關注航天技術與人類生活聚焦航天收入與政府投入
——2015年《航天報告》摘編

2015-07-05 16:39:33廖春發,張曼倩

衛星應用 2015年9期

2015年7月，美國航天基金會發布最新版《航天報告》。該報告全文共85頁，詳細介紹了2014年全球航天產品與服務、航天經濟、航天基礎設施和航天人力資源的最新進展。本文摘編了該報告中與衛星應用有關的部分。

過去10多年，美國航天基金會研究團隊長期跟蹤和分析全球航天產業、政府投資航天的政策及其優先領域，以及影響各國航天活動的趨勢。每年發布的《航天報告》都聚焦讀者最感興趣的熱點。從2015年起，美國航天基金會將向感興趣的用戶提供在線服務，獲取所有《航天報告》的研究成果及其該報告從未提供的各種新數據。

一、航天產品與服務

從防火內衣設計、神經外科手術臂到衛星搜救和預報各種自然災害，航天技術的每一個進步都與改善大眾的日常生活息息相關。航天產品和服務已經或正在解決人類日常生活中面臨的難題。

1.航天產品和服務拯救人的生命

2014年入選航天基金會“航天技術年度名人堂”的航天產品與服務只有兩項。一是全球衛星搜救系統（COSPAS—SARSAT），二是神經外科手術臂（NeuroArm），它們均被用于以不同方式拯救人的生命。

無論你是在深山徒步旅游、滑雪，或是在大海中航行，一種名叫全球衛星搜救系統的航天技術都會在你遇到災難時及時拯救你的生命。該系統最早是在1979年由美國、加拿大、法國和蘇聯聯合組建，現已成為天基搜索救援系統和國際組織。該系統于1985年投入運行，目前參加該國際機構的成員已增至43個，并在11顆低軌道（LEO）和靜止軌道（GEO）衛星上搭載了搜救載荷，用于在全球搜索遇難者發出的呼救信標。分布在全球的31個任務控制中心（MCC）一旦探測到這種信標便會迅速派遣救援隊前往出事地點營救。據統計，迄今全球共收到15億個呼救信標，按此比例預計到2020年會再增加11億個信標。截至2012年該搜救系統在接近10000次搜救行動中已成功營救35000人。

圖1 全球衛星搜救系統（COSPAS—SARSAT）模擬實驗（來源：NASA）

加拿大和美國研制開發用于幫助航天員在外太空維修操作的機械臂技術現已用于地球上幫助神經外科醫生在內太空進行神經外科手術。這種名叫神經外科手術臂的設備就是從國際空間站所用機械臂技術移植過來的，它是一種用于微創手術的機器人手臂。神經外科手術臂借助阿波羅登月技術轉移的核磁共振成像（MRI）的遙控指導，進行非常精細的手術過程。當神經外科醫生在手術室鄰近的操控室里操縱手術臂成功完成第一組手術程序后，手術臂會根據MRI儀器提供的更高清晰度圖像繼續進行更精細的修正。這種更精確的升級版手術臂就是正在研發的第二代神經外科手術臂（NeuroArm II），它將有助于減少手術中可能出現的錯誤，給病人康復提供最好機會。

圖2 機械臂技術用于神經外科手術

2.航天技術改變你的旅游和生活方式

衛星導航、智能手機及其應用軟件的融合正在深刻改變人類的出行和生活方式。對于那些想跨越全歐洲旅游的自駕或個性化旅游者來說，這種技術提供了自助導游服務。應用軟件開發商，如緯度N軟件，就是將衛星導航技術與制圖軟件、圖像和旅游（地理）內容相結合，為旅游者提供個性化旅游體驗。另一款名叫Farol城市指南的旅游軟件，利用衛星定位技術快速顯示旅游者周圍的各種遺址、建筑物、咖啡店和重要旅游景點，使外地旅游者能像本地人一樣在任何城市自助旅游。

衛星導航技術與在線地圖的相互融合，促進了網上購物和物流快遞業的快速發展。在許多城市，消費者從網上商店訂購物品，通常都能在當天或兩天內快遞到戶。快遞公司的軟件采用衛星導航及其跟蹤技術允許客戶實時追蹤包裹的位置，同時快遞公司也能監視該包裹的實時狀態。智能手機軟件內的衛星導航定位功能為客戶提供了實時跟蹤包裹運送的進程。當天快遞上門的服務也采用了相同的追蹤技術，以便將包裹快速分撿到距客戶最近的快遞員手里。

圖3 衛星導航定位應用于物流快遞

過去大眾消費者要想得到高分辨率商業衛星圖像是幾乎不可能的，因為它需要安全部門的嚴格審批。如今這種高分辨率衛星圖像不僅容易獲取，而且價格不貴。美國有一些公司（如軌道邏輯公司）將其開發的應用軟件放在智能手機內，供大眾下載，從而使普通大眾獲取衛星圖像的難題變成現實。這種叫做SkyMeSat的應用軟件，于2013年底對外發布。假如你想獲得中國西昌航天發射場的過頂衛星圖像，或是想獲取世界任何地方的圖像，只需在你的智能手機的觸摸屏上用手指輕輕觸點你所想要的目標區，你就能訂購該目標區0.3m分辨率的衛星圖像。這種高分衛星圖像的售價決非以前政府所要付出的幾百萬美元，而是只需按每平方千米20美元的低價售給個人。地球表面上幾乎所有地區的高分辨率衛星圖像都可通過上述軟件的訂購方式發送到你的手機上。

3.航天技術改善能源、資源和環境管理

2014年8月，美國加州納帕谷發生6.0級地震后，歐洲航天局、美國地質勘探局和谷歌等機構都及時提供了震區受災情況的衛星圖像。美國地質勘探局提供的衛星圖像經谷歌處理后發表在“谷歌地球”上的產品顯示了納帕市區建筑物損毀的情況。這些可見光圖像只能顯示損毀建筑物的外觀，但歐洲哨兵-1A衛星合成孔徑雷達拍攝的震前震后對比圖像卻更深層地揭示地表以下的災情。該衛星每12天飛越災區一次，自動記錄了特定地區的地形變化，顯示了同一地點兩次觀測出現的地面變形，并繪制出震前震后干涉圖。

利用衛星探礦已有很長歷史。但這項技術被一家新組建的Terra回收公司用來尋找垃圾填埋場，真可謂是一種驚人的創新應用。該公司首先利用衛星遙感圖像在英國和北美地區尋找富含足夠鋁金屬或稀有貴重金屬材料的垃圾填埋場，然后再用無人機低空詳查測定其準確位置。若用傳統方法尋找可能富含金屬的填埋場，通常需要鉆探許多25m深的洞提取其鉆探樣品才能識別。在英國，大約有25000個垃圾填埋場，每次鉆探采樣需花費2000美元，如果沒有衛星圖像幫助尋找填埋場而是采用鉆探取樣這種“大海撈針”的方式，不僅耗費金錢，還不能快速找到具有開采價值的垃圾填埋場。因此采樣衛星遙感技術尋找垃圾填埋場是一種既省錢又高效的“探礦”方式。

4.媒體與航天互動的典型案例

社交媒體和航天公關部門共同努力，在每次重大航天發射活動或探月和火星探測期間開展各種航天科普宣傳運動，對吸引大眾參與航天，激發青少年熱愛航天，探索宇宙奧秘具有重大意義。印度、中國和美國在探測火星和月球的重大時刻，新聞媒體和社交網絡與航天部門公關人員互動，都有許多成功案例。尤其是馬航MH370航班失聯初期，不僅有許多國家發布衛星照片協助搜救行動，而且還有美國數字地球公司在其網站上公布MH370可能途徑的高分衛星照片，讓全世界志愿者從照片上尋找馬航的蛛絲馬跡。這是媒體與航天公司互動的典型案例。

二、全球商業航天收入與政府航天投入

2014年全球航天活動繼續保持穩定增長趨勢。商業航天收入加上各國政府航天預算投入總計3300億美元，比2013年增長9%。圖4顯示了2014年全球航天經濟活動中商業航天收入和政府預算投入所占的比例。表1顯示出了2005～2014年10年間全球商業航天收入與政府航天投入歷年的增長變化。

圖4 2014全球商業航天收入與政府航天投入

表1 2005～2014年全球商業航天收入與政府航天投入的增長變化億美元

從圖4可以看出，2014年商業航天基礎設施及其支持產業（包括航天器制造、在軌平臺、地面設備、以及發射服務、獨立研發和保險）收入高達1276.5億美元（不含政府航天基礎設施的開支），比2013年的1084.8億美元增長了17.7%，成為2014年增長的最大貢獻者。其中驅動這一增長的主要動力是全球導航衛星系統（GNSS）接收設備銷售收入。而商業航天產品和服務的收入卻只有2.4%的微增長，即從2013年的1202.5億美元增長至1231.8億美元，表2顯示出了2014年商業航天基礎設施及其支持產業各部分收入詳情。

表2 2014年商業航天基礎設施及其支持產業收入億美元

2014年全球各國政府航天投入共計791.7億美元，比上年增長7%。政府航天投入占2014年全球航天經濟收入的25%。其中美國政府的航天投入為429.6億美元，比2013年的417.5億美元僅增長2.9%。其余各國政府在2014年的航天投入達到362.1億美元，比上年增長12.9%。

（1）發射服務業

2014年全世界共進行了92次航天發射，其中成功入軌90次，23次發射為商業載荷，其余69次發射為政府的軍民用載荷。歐洲航天產業協會（Eurospace）估計，2014年全球發射服務業市場價值為81億美元，比2013年的67.6億美元增長20%。在價值81億美元市場中，商業發射收入約23.9億美元，國際空間站發射服務支出13.7億美元，政府民用發射支出18.7億美元，軍用發射支出24.7億美元。若按軌道劃分，靜止軌道（GEO）發射支出32.8億美元，低軌道（LEO）發射支出32.9億美元，其余軌道發射支出15.3億美元。

（2）航天器制造業

在2014年的92次航天發射中，共將296個航天器送入不同軌道，其中有135顆重量不足10kg的納衛星。這類微小衛星發射數量的迅猛增長是與近幾年美國立方體衛星的大量普及有關。

除了135顆納衛星外，另外的161個航天器分別執行不同的任務：50顆為通信衛星，15顆為導航衛星，36顆為地球觀測和氣象衛星，11顆為科學衛星，19顆為技術試驗和在軌驗證衛星，10顆為軍用情報衛星，14次發射為國際空間站服務，余下6次為其他任務。

據歐洲航天產業協會估計，2014年航天器制造業市場價值為293.4億美元，比2013年的339.6億美元減少13.6%。減少的主要原因是美國高價值軍用衛星發射數量銳減。圖5和圖6分別顯示了2012-2014年間航天器制造業按軍民商種類和按國別表示的市場價值。

圖5 2012-2014年航天器制造業市場價值（按軍、民、商、載人航天分類）

圖6 2012-2014 年航天器制造業市場價值（按國家統計分析）

（3）國際空間站

國際空間站的伙伴國已同意繼續支持空間站的成員輪換和貨物補給直到2020年，而美國卻打算延長國際空間站至少到2024年。2014財年NASA用于運營國際空間站的總投入為29億美元。在過去的14年期間，各伙伴國用于建造國際空間站的總投入達到1000億美元，其中利用運載火箭和航天飛機進行了100多次運輸和組裝才完成國際空間站的建造。

2014年美、俄、歐共進行了14次與載人航天有關的載人載貨任務，其中10次載貨，4次載人。

（4）地面站和終端設備制造業

地面站和終端設備制造業包括航天操作中心、通信網絡、遙操作終端和跟蹤站，以及衛星電話、衛星電視接收機和移動電話內的導航芯片等。

2014年地面站和終端設備制造業全球市場的銷售收入達到1196億美元，比2013年增長18%。它也是商業航天基礎設施和支持產業這部分收入的最大貢獻者，約占其市場總值的94%。而在地面站和終端設備的1196億美元總收入中，2014年衛星導航設備的收入又占其總收入的76%，達到913.3億美元，其余占第二位的終端設備收入，如衛星電視、衛星電話、衛星寬帶等在2014年亦有較大增長，達到179億美元，比上年增長了23億美元。

2.商業航天產品和服務收入

2014年全球商業航天產品和服務收入增長趨緩，僅增長2.4%，達到1231.8億美元。其中衛視直播（DTH）收入占77%，達到950億美元，衛星通信（包括固定和移動）收入217億美元，衛星無線廣播41.8億美元，地球觀測收入23億美元。

衛星導航產品和服務的收入雖未包含在這一部分內，

但已包含在上述商業航天基礎設施及其支持產業的地面站與終端設備收入中（見表2）。據歐盟GNSS監管局（GSA）最新發布的報告估計，2014年衛星導航定位授時（PNT）產業核心市場收入呈現迅猛增長勢頭，從2013年的756億美元猛增到2014年的913億美元。其中2014年全世界共有30多億部智能手機和其他移動裝置內融入了衛星導航芯片，另有36億個行業應用的PNT芯片安裝在交通、勘測和農業等領域的設備中。在增強系統的支持下，其位置服務的定位精度達到0.3m。歐盟GNSS監管局預測，到2019年，全球具有衛星導航定位功能的移動設備將會超過70億部，其主要的增長地區在亞太。

3.政府航天投入

2014年世界各航天國家在航天領域的投入增長了7%，達到791.7億美元。其中美國的航天投入占全球總投入的54%。

表3顯示了美國國家安全航天投入的具體項目（不含保密的航天項目）。

表4顯示了除美、俄、中等航天大國外，選擇的10個國家的航天投入與GDP的比例。由此得出2014年全球平均的航天投入與GDP比例為0.041%。