文|紀(jì)凡策
北京空間科技信息研究所
衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)由衛(wèi)星服務(wù)業(yè)、衛(wèi)星制造業(yè)、發(fā)射服務(wù)業(yè)和地面設(shè)備制造業(yè)四個領(lǐng)域構(gòu)成,在新冠肺炎疫情及其引發(fā)的全球經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步下行的影響下,上述四個領(lǐng)域均受到較大沖擊。
衛(wèi)星服務(wù)業(yè)方面,大眾消費(fèi)服務(wù)仍占據(jù)主導(dǎo)地位,受疫情居家和遠(yuǎn)程辦公等影響,衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)需求量持續(xù)增長,寬帶通信、電視直播、大規(guī)模低軌寬帶星座等計(jì)劃帶動整個衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)從制造到應(yīng)用服務(wù)的全方位變革。
衛(wèi)星制造方面,受到人員和資本投入雙雙下滑的影響,既定衛(wèi)星研制進(jìn)度拖延,老牌衛(wèi)星制造商壓力陡增,但C頻段傳統(tǒng)固定廣播衛(wèi)星訂單大幅增加,新興衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)星座建設(shè)需求不斷提升,衛(wèi)星制造業(yè)整體發(fā)展態(tài)勢趨于利好。
衛(wèi)星發(fā)射方面,疫情導(dǎo)致多個重要衛(wèi)星發(fā)射推遲,但衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)星座開啟密集部署,在此引領(lǐng)下,全球通信衛(wèi)星發(fā)射次數(shù)繼續(xù)維持高位,衛(wèi)星部署數(shù)量達(dá)到歷史最高點(diǎn)。
地面設(shè)備制造方面,在消費(fèi)衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)不斷增長的牽引下,衛(wèi)星地面設(shè)備將不斷迭代更新并快速增長,以匹配新近部署的高通量衛(wèi)星和寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座。
2019年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入為2710億美元,同比減少1.5%。這是自2010年以來衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入首次呈現(xiàn)下降趨勢。2019年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入占全球航天產(chǎn)業(yè)收入的74%,相比2018年的77%亦有所減少(圖1)。
圖1 2019年全球航天產(chǎn)業(yè)、衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入情況
通信衛(wèi)星方面,2019年大眾消費(fèi)服務(wù)收入在整個衛(wèi)星通信運(yùn)營服務(wù)業(yè)收入中所占比例最大,包括衛(wèi)星電視直播、衛(wèi)星音頻廣播和衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)收入,2019年主導(dǎo)地位依然不變,收入總額達(dá)1010億美元,占整個衛(wèi)星服務(wù)業(yè)收入的82.1%,但相比2018年減少了14億美元。消費(fèi)衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)管理類業(yè)務(wù)收入連續(xù)5年保持增長,隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展和演變,諸如交互式多媒體之類的新型業(yè)務(wù)迅速增加,這一趨勢將會更加明顯。據(jù)北美咨詢機(jī)構(gòu)NSR預(yù)測,全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的總供應(yīng)容量將從2011年200Gbit/s增長到2021年的1.6Tbit/s,而全球?qū)拵l(wèi)星通信用戶數(shù)量則由2012年的350萬,以8.8%的年復(fù)合增長率,到2021年增長至810萬。
表1為通信衛(wèi)星服務(wù)業(yè)2019年收入情況。
表1 通信衛(wèi)星服務(wù)業(yè)2019年收入情況 億美元
需要指出的是,盡管咨詢機(jī)構(gòu)一致看好未來幾年的通信衛(wèi)星容量需求上漲,但隨著Eutelsat Konnect、JCSat-18等高通量高軌衛(wèi)星投入使用,“星鏈”(Starlink)等低軌星座開展全球服務(wù),衛(wèi)星容量價格將面臨新一輪的壓力。歐洲咨詢公司預(yù)測,到2023年高通量衛(wèi)星容量出租率將從2020年的50%降至20%。另外,由于疫情重創(chuàng)航空、海事等衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)重要細(xì)分市場,預(yù)計(jì)2020年衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)規(guī)模將持續(xù)走低。
地球軌道通信衛(wèi)星相對于傳統(tǒng)的高地球軌道衛(wèi)星,具有軌道多樣化、微型生產(chǎn)批量化、終端小型化、時延低、頻率復(fù)用率高、能夠覆蓋全球等特點(diǎn)。
從全球高通量衛(wèi)星容量供應(yīng)來看,2009年之前,全球只有北美洲和亞洲地區(qū)部署高通量衛(wèi)星。2010年以來,高通量衛(wèi)星系統(tǒng)開始加速發(fā)展,目前已經(jīng)成為衛(wèi)星容量供應(yīng)量增量的主要推動因素。高通量衛(wèi)星容量供應(yīng)量在2018年達(dá)到1.8Tbit/s,預(yù)計(jì)到2021年可用容量達(dá)到3.8Tbit/s。多個低軌寬帶星座全面投入運(yùn)營的時間均設(shè)在2022年前后,因此預(yù)計(jì)2022年的可用供應(yīng)量將大幅增加,達(dá)到10.8Tbit/s。
從高通量衛(wèi)星運(yùn)行軌道來看,當(dāng)今可用的高通量衛(wèi)星容量供應(yīng)量的絕大部分來自于地球同步軌道(GEO)衛(wèi)星(超過90%)。在非地球同步軌道(NGSO)衛(wèi)星星座方面,只有O3b(隸屬于歐洲衛(wèi)星公司,SES)目前正在運(yùn)營;“星鏈”和“一網(wǎng)”(OneWeb)等其他星座均處于部署期。隨著低軌通信星座全面開展部署,NGSO高通量衛(wèi)星供應(yīng)量預(yù)計(jì)將大幅增加,預(yù)計(jì)到2024年將達(dá)到16.7Tbit/s,占到總供應(yīng)量的72%。
近年來,隨著衛(wèi)星“軌道革命”的全面深化以及小衛(wèi)星系統(tǒng)、技術(shù)的快速演進(jìn),低地球軌道衛(wèi)星部署數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。國外涌現(xiàn)出以O(shè)neWeb、Starlink等為代表的低軌通信星座建設(shè)熱潮,其在衛(wèi)星批量研制、快速部署、應(yīng)用服務(wù)等方面顯示出諸多具備顛覆性的特點(diǎn)與趨勢,將極大革新、甚至重新塑造衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的整體格局,對各主要航天大國來說存在巨大機(jī)遇與風(fēng)險。
2020年,全球衛(wèi)星運(yùn)營商在新冠肺炎疫情和投資環(huán)境惡化等因素影響下,呈現(xiàn)出諸多新的變化,進(jìn)一步深入影響衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)。老牌衛(wèi)星運(yùn)營商國際通信衛(wèi)星公司(Intelsat)尋求破產(chǎn)保護(hù),歐洲衛(wèi)星通信公司(Eutelsat)年度營收預(yù)計(jì)減少2000萬歐元,澳大利亞速播公司(Speedcast)申請破產(chǎn)保護(hù),衛(wèi)訊公司(Viasat)裁員20%。新興通信衛(wèi)星創(chuàng)企形勢也不容樂觀,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)桿企業(yè)OneWeb公司破產(chǎn)重組,加拿大電信衛(wèi)星公司(Telesat)至今未選定衛(wèi)星制造商,多家衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)企宣告破產(chǎn)。但在此情況下,仍有多家公司提出NGSO星座計(jì)劃,規(guī)模達(dá)到8萬顆。幾大衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)玩家也均在2020年做出一系列動作,美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)高密度發(fā)射833顆Starlink衛(wèi)星,已在美國和加拿大開展公測,在星座部署進(jìn)度方面與競爭者拉開身位;OneWeb公司資金鏈斷裂,被英國政府、印度電信巨頭收購;Telesat星座計(jì)劃擴(kuò)至1671顆,獲加拿大政府4.62億美元支持;亞馬遜公司“柯伊柏”(Kuiper)星座獲批,AWS地面站業(yè)務(wù)發(fā)展迅速;俄羅斯綜合星座——球體項(xiàng)目即將啟動建設(shè)。從衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的角度來看,低軌通信星座勢必會從衛(wèi)星服務(wù)、制造、發(fā)射和地面設(shè)備等全維度帶動產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展,并將進(jìn)一步引發(fā)行業(yè)結(jié)構(gòu)深度調(diào)整。
2019年,全球衛(wèi)星制造業(yè)收入為125億美元(SIA統(tǒng)計(jì)的全球衛(wèi)星制造業(yè)收入不包括政府、大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)制造衛(wèi)星產(chǎn)生的收入),相比2018年減少了35.9%。其中,通信衛(wèi)星占衛(wèi)星制造業(yè)收入的43%(2018年為36%),即53.75億美元。其中,商業(yè)通信衛(wèi)星制造業(yè)收入為28.75億美元,軍民用通信衛(wèi)星制造業(yè)收入為25億美元。圖2為2019年各領(lǐng)域衛(wèi)星制造業(yè)收入比例。
圖2 2019年各領(lǐng)域衛(wèi)星制造業(yè)收入比例
從近幾年的趨勢來看,GEO通信衛(wèi)星訂單持續(xù)低位,但在美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)頻譜騰讓方案落地、SES公司擴(kuò)大星座規(guī)模等因素影響下,2020年GEO通信衛(wèi)星制造市場開始回暖。2020年,全球GEO通信衛(wèi)星市場共簽約19顆衛(wèi)星,其中C頻段補(bǔ)網(wǎng)衛(wèi)星10顆,空客和泰雷茲-阿萊尼亞公司的新衛(wèi)星平臺也分別斬獲1顆衛(wèi)星訂單。
由于通信衛(wèi)星運(yùn)營商正在美國使用的C頻段頻譜與美國正在推行的地面5G“高頻段毫米波+低頻段”組合方案存在沖突,F(xiàn)CC近年來一直在協(xié)調(diào)通信衛(wèi)星運(yùn)營商頻譜騰讓問題,并提出多種方案,均因各方認(rèn)為利益分配不均而難以落地。
2020年3月,F(xiàn)CC發(fā)布頻譜騰讓最終方案,包括Intelsat、Eutelsat和SES在內(nèi)的多家衛(wèi)星運(yùn)營商將能獲得總計(jì)150億美元的頻譜騰讓費(fèi)用(基本清理費(fèi)用:52億美元,加速清理獎勵:97億美元)。因此,SES、Intelsat等老牌通信衛(wèi)星運(yùn)營商的C頻段固定廣播衛(wèi)星將無法使用,從而亟需采購新衛(wèi)星組網(wǎng)以維持服務(wù)能力,GEO衛(wèi)星市場隨之回暖。其中,Intelsat公司新訂6顆C頻段固定廣播衛(wèi)星,分別由麥克薩技術(shù)公司和諾格公司建造;而SES公司新增的4顆C頻段固定廣播衛(wèi)星訂單則由波音公司和諾格公司拿到。此外,由于Telesat和Eutelsat尚未作出明確采購決定,C頻段補(bǔ)網(wǎng)還將持續(xù)升溫傳統(tǒng)固定廣播衛(wèi)星市場。
O3b第一代中軌寬帶星座部署工作已于2019年完成,該星座是目前全球唯一一個成功投入商業(yè)運(yùn)營的中軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)。O3b mPOWER星座是SES規(guī)劃的第二代中軌道星座,旨在增強(qiáng)O3b中軌道星座的衛(wèi)星通信服務(wù)能力。
按照計(jì)劃,O3b mPOWER星座將分為兩期進(jìn)行部署,第一期將由7顆高通量中軌道衛(wèi)星組網(wǎng),計(jì)劃于2021年開始部署,具備3萬個寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)點(diǎn)波束,可根據(jù)用戶需求的快速變化靈活調(diào)整波束配置,總?cè)萘繉⑦_(dá)10Tbit/s,相比20顆第一代衛(wèi)星總?cè)萘吭黾?0%。第二期將部署新獲批的26顆衛(wèi)星,具體部署時間目前尚不得知,需要指出的是,第二期部署的衛(wèi)星中,除了與之前部署的各顆衛(wèi)星采用Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器以外,其中的6顆衛(wèi)星還將采用V頻段轉(zhuǎn)發(fā)器。
8月7日,SES宣布將擴(kuò)大O3b mPOWER的規(guī)模,計(jì)劃增加4顆衛(wèi)星,交由波音公司制造,由此,后者承研的此系列衛(wèi)星總數(shù)已達(dá)11顆。波音公司將使用其最新的702X軟件定義衛(wèi)星平臺來建造O3b mPower衛(wèi)星。該平臺具備高度靈活性,同時使用3D打印和數(shù)字化技術(shù),可將衛(wèi)星質(zhì)量從3750kg降低到1900kg。首批3顆衛(wèi)星計(jì)劃在2021年底發(fā)射,2022年再發(fā)6顆,2024年發(fā)射最后2顆。
相比低軌寬帶星座需要部署大量衛(wèi)星來滿足全球服務(wù)目標(biāo),GEO衛(wèi)星主要面向區(qū)域用戶,發(fā)射少數(shù)幾顆甚至1顆即可快速滿足特定區(qū)域的服務(wù)需求。隨著載荷小型化、軟件定義無線電、靈活波束賦形等技術(shù)的不斷發(fā)展完善,低成本、高容量、部署靈活的小GEO逐漸受到青睞。
2020年6月,美國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)初創(chuàng)企業(yè)Astranis完成對其MicroGEO衛(wèi)星平臺的熱真空試驗(yàn),標(biāo)志著該公司通過小型GEO衛(wèi)星提供寬帶服務(wù)的計(jì)劃達(dá)成重要里程碑。MicroGEO衛(wèi)星是Astranis公司正在發(fā)展的地球同步軌道小衛(wèi)星產(chǎn)品,旨在利用單顆衛(wèi)星向特定區(qū)域提供低成本寬帶服務(wù)。據(jù)悉,MicroGEO衛(wèi)星采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),研制交付周期約12~18個月,整星質(zhì)量約300kg,收攏狀態(tài)下尺寸為91.44cm×91.44cm×91.44cm,設(shè)計(jì)壽命7年。載荷方面,衛(wèi)星可根據(jù)用戶需要選擇搭載C、Ku和Ka頻段轉(zhuǎn)發(fā)器,采用數(shù)字化有效載荷設(shè)計(jì),利用軟件定義無線電(SDR)和波束賦形天線技術(shù),可針對特定地理位置靈活配置功率和頻率。此次試驗(yàn)內(nèi)容主要包括熱性能試驗(yàn)和極端空間環(huán)境下的模擬試驗(yàn)。
近年來,除了Astranis,多家成熟和初創(chuàng)衛(wèi)星制造商均聚焦低成本、高容量小型GEO衛(wèi)星領(lǐng)域發(fā)展。2019年成立的土星衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)公司,則專門從事小GEO衛(wèi)星研制業(yè)務(wù),其主打平臺名為“國家衛(wèi)星”(Nationsat),基于Nationsat平臺的衛(wèi)星采用全數(shù)字有效載荷、供電功率2.5kW,支持C、Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器,單星容量在20~80Gbit/s之間,單位吉比特每秒成本小于100萬美元。
2019年全球商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射合同簽訂數(shù)量為26份(2018年為28份)。美國發(fā)射服務(wù)提供商獲得了其中的13份合同,發(fā)射次數(shù)共計(jì)20次,其中美國的大型和中型火箭獲得了6份合同,小型運(yùn)載火箭獲得了7份。從2020年各國通信衛(wèi)星發(fā)射情況來看,美國以數(shù)量級優(yōu)勢穩(wěn)居第一,歐洲位居第二,其他國家與地區(qū)無論發(fā)射次數(shù)還是衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。
2020年,受疫情影響,全球衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)原本預(yù)期降低,但SpaceX逆勢而行,全面進(jìn)行22次發(fā)射任務(wù),僅“星鏈”衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)就達(dá)14次,該公司主打運(yùn)載火箭獵鷹九號已執(zhí)行了100次發(fā)射。值得一提的是,SpaceX執(zhí)行的發(fā)射任務(wù)均采用火箭復(fù)用技術(shù),大大降低發(fā)射成本,將單星發(fā)射成本壓縮至200萬美元左右。有報道稱該公司已占據(jù)全球超過一半的發(fā)射市場,僅在2020年就已新獲9份發(fā)射訂單。據(jù)統(tǒng)計(jì),2022年和2023年SpaceX需要執(zhí)行發(fā)射的外部合同多達(dá)40個,而該公司還將以較高頻次持續(xù)發(fā)射“星鏈”衛(wèi)星(計(jì)劃每年發(fā)射24次)。作為目前唯一使用火箭復(fù)用技術(shù)開展大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的公司,SpaceX在衛(wèi)星發(fā)射領(lǐng)域的優(yōu)勢在2020年進(jìn)一步鞏固。
此外,蜂群技術(shù)公司(Swarm Technologies)、開普勒通信(Kepler Communications)等衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)加速部署其衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)星座,僅從衛(wèi)星發(fā)射的角度來看,物聯(lián)網(wǎng)星座是2020年通信衛(wèi)星領(lǐng)域除低軌寬帶星座外又一個異軍突起的方向。
目前,全球有上百家在研小型運(yùn)載火箭公司,但受市場容量限制,最終可能只有兩三家公司能夠存活下來。2019年12月,太空矢量(Space Vector)提出破產(chǎn)保護(hù),2020年2月,洛馬公司買下太空矢量公司的衛(wèi)星技術(shù)資產(chǎn),但其小運(yùn)載技術(shù)資產(chǎn)歸屬尚不明朗。在為美國提供設(shè)備和服務(wù)的本國航天企業(yè)中,小型運(yùn)載火箭服務(wù)提供商受疫情影響最大,而且即便沒有疫情,該行業(yè)的大洗牌都在所難免。迄今為止,只有美國的火箭實(shí)驗(yàn)室公司這一家小運(yùn)載廠家部署了衛(wèi)星,另外一家拿到美國國防部合同的是維珍軌道公司下設(shè)的沃克斯空間公司(VOX Space)。
2019年,地面設(shè)備制造業(yè)收入1303億美元,增長率為3.9%,在衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)總收入中所占份額為48.1%,較2018年有所增長。2019年全球衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入中只有地面設(shè)備制造業(yè)收入較往年有所增長。在通信衛(wèi)星地面設(shè)備制造業(yè)方面,根據(jù)SIA報告的統(tǒng)計(jì),2015-2019年地面設(shè)備制造業(yè)收入中寬帶終端設(shè)備數(shù)量和衛(wèi)星音頻終端設(shè)備數(shù)量的增長率分別為22%和59%。
為應(yīng)對高速高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸需求,衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要采用先進(jìn)通信技術(shù)手段提高頻譜利用率、增大系統(tǒng)容量。多波束天線和有源相控陣天線成為通信衛(wèi)星地面設(shè)備制造業(yè)重點(diǎn)攻關(guān)的技術(shù),部分產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用在2020年取得進(jìn)展。
2020年8月10日,美國防部下設(shè)的國防創(chuàng)新單元(DIU)與衛(wèi)星天線制造商ThinKom簽訂下一代艦船通信技術(shù)合同。根據(jù)合同,DIU將對ThinKom公司開發(fā)的商用現(xiàn)貨(COTS)相控陣天線系統(tǒng)——Ka2517,進(jìn)行為期7個月的測試和評估。
Ka2517天線系統(tǒng)基于ThinKom公司開發(fā)的VICTS技術(shù)研制,目前已安裝在1550多架商用飛機(jī)上,累計(jì)飛行超過1700萬小時,其平均故障間隔時間(MTBF)超過10萬小時。ThinKom公司的VICTS相控陣技術(shù)結(jié)合了機(jī)械控制和電子掃描陣列的技術(shù)優(yōu)勢,可在惡劣的環(huán)境中提供穩(wěn)定的通信性能。天線系統(tǒng)具備以下特點(diǎn):一是支持多個衛(wèi)星之間切換和互操作,可同時跟蹤多個LEO、MEO、HEO和GEO衛(wèi)星,其仰角在5°~90°之間,且可提供全向方位角覆蓋;二是配置敏捷波束,提高通信網(wǎng)絡(luò)靈活性;三是采用低剖面設(shè)計(jì),適應(yīng)多種安裝場景。
2020年5月18日,DIU與英國各向同性系統(tǒng)(Isotropic)公司簽訂天線評估與開發(fā)合同,后者將基于新型多波束相控陣天線技術(shù),為美國海軍新一代艦船開發(fā)低包絡(luò)、高性能可定制天線,具備多頻段(包括S、C、Ka、Ku、X和Q頻段等)以及多軌道商業(yè)/軍事衛(wèi)星通信能力,從而實(shí)現(xiàn)利用單一終端為戰(zhàn)術(shù)邊緣提供綜合情報數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的能力。
Isotropic公司開發(fā)的新型天線技術(shù)核心在于,在傳統(tǒng)的相控陣天線直接輻射陣列外,增加新型光學(xué)材料制成的透鏡,利用微波信號在透鏡中的折射特性,改變陣元數(shù)量、位置,即可對微波傳輸路徑進(jìn)行精確控制,從而形成不同的波束指向、寬度。該技術(shù)的主要優(yōu)勢在于:一是整個天線由蜂窩狀排布的多個光學(xué)模塊(每個模塊對應(yīng)一簇陣元)組成,可按照用戶應(yīng)用需求優(yōu)化配置每個模塊中陣元的數(shù)量,從而改變天線實(shí)際孔徑大小,適應(yīng)海軍艦船上有限的空間;二是采用相控陣模式,波束形成的過程均為電控,可以實(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星之間無縫的先接后斷連接切換,在艦船穿越風(fēng)大浪急的海面時,在劇烈顛簸搖擺的條件下仍能選擇適合的鏈路提供持續(xù)連接。
2020年,在新冠肺炎疫情沖擊下,衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)均受到不同程度的影響。事實(shí)上,作為商業(yè)化和全球化水平較高的航天產(chǎn)業(yè),通信衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)在疫情過后將面臨行業(yè)清洗與重新整合,從而為創(chuàng)業(yè)公司帶來發(fā)展機(jī)遇。盡管如此,在不斷增長的全球泛在、高速通信需求下,衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)整體上仍會呈現(xiàn)出平穩(wěn)發(fā)展的趨勢。