[顛覆性科技] 衛星網絡Starlink

背景
2020年全球仍有近一半人口未連接上互聯網,另外亦有為數不少的人生活在網速緩慢又不穩定的地區,其中包括已發展國家(美國及加拿大部分地區)。

2015年Elon Musk在SpaceX提出Starlink計劃: 一項近地軌道衛星網路計劃,提供覆蓋全球的高速低延遲網際網路服務。計劃利用小型通訊衛星取代傳統的地下通信網絡,為偏遠地區接入高速的寬頻網際網路,並為城市地區提供有價格競爭力的服務。

Elon Musk曾經表示有意分拆Starlink上市,因此我想為starlink做一個詳細分析,日後有機會投資Starlink時給大家一個參考。


計劃
SpaceX目標在2027年之前在近地軌道(LEO)上部署接近12000顆衛星,整個計劃預計需要約100億美元的支出。出售衛星網際網路服務所產生的現金流將資助Elon Musk實現他的夢想-火星計劃。長遠而言SpaceX打算開發和部署一個版本的衛星通信系統以供火星使用。

在550KM高的LEO部署12000顆衛星,聽下去好像不是特別了不起,但當你知道現時太空中只有大約3600顆人造衛星,而歷史上人類共發射的人造衛星總數只有6600顆,你才會意識到Starlink計劃是如此革命性。

Elon Musk以可重用火箭,量產人造衛星,一箭多星技術及垂直供應鏈整合,來實現衛星互聯網計劃。計劃到目前為止進展順利。

進度
2018年:           美國聯邦通信委員會(FCC)已批准Starlink計劃,同年Starlink成功發射兩顆試驗衛星到近地軌道。
2019年5月:    首批60顆量產通訊衛星被送上LEO軌道。
2019年10月:   Elon Musk成功通過星鏈發送tweeter,並表示星鏈已能提供網路服務。
2020年4月:     Starlink第7次發射成功,在550MK軌道已部署達420顆衛星,理論上已足夠向個別地區提供有限度服務。

Starlink的短期目標是到2020年發射24次共1500顆衛星,在美國北部和加拿大提供服務,到2021年將其服務範圍擴大到接近全球。計劃今年因武漢肺炎疫情有一定延誤,但整體上進展良好。

starlink的技術優勢
Starlink vs 傳統光纖網絡
不論4G或5G都是建基於傳統光纖網絡,而光纖網絡則建基於冷戰時期的通訊系統,即使應用層技術不斷革新但基建主軸仍然是70年代的產物。5G技術只是更進一步改善訊號的發射與接收,但中間的訊息傳遞仍然以光纖作為介質。光速在光纖(玻璃)中的傳播速度比真空光速慢47% ,而且光纖網絡不是點對點鋪設,為遷就基建或避開地形限制,很多時會繞道而行(海底電纜地圖)。因此兩地間的信息傳播必定高於直線距離。加上這47%的減慢,光纖傳輸訊號的距離愈遠延遲明顯。以倫敦來回紐約為例,光纖以直線距離計最快要55毫秒(千分之一秒),但因為現實中不是直線,所以需時76毫秒。相比之下Starlink的網絡訊息來回倫敦和紐約只需43毫秒。專家估計傳送距離超過1400公里開始,Starlink相對傳統光纖網絡便有速度上的優勢。

Starlink vs 傳統衛星網絡
傳統衛星網絡的衛星處於地球靜止軌道(GEO) 距離地面高度為36000KM,相比之下Starlink衛星所處的LEO距離地面高度只有GEO的1.5%。把衛星發射往GEO的好處是只需20顆衛星就可覆蓋全球,而且處於GEO的衛星壽命會更長,可達20年,這可以大大降低成本。但代價是訊號由地面到GEO一來一回需時240毫秒,這大大限制了網絡的用途,打Online game或facetime都成了不可能任務。相對之下訊號來回LEO只需3.6毫秒。

另一方面Starlink的衛星是專為是次任務重新設計的,stralink衛星只有桌子的大小,重量只有227KG,成本只有50萬美元。相比傳統訊衛星體積動輒達汽車般大小,重量由幾千公斤至超過一噸不等,成本由過百萬到過億美元成本不等。

Starlink的衛星更帶有最先進的科技,包括用於精確定位的Star tracker導航系統。SpaceX擁有美國國防部提供的碎片數據,配合衛星上領先的霍爾效應推進器可自主避免碰撞。SpaceX工程師們還開發了一套強大的衛星管理系統,在快速移動的衛星群中自動找出並實時更新點與點之間的最佳連線路徑。1顆Starlink衛星有1tbps的頻寬,足以讓4萬人同時串流4K解像度影片。此外SpaceX在環保方面也下了不少功夫,為防止產生太空垃圾,在衛星壽命完結時 100%的部件將在地球大氣層中燃燒掉。

最後是安全性優勢,Starlink訊號使用先進的點對點加密技術,而且垂直整合的產業鏈大大減少訊號傳輸的經手人,在資安和私隱性都有明顯改善。

starlink的成本優勢
世界著名的衛星網絡公司銥星(Iradium),發射66粒衛星的成本是50億美元。而Starlink預計於今年發射1500衛星,成本只需用20億美元。

Starlink是如何實現如此低成本的呢? 答案是SpaceX的四大技術革新。

第一,可重用火箭

傳統航天公司發射成本約為每公斤5000美元。在可重用技術下現時SpaceX每公斤承載發射成本最低為1410美元。目前SpaceX的火箭可重用4次左右,在技術進步與發射經驗倍升的情況下,可以預見SpaceX火箭可重用次數將會持續上升,成本將進一步下降。



第二,量產人造衛星
Starlink進行了歷史上首次量產通訊衛星,人造衛星的量產可去除去除高昂的設計、研發、測試成本。更可將衛星各系統模組化,在生產線大量使用自動化設備。把成本降至50萬美元成本。在學習曲線及規模經濟後,成本有望降至30萬美元一顆。相比之下傳統通訊衛星成本由過百萬到過億美元成本不等。

第三 1箭60星
由草圖開始重新設計的衛星尺寸大幅縮少,加上火箭技術進步,SpaceX已實現1箭60星的壯舉。傳統通訊衛星大多重達2000KG以上,而且體積龐大,要做到一箭十星以上有一定難度。



第四,垂直產業鏈整合
這是Elon Musk最善長的一環,將發射業務+衛星生產+最後一里的電訊服務整合並由自家公司壟斷。不用層層外判去除所有中間人可大幅節省營運成本。

Starlink的主要市場
Starlink網絡的主要目標客戶很可能不會是你和我,像香港這類人口高度密集,網絡基礎設施相當完善的地方,傳統光纖電纜早已鋪設完成,營運成本不高。因此Starlink短期內未必有太大競爭力。但在人口集中程度低的地區,像美國內陸,加拿大北部。鋪設光纖網絡不合乎成本效益,因此這些地區的人每天仍在忍受低速低穩定性的網絡服務,Starlink服務對他們來說相當具吸引力。另外對未有完善基礎建設的地方,如非洲,印度等。有了Starlink之後可能不再有鋪設光纖網絡的需要,Starlink直接以衛星網絡搶佔數以億計人口通訊的市場。

飛機及遊輪是另一個Starlink的應用場景,目前世界上有2萬架民航客機在飛,美國還有20萬架私人飛機,每年全人類乘飛機的次數高達40億人次。現時飛機上使用的付費Wifi其實是GEO衛星網絡,因此收費高得驚人而且網速慢得令人難以接受。航空公司之間競爭激烈,我預測日後航空公司肯定會提供免費高速上網,提供免費上網不但可加強客戶體驗還可以淘汰高成本高負重的機載娛樂系統,提高載客量和成本效益 。

郵輪方面,目前世界上有300-400艘載客量過千的大型郵輪,每年乘郵輪次數近3000萬人次,而且遊客停留在海上的時間相當長。郵輪現時也是使用GEO衛星網絡為主,對於重視客戶體驗的遊輪業來說,提供免費高速上網也是競爭之下的必然趨勢。另外還有貨輪,軍艦 ,極地研究所,海島國家等遠離主要大陸但有極高上網需求的場景也對Starlink服務有極大需求,這些地方以往只能使用極高延遲的傳統衛星網絡。

對延遲度極敏感的應用場景如醫療的遙距手術,金融業,自動駕駛車也是Starlink的主要目標客戶。


成本推算
一次發射60顆衛星的成本:
50萬一顆衛星 x 60顆 + 重量(227kg x 60) x 每公斤發射成本$1410
=約5000萬美元

今年發射24次共1500顆星的成本是:
5000萬 x 24 =12億美元

這與Elon Musk推算的10億美元相近。相信隨規模經濟與技術進步,100億元以內完成計劃是絕對可行的。

營運成本方面: LEO衛星只有5年壽命,因此推算每年要更新2400顆衛星,以現時成本計算一年需要20億美元營運成本,長遠來看隨技術進步營運成本有機會減少一半以上。

100億元將全世界聯網,比鋪設光纖網絡至更合乎成本效益。以2016年完工的FASTER跨太平洋海底通訊光纜為例,總長度約9000公里耗資3億美元。光纜容量只有60 tbps (starlink每顆衛星有1 tbps的頻寬,共12000顆衛星)。現在全球海底光纜總長90萬公里,可以估計全球共投入300億美元建設海底光纜,但這300億的成本還未能觸及地球所有地區地區。




收入預測
SpaceX現時只有發射業務,每年收入25億美元,利潤2.7億美元,profit margin達11%。其實Spacex已經有條件實現盈利,只是將大量資源投入R&D 研發新火箭和投入Starlink計劃,放長線釣大魚是Elon Musk作風。

Starlink是技術門檻極高,早期投入極大,壟斷市場之後一直收割成果的商業模式。Morgan Stanley估計spaceX市值可達1200億美元。

我的個人預測: 根據經濟學人2019年報告,全球移動通訊年總收入為8700億美元,如果spaceX搶到5%市場,收入已經是一年435億美元,市值可輕易達到5000億美元。

順帶一提Google 2015年以10億美元收購spaceX 10%股權,有Google科技上的支援也是SpaceX的一大優勢。



長遠展望
SpaceX正在測試獲NASA資助的大型火箭Starship。Starship比現時的falcon 9火箭壽命更長,重用度達100%,更易於維修,載重達10萬kg以上。預計可實現一箭400星,大大降低成本。



另外Starlink也對Tesla業務有加成,作為同屬Elon Musk旗下的企業,Tesla車主很可能可以更優惠地享受Starlik的高速上網服務。Tesla自動駕駛系統亦可得益於starlink的低延遲網絡,比其他自動駕駛系統更具優勢。之前更有專家討論過Tesla做流動基站的可能性,可以大幅減少Starlink的基建成本。

大眾對starlink的誤解
很多人第一次詳細了解Stralink計劃後第一個後應是認為Stralink可以取代5G網絡,但其實Starlink與5G短期內更像是互補關系。因為在城市地區已鋪有完善的光纖網絡,5G營運成本低,而且短距離下5G比Starlink更具優勢,要取代5G不太可能。因此我認為未來可能出現5G網絡供應商與Starlink合作的情況,開發一套能自動識別資料傳送距離的系統,自動在5G與Starlink之間切換,利用雙方的優勢以達至效率最佳化。

另一個誤解是以為Starlink可以讓手機可直接連上衛星,事實上衛星訊號不同於手機訊號,因此手機訊號要經地面基站才能連上衛星。由此可以推斷,Starlink顛覆的並不是5G網絡本身 ,而是顛覆5G中的傳輸中介--光纖電纜,以及顛覆傳統的GEO衛星網絡。當Starlink完全啟動後鋪設新的光纖電纜就變得不再合符成本效益了。

另外也有不少人誤會Starlink是一勞永逸的生意,實際上近地軌道衛星壽命一般為5年,12000顆星代表每年要更換2400顆衛星。


對人類的意義
地球上有一半人口未連接互聯網,Starlink有把全人類連網的能力意義非凡,可以為全球一半人口提供更高質素的教育,同時即時釋放大量人口的智力與創意,加速人類進步。Starlink也可收集大量數據以訓練人工智能,全球無死角的網絡也令偏遠地區的自動駕駛車成為可能。

最重要的是一月兩次的發射經驗,提供機會予SpaceX經歷學習曲線,加強發射技術。取得的資金也對支持Elon Musk的火星計劃至關重要,為人類成為星際物種打下基礎。

爭議
天文學團體投訴數以萬計的人造衛星阻礙天文觀測,但當人類準備在月球建立基地,在火星建立殖民地,還何必執著要在地球隔著厚厚的大氣層坐井觀天呢。

競爭對手
SpaceX強大護城河: 只有對手5分之1的發射成本,量產衛星,垂直產業鏈整合,先發優勢。

目光遠大的Elon Msuk更已為潛在競爭做好準備。Nasa已批準starlink在將來發射額外30000衛星,有分析指出12000顆衛星已足夠向全球提供服務,部署額外的30000顆衛星除提升質素外 更重要原因是要預先佔據潛在競爭對手的頻度。要知道先發優勢對衛星互聯網極為重要,因為頻度有限先到先得。而SpaceX的競爭對手還停留在口頭吹噓的階段。我相信除SpaceX以外,沒有企業有能力吃得下LEO互聯網這塊大餅。

另外2015年Google以10億美元買入SpaceX10%股份,SpaceX有Google支持,在互聯網服務方面也帶來巨有優勢。

早前被過份炒作,獲軟銀投資的獨角獸One web已破產,Blue origin 與SpaceX比更是不值一提。

可以預見擁有SpaceX 54%股份及Tesla20%股份的 Elon Musk五年內很大機會成為世界首富。


免責聲明
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留言

  1. 格爾大哥, 繼續努力多發高質文!

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  2. 很有意思的分享。他日Starlink上市,就讓我們一起做股東,為人類未來出一分力吧。加油。

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