董路 孔玲

(1.北京九天微星科技發(fā)展有限公司，北京 100192；2. 93303部隊(duì)，北京 110069)

0 引言

近年來，以太空探索公司(SpaceX)的星鏈系統(tǒng)為代表，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)如火如荼，進(jìn)一步帶動(dòng)了衛(wèi)星研制、運(yùn)載發(fā)射、地面終端、行業(yè)應(yīng)用等產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的商業(yè)化進(jìn)程。2020年4月，國家發(fā)展和改革委員會(huì)首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入“新基建”；2021年4月，國家在雄安注冊成立并落地中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司，以衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為起點(diǎn)，開啟我國空間基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營的新篇章。隨著衛(wèi)星研制和發(fā)射成本持續(xù)下降，由成百上千顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將與信息技術(shù)和通信技術(shù)等產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生更加緊密的關(guān)聯(lián)，形成更為多樣化、智能化、柔性化、安全可控的新型空間基礎(chǔ)設(shè)施。國曉博等的研究表明，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的星間協(xié)同計(jì)算的時(shí)延比地面云更短[1]。

除衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)外，空間基礎(chǔ)設(shè)施還有多類其他應(yīng)用場景。根據(jù)北方天空咨詢公司(NSR)的報(bào)告預(yù)測，2030年前的10年里全球基于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星遙感的數(shù)據(jù)市場價(jià)值將累計(jì)達(dá)到207億美元，而以衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感為代表的空間基礎(chǔ)設(shè)施都需要快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸，甚至開展邊緣計(jì)算，以便于為客戶直接提供決策支持。在此背景下，天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展初見端倪。一些商業(yè)航天初創(chuàng)公司已經(jīng)開始計(jì)劃將服務(wù)器硬件的托管、在云中虛擬運(yùn)行應(yīng)用程序和邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)中心服務(wù)引入外層空間，將微數(shù)據(jù)中心集成到自身的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，提供處理衛(wèi)星遙感或衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的計(jì)算能力，服務(wù)越來越多的在軌衛(wèi)星。云服務(wù)在衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域并不陌生，包括國外的瑞典空間公司(SSC)、亞馬遜以及國內(nèi)的多家衛(wèi)星應(yīng)用企業(yè)很早就在地球站測運(yùn)控和數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理平臺、數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺等方面開展了基于地面產(chǎn)業(yè)的各類云服務(wù)[2-4]。

本文主要針對以衛(wèi)星為主要載體的天基云服務(wù)，首先列舉了國外若干典型云服務(wù)公司的案例，評估了當(dāng)前全球天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀；隨后綜合地面云服務(wù)產(chǎn)業(yè)研究成果，與天基云服務(wù)發(fā)展階段進(jìn)行了初步的對比分析；最后結(jié)合地面云服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢和天基云服務(wù)特點(diǎn)，為未來天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提出了初步建議。

1 國外天基云服務(wù)發(fā)展案例

天基軟件和硬件資源的共享是天基云服務(wù)發(fā)展的基礎(chǔ)，提供衛(wèi)星間高速數(shù)據(jù)傳輸、快速邊緣計(jì)算、臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲和災(zāi)備數(shù)據(jù)存儲等是當(dāng)前天基“云服務(wù)”主要瞄準(zhǔn)的服務(wù)方向。在天基云服務(wù)領(lǐng)域，國外商業(yè)航天公司(絕大部分總部都位于美國)開展了初步的探索，根據(jù)自身特點(diǎn)選擇了不同的發(fā)展路徑，包括載荷搭載、共享載荷、建立天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、提供天基邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲等。下面以4個(gè)不同類型的國外初創(chuàng)商業(yè)航天公司為例，回顧其最近發(fā)展情況，以作參考。

1.1 解析航天(Analytical Space)公司打造天基骨干傳輸網(wǎng)

2021年2月，總部位于美國弗吉尼亞州，成立5年的美國衛(wèi)星通信領(lǐng)域的初創(chuàng)公司解析航天贏得了一份為期3年(2021—2023年)，價(jià)值2640萬美元的合同，用于研發(fā)部署6顆立方星和2顆搭載載荷，以此為基礎(chǔ)啟動(dòng)建設(shè)用于光通信的“快速像素網(wǎng)絡(luò)”(Fast Pixel NetworkTM)。合同出資方是美國空軍的風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)，資金來自美國太空部隊(duì)空間和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心(Space and Missile Systems Center，SMC)和空軍研究實(shí)驗(yàn)室，此外商業(yè)機(jī)構(gòu)會(huì)進(jìn)行等額配資。根據(jù)解析航天公司官方網(wǎng)站，目前遙感衛(wèi)星運(yùn)行過程中通常有70%的時(shí)間無法將數(shù)據(jù)下傳到地面。為此，解析航天公司計(jì)劃通過建設(shè)快速像素網(wǎng)絡(luò)建立近地軌道高速光通信星間數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，幫助日益增加的在軌遙感衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，以更及時(shí)、更快速的方式向客戶傳輸高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)星座包括3個(gè)軌道面，共計(jì)由36顆16U立方星組成。

1.2 軌道邊緣(OrbitsEdge)公司計(jì)劃在太空中部署惠普服務(wù)器

成立于2018年，總部位于美國佛羅里達(dá)州的軌道邊緣公司計(jì)劃將數(shù)據(jù)中心和邊緣計(jì)算機(jī)部署在低軌軌道，即在衛(wèi)星平臺上集成現(xiàn)成的機(jī)架式服務(wù)器，用以處理、清理、聚合多源數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，主要服務(wù)對象是遙感類衛(wèi)星，但尚未公開詳細(xì)的星座部署計(jì)劃。目前，該公司已經(jīng)與美國國防部、美國宇航局和商業(yè)云提供商進(jìn)行了業(yè)務(wù)溝通。在產(chǎn)品方面，該公司自主研發(fā)了適用于18英寸深服務(wù)器(如已在國際空間站上采用的HPE EL8000服務(wù)器)的衛(wèi)星平臺SatFrameTM445 LE，未來可擴(kuò)展至支持36英寸服務(wù)器。與傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)不同，該公司的整個(gè)衛(wèi)星設(shè)計(jì)集成度更高，分為電源分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、19英寸的服務(wù)器支架、電子系統(tǒng)、5臺邊緣服務(wù)器以及通信陣列組成。

1.3 軌道閣樓(Loft Orbital)公司通過共享衛(wèi)星解決方案提高響應(yīng)效率

成立于2017年，總部位于美國舊金山的初創(chuàng)公司軌道閣樓旨在通過提供面向快速響應(yīng)的共享衛(wèi)星解決方案，以“航天基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)”為經(jīng)營模式，降低客戶部署和應(yīng)用衛(wèi)星的門檻。一方面，該公司通過批量采購標(biāo)準(zhǔn)化衛(wèi)星平臺，極大地壓縮了客戶的衛(wèi)星平臺設(shè)計(jì)周期；另一方面，該公司利用衛(wèi)星上的軟件定義無線電實(shí)現(xiàn)軟件定義有效載荷，即客戶根據(jù)所需的無線電頻率選擇特定的天線，星上的天線可以在多個(gè)客戶之間分時(shí)使用，用于不同的應(yīng)用；此外，未來的衛(wèi)星還會(huì)增加星上處理功能、服務(wù)遙感圖像處理和衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。該公司宣布的客戶包括政府(如美國國防部、阿聯(lián)酋政府)、地理信息服務(wù)商、衛(wèi)星通信運(yùn)營商、初創(chuàng)商業(yè)航天公司等。2021年5月，該公司從美國太空軍和商業(yè)機(jī)構(gòu)(等額配資)獲得共計(jì)150萬美元的合同，用于在其YAM-3衛(wèi)星上開展邊緣計(jì)算驗(yàn)證。2021年6月30日，該公司第一顆衛(wèi)星YAM-2搭載SpaceX公司獵鷹九號火箭發(fā)射，并在軌開展歐衛(wèi)通(Eutelsat)公司未來物聯(lián)網(wǎng)星座的概念驗(yàn)證測試。

1.4 Lacuna航天(Lacuna Space)和OQ技術(shù)(OQTechnology)公司嘗試用第三方平臺開展天基物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

成立于2017年，總部位于英國的Lacuna航天公司利用開放的LoRaWAN協(xié)議采集全球范圍內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備信號。該公司最早發(fā)射的5顆衛(wèi)星中既有專用的衛(wèi)星，也采用過共享平臺的衛(wèi)星。但考慮到共享平臺導(dǎo)致載荷性能和服務(wù)能力的下降，后續(xù)該公司表示將堅(jiān)持發(fā)射專用的物聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星，其星座總規(guī)模達(dá)到240顆。

成立于2016年，總部位于盧森堡的OQ技術(shù)公司利用一顆最初由荷蘭GomSpace公司發(fā)射的衛(wèi)星，對其基于5G的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)服務(wù)進(jìn)行了首次測試。通過上傳公司編寫的軟件，該衛(wèi)星獲得新的功能，具備與地面上的窄帶物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通信的能力。隨著公司的發(fā)展，OQ技術(shù)公司計(jì)劃結(jié)合現(xiàn)有衛(wèi)星、有效載荷共享以及專用衛(wèi)星等多種方式來提供全球窄帶物聯(lián)網(wǎng)覆蓋服務(wù)。目前，該公司在阿聯(lián)酋和盧旺達(dá)設(shè)有分支機(jī)構(gòu)。

此外，從事天基云服務(wù)業(yè)務(wù)的公司還包括美國低軌云(LEOcloud)、雷蒙航天(Ramon.Space)、云星座(Cloud Constellation)等公司。相比而言，在公開資料中，我國同類公司較少，航天領(lǐng)域的云服務(wù)主要是基于地面基礎(chǔ)設(shè)施(如地面站、數(shù)據(jù)中心、計(jì)算中心)提供測控、遙感圖像處理等方面的虛擬化服務(wù)。當(dāng)前，部分學(xué)者和研究人員開展了具備在軌計(jì)算能力的新型衛(wèi)星研究[5]。

2 地面云服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示

相比天基云服務(wù)，地面云服務(wù)產(chǎn)業(yè)已日趨成熟，主要提供基于云/虛擬化的通用計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源與服務(wù)。在數(shù)字經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型大背景下，根據(jù)艾瑞咨詢《2021年中國基礎(chǔ)云服務(wù)行業(yè)發(fā)展洞察報(bào)告》，2020年國內(nèi)云服務(wù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已突破2200億元，預(yù)計(jì)在2024年超過9000億元規(guī)模[6]。相比而言，航天領(lǐng)域的國際咨詢機(jī)構(gòu)北方天空咨詢公司預(yù)測在2030年前的10年內(nèi)，全球天基計(jì)算的云服務(wù)市場總規(guī)模能達(dá)到210億美元(約合人民幣1400億元)，總數(shù)據(jù)傳輸量達(dá)到233 EB[7]。下面根據(jù)相關(guān)行業(yè)研究報(bào)告，小結(jié)地面云服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式和趨勢。

2.1 硬件先行，構(gòu)建基礎(chǔ)云服務(wù)后提供增值服務(wù)

如圖1所示，基礎(chǔ)云服務(wù)建立在數(shù)據(jù)中心、服務(wù)器、存儲設(shè)備、光纜等硬件基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)上，其上可架構(gòu)軟件即服務(wù)(Software as a Service，SaaS)、平臺即服務(wù)(Platform as a Service，PaaS)應(yīng)用。相比地面云服務(wù)產(chǎn)業(yè)，天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)還處于行業(yè)發(fā)展早期，如天基數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、天基數(shù)據(jù)存儲、天基邊緣計(jì)算、天基超級計(jì)算等硬件設(shè)施的部署和能力建設(shè)還處于初級階段，天基數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)計(jì)算能力還顯著不足，尚無法實(shí)現(xiàn)天基基礎(chǔ)云服務(wù)，但長遠(yuǎn)來看天基云服務(wù)也應(yīng)該重點(diǎn)面向基礎(chǔ)云服務(wù)類型的業(yè)務(wù)。

圖1 基礎(chǔ)云服務(wù)分類(來源：艾瑞咨詢)

2.2 市場需求從“資源型”逐步轉(zhuǎn)向“智能型”和“業(yè)務(wù)型”

目前，地面云服務(wù)產(chǎn)業(yè)以基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(Infrastructure as a Service，IaaS)模式為主，業(yè)務(wù)收入占比近7成，提供標(biāo)準(zhǔn)化和相對充裕的硬件資源，而提供更加智能和直接服務(wù)業(yè)務(wù)的PaaS和SaaS也呈現(xiàn)穩(wěn)步增長態(tài)勢，特別是SaaS預(yù)計(jì)會(huì)在未來有更大爆發(fā)空間。根據(jù)華辰產(chǎn)業(yè)研究院的報(bào)告分析，云計(jì)算業(yè)務(wù)在50年的時(shí)間跨度內(nèi)完成了四步走，大/小型機(jī)時(shí)代通用性差、成本高；PC-X86服務(wù)器時(shí)代信息共享難、集成管理復(fù)雜、硬件成本高；以VMware為代表的虛擬化技術(shù)時(shí)代無法實(shí)現(xiàn)彈性運(yùn)算；亞馬遜公司引領(lǐng)的云服務(wù)時(shí)代公有云的安全性和私密性還有待提高[8]。類比而言，天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)大致處于第二階段，正逐步邁向第三階段，未來預(yù)計(jì)將逐步實(shí)現(xiàn)多元化發(fā)展，不同企業(yè)能夠找到自身的細(xì)分領(lǐng)域定位。

2.3 數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域自建能力和大客戶集成服務(wù)能力都存在價(jià)值空間

目前，地面數(shù)據(jù)中心有租賃機(jī)房、自建機(jī)房、大客戶需求承接3種主要模式。租賃機(jī)房模式資產(chǎn)相對較輕，毛利率低，利用現(xiàn)有機(jī)房進(jìn)行長期租賃，項(xiàng)目周期短，有利于規(guī)?？焖贁U(kuò)張；自建機(jī)房模式毛利率最高，但需要完成選址、土地水電資源對接、評審立項(xiàng)、土建、配套設(shè)施安裝、項(xiàng)目驗(yàn)收等環(huán)節(jié)的大量工作，資產(chǎn)較重，周期較長；大客戶需求承接模式毛利率介于上述二者之間，客戶集中度非常高，數(shù)據(jù)中心服務(wù)商議價(jià)能力相對較弱，資產(chǎn)輕。類似的，在天基數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域，由于存量數(shù)據(jù)中心有限，自建和大客戶需求承接兩種模式預(yù)計(jì)將是初期呈現(xiàn)的主要業(yè)務(wù)形式，相對毛利率也會(huì)更高。

2.4 云服務(wù)屬于資本密集和技術(shù)密集型相結(jié)合的產(chǎn)業(yè)

在IaaS領(lǐng)域，硬件成本呈非線性趨勢下降，使得市場集中度高，逐步呈現(xiàn)出寡頭競爭的局面，而缺乏競爭力的服務(wù)商份額將被逐步蠶食。在PaaS和SaaS領(lǐng)域，中小企業(yè)的長尾效應(yīng)明顯，除了少量龍頭企業(yè)外，市場集中度較小，適合專業(yè)的初創(chuàng)型企業(yè)發(fā)展。在天基云服務(wù)領(lǐng)域，IaaS需要構(gòu)建覆蓋全球全域的星座系統(tǒng)，因此對資金、技術(shù)、市場等全要素資源提出了極高要求，而PaaS和SaaS環(huán)節(jié)更適合中小企業(yè)發(fā)展。

3 產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

相比日趨成熟的地面云服務(wù)產(chǎn)業(yè)，目前的天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出幾方面階段性特點(diǎn)。一是服務(wù)對象顯著不同，天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)以服務(wù)在軌衛(wèi)星為主，以提升在軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算效率為優(yōu)先解決目標(biāo)，然而已經(jīng)在軌的大多數(shù)衛(wèi)星都沒有配置星間鏈路，不具可服務(wù)性，目標(biāo)市場會(huì)伴隨著在軌衛(wèi)星，特別是低軌衛(wèi)星星座的的迭代而發(fā)生轉(zhuǎn)變；二是天基云服務(wù)缺乏統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上不利于天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展；三是天基云服務(wù)系統(tǒng)先天具備全球化服務(wù)優(yōu)勢，且服務(wù)對象基本為在軌衛(wèi)星系統(tǒng)，數(shù)據(jù)所有權(quán)法律邊界不明晰，數(shù)據(jù)安全監(jiān)控程度顯著低于地面運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，不易受到監(jiān)管，全球競爭可能更加激烈。

綜上，基于衛(wèi)星發(fā)展自身特點(diǎn)，結(jié)合地面云服務(wù)發(fā)展模式及趨勢，本文提出3條產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。

(1)未來“天地一體、智慧泛在”的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要大力發(fā)展天基云服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。隨著通信、導(dǎo)航、遙感等各應(yīng)用類小衛(wèi)星星座大規(guī)模布局和全球化應(yīng)用，天基信息采集、存儲、傳輸、計(jì)算的需求會(huì)快速攀升，最終用戶對響應(yīng)時(shí)效、便捷程度、應(yīng)用成本的需求也會(huì)同步提高?？梢灶A(yù)料，在衛(wèi)星與地面數(shù)據(jù)傳輸、衛(wèi)星上的數(shù)據(jù)存儲、衛(wèi)星上的計(jì)算等方面現(xiàn)有衛(wèi)星星座系統(tǒng)將難以完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“內(nèi)循環(huán)”，勢必需要第三方提供更加便捷、可靠、安全的天基云服務(wù)。

(2)“共享經(jīng)濟(jì)”是天基云服務(wù)的發(fā)展早期形式，但需要加速衛(wèi)星IT化進(jìn)程，即實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星硬件和軟件解耦，改變過去硬件和軟件專為單一功能而設(shè)計(jì)的局面。在新的衛(wèi)星中引入商業(yè)貨架處理器、開放標(biāo)準(zhǔn)軟件和標(biāo)準(zhǔn)化硬件，降低自身成本，更重要的是使衛(wèi)星操作者能夠輕松便捷地上傳和更新軟件版本，調(diào)整衛(wèi)星在軌功能和任務(wù)，使衛(wèi)星應(yīng)用方可通過搭載硬件的方式實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星載荷的共享。同時(shí)，也需要注意平衡服務(wù)質(zhì)量和應(yīng)用成本之間的關(guān)系。

(3)我國企業(yè)應(yīng)加速布局IaaS業(yè)務(wù)，通過基礎(chǔ)設(shè)施帶動(dòng)衛(wèi)星接入天基云服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。受技術(shù)、資金、空間資源、產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)等條件限制，衛(wèi)星云服務(wù)的IaaS業(yè)務(wù)具備一定程度上的寡頭壟斷基礎(chǔ)，行業(yè)發(fā)展初期起步難度大。因此，在行業(yè)發(fā)展早期提供高性價(jià)比的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)化接口，將有助于帶動(dòng)適配天基云服務(wù)的器部件級產(chǎn)品的發(fā)展。

4 結(jié)束語

總體而言，全球范圍內(nèi)天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)還處于產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期，國外一些初創(chuàng)航天企業(yè)在這一領(lǐng)域開展了一些有益嘗試。具備數(shù)據(jù)存儲、傳輸、計(jì)算等功能的天基云服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)剛剛啟動(dòng)，均沒有實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展將同時(shí)從供給側(cè)和需求側(cè)給天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)帶來商業(yè)航天領(lǐng)域的全新發(fā)展機(jī)會(huì)。我國通信和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)在地面云服務(wù)領(lǐng)域積累了豐富的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，有望發(fā)揮基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)優(yōu)勢，以商業(yè)化方式提前布局，加快發(fā)展天基云服務(wù)產(chǎn)業(yè)。