劉 豪（北京空間科技信息研究所）

國外商業(yè)衛(wèi)星搭載有效載荷發(fā)展研究

劉 豪（北京空間科技信息研究所）

自20世紀(jì)60年代以來，世界各航天國家便開始利用衛(wèi)星的多余能力來搭載額外的有效載荷，以做到物盡其用，用最少的錢辦更多的事。但過去的“搭載”更多的是政府行為，也就是說，衛(wèi)星是政府所有，在政府主導(dǎo)下尋求其他各方有效載荷來“搭便車”，這是傳統(tǒng)的有效載荷搭載。近幾年來，國外掀起了新的商業(yè)衛(wèi)星“搭載有效載荷”的熱潮?！按钶d有效載荷”是指通過商業(yè)模式，利用商業(yè)衛(wèi)星的質(zhì)量、功率和通信鏈路等可用資源，容納額外的轉(zhuǎn)發(fā)器、儀器或其他星載設(shè)備，也有人稱之為“托管有效載荷”或“寄宿有效載荷”等。

1 “搭載有效載荷”的典型案例

“搭載有效載荷”與傳統(tǒng)的有效載荷搭載在形式上是大體相同的，被搭載的有效載荷也通常都是政府有效載荷（部分是商業(yè)有效載荷），區(qū)別就在于二者的衛(wèi)星主體屬性不同：前者是商業(yè)衛(wèi)星，有較嚴(yán)格和確定的交付進(jìn)度，且這一進(jìn)度一般情況下不因“搭載有效載荷”而改變，也就是說，衛(wèi)星是“公交車”，車不等人；后者是政府衛(wèi)星，衛(wèi)星與“搭載有效載荷”之間一般需要充分協(xié)調(diào)，且最終發(fā)射時(shí)間要等各有效載荷全部交付后才能確定，也就是說，衛(wèi)星是“包車”，人到齊才走。因此，商業(yè)衛(wèi)星“搭載有效載荷”在合作目的、管理模式、責(zé)任與權(quán)利等細(xì)節(jié)問題上有更明確的考慮和規(guī)定。

近幾年，國外成功開展了多項(xiàng)商業(yè)衛(wèi)星“搭載有效載荷”案例，如“商業(yè)搭載紅外有效載荷”（CHIRP）飛行驗(yàn)證項(xiàng)目、“廣域增強(qiáng)系統(tǒng)”（WAAS）、“歐洲地球同步軌道衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)”（EGNOS）、“國家自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)”（NAIS）項(xiàng)目、“空間因特網(wǎng)路由”（IRIS）聯(lián)合能力技術(shù)驗(yàn)證、澳大利亞國防部隊(duì)專用特高頻通信有效載荷等。

“商業(yè)搭載紅外有效載荷”項(xiàng)目

美國空軍空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心的“商業(yè)搭載紅外有效載荷”項(xiàng)目于2011年使用一顆商業(yè)地球靜止軌道衛(wèi)星（即SES－2）搭載一個(gè)寬視場、被動(dòng)紅外傳感器發(fā)射升空。這次試驗(yàn)支持下一代紅外傳感器系統(tǒng)研制，對于降低第三代紅外監(jiān)視系統(tǒng)（3GIRS）的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。該項(xiàng)目的成功開辟了“搭載有效載荷”這樣一個(gè)新的市場領(lǐng)域。

2008年1月，美國通信公司（Americom，即現(xiàn)在的SES-Americom公司）向政府主動(dòng)提出“商業(yè)搭載紅外有效載荷”項(xiàng)目建議。2008年6月，美國政府授予該公司一份價(jià)值6500萬美元的合同。該項(xiàng)目合同主要涉及四家單位：美國空軍空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心是發(fā)包方；SES-Americom公司是項(xiàng)目主承包商，也是SES－2衛(wèi)星的運(yùn)營商；軌道科學(xué)公司是衛(wèi)星的承包商，負(fù)責(zé)衛(wèi)星研制，并提供任務(wù)操作中心；科學(xué)應(yīng)用國際公司（SAIC）是紅外傳感器的承包商，并提供任務(wù)分析中心。

“商業(yè)搭載紅外有效載荷”項(xiàng)目采用承包商的地面設(shè)施和任務(wù)操作團(tuán)隊(duì)，利用在軌數(shù)據(jù)在地面操作和評價(jià)“商業(yè)搭載紅外有效載荷”系統(tǒng)，包括敏感器指令、健康狀況監(jiān)測、敏感器校準(zhǔn)和跟蹤算法評估等。衛(wèi)星由SES公司通過其商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營中心運(yùn)營，而“商業(yè)搭載紅外有效載荷”則由科學(xué)應(yīng)用國際公司的任務(wù)分析中心提供指令，經(jīng)過軌道科學(xué)公司的任務(wù)運(yùn)營中心，再由SES公司上傳。該任務(wù)數(shù)據(jù)通過星載專用設(shè)備加密后，由一臺(tái)商業(yè)轉(zhuǎn)發(fā)器下傳到SES公司的地面站，再傳送給軌道科學(xué)公司，之后實(shí)時(shí)分發(fā)給科學(xué)應(yīng)用國際公司的任務(wù)分析中心以及美國空軍。SES-Americom公司不參與保密數(shù)據(jù)的處理。

商業(yè)衛(wèi)星“搭載有效載荷”典型案例

“廣域增強(qiáng)系統(tǒng)”項(xiàng)目

“廣域增強(qiáng)系統(tǒng)”是由美國聯(lián)邦航空管理局開發(fā)建立的用于空中導(dǎo)航的系統(tǒng)，包括地面段和搭載在地球靜止軌道衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器。地面段向衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器發(fā)送“全球定位系統(tǒng)”（GPS）校正信號，信號即可覆蓋北美。

為了確定最初的“廣域增強(qiáng)系統(tǒng)”服務(wù)，聯(lián)邦航空管理局租用在軌運(yùn)行的商業(yè)通信衛(wèi)星上的轉(zhuǎn)發(fā)器。2007年，聯(lián)邦航空管理局用向洛馬公司專門定制的L頻段轉(zhuǎn)發(fā)器作為商業(yè)地球靜止軌道衛(wèi)星上的“搭載有效載荷”替代了原有的轉(zhuǎn)發(fā)器。此次簽署了兩個(gè)搭載合同，一個(gè)是國際通信衛(wèi)星公司的銀河－15（Galaxy－15）衛(wèi)星，另一個(gè)是電信星公司的阿尼克－F1R（Anik－F1R）衛(wèi)星。2009年，聯(lián)邦航空管理局簽訂了一份合同，為“廣域增強(qiáng)系統(tǒng)”增加了第三顆商業(yè)地球靜止軌道衛(wèi)星[國際移動(dòng)衛(wèi)星－4F3（Inmarsat－4F3）]。

歐洲版的“廣域增強(qiáng)系統(tǒng)”被稱為“歐洲地球同步軌道衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)服務(wù)系統(tǒng)”，從2011年起，歐盟將專用有效載荷搭載到商業(yè)地球靜止軌道衛(wèi)星上。2012年發(fā)射的SES－5衛(wèi)星上攜帶了歐盟的導(dǎo)航有效載荷。

“國家自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)”項(xiàng)目

“搭載有效載荷”另一實(shí)例是美國海岸警衛(wèi)隊(duì)的“國家自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)”項(xiàng)目。2004年5月20日，美國海岸警衛(wèi)隊(duì)授予軌道通信公司價(jià)值780萬美元的固定價(jià)格合同，包括建造自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)有效載荷、與衛(wèi)星集成、發(fā)射和在軌運(yùn)行。軌道通信公司將衛(wèi)星研制和發(fā)射合同分包給OHB系統(tǒng)公司，而OHB系統(tǒng)公司進(jìn)一步將平臺(tái)制造和發(fā)射分包給飛行科研生產(chǎn)聯(lián)合體。軌道通信公司負(fù)責(zé)衛(wèi)星及有效載荷的在軌運(yùn)行。

SES衛(wèi)星示意圖

“國家自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)”項(xiàng)目被設(shè)計(jì)用來增強(qiáng)現(xiàn)有的“自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)”，該系統(tǒng)通過監(jiān)視船舶運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)海域感知。有效載荷用于測試進(jìn)行船舶跟蹤與其他導(dǎo)航活動(dòng)的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)信息接收與報(bào)告的可行性和有效性。軌道通信公司后來意識(shí)到了這一商業(yè)機(jī)會(huì)，自行出資將同樣的載荷增加到5顆額外的衛(wèi)星上。星載自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)的其他用戶包括海軍、國家海洋與大氣管理局、保險(xiǎn)公司等。

“空間因特網(wǎng)路由”項(xiàng)目

“空間因特網(wǎng)路由”搭載項(xiàng)目是美國國防部資助的項(xiàng)目，主要目的是在軌驗(yàn)證思科（Cisco）公司的空間路由能力?！翱臻g因特網(wǎng)路由”有效載荷搭載在國際通信衛(wèi)星－14上，于2009年11月發(fā)射。該項(xiàng)目屬于美國戰(zhàn)略司令部的聯(lián)合能力技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，設(shè)計(jì)壽命10年，合同價(jià)值1210萬美元，包括研制有效載荷并負(fù)責(zé)前90天的運(yùn)行，其他時(shí)間的運(yùn)行費(fèi)用則由其他用戶支付。

專用特高頻有效載荷搭載項(xiàng)目

2012年3月25日，攜帶澳大利亞國防部隊(duì)專用特高頻有效載荷的國際通信衛(wèi)星－22成功發(fā)射，該衛(wèi)星還裝有24臺(tái)C頻段和18臺(tái)Ku頻段轉(zhuǎn)發(fā)器。此次搭載項(xiàng)目由國際通信衛(wèi)星公司主承包，衛(wèi)星平臺(tái)和搭載的特高頻有效載荷均由波音公司提供。搭載項(xiàng)目合同額為1.67億美元，包含有效載荷研制、發(fā)射和15年在軌運(yùn)行。該有效載荷占國際通信衛(wèi)星－22總有效載荷容量的20%，有關(guān)項(xiàng)目的技術(shù)性能問題和進(jìn)度延遲問題，均通過商業(yè)保險(xiǎn)條款解決。

2 “搭載有效載荷”最新發(fā)展

美國建立指導(dǎo)文件有助于規(guī)范“搭載有效載荷”發(fā)展

對“搭載有效載荷”所有者，即政府和軍方層面來說，采用商業(yè)衛(wèi)星搭載具有多種優(yōu)勢，但也存在一些劣勢，比如采用商業(yè)搭載，在質(zhì)量、體積和功耗方面必然存在局限性；商業(yè)衛(wèi)星的采購、建造和發(fā)射進(jìn)度嚴(yán)格，與政府任務(wù)相比缺少靈活性；此外，對于地球觀測任務(wù)有效載荷，雖然每年發(fā)射機(jī)會(huì)較多，但衛(wèi)星的軌道位置、傾角以及提供給“搭載有效載荷”的視角有限。同時(shí)，“搭載有效載荷”所有者向運(yùn)營商所支付的搭載費(fèi)用沒有明確標(biāo)準(zhǔn)，差異也可能很大。同時(shí)，“搭載有效載荷”為商業(yè)通信衛(wèi)星項(xiàng)目的整個(gè)生命期增加了各種不確定性，必須以商業(yè)合同條款的形式加以約束。

測試中的“阿尼克”衛(wèi)星

2010年，美國《國家航天政策》指出“要聯(lián)合采辦可靠、進(jìn)度符合美國政府要求，且高效費(fèi)比的航天發(fā)射服務(wù)和‘搭載有效載荷’”，明確提出鼓勵(lì)政府發(fā)展“搭載有效載荷”，為美國軍方、產(chǎn)業(yè)界開展“搭載有效載荷”工作提供了國家層面的法律政策依據(jù)，起到戰(zhàn)略指導(dǎo)作用。2011年《國家安全空間戰(zhàn)略》和2012年國防部《空間政策》均進(jìn)一步明確這一思路。

為了使商業(yè)“搭載有效載荷”更具有可操作性，美國航空航天局（NASA）于2010年8月委托富創(chuàng)公司（Futron）作了一個(gè)《“搭載有效載荷”指南》的報(bào)告，從“搭載有效載荷”項(xiàng)目的合同簽署、研制與集成、發(fā)射與在軌測試、運(yùn)行和壽命末期等各個(gè)階段作了詳細(xì)的規(guī)定。該報(bào)告成為商業(yè)“搭載有效載荷”的第一個(gè)指導(dǎo)性手冊。

2012年9月，美國國防部發(fā)布了《在商業(yè)衛(wèi)星上搭載軍事通信有效載荷指南》，提出了搭載軍事通信有效載荷的指導(dǎo)性意見，該指南在操作層面明確了國防部的態(tài)度，但也為“搭載有效載荷”進(jìn)行了限制，指出“未經(jīng)國防部批準(zhǔn)，衛(wèi)星所有者/運(yùn)營商不得向盟國政府或任何實(shí)體公布、確認(rèn)、詳述或出租“搭載有效載荷”容量；國防部擁有“搭載有效載荷”所在的軌道位置權(quán)與頻率權(quán)；發(fā)生無線電頻率干擾限制“搭載有效載荷”的使用時(shí)，衛(wèi)星所有者將負(fù)責(zé)解決問題，并補(bǔ)償國防部服務(wù)的損失?！辈贿^，該指南遭到產(chǎn)業(yè)界的廣泛批評，認(rèn)為該指南約束太多，不利于“搭載有效載荷”的發(fā)展。

產(chǎn)業(yè)界成立“搭載有效載荷”聯(lián)盟為項(xiàng)目架橋

為推進(jìn)“搭載有效載荷”的發(fā)展，2011年初由波音公司、洛馬公司、勞拉公司、軌道科學(xué)公司、SES公司、國際通信衛(wèi)星公司和銥星公司等7家公司發(fā)起成立了“搭載有效載荷”聯(lián)盟（HPA），旨在宣傳“搭載有效載荷”的利益，構(gòu)架政府和私營企業(yè)的溝通橋梁，促進(jìn)商業(yè)衛(wèi)星搭載政府有效載荷的實(shí)施。截至目前，該聯(lián)盟的成員又增加了泰雷茲-阿萊尼亞公司、航空航天防務(wù)公司下屬的阿斯特留姆公司（EADS Astrium）、阿里安航天公司、國際發(fā)射服務(wù)公司、歐洲通信衛(wèi)星公司、哈里斯公司、ATK空間系統(tǒng)公司、雷神公司、諾格公司、ComDev公司、MEI技術(shù)公司和國際移動(dòng)衛(wèi)星公司等。這些公司基本涵蓋了全球主要的衛(wèi)星制造商、運(yùn)營商、發(fā)射服務(wù)提供商和相關(guān)航天企業(yè)。

2012－2022年“搭載有效載荷”數(shù)量統(tǒng)計(jì)和預(yù)測

2012－2022年“搭載有效載荷”產(chǎn)業(yè)收入分析預(yù)測

在商業(yè)衛(wèi)星上搭載政府的有效載荷面臨一些具體的問題，例如：如何快速地為政府有效載荷找到匹配的商業(yè)衛(wèi)星搭載機(jī)會(huì)；如何讓政府有效載荷項(xiàng)目的研制周期與商業(yè)衛(wèi)星研制周期一致；如何改變政府傳統(tǒng)的對衛(wèi)星項(xiàng)目的管理方法等。“搭載有效載荷”聯(lián)盟的成立，正是力求找到政府與產(chǎn)業(yè)界都認(rèn)可的解決方案。從“搭載有效載荷”聯(lián)盟的成立可以看出，產(chǎn)業(yè)界非常有興趣參與搭載項(xiàng)目。

3 “搭載有效載荷”產(chǎn)業(yè)規(guī)模分析和預(yù)測

“搭載有效載荷”數(shù)量分析和預(yù)測

據(jù)國外統(tǒng)計(jì)預(yù)測：2012－2022年，全球在軌運(yùn)行的“搭載有效載荷”數(shù)量大致呈現(xiàn)3個(gè)發(fā)展階段：2012－2014年為起步階段，每年的搭載數(shù)量不超過20個(gè)，增長緩慢；2015－2017年為快速發(fā)展階段，每年搭載數(shù)量將大幅增加，年均增長率達(dá)到200%，到2017年超過160個(gè)；之后幾年為穩(wěn)定發(fā)展階段，年搭載數(shù)量繼續(xù)保持緩慢增長。2012年，全球有13個(gè)“搭載有效載荷”在軌運(yùn)行，包括4個(gè)軍事通信、6個(gè)政府民用、3個(gè)私營企業(yè)有效載荷提供軍事服務(wù)。2013年，全球有18個(gè)“搭載有效載荷”在軌運(yùn)行。到2022年，將有184個(gè)“搭載有效載荷”在軌運(yùn)行。

“搭載有效載荷”產(chǎn)業(yè)收入分析和預(yù)測

隨著“搭載有效載荷”數(shù)量的不斷增長，“搭載有效載荷”將成為衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)收入的一部分。目前，由于其正處于起步階段，產(chǎn)業(yè)界還沒有形成成熟的定價(jià)機(jī)制。如前所述，“商業(yè)搭載紅外有效載荷”項(xiàng)目搭載費(fèi)用為6500萬美元，但這一價(jià)格并不一定恰當(dāng)，如何制定合理的價(jià)格成為當(dāng)前涉及“搭載有效載荷”各方，尤其是企業(yè)界所關(guān)注和研究的重要問題。

美國北方天空研究所（NSR）在分析和預(yù)測“搭載有效載荷”產(chǎn)業(yè)收入時(shí)，采用了3種價(jià)格模式：基線價(jià)格、適當(dāng)價(jià)格和較高價(jià)格。基線價(jià)格實(shí)際上可以通俗地理解為“成本價(jià)”，適當(dāng)價(jià)格則表示比較合理的一種價(jià)格，較高價(jià)格則可以通俗地理解為“封頂價(jià)”。根據(jù)預(yù)測，2012－2022年間，“搭載有效載荷”累計(jì)產(chǎn)業(yè)收入可達(dá)到18億～29億美元。2020年以后，年均收入可達(dá)4億美元。這一收入雖然不高，僅為2012年全球衛(wèi)星制造業(yè)收入（146億美元）的2.7%，但在當(dāng)前全球衛(wèi)星制造業(yè)利潤率不足10%的情況下，“搭載有效載荷”收入將顯著提高全球衛(wèi)星制造業(yè)的利潤率。

不同有效載荷類型的收入百分比

從不同有效載荷類型的市場份額來看，來自軍事有效載荷的收入占55%，來自私營企業(yè)有效載荷的收入占24%，來自政府民用有效載荷的收入占21%。

4 “搭載有效載荷”的發(fā)展動(dòng)因分析

商業(yè)衛(wèi)星“搭載有效載荷”從一開始只是個(gè)例，也并未引起政府、軍方和企業(yè)界的太多重視。隨著美國政府航天預(yù)算的壓縮、政府航天項(xiàng)目經(jīng)常出現(xiàn)成本超支和進(jìn)度拖延的問題，軍方通過嘗試商業(yè)“搭載有效載荷”節(jié)省了航天預(yù)算，也看到了其中的軍事意義，企業(yè)界則認(rèn)為這是增加利潤的機(jī)會(huì)，于是供需雙方一拍即合，迅速推動(dòng)“搭載有效載荷”發(fā)展。

近年來，雖然美國一些有關(guān)“搭載有效載荷”的文章或報(bào)道大多以解決美國政府航天項(xiàng)目成本超支和進(jìn)度拖延為主要?jiǎng)右?，言必稱“省時(shí)省錢”，但筆者認(rèn)為這只是掩人耳目的說辭，真正的動(dòng)因還在于其軍事意義。事實(shí)上，商業(yè)衛(wèi)星“搭載有效載荷”是美國寓軍于民，提高軍事航天裝備彈性的措施之一。

2011年美國《國家安全空間戰(zhàn)略》指出，美國將通過增強(qiáng)高成本效益的防衛(wèi)和加強(qiáng)體系彈性來消除敵對方的進(jìn)攻效果。一旦其空間系統(tǒng)遭到攻擊，美國將與其他國家、商業(yè)機(jī)構(gòu)和國際組織開展合作，采用“搭載有效載荷”、快速響應(yīng)和其他途徑，確保美國的軍事用天能力。2012年美國新版國防部《空間政策》則突出強(qiáng)調(diào)了國家空間體系彈性，提出“彈性”的明確概念，即一個(gè)體系在敵對或不利條件下，支持提高任務(wù)成功概率所需功能、縮短能力恢復(fù)時(shí)間、應(yīng)對更寬廣想定、條件和威脅的能力。為了加速提升空間體系的“彈性”，美國將大力推動(dòng)軍、民、商和國際航天能力的合作互補(bǔ)，確保在對抗環(huán)境下滿足美國武裝力量對空間能力效果的需求。

美國考慮到，在未來的空間安全形勢下，大規(guī)模軍事作戰(zhàn)首先搶奪的是用天能力，而專用軍事衛(wèi)星可能首當(dāng)其沖遭受攻擊，因此，近幾年來美國著力開展提高軍事航天裝備彈性的研究，包括提高專用軍事衛(wèi)星的抗打擊能力、研究分離模塊航天器（F6）概念、鼓勵(lì)“搭載有效載荷”、提出“鳳凰計(jì)劃”等等。其中，利用國際商業(yè)運(yùn)營商龐大的在軌衛(wèi)星資源，在不同軌道、多種平臺(tái)上部署“搭載有效載荷”，可起到寓軍于民的效果，符合其提高軍事航天裝備彈性的目的。

從企業(yè)層面來講，積極推動(dòng)“搭載有效載荷”的最大動(dòng)因在于追求更高利潤和分?jǐn)偘l(fā)射風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前，國際衛(wèi)星制造商的衛(wèi)星平臺(tái)往往有較大的空間、質(zhì)量和功率余量，運(yùn)營商采購一顆商業(yè)通信衛(wèi)星后，在安裝需求數(shù)量的轉(zhuǎn)發(fā)器外，往往還有一些余量可供利用。對于一顆質(zhì)量達(dá)6t、功率15kW以上的商業(yè)衛(wèi)星而言，搭載一個(gè)數(shù)十千克的額外有效載荷完全不是困難，也不會(huì)因此增加發(fā)射費(fèi)用。因此，“搭載有效載荷”的費(fèi)用幾乎是純利潤。此外，“搭載有效載荷”也需要購買商業(yè)發(fā)射和運(yùn)行保險(xiǎn)，一旦發(fā)射失敗，“搭載有效載荷”也將分?jǐn)傔@部分風(fēng)險(xiǎn)。