大型星座系统发展生态研究

张雅声，贾璐，刘思彤

（航天工程大学，北京 100416）

0 引言

近年来，随着Starlink星座和OneWeb星座计划的付诸实践，大型甚至巨型星座已经成为太空领域备受关注的热点。虽然Starlink计划的提出与实践被认为是航天领域的颠覆性事件，但是大型星座的概念并非新鲜事物。自20世纪90年代开始，陆续有诸如Globalstar、ViaSat、Iridium、波音等公司出于商业目的提出此类计划，这些公司很早就意识到大型星座在全球覆盖、低延时通信等方面具有明显优势［1］。它们试图提供与地面蜂窝网络相竞争的全球通信系统，但最终都不同程度地遭遇挫折，有些项目甚至在发射前就被取消（如Teledesic、Celestri、Skybridge）。分析其原因，主要是大型星座作为一个复杂系统，不仅在设计、制造、发射、操作等诸多层面面临许多挑战，而且还面临建设成本高昂、市场需求小、商业模式不可持续等问题［2］。然而，Starlink星座能够突破这些困境得以成功实践并非偶然事件，航天产业的持续发展为其诞生提供了丰富的物质基础和成熟的外部环境。

1 太空生态系统的概念

为了分析大型星座系统发展背后的驱动因素，本文借鉴自然界中的“生态系统”概念来描述太空系统内各组织间的关系。

生态系统是由生物与外部环境共同组成，且两者之间通过能量流动与物质循环构成一个具有自我调节功能的动态平衡系统。将这一概念合理迁移至太空系统可得到一个简易的太空生态系统模型，如图1所示。

图1 太空生态系统示意图

太空生态系统由参与太空活动、利益相关的产业链和影响产业发展的外部环境组成，具体包括4个主要部分，分别是：1）市场及用户；2）太空产业，包括与卫星制造、发射、运营相关的公司和供应链；3）融资来源；4）国家（航天和国防相关部门）和国际机构（如ITU、IADC等）。其中，航天发射产业、卫星制造业、服务运营商和市场用户构成一条完整的太空产业链，外部资金则是维持太空产业链平稳运转和保持活力的能量来源，同时，外部政策环境起到引导、制定规则的作用。可见，太空产业链是太空生态系统的关键。

在太空产业链的4个主要环节中，市场及用户的需求是太空产业链存在的根本，卫星制造和航天发射的技术实力是太空产业链实现的前提，而服务运营则是太空产业链良性发展的关键，它涉及到资金和政策等多方面的因素。

2 市场及用户需求

市场需求是一个产业发展的根本动力，太空产业也是如此。20世纪90年代，GPS在海湾战争中的突出表现，让太空系统成为军队的宠儿。进入21世纪以后，遥感、通信、导航等太空系统的广泛应用，使得太空系统成为国家、社会、民生关注的焦点。

太空活动通常主要与政府部门、军事机构建立长期合作项目，依靠商业利润主导的太空活动较少，主要原因在于市场需求的驱动力不足、太空产业的商业模式尚不成熟、太空产品成本高产量低等。近几年，随着太空技术不断提高，工业制造成本降低，以及全球连通、社会数字化转型、物联网、M2M等市场需求的迅速增长，极大刺激了太空系统的发展，尤其是大型星座的迅速发展［3］。可以说，市场环境和用户需求是促进太空产业链良性发展的强劲驱动力。

3 太空产业链的实现条件

3.1 卫星制造

从卫星制造角度，相较于过去提出的大型星座系统，当前提出的大型星座之所以能够发展起来，主要有以下几方面原因：一是采用先进制造工艺（如自动化装配、测试）提高了生产效率，缩短了单星制造的周期；二是使用数字通信有效载荷、先进的调制方案、多波束天线和高效频率复用方案提高了卫星通信性能。此外，卫星向小型化、模块化、通用化方向发展，为卫星的规模化生产提供条件，从而大幅度降低了单星成本。相比以往动辄数千万的卫星成本，目前的小卫星造价大幅下降，一颗质量约260 kg的Starlink卫星造价仅为50万美元，并能实现单日制造7颗卫星的产能，且成本还将继续压缩。图2为Starlink卫星模型。

图2 Starlink卫星模型

美国2019的《卫星产业报告》指出：“卫星制造是收入增长最快的商业航天基础设计”。而事实也符合这一观点，近年来，进入太空的卫星数量快速增长，仅Starlink星座的入轨卫星数量就已超过以往所有发射卫星的总和。图3为根据已提出的发射计划统计的在轨卫星数量逐年变化情况，可以看出，自2018年起，入轨卫星数量一直保持高速的增长趋势。

图3 入轨卫星数量逐年变化趋势

从卫星制造的整体发展趋势来看，高、低轨卫星分别向大、小2个方向发展：LEO卫星依托建立大型分布式系统进行协同工作，卫星向小型化、规模化生产趋势发展；GEO卫星则追求功能更强，体积、功率更大。

3.2 航天发射

在航天发射产业中，一箭多星技术的成熟运用、火箭复用技术的突破性发展，对大型星座的成功部署起到了不可忽视的作用。目前，SpaceX正通过“猎鹰-9”运载火箭以一箭60星、每2周发射1次的频率部署星链。如果“星舰”火箭试验成功，可达到一箭400星发射能力。造价4 500万美元的“猎鹰-9”火箭复用率可达到70%（除上面级外，几乎全箭可回收），而目前的单枚火箭最多已重复使用12次。这些数据表明，只有重复使用、一箭多星等技术手段的使用才能控制航天发射的成本，才能使大型星座的部署成为可能。“星舰”运载火箭如图4所示。

图4 “星舰”运载火箭

此外，在商业航天背景下，在发射领域有一些公司正在积极探索采用小型发射装置发射微小卫星的模式。例如，维珍轨道公司正尝试基于波音747的机内发射系统，实现将300～500 kg的有效载荷送入太空。而这将为快速、灵活、低成本进入太空提供新的有效方式。

4 太空产业链的运行保障

4.1 融资来源

太空领域的资金注入犹如生态系统中源源不断接收的能量，驱动太空产业链中各环节的发展。航天企业通常有6种资金来源，分别是风险投资、私募、政府（机构）拨款、银行信贷、公募和并购。航天企业包含隶属于国家政府的国有企业和商业航天公司，前者的融资渠道主要来源于政府、军队的资金支持，而后者主要依赖商业投资行为。

依靠政府支持是航天产业发展最主要的资金来源，图5统计了2020、2021年各国在太空领域投入的资金。可以看出，尽管新冠疫情的大流行给各国经济带来沉重打击，但是大部分国家在太空领域的支出仍然保持增长态势。美国政府在2021年投入约545亿美元，远超其他国家，其中240亿美元用于支持NASA的项目。中国位居第二，在太空领域投入约102亿美元。

图5 各国政府空间项目投入资金对比

大型星座是在商业航天蓬勃发展的背景下产生的。2021年，全球商业航天领域吸引了超过150亿美元的总投资，打破了2020年创下的77亿美元的记录。图6展示了商业航天投资总量的逐年变化趋势。可以看出，风险投资占据最大份额，在2021年达到90亿美元。据统计SpaceX公司通过风险投资获取约18亿美元；OneWeb公司获取15亿美元，主要源于Bharti Enterprises和Eutelsat公司风投活动的支持［4］。此外，另一个不容忽视的资金来源是公募集资，并且采用这种融资渠道获取的资金总量正飞速增长。去年，全球商业航天公司通过公开募股筹集了40亿美元，占全年总融资的28%。

图6商业航天总融资逐年变化

图7展示了OneWeb、SpaceX、Virgin Galactic、Blue Origin公司及其他商业航天公司筹集资金总量占比的逐年变化。可以看出，4家头部公司的融资总额于2019年在整个市场的占比达到峰值，约占66%，此后，它们的占比呈逐年下降趋势。这说明商业航天的市场活力显著增加，越来越多的初创企业受到投资者的青睐。例如，Sierra Space、Relativity Space和Rocket Lab公司在2021年均筹集到超过10亿美元的资金。当然依靠市场发展的同时也蕴藏着风险，例如客户基础不确定、商业模式较混乱等；此外，上市公司还面临未能兑现财务目标会影响其股价的压力，这些潜在风险可能会对商业航天的发展带来负面影响。

图7 商业航天公司融资占比逐年变化

4.2 盈利方式

目前，大型星座的盈利点主要面向通信服务市场，这是由于通信服务是卫星业务盈利的主体。据统计，2020年卫星服务盈利总额占航天业44%，达到约1 178亿美元，其中以广播、电视、宽带、移动通信为主的通信业务占到1 152亿美元，遥感业务收益26亿美元。可见，卫星通信服务市场巨大，未来将持续吸引行业资本涌入。

近几年备受关注的低轨大型星座计划几乎全部致力于提供宽带互联网服务。从市场需求来看，该业务具有一定发展潜力。根据ITU的统计数据，2021年，全球约95%的人口可使用宽带网络，4G网络覆盖率达到88%，意味着仍然有近9.5亿人不能通过地面网络接入4G互联网［5］。如果商业航天公司能够率先抢占这部分市场，则盈利空间是十分可观的。根据图8中的统计结果，4G网络覆盖不到的地区主要分布在最不发达国家、内陆发展中国家和小岛屿发展中国家的农村偏远地区，这些地区的人们消费能力相对较弱，这要求面向这些地区的卫星宽带运营商提供更具价格竞争力的服务。

图8 2021年全球各地区接入4G网络人口分布

截 至2022年3月，Starlink已拥有25万卫星宽带用户，包括普通消费者和企业。按照目前每月99美元的宽带费用，可为其带来近3亿美元的年收入。显然，这一回报很难覆盖其预计300亿美元的建设成本，但随着Starlink系统的不断更新完善，将会吸引越来越多的用户。有关学者预估，到2025年，Starlink的年收益 可 达到104亿 美 元［6］。尽 管 目 前Starlink的 主 要 业务是为偏远地区用户提供宽带服务，但它也在寻求开辟新的市场，目前较明确的是Starlink准备进军航空业，计划为商用客机提供可替代传统互联网接入的服务。

4.3 国家政策

国家（机构）的相关政策为太空产业链的运转创造了适宜的外部环境。第一，国家制定的相关政策具有方向性和宏观指导性作用。与国家发展方向一致的项目、企业更容易在竞争中得到更大的发展空间。一些符合国家安全需求和战略目标的项目会受到政策鼓励、资金支持。第二，国家政策具有规范市场秩序的作用。由于商业航天近年来发展迅速，一些并不具备创新能力、核心竞争力的公司抱有融资投机的幻想，为争夺资源采取不良方式，扰乱竞争秩序。这些恶性竞争的现象需要通过制定具体政策进行规范和约束［7］。第三，一些机构制定行业规则起到约束、规范太空活动的作用。太空频谱资源、轨道资源是有限的、无国界的，这需要各个国家在探索和利用太空时秉承可持续发展态度。相关国际机构起到统一标准、协调发展的作用，例如ITU管理无线电频谱，通信卫星进入太空需要依靠其进行频谱分配。

5 结束语

大型星座是在用户需求、商业利润的刺激下催生的，并以太空制造行业、航天发射能力的飞速进步为工程实践的技术基础，此外，资本的不断注入，以及政策环境给予的极大发展空间，才最终使得诸如Starlink这样的大型星座系统得以实现。同时，大型星座的不断部署也起到了正向反馈的作用，刺激了制造业和发射服务业的发展，也吸引了更多资金的投入。可见，大型星座的产生不仅得益于当前合适的行业发展生态，而且可为太空生态系统的发展助力。■