像是太阳同步轨道、地球同步轨道、极地轨道等等。所以，看起来无限大的太空空间里，可用的轨道却恰恰是有限的。

3.为什么要争夺优质轨道？

你看，这是不是很像选择创业项目？看起来市场很大什么都能做，但其实你结合具体任务一分析，经济上划算、技术上可行，可选赛道就那么几条。更不用说，每条赛道上，各路玩家都挤破了头。

这也是轨道资源的现状。

各个国家、商业公司都要发射自己的卫星，不可避免，就开始了争夺。

比如说，太空中争夺最激烈的轨道，叫地球同步轨道（GEO）。

这条轨道在同一频段，一圈儿最多容纳240颗卫星。但是，现在不仅位置全部被占满了，而且国际上注册排队的卫星数量都超过了2600颗，可以说是轨道中天时地利的学区房。

你可以看看文稿下方的图片，这条轨道上的卫星排列，真的是一点缝都没有。

为什么卫星都要想发射到这条轨道上去呢？因为这条轨道最接近于完美轨道。

请你先试着想一想，一条完美的卫星轨道应该具备哪些特点呢？我想，至少要有这么四点。

首先，轨道上的卫星最好24小时都在线；

第二呢，卫星在天上的位置不要飘来飘去，最好是固定的；

第三，单颗卫星覆盖范围最好足够大；

第四，就是卫星信号质量要足够好。

同时满足这四个条件的轨道，卫星不管是做通信、导航，还是遥感，都能长期稳定地发挥功能，所以绝对称得上是一条完美的卫星轨道。

不过，这样的轨道基本上不存在。

光是第三点和第四点就存在内在矛盾：覆盖范围越大要求卫星轨道高度越高，信号质量却会伴随轨道高度的提高而下降。

于是我们退而求其次，找到了这条像学区房一样抢手的轨道地球同步轨道。

这条轨道和一般的轨道是不一样的：它的倾角为0°，轨道面与赤道面重合，而且轨道高度也非常特别，距离地球正好35,786公里。这个高度的运行周期跟地球自转恰好一样。

有了这两个参数，我们站在地球上看，这条轨道上的卫星就一直是静止不动的。所以这条轨道也叫作静止轨道。

既然卫星静止不动，自然就可以24小时和地球通信。加上轨道高度足够高，单颗卫星大约能覆盖1/4的地球面积。

也就是说，这条轨道同时满足了刚才说的条件一、二和三，是最接近于完美的一条轨道。

但是很可惜，这条轨道好是好，太空中只此一圈，别无分店。

既然轨道就这一条，我们把卫星排列得更密集一些行不行呢？也不行。

为了保证卫星与地面的通信质量，两颗频段相近的卫星，相对于地球的夹角不能小于1.5°。如果夹角小于这个数值，信号就会相互干扰。

于是，这条轨道在同一频段只能容纳240颗卫星，现在早就已经星满为患了。

4. 如何争夺轨道资源？

既然轨道资源这么稀缺，等待上天的卫星又这么多，该如何分配资源呢？

是随机摇号、市场竞拍？还是说卫星发射者主动见缝插针呢？

其实都不是。

卫星轨道是属于全人类的太空资源，在国际上有一套明确的分配机制。

这套机制通过国际电信联盟（ITU）进行，对，就是负责协调5G通信频段资源的国际电联。

国际电联分配轨道的总原则是先申报先使用，也就是说轨道使用权不是看发射日期，而是以申报通过的日期顺序为准。

先申报先使用的原则看起来很公平，但审批权早期被美国和苏联控制，所以实际上是一个有垄断色彩的规则。

从20世纪五六十年代开始，美国和苏联早就已经申请了大批的轨道，上面提到的不少太空中容易开发的轨道，早就已经被提前预订了。这给其他国家卫星发展造成了不小的困难。

目前，世界各国提交的申请资料超过了60000份，而天上运行的卫星不过2000多颗。你可以看出竞争之激烈。

我国就有卫星曾经率先入轨，但是因为申报得晚，最后只能被迫让出轨道。这颗卫星，最后就变成了没有办法提供服务的流浪卫星。

如果申报不到特定轨道怎么办呢？后发的航天国家或公司就没有机会了吗？

除了国际规则，我们也可以利用技术创新来抢占轨道资源。比如说，我们国家的北斗卫星系统，就通过创新轨道设计来解决了这个问题。

北斗是导航卫星。一般导航卫星都部署在中地轨道上，比如我们最熟悉的美国GPS系统，就在这片轨道上。

导航卫星是一类对国家安全和经济发展都非常重要的卫星，因为它决定了一个国家能否自主定义空间和时间的权力。所以我国下决心，一定要发展自己的导航卫星系统。

但是这个空间内有很多轨道，已经被GPS以及其他卫星系统提前占领了，那怎么办呢？

一方面，北斗卫星加快了发射速度，抢占依然可用的中地轨道。

另一方面，我们也探索难度和成本更高的倾斜同步轨道，并且部署了5颗卫星到静止轨道上。

最终，北斗组成了一个全球首创的，三种轨道混合的导航星座。北斗能这么快成为第三个成熟的全球卫星导航系统，离不开创新的轨道设计。

除了轨道设计的创新，典型的技术还有多星共轨，也就是说好几颗卫星同时使用一条轨道。

或者，我们不考虑轨道的问题，试着解决刚才提到的通信频段干扰的问题，同一条轨道也可以有机会排布更多的卫星。

总之，技术的创新对轨道资源的争夺非常重要。

本讲总结

总结一下，这一讲我说了三件事：

第一，在看起来无限大的太空空间里，有用的卫星轨道数量其实是有限的。

第二，轨道资源非常稀缺，各大玩家目前已经挤破了头。

第三，轨道资源的分配表面上看起来公平，但其实暗含垄断。后发玩家要想争夺有利的资源，技术创新才是突破口。

当然，我还想再说一点，如果我们能突破人类现有技术能力和太空认知的局限，或许不必去争夺轨道的存量资源，而是努力计算出更多有价值的轨道，去发掘增量资源。

2019年6月，在第10届国际空间轨道优化大赛上，我们国家历史性首次问鼎冠军。来自国防科大的团队，借助天河一号超级计算机，超越了来自NASA、欧空局、德国航空太空中心的研究团体。

所以我认为，未来对于宇宙空间的认知优势，才是我们最宝贵的资源。

思考题：

最后，我给你留一道思考题。你认为先申报先使用的规则合理吗？如果不用这套规则，你有什么更好的想法吗？欢迎你在留言区，留下你的答案。

我们这两讲，主要讲了卫星需要满足太空环境这个边界约束，同时还需要轨道资源进行配合。但卫星依然没办法很好地工作，为什么呢？我们下一讲就来看看卫星面临的第三个挑战。

网友互动

我认为先申报先使用的规则合理。

首先，开发出卫星这一市场的美俄两国本就应该先吃到红利，制定个先来后到的规则已经算是很给后来者留有余地了。

其次，只有这样，才能迫使后来者想办法创新，否则发展不能停，卫星却要停下来等，那不是要人命吗？

最后，既成的规则就是好规则，要么按部就班遵守规则，要么创新突破规则限制，总想挑战规则，太愚蠢。

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先申报先使用，这一规则有一定的合理性，但是还加以限制，申报以后必须在一定期限内比如一年为期发射卫星，逾期视为放弃，后续排队的顶上来。这就类似于房地产行业，拿到土地以后必须盖房子，不能空置在哪里，否则土地会被回收重新拍卖。另外卫星都有一定的年限，如果超过使用年限没有及时补发卫星，强制回收轨道位置，排队的后来者补上。

        根据市场经济理论，轨道资源是稀缺资源，可以由市场价格机制来调节，给出一个好的价格就可以得到轨道资源。但是存在的问题是对于发展中国家不公平，大多数发展中国家的经济体量不足以支撑发展航天卫星产业。

         另一个办法是可以加大开发高频频带资源。以直播电视卫星为例，C波段，Ku波段已经非常成熟，而Ka波段有待于深度开发和应用。C波段主要用于节目分发，Ku波段主要用于DTH直播到用户家庭，Ka波段更加宽广，进一步扩大节目容量或者升级到4K。

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业余爱好者想学习卫星相关的知识，有什么方法？有没有模拟卫星设计和运行的软件，或者开源代码？

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要使用没关系，但是不能占坑，申报之后一定的期限内必须发射上去使用，如果不发射或变相占坑，就认定为占坑行为。五年内该国家不得再申请。

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先申报先使用的规则我认为是合理的，原因如下：

1.从竞争角度来看，这样的方式会激发后发国家的创新研发，有利于卫星技术的全面提升，提升整个空间的利用。

2.从资源利用的角度出发，可以避免同样功能的卫星重复制造，各国之间或者国际电联要加强合作，最大价值利用现有资源！

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先申报先使用合理，因为给发生卫星的国家有相对充裕的时间来发射一个高质量的、无故障的卫星。从源头上降低了垃圾卫星的频率，也间接的保护了其他卫星。

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科学技术实力决定一切。

不管是先申报后使用，还是先使用后申报；既定任何的游戏规则都是大国之间博弈的产物。先发优势地位决定他们在技术上的领先，从而进一步垄断了整个资源。

我认为，成立一个结构合理，地位平等的国际联盟组织更适合更公平。只有解决根本结构性的问题才能带来良性的发展。比如发展中和发达国家都有投票审核权力。

审核的原则标准：存量已达到瓶颈，发达国家应该牵头以更合理发展利用宇宙空间资源的行动原则优先，以优化轨道技术方案优先。发展中国家应以轨道空间安全，经济效益为先。

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先申报先使用的规则，有其自身的合理性。事实上，正是上个世纪六、七时代美苏两国之间的太空竞赛，大大促进了人类航天航空和卫星技术的飞速发展。基于这种现实情况，美苏两国投入了大量的资源、为人类卫星技术的进步做出了巨大贡献，自然也应该在制定规则方面享受一定的权力。但是，先申报先使用的原则，其实也是一把双刃剑，很容易让制定规则的国家在特定的领域形成垄断地位，为其他国家制造很高的准入门槛；从公平、公正的角度而言，无疑是存在重大风险的。不过，我们也要认识到，规则的制定一定是伴随着科技的发展和进步，规则所带来的问题其实在大多数情况下都可以归结于技术问题，而要解决这些问题、打破现有规则就必须依靠进一步发展更加先进的科技。所以，我们身处的这个真实世界，确实是存在不公平，无论任何规则都不可能满足所有人的利益诉求；只有依靠科技，我们才能不断突破真实世界的种种瓶颈和束缚，才能拥有更加美好的未来。

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思考问题回答：

先申报先使用的规则合理吗？

太不合理了，因为这样往往导致垄断。

如果不用这套规则，我觉得应该按国家人口比例分配+可以有条件的转让或交易。