新興衛星互聯網星座對傳統衛星制造發展的啟示

劉悅（北京空間科技信息研究所）

新興衛星互聯網星座對傳統衛星制造發展的啟示

The Enlightenment of Emerging Satellite Internet Constellation Companies to Traditional Satellite Manufacturers

劉悅（北京空間科技信息研究所）

2015年，美國硅谷的互聯網企業敏銳地捕捉到衛星通信產業巨大商機，一網公司（OneWeb）、太空探索公司（SpaceX）、三星（Samsung）和低軌衛星公司（Leosat）等多家非傳統航天企業打造低軌通信衛星星座，提供全球互聯網無縫接入服務，值得重點研究和關注。對于衛星制造商來說，新興進入者帶來了全球關注的目光，為商業衛星市場帶來了前所未有的發展機會，但也有可能引發衛星制造產業的變革，新的競爭對于傳統制造商來說究竟意味著什么？面對重壓，傳統衛星制造商如何能夠激發創造力，重獲新生？本文將重點分析。

1 商業通信衛星制造進入“小”時代

對于商業衛星制造業的發展來說，2015年1月16日是個值得紀念的日子。美國太空探索技術公司（SpaceX）的總裁伊隆·馬斯克（Elon Musk）宣布了一項雄心勃勃的衛星互聯網計劃，將在西雅圖開設一個衛星制造工廠，在未來5年內研制4000顆低地球軌道（LEO）衛星，提供全球互聯網接入服務，并在20日宣布獲得了來自谷歌公司（Google）和富達投資公司（Fidelity Investment）10億美元的投資。

美國一網公司衛星互聯網星座計劃概念圖

無獨有偶，前另外三十億人網絡公司（O3b Networks）的創始人格雷格·惠勒（Greg Wyler）創辦的一網公司（OneWeb），也提出了類似的全球互聯網接入計劃，部署650顆運行在LEO的小衛星，為家庭和移動平臺提供互聯網接入服務。預計衛星制造、發射和保險成本為15億～20億美元，已獲得來自高通無線技術公司（Qualcomm）和維珍銀河公司（Virgin Galactic）的投資，衛星計劃于2017年開始發射。

與此同時，谷歌公司還在實施一個名為“潛鳥”（Loon）的計劃，將用同溫層氣球通信來替代衛星通信。谷歌公司對太空探索技術公司的投資并未拖延它對“潛鳥”的進程。臉書公司（Facebook）總裁馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）表示對互聯網全球接入有興趣，無人機、衛星、激光或微波技術都有選擇的可能。

美國谷歌公司的“潛鳥”計劃飛行試驗

自20世紀90年代起，光纖和無線蜂窩通信等地面通信基礎設施的快速發展，大大壓縮了商業衛星通信的發展空間，衛星通信產業一直處于“填隙”的地位，雖然保持了增長趨勢，但規模非常有限。在此前的數年，也出現過“泰利迪斯”（Teledesic）和“天空之橋”（Skybridge）這樣的衛星互聯網計劃，但卻由于市場競爭和經費的原因不得不“胎死腹中”。而此次由全球最具發展潛力的互聯網公司提出的衛星互聯網計劃，大大改變了人們對商業衛星市場的預期，衛星商業市場發展前景一片光明。

對于衛星制造商來說，新興進入者帶來了全球關注的目光，為商業衛星市場帶來了前所未有的發展機會。但這些創新能力極強又財大氣粗的互聯網公司不滿足只做運營商，而是希望將其他領域的先進技術引入到傳統的航天領域，有可能引發通信衛星制造產業的變革，新的競爭對于傳統制造商來說究竟意味著什么？面對重壓，傳統衛星制造商如何能夠激發創造力，重獲新生？本文將重點分析。

2 新興衛星互聯網星座最新發展

發展背景

在太空嘗試部署網絡服務其實早就有之，可惜都紛紛偃旗息鼓。早在20世紀90年代至少就存在過5個項目，包括著名的“銥”（Iridium）衛星項目，但最終都因為入不敷出而破產。同時期由比爾?蓋茨、保羅·艾倫和沙特王子共同推動的“泰利迪斯”項目與今天的衛星互聯網星座有不少類似之處，并在當時也引發了市場關注，但最終還是淪為“紙衛星”（即未曾發射、只存在于紙面的衛星系統）。早期的這些努力都存在類似的問題，即衛星系統的地面終端是定制的，非常笨重且價格昂貴。以20世紀90年代的“銥”衛星電話為例，用戶在建筑物內根本接收不到信號，話音質量和傳輸速度不如蜂窩手機，因而無法獲得大眾市場青睞。

經過20年的發展，互聯網已經成為主流的大眾傳播渠道，在低軌部署衛星互聯網星座計劃推出以前，不少互聯網企業都已開始嘗試各種“高空通信系統”解決方案，并還在持續推進當中。其中包括谷歌公司的“潛鳥”計劃，通過在大氣層放飛成千上萬的巨大氣球給偏遠地區提供網絡。用氣象氣球代替衛星，將避免使用火箭發射，從而大幅降低部署成本。但是，氣球互聯網也存在一些問題，一是需要放飛非常多的氣球，將是很大的人力、物力投入；二是氣球漂浮線路的控制問題。

臉書公司也進行了類似的努力，除了采取租用靜止軌道通信衛星，還有無人機和激光器通信方案，但是使用無人機面臨很多挑戰：一是對無人機的太陽能電池要求非常高；二是需要自動化導航設備輔助精準飛行；三是還需得到各國各地區空中管理機構的準許，否則無人機將無法在該國該地區的低空穿越飛行。

與新興衛星互聯網星座項目最相似的是位于中地球軌道（MEO，距離地球約8000km）運行的O3b網絡系統。截止2016年5月，O3b系統已經有12顆衛星在軌運行，覆蓋地球40°（S）～40°（N）的廣闊區域。自2014年提供商業服務以來，O3b公司已經成為太平洋地區最大的互聯網服務提供商，僅用半年時間就達到原計劃1億美金的年收入水平，發展前景一片看好。

進展情況

目前，衛星互聯網雖然還處于發展的初級階段，但非常活躍，很多互聯網企業都積極介入，從2014年底至今，全球范圍內至少提出了6個大型低軌衛星星座項目，它們分別通過各國政府向國際電信聯盟（ITU，簡稱國際電聯）進行了登記。其中最具代表性的主要有3家，分別是O3b公司的創始人格雷格·惠勒新創立的一網公司；美國太空探索技術公司和特斯拉汽車創始人馬斯克計劃打造的STEAM互聯網星座；原天線設備供應商凱米塔公司（Kymeta）創始人發展的“低軌衛星”（LEOSat）系統。

向國際電聯提出頻率申請的衛星星座

新興衛星互聯網企業星座關鍵參數

三大衛星互聯網計劃的共同點在于：均選擇了質量在300kg以下的小衛星；主要提供寬帶互聯網服務；相對于傳統大型靜止軌道寬帶衛星和中地球軌道互聯網星座，價格和時延是主要的競爭力。它們的不同點在于：一網公司主要面向個人消費者和社區，而低軌衛星公司（LEOSAT）主要還是為機構用戶服務；一網公司和美國太空探索技術公司衛星數量較多，低軌衛星公司使用了高功率衛星平臺，單星容量較大，衛星數量大致在80～140顆左右；一網公司已經獲得了頻率軌位，美國太空探索技術公司和低軌衛星公司尚在協調當中，有可能采用光通信鏈路。

從三大衛星互聯網計劃的進展情況來看，由于一網公司率先取得了頻率軌位的牌照，因此發展進度最快。而美國太空探索技術公司和低軌衛星公司由于起步較晚，苦于市場對于衛星互聯網的熱情已經點燃，頻率軌位成為稀缺資源，頻率軌位協調工作遇到了更多困難。

（1）融資情況

從目前的融資情況來看，一網公司的發展最為樂觀，但根據該公司對整個衛星系統的估計，整個互聯網星座至少需要融資25億～30億美元。就2015年6月25日公布的A輪融資的結果來看，一網公司已經籌集了5億美元的資金注入，其中高通無線技術公司和維珍銀河公司是一網公司最早一批的投資者，并享有部分一網公司的股權，但一網公司并沒有透漏具體的投資額。除了上述兩家公司，一網公司已經通過與產業鏈利益相關方合作的方式，獲得了多方融資，包括印度和墨西哥的電信運營商、可口可樂公司（Cocacola）、空客防務與航天公司（ADS）、國際通信衛星公司，以及法國和美國的進出口的銀行都是一網公司的投資商。

與一網公司主要從事衛星運營不同的是，太空探索技術公司更加專注于衛星制造，而不是向傳統衛星制造商采購衛星，希望能夠掌握衛星產業鏈的上游，逐步從衛星制造、衛星發射的上游向衛星服務延伸。因此，太空探索技術公司需要的融資量將更大，根據該公司的估計，開辦衛星制造工廠與4000多顆低軌衛星共計需要融資100億～150億美元。從目前的融資情況來看，太空探索技術公司已經獲得了來自谷歌公司和富達投資公司10億美元的投資。

根據低軌衛星公司對整個衛星系統的估計，該公司互聯網星座至少需要融資25億～30億美元，與一網公司差不多。與一網公司和太空探索技術公司順利獲得多家投資相比，低軌衛星公司的融資則要困難很多。2015年6月，低軌衛星公司與美國紐約一家投資公司簽署了合作協議，由該投資公司負責幫助低軌衛星公司開展首輪融資用于衛星設計，同時，低軌衛星公司還將進行B輪融資，規模更大，直至進入初始衛星合同階段。

（2）頻率軌位與落地許可

1）頻率軌位。目前，一網公司已經獲得了Ku頻譜牌照，但Ka頻段被數家靜止軌道衛星運營商所有，因此一網公司需要花費一些時間與當地擁有Ku頻段的運營商協調，避免干擾靜止軌道衛星是一網公司開展Ka頻段頻譜協調面臨最大的問題。一網公司將會采用一項稱為“漸進俯仰”（Progressive Pitch）的技術，主動降低赤道下方的低軌衛星的功率，用于避免干擾Ku頻段靜止軌道衛星。目前，一網公司已經與擁有最多在軌衛星的通信衛星運營商國際通信衛星公司（INTELSAT）展開合作，達成相關合作協議，方便頻率協調的開展。

太空探索技術公司主要通過挪威向國際電聯申報了頻率和軌位。申報的衛星星座稱為STEAM－1/ STEAM－2，衛星數量4257顆，使用Ku和Ka頻段，運行在43個軌道面。此外，太空探索技術公司還通過美國無線電通信委員會（FCC）向國際電聯申報了6～8顆Ku頻段試驗衛星的申請，首發星微衛星－1a和1b（MicroSat－1a和1b）預計壽命1年，運行在軌道傾角為86.6°、軌道高度為625km的圓軌道。

美國一網公司“漸進俯仰”技術概念圖

2）落地許可。在歐洲、美國和巴西這樣的國家，取得落地權沒有問題，但在印度和中國這樣的國家，就需要做大量的工作。一網公司也在積極的努力當中，與印度和墨西哥當地的運營商展開合作，希望通過這些了解當地法律法規的企業獲得落地權。

（3）衛星制造與發射

1）衛星制造。一網公司決定采取與衛星制造商合作的方式共建衛星。該公司將在美國共同開設一個衛星制造工廠，并負責確定衛星的指標和整個工程的監造。首批衛星制造將于2017年啟動，絕大多數衛星將于2018年發射。空客防務與航天公司成為一網公司衛星的主承包商。一網公司衛星研制與傳統靜止軌道衛星最大的不同在于衛星的批量生產，一般情況下，傳統衛星制造商每年最多制造10～15顆衛星，但空客防務與航天公司將傳統飛機批量制造的方式引入衛星制造，并把這樣的研制模式稱為“跨界”。

與一網公司不同的是，太空探索技術公司將自行研制衛星。雖然馬斯克并沒有透露到底采取何種技術，但可以肯定的是，太空探索技術公司將以一種徹底的、打破原有游戲規則的創新方式，來實現衛星的研制。4000多顆的互聯網衛星不是太空探索技術公司制造工廠的終點，而僅僅是起點，馬斯克計劃將衛星互聯網計劃所孕育出來的技術、經驗和資本將用于未來新的地球科學和空間探測任務，從而最終實現馬斯克的夢想—在火星上建造城市。

低軌衛星公司計劃通過競標的方式最終選擇衛星制造商。在所有制造商當中，歐洲的泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）有著非常深厚的低軌星座研制經驗，它曾是全球兩大低軌星座—“全球星”（Globalstar）和“銥”（Iridium）衛星的主承包商。目前，該公司已經與泰雷茲-阿萊尼亞航天公司簽署了合同，由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司負責衛星的前期設計評估。之后，低軌衛星公司計劃通過招標選擇承包商，完成80顆在軌衛星研制，也會根據星座設計，衛星數量有可能增至120顆。

2）衛星發射。由于一網公司已經獲得了國際電聯授予的Ku頻率的使用權，并且要求在2018年和2020年完成衛星的部署，一旦未能完成衛星發射，則面臨著頻率使用權被收回的風險。因此，對于這個史上最大規模的商業衛星及時發射是非常關鍵的問題。在發射服務提供商的選擇方面，歐洲的阿里安空間公司（Arianespace）最終獲得了一網公司最大的商業發射合同，價值超過10億美元，擬發射650～720顆衛星。衛星將由阿里安空間公司的俄制“聯盟”（Soyuz）火箭進行21次發射。首次發射將在2017年底進行，包括10顆試驗衛星的發射，并開展在軌驗證。余下的20次發射火箭將會各自攜帶32～36顆衛星發射，并由空客防務與航天公司負責監制。

此外，維珍銀河公司作為一網公司的主要股東之一，也獲得了39次的發射合同，并可擴展至100次。這也是維珍銀河公司的小衛星運載火箭發射者－1（LauncherOne）的首個任務。39次發射任務將在未來5年內完成，每次發射攜帶的衛星數量將會根據任務規劃情況、運載能力和軌道位置確定，大約是1～3顆，作為阿里安空間公司的歐版“聯盟”火箭小批量的發射填隙。發射者－1目前尚在研制當中，主要優勢在于快速響應，發射價格不到1000萬美元/次。

英國維珍銀河公司的發射者－1空間概念圖

（4）營銷策略

在衛星互聯網服務和終端產品的營銷方面，一網公司也另辟蹊徑，采取了“跨界合作”的方式。在服務分銷商上，一網公司選擇的既有傳統寬帶服務提供的衛訊公司（VIASAT），也有一些印度和墨西哥電信運營商，甚至還創新性地將可口可樂公司作為一網公司終端設備和互聯網服務的銷售點。一網公司認為，像可口可樂公司這樣的大眾消費品公司的銷售經驗是衛訊公司等傳統衛星服務企業無法比擬的，它更加理解用戶的消費行為，在衛星互聯網主要面向的偏遠地區有著非常完善的銷售渠道。

馬斯克并沒有明確的營銷計劃，但是可以確定的是，太空探索技術公司的衛星互聯網星座的發展目標是為了盈利。因此，馬斯克不會提供免費服務。此外，太空探索技術公司還會通過銷售用戶終端來獲利，售價大約是在100～300美元。馬斯克希望通過該項服務獲得足夠的資本用于終極目標的實現上。

低軌衛星公司并不為大眾用戶提供網絡接入服務，只為大型企業和政府提供高速數據接入，未來計劃為3000家大型企業和機構用戶提供數據傳輸服務，將自身視為衛星固定運營商的容量補充。

3 新興初創航天企業發展對傳統通信衛星制造發展的影響與啟示

傳統衛星制造商的用戶——衛星運營商一直以來都面臨著來自地面通信運營商的激烈競爭，從帶寬、網速到價格，競爭無處不在。衛星運營商的優勢在于覆蓋，特別是在人煙稀少的山區或地面網絡覆蓋不到的海洋，雖然需求少，但卻無法替代。為了鞏固并發展用戶需求，衛星運營商不斷追求更優的技術、更低的價格和更快的研制周期。

更低的衛星研制和發射成本

目前，商業通信衛星制造領域最重要的發展趨勢是系統研制成本的下降，在傳統通信衛星制造領域，高吞吐量衛星（HTS）和全電推進是近幾年的發展熱點，其發展的背后均是運營商面臨的成本壓力。高吞吐量衛星能夠大大降低衛星的容量使用成本，全電推進技術能夠減少衛星攜帶的燃料，降低發射質量和發射成本，增加衛星的在軌服務壽命，或攜帶更多的有效載荷。歐洲下一代通信衛星平臺“新星平臺”（NEOSAT）已經提出將發展目標定為降低成本，由此可見，成本是通信衛星制造發展的重要趨勢之一。

初創航天企業在這樣的發展路徑上走得更快，它們開始使用非航天級別的商業現貨部組件，重建并簡化產品制造流程，以降低研制成本，減輕衛星的發射質量，選擇更具性價比的衛星發射方式。大規模衛星星座的發射有利于批量采購部組件，進一步降低成本。這使得集成商們可以更加信任它們的制造過程，在提高可靠性的同時降低了對驗證環節的需求，因為傳統衛星制造商們對衛星開展的各項測試與驗證是最耗時也是最“燒錢”的環節。

未來，通信衛星產業要想真正步入“爆發期”，衛星成本是最為關鍵的因素。一位商業投資者曾表示：“成本的降低意味著投資者對于風險的容忍度提高了，如果需要3億美元制造和發射一顆衛星，那就完全不允許失敗、不能冒風險，甚至不愿意嘗試新技術。但如果系統成本降低到上千萬美元，投資者就會愿意進行各種嘗試。”從產業發展來看，未來通信衛星產業將與其他高科技產業一樣，沿著“成本降低→用戶增加→成本繼續降低→用戶快速增加→人均成本降低到普及水平→用戶數量大爆發”的路徑快速發展，最終實現利潤的大幅提升。

更短的衛星交付周期

歐洲空客防務與航天公司3D打印的衛星部組件概念圖

傳統的GEO通信衛星的交付周期一般在24～36個月，雖然衛星交付周期不是產業發展的關鍵制約因素，但一些運營商已經提出希望能夠將交付周期縮短至12個月。因此，能夠縮短交付周期并且保證產品質量的制造商，在競爭中將會占有優勢。對于運營商來說，更短的交付周期能夠使其更快地回收投資，實現收支平衡，對于市場格局也了解得更明確；對于制造商來說，更短的交付周期能更好地幫助制造商優化設施和人員配備。

新興航天企業多采用小衛星，這是因為小衛星項目一般都比傳統衛星項目研制周期短，而大型衛星項目則需要較長的周期才能實現。同時，小衛星項目還可以輕易的轉移目標，更加適應瞬息萬變的市場需求。從技術上來看，一個比較明顯的例子就是增材制造（3D打印）技術，3D打印從計算機輔助設計（CAD）模型開始，利用傳統打印機逐層打印的概念，形成最終產品。如今這已不僅僅是一個概念，一些產品的價格已經降至1500美元。

行星實驗室公司就是一個典型案例。該公司計劃打造一個低軌立方體衛星星座實現對地球的快速重訪，分辨率能夠達到3～5m，該星座稱為“鴿群”（Flock），單顆衛星稱為“鴿子”（Dove）。該星座由數百顆衛星組成，然而并不是重復同一設計，而是分批設計、分批建造，每批建造的衛星可以克服上一批建造衛星在技術上的不足，同時也能夠根據市場需求進行改進和調整。行星實驗室公司將這樣的星座發展方式稱為“及早發布，經常發布”（Release Early，Release Often）。

另一大趨勢是模塊化和標準化。這主要源于兩方面的動力：一是發射限制。立方體衛星要求多星集成發射，如開始使用“多皮星軌道部署器”（P-POD）標準，這樣的模塊化標準為多星發射提供了機會，以及在小衛星領域對標準和接口的廣泛認可；第二個推動力來自供應商體系，小衛星容易實現規模生產，但是需要部件在一定程度上具有互操作的能力，從而衛星制造商能夠降低研制和集成成本，典型案例是能夠從公開的網站（如：CubeSatShop. com或ClydeSpace.com）上直接瀏覽或者購買立方體衛星部組件，并且標有明確的價格。

更貼近消費市場的商業模式

在過去的數十年里，傳統衛星制造的商業模式可以簡述為衛星運營商出錢購買制造商的產品和服務。初創航天企業在商業模式上也與傳統衛星企業有著明顯的區別，傳統衛星企業則更加關注機構用戶（例如商業公司和政府機構），初創企業則更加關注個人消費者。融資模式也有所不同，例如采用眾籌模式的Kickstarter眾酬網。在傳統衛星領域，由于所需資金量較大，眾籌很少出現，而初創企業則可以采用眾籌、天使投資等一般性的融資方式。例如，安德魯衛星公司（AdruSat）成功地獲得了來自Kickstarter眾酬網的投資，最終取得了一定成功，即如今的斯派爾公司（Spire）。

除了尋求外部投資，一些初創企業也積極開展對外投資和對內投資。例如，新千年航天系統公司（Millennium Space System）啟動了一項名為“引導程序”（Bootstrap）的計劃，該計劃主要為提升航天系統能力的新想法和概念進行投資。2014年夏天，該公司開展了一項創意征集活動，并保證會協助涌現出來的前6佳創意進行融資，如果認為足夠好的話，也會直接投資。

衛星制造融合發展

將小衛星領域涌現出來的先進經驗、技術和商業模式融入到傳統衛星制造中去已經成為了一種趨勢。國外傳統衛星制造商已經開始顯示出對小衛星的重視，并且給予了大量的資金支持。其中最著名的例子就是空客防務與航天公司于2009年收購了英國薩瑞衛星技術公司（SSTL）。另一個例子是波音公司2013年推出的“幻影鳳凰”（Phantom Phoenix）衛星平臺是由其下屬的幻影工作部設計完成的。幻影工作部主要致力于創新系統樣機的研究。

對于傳統衛星制造商來說，與初創企業合作或者收購初創企業都是可行的道路，大型制造商可以利用它們的資本和經驗上的優勢來幫助初創企業發展，而初創企業也在這樣的合作氛圍中獲得進入市場的資源，包括商業/市場關系、技術和基礎設施。例如，新加坡的ST電子公司（ST Electronics）與軌道-ATK公司合作，又如諾格航天系統公司（Northrop Grumman Aerospace System）與內華達山脈公司（SNC）合作。這樣的合作既可以幫助初創企業在市場上獲得一席之地，也可以將新的技術和創意用于傳統航天領域，持續提高企業的競爭力。

4 總結

國外互聯網衛星計劃未來發展的前景如何，可以從投資商的觀點看出一二。這些新興互聯網企業對于獲得投資非常有信心，事實證明他們確實做到了這一點。投資者對于這些新興企業非常有耐心，它們并不期待短期就會產生資本回報，他們賭的是這些初創企業和新的計劃能夠改變未來航天發展的格局。

過去10年，商業航天產業吸引了超過130億美元的投資，其中20%來自于投資公司和私營企業。這些企業期待的不僅僅是錢，他們希望改變世界。他們認為航天產業正處于快速擴張階段，許多傳統的地面企業也在進入這個領域。他們預測，到2030年，全球大約10%的GDP都將來自于航天。他們認為航天產業的未來沒有上限。