卫星互联网产业分析：卫星互联网蓄势待发星辰大海

卫星互联网产业分析：卫星互联网，蓄势待发，星辰大海1、卫星互联网建设兼具必要性和紧迫性1.1低轨卫星是目前卫星互联网的核心低轨卫星互联网成为卫星通信关注热点。卫星互联网是基于卫星通信的互联网，通过发射一定数量的卫星形成规模组网从而辐射全球，构建具备实时信息处理的大卫星系统，是一种能够完成向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络。近年来，为了避免高轨道卫星通信引起的信号衰减和时延，低轨卫星互联网成为发展热点。低轨卫星互联网最重要的作用是为用户终端或地面站提供网络接入能力，与地面网络进行互联互通。低轨卫星互联网系统一般由空间段、地面段和用户段三部分组成：空间段是指众多分布在低轨空间的卫星构成的卫星星座，相邻卫星之间可通过透明转发、处理转发等技术实现数据传输，整个空间段的卫星相互协作可形成“一网协同”的系统，从而为用户段的终端之间以及用户终端与网关间提供通信链路。地面段主要完成星座管理、网络运维等功能，负责卫星互联网系统与其它通信系统间的互联互通，主要包括测控站、测控中心、控制中心、信关站等，其中测控中心负责监视、管理卫星的轨道位置和运行姿态等；控制中心负责处理用户登记、计费、账单、管理等；信关站通过馈电链路发送和接收数据，同时作为卫星互联网与其它通信网的连接网关。用户段由各类卫星互联网终端组成，根据终端是否支持在移动时正常使用可划分为移动终端和便携式终端，具体包括手持移动终端、物联网终端、便携站、车（船、机）载站等。低轨卫星互联网的工作模式：根据数据传输过程是否经由地面通信网络，低轨卫星互联网的工作模式可分为两类，一类依托地面网络，通过信关站连接到地面互联网完成转发；另一类独立于地面网络，依靠卫星节点进行转发。当卫星采用透明转发工作模式时，用户终端通过卫星一跳与信关站建立连接，再经信关站连接到地面互联网，该方式的弊端为未部署信关站的地方，用户无法接入网络；当卫星采用处理转发工作模式时，卫星可进行星上处理及星间通信，用户终端可通过多颗卫星的中继与信关站建立连接，从而访问地面互联网。ToG到ToB到ToC，未来国内低轨卫星互联网应用场景有望不断拓宽。星链起初为商业卫星计划，首先应用于民用领域的互联网接入领域，主要由于美国地面宽带基础设施建设薄弱：2022年底，我国地面移动基站站址约300万个，而同期美国拥有近60万个地面移动基站站址，在用户密度较低的区域，地面移动网覆盖不佳；2020年美国的家庭用户宽带上网中光纤接入占有率仅为23.6%。在民用方面应用成功后才逐渐应用于军事领域，一方面引入高价值国防军用订单分担成本，另一方面星链自从诞生以来一直离不开美国军当的大力支持。但国内卫星互联网面临的商业环境不同，2022年，我国家庭用户宽带上网中光纤接入占有率为94.3%，且星座建设成本较高。因此在当前已有成熟的光纤宽带网和5G移动网的情形下，受卫星数量、空间网络技术的制约，我们认为中国低轨卫星互联网初期的核心应用场景是军用/政企/科研领域，之后随着技术的不断发展、系统服务能力不断提升，逐渐渗透到家庭/个人消费级市场。1.2卫星互联网潜藏巨大军事价值，建设“中国星链”刻不容缓“星链”低轨宽带互联网卫星系统在俄乌冲突中发挥重要作用，充分体现其军事战略作用。虽然“星链”计划声称是商业卫星星座计划，但2022年俄乌冲突爆发后，“星链”系统充分参与作战并发挥重要作用，为乌克兰政府、国防和关键基础设施部门提供冗余网络支持。在乌军传统指挥控制通信系统遭到破坏后，“星链”系统提供的超视距通信手段保障了乌军指挥链的畅通。“星链”还传输了大量无人机、卫星等侦察资产获得的态势感知信息，为乌军打击俄军目标提供了重要支持。特别是在建立指挥中心与察打一体无人机之间的数据传输链路方面，“星链”表现出色，“无人机+卫星通信”成为完成察打一体任务的最佳组合。目前，“星链”是唯一一个在对抗环境中使用过的商业低轨宽带互联网卫星系统。SpaceX公司正式发布“星盾”互联网星座项目，“星链”走向军事化。美国军方一直高度关注“星链”计划的军事化潜力，2019年，美国空军资助太空探索技术公司测试“星链”卫星与军用飞机的加密互联网服务。2020年5月，美国陆军与太空探索技术公司签署协议，计划使用“星链”卫星宽带进行跨军事网络数据传输。2020年10月，太空探索技术公司获得美国防部1.5亿美元合同，用于开发军用版“星链”卫星技术。而“星链”卫星在俄乌冲突中的表现，进一步推动该计划的军事化。2022年12月2日，美国太空探索技术公司（SpaceX）正式发布名为“星盾”（Starshield）的互联网星座项目。“星盾”可看做是“星链”（Starlink）星座的军用版本，计划在3年内向近地轨道部署1.5万颗以上的卫星，将主要开展三方面业务：第一是对地遥感能力；第二是利用现有“星链”的低轨通信技术，实时快速回传遥感数据；第三是利用基于“星链”的通用卫星平台，模块化托管各种军用载荷，提供供电、通讯、热控、总线等一条龙服务，标志着“星链”计划军事化应用发展到新阶段的“星盾”计划诞生。低轨卫星军事化转型发展推动太空军备竞赛。美国太空版中心地带理论提出：“谁控制了地球轨道，谁就控制了近地空间；谁控制了近地空间，谁就控制了地球。“星盾”计划的问世，加速了低轨卫星军事化转型发展，凸显出美国急于抢占外空轨道资源，及颠覆现有作战体系的野心。“星盾”计划基于“星链”技术，且两者相互兼容，将进一步模糊太空军事化准则，引发外太空领域争端，推动太空军备竞赛。低轨卫星互联网具备通信能力强、载荷搭载广、能力冗余、成本较低等天然优势，其军事潜力加速战场环境、作战样式和战争形态的深度演变，潜藏巨大军事价值。高速宽带战时通信能力。低轨卫星互联网星座可以提供低延时、高通量、广覆盖、高可靠的战时全球卫星通信能力，可为机动部队提供超视距联通服务，控制远程传感器与飞行器，或实时传输战场信息，打通传感器与攻击平台的连接壁垒。全地域全天时无缝隙侦察监视能力。过顶次数有限和造价昂贵是当前世界各国侦察卫星存在的共同问题，低轨巨型星座的布局使得每个地区上空每隔很短一段时间就会有几颗卫星过境，多颗搭载侦察载荷的卫星可以彼此配合，实现对特定目标的全天候侦察，或者与地面站、预警机、侦察机等结合，形成空天地一体的纵深侦察体系，大幅提升全球感知能力。高精度导航能力。低轨卫星互联网可以通过软件升级实现与GPS信号的兼容，能够进一步提升GPS系统的精度。此外，由于低轨卫星信号较强，不易受地面信号干扰，在一定程度上提高了GPS系统的抗干扰能力。高可靠导弹防御。“星链”卫星拥有发射全向波束的能力，可以对导弹和航天器进行遥测、跟踪和控制，进而提高对敌方运载火箭/导弹轨道的高精度预测和预警能力，为后续的拦截提供信息支撑，并提供了防御弹道导弹的一种最佳方法，即在它们发射之前将其击毁。另一方面，基于低轨卫星的低成本特点，可进行对撞自毁或者多星自毁来产生大量空间碎片，从而封锁整个轨道以达到拦截弹道导弹核弹头的目的，影响他国的核打击能力。天基打击能力。低轨卫星搭载机械臂、弹头、激光、微波等攻击性载荷，可形成对天、对空、对地、对海等空间领域的多维度打击能力。太空封锁。若“星链”计划的4万多颗卫星全部发射到位后，在地球低轨道就筑起一道屏障，其他国家的火箭要确定发射窗口，就要和“星链”协商，否则就会和它们的卫星相撞。如果在战时，“星链”就可以对敌方实行“太空封锁”。综上，“星链”在通信上速度快、全球覆盖、发射成本低等方面的优势如果运用在军事用途上，将对我国军事安全产生重大挑战。此外，美国及北约军事卫星承担军用通信近85%的通信量，我军则不足5%。综上，加快中国低轨卫星互联网建设刻不容缓。1.3低轨卫星先发优势显著，占频保轨紧迫性空前显著低轨卫星轨道和频段资源稀缺，具备排他性。卫星系统最重要的资源是频率和轨位，卫星在近地轨道运行时，一个轨道只能有一颗卫星运行。轨道资源稀缺：根据《太空与网络》，在同层与跨层星间最小安全距离均为50km情况下，高度300~2000km组成的低地球轨道空间可容纳17.5万颗卫星。频谱资源稀缺：大规模宽带低轨卫星普遍采用的频段包括Ku、Ka和Q/V频段，Ku和Ka等频段技术成熟、产业链完整，Ku波段已近饱和、Ka波段日趋拥挤；Q频段元器件等基础产业薄弱，关键部件研制、生产难度大，产业链装备配套水平低，大规模推广应用还存在一定困难。根据SpaceNews，据业界预测，最终全球低轨卫星星座不会超过5个，因此卫星频率和轨道资源已成为大国战略竞争的重要领域。卫星互联网的中低轨道资源分配采用协调法，先登先占、先占永得。太空轨道与通信频谱作为有限的资源，由国际电信联盟(ITU)进行分配。对于近来快速发展的LEO巨型卫星星座，NGSO（非对地静止轨道）相关的频谱指配方式为协调法。1)先登先占：协调法是指根据《无线电规则》第9条和第11条进行的卫星网络或系统资料的提前公布、协调、频率指配的通知和登记这一三段式程序所进行的频率和轨道资源分配。协调法是一种“先登先占”的分配方法，即谁先获得空间频率和轨道资源在国际电信联盟的登记，谁就获得对该资源的占有权。2)先占永得：“先登先占”规则的存在实际上使得登记国对该空间频率和轨道获得了永久使用的权利，因为在卫星“寿命”终止时，登记国往往会发射新的卫星将之取代，从而牢牢掌握该空间频率与轨道资源。“里程碑决议”规定年限内完成指定发射量即可保留对应频段的使用权。为了防止频谱囤积及避免出现“纸卫星”情况，2019年世界无线电通信大会（WRC-19）的“里程碑决议”建立了有关NSGO星座频率申报、星座投入使用等的初步框架。适用“里程碑”的频段主要包括Ku、Ka和Q/V频段，限于卫星固定业务、卫星广播业务和卫星移动业务。在第一份卫星网络资料申报后的7年内,应至少发射一颗卫星并按规定将卫星网络激活；7年后必须遵守里程碑规定，在规定时间节点内发射指定数目卫星。若未能满足要求，则会按照发射卫星数量的完成比对其申报的资料进行相应规模的缩减。里程碑节点规则在遏制投机行为的同时也抬高了频轨资源占有的技术门槛，太空领域作战的主动权与国家卫星制造和发射能力直接挂钩，强化了先布局者的先发优势、加剧了“强者恒强”局面。目前规则与公平利用原则冲突，强化了太空霸权，ITU的相关规则有望进一步完善。基于频轨资源有限性及其申请规则，各国纷纷在太空领域加码，以加速抢占总量有限的低轨卫星频率和轨道资源。中国在卫星互联网起步晚但发展快，已有多个卫星互联网星座计划。其中计划规模较大的是GW星座和千帆星座（G60星链）。星网在整合了“鸿雁”“虹云”等星座的基础之上规划了规模达1.3万颗低轨卫星的“GW”星座，不仅具备宽带通信能力，而且具备导航增强功能用于加强北斗系统覆盖和提高精度。上海垣信规划建设的千帆星座计划分三代系统、两个阶段进行建设。第一代系统采用透明转发（TP）模式，为我国境内和“一带一路”的陆地/近海提供服务，该系统正在火热建设中。第二代系统采用星上转发（OBP）模式，和TP模式相比，除了延续透明转发的能力，还具有星上处理能力，可向全球陆地/海洋/空中全域提供服务。第三代可实现多业务、多层组网部署，全球区域星地融合。此外，2023年11月重庆发布了首个空天信息产业千亿规模基金群，助力卫星互联网建设浪潮。总的来看，我国低轨卫星星座申报时间较晚，缺少具有拦截性、高优先级和使用便利的频轨资源，在国际规则制定和合作上处于不利地位。2023年截至目前已成功发射两颗卫星互联网试验星，中国卫星互联网星座建设进度加速。2023年7月9日，由航天科技集团五院抓总研制的卫星互联网技术试验卫星搭乘长征二号丙/远征一号S运载火箭，在酒泉卫星发射中心发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务取得圆满成功。2023年11月23日，我国在西昌卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭及远征三号上面级成功将卫星互联网技术试验卫星发射升空，卫星顺利进入预定轨道，发射任务取得圆满成功。该卫星由中国科学院微小卫星创新研究院（上海微小卫星工程中心）抓总研制。2、国内商业航天需突破低成本、批量化难题2.1卫星低成本批量生产至关重要低轨卫星互联网星座规模大，低成本批量生产至关重要。低空轨道的星座往往都是巨型星座，一方面由于卫星高度低，为了实现地球表面的全覆盖，需要发射大量的卫星，且轨道越低实现全覆盖所需卫星越多。另一方面，单星带宽有限是需要大规模组网的主要原因，目前星链单星带宽为20Gbps，可同时接入用户数量在100~200之间，但按照其计划理论带宽1Gbps计算，可同时接入用户数量仅为20左右，若不发射海量卫星则无法满足消费级市场需求。此外，分布更密集的卫星可以使星地距离缩短，降低空间链路损耗。2.1.1卫星生产能力亟待提升，有利于成本下探，支持持续发射补网我国卫星制造成本有望随着规模化效应的扩大而降低。我国卫星制造成本相比于发达国家仍有差距，批产后卫星预期制造成本仍远高于单颗星链卫星的50万美元，正在加速建设卫星批产能力。银河航天表示工厂下线的批量化小卫星，其单星成本已经是自己实验室研制的首发星的一半；G60星链项目一期设计产能300颗/年，单星成本将下降35%。2021年中国航天科工自主研发的我国首条小卫星智能生产线第一颗卫星下线，卫星智能生产线建成后，小卫星的生产效率将提高40%以上，单星场地面积需求将减少70%以上，单星生产周期将缩短80%以上，人员生产效率将提升10倍以上。卫星平台和载荷是生产制造环节中两大核心细分，卫星平台包括姿控系统、电源系统、结构系统、星务系统、测控系统、热控系统等，卫星载荷包括天线分系统、转发器分系统及其它金属/非金属材料和电子元器件等。由于卫星平台的通用性较强，因此在批产过程中制造成本降低幅度较大，定制卫星中平台和载荷成本占比分别为50%和50%，而在批量卫星中平台成本占比降至30%，载荷成本占比提升至70%。卫星生产能力是星座持续运营的基础。由于低轨卫星寿命较短，多为5~7年，因此低轨卫星星座组网完成后需要不断发射补网才能维持其商业价值。目前星链卫星的产能为8颗/天，全年无休稳定生产最大产能2900颗/年，但仍远远无法满足其4.2万颗星座的建设目标要求。假设GW星座在ITU规定时间范围内分7年完成1.3万颗的组网，则在组网阶段至少需要1857颗/年的产能；在组网完成的同时第一批发射的卫星将陆续进入补网阶段，意味着该星座进入维护周期，根据卫星寿命为5~7年测算，则在维护阶段至少需要1857~2600颗/年的产能才能满足发射补网需求。2.1.2成本控制严格，原材料选型部分选择工业级国内卫星制造单位逐步在物料选型方面进行优化转型。OneWeb和Starlink均大量采用工业级器件代替宇航级器件，最大程度上降低卫星制造成本。比如军用的GaN和GaAs相控阵单通道成本几千美元，一颗卫星需要T/R芯片的成本就需要几千万，SpaceX用收发集成度很高硅基芯片替代，将成本降到了单通道几十美元的量级。而我国航天产业供应链配套体系是围绕国家重大工程而构建的，成本巨大，较低轨卫星互联网建设的要求还有不小的差距，供应效率有待提升，供应成本有待降低。国内也逐步在物料选型方面进行优化转型，航天科技五院对于各类物料的质量保证要求不搞“一刀切”，对于与卫星健康紧密相关的“心脏级”器件严格质量要求，对于采用冗余设计的部分器件，优化质量等级要求，甚至选择工业级器件。在核心功能元器件方面，我国成本优势较小，配套供应商仍集中于体制内军工科研院所。比如卫星载荷的主要组成部分相控阵天线系统，T/R芯片领域由55所和13所占据了大部分市场份额，从事星载相控阵天线研发的企业仍以航天504所、中电29所等“国家队”为主。此外，机制更灵活的民营企业铖昌科技、英飞凌、星启宇航、航天环宇等也在纷纷踏入此赛道，有助于降低核心元器件成本。2.2高密度发射与低成本发射是中国商业航天发展的必由之路2.2.1降低火箭发射成本是未来大规模组网的必须攻克的难题通过对比SpaceX“星链”计划和“猎鹰”系列火箭的发展时间表可以看出，低成本发射是卫星互联网建设的核心之一。我国火箭发射报价距离猎鹰9仍有差距，但短期内不会成为卫星互联网发展的阻碍。根据《中国航天》，“长征”二号C/D、“猎鹰”9、“长征”五号B、“长征”七号、“长征”八号等火箭发射服务价格低于5万元/千克，距离猎鹰9火箭仍有差距，但已领先欧美其他主流一次性运载火箭。我国在低成本发射道路上不断探索，早在2017年，航天科技集团认为未来中国低轨道小型火箭发射服务，发射价格有望降低至5000美元/千克（约3万元人民币/千克），按单星重量200kg计算单星发射成本约为600万元。而民营企业蓝箭航天于23年表示其近期目标是，从24起朱雀二号火箭的单位运载价格不高于SpaceX旗下的猎鹰9号。我们认为虽然我国发射报价仍较高，但短期内不会成为中国商业航天发展的阻碍。长期来看，可重复使用火箭技术是商业航天发展必由之路。一次性火箭继续降低发射成本的空间有限，降低发射成本的主要方式是可重复使用火箭。同时，通过火箭回收，火箭的发射频率也会进一步提升，显著节省了时间成本（过去需要重新造一枚火箭,现在只需检修回收后的火箭,再加上新的子级,就能继续执行任务）。根据马斯克2020年对“猎鹰”9火箭成本构成的描述和SpaceX官网数据，可以得出：全新“猎鹰”9火箭成本约5000万美元，复用型“猎鹰”9火箭边际成本为1500万美元。根据《“猎鹰”9火箭的发射成本与价格策略分析》一文中的测算，猎鹰9一次复用利润接近1枚新火箭制造成本，执行12次发射任务利润接近8枚新火箭制造成本。“猎鹰”9采用垂直返回回收方式，也是目前公认商业价值最高的回收模式。猎鹰9一子级回收技术方案为在一子级上部增加栅格舵，用于回收飞行过程中的姿态控制，并在火箭尾部增加可折叠式着陆支架。在下落过程中，主发动机进行３次点火，提供反推力，实现箭体的减速和降落。实现火箭垂直回收有两大难点，一是发动机推力可调,且能重复使用，二是控制系统精准无误，主要涉及发动机深度推力调节、高精度制导控制等关键技术：火箭发动机深度推力调节技术：对于垂直着陆火箭来说，应在着陆的同时使速度降低到着陆所允许的条件，这就要求发动机具有推力调节能力。发动机大范围改变推力要通过调节多个元件来实现，调节控制规律复杂，同时喷注器、涡轮泵等关键组件也要具备相应条件下可靠工作的能力。返回段高精度制导与控制技术：高精度制导与控制技术直接关系到终的着陆精度和安全性，不同的着陆回收方式会有不同的制导控制方案，但都离不开在线轨迹规划和制导控制技术的发展。对于垂直起降火箭来说，最有挑战的是最后的动力下降着陆制导。SpaceX公司的猎鹰－9火箭采用了在线凸优化制导方法，从而能够实现在零点几秒内对精确着陆段轨迹规划问题在线快速求解。同时，为了提供足够的控制力，SpaceX公司在火箭上安装了4片具有较高控制效率的栅格舵和RCS，配合主发动机推力矢量控制并具有较强鲁棒性的自适应控制算法，为火箭在各飞行段提供姿态稳定和控制。目前，中国可重复使用运载火箭发展的核心痛点在于火箭发动机，特别是具备深度变推能力、多次点火能力的可回收液体发动机。从猎鹰系列火箭成功回收与重复使用的数据来看，在成熟掌握液体发动机大范围推力可调技术的情况下，垂直回收的技术可靠性将大大提高，该技术为制约垂直回收技术研发的关键。液体火箭燃料主要包括液氧煤油、液氧液氢和液氧甲烷等，而液氧煤油和液氧甲烷被看作是两条主流路线。其中，液氧甲烷具有可多次启动、综合成本最低等优点，是商用可回收运载火箭的更优选择。2.2.2海南商业发射常态化发射有望缓解发射资源稀缺问题发射资源紧缺，目前商业发射能力尚不能满足大规模低轨星座快速部署的需求。中国已有酒泉、太原、西昌、文昌四大航天发射场，现有的航天发射场主要承担太空探索、科研等目的的发射任务，且均已进入满负荷运转的模式。2023年1月至10月15日，我国商业火箭共发射45次，LEO（200km）运力合计约180吨；而2023年1月1日至10月13日，SpaceX公司共计发射70次猎鹰9号运载火箭，4次猎鹰重型运载火箭（Falcon-Heavyb5），LEO（200km）运力合计不少于1780吨。我国商业发射能力较SpaceX相比差距较大，尚不能满足大规模低轨星座快速部署的需求。海南商业发射预计2024年6月迎来首飞，常态化发射后将显著补充商业发射运力。海南商业航天发射场是中国首个开工建设的商业航天发射场，以解决中国目前商业航天发射资源相对紧缺的局面。目前海南商业航天发射场建设进入冲刺阶段，24年6月有望迎来首飞。海南商业发射共有4个工位，根据海南商业发射党委副书记郭强，一号（长八、长八改等）和二号（液体通用型发射工位）两个中型的液体工位设计发射能力各16发，整体是32发，三号和四号工位两个小型固体火箭发射工位发射频率更高。若按长八LEO运载能力7.6吨测算（不考虑产能），则一号和二号工位发射运力约为243.2吨，可发射单星质量0.2吨的卫星约1200颗（银河航天02批批产卫星平均重量约为190Kg、星链V1.0