卫星如何变革车辆连接方式

汽车行业正在经历一场深刻的变革。除了向电动汽车转型之外，汽车功能也在发生根本性转变：“业界已经敏锐地察觉到，汽车正在逐渐从纯粹的运输工具转向全新商业模式和服务平台。”位于波恩的德国航空航天中心（DLR）卫星通信部主任比约·居特利希博士（Dr. Björn Gütlich）博士说，“ 这相当于从移动电话到智能手机的过渡。”

就像智能手机一样，未来的汽车也需要持续联网。这对于自动驾驶等基于软件的新兴功能大有裨益，例如可以发送或接收危险位置警告等。这样，车辆就有足够的时间，针对突发状况作出调整。“未来，我们需要高速、可靠、覆盖全球的互联网连接。”弗劳恩霍夫应用固体物理研究所高频电子业务部负责人塞巴斯蒂安·查蒂尔博士（Dr. Sébastien Chartier）解释说，“对此，5G 和 6G 移动通信的作用举足轻重。此外，新一代卫星也有助于实现全球覆盖、消除信号盲区。”

DLR 专家居特利希也持相同意见：“在可预见的未来，仅靠现有的地面通信基础设施难以对广阔区域实现无盲区覆盖。”他表示，未来 5G 蜂窝的覆盖半径有限，几乎需要在每根路灯灯柱上安装信号塔，因此有必要通过“天上的信号塔”予以补充。“ 卫星正是理想的解决方案。”居特利希说。

在未来，卫星的作用并不仅限于为自动驾驶提供支持。“它们还可以向导航系统发送实时交通信息更新，或向车辆电子系统推送软件版本更新。此外，来自太空的数据连接还可以让人在车上畅快享受网络娱乐内容，即使是在网络不发达的偏远角落也照样流畅无阻。因此，卫星在汽车领域有着丰富多样的应用前景。”保时捷股份公司董事会副主席兼财务与 IT 董事、保时捷汽车控股公司投资管理董事会成员麦思格（Lutz Meschke）总结道。

不过，想要实现这些新服务，首先需要在车上加装额外技术设备，用以接收来自太空的数据。由于尺寸和形状的缘故，固定安装在建筑上的碟形天线并不适合安装在车顶。而相控阵天线则是车辆应用的理想之选：它们由许多小天线和特殊电子装置组成，可以根据卫星的位置不断调整发射和接收方向，从而确保不间断接收数据。此外，相控阵天线的外形完全平坦，可以集成在车辆天窗中。

支持这些新兴服务的卫星群将在近地轨道（LEO）和地球静止轨道（GEO）上环绕地球运行。近地低轨卫星距离地球表面不超过 2,000 公里，而地球同步轨道卫星的高度约为 35,800 公里，并将始终保持在同一地点上方。这两种轨道各有优缺点，主要体现在发射器与接收器之间的信号传输时间（即延迟时间）上。“近地轨道的延迟时间约为 0.04 秒，适用于高速通信；而地球静止轨道的延迟约为 0.5 秒，适合向大量用户分发相同的内容。”卫星制造商 Reflex Aerospace 的首席执行官瓦尔特·巴尔海默（Walter Ballheimer）解释说。

如今，近地轨道可谓热闹非凡：环绕地球运行的现役卫星共有近 4,900 颗，其中约有 4,100 颗在近地轨道上。相比之下，地球同步轨道上目前只有大约 600 颗卫星。而且近地低轨卫星的数量仍在飞速增长：仅 2021 年，就有约 1,660 颗卫星进入低轨，而其他轨道上只增加了约 30 颗卫星。对太空的巨大兴趣来源于今非昔比的框架条件：过去，只有国家和国家级航天机构才有能力进入太空；而现如今，越来越多的公司发现，发射和运营卫星群是属于未来的商业模式。

这种繁荣一方面得益于技术的进步，另一方面也是由于越来越多的私营企业进军航天产业。卫星越来越小、越来越便宜，而且由于火箭发射费用的不断降低、供应商之间的竞争日益激烈，将卫星送入轨道的成本也在下降。目前，最大、最知名的航天企业是埃隆·马斯克（Elon Musk）创办的美国太空探索技术公司 SpaceX。到 2021 年底，该公司已将接近 1,800 颗近地轨道卫星送入太空，以组建其“星链”网络，旨在帮助偏远地区接入互联网。SpaceX 还希望为卡车、船舶和飞机提供数据连接。

到目前为止，还没有欧洲版“星链”出现。为了改变这种状况，总部位于慕尼黑的火箭制造商Isar Aerospace 与 Reflex Aerospace 和激光通信公司 Mynaric 携手合作，于 2021 年底成立了 UN：IO 财团。该财团将从欧盟获得 140 万欧元，以在 2025 年前完成对欧洲自有卫星星座的方案研究。除了宽带连接、边防监控和民防等应用之外，UN：IO 项目也考虑为网联车辆/自动驾驶车辆提供服务。

“要实现视频电话、流媒体甚至自动驾驶等服务，就需要在轨道上部署足够多的卫星。”巴尔海默说。不过，与“星链”相比，UN：IO 希望向太空发射的人造卫星数量要少得多。“我们计划在近地轨道上部署几百颗卫星用于高速通信，并在更高的轨道上部署几十颗卫星用于分发相同的内容，例如软件更新。”巴尔海默表示，我们不会用数以万计的卫星堵塞近地轨道，而是将仅仅几百颗卫星巧妙地部署在不同轨道上，实现更佳的通信能力。”

许多欧洲汽车制造商都有意向与“星链”或UN：IO 等卫星运营商建立合作，从而受益于现有基础设施和宇航公司的专业知识。而中国汽车制造商吉利则计划建立自己的卫星群。这个卫星群不仅负责向车辆提供数据，还将为该公司的自动驾驶汽车提供高精度导航数据。目前尚不清楚是否会有更多整车制造商效仿这种模式。自有卫星群的运营商将独立于原公司，能根据自身需要优化技术，并自由决定发射窗口。

保时捷公司也积极投资于太空业务，自 2021 年7 月起成为了 Isar Aerospace 的股东。该公司在慕尼黑附近从事火箭研发工作，因其高度的垂直整合从竞争对手中脱颖而出——所有重要部件都是由其自行研发而成。Isar Aerospace 的“光谱”（Spectrum）号两级运载火箭计划于 2022 年底在挪威安德亚（Andøya）岛进行首次试飞。之后，它将为 UN：IO 财团等客户发射小型卫星，让地球上的交通更安全、旅行更愉快。

本文首次发表于《保时捷工程杂志》2022年第2期。

作者：Ralf Kund

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