傳統地面站網運營商的“反擊”

+ 藍天翼

一、來自中繼衛星商業化的壓力

隨著商業航天的不斷發展，在許多領域開始出現“幸福的煩惱”——在決策一種解決方案時會出現多于兩種選擇。對于絕大多數充分市場化和商業化的行業來說這是非常正常的，但對于剛剛打開商業化和市場化大門的航天行業來說，卻顯得有些“不適應”。

比如我們在討論低軌互聯網浪潮時，可以考慮衛星接入或是地面蜂窩網；討論遙感衛星商業模式時，會考慮賣數據或是賣“答案”；討論高速通信最優解時，Q/V波段或是光通信都是可研討的選擇；討論低軌星座的網關站構架時，無論全球建站或是星間鏈路都有不少的支持者。

各路專家們總能找到一萬種理由支持一種、反對另一種，但因為這個行業的可參照對象太少，所以討論的意義一定程度上僅限于研究，畢竟實踐一次的成本太高，而現階段能夠承擔或愿意承擔的人，少之又少。雖然爭論不休卻很難有定論，但“選哪個”總比“沒得選”要好。

衛星數據的傳輸方式也是這樣，衛星中繼通信并不是唯一的解決方案。在中繼衛星的商業化趨勢之下，受沖擊最大的正是它的競爭對手——地面站網運營商。

從事地面站網服務的公司們過去幾十年可能都沒有想到，有一天，天上會出現商業競爭對手。

在2010年后，包括NASA、歐空局等“國家隊”陸續通過PPP模式進入商業衛星中繼服務的領域；2013年后，包括Audacy、AddValue和Near Space Launch等商業中繼衛星公司開始融資，進行在軌實驗，甚至已經開始提供商業化的服務……這一切都讓地面站網領域的老玩家們猛然驚醒，并開始感受到越來越大的壓力。

二、傳統地面站網運營商的“反擊”

對于本就是商業化的地面站網運營商，面對危機時的反應和應對一定是迅速而有力的。

2012年，傳統地面站網運營商發起了一次“反擊”——在當年的Sp ac e Op s（International Conf erence on Space Operations）會議上，有一篇名為《地面站網與GEO中繼衛星對極軌衛星數據的下載》的文章引起了筆者的注意。原因有三點：一是文章發表平臺是SpaceOps；二是合著文章的兩家公司是地面站網領域眾所周知的巨頭和競爭對手，挪威康斯伯格衛星服務有限公司（Kongsberg Satellite Services，KSAT）和瑞典空間公司（Swedish Space Corporation,SSC）；三是文章的立場、論述和最終起到的效果。以下分別論述。

1、SpaceOps大會

SpaceOps大會是一個國際學術會議，在國際測控領域擁有極高的知名度及權威性。會議由法國宇航局（CNES）主辦，由美國航空航天學會（AIAA）提供支持，是國際空間任務與地面系統社區致力于解決最先進的空間操作規則、方法和工具而舉辦的大型技術論壇。會議從1990年開始每兩年舉辦一次，廣泛吸引了全球的技術專家、科學家，航天機構、學術和研究所、運營商，以及工業屆的人士參與，能夠促進空間飛行任務所有領域的管理和技術交流。

我們收集了SpaceOps大會2002~2018年的全部論文，利用一個小時對論文題目做了一次簡單且不完全的詞頻分析，試圖尋找一些“衛星測控圈”的發展規律。

提取的關鍵詞涵蓋了目前測控領域的熱點及焦點，包括“小衛星”、“光通信”、“低成本”、“自動化”、“星座”、“云”和“大數據”。通過詞頻分析，我們得出了一個行業趨勢變化表（表1、圖1）。

如表1中所示，“自動化”作為現在測控領域常常被提及的一個詞，在SpaceOps會議上也同樣是最熱門的話題，從2002到2018年，包含“自動化”的論文題目的數量在幾個關鍵詞中，始終是最多的；而“星座”的詞頻，從2004年起逐漸增多至2010年達到頂峰后，2012和2014年連續兩屆被冷落，數量驟降，直到2016年后才再次被更多地提及；“光通信”一直不溫不火地發展到了2010年（2010年甚至數量為零），此后絕地反彈，涉及的論文逐漸增多；最明顯的變化來自“小衛星”一詞，我們將“Small/Micro Satellite”與“Cubesat”都歸入其中進行了統計，Cubesat在2014年首次出現，顯著地增加了小衛星話題的總數量，在2018年已經幾乎與“自動化”出現的頻次相當。

雖然這樣的分析并不全面，但仍能從一個側面反映國際測控領域學術熱點的變化。從技術上，“自動化”始終是熱點話題，在不同的發展階段，對自動化需求的領域和方法是不同的；而“光通信”逐漸成為興起的新方向；從趨勢上，“小衛星”隨著衛星發射數量的不斷增多成為了話題的熱點；而“星座”在2014年后再度被熱議，可以說與OneWeb的出現不無關系。

圖1 Space Ops大會2002~2018年不同關鍵詞話題變化趨勢

圖2 KSAT公司南北極地面站

2、傳統地面站網運營商KSAT和SSC

2.1 KSAT公司

（1）雄踞地球最北和最南

KSAT公司成立于2002年，但其最早的運營經驗始于1967年在總部所在地挪威特羅姆瑟（北緯69°）建立的第一個遙測站，因此常常可以看到KSAT自稱有超過50年的地面站運營經驗。

1997年，KSAT公司的前身在北極圈內的斯瓦爾巴群島（北緯78°）建立了衛星地面站。現在業內人士常常在談到斯瓦爾巴的衛星地面站時就自然會想到KSAT，與KSAT在此的長期耕耘有直接關系。

2007年，KSAT建立了南極站Troll站（南緯72°），自此具備了全球獨一無二的“Pole-to-Pole”地面站網覆蓋能力（圖2）。

（2）KSAT的全球站網

在2005年，KSAT的業務量是每天150次的衛星過頂數據接收，2015年該指標達到了每天800次，2018年則達到了每年1200次。

這樣的增長，與KSAT在全球地面站網的快速擴張密切相關，上文提到KSAT在2007年建立了南極站，2009~2011年，KSAT又著力發展低緯度地區地面站覆蓋，在新加坡、毛里求斯、迪拜和南非建立了地面站系統，從而形成了覆蓋全球的地面站網系統（圖3）。

圖3 KSAT公司的全球地面站網分布

圖4 KSAT公司官網上羅列的服務項目

圖5 KSAT Lite服務的相關參數

（3）服務領域

從KSAT的股份構成看，KSAT是一家由Kongsberg集團和Space Norway各占50%成立的商業公司，其專注的領域經過50多年的發展，都集中在了衛星服務上。

KSAT官網的近20項服務項目（圖4）基本可以歸為兩種：利用衛星地面站網系統為航天器服務，及利用衛星地面站網系統為地面用戶服務。目前從地面站網系統的發展來看，越來越多的地面站網公司在向產業鏈下游開拓更多的服務和市場空間。KSAT也是如此，隨著衛星客戶越來越多，其逐漸發展出不少在衛星客戶的數據上做更多文章的業務。

（4）針對小衛星的服務

早在2013年，KSAT就注意到了小衛星業務的增長，但原有針對傳統衛星的解決方案，并不適用于小衛星。為此，2016年KSAT在其20個地面站址推出了KSAT Lite的服務（圖5）。

在此項服務中，KSAT主推的是“Baseline 3.7”，意為標準口徑為3.7m（也可以根據實際需求增大到4.2m）的天線。盡管KSAT在推出該服務之初，對于天線口徑的大小存疑，但實際應用后發現，KSAT Lite能夠完美地接收到小衛星下行的信號，原因是對于很多任務，都預留了過高的余量，而對于小衛星任務來說，由于它們更追求效率和成本，因此不必要的余量是可以被忽略的。

盡管KSAT Lite中包括UHF和VHF頻段的服務，但這并非是KSAT Lite為用戶推薦的方案，因為他們認為使用UHF和VHF頻段，嚴重的干擾會影響用戶體驗和服務品質。相反，KSAT Lite對于Ka-Band的推崇有加，很可能將成為改變小衛星測控和數傳市場的一個重要因素。

KSAT Lite服務吸引了不少私營航天企業尤其是小衛星運營商的關注，美國維珍銀河、美國遙感衛星公司Astro Digital、英國遙感衛星運營商Earth-i、美國電磁數據分析公司HawkEye 360、荷蘭物聯網衛星公司Hiber、日本流星雨衛星公司ALE等都與KSAT簽署了合作協議。2018年2月，基于美國硅谷越來越多的私營航天公司脫穎而出，KSAT在硅谷設立了辦公室以更好地為小衛星客戶提供服務。

（5）服務價格

針對不同客戶，KSAT提供的服務內容以及選用的地面站口徑不同，所以并沒有公開標準的服務價格，但我們通過官方發布的年度財報和相關數據，以及簽署的服務協議這兩個渠道，可以對其服務價格進行一定的推算。

首先，通過年度財報及官方數據推算。2014年KSAT公司總收入為6400萬美元，地面站服務收入占比為82%；2016年總收入為7200萬美元，地面站服務收入占比為82%。根據官方提供的數字，KSAT在2015年每日接收衛星過頂數量為800次，2018年為1200次。假設其2014年數量為700次，2016年數量為900~1000次，則可以估算出2014年KSAT的平均每次單次過頂服務費用為200美元，2016年KSAT的平均單次過頂服務費用為160~180美元。對于小衛星，這個服務價格會更低，而對于大衛星或服務優先級更高的衛星，這個服務價格會更高。

其次，通過簽署的服務協議進行推算。2012年，KSAT與NASA簽署了一項協議，將為日本的GCOM-W1衛星和NASA的JPSS衛星提供2012~2017年度的地面站服務，將使用KSAT的南極和北極站，總服務費用約2350萬美元。如果按照每天每顆衛星28次過頂計算，每單次過頂費用約為460美元。

以我國的一次招標數據作為參考——2016年，國家衛星氣象中心風云三號02批衛星租用南極地面站提供數據接收服務，中標方為KSAT公司，服務價格為282美元/單次過頂。可以看出，以上推算的結果基本合理。

2.2 SSC公司

（1）從兩極到全球

SSC與KSAT，同處北極的這兩家公司具有很多相似的特點：公司的前身都是在1970年前后成立，KSAT是在1967年，SSC是在1972年；而正式成立，KSAT在2002年，SSC則在2000年通過入股Universal Space Network公司，正式開始了地面站網商業化運營業務；KSAT和SSC的早期用戶都是名副其實的“國家隊”衛星；KSAT在2013年開始考慮為小衛星提供服務，SSC在2014年也開始同樣的戰略部署。

而從兩家公司布站的位置來看，都是基于北極，拓展到南極，然后開始布局中低緯度地區。SSC的最北站位于總部瑞典基律納（北緯67°）和加拿大的伊努維克（68°）；最南站位于智利蓬塔阿雷納斯（南緯53°）。相比較于KSAT，SSC最南和最北的地面站緯度都略低。

圖6 SSC公司全球地面站分布

圖7 SSC公司地面站網全球覆蓋圖

圖8 SSC公司針對小衛星推出“SSC INFINITY”

（2）全球地面站網系統PrioraNet

SSC的地面站網系統并非完全自主建設，其發展壯大與一個叫做通用空間網絡（Universal Space Network，USN）的項目息息相關，并且后續通過一系列合作和收購最終初步形成全球覆蓋。

USN產生于上世紀90年代后期，該項目致力于在全球具有戰略位置的地區建設大型且昂貴的地面站基礎設施，再利用地面光纖網絡連接控制中心。USN在設計初期并非服務于商業市場，這個項目的主要推動力來自NASA高層，NASA希望通過將近地軌道衛星的跟蹤服務外包給商業公司，來降低運行成本。因此，USN最早的用戶就是NASA，為其Small Explorer (SMEX)系列任務的衛星提供地面站網服務。 從NASA在2007年公布的地面站網圖可以看到，NASA采用了USN的3個地面站為其提供支撐。

與此同時，歐洲的SSC公司看到了相似的機會，開始開拓亞洲市場。1999年，SSC和USN建立了戰略聯盟Apriora，使得歐美的兩個地面站網運營團隊走到了一起，他們一起運營的地面站網起名為PrioraNet。

2000年，SSC入股USN ，占10%的股份；2008年，SSC從智利圣地亞哥的智利大學收購了其衛星地面站；2009年，SSC收購了USN全部股份，并與德國Blackbridge公司在加拿大北部城市伊努維克建立合資公司PrioraNet Canada；2014年，SSC收購了PrioraNet Canada的全部股份，將全球地面站網PrioraNet完全納入麾下（圖6、圖7）。

（3）服務于小衛星的SSC INFINITY

2014年，SSC公司提出“重要的時間和資源管理”概念來滿足新興航天市場的新需求，其中就包括針對小衛星的、不同于傳統的地面站網服務。

SSC指出，為微小衛星市場服務，最大的挑戰是需要“顛覆現有的思維模式和多年來建立的心理預期”，這要求SSC必須不斷地“評估和重新評估公司的組織”，是否“對這個新興市場有正確的心態”。

2016年，在美國Space Symposium會議上，SSC發布了專門針對小衛星和星座的解決方案“SSC INFINITY”。SSC INFINITY利用包括一系列高度自動化的新技術，使用經過優化的5m或更小口徑的全動態天線與小衛星和星座進行通信。同時SSC INFINITY推出了簡化的服務協議，基于優先級、天線尺寸、可用性和帶寬需求的不同的價格計劃，并可以根據服務和優先級最小化服務成本。

從圖8可以看出，SSC INFINITY未來計劃在中緯度地區部署更多的地面站，以滿足小衛星和星座的服務需求。

對于先前運營全球大型地面站網、服務于傳統大衛星市場的SSC和KSAT公司來說，及時的調整策略，努力為微小衛星和星座服務，是他們對市場的敏銳嗅覺和強大的全球實力的體現。

（4）SSC與我國的合作

我國與KSAT公司的合作更多是直接購買服務，而與SSC公司則在海外建站方面開展了較多合作。目前為止，多個中國國家項目在SSC總部建設有自己的地面站，例如中國遙感衛星地面站北極接收站（圖9），該站將顯著支撐我國高分對地觀測系統的數據傳輸工作。

3、友商聯手對抗新勢力

回到文章開頭提到的2012年SpaceOps會議上，KSAT與SSC公司合著《地面站網與GEO中繼衛星對極軌衛星數據的下載》一文的事件。經過上述分析，KSAT和SSC聯手撰寫此文的目的已非常清晰，正是因為上一篇文章中提到的歐洲“哥白尼”計劃，極有可能采用全激光的歐洲數據中繼系統（EDRS）解決方案，放棄X頻段的地面站直接接收方案一事。因此KSAT和SSC公司希望通過發表文章，比較地面站網和EDRS中繼衛星的優劣，來證明地面站網的方案更優。下面，我們只選取部分文章的分析內容，不做評述。

3.1合著文章的主要觀點

（1）覆蓋比較

地面站：考慮到歐洲地面站的位置，可以在LEO衛星的整個歐洲境內提供實時覆蓋。例如使用兩個現有的地面站就能夠提供全歐洲覆蓋，出于所有意圖和目的，這種覆蓋范圍可以提供給無限數量的衛星，因為只要總容量需求如此保證，就可以靈活地添加（低成本）天線。

中繼衛星：初始的 EDRS系統（2個在軌衛星載荷）能夠提供歐洲的覆蓋，一旦LEO衛星在EDRS LCT的視野中就可以進行星間激光通信。該系統可以提供完整、不間斷的覆蓋，每軌最多約45分鐘，但隨著同時用戶越來越多將受到限制。

圖9 中國遙感衛星地面站北極接收站，正是與SSC合作建設

（2）數據傳輸

地面站：現有的地面站可以確保所有衛星在整個歐洲地區的實時覆蓋，歐洲大陸上最長的地面軌道距離不到4500公里，相當于LEO衛星大約10分鐘的飛行時間。 直接接收過程中相應的數據量在X波段為90GByte（在未來的Ka波段系統中可能高出幾倍）。

中繼衛星：假設衛星可以在歐洲領土上持續傳輸10分鐘，通過中繼衛星實時可下載的數據量將是135GByte。 但是一旦每個激光通信終端服務的衛星數量大于2個，在歐洲通過期間發生沖突的可能性就會增大，從而不能保證實時覆蓋的程度，進而減少了下載量。

盡管計劃在2017年和2019年推出的另外兩顆數據中繼衛星將增加EDRS系統的總覆蓋面積和每日存儲數據的總下載量以及改善延遲，但不會改變如上所述的連接限制。

（3）數據容量

地面站：鑒于地面站的全球分布，最大延遲大約為50分鐘，并且X波段的總數據量下載容量大約為3.7TByte /天。 由于額外的天線容量安裝成本低，所服務的衛星數量對容量沒有特別的影響。地面網絡的最大延遲將由站點的數量和位置與所選軌道相結合來確定。

中繼衛星：隨著衛星數量的增加，中繼系統和地面網絡的容量計算方法不同，因為地面網絡可以更容易地適應可預測的負載。EDRS系統只能為少數衛星提供非常高的初始容量，但是如果沒有發射新的中繼衛星，則隨著入軌LEO衛星的不斷增多，其單星傳輸容量會大幅下降。

（4）成本考慮

歐空局投入2.75億歐元，空中客車投入超過1億歐元以完成EDRS系統的初期計劃，后續的兩顆衛星每顆需要2.5億歐元，但這么大的投入卻只能服務幾顆LEO衛星而已。除非預計的服務價格水平比地面站當前的商業模式高出一個數量級，否則綁架類似哥白尼計劃中的對地觀測衛星“哨兵（Sentinel）”等衛星客戶進行數據傳輸中繼的收入，將不足以使整個PPP計劃能夠為這些投資回收成本，更不用說賺錢了。

文章分兩種情況對EDRS系統和地面站網絡系統進行比較：EDRS作為一個完全由政府資助的項目，為政府項目提供中繼服務；EDRS作為一個服務于大量商業項目的系統，用商業收入維持系統開支。最終文章的結論是，KSAT和SSC公司希望有一個可讓用戶選擇的、而非由歐空局決定僅由EDRS來完成所有數據中繼接收的公平環境。文章發表于2012年，那么，最終這篇文章對ESA產生了什么影響？

3.2 “反擊”的戰果

從規劃看，哥白尼計劃中Sentinel系列衛星有5個系列是LEO衛星，其中：

· Sentinel-1系列衛星都配備了LCT激光中繼終端、X頻段600Mbps的數傳終端和S頻段的TT&C終端；

· Sentinel-2系列衛星都配備了LCT激光中繼終端、X頻段560Mbps的數傳終端和S頻段的TT&C終端；

· Sentinel-3系列衛星都配備了X頻段520Mbps的數傳終端和S頻段的TT&C終端；

· Sentinel-5系列衛星都配備了X頻段80Mbps的數傳終端和Ka頻段781Mbps的數傳終端；

· Sentinel-5p系列衛星配備了X頻段310Mbps的數傳終端和S頻段的TT&C終端；

· Sentinel-6/Jason CS系列衛星配備了X頻段150Mbps的數傳終端。

從數傳和測控配置來看，所有的衛星都配備有X頻段和S頻段的對地通信終端，而攜帶了EDRS中繼終端的衛星僅有Sentinel-1和Sentinel-2。

從目前實際的衛星運行狀況來看，Sentinel-1和Sentinel-2所使用的X頻段地面站分別是KSAT公司和歐洲一些國家宇航局位于意大利的馬泰拉站、西班牙的馬斯帕洛馬斯站和挪威的斯瓦爾巴站。

也就是說，KSAT和SSC公司2012年的那次聯手“游說”效果不錯，KSAT最終還是拿到了Sentinel項目地面站服務的生意，而SSC也并沒有丟掉其傳統的S頻段地面站測控的合同。