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        大型星座系統(tǒng)發(fā)展生態(tài)研究

        2022-11-15 09:59:14張雅聲賈璐劉思彤
        航天電子對(duì)抗 2022年5期
        關(guān)鍵詞:星座產(chǎn)業(yè)鏈航天

        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(jì)劃的付諸實(shí)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(diǎn)。雖然Starlink計(jì)劃的提出與實(shí)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(jì)劃,這些公司很早就意識(shí)到大型星座在全球覆蓋、低延時(shí)通信等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[1]。它們?cè)噲D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(xiàng)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(gè)復(fù)雜系統(tǒng),不僅在設(shè)計(jì)、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(chǎng)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(shí)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(dòng)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(dòng)與物質(zhì)循環(huán)構(gòu)成一個(gè)具有自我調(diào)節(jié)功能的動(dòng)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(gè)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(dòng)、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(gè)主要部分,分別是:1)市場(chǎng)及用戶;2)太空產(chǎn)業(yè),包括與衛(wèi)星制造、發(fā)射、運(yùn)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(jī)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(yùn)營商和市場(chǎng)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(yùn)轉(zhuǎn)和保持活力的能量來源,同時(shí),外部政策環(huán)境起到引導(dǎo)、制定規(guī)則的作用??梢姡债a(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(gè)主要環(huán)節(jié)中,市場(chǎng)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(shí)力是太空產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)的前提,而服務(wù)運(yùn)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(chǎng)及用戶需求

        市場(chǎng)需求是一個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本動(dòng)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(duì)的寵兒。進(jìn)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(huì)、民生關(guān)注的焦點(diǎn)。

        太空活動(dòng)通常主要與政府部門、軍事機(jī)構(gòu)建立長期合作項(xiàng)目,依靠商業(yè)利潤主導(dǎo)的太空活動(dòng)較少,主要原因在于市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)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(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、物聯(lián)網(wǎng)、M2M等市場(chǎng)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(chǎng)環(huán)境和用戶需求是促進(jìn)太空產(chǎn)業(yè)鏈良性發(fā)展的強(qiáng)勁驅(qū)動(dòng)力。

        3 太空產(chǎn)業(yè)鏈的實(shí)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(jìn)制造工藝(如自動(dòng)化裝配、測(cè)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(jìn)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(dòng)輒數(shù)千萬的衛(wèi)星成本,目前的小衛(wèi)星造價(jià)大幅下降,一顆質(zhì)量約260 kg的Starlink衛(wèi)星造價(jià)僅為50萬美元,并能實(shí)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(bào)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(jì)”。而事實(shí)也符合這一觀點(diǎn),近年來,進(jìn)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(jì)劃統(tǒng)計(jì)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(shì)。

        圖3 入軌衛(wèi)星數(shù)量逐年變化趨勢(shì)

        從衛(wèi)星制造的整體發(fā)展趨勢(shì)來看,高、低軌衛(wèi)星分別向大、小2個(gè)方向發(fā)展:LEO衛(wèi)星依托建立大型分布式系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同工作,衛(wèi)星向小型化、規(guī)模化生產(chǎn)趨勢(shì)發(fā)展;GEO衛(wèi)星則追求功能更強(qiáng),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(yùn)用、火箭復(fù)用技術(shù)的突破性發(fā)展,對(duì)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(yùn)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(yàn)成功,可達(dá)到一箭400星發(fā)射能力。造價(jià)4 500萬美元的“獵鷹-9”火箭復(fù)用率可達(dá)到70%(除上面級(jí)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?!靶桥灐边\(yùn)載火箭如圖4所示。

        圖4 “星艦”運(yùn)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(jī)內(nèi)發(fā)射系統(tǒng),實(shí)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(jìn)入太空提供新的有效方式。

        4 太空產(chǎn)業(yè)鏈的運(yùn)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(dòng)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(xiǎn)投資、私募、政府(機(jī)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(duì)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(jì)了2020、2021年各國在太空領(lǐng)域投入的資金。可以看出,盡管新冠疫情的大流行給各國經(jīng)濟(jì)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(shì)。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(xiàng)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(xiàng)目投入資金對(duì)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(shì)??梢钥闯?,風(fēng)險(xiǎn)投資占據(jù)最大份額,在2021年達(dá)到90億美元。據(jù)統(tǒng)計(jì)SpaceX公司通過風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)的支持[4]。此外,另一個(gè)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(gè)市場(chǎng)的占比達(dá)到峰值,約占66%,此后,它們的占比呈逐年下降趨勢(shì)。這說明商業(yè)航天的市場(chǎng)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(chǎng)發(fā)展的同時(shí)也蘊(yùn)藏著風(fēng)險(xiǎn),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(cái)務(wù)目標(biāo)會(huì)影響其股價(jià)的壓力,這些潛在風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)對(duì)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(diǎn)主要面向通信服務(wù)市場(chǎng),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(jì),2020年衛(wèi)星服務(wù)盈利總額占航天業(yè)44%,達(dá)到約1 178億美元,其中以廣播、電視、寬帶、移動(dòng)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?,衛(wèi)星通信服務(wù)市場(chǎng)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(jì)劃幾乎全部致力于提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。從市場(chǎng)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(jì)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(dá)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(chǎng),則盈利空間是十分可觀的。根據(jù)圖8中的統(tǒng)計(jì)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(dá)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(fèi)能力相對(duì)較弱,這要求面向這些地區(qū)的衛(wèi)星寬帶運(yùn)營商提供更具價(jià)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(fèi)者和企業(yè)。按照目前每月99美元的寬帶費(fèi)用,可為其帶來近3億美元的年收入。顯然,這一回報(bào)很難覆蓋其預(yù)計(jì)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(huì)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(dá)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(chǎng),目前較明確的是Starlink準(zhǔn)備進(jìn)軍航空業(yè),計(jì)劃為商用客機(jī)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(jī)構(gòu))的相關(guān)政策為太空產(chǎn)業(yè)鏈的運(yùn)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(xiàng)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(xiàng)目會(huì)受到政策鼓勵(lì)、資金支持。第二,國家政策具有規(guī)范市場(chǎng)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(jī)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(jìn)行規(guī)范和約束[7]。第三,一些機(jī)構(gòu)制定行業(yè)規(guī)則起到約束、規(guī)范太空活動(dòng)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(gè)國家在探索和利用太空時(shí)秉承可持續(xù)發(fā)展態(tài)度。相關(guān)國際機(jī)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(jìn)入太空需要依靠其進(jìn)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(jìn)步為工程實(shí)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(shí)現(xiàn)。同時(shí),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??梢?,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?!?/p>

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