紀凡策 李博 周一鳴
(北京空間科技信息研究所)
Internet of Things(物聯(lián)網(wǎng))被稱為繼計算機和互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)作為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的拓展與延伸,在新一代信息技術(shù)與商業(yè)市場的同步推進下應(yīng)運而生。近年來,衛(wèi)星發(fā)射成本與衛(wèi)星研制準入門檻不斷降低,大批初創(chuàng)企業(yè)蓬勃發(fā)展,旨在發(fā)展低軌物聯(lián)網(wǎng)小衛(wèi)星星座,為全球用戶提供低成本、廣覆蓋、低時延、大連接量的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù);以國際移動衛(wèi)星公司(Inmarsat)、銥星公司(Iridium)、歐洲通信衛(wèi)星公司(Eutelsat)等為代表的傳統(tǒng)移動和固定衛(wèi)星運營商也在該領(lǐng)域通過多種途徑開展布局,以尋求新的業(yè)務(wù)增長點。本文將基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)未來的市場和應(yīng)用前景分析,綜述傳統(tǒng)衛(wèi)星運營商與新興衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)企的發(fā)展策略、衛(wèi)星組網(wǎng)、業(yè)務(wù)布局等方面的進展,分析衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢,探討衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)面臨的機遇與挑戰(zhàn)。
根據(jù)全球多家咨詢機構(gòu)的預測情況,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)在未來全球物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
從市場規(guī)模來看,根據(jù)英國市場研究公司ABI Research的預測,到2024年將有2400萬臺設(shè)備通過衛(wèi)星實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)接入,而由此產(chǎn)生的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈將得到進一步的完善與發(fā)展。麥肯錫公司預測,天基物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)值在2025年可達5600億美元至8500億美元。美國北方天空研究所(NSR)預測,未來10年,亞洲將成為天基物聯(lián)網(wǎng)收入復合增長率超過10%的唯一區(qū)域[1],到2027年,亞洲將成為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場收入最高的區(qū)域之一,并將縮小與北美市場的差距。
2027年全球各地衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場分布預測
農(nóng)業(yè)管理、工程建筑、海上運輸和能源行業(yè)將成為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)最重要的應(yīng)用方向,并將對相關(guān)行業(yè)的發(fā)展模式產(chǎn)生重大影響。
農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面,可以通過衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)收集大面積農(nóng)場的土壤成分、溫度、濕度等數(shù)據(jù),經(jīng)過科學分析后得出利于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的最優(yōu)方案。澳洲Milk Smarts公司已利用低功耗廣域(LPWA)衛(wèi)星蜂窩移動系統(tǒng),為澳大利亞提供精準農(nóng)業(yè)解決方案。沃達豐(Vodafone)和Inmarsat合作利用基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案(LoRa)的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的廣覆蓋優(yōu)勢,能夠有效跟蹤農(nóng)場中的動物,通過識別動物的異常行為,對患病的動物進行早期治療[2]。
工程應(yīng)用方面,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)偏遠地區(qū)土木工程項目的遠程監(jiān)控。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)在土木工程行業(yè)的應(yīng)用將主要由拉丁美洲、中東、非洲和亞洲等發(fā)展中經(jīng)濟體推動。在許多工業(yè)化國家,土木工程行業(yè)目前正處于過渡階段,即從增加新資產(chǎn)到現(xiàn)有資產(chǎn)的維護,而基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)(SHMS)可為各類資產(chǎn)提供維護手段。預計到2022年,該市場將以每年25%的增速達到34億美元。
海運應(yīng)用方面,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)能夠全程跟蹤海上船舶和集裝箱,提高貨運效率。海上運輸是跨境運輸網(wǎng)絡(luò)的核心。國際海事組織(IMO)估計,全球90%以上貿(mào)易都是通過海上運輸。麥肯錫預測,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)在集裝箱跟蹤中的進一步集成應(yīng)用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。到2025年,這一領(lǐng)域的市場可達到300億美元。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)可將集裝箱的利用率提高10~25%,每年可減少130億美元的成本。
能源應(yīng)用方面,通過衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控天然氣、石油和風能等能源在市場上下游的流動數(shù)據(jù),可以得到投資回報比更高的解決方案。另外水資源監(jiān)控可以提高缺水地區(qū)的水資源利用率,有助于地區(qū)可持續(xù)發(fā)展。瑞士物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)企宇宙播報公司(Astrocast)于2019年宣布啟動全球衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)試點工程,首批客戶中就有瑞士淡水公司。宇宙播報公司將為其提供偏遠地區(qū)的通信與水資源的監(jiān)控服務(wù)。
事實上,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)并非新的概念,從20世紀九十年代末以來,以Iridium、全球星(Globalstar)、軌道通信(Orbcomm)等為代表的低軌移動星座均支持此類服務(wù),并持續(xù)推動應(yīng)用范圍和深度的不斷拓展。近年來,在資本力量推動下,利用低軌立方星星座來滿足日益增長的機器對機器(M2M)和物聯(lián)網(wǎng)需求,成為業(yè)界關(guān)注焦點,目前全球提出星座計劃的公司已經(jīng)達20余家,僅從2018、2019年的發(fā)射情況來看,包括希伯公司(Hiber)、艦隊空間公司(Fleet Space)、宇宙播報公司、開普勒(Kepler)等多家新興運營商均發(fā)射了多顆試驗星和業(yè)務(wù)星,呈現(xiàn)多頭并進格局。微軟、谷歌等互聯(lián)網(wǎng)科技公司則基于自身技術(shù)資源優(yōu)勢,與衛(wèi)星企業(yè)積極開展合作,積極搶占藍海市場。
從軌道分布來看,GEO、LEO兩種軌道配置均被用來提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù),且各具優(yōu)勢;從工作頻段來看,L、S頻段是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的首選頻段,終端設(shè)備技術(shù)復雜度相對更低,且能夠滿足船舶跟蹤、遠程資產(chǎn)管理等非實時性、窄帶通信業(yè)務(wù)需求;從業(yè)務(wù)布局策略來看,傳統(tǒng)衛(wèi)星運營商大多在提供衛(wèi)星移動通信服務(wù)的基礎(chǔ)上,向低速M2M和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域拓展,如Inmarsat憑借其長期的移動通信業(yè)務(wù)資源積累,在航空、航海物聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)內(nèi)取得了明顯的優(yōu)勢,而Orbcomm從成立之初就專注于該領(lǐng)域的業(yè)務(wù)發(fā)展,已形成成熟的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運營框架,擁有從用戶終端設(shè)備到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件的一系列解決方案,在貨運跟蹤、重型設(shè)備遠程監(jiān)控、石油和天然氣、海事和政府服務(wù)等領(lǐng)域均有布局;從分布區(qū)域來看,傳統(tǒng)衛(wèi)星運營商的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)大多布局于地面通信覆蓋率較差的非洲、中東、拉丁美洲等地區(qū),以及加拿大、澳大利亞等國土面積較大的國家。
傳統(tǒng)衛(wèi)星運營商物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及業(yè)務(wù)布局情況統(tǒng)計表
從軌道分布來看,新興初創(chuàng)企業(yè)均選擇將系統(tǒng)部署在LEO軌道;從衛(wèi)星類型來看,初創(chuàng)企業(yè)均選擇小衛(wèi)星(更多是立方星)組網(wǎng)來開展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),主要是因為近年來小衛(wèi)星研制技術(shù)日趨成熟,成本不斷降低,對初創(chuàng)企業(yè)縮短建設(shè)周期、降低研制成本、快速組網(wǎng)、迅速占領(lǐng)市場有較大優(yōu)勢;從星座規(guī)模來看,新興初創(chuàng)企業(yè)擬組網(wǎng)的衛(wèi)星數(shù)量多為數(shù)十顆或百余顆,相比衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的數(shù)千甚至上萬顆規(guī)模差距大,主要考慮目前衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景大多對通信時延有較高的容忍度,單星支持設(shè)備連接量很大,企業(yè)無需擴大規(guī)模來提高傳輸速率;從衛(wèi)星制造商角度來看,初創(chuàng)企業(yè)傾向于選擇新興小衛(wèi)星制造商來開發(fā)衛(wèi)星星座,但也不乏納米航空電子設(shè)備公司(NanoAvionics)這類提供“一站式”服務(wù)的企業(yè),該公司具備先進的小衛(wèi)星制造技術(shù),首次將液體化學推進技術(shù)應(yīng)用到小衛(wèi)星上[3]。
新興初創(chuàng)企業(yè)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)及業(yè)務(wù)布局情況統(tǒng)計表
除了衛(wèi)星企業(yè)之外,全球主流互聯(lián)網(wǎng)公司在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也有布局,并相繼推出了自己的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺,并與衛(wèi)星運營商積極開展合作,利用雙方的技術(shù)形成優(yōu)勢互補,推動行業(yè)應(yīng)用的快速發(fā)展。
其中,亞馬遜公司(Amazon)的AWS平臺是當今接入最廣泛的云計算平臺。憑借其強大的云計算技術(shù),Amazon已經(jīng)和Iridium合作,旨在建設(shè)全球覆蓋的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺—CloudConnect。此外,Amazon擬發(fā)射由3236顆小衛(wèi)星組網(wǎng)的星座,該星座雖然主要面向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)市場,但也可支持衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的中繼傳輸[4]。
典型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云平臺建設(shè)情況
目前來看,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)高度重合。同時,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)目前存在的兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),即:①衛(wèi)星與傳感器互聯(lián)、直接采集數(shù)據(jù);②衛(wèi)星與傳感器基站節(jié)點相連+基站采集傳感器數(shù)據(jù)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將成為后者傳輸層的重要支持手段,因此,在SpaceX、ONEWEB等公司的互聯(lián)網(wǎng)星座應(yīng)用中,也將物聯(lián)網(wǎng)列入其應(yīng)用之一。此外,由衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)催生的消費型應(yīng)用通過開放型接口連接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,將為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的推廣起到推動作用,未來基于兩者融合的創(chuàng)新型應(yīng)用產(chǎn)品將進一步開拓衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場。
近幾年來,低成本的LEO物聯(lián)網(wǎng)星座逐漸得到GEO運營商的重視,后者加快戰(zhàn)略投資、推動在低軌領(lǐng)域的布局。早在2017年,Thuraya就已經(jīng)和宇宙播報公司達成合作,擴展各自的產(chǎn)品和服務(wù)類型,開拓衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場進入通道。2018年,Eutelsat也宣布針對物聯(lián)網(wǎng)市場啟動星座項目,并已和物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)SigFox建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)企Myriota于2019年8月同澳大利亞最大的GEO衛(wèi)星運營商Optus合作,結(jié)合高低軌衛(wèi)星各自優(yōu)勢,共同服務(wù)于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場。可以預見,高低軌運營商合作,共同打造立體式的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)模式將為行業(yè)提供衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新解決方案。
類似于天基互聯(lián)網(wǎng)與地面互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)首先是作為地基物聯(lián)網(wǎng)的重要補充。衛(wèi)星為地面物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)難以覆蓋的區(qū)域提供穩(wěn)定的接入服務(wù),從而滿足偏遠地區(qū)、航空、航海等應(yīng)用場景的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)。此外,在地面通信系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞時,由衛(wèi)星提供臨時性的通信服務(wù),從而維系地基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的持續(xù)性運行。Inmarsat于2019年與物聯(lián)網(wǎng)業(yè)內(nèi)巨頭Actility合作,為盧旺達打造“智慧城市”[5]。該項目即利用衛(wèi)星移動通信與地面蜂窩通信的集成,在基加利全市范圍內(nèi)提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù),是天基物聯(lián)網(wǎng)與地基物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢互補、協(xié)同發(fā)展的樣例。
未來的物聯(lián)網(wǎng)是無線傳感技術(shù)、通信技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)高度集成的系統(tǒng)工程,很難有企業(yè)能夠在每個領(lǐng)域都提出有效的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。目前,傳統(tǒng)衛(wèi)星運營商,如Iridium、Inmarsat等公司,利用自己的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò),與亞馬遜、微軟等互聯(lián)網(wǎng)公司的先進云平臺結(jié)合,優(yōu)化其固有物聯(lián)網(wǎng)解決方案,保持行業(yè)競爭力。隨著衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善與擴充,跨領(lǐng)域技術(shù)合作模式將會以更深的層次出現(xiàn)在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場。
傳統(tǒng)衛(wèi)星運營商早在20世紀就已經(jīng)在航空、航海、沙漠等極端場景為用戶提供資產(chǎn)跟蹤等類似物聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)。隨著用戶終端小型化、無線傳感技術(shù)智能化、延遲容忍應(yīng)用場景多元化,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用由傳統(tǒng)的資產(chǎn)監(jiān)控、物流、海事等領(lǐng)域向精準農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)、智慧牧業(yè)等新興方向發(fā)展。而新興技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展,也正在推動著地基物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)邊界的不斷擴充。
(1)市場處在爆發(fā)前關(guān)鍵階段,為衛(wèi)星領(lǐng)域的切入提供機遇
地面物聯(lián)網(wǎng)在智能家居、智能安防等領(lǐng)域已開展了一些應(yīng)用嘗試,但距離大規(guī)模應(yīng)用還有較長的路要走,目前正處于構(gòu)建和完善生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵階段,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)中的諸多應(yīng)用場景是組成物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),處于蓄勢待發(fā)階段,將形成良好的市場切入點;另一方面,隨著5G網(wǎng)絡(luò)在全球范圍的部署,3GPP等組織正在積極制定衛(wèi)星與5G的接入標準(其中包括物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)),衛(wèi)星通信將成為5G網(wǎng)絡(luò)拓展的重要組成部分,滿足更加多元化的連接需求[6]。
(2)行業(yè)準入門檻進一步降低,商業(yè)衛(wèi)星市場持續(xù)蓬勃發(fā)展
未來,隨著商業(yè)航天領(lǐng)域快速發(fā)展,可回收運載火箭、“一箭多星”等技術(shù)將持續(xù)降低衛(wèi)星發(fā)射成本;小衛(wèi)星及其先進制造技術(shù)推動流水線批量生產(chǎn)成為行業(yè)標配,衛(wèi)星研發(fā)和制造成本將不斷下降,準入門檻有望進一步拉低。在此背景下,將有更多的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)初創(chuàng)公司涌現(xiàn),其服務(wù)成本也將繼續(xù)下調(diào),推動應(yīng)用普及范圍不斷拓展。如目前宇宙播報公司擬打造由64顆小衛(wèi)星組網(wǎng)的LEO星座,其總造價僅約5000萬美元,單星成本不超過80萬美元,具備極佳的性價比優(yōu)勢。
(3)與人工智能、大數(shù)據(jù)融合,推動行業(yè)應(yīng)用不斷延伸拓展
可以預見,隨著一大批新興低軌衛(wèi)星星座相繼完成組網(wǎng),衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場邊界將持續(xù)拓展,需要處理的數(shù)據(jù)規(guī)模將呈數(shù)量級式的增長,衛(wèi)星運營商傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理平臺對海量數(shù)據(jù)的處理能力顯得捉襟見肘,通過大數(shù)據(jù)處理和人工智能系統(tǒng)對衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)所采集的數(shù)據(jù)信息進行分析加工,生成定制化的實用功能,將不斷創(chuàng)造新的應(yīng)用模式、場景,推動行業(yè)應(yīng)用持續(xù)精細化、不斷拓展延伸。
(1)現(xiàn)階段總體市場容量有限,短期內(nèi)競爭淘汰將不可避免
目前衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)市場集中于已有計劃全球組網(wǎng)提供衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的公司已經(jīng)有數(shù)十家之多,而形成成熟生態(tài)鏈條的市場領(lǐng)域大多還是傳統(tǒng)公司長期關(guān)注的海事、物流行業(yè)。受限于現(xiàn)階段的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展和市場需求,短期內(nèi)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的市場邊界很難得到大幅拓寬。因此,多個星座之間的淘汰將成為不可避免的趨勢。能否在此之前開拓并占據(jù)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)細分市場將成為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)存活的關(guān)鍵。
(2)面臨較大的信號落地挑戰(zhàn),網(wǎng)絡(luò)安全問題引發(fā)各國關(guān)注
如前所述,L和S頻段是衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的黃金頻段,傳統(tǒng)衛(wèi)星運營商多采用此類頻段,并已在各國獲得穩(wěn)定的衛(wèi)星落地權(quán),建立了成熟的業(yè)務(wù)渠道,新興衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)企不得不重新開始相關(guān)流程,面臨一系列監(jiān)管政策方面的約束和挑戰(zhàn),甚至采用更高頻段(如Kepler采用Ku頻段等),以避開干擾沖突;另一方面,未來,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)需要處理的數(shù)據(jù)將呈指數(shù)型增加,在網(wǎng)絡(luò)安全方面的隱患也是各國關(guān)注的焦點,這無疑增加了衛(wèi)星通信的安全保護成本。
(3)天地一體服務(wù)仍有待探索,協(xié)議體制競爭帶來極大變數(shù)
目前,雖然天地一體物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)前景被廣泛看好,但其尚未形成真正成熟的商業(yè)模式,衛(wèi)星與地面運營商之間的利益關(guān)系仍有待協(xié)調(diào)。另一方面,物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域形成了LoRa、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)等多類協(xié)議并存和相互競爭的局面,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)多采用前者提供服務(wù),Inmarsat、Thuraya、Fleet Space、Lacuna Space等公司相繼加入LoRa聯(lián)盟,但NB-IoT是地面電信運營商力推的主流協(xié)議并積極引導建立業(yè)界生態(tài),兩者之間的競爭態(tài)勢,也將為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展帶來不確定性。
在物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式發(fā)展的前夜,衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)入局恰逢其時。衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)作為地基物聯(lián)網(wǎng)的補充與延伸,將在構(gòu)建“萬物互聯(lián)”的過程中發(fā)揮重要作用。在大力推進天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的過程中,我國應(yīng)大力推進衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,在未來的全球市場占據(jù)一席之地。