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深度 | 卫星通信行业研究报告

卫星通信是指地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。卫星通信的应用领域广泛,包括广播电视、移动通信、互联网接入、军事通信等。

卫星通信是以卫星为中继的通信手段,由空间段、地面段、用户段构成。空间段由不同轨道、用途、频段的卫星构成;地面段指在地球表面的无线电通信站,包括地面站、机载站和船(舰)载站,负责卫星信号接收处理以及卫星姿态的控制等;用户段包括不同类型的用户设备。

信号传输的流程是用户段发出基带信号经过发射地面段处理变为射频信号后发送到空间段,再由空间段对收到的射频信号进行低噪声、变频、功率放大等处理后发送到接收地面段,再对其处理变成基带信号后,发送到用户段

 

 

 

一、卫星通信分类

 
 
 

按轨道高度分类

通信卫星按轨道划分可分为低轨卫星(LEO)、中轨卫星(MEO)、高轨卫星(GEO)。

(一)地球同步轨道通信卫星(Geostationary Earth Orbit,GEO):又被称为地球静止轨道卫星,位于地球上方35786公里处,以与地球自转同步的速度运行,提供固定的覆盖范围,适用于广播、电视、互联网接入等应用。

同步轨道卫星覆盖面广,单颗星可覆盖地球表面超过40%的区域,3颗卫星即可实现全球覆盖,且提供稳定的覆盖范围,有利于为固定区域提供服务。虽然高轨卫星技术成熟、寿命长等特点,但是存在时延高、损耗大,轨道资源极其稀缺的特点。

(二)中地轨通信卫星(Medium Earth Orbit,MEO):是一种卫星通信系统,其中通信卫星位于地球同步轨道和低地轨之间的中等高度轨道,卫星距地面高度在 2000-35786 公里之间,单星覆盖范围大于低轨通信卫星,是建立全球或区域卫星通信系统的较优解决方案。

延迟和带宽平衡MEO卫星系统的轨道距离较高,信号传输延迟比LEO高,但仍低于GEO卫星系统。因此MEO卫星系统在延迟和带宽之间提供了一种平衡,适用于需要中等延迟和带宽的应用。

全球覆盖MEO卫星系统通常由多颗分布在不同轨道上的卫星组成,可以实现全球覆盖。适用于偏远地区、海上和高纬度地区的通信。

导航卫星:一些著名的MEO卫星系统包括全球定位系统(GPS)和伽利略,它们提供高精度的全球导航和位置服务。这些系统的MEO卫星用于传输导航信号,以支持GPS接收器等设备的定位。

广播和电视传输:MEO卫星系统也用于广播和电视传输,它们可以通过覆盖广阔的地理区域来传输电视信号和广播节目。

军事通信:MEO卫星系统在军事通信和情报传输领域具有重要作用,因为它们提供了可靠的通信和位置信息服务。

(三)低地轨通信卫星(Low Earth Orbit,LEO)是一种卫星通信系统,其中通信卫星位于距离地球表面相对较低的轨道上,通常在数百至数千公里的高度范围内运行,知名的LEO卫星通信项目包括SpaceX的Starlink、英国公司OneWeb和亚马逊的Kuiper、中国星网。与传统的地球同步轨道卫星通信(Geostationary Earth Orbit,GEO)不同,LEO卫星通信系统的轨道更接近地球表面,这带来了一些重要的优势和特点:

低延迟通信:由于LEO卫星的轨道距离较低,因此LEO卫星通信具有更低的信号时延短,大概在20ms-50ms。这使得LEO卫星系统特别适用于需要实时通信的应用,如在线游戏、视频通话、远程操作和无人驾驶汽车

高带宽:LEO卫星系统通常提供更高的带宽,因为它们可以使用更高频段的电波,并且通信信号不需要穿越大气层。这使得LEO卫星通信在处理大容量数据、高清视频流和互联网接入等高带宽需求时非常有用。

全球覆盖:由于LEO卫星系统的轨道多为极地轨道,它们可以提供全球覆盖,包括偏远地区和高纬度地区。这使得LEO卫星通信在为全球范围内的用户提供通信服务时具有显著的优势。

卫星网络:LEO卫星通信系统通常采用卫星网络拓扑,由多颗卫星组成卫星星座,它们之间可以进行卫星之间的信号中继和路由。这种网络结构具有冗余性,能够提供更高的可靠性和稳定性。

可扩展性:LEO卫星通信系统相对容易扩展,可以通过增加卫星数量来增加网络容量,以满足不断增长的通信需求

应对空间垃圾:由于LEO轨道较低,有助于减少太空垃圾的积累,因为废弃的卫星通常会在较短时间内重新进入大气层而燃烧。

 

 
 

按带宽分类

分为宽带通信和窄带通信。根据国际电信联盟(ITU)的频段划分标准,卫星通信常使用L(1-2GHz)、S(2-4GHz)、C(4-8GHz)、X(8-12GHz)、Ku(12-18GHz)、K(18-27GHz)、Ka(27-40GHz)等波段的电磁波。

窄带通信以L/S/C频段为主,主要分布在GEO轨道,由于其传输速率低、雨衰小的特点,主要用于电视、广播和物联网应用。

宽带通信以Ku/Ka频段为主,传输速率可达上百Mbs,因此可以满足高速数据传输的互联网多媒体应用需求。在卫星宽带的通信频段中,C频段、Ku频段、Ka频段都逐渐饱和,为了满足日益增加的频率轨道资源需求,Q/V频段(39-46GHz/46-75GHz)由于带宽大、容量高等特性,是目前通信卫星领域主要布局的方向。

 

 

二、卫星通信产业链

 

卫星通信是一个复杂的产业,涉及多个领域和环节,包括频谱获取、卫星制造、发射、地面站建设和运营等。

 
 

(一)频率获取

卫星频谱属于全球性资源,所有卫星系统在投入使用之前,都必须向国际通信联盟(ITU)申报卫星网络的频率和轨道信息资料,频率轨道的使用必须进行国际协调。国际电信联盟(ITU)将频段分配给不同的卫星通信用途,如卫星广播、卫星互联网、导航等。

根据《中国航天》数据披露,当前地球静止轨道(GEO)上 90%的 C 和Ku 频段被少数国家的运营商垄断控制,各国提交的轨道申请超过 6 万份,波音、空客、亚马逊、Google、Facebook等企业均在ITU申报了大量的卫星频轨资源。当前对卫星频轨资源的争夺进入白热化状态。

目前能够单独使用、实现全球覆盖的L、S、C频段资源几乎殆尽。许多国家正在对频率更高的Q频段和V频段进行开发,预计将成为下一代通信卫星的主要发展方向。

按照目前先到先得(7年内必须启用)的原则,1000公里以下的轨道资源很可能在几年之后被星链计划抢占大半。2021年4月底,中国卫星网络集团公司揭牌成立,代表国家统筹卫星互联网的建设。我国星网公司已向 ITU 申请了“GW”星座计划,共 12992 颗卫星。
 
 

(二)卫星制造

卫星制造分为平台制造和有效载荷制造两部分。

卫星平台:包括结构与热控、姿态与轨道控制、电源与供配电、测控和数据管理等分系统,是实现卫星基本功能的主要组成,其中:1)卫星结构和热控分系统成本约占整星的5%-10%。2)姿态与轨道控制分系统起到卫星姿态、轨位控制功能,包括星敏感器、太阳敏感器、磁力矩器、动量轮、推进器等部件,约占整星成本30%-40%。3)测控与数据传输、数据管理系统约占整星成本10%-15%左右。

有效载荷:有效载荷是直接执行特定卫星任务的仪器、设备或分系统。有效载荷种类很多,通信卫星的有效载荷主要是通信转发器和天线。根据卫星任务不同分为通信、导航、遥感或科学研究载荷,通常有效载荷约占整星成本50%左右。

 

 
 

(三)卫星发射 

在卫星发射环节中,包括火箭和发射服务两个部分。

运载火箭制造:制造发射卫星的火箭,通常由政府或私营公司提供。

卫星发射服务:提供发射服务的公司,协助客户将卫星送入指定的轨道。

对于目前主流的液体火箭来说,在结构上的成本主要分为动力系统、电气系统、结构、地面系统这四个部分。其中动力系统占火箭整体成本的70%,其次电气系统占15%、结构约占8%、地面系统约占7%。

 

 
 

(四)卫星地面站

地面站主要包括信关站和测控站,并将与地面网络互联。根据赛迪顾问,地面设备在卫星产业链成本占比达到45%,价值量占比较高。

信关站是卫星通信星地系统的数据中心节点,负责卫星通信业务数据的分发与收集,可完成卫星通信网络内部数据的交换和对外网络的数据路由。

地面站建设:建设用于与卫星通信的地面站,包括天线、通信设备、数据处理设备等。

地面站运营:操作和维护地面站,确保与卫星的稳定通信。

卫星通信服务提供商。

卫星运营商:拥有和运营卫星的公司,提供通信服务给客户。

卫星通信设备供应商:提供卫星终端设备,如卫星电话、卫星调制解调器等。

 

 
 

(五)卫星运营

卫星运营服务分为空间段运营和地面段运营两部分。

空间段运营:指卫星本身,用于天地间数据通信,主要是通信、导航及遥感等各类卫星转发器租赁业务。卫星所有者将卫星的物理带宽(MHz)、转发器出售或出租给大的客户,无需建立地面网络,不面向终端客户。

地面段运营:购买卫星关口站及其他地面设备,完成卫星通信地面组网,直接面向最终客户提供服务,包括出售卫星电视终端、宽带终端、移动通信终端以及提供通信服务及增值服务。

 
 

(六)卫星通信服务

语音和数据通信:提供电话、互联网、电子邮件等通信服务。卫星广播和电视:通过卫星传输电视信号和广播内容。科学研究和地球观测:卫星用于科学研究、气象监测、地球观测等领域。卫星维护和运行:监控和维护卫星,确保其稳定运行。

卫星更新和替换:随着技术的发展,卫星可能需要更新或替换。卫星通信产业链中的每个环节都是相互关联的,协同合作以提供可靠的卫星通信服务。该产业在国际范围内有许多参与者,包括政府机构、私营企业和国际组织,以满足不同领域和需求的通信和数据传输需求。

 

 

三、卫星通信行业现状

 

卫星通信行业目前呈现以下特点:

全球覆盖:卫星通信系统提供了全球性覆盖,特别适用于偏远地区、海上和军事通信。

带宽增加:随着技术的进步,卫星通信系统的带宽不断增加,满足了高带宽应用的需求,如高清卫星电视、卫星互联网和移动通信。

竞争加剧:卫星通信领域的竞争激烈,有多家国际卫星运营商和技术公司参与竞争,同时新兴企业也在不断涌现。

 

 

四、卫星通信市场规模

 

卫星通信市场规模不断扩大。全球卫星通信市场在未来几年内预计将持续增长,受益于全球通信需求的增加、卫星技术的改进以及新兴应用的兴起。根据前瞻产业研究院数据显示,2015-2021 年,我国卫星通信产业总产值CAGR 为 8.7%,2021 年同比增速为 4.8%。若卫星通信产业增速维持 4.8%,预计 2023 年产业总产值达 832 亿元。

据Euroconsult,卫星通信服务收入中,数据服务产生的收入将快速增长(预计2031年提升到514 亿美元),而包括卫星电视广播在内的视频业务将出现萎缩——预计到2031年将失去2600万DTH用户和8500个卫星电视频道。

海事卫星通信应用于包括商船、客船、渡轮和休闲船、渔船以及海上油气平台等场景。相较于陆地、机载等场景仍可以使用部分地面 网络,海事运输,尤其是远洋运输对于卫星通信具有刚需。

航空方面用于接收卫星信号的天线位于飞机顶部,通过卫星网络实现上网。以GoGo卫星系统为例,包括卫星天线、机载服务器、Kandu(用来控制天线移动)、Modman(用来转换信号)以及内部Wi-Fi接入点。

能源矿产企业的应用,通过卫星通信可以使分布在全球陆地、海洋的矿场、油井接入企业网络,实现远程监控与数字化管理,这也符合矿业智能化的发展趋势。

卫星通信在包括农业(农牧场管理)、金融业(分行与ATM管理)、公用事业(电力部门)、酒店(露营、偏远旅游景点)等跨区域或涉及偏远地区的企业网络场景均有应用空间。应用也不局限于宽带接入,卫星物联网在远程资产管理也发挥重要作用。

到2027年,我国卫星通信终端市场规模将达到10.2亿美元,而在2020年,这一规模为4.5794亿美元,占全球卫星通信终端市场规模的8.54%。

 

 

五、卫星通信竞争格局

 

卫星通信市场的竞争格局由多家主要国际卫星运营商和技术公司主导。其中一些主要的参与者包括:

SpaceX:SpaceX的Starlink计划旨在建立大规模的LEO卫星互联网服务。自2019年SpaceX首次发射星链卫星以来,截至2023年5月4日,SpaceX现已累计发射84批、4340颗星链卫星,最新估值1500亿美元。如今,星链已经在全球超过50个国家和地区部署,为超过150万用户提供服务,且预计在今年底升至350万至400万。

亚马逊(Amazon):Kuiper计划旨在发射和运营由 3236 颗低地球轨道 (LEO) 卫星组成的星座,为世界各地缺乏宽带互联网基本接入的客户提供卫星宽带通信服务。亚马逊计划在2023年底前向太空发射首批原型卫星,紧接着在2024年初发射首批量产卫星,并按照监管机构的要求,在2026年之前将一半的卫星网络部署到轨道上。

OneWeb:OneWeb星座第一阶段648颗部署在近地轨道的卫星,包括588颗值班卫星和60颗备份卫星。OneWeb 星座应用场景包括应急救援、高空低延迟宽带、海上石化企业通信、车载蜂窝网络、偏远地区网络覆盖等,目前正借助巴蒂电信、休斯公司、Intelsat 等分销商向终端用户提供服务。

SES:SES是一家全球领先的GEO卫星运营商,提供卫星电视、广播和企业通信服务。该公司拥有卫星数量40颗,居欧洲首位。

Intelsat:是世界最大的卫星服务公司,通过卫星系统提供网络连接、电视广播、蜂巢式移动电话系统等,公司客户包含DIRECTV、Verizon、Vodafone等。Intelsat S.A.是Serafina S.A.子公司。

Viasat:Viasat提供卫星互联网和通信服务,覆盖美国和其他地区,是一家先进的数位卫星通信和其他广播及讯号处理设备公司。2023年Viasat完成了对国际海事卫星组织(Inmarsat)的并购,两家公司将整合频谱、卫星和地面资产,为海事、航空、政府等市场提供网络通信和关键的安全服务,以保障快速、可靠的网络通信 。

中国卫星通信集团:中国卫通是中国唯一一家拥有商用通信卫星资源的运营商,也是A股唯一一家通信卫星运营商,放眼全球更是亚洲第二大、世界第六大固定通信卫星运营商,本身极具稀缺性,由央企100%控股。中国卫通拿下通信全牌照,上市之后继续发力通讯卫星领域,旨在保障我国卫星通讯安全。市值约800亿人民币。

中国星网:根据其向 ITU 提交的卫星星座计划,组网卫星规模接近1.3 万颗。本次招标落地,有望加速推进我国低轨卫星建设进程。轨道高度分分布在508-1145km之间,频段覆盖L—Q频段。

国电高科:是国内唯一拥有低轨卫星通信频率(UHF)许可和唯一拥有增值电信经营许可的商业航天公司,正建设运营我国首个低轨卫星物联网、国内首个全球组网成功的星座——“天启星座”,17颗星组网运营,为全球用户提供“空天地海一体”的卫星数据通信服务;依托其在功耗、时延、成本等方面优势,广泛用于应急通信救援、环境环保监测、智慧城市等领域,产品百毫瓦级功耗突破卫星通信消费级市场瓶颈。

中卫汇通:中卫汇通拥有多个西经高轨对地静止轨道轨位,可以覆盖非洲、中东、南美洲、欧洲及北美东部等地,与我国“一带一路”空间信息走廊完美契合,主要为非洲以及“一带一路”沿线国家地区的海外中资企业、当地政府和本地电信运营商提供卫星通信和宽带互联网服务。中卫汇通还拥有海外多个国家的地面关口站落地权,具备卫星境外落地许可及运营服务资质。同时中卫汇通还拥有稀缺的Ka频段资源。Ka频段由于更能适应高清视频等应用的传输要求,传输速度更快,对物联网、无人驾驶等有着可观的应用前景等优势,正成为高低轨卫星通信的主流频段。

银河航天:自主研发出我国首颗通信总容量达48Gbps的低轨宽带通信卫星,创新构建了卫星低成本批量化制造能力,国内首次实现了批量研制发射低轨宽带通信卫星,建成了我国首个低轨宽带通信试验星座,实现了我国首次低轨宽带通信卫星与5G融合、我国首次低轨宽带通信试验星座车载“动中通”及多星连续通信测试等一系列技术验证。

 

 

六、卫星通信驱动因素

 

四大驱动因素叠加,促使卫星通信行业步入高速建设期。

 
 

1、频轨资源稀缺性,先占先得

频轨资源有限且具有“先占先得”的特征,发展低轨星座具有战略必要性。卫星频率和轨道资源是指卫星电台使用的频率和所处的空间轨道位置,是卫星系统建立和正常工作的前提,二者稀缺且不可再生。无线电只有在有限区间频段中传输耗损相对较小,且受卫星覆盖范围、卫星高度(信号质量)、同频段卫星间距等因素影响,广阔太空中可用卫星轨道数量十分有限。

频轨资源采取国际电信联盟(ITU)先申报先使用总原则,且要求申报后 7 年内,必须发射卫星启用所申报的资源,否则自动失效。

 

 
 

2、军事、民用多场景需求释放

军用卫星通信在现代战争中具有重要的军事战略意义。现代战争呈现出陆、海、空、天、电综合对抗的特点,信息化战场趋于多维和扩展,需要一体化联合作战、体系对抗和网络对抗。军用卫星通信具有覆盖范围广、容量大的优势,能够更好地满足战场信息传输需求。

目前,美军重点发展的新一代军用卫星通信系统是“先进极高频”(AEHF)卫星通信系统。SpaceX“星链”计划——巨型低轨卫星互联网星座项目在俄乌战争中发挥了巨大作用。
新一代的低轨道卫星容错性高,只有在所有卫星均被攻击时整个系统才会瘫痪,在信息化作战时代,“星链”的价值不容小觑。同时,SpaceX 还依托“星链”的技术及发射能力,发布为政府、国防和情报部门服务的“星盾”卫星项目,具备通信、导航、遥感等基础功能,同时可提供数据加密传输、战场信息感知等多项服务。
此外,欧盟将建设IRIS2 宽带卫星网络用于军事、政府和公众用途;日本也将出于自卫目的建设“卫星集群”系统。

民用领域,toB 及 toC 多场景需求释放推动我国通信卫星发射数量增长。

个人用户:卫星通信在智能汽车、穿戴设备、无人机等智能终端上也实现商业应用场景的拓展。2023年9月1日,极氪在发布会上官宣卫星通信技术全球首次量产上车,将在新车型极氪001FR上提供双向卫星消息、卫星通话等功能。

据中国电信卫星公司在2022年3月举行的渠道发展大会上透露,天通卫星业务用户规模已经突破11万户。而随着华为Mate 60 Pro出炉,中国电信与“天通一号”也将再度在消费级市场受益。

航空互联网:与多个航空公司联合创新“空中-WiFi”服务。业内首批实现从飞机轮离地就可以使用空中上网服务,意味着乘客可以“从起飞到落地”的飞行全航程随时“在线”。

航海平台接入:传统海事卫星服务的带宽非常小,只能满足应急需求,无法承担宽带互联网的应用,海上宽带互联网的应用拓宽了通信卫星在海事领域的使用

天通卫星:为自然灾害、抗洪抢险等提供通信应急保障。

商业通信:为科考、勘探、野外探险等用户提供互联网接入、个人移动通信。

全球通信需求:不断增长的全球通信需求,包括移动通信、互联网接入和数据传输,推动了卫星通信市场的扩张。智能汽车2023年9月1日,时空道宇联合极氪,在即将量产交付的极氪001 FR上,率先量产实现车载卫星通信功能,提供双向卫星消息与卫星通话服务;并推出国内首款前装车载卫星通信终端产品——吉时寻,兼具低功耗、高效能、高安全与高可靠性,具备量产条件。

偏远地区覆盖:卫星通信提供了在城市外偏远地区和海上进行通信的可行方式,满足了这些地区的通信需求。

新兴市场增长:新兴市场中的卫星互联网和通信服务的需求正在迅速增长,特别是在基础设施不足的地区。

能源平台接入:在通信基础设施落后的偏远地区进行能源勘探和开采离不开通信基础设施的支持,但光纤等地面基础设施很难到达这些偏远地区,卫星通信在很多情况下是唯一的通信方式,卫星互联网的介入对于能源勘探和开采行业具有重要意义。

 

 
 

3、产业政策密集出台

产业政策密集出台,中国通信卫星发射数量或将迎来高速攀升。我国在十九大报告中明确提出建设航天强国的战略目标,将建设航天强国上升为国家层面的重大战略。2020 年 4 月,卫星互联网被国家发改委划定为“新基建”信息基础设施之一。2020 年 5 月,国家发改委提出支持商业航天发展,并扩展通信卫星应用领域。

“十四五规划”中明确提出要打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础设施体系,建设商业航天发射场,进一步加速了中国通信卫星发展进程。此外,各省市也积极推出各项针对通信卫星的卫星制造、基础设施建设、推广应用及商业运营等方面的政策,助力卫星互联网快速落地。

 

 
 

4、卫星及火箭制造成本降低

卫星制造生产成本降低助力低轨卫星互联网快速落地。

1)卫星柔性智能化生产线:从总体来看,卫星设计和制造从定制化走向标准化,生产线由单件小批量手工生产升级为高度自动化生产,模块化生产,提高运营速度的同时实现制造成本更加低廉;

2)公用平台及模块化平台:从卫星平台来看,基于卫星公用平台及模块化平台的设计可缩短卫星研制周期,降低研制成本,提高卫星可靠性。根据美国宇航公司估算,研制并使用模块化卫星平台技术,卫星成本将降低 29%;

3)技术进步:从卫星载荷来看,多波束天线的使用可以减小系统成本,提高经济效益;

4)工业级元器件替代:小卫星制造中部分元器件可使用工业级元器件替代宇航级元器件以降低成本;

5)火箭回收及一箭多星:通过一箭多星和火箭回收技术等方式提高资源利用率,降低发射成本。卫星成本的下降能够有效地满足我国日益增长的通信卫星需求,推动通信卫星发射数量增长。

 

 

七、卫星通信投资机会

 

在卫星通信行业,存在以下投资机会:

LEO卫星互联网:投资于LEO卫星互联网提供商,这是一个高增长的市场,特别是在偏远地区和新兴市场。

卫星通信技术:投资于卫星通信技术公司,推动新技术和创新,以提高通信速度和带宽。

卫星制造和发射:投资于卫星制造和发射服务提供商,这些公司从卫星的设计、制造到发射提供关键支持。

全球服务提供商:投资于提供卫星通信服务的全球运营商,这些公司拥有庞大的客户基础和全球覆盖。

新兴市场:关注新兴市场中的卫星通信需求,特别是在亚洲、非洲和拉丁美洲等地区。

 


参考文献:

《卫星通信行业研究报告》——TMT投资

《卫星通信行业深度:驱动因素、行业现状、产业链》——远瞻智库,报告作者:慧博智能投研

图片来源于网络,侵删。