刘 豪（北京空间科技信息研究所）

国外商业卫星搭载有效载荷发展研究

刘 豪（北京空间科技信息研究所）

自20世纪60年代以来，世界各航天国家便开始利用卫星的多余能力来搭载额外的有效载荷，以做到物尽其用，用最少的钱办更多的事。但过去的“搭载”更多的是政府行为，也就是说，卫星是政府所有，在政府主导下寻求其他各方有效载荷来“搭便车”，这是传统的有效载荷搭载。近几年来，国外掀起了新的商业卫星“搭载有效载荷”的热潮。“搭载有效载荷”是指通过商业模式，利用商业卫星的质量、功率和通信链路等可用资源，容纳额外的转发器、仪器或其他星载设备，也有人称之为“托管有效载荷”或“寄宿有效载荷”等。

1 “搭载有效载荷”的典型案例

“搭载有效载荷”与传统的有效载荷搭载在形式上是大体相同的，被搭载的有效载荷也通常都是政府有效载荷（部分是商业有效载荷），区别就在于二者的卫星主体属性不同：前者是商业卫星，有较严格和确定的交付进度，且这一进度一般情况下不因“搭载有效载荷”而改变，也就是说，卫星是“公交车”，车不等人；后者是政府卫星，卫星与“搭载有效载荷”之间一般需要充分协调，且最终发射时间要等各有效载荷全部交付后才能确定，也就是说，卫星是“包车”，人到齐才走。因此，商业卫星“搭载有效载荷”在合作目的、管理模式、责任与权利等细节问题上有更明确的考虑和规定。

近几年，国外成功开展了多项商业卫星“搭载有效载荷”案例，如“商业搭载红外有效载荷”（CHIRP）飞行验证项目、“广域增强系统”（WAAS）、“欧洲地球同步轨道卫星导航增强服务系统”（EGNOS）、“国家自动识别系统”（NAIS）项目、“空间因特网路由”（IRIS）联合能力技术验证、澳大利亚国防部队专用特高频通信有效载荷等。

“商业搭载红外有效载荷”项目

美国空军空间与导弹系统中心的“商业搭载红外有效载荷”项目于2011年使用一颗商业地球静止轨道卫星（即SES－2）搭载一个宽视场、被动红外传感器发射升空。这次试验支持下一代红外传感器系统研制，对于降低第三代红外监视系统（3GIRS）的技术风险至关重要。该项目的成功开辟了“搭载有效载荷”这样一个新的市场领域。

2008年1月，美国通信公司（Americom，即现在的SES-Americom公司）向政府主动提出“商业搭载红外有效载荷”项目建议。2008年6月，美国政府授予该公司一份价值6500万美元的合同。该项目合同主要涉及四家单位：美国空军空间与导弹系统中心是发包方；SES-Americom公司是项目主承包商，也是SES－2卫星的运营商；轨道科学公司是卫星的承包商，负责卫星研制，并提供任务操作中心；科学应用国际公司（SAIC）是红外传感器的承包商，并提供任务分析中心。

“商业搭载红外有效载荷”项目采用承包商的地面设施和任务操作团队，利用在轨数据在地面操作和评价“商业搭载红外有效载荷”系统，包括敏感器指令、健康状况监测、敏感器校准和跟踪算法评估等。卫星由SES公司通过其商业卫星运营中心运营，而“商业搭载红外有效载荷”则由科学应用国际公司的任务分析中心提供指令，经过轨道科学公司的任务运营中心，再由SES公司上传。该任务数据通过星载专用设备加密后，由一台商业转发器下传到SES公司的地面站，再传送给轨道科学公司，之后实时分发给科学应用国际公司的任务分析中心以及美国空军。SES-Americom公司不参与保密数据的处理。

商业卫星“搭载有效载荷”典型案例

“广域增强系统”项目

“广域增强系统”是由美国联邦航空管理局开发建立的用于空中导航的系统，包括地面段和搭载在地球静止轨道卫星上的转发器。地面段向卫星转发器发送“全球定位系统”（GPS）校正信号，信号即可覆盖北美。

为了确定最初的“广域增强系统”服务，联邦航空管理局租用在轨运行的商业通信卫星上的转发器。2007年，联邦航空管理局用向洛马公司专门定制的L频段转发器作为商业地球静止轨道卫星上的“搭载有效载荷”替代了原有的转发器。此次签署了两个搭载合同，一个是国际通信卫星公司的银河－15（Galaxy－15）卫星，另一个是电信星公司的阿尼克－F1R（Anik－F1R）卫星。2009年，联邦航空管理局签订了一份合同，为“广域增强系统”增加了第三颗商业地球静止轨道卫星[国际移动卫星－4F3（Inmarsat－4F3）]。

欧洲版的“广域增强系统”被称为“欧洲地球同步轨道卫星导航增强服务系统”，从2011年起，欧盟将专用有效载荷搭载到商业地球静止轨道卫星上。2012年发射的SES－5卫星上携带了欧盟的导航有效载荷。

“国家自动识别系统”项目

“搭载有效载荷”另一实例是美国海岸警卫队的“国家自动识别系统”项目。2004年5月20日，美国海岸警卫队授予轨道通信公司价值780万美元的固定价格合同，包括建造自动识别系统有效载荷、与卫星集成、发射和在轨运行。轨道通信公司将卫星研制和发射合同分包给OHB系统公司，而OHB系统公司进一步将平台制造和发射分包给飞行科研生产联合体。轨道通信公司负责卫星及有效载荷的在轨运行。

SES卫星示意图

“国家自动识别系统”项目被设计用来增强现有的“自动识别系统”，该系统通过监视船舶运输实现海域感知。有效载荷用于测试进行船舶跟踪与其他导航活动的自动识别系统信息接收与报告的可行性和有效性。轨道通信公司后来意识到了这一商业机会，自行出资将同样的载荷增加到5颗额外的卫星上。星载自动识别系统数据服务的其他用户包括海军、国家海洋与大气管理局、保险公司等。

“空间因特网路由”项目

“空间因特网路由”搭载项目是美国国防部资助的项目，主要目的是在轨验证思科（Cisco）公司的空间路由能力。“空间因特网路由”有效载荷搭载在国际通信卫星－14上，于2009年11月发射。该项目属于美国战略司令部的联合能力技术验证项目，设计寿命10年，合同价值1210万美元，包括研制有效载荷并负责前90天的运行，其他时间的运行费用则由其他用户支付。

专用特高频有效载荷搭载项目

2012年3月25日，携带澳大利亚国防部队专用特高频有效载荷的国际通信卫星－22成功发射，该卫星还装有24台C频段和18台Ku频段转发器。此次搭载项目由国际通信卫星公司主承包，卫星平台和搭载的特高频有效载荷均由波音公司提供。搭载项目合同额为1.67亿美元，包含有效载荷研制、发射和15年在轨运行。该有效载荷占国际通信卫星－22总有效载荷容量的20%，有关项目的技术性能问题和进度延迟问题，均通过商业保险条款解决。

2 “搭载有效载荷”最新发展

美国建立指导文件有助于规范“搭载有效载荷”发展

对“搭载有效载荷”所有者，即政府和军方层面来说，采用商业卫星搭载具有多种优势，但也存在一些劣势，比如采用商业搭载，在质量、体积和功耗方面必然存在局限性；商业卫星的采购、建造和发射进度严格，与政府任务相比缺少灵活性；此外，对于地球观测任务有效载荷，虽然每年发射机会较多，但卫星的轨道位置、倾角以及提供给“搭载有效载荷”的视角有限。同时，“搭载有效载荷”所有者向运营商所支付的搭载费用没有明确标准，差异也可能很大。同时，“搭载有效载荷”为商业通信卫星项目的整个生命期增加了各种不确定性，必须以商业合同条款的形式加以约束。

测试中的“阿尼克”卫星

2010年，美国《国家航天政策》指出“要联合采办可靠、进度符合美国政府要求，且高效费比的航天发射服务和‘搭载有效载荷’”，明确提出鼓励政府发展“搭载有效载荷”，为美国军方、产业界开展“搭载有效载荷”工作提供了国家层面的法律政策依据，起到战略指导作用。2011年《国家安全空间战略》和2012年国防部《空间政策》均进一步明确这一思路。

为了使商业“搭载有效载荷”更具有可操作性，美国航空航天局（NASA）于2010年8月委托富创公司（Futron）作了一个《“搭载有效载荷”指南》的报告，从“搭载有效载荷”项目的合同签署、研制与集成、发射与在轨测试、运行和寿命末期等各个阶段作了详细的规定。该报告成为商业“搭载有效载荷”的第一个指导性手册。

2012年9月，美国国防部发布了《在商业卫星上搭载军事通信有效载荷指南》，提出了搭载军事通信有效载荷的指导性意见，该指南在操作层面明确了国防部的态度，但也为“搭载有效载荷”进行了限制，指出“未经国防部批准，卫星所有者/运营商不得向盟国政府或任何实体公布、确认、详述或出租“搭载有效载荷”容量；国防部拥有“搭载有效载荷”所在的轨道位置权与频率权；发生无线电频率干扰限制“搭载有效载荷”的使用时，卫星所有者将负责解决问题，并补偿国防部服务的损失。”不过，该指南遭到产业界的广泛批评，认为该指南约束太多，不利于“搭载有效载荷”的发展。

产业界成立“搭载有效载荷”联盟为项目架桥

为推进“搭载有效载荷”的发展，2011年初由波音公司、洛马公司、劳拉公司、轨道科学公司、SES公司、国际通信卫星公司和铱星公司等7家公司发起成立了“搭载有效载荷”联盟（HPA），旨在宣传“搭载有效载荷”的利益，构架政府和私营企业的沟通桥梁，促进商业卫星搭载政府有效载荷的实施。截至目前，该联盟的成员又增加了泰雷兹-阿莱尼亚公司、航空航天防务公司下属的阿斯特留姆公司（EADS Astrium）、阿里安航天公司、国际发射服务公司、欧洲通信卫星公司、哈里斯公司、ATK空间系统公司、雷神公司、诺格公司、ComDev公司、MEI技术公司和国际移动卫星公司等。这些公司基本涵盖了全球主要的卫星制造商、运营商、发射服务提供商和相关航天企业。

2012－2022年“搭载有效载荷”数量统计和预测

2012－2022年“搭载有效载荷”产业收入分析预测

在商业卫星上搭载政府的有效载荷面临一些具体的问题，例如：如何快速地为政府有效载荷找到匹配的商业卫星搭载机会；如何让政府有效载荷项目的研制周期与商业卫星研制周期一致；如何改变政府传统的对卫星项目的管理方法等。“搭载有效载荷”联盟的成立，正是力求找到政府与产业界都认可的解决方案。从“搭载有效载荷”联盟的成立可以看出，产业界非常有兴趣参与搭载项目。

3 “搭载有效载荷”产业规模分析和预测

“搭载有效载荷”数量分析和预测

据国外统计预测：2012－2022年，全球在轨运行的“搭载有效载荷”数量大致呈现3个发展阶段：2012－2014年为起步阶段，每年的搭载数量不超过20个，增长缓慢；2015－2017年为快速发展阶段，每年搭载数量将大幅增加，年均增长率达到200%，到2017年超过160个；之后几年为稳定发展阶段，年搭载数量继续保持缓慢增长。2012年，全球有13个“搭载有效载荷”在轨运行，包括4个军事通信、6个政府民用、3个私营企业有效载荷提供军事服务。2013年，全球有18个“搭载有效载荷”在轨运行。到2022年，将有184个“搭载有效载荷”在轨运行。

“搭载有效载荷”产业收入分析和预测

随着“搭载有效载荷”数量的不断增长，“搭载有效载荷”将成为卫星产业收入的一部分。目前，由于其正处于起步阶段，产业界还没有形成成熟的定价机制。如前所述，“商业搭载红外有效载荷”项目搭载费用为6500万美元，但这一价格并不一定恰当，如何制定合理的价格成为当前涉及“搭载有效载荷”各方，尤其是企业界所关注和研究的重要问题。

美国北方天空研究所（NSR）在分析和预测“搭载有效载荷”产业收入时，采用了3种价格模式：基线价格、适当价格和较高价格。基线价格实际上可以通俗地理解为“成本价”，适当价格则表示比较合理的一种价格，较高价格则可以通俗地理解为“封顶价”。根据预测，2012－2022年间，“搭载有效载荷”累计产业收入可达到18亿～29亿美元。2020年以后，年均收入可达4亿美元。这一收入虽然不高，仅为2012年全球卫星制造业收入（146亿美元）的2.7%，但在当前全球卫星制造业利润率不足10%的情况下，“搭载有效载荷”收入将显著提高全球卫星制造业的利润率。

不同有效载荷类型的收入百分比

从不同有效载荷类型的市场份额来看，来自军事有效载荷的收入占55%，来自私营企业有效载荷的收入占24%，来自政府民用有效载荷的收入占21%。

4 “搭载有效载荷”的发展动因分析

商业卫星“搭载有效载荷”从一开始只是个例，也并未引起政府、军方和企业界的太多重视。随着美国政府航天预算的压缩、政府航天项目经常出现成本超支和进度拖延的问题，军方通过尝试商业“搭载有效载荷”节省了航天预算，也看到了其中的军事意义，企业界则认为这是增加利润的机会，于是供需双方一拍即合，迅速推动“搭载有效载荷”发展。

近年来，虽然美国一些有关“搭载有效载荷”的文章或报道大多以解决美国政府航天项目成本超支和进度拖延为主要动因，言必称“省时省钱”，但笔者认为这只是掩人耳目的说辞，真正的动因还在于其军事意义。事实上，商业卫星“搭载有效载荷”是美国寓军于民，提高军事航天装备弹性的措施之一。

2011年美国《国家安全空间战略》指出，美国将通过增强高成本效益的防卫和加强体系弹性来消除敌对方的进攻效果。一旦其空间系统遭到攻击，美国将与其他国家、商业机构和国际组织开展合作，采用“搭载有效载荷”、快速响应和其他途径，确保美国的军事用天能力。2012年美国新版国防部《空间政策》则突出强调了国家空间体系弹性，提出“弹性”的明确概念，即一个体系在敌对或不利条件下，支持提高任务成功概率所需功能、缩短能力恢复时间、应对更宽广想定、条件和威胁的能力。为了加速提升空间体系的“弹性”，美国将大力推动军、民、商和国际航天能力的合作互补，确保在对抗环境下满足美国武装力量对空间能力效果的需求。

美国考虑到，在未来的空间安全形势下，大规模军事作战首先抢夺的是用天能力，而专用军事卫星可能首当其冲遭受攻击，因此，近几年来美国着力开展提高军事航天装备弹性的研究，包括提高专用军事卫星的抗打击能力、研究分离模块航天器（F6）概念、鼓励“搭载有效载荷”、提出“凤凰计划”等等。其中，利用国际商业运营商庞大的在轨卫星资源，在不同轨道、多种平台上部署“搭载有效载荷”，可起到寓军于民的效果，符合其提高军事航天装备弹性的目的。

从企业层面来讲，积极推动“搭载有效载荷”的最大动因在于追求更高利润和分摊发射风险。当前，国际卫星制造商的卫星平台往往有较大的空间、质量和功率余量，运营商采购一颗商业通信卫星后，在安装需求数量的转发器外，往往还有一些余量可供利用。对于一颗质量达6t、功率15kW以上的商业卫星而言，搭载一个数十千克的额外有效载荷完全不是困难，也不会因此增加发射费用。因此，“搭载有效载荷”的费用几乎是纯利润。此外，“搭载有效载荷”也需要购买商业发射和运行保险，一旦发射失败，“搭载有效载荷”也将分摊这部分风险。