10 | 光荣与梦想：大航天时代的卫星角色

大航天时代的卫星角色 983 阅读 0 评论 0 点赞

你好，我是彭天放，欢迎跟我一起透视卫星技术前沿。

这门课里，我们讨论了卫星技术的优势和挑战，也看到了当前卫星技术的演进方向。

最后一讲，我想再次把镜头拉远，展望接下来的几十年内，卫星技术的宏观发展图景是什么样的。

在这里，我想借助一个叫作《全球探索路线图》的报告，来为你建立理解卫星格局的框架。

这个《全球探索路线图》，是在2018年由国际太空探索协调小组发布的。你别看它只是一个小组，它其实是一个由14个航天机构组成的国际组织。

而2018年发布的这份《全球探索路线图》，可以说基本反映了当前全人类，对于如何扩展我们在太阳系中的存在，达成的战略性共识。

这份路线图，在未来几十年内把我们探索太空的重点分为了三个区域，分别是地球周边轨道、月球和火星。

接下来我们就从这三个区域出发，为你展望一下卫星的未来格局。

1.为什么智慧地球离不开卫星？

首先是地球周边轨道。

在这片空间里，卫星会与人工智能、物联网这些技术相结合，帮助我们提高地球的整体信息密度，并且最终瞄准构建数字地球的目标。

信息密度是一个比较抽象的概念。这里，你可以简单理解为单位面积上产生、传递或者处理的数据量多少。

比如，现在地图上一片区域，卫星可能需要几小时甚至几天才扫描一次数据。卫星通信的速度也不太快。但是，未来的20年内，数据的更新速率很可能会达到分钟甚至秒级。而在人口稀疏的地区，卫星通信的速度，甚至可以达到或者超过5G的水平。

那你可能会好奇，这么大范围内提高信息密度有什么用呢？

这个用处可大了。

因为下一步我们人类各种的科技其实都有一个共同的目标，那就是构建一个数字化的地球。

比如说，随着低轨道通信卫星和导航卫星网络的发展，占全球70%面积的海洋，会变得高度互联网化。

随着海洋信息密度的增加，大量船员的现场判断和操作就可以挪到远程进行。未来的海上运输，很可能只需要卫星实时地把每条航线上的风浪情况，还有船只周边有没有海盗这类信息，传递给远程的航运控制中心就行了。

我们知道现在中国已经建立了举世瞩目的无人码头，而在将来，很有可能连整个海上的贸易网络都变得高度无人化。

再比如说，大片的农田通过遥感卫星，就可以获得精确到每一株小麦的图像数据，进行生长情况还有病虫害的分析。我们再配合通过精确卫星定位的地面无人机械，就有可能实现信息化的种植和采摘。

而农民这个职业，在未来很有可能就会工作在城市中心的卫星遥感数据中心里，通过机器人的编程为人类生产粮食。

我们再举个例子。高信息密度的卫星覆盖还将是一种非常高效率的公共治理工具。

比如说像是污染的问题、碳排放的问题，就可以通过卫星进行全年的实时监测。甚至，还可以通过卫星精确地计算出污染物的排放量，建立一个实时的碳排放交易市场。

我国目前，就正在规划在粤港澳大湾区，建设空天信息实时服务系统。这个系统预计由40颗卫星组成，在大湾区的全域实现精度为0.5米/5分钟一次的信息覆盖。

你可以想象，在这种信息密度下，大湾区的城市规划、环境治理、物流、交通等等领域都会拥有非常好的基础设施。

除了地面的信息密度提高之外，地球周边空间的利用密度也会增加。

目前，航天领域已经有人提出了在未来20年内建设所谓太空基础设施的计划。而在这个计划里，地球周边的空间就会出现由卫星、空间站、载人飞船、空间机器人等等设备，共同构成的太空基础设施网络。在这里面将会出现像是太空电站、太空无人3D工厂等等基础设施。

而且更夸张的还有人要通过卫星把天空做成一块大的显示屏。你想象一下，未来我们一出门就可能凌空抬头看见一行数字，显示出当天的天气预报。这类奇异的脑洞和技术实验随着卫星技术的发展还会越来越多。

这些应用在我们今天看来可能有些遥远，但是从技术的角度，我们却很有信心能看到这些设想逐渐实现。

这是因为，卫星本身的信息密度，也就是一颗卫星获取、处理和传输信息的能力还有很大的提升空间。

我们就拿卫星上现在使用的芯片来说，你可能想不到星上的芯片要比你手机上的芯片性能差三四个数量级。

如果用操作系统来比喻的话，我们的地面都已经用Windows 10了，而卫星上的操作系统还是Windows 95。所以我们现在流行的人工智能算法，都很难在这样的性能下实现。

那为什么卫星不使用更高性能的芯片呢？

其实我们前几讲也提到过，太空的环境对卫星芯片的要求非常苛刻。再加上过去卫星的研发周期长等等原因，导致了卫星芯片的性能很难跟得上消费级芯片的发展速度。

但是随着今天卫星的微小化、网络化，还有智能化的趋势，灵活、低成本和高性能的商业化卫星会不断出现。

甚至，有一些研究已经在开发卫星上的智能系统，把一些简单的目标识别和动作控制这样的功能交给卫星自主判断。

所以，我们应该有充分的信心，为了数字地球这个目标，卫星自身的性能还可以有很大的提升空间。

2.为什么卫星是开发月球的基础设施？

说完地球，我们再把目标投得远一点，来谈谈月球轨道。

那为什么月球轨道这么重要呢？

其中一个原因就是月球这个距离，刚好是地球周边空间和深空的分界线，而且月球也是这个区域内唯一可以依靠的大型天体。

所以，航天领域通常都认为，月球是人类迈向深空最重要的中转站和试验田。

所谓中转站，我们知道月球上的重力很低，大气阻力几乎为零，而且还有可以作为能量来源的氦-3。这些条件，使得月球上发射深空航天器相对于地球发射要容易得多。

而且，就算不在月球上发射，只是把月球基地当作进入深空之前的补给点，也会对深空探索有很大的好处。

而所谓试验田，是因为我们人类移民到其他星球这件事上还需要很大的探索和尝试。而月球，就是这些技术最好的实验场所。

在2019年7月20号，也就是我们人类首次登月的50周年纪念日，美国公布了阿尔特弥斯计划的官方标志，宣布将在月球上建立永久存在的基地。

未来的卫星，就会成为这类月球开发计划的基础设施。或者我们打个比方，就是月球实现三通一平的基础设施。

比如说，要做月球开发，我们需要月球表面完整的地图和三维模型。我们还需要覆盖月球的无线通信网络。我们甚至还需要类似GPS这样的月球定位系统。

这就像地产商开发一片小区都要讲究通水、通电、通路的三通一平一样。而我们人类在开发月球的过程中，也要通过通卫星，来实现定位导航、实时遥感，还有网络通信这三通。

像我国发射的鹊桥这样，地球和月球之间的中继卫星，就是非常必要的基础设施。

而欧洲航天局，也在2019年的7月发布了一个电信系统的高级研究计划。他们表示，正在对建设月球的通信和导航基础设施进行探索。

3.为什么说卫星是人类迈向2级文明的开始？

说完了月球，我们再来看看在目前非科幻的条件下，我们人类最终极的深空探索目标火星。

苏联的天文学家卡尔达舍夫，曾经提出一个文明分级的理论。里面，把能够调动地球上所有资源的文明称为一级文明，而能够调动太阳系里所有资源的文明称为二级文明。

我们目前大概处于0.7级左右。不过人们相信，随着科技的发展，我们总有走向一级、甚至二级文明的那一天。

而走向二级文明的第一站，目前看来就是火星。

对于这件事情最深信不疑的，应该非马斯克莫属了。

目前他所创立的所有的公司，都是为了服务人类移民火星的终极目标。包括备受争议的星链计划，也并不是瞄准地球通信的网络而建设，而是为了人类在火星上能够自由的通信。

马斯克的梦想能不能实现我们先不做推测，但是卫星确实将会是我们迈向火星的第一步。

像是2005年发射的火星勘测轨道器，2018年刚刚进行了一次在轨修复。预计，接下来它能够工作到2050年，持续地环绕火星，提供火星和地球之间的数据中继服务。

2019年4月6号，火星大气与挥发物演化轨道器也已经进入了火星轨道。这个轨道器目前正以3.7小时的周期围绕火星运转，预计能够持续工作到2030年。

本讲总结

总结一下我们这一讲。卫星在未来的几十年里，将会在地球、月球和火星三个区域持续发展。

1.在地球的周边，将会围绕数字地球的建设继续提高全球的信息密度。

2.在月球的周边，将会作为一种月球实现三通一平的基础设施。

3.而在火星轨道，将会承载我们人类迈向二级文明的遥远梦想，开始新的探索。

正如我们在第一讲中所讲到的，卫星技术诞生在威廉·曼彻斯特笔下那个充满光荣与梦想的时代，但也反过来，让我们人类失去了一些对于过去世界的美好梦想。

比如卫星带来的照片，瓦解了传统信仰下的世界观，让普通人看到地球好像只是宇宙中一颗无足轻重的尘埃。这也促进了全球化的世界以及消费主义观念的形成。

但是今天，卫星正在开启我们下一次充满着光荣与梦想的时代，承载着我们作为一个文明最天真和宝贵的好奇心。

1962年，为了说服人们走向月球，肯尼迪总统曾经发表过一篇著名的演说，题目叫作《我们选择登月》。

我想选择其中的一段话作为这门课程的结尾，与你共勉：

我们选择这项事业，并非因为它轻而易举，而恰恰因为它困难重重。因为这个挑战我们乐于接受，因为这个挑战我们不能推迟，因为这个挑战我们志在必得。

很高兴能够用两个小时的时间，分享我对于卫星技术的理解。希望你能够持续关注这个领域，跟上我们今天这个大航天时代。

我是彭天放，期待再次回来与你分享。

网友互动

最后一节让科幻迷的我看得热血沸腾，卫星就是我们人类扩展边界的触角，我们的好奇心，我们的未来，都将在卫星的帮助下走向星空深处。

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谢谢彭老师的讲解。花了一晚上恶补玩了卫星课，结束时心中浮现四个大字（原来如此）。卫星技术说不定真能因为科技的发展变得更加美丽呢。真希望以后有无数手机体积大小的高集成度卫星组成同步链为我们提供更好地服务。也期待着得到能够众筹一个卫星为所有用户提供一次不间断的地球????实况直播。

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一看航天时代这个词立马让我想起了了大航海时代。

欧洲通过航海与枪炮技术超越了亚洲，结果这使他们误以为自己的文明比亚洲先进。

但人本同源，又有谁比谁高级呢?

所以在航天时代，随着信息成本越来越低、覆盖范围越开越广，当其节省的成本使人类足以忽略海陆之别时。

我坚信，人类绝对能达到普遍文明。

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彭老师，您好。学习您的课程对卫星技术有了更多的了解，十分感谢！但仍有几个疑惑，非常希望彭老师指点。

1、卫星轨道资源与实际需求的矛盾问题。既然轨道资源相当有限，实行先申报先使用。那么印度一次性发放104颗卫星，或者SPACE X公司的星链计划将要发射4400颗卫星，那是否他们都是完全符合先申报先使用的原则？而如此庞大的卫星发射量会不会抢占了整个卫星轨道资源？以目前技术能开发运用的卫星轨道资源大概能够容纳多少卫星？

2、卫星轨道资源的开发是有限的吗？比如太空中争夺最激烈的地球同步轨道，倾角是0，距离地球35786公里，是否意味着卫星的高度低于35786公里，卫星运行的相对角度比地球自转的角度大，也就是说卫星跑快了，反之，距离超过35786公里，卫星就跑慢了，无法实现与地球自转同步，但仍然是有效的轨道。如果按照这个逻辑推演下去，与地球同步轨道处于同一个平面上的几乎有无限条轨道，只要不超出地球的引力范围即可。加上倾角不是0的轨道，理论上也有无限条，那么是否可以理解为随着卫星探测技术的不断发展，未来卫星轨道的资源其实是无限的？

3、核动力卫星的动力问题。核动力卫星中的核能除了提供卫星的基本电力以外，还可以用作卫星变轨的动力吗？如果是可以的话，是否可以理解为未来人类有希望可以用非常低廉的成本实现卫星在不同轨道的切换，甚至是实现飞行自由，无须担心卫星中所携带的燃料不足的问题。

4、太空垃圾影响卫星安全的问题。随着卫星的数量越来越多，未来发生碰撞的现象几乎是不可避免，碰撞后可能产生更多的碎片，碎片会随着时间的推移不断扩散。如果未来的卫星会比现在多几个数量级，会不会出现碰撞碎片再碰撞更多碎片的加速正反馈效应，最终导致全球卫星瘫痪，而且由于太空垃圾过多而无法再发射卫星呢？如果存在这个可能，解决问题的思路又是什么？

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以前只有公司、家庭和路上，现在才发现还有这充满幻想的世界。原来只有宇宙才能装下我们的梦想????，感谢彭老师的精彩分享

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还记得《三体》中的三体人为了把质子展开到十一维所做的那些尝试与压进去的本钱吗？我们的卫星与那两颗质子有多么类似的特征覆盖地球，监察我们的环境，了解各国的发展，搜集数据，为发展做准备。

《三体》看得我心慌，是因为我们是被强大的敌人监视着，而且还是在不了解对方的情况下，这种恐惧类似于我为鱼肉。

而卫星的发展却不同，它是我们对自身与宇宙的探索时所借助的一种工具，工具越先进，我们掌握的信息就越多，主导权握在自己的手里就就会消解鱼肉的恐惧。

探索让卫星更有使命感，卫星让地球更具立体感。

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卫星看起来很遥远，却因此成为了我们解决近处问题的好帮手，处理污染物的例子让我很惊讶，同时又给我很大启发卫星是我们换个视角看自己的工具，是我们搜集信息的工具，这样提醒我们信息有两个维度，一是尺度上的变化，二是视角上的迁移。

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小时候每当我觉得生活不如意，我就会抬头看看星星，宇宙很大而我的那点烦恼，在宇宙中只不过是过眼云烟。

长大以后被当我被生活折磨得痛苦不堪，想想卫星和大航天时代，又会觉得热血沸腾，生在大航天起步的时代，把视角从俗世生活转移到地球外，宇宙多么浩瀚，还有那么多关于深空的秘密等着每一个人去探索，眼下的那点麻烦又算得了什么呢？

当你的眼中是更远处的山峰时，你才不会在意脚下的泥沼，你才能用更平静的方式去面对一般人难以承受的痛苦。

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卫星在遥远的星空，默默地守望着几乎从未察觉其存在的地球和人类。

卫星竟然发挥着那么多而且还那么重要的作用，不是彭老师这么讲解，我们大多数人都还蒙在二维空间的约束限制和想象中呢。

同样非常期待彭老师再次回来，带给我们更多卫星视野和视角的发现和护卫。

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从我们的祖先开始，人类就一直在对我们身处的这个星球不停的进行探索，从未间断过。而现在地球上几乎没有新的领域可以让我们发现了，接下去就是无限的宇宙空间。对于我们人类而言，如今的宇宙依然是陌生的，依然笼罩在神秘的面纱之后，人们无时无刻不想揭开这层面纱寻找其中的奥秘。而卫星正是我们人类探索宇宙的前沿科技，是人类实现太空探索的重要基石。在二十一世纪，卫星技术必将得到更加快速的发展的普及，帮助我们人类去了解那浩瀚无垠的宇宙空间。是不是在宇宙当中存在着另一个地球？是不是在其他的星球上住着外星人？就让我们一起期待、共同探索吧。

最后，再次感谢老师这门课程的分享，也期待后续精彩的课程加餐。

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现在很多的媒体在报道物联网，5G网络，区块链等技术，说会改变人类的生活习惯，殊不知在在卫星领域已经发展到了在帮助人类走出地球做基础设施了，这是一个更宏伟的主题。

在期待5G和物联网带来的改变的时候，卫星技术领域的发展让我意识到原来自己还是太小看了未来的变革。原来当心机器人会顶替人类的工作，现在想来还是不仅仅如此。外太空如此大，还怕人类没有事情做吗？

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虽然前面还有几课没有听，迫不及待的做个评价。很喜欢彭老师的课，有趣且用通俗易懂的语言讲出来了，而且文章的条理非常清晰，收获多多！！

但是也看的出来这门课的订阅者并不多，跟经济、金融等二三十万的订阅者无法对比。但这并不是说老师讲的不好，讲的没用。只是航天确实离大众更遥远了一些，不如经济、金融更接地气，毕竟大家还是更关心自己的钱袋子。

再次感谢彭老师带来的两小时的航天盛宴！！

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