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    馬斯克看好的小衛星星座,帶給中國VC哪些啟示?

    時間:2021-09-06     信息來源:縱橫集團
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    商業小衛星正在引領航天器上下游產業鏈重構

    2020年以來,電動車的持續火爆鑄就了特斯拉和馬斯克的資本神話,卻也讓公眾忽略了SpaceX這家商業航天公司的耀眼光芒。

    如果用投資人的視角來看:在過去的僅2年時間里,SpaceX的估值已經悄悄上漲了400多億美金,從320億漲到了740億美金。

    這是個什么概念呢?

    2019年4月,Forge曾經做過一張SpaceX估值的變化圖,大概是長這樣的:

    到2021年4月,SpaceX完成最新一輪融資,這張圖已經變成了這樣:

    如果把業務線拆開看,支撐這400億美金估值的很大一塊,其實是衛星,即Starlink。

    自從2019 年 5 月首批 60 顆星鏈衛星上天以來,SpaceX 已經累計將1700多顆衛星送入軌道;在Starlink之前,全球在軌衛星也只有2300多顆,這家民營航天公司是以一己之力,將全球衛星總量提升了80%。

    按照SpaceX的計劃,未來星鏈的衛星總數將達到12000-42000顆。

    作為目前全球最熱門也最前沿科技的引領者,馬斯克選擇大規模押注「小衛星星座」,無疑有著他對于商業航天的深刻思考,而這對中國的投資者也有著許多啟示。

    因此在本篇中,我們將嘗試一起去探討:

    • 相比于傳統衛星,小衛星的區別和特點是什么?

    • 為什么說小衛星星座重構了衛星產業鏈?

    • 傳統航天和商業航天的區別是什么?

    • 未來,中國衛星商業化的機會可能出現在哪些領域?

    一、為什么衛星越做越小了?

    其實,「小衛星」并非始于商業,而是始于軍事。

    2006年,美國麻省理工大學驗證了「分離型航天器」的概念,引起了軍方的高度關注。在此基礎上,美國國防部很快制定「F6衛星系統」計劃,其核心思想是把“衛星的功能分散化、模塊化”。

    比如,把一顆大衛星的功能分給六顆小衛星,形成一個衛星集群。

    這種思路稱為“彈性空間理論”,在戰爭狀態下可以大幅提高衛星的生存能力,避免出現敵方一發導彈就摧毀已方整顆大衛星的情況。

    盡管F6衛星系統沒能最終成型,但在一系列研究和實踐過程中,人們開始逐漸發現小衛星在天基全球通信、 遙感等一領域的巨大應用價值。

    首先,是單顆小衛星的能力在不斷變強。

    早年間小衛星只能做一些簡單的空間飛行技術實驗,更像是一個“玩具”;然而,構成一顆衛星的大部分元器件其實都是半導體產品,而半導體是遵循摩爾定律的。

    舉個例子,左邊這顆是美國1999年發射的陸地衛星7號,右邊是天儀研究院2020年發射的海絲一號(1:4模型)。

    對比一下,陸地衛星7號的重量是2200KG,海絲1號是185KG,兩者相差了12倍。

    但在功能上,前者的分辨率只有15至60米,只能在晴朗的白天工作;而后者的分辨率已經達到了最優1米,能夠穿透云層,獲取全天時全天候的圖像數據 。

    20年間信息技術的進步,已經讓衛星的性能大幅提升,類似于智能手機芯片越做越小,但算力卻越來越強。

    受制于發射成本的限制,一個簡單的結論是:在功能一致的情況下,衛星體積和重量越小越好。

    今天的火箭發射成本已經大幅降低,但商業報價依然在5000到20000美元/公斤左右,算下來一顆中型衛星的入軌成本,差不多需要1億元人民幣,而如果用一箭多星的方式走“團購”,發射一顆10公斤的小衛星只需要幾十萬元。

    這在很大程度上擴展了衛星的潛在用戶群,讓高校、科研院所和發展中國家,也開始關注到了衛星服務市場。

    第二,是小衛星的「系統可靠性」更高。

    不同于汽車和飛機,衛星在發射后幾乎不可維修,因此通常的做法,是通過增加冗余和備份設計來提高衛星的可靠性。

    按照傳統理解,大衛星比小衛星的體積更大、資源更多,冗余備份設計更全面,可靠性也應該相對更高。

    但是如果站在頂層設計的角度,把衛星看成一個系統,大小衛星的「系統可靠性」區別就顯現出來了。

    一顆大衛星的造價往往非常昂貴,因此為了“確保成功”,就不得不增加冗余和備份設計來提高可靠性。由此進一步帶來更高的系統復雜度和更加高昂的成本,最后做出來的衛星,往往都要有幾十萬個零件構成。

    這樣一個復雜的系統,即使每個零件的可靠性都是99.99%,但0.01%連續相加幾十萬次,發生故障的概率依然很高。

    舉個例子,和平號空間站(空間站可以看做是一種“可載人”的大衛星)在服役的15年中,前后總共出現了2000多個故障點;經過歷代宇航員們的努力,其中有1000多個故障還是始終沒能修復,bug越攢越多,最后威脅到了乘員安全,只能報廢。

    從這個角度來說,大衛星路線本身,就意味著「把雞蛋裝進同一個籃子」。

    而如果改用多顆小衛星代替單顆大衛星,在功能相同的前提下,由于小衛星的設計復雜度低很多,零件數也更少,出問題的概率就會低得多。

    此外,小衛星成本很低,哪怕出現故障,也可以后續再補發,甚至可以一開始就多部署一些作備用,隨時替換故障衛星,相當于在小衛星的數量上做冗余備份,增加了整個系統的“彈性”,獲得了。

    目前這樣的技術已經被馬斯克用在了「星鏈」上。

    圖:60顆Starlink小衛星被折疊后裝入獵鷹9號火箭頭部

    第三,因為系統可靠性高,所以小衛星也「更敢于采用新技術」。

    不同于大多數人的認知,衛星的電子設備其實是遠遠落后于消費電子行業的——即使是最新型號,衛星上的芯片性能也比同時代的IPhone差了幾個數量級。

    太空環境遠比地面上嚴苛,大量高能粒子會破壞電子設備的微結構,因此芯片的技術含量越高、構造越復雜,也就越容易損壞。

    過去一顆大衛星造價動輒數億美金,為了保證使用壽命,就不敢用太先進的電子元件,一切以「求穩」為主。

    但小衛星造價只有大衛星的幾百甚至幾千分之一,壞了也不會造成特別大的損失,因此會更傾向于采用更先進的技術。

    另一方面,大衛星從設計制造到發射,一般需要兩三年的周期,而小衛星的部署非常靈活,最快只需要幾周,遇到突發事件可以隨發隨用,這也是小衛星能夠使用高性能元器件的另一個原因。

    因此從這個角度來看,小衛星技術更大意義是推動了整個衛星技術體系的迭代周期,從而實現了成本持續降低的正向循環。

     圖:小衛星降低衛星成本

    二星座:從「單體式」向「分布式」的進化

    正如前面提到的,「分離型航天器」最早的想法是分散風險和降低成本,但在很多場景下,功能不同的小衛星經過組合之后,可以起到「1+1>2」的效果。

    比如有的衛星可以只裝高性能芯片,做成整個星座的“大腦”,專注于數據計算,其他輔助小衛星做成不同的遙感或者通信單元,彼此分工協作。

    這樣整個星座可以根據任務需求自由組合或者增減衛星,像魔方或積木一樣,開發出各種新的功能和場景。

    而從一個更大的格局來看,星座技術更像是一種「衛星理念的變革」——類似于從單細胞生物像多細胞的過度,推動衛星從「單體式」向「分布式」進化。

     圖:遙感星座在軌模擬圖

    當然,小衛星星座的缺陷也很明顯:因為體積小,所能攜帶燃料和電池也少,單顆衛星的壽命和續航能力有限;另外一些大型儀器設備始終是無法小型化的,只能由大衛星來完成。

    但從整體看,作為這場21世紀“軌道革命”的重要「增量」,小衛星星座的價值已經越來越為航天業所接受。

    無論是在軍事、遙感監測還是通訊領域,近年來小衛星的占比都在持續增加。

    根據歐洲咨詢公司的測算,2019-2029年全球小型衛星的發射數量將達到10105個,增長率超過460%;小衛星市場的總值將達到513億美元,同比增長251%。

    「衛星微小化」已成為各國政府和科技公司爭相投入的熱門方向。 

    表:2009-2029全球小衛星市場現狀及預測;資料來源:歐洲咨詢公司《小衛星市場前景》

    三、遙感星座:更多中國初創企業選擇的方向

    衛星星座按照用途,可以分為四大類:導航、通信、遙感和其他。 

    圖:衛星的分類(按用途)

    其中,「導航星座」的代表就是北斗——這是個幾乎完全依靠國家力量建立的系統,主要目的是擺脫對GPS的依賴。

    當時的北斗面臨的是“有沒有”的問題,因此必須要靠國家隊主導,下一步則要解決“好不好”的問題,具體到項目上,就是預計在2035年實現組網的「下一代導航」系統。

    目前這套系統正在由多個商業衛星公司積極參與建設中;站在國家的角度,也希望引入市場化力量參與。

    因此業內的普遍看法是:「下一代導航」會以一種“商業化為主,國家優先使用”的形式呈現。

    不過,由于「導航星座」具有較強的「排他性」,之前進入的企業已經完成了卡位,實際上留給后來者的空間不太多。

    從這個角度來說,「導航星座」更大的機會可能還是在應用端。

    下一代導航的精度至少比現在高出一個數量級,更高的精度會為帶來新的場景——比起衛星本身,這些場景應用可能是創業公司更好的機會。

    在「通訊星座」領域,最知名的莫過于馬斯克的星鏈計劃,這也是目前小衛星星座中最熱的方向。

    但「通訊星座」最大的問題,是前期投入非常巨大,在很長時間里沒有正向現金流,這對創業公司來說并不友好。

    建立一個寬帶通信星座至少需要300-400顆衛星,窄帶星座也要五六十顆,形成系統后才會產生收入;如果是小批量,打十幾顆衛星上天,其實很難為用戶提供持續穩定的網絡服務。

    比如之前另一家很火的公司OneWeb,花費5年時間,發射了74顆衛星后依然沒有任何營收,融資燒完只能宣布破產;雖然最后被英國政府以及印度富商救活,但距離系統建成仍然還很遙遠。

    另一方面,美國地面基站較少,大部分國土的網絡信號很差,對于衛星寬帶的需求更迫切,而中國的4G、5G技術全球領先,5G基站在全球的占比已經超過70%,這也決定了中美兩國在衛星通信的發展路徑上可能會很不一樣。

    監管層面,目前中國的地面通訊都需要牌照,通訊星座未來大概率也會參照實行牌照準入,這對于創業團隊來說也會是一個很高的門檻。

    因此從上述維度看,中國的「通訊星座」還屬于較為「超前」的領域,單靠商業航天的力量很難獨自前行,未來還需要和國家隊一起,共同推動這個市場的形成和發展。

    因此相比于“星鏈”,更多的中國初創企業選擇了「遙感星座」作為自己的創業方向。

    盡管遙感衛星的市場體量是目前四類衛星里最小的,但是成長速度卻是最快的。

    2020年全球遙感衛星是759億美元,其中上游制造是236億美元,下游服務是423億美元,5年預計的年增長率是14.9%。

    衛星數量的話,根據美國衛星工業協會2020年的統計,全球在軌衛星數量的年平均增長率為17%,其中遙感的比重排第二,占了27%。

    「遙感星座」的最大優勢是不依賴規模,不需要燒錢——只要有少量衛星能夠穩定的傳回圖像數據,就可以開展業務,形成收入和價值。

    此外,不同于導航和通信,「遙感星座」不是一個封閉系統,基本不存在排他性,新玩家進入相對容易。

    更重要的是,遙感是一個全新的增量市場。

    以前遙感的規模小,主要是當時衛星的能力差、數量少、價格高;傳回的圖像看不清,也不能實時響應,大家想不到這種衛星有什么用,想到了也買不起。

    換句話說,很多需求本身是存在的,只是供給能力不足抑制了需求。

    舉個例子,這幾年中國的環保部門在打擊非法采礦,取得了很大成效,但在過去,這其實是一件很難的事情。

    一方面是這些人大多是本地人,受到當地勢力的保護,另一方面偷采活動都是在晚上進行,如果想去取證,開車進山會有人堵路報信,派無人機也會被干擾或破壞。

    但是現在,遙感衛星已經很好的解決了這個問題:通過衛星照片,環保部門可以清晰看見某個地區突然出現大量卡車,之后又迅速消失,拿著這些證據,執法人員就可以準確抓捕犯罪分子。

    再比如商業領域,美國有一家專門提供衛星數據的分析業務的公司,叫RS Metrics。

    它們會用衛星持續拍攝全球各大煉銅廠的衛星照片,收集如庫存面積,卡車數量,員工車輛數量,甚至垃圾車數量等數據,然后通過建模形來預測銅價的走勢。

    因為是實時監控,RS Metrics的信息甚至會比煉銅廠自己的數據更快、更準確,由此可以在市場上套利獲取收益。

    對此,天儀楊峰曾經用「長尾理論」來解釋商業航天的發展軌跡:

    在傳統的航天市場里,因為成本極其的昂貴,客單價極高,因此市場很小,基本上只有政府和軍方。

    但是隨著單位成本下降,很多新的使用場景開始不斷出現,新增市場會越來越大。

    從這個趨勢來看,未來兩類衛星數據的價值可能會越來越大:

    一是高分辨率的光學數據(達到0.5米到1.5米的精度);

    二是SAR衛星數據——這類衛星通過主動發射電磁波,接觸到地面物體反射回來后形成圖像,由于不受自然條件限制,理論上可以做到隨叫隨到、快速響應,形成類似Saas的常態服務。

    簡而言之,隨著單位衛星數據成本的降低,「高分辨率圖像數據」的市場規模會持續擴大,越來越多的用戶也會愿意為此買單。

    四、從賣服務到賣產品:衛星產業鏈的重構機會

    小衛星星座推動了整個衛星技術體系的迭代周期,也重構了整個衛星的設計思路。

    這也引出了一個問題:傳統航天和商業航天的區別是什么?

    本質上,傳統航天是「做項目」,簡單來說就是“先有訂單再干活”。

    一顆衛星的核心部組件,比如計算機、車控、電源、控制、數傳、通信,每個部分都有很高的專業性,需要有不同的團隊分別承擔。

    因此在傳統模式下,一般都是由政府或者軍方首先提出需求,各個研究院(美國是軍工集團)根據指標要求來定制產品。

    這樣造出的衛星,實際上是一種“非標品”,整條產業鏈是以「達成任務」為導向,為了保證萬無一失,天然會選擇犧牲成本和效率。

    比如前面提到的衛星芯片,宇航級的設計理念是“高防護+低性能”。把芯片造的很強很貴,可以抵御幾十兆電的高能沖擊,即使被粒子打中還可以正常工作,但對計算性能的設計要求反而會較低,因為簡單就意味著不易出錯。

    而商業航天的思路是「賣產品(服務)」,先把衛星打上去,再找客戶銷售;成本導向下,會更加看重產品的標準化和性價比,對新技術和失敗的接受度也更高。

    這樣的衛星一般會直接使用工業級芯片,造價會比宇航級低一兩個數量級,然后利通過模塊分區備份和備用小衛星來對沖風險,犧牲一部分可靠性,換取成本的大幅降低。

    從這個角度來看,商業航天的本質,并不是「把原來已經成熟的技術拿出來商業化」,而是走了一條「平行于」傳統航天的新路線。

    正因為兩種模式的區別,我們認為在商業航天這條全新的產業鏈上,很可能會誕生一批優質的初創企業。

    具體到細分領域,決定衛星性能的主要有三個維度:

    1)發電能力:發電能力越高,衛星能承受的載荷越大,工作時間也就越長,能搭載的功能就越多。

    2)數據傳輸能力:決定衛星能否把看到的東西傳回地面,能傳多遠,傳多快。

    3)控制能力:包含衛星的姿態控制和軌道控制,其中姿態控制決定了衛星“拍照時手抖不抖、抓拍時快不快”;軌道控制決定衛星在編隊飛行和星座構型時的控軌和變軌能力。

    圖:衛星性能的三大維度

    這三項能力分別對應著衛星的電源系統、數據傳輸系統和控制系統,三者加起來,可以占到一顆衛星總價值的一半以上。

    它們的共性是既有一定的技術壁壘,又有通用性,每一個方向都可以挖得很深,也都可能誕生一些細分的頭部制造商。

    比如險峰投資的魔方衛星,他們探索的方向就是通過工業化的方式,降低電控等衛星核心零部件的成本,目前幾個規格的部組件已經實現了國產替代,并拿到了真正意義上的批量化訂單。

    圖:險峰在商業航天領域的布局(截止2021年8月)

    未來當衛星行業成熟到一定的階段,這些頭部制造商可以憑借裝備壁壘和產業鏈整合能力,形成局部優勢。

    而其他衛星制造商也將不再從事制造,只做設計,出現類似蘋果和富士康一樣的分工。

    長遠來看,整個衛星行業會變得越來越細分,越來越集中,越來越高效,越來越便宜。 

    最后總結一下:

    • 「小衛星」是未來衛星市場的主要增量,它推動了整個衛星技術體系的迭代周期,實現了成本持續降低的正向循環。

    • 「小衛星星座」是一種衛星理念的變革,類似于從單細胞生物像多細胞的過度,推動著衛星從「單體式」向「分布式」進化。

    • 比起starlink,「遙感星座」是目前更多中國初創企業選擇的方向,值得投資者關注。

    • 商業小衛星正在引領航天器上下游產業鏈的重構,在這條全新的產業鏈上,將很可能會誕生一批優質的初創企業。


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