现在,科学家追踪南极洲冰雪覆盖的荒原上阿德利企鹅的健康状况时,依靠在我们头顶上方绕地运行的微型卫星,便可以在数千英里之外管理他们的相机。

其他机构也在尝试使用同样的技术:能源公司用它监控通达困难的风电场,物流公司用它追踪海运集装箱,农业公司用它看管牲畜。《国家地理杂志》(National Geographic)甚至用这种方式一路追踪一只废弃塑料瓶从孟加拉国到印度洋。

不难想象,在不久的将来,有了这种不断发展的卫星技术,人类可以在每辆汽车上安装一个遇险信标,远程监控地球上任何环境中的野生动植物,你还可以用它来追踪自己的亚马逊订单——不仅是商品的运输物流,还可以一路向上追溯到它的生产工厂。而这一切的成本只是早期卫星追踪系统成本的一小部分。

这种新型纳米卫星网络(又名“立方体卫星”)是多种技术因素共同造就的成果。

首先,这些卫星本身比以往更小,更便宜,功能更强大。智能手机行业推动了所有电子设备的微型化,惠及从汽车到无人机的各个领域。然后是发射成本的下降,这要归功于SpaceX等企业、印度这类国家积极的太空计划,以及可以重复使用的助推器和3D打印引擎等一系列新的发射技术。

同样重要的是,人们推出并采用长距离、低功耗的无线通信新标准,无论在地面上还是外太空,其表现都一样出色。

就像互联网和智能手机等新事物刚出现时一样,没人能确切知道来自太空的低成本、低功耗数据中继会带来什么,也没人能确定是否有足够的需求支撑那些争相提供数据中继的公司活下去。未来一年内,将有十多家公司的数百颗卫星发射升空。

这些初创公司并不是要与亚马逊(Amazon)及SpaceX等一较高下,后者在卫星领域投资甚巨,雄心勃勃,旨在为家庭和企业提供高速互联网。那些由数百乃至数千颗相对较大的卫星组成的“巨型星群”耗资数十亿美元;而据纳米卫星的运营公司称,由最多100颗这种卫星组成的网络成本为数千万美元。

阿里巴达倡议(Arribada Initiative)的负责人阿拉斯代尔·戴维斯(Alasdair Davies)表示,这些微型卫星能实现真正全球化的“物联网”,即使在24个月前也很难办到。阿里巴达倡议为研究人员设计并构建卫星跟踪和连接系统,其中就包括科学家观察企鹅的系统。

戴维斯为这个企鹅项目提供了可以承受南极恶劣条件的低成本相机。虽然拍摄的图像存储在SD卡上,每年必须前往南极收集一次,但相机可以通过微型卫星向身处伦敦的管理员报告它们的状态:电池电量低、被冰层覆盖、翻倒等等。

位于英国哈维尔的小型创业公司Lacuna Space拥有三颗已经在轨运行的通信卫星,还有两颗正在准备发射。其中两颗卫星和公文包差不多大,第三颗的大小则与鞋盒相似。

像几乎所有的纳米卫星星群初创公司一样,Lacuna Spaceh还需要部署几十颗卫星,才能随时覆盖整个地球。Lacuna Space首席执行官兼创始人罗布·斯普雷特(Rob Spurrett)表示,目前,许多测试公司技术的客户每天只能与卫星连接两到四次,但对于诸如监控远程基础设施(如企鹅相机)之类的应用来说,这通常就足够了。Lacuna Space的卫星使用LoRaWAN网络连接地面物体,亚马逊等公司销售的地面设备已经广泛使用这种网络。

荷兰的Smart Parks也使用LoRaWAN连接犀牛和大象,组成巨型动物互联网。这对野生动物保护区的管理人员很有用,他们需要监控这些动物,防止偷猎,万一动物走出了公园边界,管理人员还可以靠这个把它们带回来。

Smart Parks联合创始人蒂姆·范·达姆(Tim van Dam)表示,Smart Parks正在马拉维测试的一款大象项圈与当地的LoRaWAN地面站连接,同时它也可以连接 Lacuna Space的卫星。一旦卫星群全部署完毕,该公司就可以用它追踪动物进入其他无线信号无法到达的地方,例如沙漠、森林以及南部非洲国家之间的跨境公园。范·达姆表示,由于LoRaWAN系统需要的能源较少,并且可以与扁平天线配合使用,因此非常适合大象项圈,单节电池可以使用长达10年。

根据太空研究公司NSR的数据,至少有16家公司都在发射类型相似的卫星网络。每家公司对无线技术、卫星尺寸和机载能力进行不同组合,各有特色,同时也在成本上展开竞争。

位于加利福尼亚州山景城的Swarm Technologies公司首席执行官兼联合创始人萨拉·斯潘格洛(Sara Spangelo)表示,公司可能会建成首个商业化的超小型卫星星群系统,客户可以随时访问他们选择的卫星。Swarm已经发射45颗卫星,其中36颗为商业客户提供,其余则是实验性质的。该公司预计将于1月14日用SpaceX的猎鹰9号火箭从佛罗里达州再发射36颗卫星,到2021年底,共有164颗卫星升空,其中150颗为活动卫星(有些是备份)。斯潘格洛博士曾是美国宇航局喷气推进实验室(NASA Jet Propulsion Laboratory)的工程师,也是“未入选的加拿大宇航员”,她在被淘汰前进入了前32名。Swarm通过生产超小型卫星来保持低成本,每颗卫星的大小和烤奶酪三明治差不多。

Swarm公司首席技术官本·朗米尔(左)拿着一个Swarm Tile调制解调器,首席执行官萨拉·斯潘杰罗拿着公司的一颗卫星。Swarm于两年前宣布与福特合作。

Swarm公司首席技术官本·朗米尔(左)拿着一个Swarm Tile调制解调器,首席执行官萨拉·斯潘杰罗拿着公司的一颗卫星。Swarm于两年前宣布与福特合作。

图片来源:Swarm Technologies

展示Swarm卫星如何覆盖全球的动画。

展示Swarm卫星如何覆盖全球的动画。

图片来源:Swarm

Swarm的卫星利用甚高频(VHF)频谱通信,其频率范围与船载无线电系统使用的频段相邻但不重叠,信号穿透力强,即使在城市和室内也不例外。两年前,福特汽车公司(Ford Motor Co.)宣布与Swarm合作,其动向目前仍处于保密状态。

瑞士Astrocast公司运营的卫星大小约为Swarm卫星的10倍,预计将具备更多功能。由于这些卫星上装有推进器,因此可以将自己推入不同的轨道。让卫星自行机动进入轨道,有助于降低发射成本。卫星报废后,推进器还可以推动它们“脱离轨道”,不至于成为危险的太空碎片。

Astrocast公司创立于2014年。2018年和2019年,公司发射了首批的两颗卫星,并计划在今年1月再发射5颗,使用的正是将Swarm卫星送上太空的SpaceX火箭。

Astrocast首席执行官法比安·乔丹(Fabien Jordan)表示,公司的卫星均为自行设计制造,这得益于一系列现成的电子产品,其中有不少与汽车行业使用的电子产品类似。汽车零部件在设计时就考虑到要承受强烈振动和大幅度温度变化,因此十分耐用,足以做Astrocast卫星的材料。传统卫星需要在轨运行许多年,为了防御宇宙辐射和其他空间危害,必须做得结实耐用,而Astrocast的低地球轨道卫星只计划运行三到五年。

一名Astrocast工程师将一颗卫星放在热真空室中,以模拟太空环境,如日光和阴影之间的快速温度变化。

一名Astrocast工程师将一颗卫星放在热真空室中,以模拟太空环境,如日光和阴影之间的快速温度变化。

图片来源:Astrocast

模拟Astrocast卫星到达太空后展开太阳能电池板的动画。

模拟Astrocast卫星到达太空后展开太阳能电池板的动画。

图片来源:Astrocast

亚马逊和SpaceX等计划使用的是允许高带宽互联网接入的无线电频率,而这些小公司使用的则是允许它们以较低功耗发送和接收较少数据的频段。

Lacuna Space首选的LoRaWAN标准使用了有助于降低成本的未经许可频段。Astrocast使用的是长波段无线频段,该频段对植被乃至建筑物的穿透力较好。不过,卫星公司必须获得许可证才能使用该频段,正如Swarm使用的甚高频一样。

对于那些客户只需要知道某个东西在哪里、在干什么的应用场景,这些卫星群提供的低带宽已经足够。一般来说,通过Swarm卫星群发送一个信息包的传输速度为每秒1千比特。“我们喜欢开玩笑说这跟90年代的拨号上网差不多。”斯潘格洛博士说。每颗Swarm卫星的寿命预计为四年,之后它们将在大气层中燃烧殆尽。

最小带宽的好处是可以保持低成本,这对于需要将数百乃至数千个对象直接连接到卫星的客户来说至关重要。

航天工业独立顾问阿拉文德·拉维尚德兰(Aravind Ravichandran)表示,这些纳米卫星公司的激增很可能会以合并告终。他预计一部分公司会倒闭,另一部分公司则会合并或被传统卫星通信公司收购。

“目前基本上平均每个国家有一家太空物联网公司。现在的情况简直太疯狂了,我不知道市场有没有那么大的需求。”他补充说。

拉维尚德兰表示,这有点像第一次互联网泡沫,当时各家公司拼命建设光纤主干网等基础设施,结果因为没有足够的客户需求而破产。

Momentus公司的首席执行官兼创始人米哈伊尔·科科里奇(Mikhail Kokorich)表示,另一方面,建造和部署卫星的方式多种多样,每种卫星都以不同的方式与地面通信,这意味着可能有相当多的公司能成功将物体连接到太空。Momentus公司开发了一种非常末级的微型火箭,可在立方体卫星和纳米卫星被较大的火箭释放后帮助它们进入最终轨道。

随着明年卫星群迅速扩张,其中许多公司将很快需要更多资金或客户,甚至两者都需要。他们的技术和商业模式将在最严酷的环境中接受考验——不是太空领域的寒冷真空,而是高增长初创公司的竞争环境。