专题丨天基云服务产业发展趋势初探
作者简介
董 路
北京九天微星科技发展有限公司战略发展部总监，高级工程师，博士，主要从事商业航天产业研究工作。孔 玲
93303部队工程师，主要从事固定及便携移动通信设备的使用和维护工作。论文引用格式：
董路, 孔玲. 天基云服务产业发展趋势初探[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):36-40.
天基云服务产业发展趋势初探
董路1 孔玲2
（1. 北京九天微星科技发展有限公司，北京 100192；2. 93303部队，北京 110069）
摘要：近年来，低轨卫星互联网星座的建设如火如荼，带动了卫星研制、运载发射、地面终端、行业应用等产业链各环节的商业化进程。除了卫星互联网，包括天基数据的传输、存储、运营等在内的天基云服务产业初见端倪，开展了不同形式的业务尝试。不少国外初创航天公司活跃在天基云服务产业中，市场增长空间具有相当潜力。通过分类列举国外天基云服务最新案例，提出了天基骨干网、天基服务器、共享卫星等多种天基云服务业务的发展模式；通过借鉴地面云服务产业发展模式及趋势，对我国发展天基云服务产业提出了初步建议。
关键词：云服务；数据中心；卫星星座；产业趋势
中图分类号：TP393.08 文献标识码：A
引用格式：董路, 孔玲. 天基云服务产业发展趋势初探[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):36-40.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.09.006
0 引言
近年来，以太空探索公司（SpaceX）的星链系统为代表，低轨卫星互联网星座建设如火如荼，进一步带动了卫星研制、运载发射、地面终端、行业应用等产业链各环节的商业化进程。2020年4月，国家发展和改革委员会首次将卫星互联网纳入“新基建”；2021年4月，国家在雄安注册成立并落地中国卫星网络集团有限公司，以卫星互联网为起点，开启我国空间基础设施运营的新篇章。随着卫星研制和发射成本持续下降，由成百上千颗卫星组成的卫星网络将与信息技术和通信技术等产业产生更加紧密的关联，形成更为多样化、智能化、柔性化、安全可控的新型空间基础设施。国晓博等的研究表明，低轨卫星网络的星间协同计算的时延比地面云更短[1]。
除卫星互联网外，空间基础设施还有多类其他应用场景。根据北方天空咨询公司（NSR）的报告预测，2030年前的10年里全球基于卫星物联网和卫星遥感的数据市场价值将累计达到207 亿美元，而以卫星物联网、卫星遥感为代表的空间基础设施都需要快速可靠的数据传输，甚至开展边缘计算，以便于为客户直接提供决策支持。在此背景下，天基云服务产业的发展初见端倪。一些商业航天初创公司已经开始计划将服务器硬件的托管、在云中虚拟运行应用程序和边缘计算的数据中心服务引入外层空间，将微数据中心集成到自身的卫星网络设计中，提供处理卫星遥感或卫星物联网数据的计算能力，服务越来越多的在轨卫星。云服务在卫星应用领域并不陌生，包括国外的瑞典空间公司（SSC）、亚马逊以及国内的多家卫星应用企业很早就在地球站测运控和数据传输、数据处理平台、数据应用平台等方面开展了基于地面产业的各类云服务[2-4]。
本文主要针对以卫星为主要载体的天基云服务，首先列举了国外若干典型云服务公司的案例，评估了当前全球天基云服务产业的发展现状；随后综合地面云服务产业研究成果，与天基云服务发展阶段进行了初步的对比分析；最后结合地面云服务产业发展趋势和天基云服务特点，为未来天基云服务产业发展提出了初步建议。
1 国外天基云服务发展案例
天基软件和硬件资源的共享是天基云服务发展的基础，提供卫星间高速数据传输、快速边缘计算、临时数据存储和灾备数据存储等是当前天基“云服务”主要瞄准的服务方向。在天基云服务领域，国外商业航天公司（绝大部分总部都位于美国）开展了初步的探索，根据自身特点选择了不同的发展路径，包括载荷搭载、共享载荷、建立天基数据传输网络、提供天基边缘计算和数据存储等。下面以4个不同类型的国外初创商业航天公司为例，回顾其最近发展情况，以作参考。
1.1 解析航天（Analytical Space）公司打造天基骨干传输网
2021年2月，总部位于美国弗吉尼亚州，成立5年的美国卫星通信领域的初创公司解析航天赢得了一份为期 3年（2021—2023年），价值2640 万美元的合同，用于研发部署6颗立方星和2颗搭载载荷，以此为基础启动建设用于光通信的“快速像素网络”（Fast Pixel NetworkTM）。合同出资方是美国空军的风险投资机构，资金来自美国太空部队空间和导弹系统中心（Space and Missile Systems Center，SMC）和空军研究实验室，此外商业机构会进行等额配资。根据解析航天公司官方网站，目前遥感卫星运行过程中通常有70%的时间无法将数据下传到地面。为此，解析航天公司计划通过建设快速像素网络建立近地轨道高速光通信星间数据传输网络，帮助日益增加的在轨遥感卫星进行数据回传，以更及时、更快速的方式向客户传输高质量遥感数据。这个数据传输网络星座包括3个轨道面，共计由36颗16U立方星组成。
1.2 轨道边缘（OrbitsEdge）公司计划在太空中部署惠普服务器
成立于2018年，总部位于美国佛罗里达州的轨道边缘公司计划将数据中心和边缘计算机部署在低轨轨道，即在卫星平台上集成现成的机架式服务器，用以处理、清理、聚合多源数据并进行分析，主要服务对象是遥感类卫星，但尚未公开详细的星座部署计划。目前，该公司已经与美国国防部、美国宇航局和商业云提供商进行了业务沟通。在产品方面，该公司自主研发了适用于18 英寸深服务器（如已在国际空间站上采用的HPE EL8000服务器）的卫星平台SatFrameTM445 LE，未来可扩展至支持36 英寸服务器。与传统卫星设计不同，该公司的整个卫星设计集成度更高，分为电源分系统、热控分系统、19 英寸的服务器支架、电子系统、5台边缘服务器以及通信阵列组成。
1.3 轨道阁楼（Loft Orbital）公司通过共享卫星解决方案提高响应效率
成立于2017年，总部位于美国旧金山的初创公司轨道阁楼旨在通过提供面向快速响应的共享卫星解决方案，以“航天基础设施即服务”为经营模式，降低客户部署和应用卫星的门槛。一方面，该公司通过批量采购标准化卫星平台，极大地压缩了客户的卫星平台设计周期；另一方面，该公司利用卫星上的软件定义无线电实现软件定义有效载荷，即客户根据所需的无线电频率选择特定的天线，星上的天线可以在多个客户之间分时使用，用于不同的应用；此外，未来的卫星还会增加星上处理功能、服务遥感图像处理和卫星物联网应用。该公司宣布的客户包括政府（如美国国防部、阿联酋政府）、地理信息服务商、卫星通信运营商、初创商业航天公司等。2021年5月，该公司从美国太空军和商业机构（等额配资）获得共计150 万美元的合同，用于在其YAM-3卫星上开展边缘计算验证。2021年6月30日，该公司第一颗卫星YAM-2搭载SpaceX公司猎鹰九号火箭发射，并在轨开展欧卫通（Eutelsat）公司未来物联网星座的概念验证测试。
1.4 Lacuna航天（Lacuna Space）和OQ技术
（OQTechnology）公司尝试用第三方平台开展天基物联网业务成立于2017年，总部位于英国的Lacuna航天公司利用开放的LoRaWAN协议采集全球范围内的物联网设备信号。该公司最早发射的5颗卫星中既有专用的卫星，也采用过共享平台的卫星。但考虑到共享平台导致载荷性能和服务能力的下降，后续该公司表示将坚持发射专用的物联网通信卫星，其星座总规模达到240 颗。
成立于2016年，总部位于卢森堡的OQ技术公司利用一颗最初由荷兰GomSpace公司发射的卫星，对其基于5G的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）服务进行了首次测试。通过上传公司编写的软件,该卫星获得新的功能,具备与地面上的窄带物联网设备通信的能力。随着公司的发展，OQ技术公司计划结合现有卫星、有效载荷共享以及专用卫星等多种方式来提供全球窄带物联网覆盖服务。目前，该公司在阿联酋和卢旺达设有分支机构。此外，从事天基云服务业务的公司还包括美国低轨云（LEOcloud）、雷蒙航天（Ramon.Space）、云星座（Cloud Constellation）等公司。相比而言，在公开资料中，我国同类公司较少,航天领域的云服务主要是基于地面基础设施（如地面站、数据中心、计算中心）提供测控、遥感图像处理等方面的虚拟化服务。当前,部分学者和研究人员开展了具备在轨计算能力的新型卫星研究[5]。
2 地面云服务产业发展的启示
相比天基云服务，地面云服务产业已日趋成熟，主要提供基于云/虚拟化的通用计算、存储、网络资源与服务。在数字经济转型大背景下，根据艾瑞咨询《2021年中国基础云服务行业发展洞察报告》，2020年国内云服务产业规模已突破2200 亿元，预计在2024年超过9000 亿元规模[6]。相比而言，航天领域的国际咨询机构北方天空咨询公司预测在2030年前的10年内，全球天基计算的云服务市场总规模能达到210 亿美元（约合人民币1400 亿元），总数据传输量达到233 EB[7]。下面根据相关行业研究报告，小结地面云服务产业的发展模式和趋势。
2.1 硬件先行，构建基础云服务后提供增值服务
如图1所示，基础云服务建立在数据中心、服务器、存储设备、光缆等硬件基础设施基础上，其上可架构软件即服务（Software as a Service，SaaS）、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）应用。相比地面云服务产业，天基云服务产业还处于行业发展早期，如天基数据传输网络、天基数据存储、天基边缘计算、天基超级计算等硬件设施的部署和能力建设还处于初级阶段，天基数据存储、数据传输、数据计算能力还显著不足，尚无法实现天基基础云服务，但长远来看天基云服务也应该重点面向基础云服务类型的业务。
2.2 市场需求从“资源型”逐步转向“智能型”和“业务型”目前，地面云服务产业以基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）模式为主，业务收入占比近7成，提供标准化和相对充裕的硬件资源，而提供更加智能和直接服务业务的PaaS和SaaS也呈现稳步增长态势，特别是SaaS预计会在未来有更大爆发空间。根据华辰产业研究院的报告分析，云计算业务在50年的时间跨度内完成了四步走，大/小型机时代通用性差、成本高；PC-X86服务器时代信息共享难、集成管理复杂、硬件成本高；以VMware为代表的虚拟化技术时代无法实现弹性运算；亚马逊公司引领的云服务时代公有云的安全性和私密性还有待提高[8]。类比而言，天基云服务产业大致处于第二阶段，正逐步迈向第三阶段，未来预计将逐步实现多元化发展，不同企业能够找到自身的细分领域定位。
2.3 数据中心领域自建能力和大客户集成服务能力都存在价值空间目前，地面数据中心有租赁机房、自建机房、大客户需求承接3种主要模式。租赁机房模式资产相对较轻，毛利率低，利用现有机房进行长期租赁，项目周期短，有利于规模快速扩张；自建机房模式毛利率最高，但需要完成选址、土地水电资源对接、评审立项、土建、配套设施安装、项目验收等环节的大量工作，资产较重，周期较长；大客户需求承接模式毛利率介于上述二者之间，客户集中度非常高，数据中心服务商议价能力相对较弱，资产轻。类似的，在天基数据中心领域，由于存量数据中心有限，自建和大客户需求承接两种模式预计将是初期呈现的主要业务形式，相对毛利率也会更高。
2.4 云服务属于资本密集和技术密集型相结合的产业在IaaS领域，硬件成本呈非线性趋势下降，使得市场集中度高，逐步呈现出寡头竞争的局面，而缺乏竞争力的服务商份额将被逐步蚕食。在PaaS和SaaS领域，中小企业的长尾效应明显，除了少量龙头企业外，市场集中度较小，适合专业的初创型企业发展。在天基云服务领域，IaaS需要构建覆盖全球全域的星座系统，因此对资金、技术、市场等全要素资源提出了极高要求，而PaaS和SaaS环节更适合中小企业发展。
3 产业发展建议
相比日趋成熟的地面云服务产业，目前的天基云服务产业呈现出几方面阶段性特点。一是服务对象显著不同，天基云服务产业以服务在轨卫星为主，以提升在轨卫星的数据传输和计算效率为优先解决目标，然而已经在轨的大多数卫星都没有配置星间链路,不具可服务性，目标市场会伴随着在轨卫星，特别是低轨卫星星座的的迭代而发生转变；二是天基云服务缺乏统一的接口标准，一定程度上不利于天基云服务产业的快速发展；三是天基云服务系统先天具备全球化服务优势，且服务对象基本为在轨卫星系统，数据所有权法律边界不明晰，数据安全监控程度显著低于地面运营商网络，不易受到监管，全球竞争可能更加激烈。综上，基于卫星发展自身特点，结合地面云服务发展模式及趋势，本文提出3条产业发展建议。
（1）未来“天地一体、智慧泛在”的卫星网络需要大力发展天基云服务基础设施。随着通信、导航、遥感等各应用类小卫星星座大规模布局和全球化应用，天基信息采集、存储、传输、计算的需求会快速攀升，最终用户对响应时效、便捷程度、应用成本的需求也会同步提高。可以预料，在卫星与地面数据传输、卫星上的数据存储、卫星上的计算等方面现有卫星星座系统将难以完全实现系统“内循环”，势必需要第三方提供更加便捷、可靠、安全的天基云服务。
（2）“共享经济”是天基云服务的发展早期形式，但需要加速卫星IT化进程，即实现卫星硬件和软件解耦，改变过去硬件和软件专为单一功能而设计的局面。在新的卫星中引入商业货架处理器、开放标准软件和标准化硬件，降低自身成本，更重要的是使卫星操作者能够轻松便捷地上传和更新软件版本，调整卫星在轨功能和任务，使卫星应用方可通过搭载硬件的方式实现卫星载荷的共享。同时，也需要注意平衡服务质量和应用成本之间的关系。
（3）我国企业应加速布局IaaS业务，通过基础设施带动卫星接入天基云服务的标准化发展。受技术、资金、空间资源、产业链基础等条件限制，卫星云服务的IaaS业务具备一定程度上的寡头垄断基础，行业发展初期起步难度大。因此，在行业发展早期提供高性价比的基础设施服务和标准化接口，将有助于带动适配天基云服务的器部件级产品的发展。
4 结束语
总体而言，全球范围内天基云服务产业还处于产业发展早期，国外一些初创航天企业在这一领域开展了一些有益尝试。具备数据存储、传输、计算等功能的天基云服务基础设施建设刚刚启动，均没有实现业务化运行。小卫星产业的快速发展将同时从供给侧和需求侧给天基云服务产业带来商业航天领域的全新发展机会。我国通信和互联网企业在地面云服务领域积累了丰富的发展经验，有望发挥基础设施建设优势，以商业化方式提前布局，加快发展天基云服务产业。
参考文献
[1] 国晓博, 任智源, 程文驰, 等. 低轨卫星网络中业务图驱动的星间协作计算方案[J]. 天地一体化信息网络, 2021,2(2):35-44.[2] 魏兴. 一体化测控技术, 商业航天测控的未来[J]. 卫星与网络, 2020(8):42-47.[3] 何友, 姚力波, 李刚, 等. 多源卫星信息在轨融合处理分析与展望[J]. 宇航学报, 2021,42(1):1-10.[4] 胡金晖, 秦智超, 石磊, 等. 空间信息云服务平台架构及应用研究[J]. 中国电子科学研究院学报, 2016,11(1):51-58+83.[5] 杨芳, 刘思远, 赵键, 等. 新型智能遥感卫星技术展望[J]. 航天器工程, 2017,26(5):74-81.[6] 艾瑞咨询. 2021年中国基础云服务行业发展洞察报告[R], 2021.[7] 北方天空咨询公司. 卫星云计算报告(第二版)[R], 2021.[8] 华辰产业研究院. 华辰资本云计算研究报告[R], 2019.
Preliminary discussion on industrial trend of space-based cloud services
DONG Lu1, KONG Ling2
(1. Beijing Commsat Technology and Development Co.,Ltd., Beijing 100192, China; 2. The 93303 Unit of China Air Force, Beijing 110069, China)
Abstract: In recent years, the construction of the LEO satellite internet constellation has been in full swing, driving the commercialization of satellite development, launch, ground terminals, industrial applications and other parts of the industrial chain. In addition to the satellite internet, the space-based cloud service industry, including the transmission, storage and operation of space-based data, has begun to emerge, and different forms of business attempts have been carried out. Many foreign start-up space companies are active in space-based cloud service industry, and the market growth has considerable potential. In this paper, the latest cases of foreign space-based cloud services are briefly classified, and the development modes of space-based cloud services such as space-based backbone network, spacebased server and shared satellite are put forward. By referring to the development modes and trends of ground-based cloud service industry, some preliminary suggestions are put forward for the development of space-based cloud service industrialization in China.Keywords: cloud services; data center; constellation; industrial trend
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第9期
主办：中国信息通信研究院
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