中繼衛星商業化，地面站網運營商該如何應對？

原標題：中繼衛星商業化，地面站網運營商該如何應對？

來源 | 千域空天（ID：UltimateBlueNebula）

作者 | 藍天翼

隨著商業航天的不斷發展，在許多領域都會存在「幸福的煩惱」，就是在決策一種解決方案的時候，會出現多於兩種選擇。對於絕大多數充分市場化和商業化的行業來說，這是非常正常的，但對於剛剛打開商業化和市場化大門的商業航天來說，卻顯得有些「不適應」。

但我們還是認為，有兩種甚至更多的選擇其實對甲方來說還是很幸福的，這總比從前只有一種甚至沒得選要好吧？

比如我們討論到低軌互聯網浪潮的時候，總會考慮衛星接入 vs 地面蜂窩網；

我們討論遙感衛星商業模式的時候，會考慮賣數據 vs 賣答案；

我們討論高速通信最優解的時候，會考慮 Q/V-band vs 光通信；

我們討論低軌星座的網關站構架的時候，會考慮全球建站 vs 星間鏈路。

我們總能找到10000種理由支持一種反對另一種，但因為這個行業的可參照對象太少，所以更多的討論價值還僅限於研究，畢竟實踐一次的成本太高，而這個成本現在願意承擔的人又太少。

我們在進行中繼衛星商業化的研究過程中，發現了一件有意思的事情，就是中繼衛星的商業化趨勢衝擊最大的就是地面站網運營商。以前對於從事地面站網服務的公司來說，幾十年來可能都沒有考慮過天上會出現一個商業競爭對手。在2010年後，包括NASA、ESA的「國家隊」開始考慮PPP模式進入商業衛星中繼服務的領域；2013年後，包括Audacy、AddValue和Near Space Launch等商業中繼衛星公司開始融資、進行在軌實驗、甚至已經開始提供商業化的服務，這一切都讓地面站網老玩家們壓力越來越大。

關於地面站網，今天先來說說這件事：地面站網運營商 vs.靜止軌道中繼衛星

對於商業化的地面站網運營商，反應和應對一定是迅速而有力的，今天我們就從傳統地面站網運營商的一次「反擊」說起。在2012年SpaceOps會議上，有一篇名為《Ground Station Networks vs. GEO Relay Satellites for Polar Orbiting Satellites Data Download》的文章引起了我的注意。

吸引我的有三點，一是這篇文章發表的平台是SpaceOps，二是合作這篇文章的兩家單位是眾所周知的競爭對手，三是這篇文章的立場、論述和最終起到的效果。

International Conference on Space Operations (SpaceOps)

首先介紹一個這個國際學術會議，SpaceOps。在國際測控圈，這有一個非常有名的學術會議，這個會議由法國宇航局（CNES）主辦和組織，由AIAA提供支持，是Space Mission Operations and Ground Systsms社區致力於解決最先進的空間操作規則、方法和工具舉辦的大型技術論壇。這個會議從1990年開始每兩年舉辦一次，每次都能夠吸引包括技術專家、科學家，航天機構、學術和研究所、運營商和工業屆的領導參與，能夠促進空間飛行任務所有領域的管理和技術交流。

最新的一次SpaceOps 2018在今年的5月28日~6月1日在法國馬賽舉辦，論文集可以通過AIAA的ARC下載：https://arc.aiaa.org/doi/book/10.2514/MSPOPS18. 在ARC上我們能夠收到2002~2018年的全部論文，我們利用一個小時的時間做了一個簡單且不完全的論文題目分析，試圖能夠找到一些「衛星測控圈」的發展規律。

對於一些現在的測控領域的熱點問題，我們梳理了一些關鍵詞，包括「小衛星」、「光通信」、「低成本」、「自動化」、「星座」、「雲」和「大數據」，並整理了從2002年~2018年來的論文題目數量，得出如下的一個趨勢變化表。

	小衛星	光通信	低成本	自動化	星座	雲	大數據
2002	1	1	4	6	1	0	0
2004	4	3	12	13	6	1	0
2006	5	2	8	25	9	0	0
2008	2	1	7	14	12	0	0
2010	4	0	5	21	13	1	0
2012	6	4	6	14	3	5	1
2014	16	7	11	22	2	3	1
2016	20	7	5	21	9	1	3
2018	23	8	1	24	9	0	5

自動化作為現在測控領域常常被提及的一個詞，在SpaceOps會議上也是個熱門的話題，從我們關注的小衛星、光通信、自動化和星座四個關鍵詞來看，其數量始終是最多的；而星座這個話題在逐漸增多到2010年達到頂峰後，2012和2014年被冷落，直到2016年後又被逐漸提及；光通信一直不溫不火的發展到了2010年，然後逐漸論文越來越多；最明顯的變化來自小衛星，我們將Small/Micro Satellite與Cubesat放在一起進行了統計，Cubesat在2014年首次出現，顯著的增加了小衛星話題的數量，在2018年已經幾乎與自動化出現的頻次相同。

這從一個側面反映了國際測控圈學術話題的變化，從技術上，自動化始終是個熱點話題，在不同的發展階段，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，小衛星隨著衛星發射數量的不斷增多成為了話題的熱點，而星座在2014年後再度熱起，與OneWeb的出現不無關係。

然後，我們來看看前文所述的傳統地面站網運營商KSAT和SSC。

雄踞地球最北和最南的

Kongsberg Satellite Services (KSAT)

KSAT公司成立於2002年，但其最早運營地面站是從1967年在其總部所在地Troms?（北緯69°）建立的第一個遙測站開始的，因此我們也常看到KSAT的宣傳說自己有超過50年的地面站運營經驗。

在KSAT公司成立之前，該公司的前身在1997年就開始建立Svalbard（北緯78°）衛星地面站，而現在我們常常在談到Svalbard的衛星地面站就自然會想到KSAT，與KSAT在Svalbard的長期耕耘有很大的關係。

KSAT的全球站網

2005年KSAT的業務量是每天150次衛星過頂數據接收，2015年達到了每天800次，2018年達到了每年1200次。

這與KSAT在全球地面站網的快速擴張不無關係，KSAT在2007年建立了南極站Troll站（南緯72°），使得KSAT具備了獨一無二的Pole-to-Pole 的地面站網覆蓋能力；2009~2011年，KSAT又著力發展其中緯度地區的地面站覆蓋，在新加坡，模里西斯，迪拜和南非建立了KSAT的地面站系統，從而形成了覆蓋全球的地面站網系統。

KSAT的服務領域

從KSAT的股份構成看，KSAT是一家由Kongsberg集團和Space Norway各佔50%成立的商業公司，其專註的領域經過50多年的發展，都集中在了衛星服務的領域。

在KSAT官網的Service項目中，能夠看到近20項服務內容，但總結下來其實主要就兩種，一種是利用衛星地面站網系統為航天器服務，第二種是利用衛星地面站網系統為地面用戶服務。目前從地面站網系統的發展來看，越來越多的地面站網公司都是在其所從事的產業鏈下游服務上做更多的服務。由於KSAT的衛星客戶越來越多，所以在其發展過程中也會不斷地考慮能夠在衛星客戶的數據上做更多文章。

KSAT Lite

在2013年，KSAT注意到了小衛星業務的增長，對於原先針對傳統衛星的解決方案並不適用於小衛星的現象令KSAT開始考慮是否應針對小衛星具有不同的解決方案。因此KSAT在2016年開始推出了KSAT Lite的服務。

KSAT Lite中KSAT主推的是Baseline 3.7，意為其標準天線口徑為3.7m（也可以根據實際需求增大到4.2米）。儘管KSAT在推出該項服務的一開始對於天線口徑的大小存疑，但實際應用下來發現KSAT Lite能夠完美的接收到衛星下行的信號，原因是對於很多任務，都預留了過高的餘量，而對於小衛星任務來說，由於它們更追求的是效率和成本，因此不必要的餘量是可以被忽略的。

儘管KSAT Lite中包括UHF和VHF頻段的服務，但這並非是KSAT Lite為用戶推薦的方案，因為KSAT認為眼中的干擾影響了用戶體驗和服務品質。相反的，KSAT Lite對於Ka-Band的推崇有加，很可能成為改變小衛星測控和數傳市場的一個重要因素。

在2016年，KSAT計劃在其20個地面站址推出了KSAT Lite服務。而KSAT在這一領域的動作也吸引了眾多小衛星運營商的關注，他們紛紛與KSAT簽署了合作協議。

2017年2月，美國Virgin Galactic公司與KSAT簽署協議，將由KSAT為其的LauncherOne提供遙測下行鏈路服務。

2017年2月，美國矽谷遙感衛星公司Astro Digital與KSAT簽署合作協議，將使用KSAT Lite的Ka-band為其Cubesat星座提供數據下傳服務。

2017年12月，英國遙感衛星運營商Earth-i宣布將使用KSAT的全球地面站網來為其對地觀測星座提供地面網路服務。

2018年2月，基於美國矽谷越來越多的民營航天公司脫穎而出，KSAT在矽谷設立了辦公室以更好的為小衛星客戶提供服務。

2018年4月，美國電磁數據分析公司HawkEye 360與KSAT簽署協議，將使用KSAT Lite為其星座提供數據接收服務。

2018年8月，荷蘭物聯網衛星公司Hiber與KSAT簽署協議，將使用KSAT Lite為Hiber星座提供服務。

2018年10月，日本流星雨衛星公司ALE Co., Ltd與KSAT簽署協議，將使用KSAT Lite地面網路為其衛星提供服務。

……

KSAT的服務價格

因為為不同用戶提供的服務內容以及地面站口徑不同，KSAT並沒有在官方渠道公開其服務價格，我們只能通過以下兩個方法對其服務價格進行估計：

通過年度財報和官方數據

KSAT每年的財報會公布其總收入和通過地面站服務的佔比，例如2014年其總收入為6400萬美元，地面站服務收入佔比為82%；2016年總收入為7200萬美元，地面站服務收入佔比為82%。

按照KSAT官方提供的數字，其在2015年的每日接收衛星過頂數量為800次，2018年為1200次。我們假設其2014年數量為700次，2016年數量為900~1000次，則可以估算出2014年KSAT的平均pass服務費用為200美元，2016年KSAT的平均pass服務費用為160~180美元。對於小衛星，這個服務價格會更低，而對於大衛星或服務優先順序更高的衛星，這個服務價格會更高。

通過簽署的服務協議

KSAT在2012年與NASA簽署了一項協議，將為日本的GCOM-W1衛星和NASA的JPSS衛星提供2012~2017年度的地面站服務，將使用KSAT的南極和北極站，總的服務費用是1.32億NOK，約合2350萬美元。如果按照每天每顆衛星28個pass計算，約合每個pass 的費用是460美元。

我們從2016年的一次招標可以看出我們計算的數字應該是合理的。國家衛星氣象中心風雲三號02批衛星租用南極地面站的成交公告，最終中標方正是KSAT，其使用南極Troll站位我國衛星提供數據接收服務，單pass價格為282美元。

擁有很北和很南的地面站的

地面站網公司

Swedish Space Corporation (SSC)

說完KSAT，我們再說SSC的文字會少很多，因為同處北極的這兩家公司具有很多相似的特點，前身都是在1970年前候成立的，KSAT是在1967年，SSC是在1972年；KSAT公司是在2002年成立的，SSC在2000年通過入股Universal Space Network公司開始了其地面站網商業化運營的生涯；雖然都是商業公司，但KSAT和SSC的早期用戶都是名副其實的「國家隊」衛星；KSAT在2013年開始考慮為小衛星服務，SSC在2014年也開始做了這樣的戰略部署。

而從兩家布站的位置來看，都是基於北極，拓展到南極，然後開始布局中低緯度地區。SSC的最北站是其總部Kiruna和加拿大的Inuvik，分別是北緯67°和68°；SSC最南站是其在智利Punta Arenas的站，位於南緯53°。相比較於KSAT的北部Svalbard和南部Troll站，SSC最南和最北的站緯度都略低。

SSC PrioraNet

其實SSC的站網系統，並非由SSC一手自主完成的，而是與一個叫做Universal Space Network的的計劃並通過一系列合作和收購初步完成的。

USN是在上世紀90年代後期產生的，他們致力於在全球具有戰略位置的地區建設大型且昂貴的地面站基礎設施，再利用地面光纖網路連接信息到控制中心。但USN在設計初期並非為商業市場服務的，這個項目的主要推動力來自於NASA的高管，NASA希望能夠通過將其近地軌道衛星跟蹤服務外包給商業公司來降低運行成本，因此NASA就成了USN最早的客戶。最早的USN用戶就是NASA Small Explorer (SMEX)系列任務，例如SMEX計劃的第二顆衛星Fast Auroral Snapshot Explorer (FAST)就是採用的USN的地面網路提供的地面站網服務。

從NASA在2007年公布的地面站網圖可以看到，NASA採用了USN的3個地面站為其提供支撐。

與此同時，在歐洲的SSC看到了一個與USN在NASA相同的市場機會並開始拓展機會到亞洲。1999年，SSC和USN建立了戰略聯盟Apriora，使得歐美的兩個地面站網運營團隊走到了一起，他們一起運營的地面站網起名為PrioraNet。

隨後，在2000年，SSC入股USN 10%的股份；在2008年從智利大學收購了Santiago衛星地面站；在2009年SSC收購了USN全部股份，並與Blackbridge在加拿大北部的Inuvik建立了一個合資公司PrioraNet Canada；2014年SSC收購了PrioraNet Canada的全部股份，從而完成了其在全球地面站網PrioraNet的初步布局。

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星的新的地面站網服務。

在一開始，SSC就指出，為微小衛星市場服務，最大的挑戰是在SSC這邊需要「顛覆現有的思維模式和多年來建立的心理預期」，這要求SSC必須不斷的「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」。

2016年，在美國Space Symposium會議上，SSC宣布了自己的專門針對小衛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，使用經過優化的5m或更小口徑的全動態天線與小衛星和星座進行通信。同時SSC INFINITY推出了簡化的服務協議，基於優先順序、天線尺寸、可用性和帶寬需求的不同的價格計劃，並可以根據服務和優先順序最小化服務成本。

從下圖我們可以看出SSC INFINITY在未來的中緯度地區還將部署更多的地面站滿足小衛星和星座的服務需求。

對於先前運營全球大型地面站網的SSC和KSAT來說，及時的調整策略，努力為微小衛星和星座服務，是基於其對市場的敏銳嗅覺和強大的全球實力。

SSC與我國的合作

相比較於與KSAT的購買服務，我國與SSC的合作更多的在海外建站。我國的多個國家項目都在SSC總部，也就是Kiruna建設有自己的地面站，最近的一次北極地面站建設是2015年8月招標的北極接收站項目。

該地面站於2016年底建成，支撐我國的高分對地觀測系統。

KSAT與SSC，

友商聯手對抗新勢力

通讀全文，我們能夠了解KSAT和SSC之所以聯手撰寫此文的目的，在於歐洲Copernicus計劃極有可能採用全激光數據中繼方案而放棄X頻段的地面站直接接收方案。因此KSAT和SSC希望通過比較地面站網和EDRS中繼衛星的優劣，來證明地面站網的方案更優，而中繼方案並非唯一解。我們在這裡只選取部分文章的分析內容，不做評述。

覆蓋比較

地面站

考慮到歐洲地面站的位置，可以在LEO衛星的整個歐洲境內提供實時覆蓋。 下圖給出了此類網路的示例，使用兩個現有地面站提供全歐洲覆蓋。 出於所有意圖和目的，這種覆蓋範圍可以提供給無限數量的衛星，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。

中繼衛星

初始的 EDRS系統（2個在軌衛星載荷）能夠提供歐洲的覆蓋，一旦LEO衛星在EDRS LCT的視野中就可以進行星間激光通信。 該系統可以提供完整，不間斷的覆蓋，每軌最多約45分鐘，但隨著越來越多的同時用戶將受到限制。

數據傳輸

地面站

我們看到現有的地面站可以確保所有衛星在整個歐洲地區的實時地面站覆蓋， 歐洲大陸上最長的地面軌道距離不到4500公里，相當於LEO衛星大約10分鐘的飛行時間。 直接接收過程中相應的數據量在X波段為90 GByte（在未來的Ka波段系統中可能高出幾倍）。

中繼衛星

假設衛星可以在歐洲領土上持續傳輸10分鐘，通過中繼衛星實時可下載數據量將是135 GByte。 但是一旦每個激光通信終端服務的衛星數量大於2個，在歐洲通過期間發生衝突的可能性就會增大，從而在整個歐洲大陸通過期間不能保證實時覆蓋的程度，從而減少了 下載量。

儘管計劃在2017年和2019年推出的另外兩顆數據中繼衛星將增加EDRS系統的總覆蓋面積和每日存儲數據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。

數據容量

地面站

鑒於歐洲地面站的全球分布，最大延遲大約為50分鐘，並且X波段的總數據量下載容量大約為3.7 TByte /天。 由於額外的天線容量安裝成本低，所服務的衛星數量對容量沒有特別的影響。 地面網路的最大延遲將由站點的數量和位置與所選軌道相結合來確定。

中繼衛星

隨著衛星數量的增加，中繼系統和地面網路的容量計算方法不同，因為地面網路可以更容易地適應可預測的負載。 EDRS系統只能為少數衛星提供了非常高的初始容量，但是如果沒有發射新的中繼衛星，則隨著發射的LEO衛星不斷增多，其單星傳輸容量會大幅下降。

成本考慮

ESA投入2.75億歐元，Airbus投入超過1億歐元以完成這個EDRS的初期計劃，後面兩顆衛星每顆需要2.5億歐元，但這麼大的投入卻只能服務幾顆LEO衛星而已。除非預計的服務價格水平比地面站當前的商業模式高出一個數量級，否則綁架Sentinel衛星客戶進行數據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

和地面站網路系統進行比較

1) 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

2) EDRS作為一個服務於大量商業項目的系統，用商業收入維持系統開支

最終文章的結論是KSAT和SSC希望能有一個讓用戶選擇而非由ESA決定僅有EDRS完成所有數據中繼接收的公平環境。我們可以看看最終ESA是怎麼選擇的。

KSAT與SSC的戰果

從Sentinel系列衛星的規劃來看，有5個系列是LEO的，其中：

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

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

Sentinel-3系列衛星都配備了X頻段520Mbps的數傳終端和S頻段的TT&C終端；

Sentinel-5系列衛星都配備了X頻段80Mbps的數傳終端和Ka頻段781Mbps的數傳終端；

Sentinel-5p系列衛星配備了X頻段310Mbps的數傳終端和S頻段的TT&C終端；

Sentinel-6/Jason CS系列衛星配備了X頻段150Mbps的數傳終端。

但從整個系列的衛星數傳和測控配置來看，KSAT和SSC還是不缺訂單的，畢竟所有的星都有X頻段和S頻段的對地通信，而攜帶了EDRS中繼終端的僅有Sentinel-1和Sentinel-2。

從目前實際的衛星運行狀況來看，Sentinel-1和Sentinel-2所使用的X頻段地面站分別是義大利的Matera站，西班牙的Maspalomas站和挪威的Svalbard站。

也就是說，KSAT最終還是拿到了Sentinel項目地面站服務的生意，而SSC也並沒有丟掉其傳統的S頻段地面站測控的生意。

本文轉載自「千域空天（ID：UltimateBlueNebula）」，原標題《[地面站] 面對中繼衛星的商業化趨勢，地面站網運營商的應對》，作者 | 藍天翼

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編輯：楊艷、朝暉、林紫、娜娜

設計：鄭慧

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