傳統(tǒng)地面站網(wǎng)運營商的“反擊”

+ 藍天翼

一、來自中繼衛(wèi)星商業(yè)化的壓力

隨著商業(yè)航天的不斷發(fā)展，在許多領域開始出現(xiàn)“幸福的煩惱”——在決策一種解決方案時會出現(xiàn)多于兩種選擇。對于絕大多數(shù)充分市場化和商業(yè)化的行業(yè)來說這是非常正常的，但對于剛剛打開商業(yè)化和市場化大門的航天行業(yè)來說，卻顯得有些“不適應”。

比如我們在討論低軌互聯(lián)網(wǎng)浪潮時，可以考慮衛(wèi)星接入或是地面蜂窩網(wǎng)；討論遙感衛(wèi)星商業(yè)模式時，會考慮賣數(shù)據(jù)或是賣“答案”；討論高速通信最優(yōu)解時，Q/V波段或是光通信都是可研討的選擇；討論低軌星座的網(wǎng)關站構架時，無論全球建站或是星間鏈路都有不少的支持者。

各路專家們總能找到一萬種理由支持一種、反對另一種，但因為這個行業(yè)的可參照對象太少，所以討論的意義一定程度上僅限于研究，畢竟實踐一次的成本太高，而現(xiàn)階段能夠承擔或愿意承擔的人，少之又少。雖然爭論不休卻很難有定論，但“選哪個”總比“沒得選”要好。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)的傳輸方式也是這樣，衛(wèi)星中繼通信并不是唯一的解決方案。在中繼衛(wèi)星的商業(yè)化趨勢之下，受沖擊最大的正是它的競爭對手——地面站網(wǎng)運營商。

從事地面站網(wǎng)服務的公司們過去幾十年可能都沒有想到，有一天，天上會出現(xiàn)商業(yè)競爭對手。

在2010年后，包括NASA、歐空局等“國家隊”陸續(xù)通過PPP模式進入商業(yè)衛(wèi)星中繼服務的領域；2013年后，包括Audacy、AddValue和Near Space Launch等商業(yè)中繼衛(wèi)星公司開始融資，進行在軌實驗，甚至已經開始提供商業(yè)化的服務……這一切都讓地面站網(wǎng)領域的老玩家們猛然驚醒，并開始感受到越來越大的壓力。

二、傳統(tǒng)地面站網(wǎng)運營商的“反擊”

對于本就是商業(yè)化的地面站網(wǎng)運營商，面對危機時的反應和應對一定是迅速而有力的。

2012年，傳統(tǒng)地面站網(wǎng)運營商發(fā)起了一次“反擊”——在當年的Sp ac e Op s（International Conf erence on Space Operations）會議上，有一篇名為《地面站網(wǎng)與GEO中繼衛(wèi)星對極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)的下載》的文章引起了筆者的注意。原因有三點：一是文章發(fā)表平臺是SpaceOps；二是合著文章的兩家公司是地面站網(wǎng)領域眾所周知的巨頭和競爭對手，挪威康斯伯格衛(wèi)星服務有限公司（Kongsberg Satellite Services，KSAT）和瑞典空間公司（Swedish Space Corporation,SSC）；三是文章的立場、論述和最終起到的效果。以下分別論述。

1、SpaceOps大會

SpaceOps大會是一個國際學術會議，在國際測控領域擁有極高的知名度及權威性。會議由法國宇航局（CNES）主辦，由美國航空航天學會（AIAA）提供支持，是國際空間任務與地面系統(tǒng)社區(qū)致力于解決最先進的空間操作規(guī)則、方法和工具而舉辦的大型技術論壇。會議從1990年開始每兩年舉辦一次，廣泛吸引了全球的技術專家、科學家，航天機構、學術和研究所、運營商，以及工業(yè)屆的人士參與，能夠促進空間飛行任務所有領域的管理和技術交流。

我們收集了SpaceOps大會2002~2018年的全部論文，利用一個小時對論文題目做了一次簡單且不完全的詞頻分析，試圖尋找一些“衛(wèi)星測控圈”的發(fā)展規(guī)律。

提取的關鍵詞涵蓋了目前測控領域的熱點及焦點，包括“小衛(wèi)星”、“光通信”、“低成本”、“自動化”、“星座”、“云”和“大數(shù)據(jù)”。通過詞頻分析，我們得出了一個行業(yè)趨勢變化表（表1、圖1）。

如表1中所示，“自動化”作為現(xiàn)在測控領域常常被提及的一個詞，在SpaceOps會議上也同樣是最熱門的話題，從2002到2018年，包含“自動化”的論文題目的數(shù)量在幾個關鍵詞中，始終是最多的；而“星座”的詞頻，從2004年起逐漸增多至2010年達到頂峰后，2012和2014年連續(xù)兩屆被冷落，數(shù)量驟降，直到2016年后才再次被更多地提及；“光通信”一直不溫不火地發(fā)展到了2010年（2010年甚至數(shù)量為零），此后絕地反彈，涉及的論文逐漸增多；最明顯的變化來自“小衛(wèi)星”一詞，我們將“Small/Micro Satellite”與“Cubesat”都歸入其中進行了統(tǒng)計，Cubesat在2014年首次出現(xiàn)，顯著地增加了小衛(wèi)星話題的總數(shù)量，在2018年已經幾乎與“自動化”出現(xiàn)的頻次相當。

雖然這樣的分析并不全面，但仍能從一個側面反映國際測控領域學術熱點的變化。從技術上，“自動化”始終是熱點話題，在不同的發(fā)展階段，對自動化需求的領域和方法是不同的；而“光通信”逐漸成為興起的新方向；從趨勢上，“小衛(wèi)星”隨著衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的不斷增多成為了話題的熱點；而“星座”在2014年后再度被熱議，可以說與OneWeb的出現(xiàn)不無關系。

圖1 Space Ops大會2002~2018年不同關鍵詞話題變化趨勢

圖2 KSAT公司南北極地面站

2、傳統(tǒng)地面站網(wǎng)運營商KSAT和SSC

2.1 KSAT公司

（1）雄踞地球最北和最南

KSAT公司成立于2002年，但其最早的運營經驗始于1967年在總部所在地挪威特羅姆瑟（北緯69°）建立的第一個遙測站，因此常常可以看到KSAT自稱有超過50年的地面站運營經驗。

1997年，KSAT公司的前身在北極圈內的斯瓦爾巴群島（北緯78°）建立了衛(wèi)星地面站。現(xiàn)在業(yè)內人士常常在談到斯瓦爾巴的衛(wèi)星地面站時就自然會想到KSAT，與KSAT在此的長期耕耘有直接關系。

2007年，KSAT建立了南極站Troll站（南緯72°），自此具備了全球獨一無二的“Pole-to-Pole”地面站網(wǎng)覆蓋能力（圖2）。

（2）KSAT的全球站網(wǎng)

在2005年，KSAT的業(yè)務量是每天150次的衛(wèi)星過頂數(shù)據(jù)接收，2015年該指標達到了每天800次，2018年則達到了每年1200次。

這樣的增長，與KSAT在全球地面站網(wǎng)的快速擴張密切相關，上文提到KSAT在2007年建立了南極站，2009~2011年，KSAT又著力發(fā)展低緯度地區(qū)地面站覆蓋，在新加坡、毛里求斯、迪拜和南非建立了地面站系統(tǒng)，從而形成了覆蓋全球的地面站網(wǎng)系統(tǒng)（圖3）。

圖3 KSAT公司的全球地面站網(wǎng)分布

圖4 KSAT公司官網(wǎng)上羅列的服務項目

圖5 KSAT Lite服務的相關參數(shù)

（3）服務領域

從KSAT的股份構成看，KSAT是一家由Kongsberg集團和Space Norway各占50%成立的商業(yè)公司，其專注的領域經過50多年的發(fā)展，都集中在了衛(wèi)星服務上。

KSAT官網(wǎng)的近20項服務項目（圖4）基本可以歸為兩種：利用衛(wèi)星地面站網(wǎng)系統(tǒng)為航天器服務，及利用衛(wèi)星地面站網(wǎng)系統(tǒng)為地面用戶服務。目前從地面站網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展來看，越來越多的地面站網(wǎng)公司在向產業(yè)鏈下游開拓更多的服務和市場空間。KSAT也是如此，隨著衛(wèi)星客戶越來越多，其逐漸發(fā)展出不少在衛(wèi)星客戶的數(shù)據(jù)上做更多文章的業(yè)務。

（4）針對小衛(wèi)星的服務

早在2013年，KSAT就注意到了小衛(wèi)星業(yè)務的增長，但原有針對傳統(tǒng)衛(wèi)星的解決方案，并不適用于小衛(wèi)星。為此，2016年KSAT在其20個地面站址推出了KSAT Lite的服務（圖5）。

在此項服務中，KSAT主推的是“Baseline 3.7”，意為標準口徑為3.7m（也可以根據(jù)實際需求增大到4.2m）的天線。盡管KSAT在推出該服務之初，對于天線口徑的大小存疑，但實際應用后發(fā)現(xiàn)，KSAT Lite能夠完美地接收到小衛(wèi)星下行的信號，原因是對于很多任務，都預留了過高的余量，而對于小衛(wèi)星任務來說，由于它們更追求效率和成本，因此不必要的余量是可以被忽略的。

盡管KSAT Lite中包括UHF和VHF頻段的服務，但這并非是KSAT Lite為用戶推薦的方案，因為他們認為使用UHF和VHF頻段，嚴重的干擾會影響用戶體驗和服務品質。相反，KSAT Lite對于Ka-Band的推崇有加，很可能將成為改變小衛(wèi)星測控和數(shù)傳市場的一個重要因素。

KSAT Lite服務吸引了不少私營航天企業(yè)尤其是小衛(wèi)星運營商的關注，美國維珍銀河、美國遙感衛(wèi)星公司Astro Digital、英國遙感衛(wèi)星運營商Earth-i、美國電磁數(shù)據(jù)分析公司HawkEye 360、荷蘭物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星公司Hiber、日本流星雨衛(wèi)星公司ALE等都與KSAT簽署了合作協(xié)議。2018年2月，基于美國硅谷越來越多的私營航天公司脫穎而出，KSAT在硅谷設立了辦公室以更好地為小衛(wèi)星客戶提供服務。

（5）服務價格

針對不同客戶，KSAT提供的服務內容以及選用的地面站口徑不同，所以并沒有公開標準的服務價格，但我們通過官方發(fā)布的年度財報和相關數(shù)據(jù)，以及簽署的服務協(xié)議這兩個渠道，可以對其服務價格進行一定的推算。

首先，通過年度財報及官方數(shù)據(jù)推算。2014年KSAT公司總收入為6400萬美元，地面站服務收入占比為82%；2016年總收入為7200萬美元，地面站服務收入占比為82%。根據(jù)官方提供的數(shù)字，KSAT在2015年每日接收衛(wèi)星過頂數(shù)量為800次，2018年為1200次。假設其2014年數(shù)量為700次，2016年數(shù)量為900~1000次，則可以估算出2014年KSAT的平均每次單次過頂服務費用為200美元，2016年KSAT的平均單次過頂服務費用為160~180美元。對于小衛(wèi)星，這個服務價格會更低，而對于大衛(wèi)星或服務優(yōu)先級更高的衛(wèi)星，這個服務價格會更高。

其次，通過簽署的服務協(xié)議進行推算。2012年，KSAT與NASA簽署了一項協(xié)議，將為日本的GCOM-W1衛(wèi)星和NASA的JPSS衛(wèi)星提供2012~2017年度的地面站服務，將使用KSAT的南極和北極站，總服務費用約2350萬美元。如果按照每天每顆衛(wèi)星28次過頂計算，每單次過頂費用約為460美元。

以我國的一次招標數(shù)據(jù)作為參考——2016年，國家衛(wèi)星氣象中心風云三號02批衛(wèi)星租用南極地面站提供數(shù)據(jù)接收服務，中標方為KSAT公司，服務價格為282美元/單次過頂?？梢钥闯?，以上推算的結果基本合理。

2.2 SSC公司

（1）從兩極到全球

SSC與KSAT，同處北極的這兩家公司具有很多相似的特點：公司的前身都是在1970年前后成立，KSAT是在1967年，SSC是在1972年；而正式成立，KSAT在2002年，SSC則在2000年通過入股Universal Space Network公司，正式開始了地面站網(wǎng)商業(yè)化運營業(yè)務；KSAT和SSC的早期用戶都是名副其實的“國家隊”衛(wèi)星；KSAT在2013年開始考慮為小衛(wèi)星提供服務，SSC在2014年也開始同樣的戰(zhàn)略部署。

而從兩家公司布站的位置來看，都是基于北極，拓展到南極，然后開始布局中低緯度地區(qū)。SSC的最北站位于總部瑞典基律納（北緯67°）和加拿大的伊努維克（68°）；最南站位于智利蓬塔阿雷納斯（南緯53°）。相比較于KSAT，SSC最南和最北的地面站緯度都略低。

圖6 SSC公司全球地面站分布

圖7 SSC公司地面站網(wǎng)全球覆蓋圖

圖8 SSC公司針對小衛(wèi)星推出“SSC INFINITY”

（2）全球地面站網(wǎng)系統(tǒng)PrioraNet

SSC的地面站網(wǎng)系統(tǒng)并非完全自主建設，其發(fā)展壯大與一個叫做通用空間網(wǎng)絡（Universal Space Network，USN）的項目息息相關，并且后續(xù)通過一系列合作和收購最終初步形成全球覆蓋。

USN產生于上世紀90年代后期，該項目致力于在全球具有戰(zhàn)略位置的地區(qū)建設大型且昂貴的地面站基礎設施，再利用地面光纖網(wǎng)絡連接控制中心。USN在設計初期并非服務于商業(yè)市場，這個項目的主要推動力來自NASA高層，NASA希望通過將近地軌道衛(wèi)星的跟蹤服務外包給商業(yè)公司，來降低運行成本。因此，USN最早的用戶就是NASA，為其Small Explorer (SMEX)系列任務的衛(wèi)星提供地面站網(wǎng)服務。 從NASA在2007年公布的地面站網(wǎng)圖可以看到，NASA采用了USN的3個地面站為其提供支撐。

與此同時，歐洲的SSC公司看到了相似的機會，開始開拓亞洲市場。1999年，SSC和USN建立了戰(zhàn)略聯(lián)盟Apriora，使得歐美的兩個地面站網(wǎng)運營團隊走到了一起，他們一起運營的地面站網(wǎng)起名為PrioraNet。

2000年，SSC入股USN ，占10%的股份；2008年，SSC從智利圣地亞哥的智利大學收購了其衛(wèi)星地面站；2009年，SSC收購了USN全部股份，并與德國Blackbridge公司在加拿大北部城市伊努維克建立合資公司PrioraNet Canada；2014年，SSC收購了PrioraNet Canada的全部股份，將全球地面站網(wǎng)PrioraNet完全納入麾下（圖6、圖7）。

（3）服務于小衛(wèi)星的SSC INFINITY

2014年，SSC公司提出“重要的時間和資源管理”概念來滿足新興航天市場的新需求，其中就包括針對小衛(wèi)星的、不同于傳統(tǒng)的地面站網(wǎng)服務。

SSC指出，為微小衛(wèi)星市場服務，最大的挑戰(zhàn)是需要“顛覆現(xiàn)有的思維模式和多年來建立的心理預期”，這要求SSC必須不斷地“評估和重新評估公司的組織”，是否“對這個新興市場有正確的心態(tài)”。

2016年，在美國Space Symposium會議上，SSC發(fā)布了專門針對小衛(wèi)星和星座的解決方案“SSC INFINITY”。SSC INFINITY利用包括一系列高度自動化的新技術，使用經過優(yōu)化的5m或更小口徑的全動態(tài)天線與小衛(wèi)星和星座進行通信。同時SSC INFINITY推出了簡化的服務協(xié)議，基于優(yōu)先級、天線尺寸、可用性和帶寬需求的不同的價格計劃，并可以根據(jù)服務和優(yōu)先級最小化服務成本。

從圖8可以看出，SSC INFINITY未來計劃在中緯度地區(qū)部署更多的地面站，以滿足小衛(wèi)星和星座的服務需求。

對于先前運營全球大型地面站網(wǎng)、服務于傳統(tǒng)大衛(wèi)星市場的SSC和KSAT公司來說，及時的調整策略，努力為微小衛(wèi)星和星座服務，是他們對市場的敏銳嗅覺和強大的全球實力的體現(xiàn)。

（4）SSC與我國的合作

我國與KSAT公司的合作更多是直接購買服務，而與SSC公司則在海外建站方面開展了較多合作。目前為止，多個中國國家項目在SSC總部建設有自己的地面站，例如中國遙感衛(wèi)星地面站北極接收站（圖9），該站將顯著支撐我國高分對地觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸工作。

3、友商聯(lián)手對抗新勢力

回到文章開頭提到的2012年SpaceOps會議上，KSAT與SSC公司合著《地面站網(wǎng)與GEO中繼衛(wèi)星對極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)的下載》一文的事件。經過上述分析，KSAT和SSC聯(lián)手撰寫此文的目的已非常清晰，正是因為上一篇文章中提到的歐洲“哥白尼”計劃，極有可能采用全激光的歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（EDRS）解決方案，放棄X頻段的地面站直接接收方案一事。因此KSAT和SSC公司希望通過發(fā)表文章，比較地面站網(wǎng)和EDRS中繼衛(wèi)星的優(yōu)劣，來證明地面站網(wǎng)的方案更優(yōu)。下面，我們只選取部分文章的分析內容，不做評述。

3.1合著文章的主要觀點

（1）覆蓋比較

地面站：考慮到歐洲地面站的位置，可以在LEO衛(wèi)星的整個歐洲境內提供實時覆蓋。例如使用兩個現(xiàn)有的地面站就能夠提供全歐洲覆蓋，出于所有意圖和目的，這種覆蓋范圍可以提供給無限數(shù)量的衛(wèi)星，因為只要總容量需求如此保證，就可以靈活地添加（低成本）天線。

中繼衛(wèi)星：初始的 EDRS系統(tǒng)（2個在軌衛(wèi)星載荷）能夠提供歐洲的覆蓋，一旦LEO衛(wèi)星在EDRS LCT的視野中就可以進行星間激光通信。該系統(tǒng)可以提供完整、不間斷的覆蓋，每軌最多約45分鐘，但隨著同時用戶越來越多將受到限制。

圖9 中國遙感衛(wèi)星地面站北極接收站，正是與SSC合作建設

（2）數(shù)據(jù)傳輸

地面站：現(xiàn)有的地面站可以確保所有衛(wèi)星在整個歐洲地區(qū)的實時覆蓋，歐洲大陸上最長的地面軌道距離不到4500公里，相當于LEO衛(wèi)星大約10分鐘的飛行時間。 直接接收過程中相應的數(shù)據(jù)量在X波段為90GByte（在未來的Ka波段系統(tǒng)中可能高出幾倍）。

中繼衛(wèi)星：假設衛(wèi)星可以在歐洲領土上持續(xù)傳輸10分鐘，通過中繼衛(wèi)星實時可下載的數(shù)據(jù)量將是135GByte。 但是一旦每個激光通信終端服務的衛(wèi)星數(shù)量大于2個，在歐洲通過期間發(fā)生沖突的可能性就會增大，從而不能保證實時覆蓋的程度，進而減少了下載量。

盡管計劃在2017年和2019年推出的另外兩顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星將增加EDRS系統(tǒng)的總覆蓋面積和每日存儲數(shù)據(jù)的總下載量以及改善延遲，但不會改變如上所述的連接限制。

（3）數(shù)據(jù)容量

地面站：鑒于地面站的全球分布，最大延遲大約為50分鐘，并且X波段的總數(shù)據(jù)量下載容量大約為3.7TByte /天。 由于額外的天線容量安裝成本低，所服務的衛(wèi)星數(shù)量對容量沒有特別的影響。地面網(wǎng)絡的最大延遲將由站點的數(shù)量和位置與所選軌道相結合來確定。

中繼衛(wèi)星：隨著衛(wèi)星數(shù)量的增加，中繼系統(tǒng)和地面網(wǎng)絡的容量計算方法不同，因為地面網(wǎng)絡可以更容易地適應可預測的負載。EDRS系統(tǒng)只能為少數(shù)衛(wèi)星提供非常高的初始容量，但是如果沒有發(fā)射新的中繼衛(wèi)星，則隨著入軌LEO衛(wèi)星的不斷增多，其單星傳輸容量會大幅下降。

（4）成本考慮

歐空局投入2.75億歐元，空中客車投入超過1億歐元以完成EDRS系統(tǒng)的初期計劃，后續(xù)的兩顆衛(wèi)星每顆需要2.5億歐元，但這么大的投入?yún)s只能服務幾顆LEO衛(wèi)星而已。除非預計的服務價格水平比地面站當前的商業(yè)模式高出一個數(shù)量級，否則綁架類似哥白尼計劃中的對地觀測衛(wèi)星“哨兵（Sentinel）”等衛(wèi)星客戶進行數(shù)據(jù)傳輸中繼的收入，將不足以使整個PPP計劃能夠為這些投資回收成本，更不用說賺錢了。

文章分兩種情況對EDRS系統(tǒng)和地面站網(wǎng)絡系統(tǒng)進行比較：EDRS作為一個完全由政府資助的項目，為政府項目提供中繼服務；EDRS作為一個服務于大量商業(yè)項目的系統(tǒng)，用商業(yè)收入維持系統(tǒng)開支。最終文章的結論是，KSAT和SSC公司希望有一個可讓用戶選擇的、而非由歐空局決定僅由EDRS來完成所有數(shù)據(jù)中繼接收的公平環(huán)境。文章發(fā)表于2012年，那么，最終這篇文章對ESA產生了什么影響？

3.2 “反擊”的戰(zhàn)果

從規(guī)劃看，哥白尼計劃中Sentinel系列衛(wèi)星有5個系列是LEO衛(wèi)星，其中：

· Sentinel-1系列衛(wèi)星都配備了LCT激光中繼終端、X頻段600Mbps的數(shù)傳終端和S頻段的TT&C終端；

· Sentinel-2系列衛(wèi)星都配備了LCT激光中繼終端、X頻段560Mbps的數(shù)傳終端和S頻段的TT&C終端；

· Sentinel-3系列衛(wèi)星都配備了X頻段520Mbps的數(shù)傳終端和S頻段的TT&C終端；

· Sentinel-5系列衛(wèi)星都配備了X頻段80Mbps的數(shù)傳終端和Ka頻段781Mbps的數(shù)傳終端；

· Sentinel-5p系列衛(wèi)星配備了X頻段310Mbps的數(shù)傳終端和S頻段的TT&C終端；

· Sentinel-6/Jason CS系列衛(wèi)星配備了X頻段150Mbps的數(shù)傳終端。

從數(shù)傳和測控配置來看，所有的衛(wèi)星都配備有X頻段和S頻段的對地通信終端，而攜帶了EDRS中繼終端的衛(wèi)星僅有Sentinel-1和Sentinel-2。

從目前實際的衛(wèi)星運行狀況來看，Sentinel-1和Sentinel-2所使用的X頻段地面站分別是KSAT公司和歐洲一些國家宇航局位于意大利的馬泰拉站、西班牙的馬斯帕洛馬斯站和挪威的斯瓦爾巴站。

也就是說，KSAT和SSC公司2012年的那次聯(lián)手“游說”效果不錯，KSAT最終還是拿到了Sentinel項目地面站服務的生意，而SSC也并沒有丟掉其傳統(tǒng)的S頻段地面站測控的合同。