卫星物联网发展态势分析

2020-04-22纪凡策李博周一鸣

国际太空 2020年3期

纪凡策李博周一鸣

（北京空间科技信息研究所）

Internet of Things（物联网）被称为继计算机和互联网之后的第三次信息产业发展浪潮。卫星物联网作为卫星互联网的拓展与延伸，在新一代信息技术与商业市场的同步推进下应运而生。近年来，卫星发射成本与卫星研制准入门槛不断降低，大批初创企业蓬勃发展，旨在发展低轨物联网小卫星星座，为全球用户提供低成本、广覆盖、低时延、大连接量的物联网服务；以国际移动卫星公司（Inmarsat）、铱星公司（Iridium）、欧洲通信卫星公司（Eutelsat）等为代表的传统移动和固定卫星运营商也在该领域通过多种途径开展布局，以寻求新的业务增长点。本文将基于卫星物联网未来的市场和应用前景分析，综述传统卫星运营商与新兴卫星物联网创企的发展策略、卫星组网、业务布局等方面的进展，分析卫星物联网的发展趋势，探讨卫星物联网面临的机遇与挑战。

1 卫星物联网市场应用前景分析

根据全球多家咨询机构的预测情况，卫星物联网产业在未来全球物联网生态系统中表现出巨大的发展潜力。

从市场规模来看，根据英国市场研究公司ABI Research的预测，到2024年将有2400万台设备通过卫星实现物联网接入，而由此产生的卫星物联网产业链将得到进一步的完善与发展。麦肯锡公司预测，天基物联网的产值在2025年可达5600亿美元至8500亿美元。美国北方天空研究所（NSR）预测，未来10年，亚洲将成为天基物联网收入复合增长率超过10%的唯一区域[1]，到2027年，亚洲将成为卫星物联网市场收入最高的区域之一，并将缩小与北美市场的差距。

2027年全球各地卫星物联网市场分布预测

农业管理、工程建筑、海上运输和能源行业将成为卫星物联网最重要的应用方向，并将对相关行业的发展模式产生重大影响。

农业应用方面，可以通过卫星物联网收集大面积农场的土壤成分、温度、湿度等数据，经过科学分析后得出利于农产品生产的最优方案。澳洲Milk Smarts公司已利用低功耗广域（LPWA）卫星蜂窝移动系统，为澳大利亚提供精准农业解决方案。沃达丰（Vodafone）和Inmarsat合作利用基于扩频技术的超远距离无线传输方案（LoRa）的卫星物联网的广覆盖优势，能够有效跟踪农场中的动物，通过识别动物的异常行为，对患病的动物进行早期治疗[2]。

工程应用方面，卫星物联网能够实现偏远地区土木工程项目的远程监控。卫星物联网在土木工程行业的应用将主要由拉丁美洲、中东、非洲和亚洲等发展中经济体推动。在许多工业化国家，土木工程行业目前正处于过渡阶段，即从增加新资产到现有资产的维护，而基于卫星物联网技术的结构健康监控系统（SHMS）可为各类资产提供维护手段。预计到2022年，该市场将以每年25%的增速达到34亿美元。

海运应用方面，卫星物联网能够全程跟踪海上船舶和集装箱，提高货运效率。海上运输是跨境运输网络的核心。国际海事组织（IMO）估计，全球90%以上贸易都是通过海上运输。麦肯锡预测，卫星物联网在集装箱跟踪中的进一步集成应用将产生巨大的经济效益。到2025年，这一领域的市场可达到300亿美元。卫星物联网可将集装箱的利用率提高10～25%，每年可减少130亿美元的成本。

能源应用方面，通过卫星物联网监控天然气、石油和风能等能源在市场上下游的流动数据，可以得到投资回报比更高的解决方案。另外水资源监控可以提高缺水地区的水资源利用率，有助于地区可持续发展。瑞士物联网创企宇宙播报公司（Astrocast）于2019年宣布启动全球卫星物联网试点工程，首批客户中就有瑞士淡水公司。宇宙播报公司将为其提供偏远地区的通信与水资源的监控服务。

2 卫星物联网发展现状分析

事实上，卫星物联网并非新的概念，从20世纪九十年代末以来，以Iridium、全球星（Globalstar）、轨道通信（Orbcomm）等为代表的低轨移动星座均支持此类服务，并持续推动应用范围和深度的不断拓展。近年来，在资本力量推动下，利用低轨立方星星座来满足日益增长的机器对机器（M2M）和物联网需求，成为业界关注焦点，目前全球提出星座计划的公司已经达20余家，仅从2018、2019年的发射情况来看，包括希伯公司（Hiber）、舰队空间公司（Fleet Space）、宇宙播报公司、开普勒（Kepler）等多家新兴运营商均发射了多颗试验星和业务星，呈现多头并进格局。微软、谷歌等互联网科技公司则基于自身技术资源优势，与卫星企业积极开展合作，积极抢占蓝海市场。

传统运营商发展布局分析

从轨道分布来看，GEO、LEO两种轨道配置均被用来提供物联网服务，且各具优势；从工作频段来看，L、S频段是卫星物联网服务的首选频段，终端设备技术复杂度相对更低，且能够满足船舶跟踪、远程资产管理等非实时性、窄带通信业务需求；从业务布局策略来看，传统卫星运营商大多在提供卫星移动通信服务的基础上，向低速M2M和物联网领域拓展，如Inmarsat凭借其长期的移动通信业务资源积累，在航空、航海物联网垂直行业内取得了明显的优势，而Orbcomm从成立之初就专注于该领域的业务发展，已形成成熟的工业物联网运营框架，拥有从用户终端设备到网络应用软件的一系列解决方案，在货运跟踪、重型设备远程监控、石油和天然气、海事和政府服务等领域均有布局；从分布区域来看，传统卫星运营商的卫星物联网业务大多布局于地面通信覆盖率较差的非洲、中东、拉丁美洲等地区，以及加拿大、澳大利亚等国土面积较大的国家。

传统卫星运营商物联网系统及业务布局情况统计表

新兴初创企业发展现状分析

从轨道分布来看，新兴初创企业均选择将系统部署在LEO轨道；从卫星类型来看，初创企业均选择小卫星（更多是立方星）组网来开展物联网业务，主要是因为近年来小卫星研制技术日趋成熟，成本不断降低，对初创企业缩短建设周期、降低研制成本、快速组网、迅速占领市场有较大优势；从星座规模来看，新兴初创企业拟组网的卫星数量多为数十颗或百余颗，相比卫星互联网领域的数千甚至上万颗规模差距大，主要考虑目前卫星物联网的应用场景大多对通信时延有较高的容忍度，单星支持设备连接量很大，企业无需扩大规模来提高传输速率；从卫星制造商角度来看，初创企业倾向于选择新兴小卫星制造商来开发卫星星座，但也不乏纳米航空电子设备公司（NanoAvionics）这类提供“一站式”服务的企业，该公司具备先进的小卫星制造技术，首次将液体化学推进技术应用到小卫星上[3]。

新兴初创企业卫星物联网系统及业务布局情况统计表

互联网企业卫星物联网布局分析

除了卫星企业之外，全球主流互联网公司在物联网领域也有布局，并相继推出了自己的物联网云服务平台，并与卫星运营商积极开展合作，利用双方的技术形成优势互补，推动行业应用的快速发展。

其中，亚马逊公司（Amazon）的AWS平台是当今接入最广泛的云计算平台。凭借其强大的云计算技术，Amazon已经和Iridium合作，旨在建设全球覆盖的卫星物联网服务平台—CloudConnect。此外，Amazon拟发射由3236颗小卫星组网的星座，该星座虽然主要面向宽带互联网市场，但也可支持卫星物联网数据的中继传输[4]。

典型互联网企业物联网云平台建设情况

3 卫星物联网的发展趋势

卫星物联网与卫星互联网将实现协同发展

目前来看，卫星物联网的应用环境与卫星互联网高度重合。同时，卫星物联网目前存在的两种网络架构，即：①卫星与传感器互联、直接采集数据；②卫星与传感器基站节点相连+基站采集传感器数据。卫星互联网将成为后者传输层的重要支持手段，因此，在SpaceX、ONEWEB等公司的互联网星座应用中，也将物联网列入其应用之一。此外，由卫星互联网催生的消费型应用通过开放型接口连接物联网设备，将为卫星物联网的推广起到推动作用，未来基于两者融合的创新型应用产品将进一步开拓卫星物联网市场。

高低轨联合提供卫星物联网新型解决方案

近几年来，低成本的LEO物联网星座逐渐得到GEO运营商的重视，后者加快战略投资、推动在低轨领域的布局。早在2017年，Thuraya就已经和宇宙播报公司达成合作，扩展各自的产品和服务类型，开拓卫星物联网市场进入通道。2018年，Eutelsat也宣布针对物联网市场启动星座项目，并已和物联网企业SigFox建立了战略合作关系。卫星物联网创企Myriota于2019年8月同澳大利亚最大的GEO卫星运营商Optus合作，结合高低轨卫星各自优势，共同服务于卫星物联网市场。可以预见，高低轨运营商合作，共同打造立体式的物联网服务模式将为行业提供卫星物联网发展的新解决方案。

卫星物联网与地面物联网将实现优势互补

类似于天基互联网与地面互联网的关系，卫星物联网首先是作为地基物联网的重要补充。卫星为地面物联网系统难以覆盖的区域提供稳定的接入服务，从而满足偏远地区、航空、航海等应用场景的物联网生态系统建设。此外，在地面通信系统基础设施遭到破坏时，由卫星提供临时性的通信服务，从而维系地基物联网系统的持续性运行。Inmarsat于2019年与物联网业内巨头Actility合作，为卢旺达打造“智慧城市”[5]。该项目即利用卫星移动通信与地面蜂窝通信的集成，在基加利全市范围内提供物联网服务，是天基物联网与地基物联网优势互补、协同发展的样例。

跨领域合作推动卫星物联网技术持续升级

未来的物联网是无线传感技术、通信技术、云计算、大数据、人工智能等技术高度集成的系统工程，很难有企业能够在每个领域都提出有效的物联网解决方案。目前，传统卫星运营商，如Iridium、Inmarsat等公司，利用自己的卫星通信网络，与亚马逊、微软等互联网公司的先进云平台结合，优化其固有物联网解决方案，保持行业竞争力。随着卫星物联网产业链的不断完善与扩充，跨领域技术合作模式将会以更深的层次出现在卫星物联网市场。

卫星物联网市场不断细化并向智能化转型

传统卫星运营商早在20世纪就已经在航空、航海、沙漠等极端场景为用户提供资产跟踪等类似物联网的业务。随着用户终端小型化、无线传感技术智能化、延迟容忍应用场景多元化，卫星物联网的应用由传统的资产监控、物流、海事等领域向精准农业、智能工业、智慧牧业等新兴方向发展。而新兴技术的爆发式发展，也正在推动着地基物联网产业边界的不断扩充。

4 卫星物联网的机遇与挑战

机遇

（1）市场处在爆发前关键阶段，为卫星领域的切入提供机遇

地面物联网在智能家居、智能安防等领域已开展了一些应用尝试，但距离大规模应用还有较长的路要走，目前正处于构建和完善生态系统的关键阶段，卫星物联网中的诸多应用场景是组成物联网生态系统的重要环节，处于蓄势待发阶段，将形成良好的市场切入点；另一方面，随着5G网络在全球范围的部署，3GPP等组织正在积极制定卫星与5G的接入标准（其中包括物联网服务），卫星通信将成为5G网络拓展的重要组成部分，满足更加多元化的连接需求[6]。

（2）行业准入门槛进一步降低，商业卫星市场持续蓬勃发展

未来，随着商业航天领域快速发展，可回收运载火箭、“一箭多星”等技术将持续降低卫星发射成本；小卫星及其先进制造技术推动流水线批量生产成为行业标配，卫星研发和制造成本将不断下降，准入门槛有望进一步拉低。在此背景下，将有更多的卫星物联网初创公司涌现，其服务成本也将继续下调，推动应用普及范围不断拓展。如目前宇宙播报公司拟打造由64颗小卫星组网的LEO星座，其总造价仅约5000万美元，单星成本不超过80万美元，具备极佳的性价比优势。

（3）与人工智能、大数据融合，推动行业应用不断延伸拓展

可以预见，随着一大批新兴低轨卫星星座相继完成组网，卫星物联网市场边界将持续拓展，需要处理的数据规模将呈数量级式的增长，卫星运营商传统的数据处理平台对海量数据的处理能力显得捉襟见肘，通过大数据处理和人工智能系统对卫星物联网所采集的数据信息进行分析加工，生成定制化的实用功能，将不断创造新的应用模式、场景，推动行业应用持续精细化、不断拓展延伸。

挑战

（1）现阶段总体市场容量有限，短期内竞争淘汰将不可避免

目前卫星物联网市场集中于已有计划全球组网提供卫星物联网服务的公司已经有数十家之多，而形成成熟生态链条的市场领域大多还是传统公司长期关注的海事、物流行业。受限于现阶段的应用技术发展和市场需求，短期内卫星物联网的市场边界很难得到大幅拓宽。因此，多个星座之间的淘汰将成为不可避免的趋势。能否在此之前开拓并占据卫星物联网细分市场将成为卫星物联网企业存活的关键。

（2）面临较大的信号落地挑战，网络安全问题引发各国关注

如前所述，L和S频段是卫星物联网的黄金频段，传统卫星运营商多采用此类频段，并已在各国获得稳定的卫星落地权，建立了成熟的业务渠道，新兴卫星物联网创企不得不重新开始相关流程，面临一系列监管政策方面的约束和挑战，甚至采用更高频段（如Kepler采用Ku频段等），以避开干扰冲突；另一方面，未来，卫星物联网需要处理的数据将呈指数型增加，在网络安全方面的隐患也是各国关注的焦点，这无疑增加了卫星通信的安全保护成本。

（3）天地一体服务仍有待探索，协议体制竞争带来极大变数

目前，虽然天地一体物联网服务前景被广泛看好，但其尚未形成真正成熟的商业模式，卫星与地面运营商之间的利益关系仍有待协调。另一方面，物联网领域形成了LoRa、窄带物联网（NB-IoT）等多类协议并存和相互竞争的局面，卫星物联网企业多采用前者提供服务，Inmarsat、Thuraya、Fleet Space、Lacuna Space等公司相继加入LoRa联盟，但NB-IoT是地面电信运营商力推的主流协议并积极引导建立业界生态，两者之间的竞争态势，也将为卫星物联网未来发展带来不确定性。