探索篇

第1章　太空“学区房”

重要问题不是自由，而是树立正当的公共秩序。人类可以无自由而有秩序，但不能无秩序而有自由。

——塞缪尔·亨廷顿（美国政治学家）

大自然的秩序，证明了宇宙确有它的建筑家。

——康德（德国哲学家）

1.1　引子

2015年，一家菲律宾媒体发表文章，指责中国不仅在南海抢占领土，还在太空里抢走了本来属于该国、位于东经98°的地球静止轨道卫星位置^[1]。这篇文章写得相当煽情，中国如何“无礼”，菲律宾如何“悲惨”地失去仅有的卫星轨道位置，至今都没有一颗属于自己的通信卫星，以后恐怕打个电话都会很困难了……菲律宾媒体的指责完全是无端的，不过太空中轨道位置的归属和陆地、海洋相比，有一套几乎完全不同的规则。陆地领土亦或是海洋领海、海岛的归属，所遵循的国际法原则一是历史沿革，二是自然地理环境，这两条规则在太空中显然都不适用。

别说宇宙无边无际，仅仅地球周围的太阳系也如此广阔，而最大的人造地球卫星的半径也不过几十米。这么个小东西放在轨道上，实在是微不足道的存在。既然如此，为啥各国会纠结这么一个小小的轨道位置？

其实这件事情在本质上和北上广深的房价贵是一个道理。近些年来北上广深的房价越来越高，恐怕许多读者都感同身受，这其中最根本的经济原因是人口增长，需求增加，但是土地资源相对稀缺，造成供需失衡。虽然地球周围的空间如此广袤，看上去似乎卫星数量可以无限制地增长，小小一颗卫星，容纳它的空间总是有的，但对于一些有特别使用价值的轨道，事实并非如此，特别是堪称太空“学区房”的地球静止轨道（GEO轨道）。卫星典型轨道如图1-1所示。

GEO轨道非常特别，是地球赤道上空36 000km处的一个圆（划重点：请注意是圆，而不是一个球面），如图1-2所示。在这个轨道上运行的卫星相对地球静止，这样的卫星可以固定在地球某个区域的上方，特别适合用于广播电视信号的传播，因此价值极大。因为如果卫星不是相对于地球静止，那我们在地球上和卫星通信，天线就得一直跟着卫星旋转跟踪，这样一来，设备可就复杂多了，价格自然也就贵多了。所以，GEO的轨道位置就相当于学区房，“交通便利，还能上好学校”。

除了轨道位置，还有另一件重要的事情，那就是频率资源。对于卫星通信系统来讲，能够使用哪个频段通信是一件至关重要的事情。因为卫星和地球之间隔着一层厚厚的大气，而且并不是所有的频率都适合通信。如果能够获得更好的频率资源，那么通信卫星的通信容量就可以更大，和其他卫星之间的干扰也会更小，通信效果也会更加优良。所以频率资源有点像房子的户型和所处的环境，本来就是学区房，房子又面积大、户型好、采光好、通风好，当然价值就更高了。

世界各国在地球上为了争夺各种资源常常大打出手，这么重要的卫星轨道和频率资源自然也不会放过。但是吵来吵去也不能解决问题，还得坐下来商量。于是就组建了国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU，简称国际电联）这个国际组织，专门负责全世界卫星轨道和频率资源的组织、协调。

1.2　规则与秩序——ITU的“前世今生”

国际电联的历史可以追溯到19世纪，当时成立它的主要目的是为了能够顺利地实现国际电报通信。电报这种通信业务的优势就是能够远距离通信，需要各国之间协调一致才能互不干扰。于是在1865年，法国、德国等20个国家在巴黎相约开了一次会，签订了《国际电报公约》，成立了国际电报联盟。1906年，随着无线电技术的发展，德国、英国、法国和美国等27个国家又在柏林开了一次会，签署了《国际无线电报公约》。1932年，联盟各国觉得这两个协约其实完全可以合并，于是就再次在西班牙马德里开了一个会，正式宣布两个协约合并，制定了新的《国际电信公约》，并且正式更名为国际电信联盟。概括起来就是，先后开了三次国际会议，于是就有了ITU这个国际组织。

中国很早就加入了国际电报联盟，1932年的马德里会议中国也派代表参加并签署了公约。二战后的1947年，国际电联成为联合国的一个专门机构，总部设在美丽的日内瓦。现在ITU的秘书长是中国人赵厚麟，他在2014年高票当选，任期四年，并于2018年成功连任。他是国际电信联盟成立150年来首位中国籍秘书长。

ITU主要由三个部门组成，每个部门都有一个代号。其中ITU-T部门负责制定标准，ITU-R部门负责管理无线电通信，ITU-D部门负责促进全球范围的电信技术发展。ITU-R最核心的任务就是管理国际无线电频谱和卫星轨道资源，它又设立了6个研究组，其中SG4就专门负责卫星业务的研究。ITU-R负责制定《无线电规则》，世界各国都得按照这个规则使用无线电。历史上曾经有许多中国人认为这些规则都是列强制定的，对发展中国家，特别是对中国不利。客观上说，这些情况的确存在。但规则就是规则，你只能遵守规则，然后慢慢改变规则，如果不遵守规则，根本就无法立足。假如说中国研制的通信卫星使用的频率和轨道位置不遵守ITU-R的规定，自行其是，那很可能会被其他国家的卫星干扰，也很可能干扰到其他通信系统，最后谁都无法正常工作，那中国就肯定会被世界各国指责。

1.3　稀缺的无线电频率

电磁波是一个很酷的名字，它是一个统称，实际使用时，都只使用其中很小的一部分。为了研究和使用的方便，就得把电磁波按照频率或者波长进一步划分。当然，无论是按频率还是按波长，这两种划分方法本质上是相同的。电磁波可以粗略地划分为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。我们把用于无线通信的电磁波称为无线电波。

无线电波通常指频率低于3000GHz的电磁波，频率为3000GHz的电磁波波长是0.01mm，这个长度大约是我们头发丝直径的十分之一。频率比这个还高的电磁波，波长就会更短，一般认为属于光的范畴了。无线电波按照波长又可以进一步地划分为极长波、超长波、长波、中波、短波、超短波、微波、毫米波和亚毫米波等波段。这里面我们对中波、短波非常熟悉，因为大家开车时收听的调频广播和各种对讲机基本都工作在这两个波段。当然，相对应地，按照频率可以把无线电波划分为低频、中频、高频、甚高频、特高频、极高频等频段。在有线电视普及之前，电视上长着两根辫子，通过无线的方式从广播电视塔接收视频信号，使用的频段就是甚高频。所以工程师口中的“甚高频无线多媒体接收机”，翻译成“人话”就是电视机。

但是对于卫星通信来讲，因为卫星需要和地面之间通信，无线电需要穿过厚厚的大气层，所以首先应考虑到所选频段的电磁波是否能穿透大气层。图1-3给出了整个无线电频带对于大气层的可见情况。频率极高的X射线、伽马射线由于被上层大气强烈吸收而无法穿透大气层；可见光谱段基本是可见的，但是不同波长的吸收情况有很大不同；多数的红外谱段都将被大气吸收；短波（HF）以下频段无线电信号，由于频率低，被电离层反射回地面，从而无法使用。因此，只有波长在1mm至1m左右、即约为300MHz到300GHz的频率范围是卫星和地面通信时可以使用的频段。

不同频率的电磁波在穿过大气层时被吸收的情况有很大不同。干燥大气除了在氧气谐振吸收带附近外，对电磁波的吸收并不严重，但是潮湿大气对电磁波的吸收随频率增高将急剧增大。正因为如此，卫星通信必须避开22.3GHz的水分子吸收带和60GHz附近的氧分子吸收带。而且，总体上讲，频率越高，可用的频率资源越宽，也就意味着信息传输能力更强，但是受降雨影响也越大。假如要设计一套给船舶使用的卫星通信系统，那么降雨的影响就必须充分考虑，这时候就不适合使用特别高的通信频率。

因为300MHz到300GHz的微波频段应用特别广泛，为了沟通交流的方便，工程师就将其再细分为若干子频段，而且给这些子频段规定了一个英文字母作为代号。比如，1.12～1.70GHz称为L频段，2.60～3.95GHz称为S频段；3.95～5.85GHz称为C频段，18.0～26.5GHz称为K频段，等等。大家可能会奇怪，既然只是起个代号，为什么不按照字母表的顺序有规律地命名呢？那样的话很容易记忆，不像现在，一点规律也没有。工程师聊起通信频率，说的都是字母代号，外行听起来和“天书”差不多。

频段的命名如此诡异的原因可以追溯到二战。当时的无线通信技术非常原始，通信频率的选择至关重要，一旦频率泄露就很容易被监听。因此，主要是为了保密的需要，据说是某位来自美国新泽西州蒙特茅斯的工程师提出了用P、L、S、C、X和K这几个看上去完全没有关联的字母来表示几个常用的无线电频段。

（1）P频段表示250～500MHz，P来自于单词“previous”，这是因为这个频段被用于早期的雷达系统；

（2）L频段表示0.5～1.5GHz，L来自于单词“long”，用来表示长波；

（3）S频段表示2～4GHz，S来自于单词“short”，表示更短的电波，但是这和我们之前谈到的短波无线电完全不同；

（4）C频段表示4～8GHz，C来自于单词“compromise”，表示这个频段处于S和X频段之间的折中位置；

（5）X频段表示8～12GHz，X来自于十字靶心的图形化缩写，因为这个频段在二战时被用于火控雷达；

（6）K频段表示18～26GHz，K其实来自于德语单词“kurz”，也是“短”的意思，当然是指更短波长的电波。

此外，当时工程师们还提出用字母下标u（under）和a（above）表示比上述标准频段的频率低一些或者高一些的子频段，例如Ku频段的范围是12～18GHz，比标准K频段的18～27GHz要低一些，而Ka频段则更高一些。不过由于历史沿革的原因，只有Ku和Ka保留下来，其他带字母下标的子频段代号由于使用得少，逐渐被淡忘了。

二战后，美国军方其实并没有公开这些频段代号，不过包括摩托罗拉、惠普公司在内的通信巨头，依据公开材料对这些保密的频段代号进行了许多有根据的猜测，初步确定了这些代号所指代的频率范围。随着通信技术的发展和对各种通信需求的快速增长，必须在世界范围内对通信频段的划分和字母代号作出统一规定。1959年，ITU在日内瓦召开会议，正式批准通过了一个频段字母代号的分配方案。1976年，国际电工委员会（IEEE）进一步制定了标准，从此，这些频段字母代号由二战时某位工程师的随意设计，正式作为通信行业的标准固定下来。

1.4　地球房子贵，太空轨位缺

无论哪个房地产开发商，要盖楼先得有地皮，然后要拿到各种许可证。在太空发射卫星也很类似，ITU就好比政府的土地和建设管理部门，任何一个国家要发射卫星，都要向ITU申请轨道和频率资源。轨道资源就好比地皮，频率资源就好比楼盘的容积率，这些资源都必须通过国际协调达成一致后才能使用。频率和轨道问题相互影响，事实上成为一个不可分割的问题。

ITU只接受成员国的申请。所以各位读者，如果你自己想发射一颗卫星玩，直接跑到日内瓦去可不行。你必须先到北京来，找工信部审批，之后才能由国家的主管部门统一向ITU提出申请。北上广深的房子贵，太空里的轨道资源和频率资源也很稀缺，所以当然不是你想用哪个轨道位置和频率资源就可以用的，而是要经过一个复杂的程序。

ITU分配轨道位置和频率资源遵循的基本原则是：公平、合理、有效和禁止据为己有。世界上有这么多国家，很多国家都想拥有自己的卫星系统，轨位和频率资源相对来讲肯定是不够的。基于公平的原则，ITU在具体分配轨位时，根据地理位置和国情，给世界各国都预先规划分配了一些位置。中国这么大，人口如此众多，但也只规划给中国六个轨道位置。

ITU规划轨道位置依据的国际法是1967年联合国通过的一个名字很长很长的公约，这个公约的全名叫作《关于各国探索和利用包括月球和其他天体的外层空间活动所应遵守原则的条约》^[3]。能一口气读完这个公约名字的朋友，体测时肺活量肯定都能够达标。目前，这个公约已经有100多个国家签署。联合国的条约名字好像都特别地长，可能是为了准确吧，本书中就把它叫作《外空条约》。这个条约规定的最重要的原则就是，不管是外层空间，还是月球等其他任何天体，任何国家都不能将其据为己有。这句文绉绉的法律语言用大白话解释就是，世界各国对太空、对任何天体都只有使用权，没有所有权。这个原则和中国的房产政策真的很像，不管你的房子多贵，虽然房子属于你，但是普通住宅所使用的土地却只有70年使用权，因为土地是属于国家全民所有的，你只能租而不能买。

基于这个原则，虽然ITU给各个国家都分配了轨道位置，看上去非常公平，但是还要求必须在一个限定的期限内把卫星发射上去，占据这个位置。对于多数发展中国家，实际上只拥有在法律上的平等机会和权利，在事实上，如果你没有足够的技术和经济实力，当然不可能真正拥有这些轨道位置。

实际操作中，轨道和频率资源有限，这么多国家都想使用，就要通过另一套称作“协调法”的规则来处理，通过一系列的协调程序来最终获得使用权。这个程序简单来说就是“先来先得，到期不候”。

如果某个国家想要使用某个轨道位置，那就要在卫星投入运营前六年至两年内提出申请并公布详细信息。每个申请叫作一份“卫星网络资料”，接下来就是漫长、曲折的协调过程。因为申请者必须保证不能干扰已经在轨道上运行的卫星系统，也不能干扰之前已经公布资料的规划卫星。完成所有的协调工作后，就可以正式登记，获得特定频率和轨道位置的使用权。

“到期不候”的意思是有一个规定期限，这个期限是七年。当然这和七年之痒无关。根据ITU的规定，轨位登记后，如果在七年内未能将卫星投入运营，那么前面所有的一切工作都白做了，得重新申请。这其中最难的环节是协调工作，越晚申请，需要的协调工作量和难度就越大。而且，看似是技术性非常强的频率和轨位协调工作，其实背后都是各国的商业利益、经济和政治关系，甚至国家安全、文化乃至意识形态等各种利益纠葛在一起，自然非常敏感和不易。比方说，A国已经有一份处于优先的卫星网络协调资料，B国规划中的卫星网络与之产生了冲突，那就得云找A国商量，这就是协调。商量过程中，当然会提出各种条件，为了达到目的，处于不利地位的国家往往要付出巨大的代价。现实中，经常由于各种政治考量，即使实际上没有干扰，有些国家也会故意不同意对方的协调要求，在ITU的会议上还会使用各种手段拉拢中立国家支持，或者用其他资源来交换频率和轨位资源，听上去真像宫廷斗争。

由于通信卫星的研制周期较长，中间万一有点磕磕绊绊，进度就会拖延。卫星稍晚发射本来问题不大，但如果正好已经到了ITU要求将卫星投入运营的期限，那就麻烦了。实际上，很多卫星被要求必须在某个日期前发射升空，往往就是因为登记的轨道位置马上到期了。如果新卫星一时半会肯定发射不了，迫不得已时就需要把另一颗已经在轨道上的老卫星漂移过来，甚至会专门发射一颗没有实际用途的占轨卫星，先把轨道位置给占上再说。

现实中往往还有更悲剧的故事。申办2008年北京奥运会时，中国大力推进“中国移动多媒体广播”系统建设（这个系统现在已经很少听到了，英文名字叫作CMMB，简单来说就是可以用手机看高清电视），就想搞一种CMMB卫星，这样一颗卫星可以覆盖很多城市，节省地面系统建设的资金。于是就开始申请轨位，过程极其曲折。最后周边国家全部搞定了，拿到了轨位，但是结局你绝对想不到。后来由于商业前景不好、技术上又竞争不过互联网流媒体服务等原因，CMMB卫星又不搞了，白白浪费了好不容易获取的宝贵频率和轨位资源。

本来按照《外空条约》，外层空间的频率、轨位资源不属于任何国家永久所有，所以不是商品，也不能买卖。但实际上不同的轨道位置、不同的通信频率、资料申报时间的早晚等因素都会大大影响一个计划中卫星频率和轨道位置的使用价值，所以通过各种手段和代价实际获得这些资源的使用权，本身就具有了极大商业价值。据专家估计，一个GEO轨位的价值超过1亿美元。慢慢地，帮助申请卫星频率和轨位资源就变成了一桩大生意，国际上出现了许多专门从事这项业务的公司。这些公司向ITU提交了大量的卫星申请资料，但是这些卫星其实只存在于纸面上，最后能否真正成为实际卫星还是个大大的问号，所以被戏称为“纸卫星”。如果某公司决定要发射通信卫星，临时申请肯定来不及，就会通过并购等方式，将已经拥有合适资源的公司纳入彀中，其目的主要是为了拿到宝贵的频率、轨位资源。汤加等一些国家从轨位交易中获利匪浅，中国的“亚太-1”和“亚太-2”卫星曾经因为没有合适的轨位，最后被迫租用汤加的134E、138E两个轨位，代价就是为汤加无偿提供了一部分卫星转发器供其使用。

虽然《外空条约》规定了外层空间属于全人类，任何国家都不能据为己有，可是这里面其实有两个漏洞。

第一个漏洞就是条约并没有规定什么叫作外层空间。地球表面之上是大气层，这块土地属于我们国家，当然土地之上的大气层就是我国领空，这是国家主权，是不容侵犯的。但是大气层的边界在哪里？别说距离地球表面几百千米的近地轨道，即使到了距离几千千米的中轨道位置上也还有稀薄的大气存在。学术界和多数国家都认同应该以航空器能够依靠空气动力学飞行的最大高度，即人造地球卫星可以停留的最低高度作为地球大气层和外太空的分界线。这个分界线距离地面大约100km，叫作“卡门线”，如图1-4所示。

但是这当然不符合地处赤道国家的利益。如果把这条界线划到地球静止轨道，也就是距离地面大约36 000km的地方，那么这些宝贵的地球静止轨道资源可就变成这些赤道国家的领空了。现实中，还真有国家这么想而且还行动了。1976年，也就是《外空条约》签订10年后，巴西和哥伦比亚等8个赤道国家联合在一起，发布了一个《波哥大宣言》。宣言称地球静止轨道为自然资源，各赤道对应国家对该静止轨道及其下方的空间享有主权。面对这个宣言，其他大国当然不能忍了。因为要是真的如此，那大家发个卫星多半还要去找巴西和哥伦比亚商量。当时中国也早已发射了第一颗卫星“东方红一号”，包括中国在内，以美苏为主的各国都表示强烈反对。虽然宣言听上去不合理，可是毕竟《外空条约》确实没有明确规定什么才是外层空间，这就给某些国家留下了玩文字游戏的空间。所以，每次召开世界无线电通信大会，在通过的最后的申明文件中，哥伦比亚等国家都毫不例外地提出对地球静止轨道拥有主权的保留意见或者申明。当然，其他国家自然要表示“反保留、反申明”。在可以预见的将来，这个极具仪式感的惯例将继续下去，成为世界无线电通信大会的“保留节目”。

《外空条约》的另一个漏洞是只规定“任何国家不得通过提出主权要求使用、占领或以其他任何方式把外太空据为己有”，但是如果是个人或者企业提出所有权要求呢？1980年就有一个美国人动起了歪主意。他成立了一家公司，将月球上的土地分隔成小块出售，每英亩售价20美元，据说最后赚了（骗了）几千万美元之多。近几年商业航天发展得如火如荼，仅仅在美国就已经有许多商业公司计划涉足太空采矿业。2015年，当时的美国总统奥巴马签署法案，明确允许私人公司在外太空采矿，而且所得资源也归属个人所有。这件事长期来看影响深远，一方面这样可以极大调动企业的积极性，另一方面这是否违反了《外空条约》值得商榷。

1.5　太空是陆地的延伸，资源是永恒的主题

我们这一代中国人大多经历过类似的人生：大学毕业后，在北上广深找到一份工作，开始为能在这座城市真正拥有一片空间而努力打拼，眼看着房价越来越贵，薪水却增长乏力，可是身边家庭条件好的同学早已经当上了包租公（婆），每个月的租金就不少，赚的钱不仅可以升级“装备”，甚至还可以买更多的房。世界各国在太空中争夺轨位的故事与此何其相似。截至2018年年底，世界上正在轨道上运行的有2062颗卫星，其中四成以上属于美国，中国的约占14%，俄罗斯的约占7%，中、美、俄三个国家的卫星一共占据总数的66%，而世界上所有其他国家的卫星加在一起还不到40%。

太空本质上还是陆地和大气层的延伸，在科学技术和资本方面占据领先地位的国家，必然在太空时代占据更多的优势资源。所幸，错过了大航海时代的我们在大航天时代还算跟上了节奏。少年，你是否愿意加入探索星辰大海的征途，为我们的后代留下更多的太空“学区房”？

参考文献

[1] 费德里科·帕斯夸尔(Federico D Pascual Jr.). China has grabbed Philippine satellite slot space[EB/OL]. https://www.philstar.com/opinion/2015/08/26/1492690/china-has-grabbed-philippine-satellite-slot-space.菲律宾星报，2015年8月27日．

[2] 维基百科电磁频谱[EB/OL]. https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_spectrum.

[3] 联合国外层空间事务厅．联合国关于外层空间的条约和原则、大会有关决议以及其他文件[S/OL]. http://www.unoosa.org/pdf/publications/st_space_61C.pdf.