大型星座系統發展生態研究

張雅聲，賈璐，劉思彤

（航天工程大學，北京 100416）

0 引言

近年來，隨著Starlink星座和OneWeb星座計劃的付諸實踐，大型甚至巨型星座已經成為太空領域備受關注的熱點。雖然Starlink計劃的提出與實踐被認為是航天領域的顛覆性事件，但是大型星座的概念并非新鮮事物。自20世紀90年代開始，陸續有諸如Globalstar、ViaSat、Iridium、波音等公司出于商業目的提出此類計劃，這些公司很早就意識到大型星座在全球覆蓋、低延時通信等方面具有明顯優勢［1］。它們試圖提供與地面蜂窩網絡相競爭的全球通信系統，但最終都不同程度地遭遇挫折，有些項目甚至在發射前就被取消（如Teledesic、Celestri、Skybridge）。分析其原因，主要是大型星座作為一個復雜系統，不僅在設計、制造、發射、操作等諸多層面面臨許多挑戰，而且還面臨建設成本高昂、市場需求小、商業模式不可持續等問題［2］。然而，Starlink星座能夠突破這些困境得以成功實踐并非偶然事件，航天產業的持續發展為其誕生提供了豐富的物質基礎和成熟的外部環境。

1 太空生態系統的概念

為了分析大型星座系統發展背后的驅動因素，本文借鑒自然界中的“生態系統”概念來描述太空系統內各組織間的關系。

生態系統是由生物與外部環境共同組成，且兩者之間通過能量流動與物質循環構成一個具有自我調節功能的動態平衡系統。將這一概念合理遷移至太空系統可得到一個簡易的太空生態系統模型，如圖1所示。

圖1 太空生態系統示意圖

太空生態系統由參與太空活動、利益相關的產業鏈和影響產業發展的外部環境組成，具體包括4個主要部分，分別是：1）市場及用戶；2）太空產業，包括與衛星制造、發射、運營相關的公司和供應鏈；3）融資來源；4）國家（航天和國防相關部門）和國際機構（如ITU、IADC等）。其中，航天發射產業、衛星制造業、服務運營商和市場用戶構成一條完整的太空產業鏈，外部資金則是維持太空產業鏈平穩運轉和保持活力的能量來源，同時，外部政策環境起到引導、制定規則的作用。可見，太空產業鏈是太空生態系統的關鍵。

在太空產業鏈的4個主要環節中，市場及用戶的需求是太空產業鏈存在的根本，衛星制造和航天發射的技術實力是太空產業鏈實現的前提，而服務運營則是太空產業鏈良性發展的關鍵，它涉及到資金和政策等多方面的因素。

2 市場及用戶需求

市場需求是一個產業發展的根本動力，太空產業也是如此。20世紀90年代，GPS在海灣戰爭中的突出表現，讓太空系統成為軍隊的寵兒。進入21世紀以后，遙感、通信、導航等太空系統的廣泛應用，使得太空系統成為國家、社會、民生關注的焦點。

太空活動通常主要與政府部門、軍事機構建立長期合作項目，依靠商業利潤主導的太空活動較少，主要原因在于市場需求的驅動力不足、太空產業的商業模式尚不成熟、太空產品成本高產量低等。近幾年，隨著太空技術不斷提高，工業制造成本降低，以及全球連通、社會數字化轉型、物聯網、M2M等市場需求的迅速增長，極大刺激了太空系統的發展，尤其是大型星座的迅速發展［3］。可以說，市場環境和用戶需求是促進太空產業鏈良性發展的強勁驅動力。

3 太空產業鏈的實現條件

3.1 衛星制造

從衛星制造角度，相較于過去提出的大型星座系統，當前提出的大型星座之所以能夠發展起來，主要有以下幾方面原因：一是采用先進制造工藝（如自動化裝配、測試）提高了生產效率，縮短了單星制造的周期；二是使用數字通信有效載荷、先進的調制方案、多波束天線和高效頻率復用方案提高了衛星通信性能。此外，衛星向小型化、模塊化、通用化方向發展，為衛星的規模化生產提供條件，從而大幅度降低了單星成本。相比以往動輒數千萬的衛星成本，目前的小衛星造價大幅下降，一顆質量約260 kg的Starlink衛星造價僅為50萬美元，并能實現單日制造7顆衛星的產能，且成本還將繼續壓縮。圖2為Starlink衛星模型。

圖2 Starlink衛星模型

美國2019的《衛星產業報告》指出：“衛星制造是收入增長最快的商業航天基礎設計”。而事實也符合這一觀點，近年來，進入太空的衛星數量快速增長，僅Starlink星座的入軌衛星數量就已超過以往所有發射衛星的總和。圖3為根據已提出的發射計劃統計的在軌衛星數量逐年變化情況，可以看出，自2018年起，入軌衛星數量一直保持高速的增長趨勢。

圖3 入軌衛星數量逐年變化趨勢

從衛星制造的整體發展趨勢來看，高、低軌衛星分別向大、小2個方向發展：LEO衛星依托建立大型分布式系統進行協同工作，衛星向小型化、規模化生產趨勢發展；GEO衛星則追求功能更強，體積、功率更大。

3.2 航天發射

在航天發射產業中，一箭多星技術的成熟運用、火箭復用技術的突破性發展，對大型星座的成功部署起到了不可忽視的作用。目前，SpaceX正通過“獵鷹-9”運載火箭以一箭60星、每2周發射1次的頻率部署星鏈。如果“星艦”火箭試驗成功，可達到一箭400星發射能力。造價4 500萬美元的“獵鷹-9”火箭復用率可達到70%（除上面級外，幾乎全箭可回收），而目前的單枚火箭最多已重復使用12次。這些數據表明，只有重復使用、一箭多星等技術手段的使用才能控制航天發射的成本，才能使大型星座的部署成為可能。“星艦”運載火箭如圖4所示。

圖4 “星艦”運載火箭

此外，在商業航天背景下，在發射領域有一些公司正在積極探索采用小型發射裝置發射微小衛星的模式。例如，維珍軌道公司正嘗試基于波音747的機內發射系統，實現將300～500 kg的有效載荷送入太空。而這將為快速、靈活、低成本進入太空提供新的有效方式。

4 太空產業鏈的運行保障

4.1 融資來源

太空領域的資金注入猶如生態系統中源源不斷接收的能量，驅動太空產業鏈中各環節的發展。航天企業通常有6種資金來源，分別是風險投資、私募、政府（機構）撥款、銀行信貸、公募和并購。航天企業包含隸屬于國家政府的國有企業和商業航天公司，前者的融資渠道主要來源于政府、軍隊的資金支持，而后者主要依賴商業投資行為。

依靠政府支持是航天產業發展最主要的資金來源，圖5統計了2020、2021年各國在太空領域投入的資金。可以看出，盡管新冠疫情的大流行給各國經濟帶來沉重打擊，但是大部分國家在太空領域的支出仍然保持增長態勢。美國政府在2021年投入約545億美元，遠超其他國家，其中240億美元用于支持NASA的項目。中國位居第二，在太空領域投入約102億美元。

圖5 各國政府空間項目投入資金對比

大型星座是在商業航天蓬勃發展的背景下產生的。2021年，全球商業航天領域吸引了超過150億美元的總投資，打破了2020年創下的77億美元的記錄。圖6展示了商業航天投資總量的逐年變化趨勢。可以看出，風險投資占據最大份額，在2021年達到90億美元。據統計SpaceX公司通過風險投資獲取約18億美元；OneWeb公司獲取15億美元，主要源于Bharti Enterprises和Eutelsat公司風投活動的支持［4］。此外，另一個不容忽視的資金來源是公募集資，并且采用這種融資渠道獲取的資金總量正飛速增長。去年，全球商業航天公司通過公開募股籌集了40億美元，占全年總融資的28%。

圖6商業航天總融資逐年變化

圖7展示了OneWeb、SpaceX、Virgin Galactic、Blue Origin公司及其他商業航天公司籌集資金總量占比的逐年變化。可以看出，4家頭部公司的融資總額于2019年在整個市場的占比達到峰值，約占66%，此后，它們的占比呈逐年下降趨勢。這說明商業航天的市場活力顯著增加，越來越多的初創企業受到投資者的青睞。例如，Sierra Space、Relativity Space和Rocket Lab公司在2021年均籌集到超過10億美元的資金。當然依靠市場發展的同時也蘊藏著風險，例如客戶基礎不確定、商業模式較混亂等；此外，上市公司還面臨未能兌現財務目標會影響其股價的壓力，這些潛在風險可能會對商業航天的發展帶來負面影響。

圖7 商業航天公司融資占比逐年變化

4.2 盈利方式

目前，大型星座的盈利點主要面向通信服務市場，這是由于通信服務是衛星業務盈利的主體。據統計，2020年衛星服務盈利總額占航天業44%，達到約1 178億美元，其中以廣播、電視、寬帶、移動通信為主的通信業務占到1 152億美元，遙感業務收益26億美元。可見，衛星通信服務市場巨大，未來將持續吸引行業資本涌入。

近幾年備受關注的低軌大型星座計劃幾乎全部致力于提供寬帶互聯網服務。從市場需求來看，該業務具有一定發展潛力。根據ITU的統計數據，2021年，全球約95%的人口可使用寬帶網絡，4G網絡覆蓋率達到88%，意味著仍然有近9.5億人不能通過地面網絡接入4G互聯網［5］。如果商業航天公司能夠率先搶占這部分市場，則盈利空間是十分可觀的。根據圖8中的統計結果，4G網絡覆蓋不到的地區主要分布在最不發達國家、內陸發展中國家和小島嶼發展中國家的農村偏遠地區，這些地區的人們消費能力相對較弱，這要求面向這些地區的衛星寬帶運營商提供更具價格競爭力的服務。

圖8 2021年全球各地區接入4G網絡人口分布

截 至2022年3月，Starlink已擁有25萬衛星寬帶用戶，包括普通消費者和企業。按照目前每月99美元的寬帶費用，可為其帶來近3億美元的年收入。顯然，這一回報很難覆蓋其預計300億美元的建設成本，但隨著Starlink系統的不斷更新完善，將會吸引越來越多的用戶。有關學者預估，到2025年，Starlink的年收益 可 達到104億 美 元［6］。盡 管 目 前Starlink的 主 要 業務是為偏遠地區用戶提供寬帶服務，但它也在尋求開辟新的市場，目前較明確的是Starlink準備進軍航空業，計劃為商用客機提供可替代傳統互聯網接入的服務。

4.3 國家政策

國家（機構）的相關政策為太空產業鏈的運轉創造了適宜的外部環境。第一，國家制定的相關政策具有方向性和宏觀指導性作用。與國家發展方向一致的項目、企業更容易在競爭中得到更大的發展空間。一些符合國家安全需求和戰略目標的項目會受到政策鼓勵、資金支持。第二，國家政策具有規范市場秩序的作用。由于商業航天近年來發展迅速，一些并不具備創新能力、核心競爭力的公司抱有融資投機的幻想，為爭奪資源采取不良方式，擾亂競爭秩序。這些惡性競爭的現象需要通過制定具體政策進行規范和約束［7］。第三，一些機構制定行業規則起到約束、規范太空活動的作用。太空頻譜資源、軌道資源是有限的、無國界的，這需要各個國家在探索和利用太空時秉承可持續發展態度。相關國際機構起到統一標準、協調發展的作用，例如ITU管理無線電頻譜，通信衛星進入太空需要依靠其進行頻譜分配。

5 結束語

大型星座是在用戶需求、商業利潤的刺激下催生的，并以太空制造行業、航天發射能力的飛速進步為工程實踐的技術基礎，此外，資本的不斷注入，以及政策環境給予的極大發展空間，才最終使得諸如Starlink這樣的大型星座系統得以實現。同時，大型星座的不斷部署也起到了正向反饋的作用，刺激了制造業和發射服務業的發展，也吸引了更多資金的投入。可見，大型星座的產生不僅得益于當前合適的行業發展生態，而且可為太空生態系統的發展助力。■