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“星鏈”“一網(wǎng)”星座研發(fā)運行架構分析

2020-11-18 02:17:26馬忠成李心蕊章羅娜饒建兵高利春
國際太空 2020年10期
關鍵詞:星鏈星座衛(wèi)星

馬忠成 李心蕊 章羅娜 饒建兵 高利春

(1航天科工空間工程發(fā)展有限公司,2北京電子工程總體研究所)

2020年注定是世界衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展史上具有里程碑意義的一年,在新冠肺炎沖擊全球經(jīng)濟的嚴峻形勢下,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展依然獲得了業(yè)界較高的關注。1月7日,美國太空探索技術公司(SpaceX)成功發(fā)射第3批“星鏈”(Starlink)衛(wèi)星,成為當今擁有最大在軌商業(yè)星座的公司。3月27日,一網(wǎng)公司(ONEWEB)正式向紐約南區(qū)美國破產(chǎn)法院提出破產(chǎn)保護。4月20日,我國正式將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入新基建范疇。7月3日,英國政府聯(lián)合世界第三大移動通信運營商——印度巴蒂電信集團(Bharti Airtel),出資10億美元成功競拍收購一網(wǎng)公司,并為其全面業(yè)務重啟提供資金。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)工程建設投入大,技術體系復雜,如何更為高效、更低成本地開展工程建設運行工作,值得深入研究。

1 Starlink星座研發(fā)運行架構分析

星座部署進展

SpaceX公司在2015年提出Starlink衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座,旨在開發(fā)低成本、高性能的通信衛(wèi)星及用戶所需要的地面終端,實現(xiàn)新的天基互聯(lián)網(wǎng)通信,在全球范圍內提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務,為無法使用25Mbit/s帶寬的超過3400萬美國人及全球其他農(nóng)村地區(qū)提供寬帶連接。

2018年2月,SpaceX公司發(fā)射首批2顆試驗衛(wèi)星,為Starlink星座建設提供技術驗證。2019年5月至2020年8月,SpaceX公司先后11次利用獵鷹-9運載火箭,分批次完成653顆星座衛(wèi)星發(fā)射,其中第一批60顆為組網(wǎng)試驗衛(wèi)星,后續(xù)593顆為業(yè)務組網(wǎng)衛(wèi)星。2020年6月,SpaceX公司開放星座私人測試,全美70萬人進行了注冊。據(jù)Ars TECHNICA報道,星座用戶測試下載速度11~60Mbit/s,上傳速度5~18Mbit/s,延時31~94ms不等。

運行架構分析

(1)運營總體情況

SpaceX公司自設立之初,為降低產(chǎn)品成本,即開展全產(chǎn)業(yè)鏈條布局。成立18年以來,公司逐步發(fā)展成為集衛(wèi)星、火箭、地面站制造,火箭發(fā)射和回收,衛(wèi)星運營和服務于一身的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)鏈完整的產(chǎn)業(yè)巨頭。Starlink星座建設過程中,SpaceX公司已實現(xiàn)關鍵產(chǎn)品自主生產(chǎn),70%以上硬件均由內部制造。SpaceX公司打造的“火箭研制+衛(wèi)星研制+發(fā)射服務”垂直整合商業(yè)模式,在業(yè)內具有明顯的成本和速度優(yōu)勢。

(2)研發(fā)機構設置

SpaceX公司擁有自己的研發(fā)部門,技術人員主要有兩個來源。一是美國國家航空航天局(NASA)為了扶持SpaceX公司,直接派駐了技術骨干,包括一批航天業(yè)內的頂尖高手;二是SpaceX公司從NASA及行業(yè)內軍火巨頭企業(yè)挖來了業(yè)內的技術精英。在SpaceX公司研發(fā)隊伍中,成熟型人才占比較高,高精尖技術人才的引入保障了其技術研發(fā)的成功率和對外融資的實力,對公司的快速發(fā)展起到了強大的助推作用。

(3)技術基礎和來源

SpaceX公司在技術上并不追求先進,而是創(chuàng)造性地大量采用低成本、高可靠的成熟技術,在此基礎上進行顛覆式創(chuàng)新,包括重復使用運載、整流罩回收,以及“一箭60星”發(fā)射等。SpaceX公司主要的專利來自于NASA及其下屬各航天中心和噴氣推進實驗室;個別項目由SpaceX公司提出需求,NASA完成技術攻關,SpaceX公司購買其技術成果和專利。同時,NASA經(jīng)常為SpaceX公司提供研發(fā)設備和試驗場地,用自己的技術和設備優(yōu)勢幫助SpaceX公司更好地研發(fā),節(jié)約成本。

(4)管控模式

SpaceX公司采取扁平化管理及開放式工作理念,構建了自上而下,自星座至衛(wèi)星、火箭,終端至單機再至芯片投產(chǎn)的無障礙溝通渠道,大幅提高了決策效率、研發(fā)效率。產(chǎn)品研制過程,通過全流程風險傳遞確保目標一致;通過全流程信息共享、溝通,確保各環(huán)節(jié)信息對稱,精益控制產(chǎn)品成本;通過全產(chǎn)業(yè)鏈布局,實現(xiàn)關鍵產(chǎn)品自主生產(chǎn),確保整體建設、運營成本可控。

資金風險分析

SpaceX公司積極為Starlink星座建設募集資金,不僅從金融渠道尋求支持,同時全力拓展美國政府支持渠道。

馬斯克正在尋求獲得美國面向農(nóng)村的寬帶業(yè)務補貼資格。該計劃由美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)倡導提出,第一階段提供160億美元補貼資金,用于支持中標企業(yè)。SpaceX公司重點業(yè)務十分依賴美國政府的政策和補貼,此次競標獲得支持的可能性較大。

星箭發(fā)射成本分析

SpaceX公司自主研制Starlink星座衛(wèi)星、獵鷹-9火箭,完成星座部署。至首批4409顆衛(wèi)星部署完成,具備全球服務能力。

Star1ink星座建設成本明顯低于傳統(tǒng)水平,衛(wèi)星建造成本為傳統(tǒng)衛(wèi)星的1/30,衛(wèi)星發(fā)射成本為傳統(tǒng)發(fā)射的1/5。第一階段星箭部署成本總計47.7億美元,容量88Tbit/s(單顆衛(wèi)星容量20Gbit/s),建設成本合5.4萬美元/(Gbit/s)。

小結

SpaceX公司快速成長建立在美國航天產(chǎn)業(yè)多年的工程積累和經(jīng)驗數(shù)據(jù)基礎上,在政府資金和政策的扶持下,在NASA技術和人才基礎的支持下,更高層次實現(xiàn)“快”“好”“省”的平衡,實行扁平化、縱向一體化的產(chǎn)品管理,直接控制產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié),絕大部分部組件自主完成設計、研制,擺脫了傳統(tǒng)配套體系技術更新慢、產(chǎn)品成本高、供貨周期長的制約,極具競爭力。主導建設的Starlink星座研發(fā)運行模式優(yōu)勢明顯:有效避免龐大的供應鏈;有效地避免了不必要的系統(tǒng)間設計余量;有效地避免了疊加的外包訂單廠商等高成本環(huán)節(jié);產(chǎn)品成本顯著低于傳統(tǒng)航天企業(yè)。

Starlink星座組網(wǎng)成本預測表

獵鷹―9火箭回收發(fā)射成本測算 萬美元

2 OneWeb星座研發(fā)運行架構分析

星座部署進展

一網(wǎng)公司于2014年成立,其創(chuàng)始人是格雷格·惠勒。公司旨在打造人類歷史上規(guī)模最大的低軌寬帶通信星座系統(tǒng),率先突破B2B衛(wèi)星通信業(yè)務,再開拓發(fā)展中國家市場,最終建成全球無縫覆蓋的寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)。

2019年2月,一網(wǎng)公司使用聯(lián)盟ST-B運載火箭,以“一箭6星”的方式將技術驗證星送入預定軌道。2020年2月至今,一網(wǎng)公司利用聯(lián)盟-2.1b運載火箭,分兩批將68顆組網(wǎng)衛(wèi)星送入預定軌道。

運行架構分析

一網(wǎng)公司設立初期的原則就是“將傳統(tǒng)成熟的市場供應鏈和配套體系為己所用”,積極與產(chǎn)業(yè)鏈上下游公司建立合作伙伴關系,完成低軌星座建設過程所涉及的每個核心市場布局。但是,在衛(wèi)星批量生產(chǎn)制造方面,一網(wǎng)公司并沒有找到合適的合作伙伴。2014年,全球對于衛(wèi)星規(guī)?;圃焯幱诟拍铍A段,業(yè)內無成功先例。無奈之下,一網(wǎng)公司只能躬身入局,與空中客車公司(Airbus)成立合資公司,實現(xiàn)衛(wèi)星設計及批量化制造。

總體設計方面,一網(wǎng)公司與空中客車公司合資成立一網(wǎng)衛(wèi)星公司(OneWeb Satellite),完成系統(tǒng)總體方案,衛(wèi)星方案設計、迭代,關鍵技術攻關。公司員工三百多人,主要來自于空中客車公司。衛(wèi)星制造方面,一網(wǎng)衛(wèi)星公司同時負責衛(wèi)星制造及生產(chǎn)。運載火箭方面,法國阿里安空間公司(Arianespace)、英國維珍銀河公司(Virgin Galatic)為一網(wǎng)公司提供發(fā)射服務。單機配套方面,空中客車公司主要負責為一網(wǎng)衛(wèi)星公司提供部分單機配套及條件保障設施。地面系統(tǒng)方面,休斯公司(Hughes)負責OneWeb地面信關站、終端以及基帶設備研制。衛(wèi)星運營、服務提供與融資方面,一網(wǎng)公司主要負責衛(wèi)星運營、服務提供、融資等商業(yè)行為。

資金風險分析

截至2020年3月,一網(wǎng)公司共贏得約34億美元融資,其中債務融資占比53%,打通了衛(wèi)星研發(fā)、制造、運營、應用全產(chǎn)業(yè)鏈條,為整個星座的實施、用戶的尋找提供了保障,但是高息債務融資帶來的高昂財務成本也給未來發(fā)展埋下了巨大的隱患。

2017-2018年,一網(wǎng)公司收入幾乎為零,投入巨大,由于融資得當,至2018年底,公司現(xiàn)金流處于健康狀態(tài)。2019年,公司進入大規(guī)模制造和發(fā)射期后,現(xiàn)金流趨于緊張。2020年,一網(wǎng)公司計劃繼續(xù)融資,以推進星座建設,其主要合作方軟銀集團(SoftBank)也承諾了投資意向。但是,新冠疫情的爆發(fā)導致軟銀股價腰斬,損失近500億美元,無法繼續(xù)支持一網(wǎng)公司良性發(fā)展。無奈之下,一網(wǎng)公司走向破產(chǎn)。

星箭發(fā)射成本分析

一網(wǎng)公司自主完成星座衛(wèi)星研制,購買聯(lián)盟-2.1b火箭完成星座部署。至首批720顆衛(wèi)星部署完成,具備全球服務能力。

OneWeb星座建設成本略低于傳統(tǒng)水平,衛(wèi)星建造成本為傳統(tǒng)衛(wèi)星的1/10,衛(wèi)星發(fā)射成本與傳統(tǒng)發(fā)射相當。第一階段星箭部署成本總計19.4億美元,容量5760Gbit/s(單顆衛(wèi)星容量8Gbit/s),建設成本合33.7萬美元/(Gbit/s)。

OneWeb星座組網(wǎng)成本預測表

小結

與SpaceX公司商業(yè)發(fā)展路徑不同,一網(wǎng)公司以融資、融智等新穎的商業(yè)發(fā)展模式快速推進星座建設,引領了商業(yè)航天的熱潮,也進一步激發(fā)了星座建設商的積極性,但是其發(fā)展也存在明顯的弊端:政府支持少,公開報道中僅盧旺達政府、英國航天局給予了少量支持;過于依賴外部力量,聚合了眾多無生存壓力的公司,無法形成全產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán);星座至單機至芯片迭代鏈條冗長,中間環(huán)節(jié)過多,溝通和管理成本過高;生存、成本壓力無法有效向下傳導,對于產(chǎn)業(yè)鏈各端不具備控制能力和議價能力;無法有效控制技術創(chuàng)新速度、產(chǎn)品交付周期,造成建設速度無法掌控,逐步喪失星座建設主動權、控制權。

3 總結與建議

SpaceX公司、一網(wǎng)公司是目前全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設速度最快的兩家企業(yè)。建設過程中,兩家公司通過社會化融資降低建設、運營風險,掌握了核心系統(tǒng)技術及大系統(tǒng)協(xié)調控制,掌握了批量化衛(wèi)星制造技術,構建了智能化、規(guī)?;⒆詣踊呐a(chǎn)衛(wèi)星制造工廠,對國內衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設具有重要借鑒意義。在建設成本、運行風險管控方面,SpaceX公司更占優(yōu)勢,Starlink星座即將完成區(qū)域組網(wǎng),占據(jù)行業(yè)先發(fā)優(yōu)勢。

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