《国际太空》《卫星应用》
            
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重磅 | 从两代非地球同步轨道通信卫星星座系统看商业航天发展(摘编)
来源:本站作者:蓝天翼 

蓝天翼 (北京羽寻科技有限公司)


新一轮商业航天热的兴起,不能不说要将世界连成一张网的一网公司(OneWeb)的一笔大融资——10亿美元,即使是热钱云集的虚拟现实、无人机和互联网行业,也会对这个数字叹为观止,而这仅仅是一个非地球同步轨道(NGSO)通信卫星商业航天公司第二轮的融资金额。与此同时,美国、加拿大、印度、英国和中国都有类似2020年建成非地球同步轨道通信卫星星座计划宣布,每个星座系统的最低成本都在数十亿美元量级,这不禁让业内的大佬们惊呼,2000年的那次“繁荣”,又回来了!笔者身处中国“商业航天”大环境中,希望能够通过对2000年那次“繁荣”的回顾,展望一下2020年的非地球同步轨道通信卫星星座。



1 2000年的那次“繁荣”


笔者并没有亲身经历1990-2000年的那次“繁荣”,没有太多切身感受。由于铱星公司(Iridium)、全球星公司(Globalstar)和轨道通信公司(Orbcomm)是1990-2000年那次“繁荣”中仅存的3个仍在业务化运行的公司,因此,笔者从这3个曾经代表了非地球同步轨道通信卫星星座“繁荣”的公司和一些相关资料来展开研究,以期能够找回一些过去的影子。


美国第一代“铱”星


先后进入破产保护


1990年前后,一群激情澎湃的人论证了许多解决当时“通信鸿沟”的方案,其中不乏用卫星作为全球无缝接入的大计划。2000年,“铱”卫星系统、“全球星”系统、“轨道通信”系统这3个堪称当时世界奇迹的卫星星座陆续上天了,100多颗卫星组成的3个星座在很大程度上提振了航天人对于商业航天,特别是低轨通信卫星市场的信心;2010年后,3个低轨通信星座都开始筹划或发射第二代星,并将在2020年前全部完成组网。30年来,这一切都显得那么的顺理成章,但实际的故事却是一波三折,2000年前后,也就是在3个星座分别完成部署后的1~2年内,三大低轨通信卫星公司先后进入了破产保护。


政府与资本接盘资产


在3家公司进入破产保护后,卫星通信服务依然在艰难地维持着,政府和投资公司不久后成为了“接盘侠”,将3家公司低价收购。


尽管现在对于“铱”卫星系统当年的建设费用说法不一,但比较统一的数字是50亿美元以上,而这样一个重资产的卫星公司在进入破产保护条例后,却被政府仅以3500万美元接盘;耗费与“铱”卫星系统相当的“全球星”系统以4300万美元被瑟默资本(Thermo Capital)收购。最后新铱星公司和新全球星公司重新成立,而这时新成立的卫星公司已经甩掉了数十亿美元的资产包袱,轻装上阵。


以3500万美元收购一个拥有66颗卫星的“铱”卫星星座系统,这在任何一个时代都是不可想象的,但这却真实的发生在了2001年的美国,更何况,即使时至今日,“铱”卫星依然是具有技术先进性的星座系统,Ka频段的星间链路和路由技术依然是见诸各类学术期刊杂志的“黑科技”。


如何赚50亿美元


如果当年的铱星公司没有破产重组,势必面临一个很简单的问题,就是如何收回成本并盈利。作为20世纪90年代“连通世界”的计划,当时,铱星公司展现在投资者面前的是这样一幅蓝图:“铱”卫星系统将为全球任意地点无缝提供话音和网络的接入服务,如果用户能够达到600万,按照当时并不成熟的地面蜂窝网通信资费计算,系统回本并盈利的前景非常美好。


但从新铱星公司财务报表看,该公司年收入在2005年后逐年递增,在2014年当年收入达到4亿美元,运营成本0.8亿~1亿美元,净利润约3亿美元,也就是说,甩掉数十亿卫星资产后的新铱星公司,在系统完成部署后的15年间,理论的最大盈利金额也仅达到45亿美元,而这显然还不够填补星座系统投入的50亿美元。


问题根源


国内外有许多关于“铱”、“全球星”和“轨道通信”这三大星座系统的讨论,综合起来的结论就是他们都是技术成功但商业失败的“经典案例”。


尽管三大星座系统起步在20世纪90年代初,其与当时的地面蜂窝网设计指标和功能基本相同,但胜在覆盖范围更广,全球无死角,这对当时用得起移动通信的用户群体无疑是更有吸引力的,因此,人们普遍达成共识,只有卫星通信才是真正的“全球通”。


但在2000年三大星座完成部署投入使用的时候,日本和欧洲已经启动了商用3G的服务。也就是说,只相当于地面2G网络水平的三大星座系统在完成部署后,要跟地面的3G系统进行竞争。而且随着地面网络布设的逐步完成,卫星星座建设的10年间,用户手机终端和资费价格不断降低,三大星座系统的竞争力除了具有全球无死角的优势之外,其他各方面优势均在迅速消失。


美国1991-2000年地面蜂窝网

用户数预测与实际值


以“铱”卫星系统为例,其商业计划中描述的用户数量预期是600万,但16个月的正式运营后,其用户总数仅为50000。纵使摩托罗拉公司是当时移动通信的霸主,其对卫星通信系统和地面蜂窝系统的错误估计和预期,成为整个项目最大的问题。而即使我们现在反观600万这个全球用户数量,也不难发现,这跟全球现在的移动用户的数量也相差巨大。据《爱立信移动市场报告》2016年版数据显示,2015年全球移动用户数量为73亿,而仅使用全球移动通信系统(GSM/EDGE,相当于三大低轨通信系统能力)的用户数量也达到了36亿。


2  2010年的这次“重生”


在2010年的这波“重生”热潮中,三大低轨通信星座都没有缺席。“全球星”由于一代星S频段发射机的故障影响了双向应用,率先启动了二代星计划,并在2010-2013年完成了第二代星的发射;轨道通信公司在经历2008年的6颗新卫星补星失利后,2014-2015年完成了第二代星的发射工作,两代轨道通信卫星共同在轨提供服务;系统最复杂和耗费最高的“下一代铱卫星”(Iridium-NEXT)星座在2017年1月发射了首批的10颗卫星,由于“铱”卫星系统的复杂性和太空探索技术公司(SpaceX)一再推迟发射,预计2018年才能够正式投入运营。至此,三大低轨通信系统在经历了那次“繁荣”和破产保护之后,似乎都“满血复活”了。


复活的成本几何


据统计,第二代“轨道通信”星座的18颗卫星研制费用为1.17亿美元,太空探索技术公司发射费用4260万美元,合计约1.6亿美元;第二代“全球星”的24颗卫星制造费用7亿美元,发射费用2.1亿美元,合计约9.1亿美元;第二代“铱”星的81颗卫星研制费用23亿美元,发射费用5亿美元,合计约28亿美元。从复活的成本来说,3家低轨通信星座的建设成本费用都大幅下降了。


不仅如此,第二代低轨道通信卫星星座的数量除了铱星公司,全球星公司和轨道通信公司的星座数量都进行了几乎50%的缩减,但单星的质量和功率都进行了提升,也就是说,三大星座在这次“复活”中都进行了“减员增效”。成本降低,性能提升,从星座设计本身看,如果还能够满足服务区域的覆盖和老用户的保持,这些改进无疑是在第一代星座基础上降低了破产风险的一大利器。


三大低轨通信卫星系统的指标(表略)



如何挣回付出的成本


重新回到第一代星座的问题,尽管成本降低了,但几亿美元的成本还是必须的,那么怎么挣回来依然是三大复活星座的当务之急。美国联邦航空管理局(FAA)给出了3家公司在2006-2014年的收入情况汇总,笔者通过对3家公司2016年的财报情况进行梳理,得到2015年全年3家公司的收入情况:全球星公司最低,为9049万美元,轨道通信次之,为1.78亿美元,铱星公司最高,达到4.11亿美元。


结合2006-2014年的收入图表和2015年的数值,我们不难发现,铱星公司和全球星公司都进入了平稳期,而轨道通信公司在近几年则出现了快速的增长,特别是2014-2015年,其收入增长了几乎70%。如果铱星公司保持每年1%的收入增速,全球星公司保持每年5%的收入增速,轨道通信公司保持每年10%的收入增速,那么10年后,3家的总收入分别是:全球星11亿美元,轨道通信公司38亿美元,铱星公司43亿美元。


铱星公司2006-2014年        收入曲线(略)

轨道通信公司2006-2014年  收入曲线(略)

全球星公司2006-2014年     收入曲线(略)



第一代星的旧遗产


通过分析,仅仅从现有业务的延续和收入的稳定增长来看,3家破产过的低轨通信星座运营商就能够基本保证空间段的成本回收,因此,第二代星靠对第一代星旧遗产的继承似乎足够支撑他们顺利跨入2026年了,这里将着重分析一下旧遗产的共性。


1)频率。在20世纪90年代初期,3家公司分别完成了相关的频率储备工作,在联邦通信委员会(FCC)和国际电信联盟(ITU)“备案”。


2)用户。3家低轨通信运营商通过近15年的积累,最重要的资源之一便是用户。


3)市场。尽管上面分析的用户数量全球才不到400万,相对于目前成熟的地面移动通信用户数量完全可以忽略不计。但值得注意的是,仅380万不到的服务用户,带来的服务收入总额约为4.9亿美元。


4)系统工程能力尽管现在诸多的星座在各类新闻和报告中跃跃欲试,不难发现卫星技术几乎已经成为各类星座最不受关注的问题,但不能不说的一点是,现在除了这三大低轨星座,还没有第四个能与之相提并论的通信星座出现。


第二代星座的新思路


上述着重分析了三大低轨通信卫星星座的第二代星座重生的思路,但这样的第二代星的建设逻辑似乎显得太单薄,作为失败过一次的巨人们,难道在新的星座上天时仅仅是继承上一代的一切,继续赚现有用户的钱?当然不是。3家公司的第二代星座在继承第一代星座的基础上都开发了针对自身用户特点的新应用。


1)“轨道通信”星座服务的客户经过多年的演变,逐渐锁定在了货物监控和物联网领域,因此轨道通信公司在2008年就尝试在6颗试验星上搭载了自动识别系统(AIS)载荷。


2)第二代“全球星”积极开拓的业务领域很多,包括与自动相关监视广播科技公司(ADS-B Technology)提供的服务,为微小卫星提供数据中继服务等,但最值得关注的是地面低功率服务(TLPS)业务,即天地共用“全球星”的卫星-地面频点,在地面提供无线局域网服务。


3)第二代“铱”星则更加大胆,由于“铱”卫星采用的泰雷兹-阿莱尼亚航天公司的卫星平台在设计阶段就具有50kg的搭载余量,因此铱星公司广泛征集了搭载载荷的方案,让那些想要具备全球覆盖和星间链路的服务商能够以搭载第二代“铱”星的方式完成全球星座的建设,而不是自己去设计一个卫星星座。


从上面3家第二代星座新的做法不难看出,基于各自现有用户的细分领域和各自现有系统的最大优势去深度发展是3家低轨通信服务商的新套路。轨道通信公司的优势在航运和货运类用户,全球星公司的优势在于2483.5~2500MHz的优先权,而铱星公司的优势在于真正的全球实时系统。从更深层次来看,是3家都彻底转换了“最初的梦想”,从与地面网竞争转向与地面网的合作和补充,在各自的细分领域发展。


3  2020年的星座风暴


2010年之后,以另外三十亿人公司(O3b)为代表的另一波太空互联网势力开始兴起,他们致力于为不易接入互联网的终端用户提供低成本的宽带接入服务。另外三十亿人公司率先在2014年完成了12颗中轨道卫星星座的组网,并将在2017年把星座进一步扩大到20颗中轨道卫星;与此同时,以一网公司为代表的接近1000颗卫星的低轨宽带卫星星座也进入了大众视野;随后,太空探索技术公司宣布了4000多颗卫星的低轨宽带卫星星座计划,波音公司(Boeing)宣布了采用V频段的近3000颗卫星星座计划;而在2016年11月15日,包括卫讯公司(Viasat),加拿大卫星电信公司(Telesat)在内的高轨通信卫星运营商纷纷宣布了中低轨宽带卫星星座方案。至此,第二次非高轨通信卫星星座的热潮在2010年后彻底形成。


似乎都像说好了似的,10000多颗低轨通信卫星的格局形成了,以至于在2017年,如果一个公司只是宣布了一个像铱星公司一样66颗卫星的星座计划,都不会被排到2020年星座风暴的前10名。让我们来看看这些一百颗星以上计划的阵容吧:三星公司4600颗卫星,太空探索技术公司4425颗卫星,波音公司2956颗卫星,一网公司900颗卫星,以色列空天全球公司(Space and Sky Global)200颗卫星,印度艾斯卓姆科技公司(Astrome Technology)150颗卫星,加拿大开普勒通信公司(Kepler Communications)140颗卫星,加拿大卫星电信公司 117颗卫星,忒亚控股公司(Theia Holdings)112颗卫星,低轨卫星公司(Leosat)108颗卫星等。就在2月25日截稿时,一网公司新公布了1972颗星的二代星座计划,这使得该公司的卫星数量也跃至2872颗。


以色列空天全球公司2020

200颗立方星对地覆盖图


窄带更窄,宽带更宽


我们对这些星座所使用的频段做了一个统计和整理,发现从工作频段来说,覆盖了特高频(UHF)和C/Ku/Ka/V两类,在低轨移动领域耳熟能详的L/S频段恰好没有任何一家星座风暴运营商使用。究其原因,铱星公司和全球星公司已经对该领域进行了瓜分,新进者很难再从该频段上分得一杯羹了,所以大家都瞄向了特高频和C/Ku/Ka/V频段。


而从应用领域来说,上述星座也分为两类:一类运营商主打窄带物联网概念,做的是跟轨道通信类似的事情,用比轨道通信公司更低的单星成本、更多的卫星数量和更先进的通信技术,完成窄带物联网星座的部署;而另一类运营商主打卫星宽带互联网概念,做的是跟目前高轨高通量卫星类似的事情,用成百数千颗卫星完成对地球任何一个角落的覆盖,提供宽带接入的服务。


由此我们得出了一个2020年星座风暴的大趋势——窄带更窄,宽带更宽。窄带窄的不是带宽,而是更聚焦的应用;宽带宽的也不仅仅是频带,而是更广泛的使用。


昨日重现


可能读者会认为“重现”是因为2000-2010年间的三大低轨移动通信星座,但并不完全是。我们所熟知的“轨道通信”、“全球星”和“铱”星其实只是那个时代存活到今天的星座。在20世纪90年代末期的那次星座繁荣,跟2020年的这回星座风暴非常相似。


1998年,美国联邦航空管理局曾经对当时火爆的低轨星座进行了一个详尽的梳理,将当时公开的低轨星座按照大低轨(Big LEO)、小低轨(Little LEO)、微低轨(Micro LEO)和宽带低轨(Broadband LEO)进行了分类,最后统计结果是共有51个系统。


由此看来,那个熟悉的时代又回来了,从2000-2020年的商业航天版图,低轨通信卫星星座一直都在。


20年间的变化


一网公司在2016年底拿到了软银(SoftBank)的10亿美元融资,一时间,坊间对一网公司赞誉有加,对一网公司的股东构成和星座系统稍微有点研究的评论都会说,一网公司的商业模式非常有创意。


其实把时间拉回到20世纪90年代末期,一网换成全球星,故事几乎是一样的。“全球星”项目起源于1991年,是由劳拉空间系统公司和高通无线技术公司一起成立的;1994-1998年,全球星公司的股东增多,包括阿尔卡特公司、空中通讯公司、德意志航空航天公司、现代公司、沃达丰通信公司、戴姆勒奔驰航空航天公司、法国电信公司、中国电信(香港)公司都加入了全球星公司的股东队伍,大家一起为“全球星”项目投资高达26亿美元1)。若要说股东构成,全球星公司更丰富,几乎所有一网公司的元素都有;要说资金实力,全球星一点不差,项目成立3年就有18亿美元投资倒账(同期的一网公司只有17亿美元);要说技术能力,劳拉公司和高通公司不会逊色于现在空客集团(Airbus)和高通公司的组合。那问题来了,20年过去了,到底哪里变了?


笔者认为,两次卫星互联网的热潮背后,是航天工业化基础实力的体现,是用户通信需求不断变化的反映,因此从这两个角度去阐述两次卫星互联网的区别。


1)技术基础不同


1990年,“铱”星和“全球星”作为两个低轨通信星座的代表,与2020年要发射的太空互联网星座的技术基础出现了很大不同。


1)卫星通信技术基础:


·通过对卫星互联网的梳理可以发现……


·而从星间链路角度分析……


·再从通信技术整体分析……


可以看出,1990年的卫星互联网通信技术基础和2010年后有着重要的区别。


2)卫星平台技术基础:


英国萨瑞大学自1986年开始研制微小卫星,到2000年立方体卫星(Cubesat)标准在美国出现,整个卫星平台的技术向着集成度更高,成本更低的方向发展。1990年的卫星互联网星座的卫星平台都是沿用了之前高轨卫星的设计思路,即高可靠性,高性能;而2010年后的卫星平台设计则大量采用了快速迭代、批量化生产和不追求超高可靠性的地面产品思路,“一网”星座计划是648颗在轨卫星,却设计了近300颗替代星,而且一网公司的卫星工厂思路也着实让整个产业眼前为之一亮。


美国一网公司的卫星工厂效果图


正是因为有更先进的卫星平台技术基础做支撑,我们才看到了一网的卫星成本50万美元的希望,才看到太空探索技术公司4000多颗卫星能够在5年内完成部署。


2)时代背景不同


1990年,地面的全球移动通信系统规范说明刚刚完成,而芬兰于1991年就开始全球的首次商业运营,同时期出现的第一次卫星互联网热潮与地面全球移动通信系统几乎同时期提出。就像1943年IBM主席托马斯·沃特森当年预言全世界不会出现5台以上电脑一样,1990年时,未来的无线通信网到底会发展成什么样恐怕只有未来的人才会知道。


而尽管是同时开始发展,但在1998年低轨星座们开始部署的时候,地面全球移动通信系统已经完成了几乎全球的普及,开始由第三代合作伙伴计划(3GPP)开始进行下一代移动通信网,也就是3G的规范制定了。尽管铱星和全球星以几乎最快的速度完成了星座部署并开始提供全球服务,但经过10年发展的地面网在成本和速率上都出现了一定的优势。这直接导致了铱星和全球星始终无法达到其商业计划中保持盈亏平衡的用户数量,间接导致了两家公司进入破产保护。


而2010年前后的时代背景已经完全不同,3G的快速普及使得发展中国家的民众也能够用得起高速的无线宽带,地面网的快速发展使得地面无线网的频谱资源出现了前所未有的匮乏,越来越多的国家淘汰GSM,将GSM频谱划为4G/5G频点,国际移动通信-2020(IMT-2020)计划也在稳步推进。这时的卫星通信运营商已经从1990年的与地面竞争变成了与地面合作的姿态,帮助地面无线通信运营商覆盖原先覆盖不到的区域,成了2010年后的第二次卫星互联网的主旋律。


无论是另外三十亿人公司还是一网公司,在其商业计划描述的应用场景中,都包括了在用户属地进行4G主干网接入的业务,这也就意味着这2个卫星互联网从构架上就是为地面网服务的,其主要解决的不是“最后一公里”的问题,这个问题还是要由地面网来完成,卫星只是作为中继解决了基站间的连接问题。


因此,在不同的时代背景下,两次非地球同步轨道通信卫星星座系统是分别作为地面网的竞争者和合作者出现的。



4 2000-2020年的国际态势看中国商业航天发展


近20年的两代三批非地球同步轨道通信卫星星座系统的发展几乎贯穿了地面2G通信向4G/5G通信发展的历程。我们在分析和总结这个领域的商业航天发展的时候,始终不能离开对地面网发展状况的比较。这个领域的商业航天经历了与地面系统从竞争到共存,再到补充的过程,这与通信要达到的互联互通目的和地面系统的快速发展有着非常重要的关系。20年前,我们可能想象不到现在的移动互联网能够发展到百兆级的速率;现在,我们也很难想象,如果到了一个没有网络的地方会有多么可怕。


从发展趋势来看,下一步发展非地球同步轨道通信卫星星座的“一体化”是大势所趋,这个“一体化”不仅仅是现在热谈的“天地一体化”,还有“地球同步轨道-非地球同步轨道(GSO-NGSO)”一体化。国外的几大高轨通信运营商在完成了准全球覆盖和高通量卫星升级换代后,整合NGSO资源的步伐也是出奇的一致,国际通信卫星公司(Intelsat)投资一网公司,欧洲卫星公司(SES)并购另外三十亿人公司,加拿大卫星电信公司发展自家低轨星座,卫讯公司打算部署中地球轨道(MEO)星座。这是商业市场长期以来的必经之路,在商业市场开拓和经营的长期实践中,“合作”与“补充”是发展的主旋律,特别是在用户需求并没有完全被挖掘出来的卫星通信领域,由于不同的轨道特性和技术水平的限制,没有任何一个系统能够充分满足用户的所有需求,因此目前地球同步轨道(GSO)与非地球同步轨道在国际上已经进入了合作共赢的新阶段,这其中包括了频点资源、用户和技术等方面。


目前,中国也有许多正在酝酿和研制中的非地球同步轨道通信星座定位都不够清晰,特别是它们与地面系统和其他高轨通信卫星系统的关系并不明确。我国的高轨通信卫星运营商快速走出“GSO-NGSO”一体化的国际化路线并不现实,因此,“天地一体化”可能更适合我国的发展方向。我国拥有世界上最大的地面蜂窝网用户群,地面通信网络的发展速度也在3G之后步入全球领先水平,作为新非地球同步轨道通信星座,充分了解地面运营商的网络特性和运营方式,寻找到“天地一体化”的方向,从需求的角度出发,解决现实问题,未来的商业航天前景可期。


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