来源:未来智库 (报告出品方/作者:信达证券,蒋颖)
二、欧美领跑,我国加速推进卫星互联网部署
随着太空空间探索的逐步深入,多环节共同推动卫星互联网发展,国内外加速卫星互联网 部署。SpaceX(美国)、OneWeb(英国)、亚马逊(美国)、Telesat(加拿大)、O3b(欧 洲)、Viasat(美国)等多家欧美企业相继提出 Starlink、OneWeb、Project Kuiper、 Lightspeed、O3b、Viasat 卫星互联网星座计划,据统计,截至 2021 年 11 月,全球至少 有 20 家公司对外公布了覆盖全球低轨星座计划,其中,中国 5 家、美国 5 家、俄罗斯 1 家、英国 1 家、加拿大 1 家、韩国 1 家、卢森堡 1 家、印度 1 家。排头雁为 SpaceX 公司 的 Starlink 项目和 Oneweb 公司项目,其中 SpaceX 公司已经成长为全球迄今为止拥有卫 星数量最多的商业卫星运营商。
1)技术发展推进:低轨卫星星座相关技术不断发展成熟,特别作为可模块化、批量化生产 的小卫星平台,不断成熟的“一箭多星”和“可回收发射”的火箭发射技术,有效降低卫 星互联网建设成本; 2)频轨资源稀缺:由于国际电信联盟(ITU)规定轨道和频段资源获取遵循“先到先得”原 则,低轨卫星所主要采用的 Ku 及 Ka 通信频段资源也逐渐趋于饱和状态,太空资源的争夺 具有迫切性; 3)商业价值潜力:卫星互联网作为地面通信系统的有效补充和未来 6G 的重要组成部分, 凭借广覆盖、低延时、低成本和大宽带的互联网接入优点,下游应用市场广阔,具有较大 的商业潜力和前景; 4)军事意义重大:Starlink 等一批低轨互联网卫星系统不仅可以提供宽带化的低成本、全 球覆盖的互联网服务,若将其应用于军事领域,得益于其全球化高带宽的波束覆盖,将大 幅增强军队的信息化能力,具有重要的军用价值。
1、全球代表星座 Starlink:目标部署超万颗的低轨卫星
Starlink 是 SpaceX 公司 2015 年提出的一个低轨卫星互联网系统,目标部署超万颗的低轨 卫星,提供覆盖全球的高速互联网接入服务。SpaceX 公司掌握火箭回收技术后,利用“猎 鹰9号”重型运载火箭以“一箭多星”的发射方式发射“Starlink”卫星,大幅降低发射成本, 完成近地轨道和轨位频率资源的占据,使得“Starlink 计划”在众多巨型星座项目中脱颖而出, “Starlink 计划”具有大规模、全球无缝覆盖、低时延、大容量,商业价值大、军事应用前 景广阔的特点。
1.1 Starlink 基础设施建设
轨道建设方面,Starlink 星座规模大,轨道层数多、卫星数量多。轨道建设计划了 StarlinkGen1 和 Starlink Gen2 两代星座,卫星数量总计达到约 4.2 万颗: Starlin Gen1:包括 Ka/Ku 频段的 LEO 星座和 V 频段的 VLEO 星座: LEO星座经过多次调整,分为五个壳层,大致对应原计划I、Ⅱ期工程,整体向更低轨道发 展。壳层 1主要内容是将1725 颗Ka/Ku 频段卫星部署于72个550km角53°的轨道面上; 截止到 2021 年 5 月底,基于 V0.9 版及 V1.0 版 Starlink 卫星,SpaceX 公司完成 550km 轨 道高度的第一个轨道层部署,参考原计划,星座容量可达 30TB/s、时延 15ms,传输速度 最高可达 1GB/s,前 800 颗卫星能够为美国、加拿大等北美地区提供高速卫星互联网服务。 壳层 2-5 主要内容是将 2824 颗 Ka/Ku 频段卫星部于 570 km、560 km、540 km、560km 轨道上,轨道面分别为 36、6、72、4,计划实现全球组网; VLEO 星座大致对应原计划的Ⅲ期工程,主要内容是将 7518 颗 V 频段卫星部署于 340km 轨道上,最终实现“Starlink 卫星”覆盖全球。 Starlink Gen2:2019 年“Starlink 计划”又向美国联邦通信委员会(FCC)提请准备加 3 万 颗第二代“Starlink”卫星,分布在 328km~614km 轨道高度的 75 个轨道面上。
卫星制造方面,Starlink 卫星迅速迭代,成本较低。从 2018 年 2 月的原型试验星 (MicroSat2A、2B)到 2022 年 5 月在轨最新的 V1.5 版本,卫星经历 4 次迭代,以 V1.5 版本为例,采用平板结构设计,重量提高到 295kg,搭载有 Ku/Ka 相控阵天线、单个太阳 能电池阵列、激光星间通信系统、霍尔效应推进器、Star tracker 导航系统、自主避撞系统 等。 Starlink 卫星属于小卫星,寿命较短,仅为 5-7 年,成本方面,马斯克则曾公开透露单颗卫 星的成本可以下降到 50 万美元。
卫星发射方面,在向星座部署卫星时,多颗 Starlink 卫星预先按顺序部署于猎鹰9号火箭 的整流罩中,抵达预定位置后,“Starlink”卫星利用火箭上面级转动逐个缓慢脱离,最终部 署于一条轨道的不同位置。 SpaceX 公司掌握火箭回收技术,大幅降低 Starlink 卫星发射成本,以猎鹰9号火箭为例, 发射成本从最初 6000 多万美元/次,降到 50 万美元/颗以下,单个猎鹰 9 号一级助推器目前 保持着发射 11 次的发射纪录;与此同时, “一箭多星”的发射方式也大幅降低了发射成本。
地面设备方面:2020年 7月,SpaceX公司完成第一代圆形相控阵Starlink地面终端研制, 工作在 Ku 频段,根据 Starlink 官网公布信息,一代 Starlink 地面终端直径 58.9cm,重量 7.3kg。2021 年 11 月,SpaceX 完成 2 型第二代矩形相控阵 Starlink 地面终端研制。一款 为能力增强地面终端,尺寸为 57cm×51cm,重量 7.2kg;另一款小型化地面终端,尺寸为 50cm×30cm,重量 4.2kg。从天线射频到基带及协议处理,Starlink地面终端采用了芯片化 设计与实现方案,降低了终端整机功耗和生产成本,也实现了小型化,为 Starlink 系统产 业化及大规模应用铺平了道路。Starlink 地面终端采用了机械与相控阵电扫结合的波束跟踪 技术,基于机械调整能力,Starlink 地面终端开机后可根据地理位置自动将阵面调整到合适 的方位和仰角;基于相控阵天线波束快速指向调整能力,在相控阵阵面电扫覆盖范围内, 实现对卫星的精确指向跟踪和跨星切换下的波束指向快速调整。根据《“星链”卫星系统及 国内卫星互联网星座发展思考》,Starlink 终端设备可能具备美国空军的 C4ISR 军用接口, 该用户终端体积较小,安装简单,可放置在各种移动载体上。
1.2 Starlink 商业运营
据路透社 2021 年 6 月 29 日消息,Starlink 计划正在快速增长,预计总投资在 200 亿至 300 亿美元之间,自 2015 年大规模星座计划提出,其卫星互联网系统发展获得大规模融资。 2019 年 10 月 22 日 Starlink 正式进入运营状态,经过几年发展完善,于 2022 年 7 月 11 日 公开了提供海上联机服务的海域范围,包括北美、欧洲、大洋洲及南美地区的海岸及海域, 目前官网公布了 Starlink 住户版、商业版、旅行版和海事版 4 种产品。
根据《“星链”卫星系统及国内卫星互联网星座发展思考》,其中认为:美军在 Starlink 发 展建设阶段就与其合作,探索开发能够军用的“Starlink”卫星及相应设施,得益于其全球化 高带宽的波束覆盖,有望大幅增强美军的信息化能力。Starlink 具备着重要的军事应用潜力 和军事战略价值,主要表现在以下几个方面: (1)系统远期计划布局 4.2 万颗的卫星,抢占大量军用卫星轨道资源; (2)通过搭载光学、红外探测等载荷,在配备激光通信功能情况下,可构建成为最强大的 全天候无缝情报监听侦查网、可靠的导弹预警及动能拦截网和高可控的指挥通信网; (3)卫星轨道高度低、覆盖广,既能够增强处于更高轨道的 GPS 卫星的信号,也有能力 独立构建导航定位系统。能够取代导弹最贵的制导部件,导致导弹价格降低; (4)天基目标探测和打击能力或将发生质的变化。
2、其他国外代表星座简介
OneWeb 公司成立于 2012 年,计划发射 648 颗低轨卫星,并于 2019 年 8 月进行了高清视 频流测试,证明其卫星可提供 40ms 以内的低延迟高带宽服务。公司自成立以来已获得 34 亿美元融资,主要投资方日本软银公司为其融资 20 亿美金,其他投资方包括维珍集团、高 通、可口可乐等。由于面临卫星成本控制不力和资金储备告急等棘手问题,OneWeb 公司 于 2020 年 3 月 28 日宣布申请破产保护,进入破产保护司法程序,2020 年 7 月,由英国政 府与 Bharti 赢得了竞拍而获得了这家公司的所有权,双方各出资 5 亿美元,合计 10 亿美 元。2021 年 5 月,该公司已经解雇原有雇员 531 人中的 85%,但仍表示将维持卫星运营。 2021 年 4 月 28 日,欧洲卫星通信公司(ETCMY.EU)宣布将以 5.5 亿美元现金收购低地 球轨道卫星初创公司 OneWeb 24%的股份。
O3b 网络公司是由互联网巨头 Google、媒体巨头马隆(John Malone)旗下的海外有线电视 运营商 Liberty Global 和汇丰银行联合组建的一家互联网接入服务公司。O3b 星座于 2007 年创立,与 OneWeb 公司为同一创始人,现已被欧洲卫星公司 SES 公司收购,是第一个 成功的非地球静止轨道宽带系统。O3b 第一代星座采用中轨(MEO)卫星,卫星星座高度为 8062km,工作于 Ka 频段,共计 16 颗,已完成部署,正在推进部署第二代高通量中轨卫 星,预计部署 22 颗,可成为一个全球性系统。另外,O3b 星座无星间链路,需要在全球多 地部署地面站,目前已对外提供服务,主要面向运营商,政府机构和美军方也是重点客户。
Kuiper计划是亚马逊旗下太空互联网项目,计划在近地轨道部署 3236颗卫星建成卫星互联 网,为全球提供高速网络连接。该卫星星座包括 3 个轨道层共 98 个轨道面,对应轨道高度 分别为 590km、610km 和 630km 的轨道。2022 年,亚马逊宣布,公司向法国阿丽亚娜太 空(Arianespace)、美国联合发射联盟(ULA)以及蓝色起源三家企业预定了 83 次火箭发 射,计划在五年时间内将 Kuiper 计划的几千颗卫星送入地球轨道,前两颗原型卫星计划于 2023 年 5 月发射。 2023 年 3 月 14 日,亚马逊在太空卫星会展 Satellite 2023 上公布其卫星互联网计划的用户 终端,三套卫星天线的网络速度从每秒 100 兆到每秒 1Gb 不等,据美国消费者新闻与商业 频道(CNBC)报道,“标准”版卫星天线设计尺寸小于 11 平方英寸(约 71 平方厘米),重 量小于 5 磅(约 2 千克),可提供每秒 400 兆的速度,生产成本预计将低于 400 美元。“超 小型”版本是亚马逊最小最实惠的版本,尺寸 7 平方英寸(约 45 平方厘米),重约 1 磅(约 0.45千克),网速可达每秒 100兆。亚马逊预计,一旦卫星制造设施完全建成,每天将大规 模生产 3-5 颗卫星,明年开始从近地轨道提供卫星互联网的测试服务。
三、我国卫星互联网起步较晚,年内有望取得突破
1、发展卫星互联网具备迫切性,我国积极推进中
卫星互联网发展具有紧迫性。我国一直十分重视空间基础设施建设,已成为第五个独立把 卫星送入空间的国家、第三个掌握卫星回收技术的国家、第五个独立研制和发射地球静止 轨道通信卫星的国家,但在卫星互联网建设方面与欧美较有差距: 1)尚未形成全球覆盖的卫星通信网络,高轨窄带、高轨宽带卫星通信系统主要覆盖亚太部 分区域,低轨卫星互联网系统处于规划、研发和验证阶段; 2)技术差距导致当前成本偏高,成本主要集中于卫星制造和卫星发射环节,对比 SpaceX 规模化卫星制造、一箭多星和火箭回收技术,我国低轨卫星互联网星座空间基础设施建设 总成本偏高,影响整体低轨卫星互联网商用化进程的落地或推广; 3)产业市场化程度不高。卫星系统作为航天产业重要的组成部分,传统上主要服务支撑特 定需求、专属客户,关键资源、核心技术相对封闭运作,市场化程度不够,客户导向、应 用驱动、迭代创新的产业生态暂不够健全,同时我国地面光纤互联网的工作推进非常迅速, 低轨卫星互联网作为地面补充,商业化需求较低。
卫星互联网纳入新基建,我国卫星互联网市场有望迎来重要历史发展机遇期。2020 年,卫 星互联网首次纳入新基建范畴,已经上升为国家战略性工程。我国将从整体战略统筹部署, 打造完善的卫星互联网产业链。我国卫星互联网迎来了市场“破茧”和产业链“成蝶”的重 要历史发展机遇期,自身优势与政策红利将逐渐呈现叠加效应,有望加速我国卫星互联网 建设发展。
1)政策端:卫星互联网纳入“新基建”,政策持续大力支持。2020 年 4 月 20 日,卫星互联 网首次被纳入“新基建”范畴。2021 年 1 月 4 日,上海发布《关于全面推进上海城市数字化 转型的意见》,提出加快建设数字基础设施,推动千兆宽带、5G、卫星互联网等高速网络 覆盖。2021 年 3 月 13 日发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划 和 2035 年远景目标纲要》提出要建设天地一体、集成互联、安全高效的信息基础设施。 2023 年 2 月 6 日,工信部发布《关于电信设备进网许可制度若干改革举措的公告》,将卫 星互联网设备、功能虚拟化设备正式纳入进网许可管理。
2)技术端:我国技术储备基本完备,积极布局低轨卫星星座。卫星互联网建设的关键技 术包括产业链多个环节,如卫星制造方面的高通量卫星、星上转发器技术、星间链路技术 等,发射环节的一箭多星和火箭回收等。我国在关键技术方面均有所布局。
其中在低轨卫星星座建设方面,在相关政策的鼓励下,2017 年以来多个近地轨道卫星星座 计划相继启动。
天地一体化信息网络项目:由科技部牵头负责,中国电科集团负责实施,是国家“科技创 新 2030 重大项目”之一。天地一体化信息网络建设分三个阶段,预计 2030 年建设完成。 2019 年 6 月完成试验 1 星、2 星发射。星座采用星间链路和星间路由技术,可实现少量地 面站支持下的全球数据服务。 鸿雁星座:由中国航天科技集团于 2016年底发起,并在重庆成立东方红卫星移动通信有限 公司负责运营,2018 年 12 月完成技术验证星发射入轨标志着该星座建设全面启动。按照 规划,鸿雁一期由 60 颗卫星组成;鸿雁二期预计 2025 年建设完成。整个系统由 300 颗卫 星组成,可实现覆盖全球的互联网接入。
虹云星座:由中国航天科工集团发起,计划发射 156 颗卫星实现全球组网,2018 年 12 月 完成技术验证星发射入轨。整个“虹云工程”分三步完成,第一步计划在 2018 年前,发射第 一颗技术验证星,实现单星关键技术验证,现已完成;第二步发射 4 颗业务试验星,组建 一个小星座,让用户进行初步业务体验;第三步到 2025年左右,实现全部 156颗部署,完 成星座构建。 银河航天:成立于 2018 年,是一家民营初创型公司,该公司计划发射上千颗低轨 5G 通信 卫星,在 1200km 的近地轨道组成星座网络,让用户可以高速灵活地接入 5G 网络。2020 年 1 月完成首颗 200kg 量级卫星发射并进入预定轨道,为我国首颗低轨宽带 5G 卫星。其 公司研发人员由航天、互联网、通信或电信以及工业生产等四大块组成,与 Starlink 项目 人员结构安排类似。
资本端:民间资本助力卫星互联网发展,市场融资集中卫星制造领域。2014 年国务院出台 了《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会资本的指导意见》,首次鼓励民间资本进入卫星 研制、发射和运营商业遥感卫星,提供市场化、专业化服务、引导民间资本参与卫星导航 地面应用系统建设。近几年来,Starlink 星座建设突飞猛进,进一步验证了大规模低轨通信 卫星星座组网建设的可操作性,为国内资本市场对包括卫星互联网在内的商业航天领域的 投资布局形成了良好的示范效应和带动作用。根据 IT桔子数据库,2016年以前我国卫星互 联网行业融资金额和事件数量规模均较小,2017 年开始卫星互联网资本市场逐渐活跃, 2021 年我国卫星互联网行业发生融资事件共 13 起,融资金额共 10.92 亿元。截至 2022 年 11 月 8 日,我国卫星互联网行业发生融资事件 9 起,融资金额为 7.53 亿元。从卫星互联网 行业的投资轮次来看,目前卫星互联网行业的融资轮次仍然处于早期阶段。
2、我国已形成较完整的卫星互联网产业链
我国卫星互联网市场稳步发展,产业链价值集中于卫星制造和卫星发射。我国卫星互联网 作为国家新型基础设施建设的重要组成部分,在国家政策法规、技术升级、产业资本的多 重驱动下,产业发展迅速。根据 SIA 数据,2021 年中国卫星互联网行业市场规模达到 292.48 亿元,预计 2025 年市场规模将达到 446.92 亿元,2021-2025 年复合增长率达到 11%。根据《“新基建”之中国卫星互联网产业发展研究白皮书》,2019 年卫星产业链中卫 星制造、卫星发射、地面设备和卫星运营占总市场规模的比例分别为 7.10%、2.20%、 45.10%和 45.60%。
1)卫星制造环节:国家队领航,民营企业聚焦零部件制造。卫星整机制造门槛较高,投 资大,整机制造未来仍将以国家队如中国航天科技集团、中国航天科工集团领航。其中在 卫星各分系统的设计研发上,一些民营企业储备了较强的技术实力,随着低轨卫星星座建 设发展,星载核心硬件有望直接受益,如通信卫星中有效载荷的转发器和相控阵天线,用 于激光通信的激光器件、电推系统、太阳能帆板加蓄电池组的组合构成的能源系统及管理 系统等;
2)卫星发射环节:国有企业为主,发射降本成发展重点。我国作为航天大国,拥有西昌、 酒泉、文昌、太原四大发射基地,2022 年,中国航天全年实施发射任务超过 60 次,长征 系列火箭年发射次数再创新高。其中,火箭研制和发射服务行业壁垒高,研发周期长,投 资大,主要负责单位为航天科技集团和航天科工集团。从商业模式来看,商业火箭本质上 就是运载工具,未来的主要盈利模式是按公斤收费,并发展广告命名、文旅等延伸服务, 因此降低发射成本为未来发展重点,如液体、大推力、可回收火箭制造。
3)地面设备环节:C 端市场广阔,民营企业参与众多。卫星互联网地面设备包括信关站在 内的网络设备和各类用户终端,随着卫星互联网建设和各类应用场景下客户接入,相关地 面设备有望进入规模放量环节,市场广阔,其中各类零部件及系统软件等涉及厂商众多。
4)卫星运营环节:中国星网成立,牵头统筹我国卫星互联网建设。2021 年 4 月 28 日,国 务院国有资产监督管理委员会发布《国资委关于组建中国卫星网络集团有限公司(简称: 中国星网)的公告》,经国务院批准,中国星网由国资委代表国务院履行出资人职责,列入 其职责企业名单,中国星网正式成立。卫星互联网的建设作为复杂的系统工程,面临着卫 星的规模化生产、快速批量发射部署、巨型星座的运行管理等问题,都亟需改变当前航天 工程任务的生产、运作模式。中国星网的组建,作为国家战略,有望对我国卫星互联网产 业进行整体统筹规划,通过集中力量办大事的制度优势,有望快速构建卫星网络,加强竞 争实力。
运营平台方面,目前中国星网与上海、重庆市政府达成战略合作协议,项目入围企业有九 天微星等十余家。“GW”星座不仅提供覆盖全球高速网络通信服务,而且加速我国信息安全、 导航定位、气象研究、灾害预警等诸多领域升级,还能拓展全球市场给卫星制造、运载火 箭、地面基站、用户设备、网络应用等全产业链带来更多发展机会。2021 年 12 月,中国 星网网络应用有限公司和重庆星网网络系统研究院有限公司在重庆两江新区揭牌。它们都 是中国星网集团的应用平台,前者承担卫星互联网应用产业发展任务,与重庆共同构建卫 星互联网产业体系;后者则致力于卫星互联网地面系统建设及运行维护仿真系统建设。