大型星座系統(tǒng)發(fā)展生態(tài)研究

張雅聲，賈璐，劉思彤

（航天工程大學(xué)，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(jīng)成為太空領(lǐng)域備受關(guān)注的熱點。雖然Starlink計劃的提出與實踐被認(rèn)為是航天領(lǐng)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(jì)90年代開始，陸續(xù)有諸如Globalstar、ViaSat、Iridium、波音等公司出于商業(yè)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(yōu)勢［1］。它們試圖提供與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)相競爭的全球通信系統(tǒng)，但最終都不同程度地遭遇挫折，有些項目甚至在發(fā)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(fù)雜系統(tǒng)，不僅在設(shè)計、制造、發(fā)射、操作等諸多層面面臨許多挑戰(zhàn)，而且還面臨建設(shè)成本高昂、市場需求小、商業(yè)模式不可持續(xù)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(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展為其誕生提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)和成熟的外部環(huán)境。

1 太空生態(tài)系統(tǒng)的概念

為了分析大型星座系統(tǒng)發(fā)展背后的驅(qū)動因素，本文借鑒自然界中的“生態(tài)系統(tǒng)”概念來描述太空系統(tǒng)內(nèi)各組織間的關(guān)系。

生態(tài)系統(tǒng)是由生物與外部環(huán)境共同組成，且兩者之間通過能量流動與物質(zhì)循環(huán)構(gòu)成一個具有自我調(diào)節(jié)功能的動態(tài)平衡系統(tǒng)。將這一概念合理遷移至太空系統(tǒng)可得到一個簡易的太空生態(tài)系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 太空生態(tài)系統(tǒng)示意圖

太空生態(tài)系統(tǒng)由參與太空活動、利益相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈和影響產(chǎn)業(yè)發(fā)展的外部環(huán)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(chǎn)業(yè)，包括與衛(wèi)星制造、發(fā)射、運營相關(guān)的公司和供應(yīng)鏈；3）融資來源；4）國家（航天和國防相關(guān)部門）和國際機構(gòu)（如ITU、IADC等）。其中，航天發(fā)射產(chǎn)業(yè)、衛(wèi)星制造業(yè)、服務(wù)運營商和市場用戶構(gòu)成一條完整的太空產(chǎn)業(yè)鏈，外部資金則是維持太空產(chǎn)業(yè)鏈平穩(wěn)運轉(zhuǎn)和保持活力的能量來源，同時，外部政策環(huán)境起到引導(dǎo)、制定規(guī)則的作用。可見，太空產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)翘丈鷳B(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

在太空產(chǎn)業(yè)鏈的4個主要環(huán)節(jié)中，市場及用戶的需求是太空產(chǎn)業(yè)鏈存在的根本，衛(wèi)星制造和航天發(fā)射的技術(shù)實力是太空產(chǎn)業(yè)鏈實現(xiàn)的前提，而服務(wù)運營則是太空產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展的關(guān)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(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本動力，太空產(chǎn)業(yè)也是如此。20世紀(jì)90年代，GPS在海灣戰(zhàn)爭中的突出表現(xiàn)，讓太空系統(tǒng)成為軍隊的寵兒。進入21世紀(jì)以后，遙感、通信、導(dǎo)航等太空系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，使得太空系統(tǒng)成為國家、社會、民生關(guān)注的焦點。

太空活動通常主要與政府部門、軍事機構(gòu)建立長期合作項目，依靠商業(yè)利潤主導(dǎo)的太空活動較少，主要原因在于市場需求的驅(qū)動力不足、太空產(chǎn)業(yè)的商業(yè)模式尚不成熟、太空產(chǎn)品成本高產(chǎn)量低等。近幾年，隨著太空技術(shù)不斷提高，工業(yè)制造成本降低，以及全球連通、社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型、物聯(lián)網(wǎng)、M2M等市場需求的迅速增長，極大刺激了太空系統(tǒng)的發(fā)展，尤其是大型星座的迅速發(fā)展［3］?？梢哉f，市場環(huán)境和用戶需求是促進太空產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展的強勁驅(qū)動力。

3 太空產(chǎn)業(yè)鏈的實現(xiàn)條件

3.1 衛(wèi)星制造

從衛(wèi)星制造角度，相較于過去提出的大型星座系統(tǒng)，當(dāng)前提出的大型星座之所以能夠發(fā)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(chǎn)效率，縮短了單星制造的周期；二是使用數(shù)字通信有效載荷、先進的調(diào)制方案、多波束天線和高效頻率復(fù)用方案提高了衛(wèi)星通信性能。此外，衛(wèi)星向小型化、模塊化、通用化方向發(fā)展，為衛(wèi)星的規(guī)?；a(chǎn)提供條件，從而大幅度降低了單星成本。相比以往動輒數(shù)千萬的衛(wèi)星成本，目前的小衛(wèi)星造價大幅下降，一顆質(zhì)量約260 kg的Starlink衛(wèi)星造價僅為50萬美元，并能實現(xiàn)單日制造7顆衛(wèi)星的產(chǎn)能，且成本還將繼續(xù)壓縮。圖2為Starlink衛(wèi)星模型。

圖2 Starlink衛(wèi)星模型

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

圖3 入軌衛(wèi)星數(shù)量逐年變化趨勢

從衛(wèi)星制造的整體發(fā)展趨勢來看，高、低軌衛(wèi)星分別向大、小2個方向發(fā)展：LEO衛(wèi)星依托建立大型分布式系統(tǒng)進行協(xié)同工作，衛(wèi)星向小型化、規(guī)?；a(chǎn)趨勢發(fā)展；GEO衛(wèi)星則追求功能更強，體積、功率更大。

3.2 航天發(fā)射

在航天發(fā)射產(chǎn)業(yè)中，一箭多星技術(shù)的成熟運用、火箭復(fù)用技術(shù)的突破性發(fā)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(fā)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(fā)射能力。造價4 500萬美元的“獵鷹-9”火箭復(fù)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(fù)使用12次。這些數(shù)據(jù)表明，只有重復(fù)使用、一箭多星等技術(shù)手段的使用才能控制航天發(fā)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(yè)航天背景下，在發(fā)射領(lǐng)域有一些公司正在積極探索采用小型發(fā)射裝置發(fā)射微小衛(wèi)星的模式。例如，維珍軌道公司正嘗試基于波音747的機內(nèi)發(fā)射系統(tǒng)，實現(xiàn)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(chǎn)業(yè)鏈的運行保障

4.1 融資來源

太空領(lǐng)域的資金注入猶如生態(tài)系統(tǒng)中源源不斷接收的能量，驅(qū)動太空產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)的發(fā)展。航天企業(yè)通常有6種資金來源，分別是風(fēng)險投資、私募、政府（機構(gòu)）撥款、銀行信貸、公募和并購。航天企業(yè)包含隸屬于國家政府的國有企業(yè)和商業(yè)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(yè)投資行為。

依靠政府支持是航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展最主要的資金來源，圖5統(tǒng)計了2020、2021年各國在太空領(lǐng)域投入的資金?？梢钥闯?，盡管新冠疫情的大流行給各國經(jīng)濟帶來沉重打擊，但是大部分國家在太空領(lǐng)域的支出仍然保持增長態(tài)勢。美國政府在2021年投入約545億美元，遠(yuǎn)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(lǐng)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(yè)航天蓬勃發(fā)展的背景下產(chǎn)生的。2021年，全球商業(yè)航天領(lǐng)域吸引了超過150億美元的總投資，打破了2020年創(chuàng)下的77億美元的記錄。圖6展示了商業(yè)航天投資總量的逐年變化趨勢?？梢钥闯?，風(fēng)險投資占據(jù)最大份額，在2021年達到90億美元。據(jù)統(tǒng)計SpaceX公司通過風(fēng)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(fēng)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(yè)航天公司通過公開募股籌集了40億美元，占全年總?cè)谫Y的28%。

圖6商業(yè)航天總?cè)谫Y逐年變化

圖7展示了OneWeb、SpaceX、Virgin Galactic、Blue Origin公司及其他商業(yè)航天公司籌集資金總量占比的逐年變化?？梢钥闯觯?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(yè)航天的市場活力顯著增加，越來越多的初創(chuàng)企業(yè)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(dāng)然依靠市場發(fā)展的同時也蘊藏著風(fēng)險，例如客戶基礎(chǔ)不確定、商業(yè)模式較混亂等；此外，上市公司還面臨未能兌現(xiàn)財務(wù)目標(biāo)會影響其股價的壓力，這些潛在風(fēng)險可能會對商業(yè)航天的發(fā)展帶來負(fù)面影響。

圖7 商業(yè)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(wù)市場，這是由于通信服務(wù)是衛(wèi)星業(yè)務(wù)盈利的主體。據(jù)統(tǒng)計，2020年衛(wèi)星服務(wù)盈利總額占航天業(yè)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(yè)務(wù)占到1 152億美元，遙感業(yè)務(wù)收益26億美元?？梢姡l(wèi)星通信服務(wù)市場巨大，未來將持續(xù)吸引行業(yè)資本涌入。

近幾年備受關(guān)注的低軌大型星座計劃幾乎全部致力于提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。從市場需求來看，該業(yè)務(wù)具有一定發(fā)展?jié)摿?。根?jù)ITU的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年，全球約95%的人口可使用寬帶網(wǎng)絡(luò)，4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率達到88%，意味著仍然有近9.5億人不能通過地面網(wǎng)絡(luò)接入4G互聯(lián)網(wǎng)［5］。如果商業(yè)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(jù)圖8中的統(tǒng)計結(jié)果，4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地區(qū)主要分布在最不發(fā)達國家、內(nèi)陸發(fā)展中國家和小島嶼發(fā)展中國家的農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)，這些地區(qū)的人們消費能力相對較弱，這要求面向這些地區(qū)的衛(wèi)星寬帶運營商提供更具價格競爭力的服務(wù)。

圖8 2021年全球各地區(qū)接入4G網(wǎng)絡(luò)人口分布

截 至2022年3月，Starlink已擁有25萬衛(wèi)星寬帶用戶，包括普通消費者和企業(yè)。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(yù)計300億美元的建設(shè)成本，但隨著Starlink系統(tǒng)的不斷更新完善，將會吸引越來越多的用戶。有關(guān)學(xué)者預(yù)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(yè)務(wù)是為偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶提供寬帶服務(wù)，但它也在尋求開辟新的市場，目前較明確的是Starlink準(zhǔn)備進軍航空業(yè)，計劃為商用客機提供可替代傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)接入的服務(wù)。

4.3 國家政策

國家（機構(gòu)）的相關(guān)政策為太空產(chǎn)業(yè)鏈的運轉(zhuǎn)創(chuàng)造了適宜的外部環(huán)境。第一，國家制定的相關(guān)政策具有方向性和宏觀指導(dǎo)性作用。與國家發(fā)展方向一致的項目、企業(yè)更容易在競爭中得到更大的發(fā)展空間。一些符合國家安全需求和戰(zhàn)略目標(biāo)的項目會受到政策鼓勵、資金支持。第二，國家政策具有規(guī)范市場秩序的作用。由于商業(yè)航天近年來發(fā)展迅速，一些并不具備創(chuàng)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(xiàn)象需要通過制定具體政策進行規(guī)范和約束［7］。第三，一些機構(gòu)制定行業(yè)規(guī)則起到約束、規(guī)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(xù)發(fā)展態(tài)度。相關(guān)國際機構(gòu)起到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)調(diào)發(fā)展的作用，例如ITU管理無線電頻譜，通信衛(wèi)星進入太空需要依靠其進行頻譜分配。

5 結(jié)束語

大型星座是在用戶需求、商業(yè)利潤的刺激下催生的，并以太空制造行業(yè)、航天發(fā)射能力的飛速進步為工程實踐的技術(shù)基礎(chǔ)，此外，資本的不斷注入，以及政策環(huán)境給予的極大發(fā)展空間，才最終使得諸如Starlink這樣的大型星座系統(tǒng)得以實現(xiàn)。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(yè)和發(fā)射服務(wù)業(yè)的發(fā)展，也吸引了更多資金的投入。可見，大型星座的產(chǎn)生不僅得益于當(dāng)前合適的行業(yè)發(fā)展生態(tài)，而且可為太空生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展助力。■