传统地面站网运营商的“反击”

+ 蓝天翼

一、来自中继卫星商业化的压力

随着商业航天的不断发展，在许多领域开始出现“幸福的烦恼”——在决策一种解决方案时会出现多于两种选择。对于绝大多数充分市场化和商业化的行业来说这是非常正常的，但对于刚刚打开商业化和市场化大门的航天行业来说，却显得有些“不适应”。

比如我们在讨论低轨互联网浪潮时，可以考虑卫星接入或是地面蜂窝网；讨论遥感卫星商业模式时，会考虑卖数据或是卖“答案”；讨论高速通信最优解时，Q/V波段或是光通信都是可研讨的选择；讨论低轨星座的网关站构架时，无论全球建站或是星间链路都有不少的支持者。

各路专家们总能找到一万种理由支持一种、反对另一种，但因为这个行业的可参照对象太少，所以讨论的意义一定程度上仅限于研究，毕竟实践一次的成本太高，而现阶段能够承担或愿意承担的人，少之又少。虽然争论不休却很难有定论，但“选哪个”总比“没得选”要好。

卫星数据的传输方式也是这样，卫星中继通信并不是唯一的解决方案。在中继卫星的商业化趋势之下，受冲击最大的正是它的竞争对手——地面站网运营商。

从事地面站网服务的公司们过去几十年可能都没有想到，有一天，天上会出现商业竞争对手。

在2010年后，包括NASA、欧空局等“国家队”陆续通过PPP模式进入商业卫星中继服务的领域；2013年后，包括Audacy、AddValue和Near Space Launch等商业中继卫星公司开始融资，进行在轨实验，甚至已经开始提供商业化的服务……这一切都让地面站网领域的老玩家们猛然惊醒，并开始感受到越来越大的压力。

二、传统地面站网运营商的“反击”

对于本就是商业化的地面站网运营商，面对危机时的反应和应对一定是迅速而有力的。

2012年，传统地面站网运营商发起了一次“反击”——在当年的Sp ac e Op s（International Conf erence on Space Operations）会议上，有一篇名为《地面站网与GEO中继卫星对极轨卫星数据的下载》的文章引起了笔者的注意。原因有三点：一是文章发表平台是SpaceOps；二是合著文章的两家公司是地面站网领域众所周知的巨头和竞争对手，挪威康斯伯格卫星服务有限公司（Kongsberg Satellite Services，KSAT）和瑞典空间公司（Swedish Space Corporation,SSC）；三是文章的立场、论述和最终起到的效果。以下分别论述。

1、SpaceOps大会

SpaceOps大会是一个国际学术会议，在国际测控领域拥有极高的知名度及权威性。会议由法国宇航局（CNES）主办，由美国航空航天学会（AIAA）提供支持，是国际空间任务与地面系统社区致力于解决最先进的空间操作规则、方法和工具而举办的大型技术论坛。会议从1990年开始每两年举办一次，广泛吸引了全球的技术专家、科学家，航天机构、学术和研究所、运营商，以及工业届的人士参与，能够促进空间飞行任务所有领域的管理和技术交流。

我们收集了SpaceOps大会2002~2018年的全部论文，利用一个小时对论文题目做了一次简单且不完全的词频分析，试图寻找一些“卫星测控圈”的发展规律。

提取的关键词涵盖了目前测控领域的热点及焦点，包括“小卫星”、“光通信”、“低成本”、“自动化”、“星座”、“云”和“大数据”。通过词频分析，我们得出了一个行业趋势变化表（表1、图1）。

如表1中所示，“自动化”作为现在测控领域常常被提及的一个词，在SpaceOps会议上也同样是最热门的话题，从2002到2018年，包含“自动化”的论文题目的数量在几个关键词中，始终是最多的；而“星座”的词频，从2004年起逐渐增多至2010年达到顶峰后，2012和2014年连续两届被冷落，数量骤降，直到2016年后才再次被更多地提及；“光通信”一直不温不火地发展到了2010年（2010年甚至数量为零），此后绝地反弹，涉及的论文逐渐增多；最明显的变化来自“小卫星”一词，我们将“Small/Micro Satellite”与“Cubesat”都归入其中进行了统计，Cubesat在2014年首次出现，显著地增加了小卫星话题的总数量，在2018年已经几乎与“自动化”出现的频次相当。

虽然这样的分析并不全面，但仍能从一个侧面反映国际测控领域学术热点的变化。从技术上，“自动化”始终是热点话题，在不同的发展阶段，对自动化需求的领域和方法是不同的；而“光通信”逐渐成为兴起的新方向；从趋势上，“小卫星”随着卫星发射数量的不断增多成为了话题的热点；而“星座”在2014年后再度被热议，可以说与OneWeb的出现不无关系。

图1 Space Ops大会2002~2018年不同关键词话题变化趋势

图2 KSAT公司南北极地面站

2、传统地面站网运营商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，但其最早的运营经验始于1967年在总部所在地挪威特罗姆瑟（北纬69°）建立的第一个遥测站，因此常常可以看到KSAT自称有超过50年的地面站运营经验。

1997年，KSAT公司的前身在北极圈内的斯瓦尔巴群岛（北纬78°）建立了卫星地面站。现在业内人士常常在谈到斯瓦尔巴的卫星地面站时就自然会想到KSAT，与KSAT在此的长期耕耘有直接关系。

2007年，KSAT建立了南极站Troll站（南纬72°），自此具备了全球独一无二的“Pole-to-Pole”地面站网覆盖能力（图2）。

（2）KSAT的全球站网

在2005年，KSAT的业务量是每天150次的卫星过顶数据接收，2015年该指标达到了每天800次，2018年则达到了每年1200次。

这样的增长，与KSAT在全球地面站网的快速扩张密切相关，上文提到KSAT在2007年建立了南极站，2009~2011年，KSAT又着力发展低纬度地区地面站覆盖，在新加坡、毛里求斯、迪拜和南非建立了地面站系统，从而形成了覆盖全球的地面站网系统（图3）。

图3 KSAT公司的全球地面站网分布

图4 KSAT公司官网上罗列的服务项目

图5 KSAT Lite服务的相关参数

（3）服务领域

从KSAT的股份构成看，KSAT是一家由Kongsberg集团和Space Norway各占50%成立的商业公司，其专注的领域经过50多年的发展，都集中在了卫星服务上。

KSAT官网的近20项服务项目（图4）基本可以归为两种：利用卫星地面站网系统为航天器服务，及利用卫星地面站网系统为地面用户服务。目前从地面站网系统的发展来看，越来越多的地面站网公司在向产业链下游开拓更多的服务和市场空间。KSAT也是如此，随着卫星客户越来越多，其逐渐发展出不少在卫星客户的数据上做更多文章的业务。

（4）针对小卫星的服务

早在2013年，KSAT就注意到了小卫星业务的增长，但原有针对传统卫星的解决方案，并不适用于小卫星。为此，2016年KSAT在其20个地面站址推出了KSAT Lite的服务（图5）。

在此项服务中，KSAT主推的是“Baseline 3.7”，意为标准口径为3.7m（也可以根据实际需求增大到4.2m）的天线。尽管KSAT在推出该服务之初，对于天线口径的大小存疑，但实际应用后发现，KSAT Lite能够完美地接收到小卫星下行的信号，原因是对于很多任务，都预留了过高的余量，而对于小卫星任务来说，由于它们更追求效率和成本，因此不必要的余量是可以被忽略的。

尽管KSAT Lite中包括UHF和VHF频段的服务，但这并非是KSAT Lite为用户推荐的方案，因为他们认为使用UHF和VHF频段，严重的干扰会影响用户体验和服务品质。相反，KSAT Lite对于Ka-Band的推崇有加，很可能将成为改变小卫星测控和数传市场的一个重要因素。

KSAT Lite服务吸引了不少私营航天企业尤其是小卫星运营商的关注，美国维珍银河、美国遥感卫星公司Astro Digital、英国遥感卫星运营商Earth-i、美国电磁数据分析公司HawkEye 360、荷兰物联网卫星公司Hiber、日本流星雨卫星公司ALE等都与KSAT签署了合作协议。2018年2月，基于美国硅谷越来越多的私营航天公司脱颖而出，KSAT在硅谷设立了办公室以更好地为小卫星客户提供服务。

（5）服务价格

针对不同客户，KSAT提供的服务内容以及选用的地面站口径不同，所以并没有公开标准的服务价格，但我们通过官方发布的年度财报和相关数据，以及签署的服务协议这两个渠道，可以对其服务价格进行一定的推算。

首先，通过年度财报及官方数据推算。2014年KSAT公司总收入为6400万美元，地面站服务收入占比为82%；2016年总收入为7200万美元，地面站服务收入占比为82%。根据官方提供的数字，KSAT在2015年每日接收卫星过顶数量为800次，2018年为1200次。假设其2014年数量为700次，2016年数量为900~1000次，则可以估算出2014年KSAT的平均每次单次过顶服务费用为200美元，2016年KSAT的平均单次过顶服务费用为160~180美元。对于小卫星，这个服务价格会更低，而对于大卫星或服务优先级更高的卫星，这个服务价格会更高。

其次，通过签署的服务协议进行推算。2012年，KSAT与NASA签署了一项协议，将为日本的GCOM-W1卫星和NASA的JPSS卫星提供2012~2017年度的地面站服务，将使用KSAT的南极和北极站，总服务费用约2350万美元。如果按照每天每颗卫星28次过顶计算，每单次过顶费用约为460美元。

以我国的一次招标数据作为参考——2016年，国家卫星气象中心风云三号02批卫星租用南极地面站提供数据接收服务，中标方为KSAT公司，服务价格为282美元/单次过顶。可以看出，以上推算的结果基本合理。

2.2 SSC公司

（1）从两极到全球

SSC与KSAT，同处北极的这两家公司具有很多相似的特点：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则在2000年通过入股Universal Space Network公司，正式开始了地面站网商业化运营业务；KSAT和SSC的早期用户都是名副其实的“国家队”卫星；KSAT在2013年开始考虑为小卫星提供服务，SSC在2014年也开始同样的战略部署。

而从两家公司布站的位置来看，都是基于北极，拓展到南极，然后开始布局中低纬度地区。SSC的最北站位于总部瑞典基律纳（北纬67°）和加拿大的伊努维克（68°）；最南站位于智利蓬塔阿雷纳斯（南纬53°）。相比较于KSAT，SSC最南和最北的地面站纬度都略低。

图6 SSC公司全球地面站分布

图7 SSC公司地面站网全球覆盖图

图8 SSC公司针对小卫星推出“SSC INFINITY”

（2）全球地面站网系统PrioraNet

SSC的地面站网系统并非完全自主建设，其发展壮大与一个叫做通用空间网络（Universal Space Network，USN）的项目息息相关，并且后续通过一系列合作和收购最终初步形成全球覆盖。

USN产生于上世纪90年代后期，该项目致力于在全球具有战略位置的地区建设大型且昂贵的地面站基础设施，再利用地面光纤网络连接控制中心。USN在设计初期并非服务于商业市场，这个项目的主要推动力来自NASA高层，NASA希望通过将近地轨道卫星的跟踪服务外包给商业公司，来降低运行成本。因此，USN最早的用户就是NASA，为其Small Explorer (SMEX)系列任务的卫星提供地面站网服务。 从NASA在2007年公布的地面站网图可以看到，NASA采用了USN的3个地面站为其提供支撑。

与此同时，欧洲的SSC公司看到了相似的机会，开始开拓亚洲市场。1999年，SSC和USN建立了战略联盟Apriora，使得欧美的两个地面站网运营团队走到了一起，他们一起运营的地面站网起名为PrioraNet。

2000年，SSC入股USN ，占10%的股份；2008年，SSC从智利圣地亚哥的智利大学收购了其卫星地面站；2009年，SSC收购了USN全部股份，并与德国Blackbridge公司在加拿大北部城市伊努维克建立合资公司PrioraNet Canada；2014年，SSC收购了PrioraNet Canada的全部股份，将全球地面站网PrioraNet完全纳入麾下（图6、图7）。

（3）服务于小卫星的SSC INFINITY

2014年，SSC公司提出“重要的时间和资源管理”概念来满足新兴航天市场的新需求，其中就包括针对小卫星的、不同于传统的地面站网服务。

SSC指出，为微小卫星市场服务，最大的挑战是需要“颠覆现有的思维模式和多年来建立的心理预期”，这要求SSC必须不断地“评估和重新评估公司的组织”，是否“对这个新兴市场有正确的心态”。

2016年，在美国Space Symposium会议上，SSC发布了专门针对小卫星和星座的解决方案“SSC INFINITY”。SSC INFINITY利用包括一系列高度自动化的新技术，使用经过优化的5m或更小口径的全动态天线与小卫星和星座进行通信。同时SSC INFINITY推出了简化的服务协议，基于优先级、天线尺寸、可用性和带宽需求的不同的价格计划，并可以根据服务和优先级最小化服务成本。

从图8可以看出，SSC INFINITY未来计划在中纬度地区部署更多的地面站，以满足小卫星和星座的服务需求。

对于先前运营全球大型地面站网、服务于传统大卫星市场的SSC和KSAT公司来说，及时的调整策略，努力为微小卫星和星座服务，是他们对市场的敏锐嗅觉和强大的全球实力的体现。

（4）SSC与我国的合作

我国与KSAT公司的合作更多是直接购买服务，而与SSC公司则在海外建站方面开展了较多合作。目前为止，多个中国国家项目在SSC总部建设有自己的地面站，例如中国遥感卫星地面站北极接收站（图9），该站将显著支撑我国高分对地观测系统的数据传输工作。

3、友商联手对抗新势力

回到文章开头提到的2012年SpaceOps会议上，KSAT与SSC公司合著《地面站网与GEO中继卫星对极轨卫星数据的下载》一文的事件。经过上述分析，KSAT和SSC联手撰写此文的目的已非常清晰，正是因为上一篇文章中提到的欧洲“哥白尼”计划，极有可能采用全激光的欧洲数据中继系统（EDRS）解决方案，放弃X频段的地面站直接接收方案一事。因此KSAT和SSC公司希望通过发表文章，比较地面站网和EDRS中继卫星的优劣，来证明地面站网的方案更优。下面，我们只选取部分文章的分析内容，不做评述。

3.1合著文章的主要观点

（1）覆盖比较

地面站：考虑到欧洲地面站的位置，可以在LEO卫星的整个欧洲境内提供实时覆盖。例如使用两个现有的地面站就能够提供全欧洲覆盖，出于所有意图和目的，这种覆盖范围可以提供给无限数量的卫星，因为只要总容量需求如此保证，就可以灵活地添加（低成本）天线。

中继卫星：初始的 EDRS系统（2个在轨卫星载荷）能够提供欧洲的覆盖，一旦LEO卫星在EDRS LCT的视野中就可以进行星间激光通信。该系统可以提供完整、不间断的覆盖，每轨最多约45分钟，但随着同时用户越来越多将受到限制。

图9 中国遥感卫星地面站北极接收站，正是与SSC合作建设

（2）数据传输

地面站：现有的地面站可以确保所有卫星在整个欧洲地区的实时覆盖，欧洲大陆上最长的地面轨道距离不到4500公里，相当于LEO卫星大约10分钟的飞行时间。 直接接收过程中相应的数据量在X波段为90GByte（在未来的Ka波段系统中可能高出几倍）。

中继卫星：假设卫星可以在欧洲领土上持续传输10分钟，通过中继卫星实时可下载的数据量将是135GByte。 但是一旦每个激光通信终端服务的卫星数量大于2个，在欧洲通过期间发生冲突的可能性就会增大，从而不能保证实时覆盖的程度，进而减少了下载量。

尽管计划在2017年和2019年推出的另外两颗数据中继卫星将增加EDRS系统的总覆盖面积和每日存储数据的总下载量以及改善延迟，但不会改变如上所述的连接限制。

（3）数据容量

地面站：鉴于地面站的全球分布，最大延迟大约为50分钟，并且X波段的总数据量下载容量大约为3.7TByte /天。 由于额外的天线容量安装成本低，所服务的卫星数量对容量没有特别的影响。地面网络的最大延迟将由站点的数量和位置与所选轨道相结合来确定。

中继卫星：随着卫星数量的增加，中继系统和地面网络的容量计算方法不同，因为地面网络可以更容易地适应可预测的负载。EDRS系统只能为少数卫星提供非常高的初始容量，但是如果没有发射新的中继卫星，则随着入轨LEO卫星的不断增多，其单星传输容量会大幅下降。

（4）成本考虑

欧空局投入2.75亿欧元，空中客车投入超过1亿欧元以完成EDRS系统的初期计划，后续的两颗卫星每颗需要2.5亿欧元，但这么大的投入却只能服务几颗LEO卫星而已。除非预计的服务价格水平比地面站当前的商业模式高出一个数量级，否则绑架类似哥白尼计划中的对地观测卫星“哨兵（Sentinel）”等卫星客户进行数据传输中继的收入，将不足以使整个PPP计划能够为这些投资回收成本，更不用说赚钱了。

文章分两种情况对EDRS系统和地面站网络系统进行比较：EDRS作为一个完全由政府资助的项目，为政府项目提供中继服务；EDRS作为一个服务于大量商业项目的系统，用商业收入维持系统开支。最终文章的结论是，KSAT和SSC公司希望有一个可让用户选择的、而非由欧空局决定仅由EDRS来完成所有数据中继接收的公平环境。文章发表于2012年，那么，最终这篇文章对ESA产生了什么影响？

3.2 “反击”的战果

从规划看，哥白尼计划中Sentinel系列卫星有5个系列是LEO卫星，其中：

· Sentinel-1系列卫星都配备了LCT激光中继终端、X频段600Mbps的数传终端和S频段的TT&C终端；

· Sentinel-2系列卫星都配备了LCT激光中继终端、X频段560Mbps的数传终端和S频段的TT&C终端；

· Sentinel-3系列卫星都配备了X频段520Mbps的数传终端和S频段的TT&C终端；

· Sentinel-5系列卫星都配备了X频段80Mbps的数传终端和Ka频段781Mbps的数传终端；

· Sentinel-5p系列卫星配备了X频段310Mbps的数传终端和S频段的TT&C终端；

· Sentinel-6/Jason CS系列卫星配备了X频段150Mbps的数传终端。

从数传和测控配置来看，所有的卫星都配备有X频段和S频段的对地通信终端，而携带了EDRS中继终端的卫星仅有Sentinel-1和Sentinel-2。

从目前实际的卫星运行状况来看，Sentinel-1和Sentinel-2所使用的X频段地面站分别是KSAT公司和欧洲一些国家宇航局位于意大利的马泰拉站、西班牙的马斯帕洛马斯站和挪威的斯瓦尔巴站。

也就是说，KSAT和SSC公司2012年的那次联手“游说”效果不错，KSAT最终还是拿到了Sentinel项目地面站服务的生意，而SSC也并没有丢掉其传统的S频段地面站测控的合同。