行业研究 | 低轨通信卫星构建空天陆海信息一体化网络

政策、技术等多因素共振，低轨卫星建设进入爆发期。1）频轨资源的稀缺，低轨卫星频段和轨道资源的激烈争夺将成为卫星通信高效催化剂；2）中国星网自2021年成立以来，加速整合各方资源与优势攻克产业基础难题，航天科技和航天科工集团分别提出了“鸿雁”和“虹云”低轨卫星通信星座计划。国家及各省份出台相关支持政策使卫星通信产业迎来新的发展机遇；3）卫星制造、火箭发射和通信等方面的技术进步，降本增效；4）商业航天的快速发展，目前，银河航天已构建了中国首个低轨宽带星地融合通信试验系统，并完成了5G星地融合传输关键技术 验证。引入民营资本力量有助于低轨卫星建设由国家战略向民用化，带动上下游产业链共同发展，促进万亿规模市场的增长。

三大内在需求驱动低轨卫星通信快速发展。1）低轨卫星宽带通信与地面网络互补，推动偏远地区通信、海洋作业及科考宽带、航空飞机、应急救灾等场景的宽带连接；2）23年2月，工信部表示我国正在不断总结5G发展经验，通过搭建“产学研用”工作机制，全面推进6G技术研发。手机直连低轨卫星将成为6G时代NTN的新亮点和必备能力之一，在此催化下，卫星通信渗透率有望快速提升；3）终端应用卫星物联网市场规模可观，根据Berg Insight数据，2021年全球卫星物联网用户群为390万，预计2026年达到2120万，CAGR为40.3%。

1.1、通信卫星应用广泛，商用属性强

卫星按技术领域和服务方式可以分为通信卫星、遥感卫星和导航卫星。卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波，从而实现多个地球站、航天器、空间站之间的单向或双向通信。根据UCS数据，截至2022年 4月30日，全球目前在轨卫星数量为5465颗，中国目前在轨卫星数量为541颗，其中通信卫星数量为67颗，占比达12.4%。

通信卫星按照用户群体可分为民用、军用、政府和商用通信卫星。民用涉及通讯服务、互联网接入服务等；军用通信主要运用各类通信手段进行军事信息传递，以网络形式连接各个子系统，发挥态势感知的作用；政府通信卫星主要为飞船、空间实验室、空间站等载人航天器提供数据中继和测控服务；商用通信卫星是利用商业资本以盈利为目的发射的卫星。

根据UCS官网提供的数据，我国拥有的通信卫星中，军用卫星有3颗，占比5%；民用卫星有6颗，占比9%；政府用卫星有21颗，占比31%；商业用途卫星有37颗，占比达55%。

1.2、发展历程：卫星通信系统技术与应用

国际通信卫星发展起步早，美国处于领先水平，欧洲紧随其后。1958年，美国发射了世界上第一颗通信卫星“斯科尔号”。1965年，美国主导Intelsat发射了通信卫星Intelsat 1，标志着通信卫星进入实用阶段。2011年，美国 Viasat发射ViaSat-1高通量卫星，容量达到140Gbps；2017年发射的ViaSat-2容量则达到300Gbps，为世界上容量最大的卫星；正在研制中的ViaSat-3星座每颗卫星则有望提供1000Gbps的容量。欧洲方面，全球固定通信卫星 运营按业务收入规模排名，SES与Eutelsat分列第一和第三。目前SES已拥有超过66颗通信卫星。Eutelsat 2010年发射了欧洲第一颗高通量卫星KA-SAT，总容量达90Gbps。

随着互联网时代对数据的大量需求，低轨卫星系统再迎新一轮发展高潮。以OneWeb、SpaceX等为代表的低轨卫星系统与地面通信系统进行更多的互补合作、融合发展。卫星工作频段进一步提高，向着高通量方向持续发展， 卫星互联网建设逐渐步入宽带互联网时期，低轨卫星迎来产业发展新浪潮。

1.3、发展趋势：低轨化，高通量，小型化

通信卫星按照轨道高度可分为低轨卫星，中轨卫星以及地球静止轨道卫星。低轨卫星：高低轨卫星传输距离对比轨卫星是指运行在低地球轨道（轨道高度700-1500km，LEO）的卫星，中轨卫星是指运行在中地球轨道（轨道高度8000-20000km，MEO）的卫星，静止轨道是指运行在地球同步轨道（轨道高度固定35786km，GEO）的卫星。

低轨卫星星座优势明显，成为卫星通信发展新趋势。相比于地面通信，卫星星座通信可实现广域无缝隙覆盖，成本优势明显；相比于中高轨卫星，低轨卫星具有链路损耗小、发射功率小、传输时延低、频率复用更有效等优势。

根据UCS提供的数据，截至2022年5月1日，低轨卫星数量达4700颗，占比86%。我们认为，虽然低轨卫星需要通过组网实现全球覆盖，卫星数量需求多，组网和控制切换等相对复杂，但仍是最具有发展前景的卫星通信技术。

典型的低轨星座系统包括空间段、用户段和地面段3个部分。空间段由低轨卫星和星间链路组成，形成空间传输主干网络。卫星在空间中均匀排布，普遍采用均匀对称的星座构型。卫星作为空间网络的接入节点，起到天基移动基站的功能。卫星间可建立微波或激光星间链路，实现数据包中继转发。用户段包括各类用户终端、综合信息服务平台以及业务支撑系统等。用户终端也可作为接入点（AP，Access Point）建立局域网络，将通用用户设备接入网络。综合信息服务平台和业务支撑系统用于对用户业务提供支撑和 应用层高级服务。地面段包括信关站、综合运控管理系统以及连接地面核心网的基础设施。信关站起到连接卫星网络和地面网络的网关功能。综合运控管理系统包括网络、星座、数据、运营、数据等管理系统以及卫星测控站等，对全网进行综合管理和监控。

1.4、产业链：制造/发射/运营服务/应用

卫星通信网络建设率先发展，价值量集中在应用侧。根据卫星应用期刊援引美国卫星产业协会（SIA）的数据，2021年全球卫星产业收入为2790亿美元，卫星服务、地面设备属于卫星通信应用侧，其中卫星服务业收入1183亿美元，地面设备制造收入1420亿美元，合计占比达93%。我们认为，得益于组网前期卫星发射增量需求，产业链上游的卫星通信网络建设（卫星制造+火箭发射+地面设备）将率先受益。随着组网的成熟，下游应用需求释放，产业链价值重心将逐渐向运营服务及终端应用转移。削减我国卫星制造和发射成本迫在眉睫，运营服务市场集中度高。

1）卫星制造：根据立鼎产业研究网援引《2018中 国商业航天产业投资报告》的数据披露，我国卫星批产后预期制造成本为429万美元/颗。作为对比，根据立鼎产业研究网援引SpaceX CEO马斯克和COO格温·肖特维尔提供的信息，StarLink单颗卫星的制造成本已经远低于50万美元。

2）卫星发射：我国最具商业优势之一的快舟一号甲火箭卫星发射成本为1万美元/kg，美国猎鹰9号单颗发射成本仅为我国的1/24，产业链各环节成本的较大差距对该行业提出更为紧迫的发展要求。

3）运营服务：目前，我国卫星通信运营商包括中国卫通、中国电信、中国联通等，由于资质许可等原因，行业垄断显著，竞争格局较稳定。

1.5、卫星发射数量稳步增长，市场空间较大。

卫星通信行业快速发展，市场空间较大。根据前瞻产业研究院援引美国卫星产业协会（SIA）数据，2021年，全球在轨运行卫星中，通信卫星市场规模占比达到65%。经测算，2021年全球卫星通信行业市场规模约为1816亿美元，同比增长24.28%，2017-2021年市场规模复合增速达11.98%。根据中商产业研究院数据，2019年，我国卫星通信市场规模约为682亿元，2020年我国卫星通信市场规模达到723亿元，预计2023年我国卫星通信市场规模将超过900亿元。2021年，我国卫星通信市场细分领域大众消费通信服务 市场规模为614.9亿元，卫星固定通信服务市场规模为113亿元，卫星移动通信服务市场规模为29.8亿元。

2.1、频谱与轨道资源紧张，卫星产业战略价值凸显

卫星频轨资源具有重要的战略与商业价值，太空圈地运动推动低轨卫星加速建设。基于国际电信联盟（ITU）《无线电规则》“在有效时限内先占先得”的分配原则，运营商申请并获得频率和轨道位臵使用权后，需保证7年内投入运营。我们认为，为“占频保轨”，参与各方势必加速卫星发射进程，锁定卫星频轨资源，竞争将愈加激烈，低轨卫星频段和轨道资源的激烈争夺将成为卫星通信高效催化剂。

频段资源是空间业务的基础。经过多年的发展，能够单独使用、实现全球覆盖的L、S、C频段几乎被分配殆尽，目前广泛使用的Ku、Ka频段同样是同步轨道卫星的主用频段，星座之间需要留出一定频率间隔防止相互干扰，协调难度大。目前C、Ka频段面临5G网络的激烈争夺，EHF(Q/V/W)频段也已被巨头企业提前布局。轨道位臵资源有限，各国进入抢占轨道的关键阶段。根据赛迪顾问《中国卫星互联网产业发展研究白皮书》中的数据，目前轨道高度为400-2000公里的近地轨道可容纳约6万颗卫星，预计到2029年，地球近地轨道将部署约5.7万颗低轨卫星，轨位可用空间将所剩无几。

国外典型低轨卫星星座建设计划。SpaceX部署的Starlink星座计划第46批53颗“星链”卫星已于2022年5月14日成功发射。按照计划，StarLink分为三步，最终将基于由4.2万颗卫星组建的LEO星座系统向全球提供低延时宽带连接。英国通信公司Oneweb推出Oneweb星座计划，计划发射约650颗LEO卫星与1280颗MEO卫星，2022年初步建成低轨卫星系统，并于2027年实现全球覆盖。

国内主要低轨卫星星座建设计划。我们认为，我国近地轨道卫星星座计划虽起步较晚，但发展后势强劲。“GW” 星座计划发射1.3万颗卫星，“十三五”期间，中国航天科技和中国航天科工两大央企集团分别提出了“鸿雁星座” 和“虹云工程”低轨卫星互联网计划，此外还有时空道宇、银河航天等民营资本加入。

2.2、政策赋能，中国星网统筹规划卫星互联网建设

中国星网成立，专门负责统筹空间互联网建设的规划与运营。2021年4月22日，中国卫星网络集团有限公司在河北雄安新区成立，注册资本100亿元，由国务院国资委100%控股。中国星网的成立不仅是中国卫星通信、卫星应 用产业的又一个里程碑，也是航天产业对国家新型基础设施建设的响应和落定。

中国星网不断完善产业布局，加速卫星通信全面发展。自成立以来，中国星网陆续成立了中国星网网络系统研究院、中国星网共享服务有限公司、中国星网网络创新研究院、中国星网网络应用研究院，并直接控股中国星网网络应用有限公司，间接控股重庆星网网络系统研究院、上海卫星互联网研究院。此外，2021年12月，中国星网拟投资15.8亿元用于总部大楼建设。

2.3、技术发展日趋成熟，利好低轨卫星建设

技术进步具体体现在卫星制造、火箭发射和通信等方面，降本增效，利好低轨卫星星座建设。火箭发射技术进步：马斯克“星链”的颠覆性创新是火箭可回收技术，且一箭多星，可以低成本将上万颗卫星送到轨道平面。

集成电路和卫星制造技术进步：一是使卫星小型化、模块化和组件化成为可能，也为卫星的批量化、规模化制造提供了可能，有效降低卫星的研制和发射成本，生产周期大大缩短（1年左右）。二是增强了卫星的星上处理能力，降低叠加噪声，提升通信质量和组网灵活性。三是在提升终端性能的同时减少终端的体积、 功耗和成本，使终端小型化取得长足进步。

通信技术进步：先进的调制与编码、多天线波束成形及复杂的频率复用等技术可以提升卫星通信的系统性能；5G陆地移动通信的大规模多天线和波束成形技术的进步可用于卫星通信；基于毫米波、太赫兹、可见光通信的星际链路等逐渐成熟，可以实现卫星间大带宽直接组网，减少了地面信关站的数量，消除了地面与空中的多跳问题，降低了通信时延。

2.4、民营资本推动产业规模部署，军商跨界加速整合

民营资本涌入，商业航天迎来万亿规模蓝海。2020年4月，国家发改委首次明确“新基建”范围，将卫星互联网纳入通信网络基础设施的范围，积极引导民营资本进入商业航天领域。

2022年，“鸿雁”、“虹云”、“银河航天”等星座建设已完成初步部署，其中民营企业推动的“银河Galaxy”计划总共发射2800颗低轨互联网卫星，预计到2025年前发射约1000颗卫星，首颗试验星已于2020年1月发射成功，技术指标和通信能力国际领先。按照向ITU申报的计划，2022-2024年将是中国低轨卫星发射的集中窗口期，预估到2027年低轨卫星总规模达到3900多颗，至2030年有望突破6000颗。实现整体卫星通信系统综合一体化，军商跨界整合加速。

2022年12月，SpaceX公司正式发布了名为“星盾”的卫星互联网星座项目以提前布局国家安全业务，提供对地观测、卫星通信安全服务以及高度加密资讯负载。我们认为，该项目的推出表明商用卫星和运营商的参与度加深，军商跨界整合加速。

3.1、覆盖升级：偏远地区/海洋科考/航空宽带/灾难应急

卫星通信与地面通信互补合作，融合发展，实现全区域无缝覆盖。传统地面通信骨干网在海洋、沙漠及山区偏远地区等苛刻环境下铺设难度大且运营成本高，通过部署传统通信骨干网络在互联网渗透率低的区域进行延伸普及存在现实障碍。

根据ITU数据，2021年全球约有66%人口使用互联网，但仍有27亿人无法上网。建设卫星互联网，利用卫星作为基站的传输中继是解决地球“无互联网”人口数字鸿沟问题的重要手段，是实现网络信息地域连续覆盖普惠共享的有效补充。其中，低轨卫星通信核心商业应用场景主要包括偏远地区通信、海洋作业及科考宽带、航空宽带和灾难应急通信等。

3.2、应用升级：紧急通信/5G融合/6G融合

手机作为消费型终端率先支持卫星通信功能，在此催化下，卫星通信渗透率有望快速提升。华为Mate50系列支持北斗卫星通信，可在荒漠无人区等无地面网络信号覆盖的情景下，通过卫星通信发出求助信号，并基于位臵信息形成轨迹地图；iPhone14系列在没有蜂窝网络和无线局域网信号时，可通过卫星发送SOS紧急联络并搭配 “查找”App进行户外定位。受限于卫星通信自身物理特性和当前技术的局限性，两者目前只能支持部分卫星通信功能，而且使用地域、发送内容和对象都有限制。华为Mate50“可发，不能收” 。iPhone14“可发，也可收”，但不能定向发给个人。我们认为，尽管短期以实现短报文或双向延迟短信和应急语音为主，后续在技术升级及应用升级下有望拓宽应用范围。

随着5G技术标准制定完成和商用启动，5G的先进技术和成熟的规模产业将对我国发展基于5G的低轨卫星通信产业大有裨益。卫星通信和5G的差异性，决定了其关系是互补而非替代。国际电信联盟ITU定义了5G的三大 场景：增强移动宽带（eMBB）、大规模机器类通信（mMTC）、低时延高可靠（uRLLC）。其中，在增强移动宽带场景下，卫星通信的优势在于向偏远地区的住户、空中的飞机乘客、海洋与大湖中船舶的船员和乘客、穿越荒漠的火车乘客、野外科考者等提供Wi-Fi接入或便携卫星终端通信的服务；在大规模机器类通信场景下， 针对沙漠与海洋等油井和天然气井、货运与交通长距离监测跟踪等行业应用场景，低轨卫星具有全球覆盖和成本比较优势。我国在卫星通信与5G兼容的前期探索，将为未来的6G有机融合高中低轨卫星通信与地面移动通信发展打下坚实的基础。卫星通信链路性能仅达3G水平，与5G尚存在一定差距。对比三个系统（Telesat、OneWeb、SpaceX）的用户下行链路性能，可以看出SpaceX下行链路平均频谱效率为2.7bit/s/HZ，只达到3G水平，而5G的下行链路平均频谱效率是10bit/s/HZ以上。

低轨卫星通信与5G的关系是互补而非替代。从通信系统角度分析低轨卫星通信的频率与轨道资源、系统容量、 建设和运维成本等，若其要服务全球网民还差距太大，与5G的关系只能是互补而非替代。卫星通信是6G时代的重要角色。6G，即第六代移动通信技术。根据IMT2030（6G）工作组《6G总体愿景与潜在 关键技术白皮书》，6G将在2030年实现商用，实现从万物互联到万物智联的跃迁。通过将卫星通信整合到6G移动通信，可实现全球无缝覆盖。与前五代移动通信以地面通信为主不同，6G时代卫星网络将承担重要角色。中国信科集团副总经理陈山枝提出了6G出现的两个标志：从需求的角度来看，6G要支持数字孪生、万物互联，特别是万物互联将涉及广域覆盖的问题。但目前全球现有的移动通信网络仅覆盖陆地20%、地球表面积6%，这是由技术经济学决定的。因此，通过卫星通信与地面移动通信融合发展，应用卫星对海洋、森林、沙漠、偏远地区进行覆盖，实现星地海融合的全球广域覆盖，这是6G的标志之一。我国已开始全面推进6G发展。2019年6月，IMT2030（6G）工作组由工信部推动成立。23年3月，工信部部长金壮龙在第十四届全国人民代表大会第一次会议“部长通道”中表示，我国正在不断总结5G发展经验，组建IMT2030（6G）工作组，并已经开展工作。工信部将搭建“产学研用”工作机制，加强国际合作和交流，加大核心技术攻关，全面推进6G技术研发。

3.3、终端升级：卫星物联网

卫星物联网，指各类信息感知设备通过卫星与互联网连接起来的网络。相较于传统地面网络，卫星物联网具有低带宽、低功耗、大数量级、广覆盖、低频率、不受自然条件影响的优势。相比卫星通讯，卫星物联网对通信时延 有较高的容忍度。卫星物联网可以对地面网络不存在的地方提供服务。例如，对穿越太平洋的货物集装箱上配备的跟踪设备，监控该集装箱的唯一方法是通过卫星。另外，卫星物联网也适合于虽然存在地面基础设施覆盖，但必须跨越多个网络的情况，比如卡车运输等物流领域。卫星物联网在智能制造、智能零售、智慧农业、智慧安防、 智慧城市、智能家居、智慧医疗等场景都能发挥重大作用。卫星物联网发展前景广阔，市场规模可观。根据Berg Insight数据，全球卫星物联网用户群2021年为390万，预计2026年达到2120万，CAGR为40.3%。麦肯锡预测2025年卫星物联网行业规模可达5600~8500亿美元。只有约10%的地球表面可以使用地面连接服务，这为卫星物联网留下了较大的机会。