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導語
根據 SIA 的統計數據,近年全球衛星產業市場規模及構成如圖 43 所示。可以看出,衛星產業市場中, 地面設備及衛星服務的市場佔比均超過 40%,衛星製造市場佔衛星產業市場總體不足 10%,2019 年甚至不足 5%,我們認為主要原因為當前用於 LEO 軌道組網的低成本小衛星或微小衛星數量佔比有所提高導致。
1、衛星系統概述
衛星是數量最多的空間飛行器,是利用空間資源環境,為經濟社會各領域用戶提供通信廣播、導航定位授時、地球綜合觀測及其他產品與服務的天地一體化設施。衛星的分類方式較多,可以按照所處軌道、應用領域以及重量進行分類。其中,人造衛星主要所使用的主要軌道如表 16 所示。
同時,衛星可以按照應用領域分類,當前應用較為廣泛的衛星主要為通信衛星、導航衛星以及遙感衛星(對地觀測衛星)。其他還包括一些教育、科研用衛星等,但由於數量佔比較少,本報告不做過多分析。衛星按照應用領域分類如圖 40 所示。
一套完整的衛星系統由功能配套、長期持續穩定運行的空間系統與地面系統組成。具體各分系統構成情況如圖 41 所示。
1.1
空間系統
在空間系統方面,儘管衛星按其應用領域分類眾多,但空間系統一般均由有效載荷和保障系統兩大類分系統構成。有效載荷用於直接完成特定的航天任務,保障系統用於保障衛星從火箭起飛到工作壽命終止星上所有分系統的正常工作,其中各種衛星的保障系統基本均由結構系統、熱控制系統、電源系統、姿控系統、軌控系統及測控系統構成,衛星空間系統各分系統的具體功能如表 17 所示。
與飛彈及火箭整機系統類似,衛星的設計、研發及製造也屬於系統工程,研製一顆傳統的新型衛星周期可達 5-8 年(小衛星或微小衛星研製周期有所不同,一般較短),而在研製發射成功後,其結構、電源、姿態和軌道控制等分系統構成的保障系統平臺一般可繼續用於其他新研製的相同類型及規模的衛星,縮短未來型號的研製周期及降低成本。衛星研製的簡略技術流程如圖 42 所示。
衛星所處的在軌工作環境一般為真空、高低溫交變、強電磁輻射等惡劣環境,因此衛星具有不可維修性、自主工作性的特點。在此條件下,衛星保障系統的性能指標主要包括尺寸、質量、功耗、壽命、可靠性、遙測參數、遙控指令等,而在有效載荷方面,其性能指標與衛星的應用領域有關,如遙感衛星中的對地觀測衛星有效載荷要考慮相機解析度、數據傳輸速率、數據壓縮比、信息存貯容量等。
1.2
地面系統
衛星地面系統則主要由地面測控系統及地面應用系統構成。其中,地面測控系統由跟蹤測量系統、遙測系統、遙控系統、實時計算機處理系統、顯示記錄系統、時間統一系統、通信系統以及事後數據處理系統各分系統共同組成。具體各分系統的具體功能及構成如表 18 所示.
衛星地面應用系統根據衛星應用領域差異而有所不同,本報告將重點分析當前應用市場規模較大的衛星遙感應用系統、衛星導航應用系統以及衛星通信應用系統。各類衛星地面應用系統的具體應用領域及具體設備產品如表 19 所示。
2、 衛星產業市場現狀
按照美國衛星工業協會(SIA)的統計口徑,衛星產業由衛星發射、衛星製造、衛星服務以及地面設備四部分組成。由於衛星發射市場基本等同於運載火箭市場,衛星測控運營主要由國家建設的航天測控網構成,與資本市場關聯度較弱,本報告中涉及的衛星相關市場僅包括衛星製造、地面設備以及衛星服務三部分,也對應了 4.1 節中衛星系統的衛星空間系統研發設計製造、衛星地面系統研發設計製造以及衛星應用。
根據 SIA 的統計數據,近年全球衛星產業市場規模及構成如圖 43 所示。可以看出,衛星產業市場中, 地面設備及衛星服務的市場佔比均超過 40%,衛星製造市場佔衛星產業市場總體不足 10%,2019 年甚至不足 5%,我們認為主要原因為當前用於 LEO 軌道組網的低成本小衛星或微小衛星數量佔比有所提高導致。
2.1
衛星各細分產業市場測算
2.1.1 衛星製造
衛星製造主要是衛星空間系統製造的市場,據 SIA 公開的數據,近十年來全球衛星製造市場保持了總體緩慢增長的趨勢(見圖 44),而 2019 年則出現了明顯下滑,參考對應的全球衛星發射數量變化(見圖 45)可以發現,市場規模的波動原因主要是衛星發射數量存在波動,而衛星發射數量的波動主要是受統計年度前幾年衛星需求(由於衛星從研製到發射存在幾年的延遲)以及衛星替換更新周期影響。
而從 SIA 公布的 2013-2016 年各國(區域)在全球衛星製造市場的組成(見圖 46)中可以看出美國在全球衛星製造市場中始終佔有最大的比例,穩定在 50%到 70%之間波動,而中國與美國在衛星製造市場上的差距明顯,中國 2013 年到 2016 年衛星製造市場僅佔全球的 4%到 5%,同時,美國、歐洲及中國市場規模佔全球比例由 2013 年的 92%增至 2016 年的 98%,表明了全球衛星製造市場有向頭部集中的趨勢,我們預計,主要原因可能是由於部分航天產業不發大的國家對衛星應用的需求有所增長,但受限於自身技術原因,而更多的向航天產業發達的國家訂製衛星所致。
由於應用於不同領域的衛星的空間系統有效載荷一般不同,因此其對應的衛星產值也存在較大差異, 不可一概而論,為對未來衛星製造產業市場規模進行更好的測算,我們需要對衛星製造市場中應用於不同領域的各類衛星進行單獨討論,結合 4.1 節中按照應用領域對衛星種類的分類,將衛星可以分為遙感衛星、通信衛星、導航衛星、科學實驗衛星、技術驗證衛星以及其他衛星。各類衛星的具體定義及包含對象如表20 所示。
按照以上標準,從 2012 年到 2019 年全球歷年發射的各種衛星數量佔比(見圖 47)來看,2014 年全球發射的衛星中遙感衛星的數量佔比較 2013 年比出現了顯著增長,並一直持續到 2017 年,主要原因是2014-2017 年,研發周期短,響應速度快且成本較低的立方星發射數量快速增長,而大部分立方星均屬於對地觀測衛星。
市場規模方面,從 2012 年到 2016 年全球發射的各類衛星市場價值分布(見圖 48)來看,立方星數量較多的遙感衛星儘管發射數量較高,但市場規模佔比始終低於 20%。技術驗證衛星由於應用領域主要為驗證一些設備以及工程技術在空間中的應用,並未開展實際服務,市場規模較小。我們認為其他類衛星的數量較少,市場規模佔比卻較大的主要原因是軍用衛星一般採用了尖端的技術、可靠性高、價值高的設備器件導致。
基於以上數據,我們測算了全球各類衛星單顆市場價值(此處只為做出定性判斷,因此未區分衛星大小區別),如圖 49 所示。可以定性判斷遙感衛星的平均市場價值遠低於通信衛星及導航衛星,通信衛星的平均市場價值一般大於導航衛星,可以看出,該判斷也解釋了 2014-2016 年遙感衛星數量佔比較大,但市場規模卻低於數量佔比較小的通信衛星及導航衛星的原因。
在各類衛星數量變化趨勢方面,根據UCS(Union of Concerned Scientists)衛星資料庫中的統計數據, 截至 2020 年 4 月 1 日,全球在軌正常工作的衛星共計 2666 顆。其中美國運營衛星數量居首位,達到 1327顆,佔全球在軌衛星數量的49.77%,中國運營衛星數量居次位,達到363 顆,佔全球在軌衛星數量的13.62%。
具體對比中美在軌衛星種類分布(見圖 50),可以看出,截至 2020 年 4 月 1 日,中國在軌正常工作的遙感衛星數量最多,通信衛星數量佔比低於美國,這與我國在政策上對商業通信衛星管制較嚴格有關,同時我國科學實驗衛星數量佔比較低,表明了在當前我國航天產業體系整體落後美國背景下,加大衛星空間基礎設施的建設仍將是中短期的主要工作,因此衛星發射及製造數量未來均有望保持增長。
從我國與美國衛星所屬主體的性質對比(見圖 51 及圖 52)來看,我國衛星中的商用衛星數量佔比遠小於美國,而政府及高校運營的公共事業類衛星佔比數量較大,我們判斷,伴隨未來我國航天法的建立與完善,以及我國在新基建戰略中對「衛星網際網路」的推進,商用衛星的數量佔比有望提高
按照我國公開披露的航天發射記錄來看,2012 年以來我國發射的各類衛星數量如圖 53 所示。可以明顯發現,自 2016 年起,我國發射了大量應用於國土資源勘測、氣象及災害監控的遙感衛星,且其數量總體保持高速增長;我國在加速建設第三代北鬥衛星導航系統的背景下,近兩年北鬥導航衛星發射量較大;在 2015 年技術驗證衛星(遙感技術驗證衛星佔比較大)發射數量達到一個峰值下,2018 年及 2019 年遙感衛星的數量出現高速增長,因此我們判斷,在 2018 技術驗證衛星發射數量達到 2015 年後的峰值後,2020 年後遙感衛星或通信衛星星座組網將進入密集部署階段,特別是在衛星網際網路被納入國家「新基建」戰略背景下,通信衛星的發射數量有望達到一個新的高點
未來中國衛星數量測算方面,我們主要對當前在軌正常工作衛星的退役更新以及未來衛星星座的新部署計劃兩部分構成分別進行測算。值得注意的是,由於市場規模測算區間為 2020-2025 年,因此本報告中各類衛星的新增需求測算時將包含 2020 年上半年已經發射的衛星。
① 通信衛星
通信衛星方面,目前在軌的通信衛星主要包括航天科技集團的中星衛星系列、亞太衛星系列、天鏈一號、中信集團的亞洲衛星系列以及中國電信運營的天通一號衛星系列,具體情況如表 21 所示。而以上通信衛星一般為大型衛星,壽命基本為 15 年左右(天鏈一號為 5 年左右),同時該類衛星基本功能為傳統的廣播電視信號傳輸、手機移動通信、應急通信以及轉發器租賃等。
未來,我國還將開展新的通信衛星部署計劃,包括航天科技集團的鴻雁計劃、航天科工集團的虹雲工程及行雲工程等。具體部署數量及部署計劃如表 22 所示。可以看出,我國未來三大通信衛星星座組網均計劃在低軌軌道部署,且數量龐大,參考海外該類衛星特點及相關的披露信息,我們判斷該類衛星均屬於小衛星或微小衛星,成本較低。
綜上,我們可以對 2025 年前已公布的我國通信衛星需求做出測算,如表 23 及表 24 所示,預計 2025年前,我國通信衛星中大衛星需求 12-13 顆、小衛星或微小衛星需求 1664 顆。
② 導航衛星
導航衛星方面,我國主要以北鬥導航衛星為主。該衛星組成的北鬥衛星導航系統是繼美國的 GPS 和俄羅斯的格洛納斯之外第三個成熟的衛星導航系統。其目前在軌情況如表 25 所示。
當前,北鬥二號衛星導航系統已無補充發射及更新計劃,北鬥三號系統全球衛星組網空間段已經完成, 未來我國導航衛星的新增需求將主要來自下一代北鬥衛星組網部署計劃,同時,北京未來導航有限公司以及吉利科技孫公司時空道宇也提出將建設星基導航增強系統,具體部署數量及部署計劃如表 20 所示。
綜上,我們可以對 2025 年前已公布的我國導航衛星需求做出測算,如表 27 及表 28 所示,預計 2025年前,我國導航衛星需求約 5-6 顆,國內星基導航增強系統用衛星 620 顆左右。
③ 遙感衛星
遙感衛星方面,作為我國所有衛星種類中數量佔比最高的一種衛星,當前各遙感衛星星座組網部署眾多,主要在軌正常工作的遙感衛星系列如表 29 所示。
我國未來遙感衛星的部署計劃也多於通信和導航衛星星座未來部署計劃數量(見表 30),主要原因為遙感衛星作為小衛星及微小衛星數量佔比最多的衛星類型,具有低成本和研發響應快的特點,同時遙感衛星下遊應用市場廣闊,以上均導致其近年來數量上成為了商業航天領域中發展最快的領域。
基於當前在軌遙感衛星和未來遙感衛星星座部署的計劃,我們可以對 2025 年前已公布的我國通信衛星需求做出測算,結果如表 31 及表 32 所示。我們預計 2025 年底前,我國遙感衛星中大衛星需求約為 83到 86 顆、小衛星或微小衛星需求約為 450 顆。
除了通信、導航以及遙感衛星外,科研衛星儘管市場價值較高(見圖 49)和技術驗證衛星發射數量較多,但由於我國科研衛星數量相對全球發射較少,同時技術驗證衛星實際價值較小,因此本報告中暫未將其計入衛星製造市場規模測算中。綜上,結合以上對三大主要種類的衛星在 2025 年前已經披露的需求數量,我們對各類衛星測算基本
假設以及測算的結果如表 33 所示。可以看出,我國 2020-2025 年衛星市場規模可超過 3150 億元,年均市場不低於 520 億元。其中,80%以上市場將來自於部署在 LEO 的通信小衛星(或微小衛星)以及星基導航增強系統所使用的小衛星(或微小衛星)。
2.1.2 地面設備
衛星地面設備主要包含了網絡設備和大眾消費設備兩部分,網絡設備主要包括了衛星信關站、控制站、網絡運營中心(NOCs)、衛星新聞採集(SNG)以及甚小天線地球站(VSAT);大眾消費設備主要包括衛星導航設備(GNSS)、衛星電視、廣播、寬帶以及移動通信設備等。從 SIA 發布的近年來全球衛星地面設備市場規模變化及構成(見圖 54)可以看出,相較於衛星製造,全球衛星地面設備市場規模增長快速,從2012 年的 754 億美元增長到 2019 年的 1303 億美元,年複合增長率為 8.13%,
根據 SIA 發布的 2019 年全球衛星產業報告中披露的 2019 年全球衛星地面設備市場規模及構成中(見圖 55)可以看出,在全球衛星地面設備市場中,消費設備裡的衛星導航設備市場佔比最大。
① 衛星導航設備市場測算
根據 UCS 統計,截至 2020 年 4 月 1 日,各國具體運營導航衛星的數量分布如圖 56 所示,可以看出,有 6 個國家(或地區組織)當前運營著導航衛星,其中我國運營的導航衛星數量最多。在這 6 個國家(或地區組織)建設(或正在建設)的衛星導航系統中,包含四個全球衛星導航系統(以下簡稱 GNSS),包括:GPS 衛星導航系統(美國)、北鬥衛星導航系統(中國)、GLONASS 衛星導航系統(俄羅斯)以及伽利略衛星導航系統(歐盟)。四大衛星定位系統即將部署完成的衛星的參數如表 34 所示。可以看出,儘管我國的北鬥衛星導航系統起步最晚,但實現功能上較其它三大全球衛星導航系統相比多出了全球短報文通信服務。
根據 2019 年 10 月歐洲 GNSS 管理局發布的《GNSS 市場報告(2019)》披露。全球宏觀趨勢帶動產業和個人 GNSS 應用,延續了近幾年的顯著增長,包括設備和服務在內的全球 GNSS 市場未來十年將繼續擴展。2019 年全球 GNSS 設備總銷量超過 17 億臺(套),GNSS 終端社會保有量為 64 億臺(套),全球 GNSS 市場服務總收入達到 1500 億歐元。並預計 2029 年,GNSS 設備銷量會達到 28 億臺(套),保有量達到 95 億臺(套),設備和服務收入增長到 3244 億歐元。同時,2019 年,GNSS 產業的價值創造仍主要集中在北美、歐盟 28 國和以中國、日本和韓國為代表的亞洲。
中國從 2012 年北鬥系統開始提供正式服務以後,衛星導航與位置服務產業規模以約 20%的年增長率穩定增長(見圖 57),2019 年,我國衛星導航與位置服務產業規模達到了 3450 億元。但受到宏觀經濟形勢變化,以及國內改革調整、行業採購量下降、新增市場放緩、跨界競爭加劇等客觀因素影響,2019 年產值增速進一步放緩。其中,與衛星導航技術研發和應用直接相關的,包括晶片、器件、算法、軟體、導航數據、終端設備、基礎設施等在內的產業核心產值增速下降明顯,為 1166 億元(+9.07%),佔總產值的 33.87%(-1.64pcts),而伴隨北鬥應用進一步普及,對核心產值的貢獻率已經超過 80%。按照《GNSS 市場報告(2019)》中對 2019-2029 年複合增速 8.02%估算,我們預計到 2025 年,我國衛星導航與位置服務產業總市場規模可以達到 5480.80 億元左右。
另外,從圖 57 可以看出,在進入 2016 年後,我國衛星導航與位置服務產業規模增速呈現逐年下滑趨勢,《中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書》披露主要原因為受我國宏觀經濟形勢變化,以及國內改革調整、行業採購量下降、新增市場放緩、跨界競爭加劇等多重因素影響,特別是從國家和各地方政策及項目支持情況來看,政府對戰略新興產業政策支持方向有所調整,對北鬥領域的扶植項目數量明顯減少,據不完全統計分析,2017 年-2019 年期間總體支持降低 57%左右。僅從政府公開採購招標數量來看,2017 年涉及北鬥的政府採購標的數量為 1677 個,2018 年為 1064 個,2019 年只有 639 個。另據經營軍工業務的部分北鬥企業披露數據顯示,2019 年軍工訂單數量和合同金額也下降明顯,普遍減少在 20%以上,個別企業甚至減少 70%以上。
據北鬥衛星導航系統總設計師楊長風對當前北鬥系統建設、應用推廣和國際化發展情況的詳述,在北鬥第三代衛星導航系統建設過程中,就已經開始著力打造基礎產品,推動多領域應用,帶動「北鬥+」融合應用發展,促進衛星導航產業增長。
綜合以上形勢,我們判斷,在 2009 年起北鬥三代工程開始啟動的十餘年間,受到北鬥二代及未完整建成的北鬥三代導航系統在定位精度及技術成熟度上均落後於其他全球導航系統,且國內衛星導航下遊服務仍為傳統的衛星導航位置服務,較其他先進的衛星導航系統缺少競爭力,因此市場推廣上主要需要政策支持。而在近三年來,經過技術的積累,市場已經孵化出一批具有一定規模的北鬥導航應用下遊的企業, 國產替代帶來的市場空間逐漸減少,傳統的衛星導航位置服務市場已經逐步進入成熟期,部分「+北鬥」產業開始進入萌芽階段。伴隨 2020 年北鬥三號導航系統建設完畢,我們預計國內傳統的衛星導航產業傳統應用下遊市場增量空間將逐漸縮小,而「北鬥+」和「+北鬥」兩種融合創新的推進將替代成為衛星導航應用市場規模的主要增長點,但需要注意,在北鬥導航產業下遊催生的產業融合在帶來增量市場的同時, 跨界競爭也將持續加劇。
目前,我國衛星導航與位置服務產業鏈已形成了完整的內循環。上遊基礎部件是產業自主可控的關鍵環節,主要由基帶晶片、射頻晶片、板卡、天線等構成。中遊主要包括終端集成和系統集成,是產業發展的重點。下遊的解決方案和運維服務提供眾多行業應用。
近五年,我國衛星導航與位置服務產業鏈上中下遊各部分產值佔比如圖 58 所示,可以看出,在當前導航與位置服務產業鏈中,代表地面設備製造的中上遊的產值佔比均在縮小,而北鬥導航系統下遊運營服務市場規模在快速提升。
將我國衛星導航與位置服務產業鏈的上遊及中遊定義為我國衛星地面設備領域,下遊定義為衛星導航服務領域。基於當前衛星地面設備領域佔比逐漸下滑趨勢,我們假設 2025 年我國地面設備領域市場規模規佔比為 45%,則 2025 年衛星導航地面設備領域市場規模預計可以達到 2481.16 億元。
除衛星導航外,衛星地面設備其他的應用領域在於衛星通信以及衛星遙感領域,包括了除導航應用的其他消費類設備,以及網絡設備。
② 其他消費類設備市場測算
除衛星導航的其他消費類設備中,衛星移動通信設備終端為主要構成。據工信部統計,截至 2020 年 7月末,我國地面移動通信用戶達到 15.97 億戶,4G 用戶超過 12.88 億戶。按照國際諮詢公司的測算方式, 衛星移動通信用戶數一般取地面移動通信系統用戶數總量的 0.2-1%,取下限計算,國內衛星移動通信市場的潛在用戶數將達到 319.4 萬戶,按佔該市場的 1/3 計算,保守估計直接使用衛星移動系統的活躍用戶數量可超過 100 萬戶,按照一戶一臺測算,個人直接使用的衛星手持移動通信終端需求為 100 萬臺。而移動網際網路的發展,衛星移動培育了大量潛在的使用多模終端配置用戶,即使按 1%計算,多模終端數量也有望達到 1600 萬臺。
假設民用衛星移動通信終端價格 5000 元,多模移動網際網路智慧型手機價格 1 萬元,單兵手持終端價格 2萬元,車載和可攜式終端價格 20 萬元進行測算,我國衛星移動通信終端總需求量可達 2151 萬臺,總市場規模可以達到 2012 億元,具體測算如表 35 所示,但根據天通一號網披露,截至 2018 年 12 月,國內只有8-10 萬衛星通信用戶,不超過國內衛星移動通信終端總需求的 0.5%,假設 2025 年衛星移動通信終端用戶可以達到總需求的 8%,即終端數量可以達到 172 萬臺,2020年-2025 年期間,每年衛星移動通信終端市場增量空間平均約為 21.66 億元左右。
③ 網絡設備市場測算
衛星地面設備中的網絡設備,主要由衛星通信及衛星遙感應用,接收、傳輸衛星空間段數據的衛星數據接收站設備構成。其中,VSAT 系統是重要的組成部分。一套完整的 VSAT 系統由通信衛星上的轉發器,地面大口徑主站(中樞站)以及眾多小口徑的小站構成,根據恆州博智(QYResearch)分析,2017 年全球企業 VSAT 衛星通信系統市場總銷售額約 11.53 億美元,中國企業 VSAT 衛星通信系統市場為 7.56 億元,按照年複合增長率 7.71%測算,2025 年中國 VSAT 衛星通信系統市場預計可以達到 13.70 億元。我們認為當前國內 VSAT 系統市場規模較低的原因主要為我國衛星電視直播業務目前未能得到政策完全放開,尚未實現產業化發展。VSAT 系統的應用領域當前主要集中於政府機構等公共服務部門。
另外,由於衛星通信、衛星遙感大型地面站一般為國家政府建設,市場增量較少且數據較難獲得,暫未詳細測算。衛星地面設備中的網絡設備暫以 VSAT 設備代替。
綜上所述,我們對衛星地面設備市場的各領域進行了測算,具體結果如圖 59 所示。我們對未來衛星地面設備市場規模有如下判斷:
(1)2025 年我國衛星地面設備市場規模總體可以達到 2538 億元(見圖 59),其中導航設備終端市場佔比最大,佔比超過 97%。
(2)消費設備中的導航設備終端方面,伴隨 2020 年上半年北鬥三號全球衛星導航系統空間段建設完畢,地面應用將持續推廣,我國衛星導航終端設備的市場有望保持穩定的增長。
(3)消費設備中的其他設備(衛星移動通信設備)方面,伴隨我國推進鴻雁星座、虹雲工程等低軌通信衛星的部署建設,未來衛星通信終端設備的市場需求有望增長,但受限於當前衛星通信終端設備較為昂貴、5G 移動通信將迎來快速的拓展、光纖通信的地位短時間內較難撼動等因素影響,消費設備中的其他設備市場規模佔比短期內可能較難取得明顯的提高。
(4)網絡設備中的 VSAT 系統方面,儘管據航天科技集團披露,我國約有 1.7 億戶家庭衛星電視直播的市場需求,但受到我國對衛星電視等 VSAT 系統重點應用領域在政策上存在不明確性,保守估計我國未來 VSAT 市場規模仍將保留在較低水平,在衛星地面設備市場規模中佔比最低。
2.1.3 衛星服務
按照近年來美國衛星協會(SIA)的統計方式,全球衛星服務主要由各類衛星通信服務以及遙感服務構成,近年來全球衛星服務市場規模及構成如圖 60 所示。可以看出,儘管大眾消費通信服務佔衛星服務市場規模比例有所下降,但始終是全球衛星服務市場的主要構成,其次為衛星固定通信服務。
其中,大眾消費通信服務由衛星電視直播、衛星音頻廣播以及衛星寬帶服務構成;衛星固定通信業務主要由轉發器租賃協議和網絡管理服務構成。2017 年衛星服務市場的拆分如圖 61 所示。可以看出,在衛星服務的各項具體業務中,衛星電視直播業務佔據了 75%的比例,其次為通信衛星轉發器租賃業務,佔比9%。主要原因為國外通過衛星電視收看電視節目的現象較為普遍。而 SIA 的衛星服務市場統計中未考慮衛星導航服務市場,我們認為主要原因一方面為國際當前主流的 GPS 衛星導航系統中的民用 GPS 信號可任意接收,不收取費用,因此未被計入衛星服務市場;另一方面 GPS 衛星導航系統通過出售手機晶片、信號接收終端等方式取得的收入被計入了衛星地面設備市場中。
在對我國衛星服務市場進行分析時,除需考慮大眾消費通信服務、衛星固定通信服務、衛星移動通信服務以及遙感服務等細分市場之外,還需考慮我國衛星導航中的 GNSS 下遊各類「北鬥+」應用領域的運營服務市場。因此,本報告中對我國衛星服務市場的測算將主要考慮大眾消費通信服務、衛星固定通信服務、衛星移動通信服務、遙感服務以及衛星導航服務。
① 大眾消費通信服務市場測算
大眾消費通信服務方面,主要由衛星電視直播服務、衛星音頻廣播以及衛星寬帶業務。
衛星電視直播方面,根據《我國衛星直播電視業務發展研究》中的分析,我國在 2008 年 6 月成功發射了中星 9 號衛星標誌著我國直播衛星系統的建成並投入使用。截至 2018 年年底,我國衛星直播電視「戶戶通」開通用戶數量總計 1.1 億用戶,我國的衛星直播電視已經成為了全球用戶規模最大的平臺。然而從經濟效益上來看,衛星直播電視項目絕大部分時間處於虧損狀態,主要根源為當前衛星直播電視平臺未能實現商業化運作,國家對其定位仍是有線電視的補充,主要覆蓋邊遠農村地區,實行免費服務,靠政府每年的財政經費維持終端最基本的收視功能以及各省市的基本節目。
在此背景下,我們認為國內衛星電視直播業務與衛星音頻廣播的市場規模可以參考中國衛星通信集團(以下簡稱「中國衛通」)的廣播電視業務收入,2018 年中國衛通廣播電視業務營業收入為 10.17 億元,按照中國衛通在《招股說明書》中披露了公司在國內的市佔率約為 80%測算,2018 年我國衛星電視直播與衛星音頻廣播整體業務規模約為 12.71 億元。政策未出現大規模變動前,未來幾年廣播電視業務收入的增長率取 2014-2018 年中國衛通廣播電視業務的複合增長率 1.01%測算,2025 年,我國衛星電視直播與衛星音頻廣播整體業務規模可以達到 13.63 億元。
衛星寬帶業務方面,下遊的市場需求主要在於陸地衛星寬帶通信、航空衛星寬帶通信以及海上寬帶衛星通信。伴隨未來鴻雁星座及虹雲工程兩大低軌寬帶通信星座的建設,我國自主可控的衛星寬帶系統接入或將在 2025 年前將有穩步增長。
陸地衛星寬帶通信方面,根據寬帶發展聯盟統計,截至 2018 年末,我國寬帶普及率已到達較高水平, 如圖 62 及圖 63 所示,而衛星寬帶收費價格相對較高(天海世界衛星海洋寬帶套餐:1519 元/全年 18G 流量),而當前高鐵、動車寬帶通信大多採用沿線設立 4G、5G 基站的形式,而非成本較高的衛星通信方式,因此我們認為,未來幾年內,陸地衛星寬帶通信較難在我國推廣,其市場規模相較於航空衛星寬帶通信以及海上寬帶衛星通信可忽略。
航空衛星寬帶通信方面,主要用於機上 WiFi 通信。2014 年 11 月 11 日,我國首個空中網際網路產業聯盟在珠海航展宣布成立,2019 年 6 月東方航空電子商務有限公司副總經理張弛在 2019 民航趨勢論壇上披露:我國航空企業旗下機隊已有 140 架開通機上 WiFi,中國的航空網際網路市場滲透率剛剛超過 5%,而美國航企的網際網路機隊佔比已超過 80%,未來中國民航的航空網際網路將處於一個非常重要的基礎建設投入階段,2020 年 7 月 7 日,中國第一架國產高速網際網路飛機正式啟航(青島航空QW9771 航班,基於中星 16 號高通量通信衛星),同時開啟了中國民航史上首次機載 Ka 衛星寬帶網際網路直播。
基於第三方調研機構 CAPSE(民航旅客服務測評)2018 年的調查研究顯示,92%的國內旅客認為需要配備機上 WiFi,27%的乘客願意為此付費。據《2018 年民航行業發展統計公報》中披露,2018 年我國民航旅客運輸量達 6.1 億人次,假設航空互聯服務 100 元/人/次,可以測算出當前我國潛在航空衛星寬帶市場規模可達 151.52 億元。按照每年我國民航旅客運輸量每年增長 10%、航空網際網路市場滲透率每年擴充 5%來測算,2025 年我國航空衛星寬帶通信市場規模將達到 118.11 億元。
海上寬帶通信方面,根據觀研天下測算,2018 年我國海上寬帶衛星通信市場規模已經達到56.11 億元,同比增長 22.2%,隨著我國政策的鼓勵,加大了建設海洋信息化的進程,另外,海上寬帶衛星通信的迫切需求,將不斷帶動我國海上寬帶衛星通信市場規模的擴大,預計到 2025 年其市場規模將達到 206.21 億元。
綜上,我們測算出 2025 年前衛星服務中大眾消費通信服務的市場規模,如圖 64 所示。
② 衛星固定通信服務市場測算
衛星固定通信服務方面,航天科技集團所屬上市公司中國衛通作為世界第六大固定通信衛星運營商, 其業務包含了衛星固定通信服務、轉發器租賃等,據公司統計,公司業務國內市佔率達到 80%,根據 2018年中國衛通通信、應急保障業務收入為 14.63 億元測算,我國 2018 年固定通信服務市場規模約為 18.29億元,假設不考慮中國衛通再次發射通信衛星對公司利潤的影響(即僅考慮需求端增速),且國內政策未出現大規模變動,未來幾年固定通信服務業務收入的增長率取 2014-2018 年中國衛通通信、應急保障業務收入的複合增長率 1.01%測算,2025 年我國衛星固定通信服務市場規模可以達到 20.75 億元。
③ 衛星移動通信服務市場測算
衛星移動通信服務方面,截至 2019 年 12 月 25 日,天通一號網披露的天通一號通信衛星語音年卡銷量 649 張,套餐費及服務費合計 1700 元;數據年卡銷量 205 張,套餐費及服務費合計 3900 元。按照二者銷量加權測算的天通一號用戶年套餐及服務費合計 2528.10 元。參考衛星移動通信地面設備用戶數量,我們預計 2025 年我國衛星移動通信服務市場可以達到 40.69 億元。
④ 衛星遙感服務市場測算
衛星遙感服務方面,我國的市場需求主要集中在國防和政府類需求、商業化需求兩方面。政府方面, 對於遙感數據服務的採購商包括:國家安全、農業、林業、國土、水利、環境監測、防災減災、測繪、交通、氣象、海洋、地球科學研究等行業用戶,以及各級政府機關、以衛星遙感數據為基礎的工程單位等;商業方面,應用領域包括了精準農業、立繪測繪、智慧城市、車聯網、船聯網以及大眾應用等。衛星遙感服務可以細分為衛星原始數據直接消費、基於遙感數據的後續處理加工服務以及後續應用市場,根據立鼎產業研究院測算,2012-2016 年我國遙感衛星各領域的市場規模如圖 65 所示。
數據費用按照年平均增長率 15%、加工服務按照年增速 10%、應用規模按照年均增速 15%測算,我國2025 年遙感衛星服務市場規模可達近 200 億元,具體市場測算如圖 66 所示。
⑤ 衛星導航服務市場測算
衛星導航服務方面,基於 4.2.1.2 節中對我國衛星導航與位置服務產業市場規模及其產業鏈下遊產值的測算,我們預計 2025 年我國衛星導航運營服務市場規模可以達到約 3000 億元。
綜上,我們對衛星服務市場的各領域進行了測算,具體結果如圖 67 所示。我們對未來衛星地面設備市場規模有如下判斷:
(1)2025 年我國衛星服務市場規模總體接近 3600 億元,其中衛星導航服務市場佔比最大,佔比超過 80%。
(2)大眾消費通信服務方面,未來市場中增速最快的細分領域在於海上寬帶通信服務,其次為航空寬帶通信服務,而衛星電視廣播服務在我國未放鬆相關政策前,市場仍將維持在 15 億元以下。
(3)衛星固定及移動通信服務方面,衛星固定通信的市場規模較小且增速較低,2025 年市場規模預計在 20 億元左右,衛星移動通信方面市場規模預計可以超過 40 億元。
(4)衛星遙感服務方面,作為我國政府對遙感數據需求的提升,以及商業衛星遙感市場開始形成, 預計可以進入一個穩定的成長期,2025 年市場規模在 200 億元左右。
(5)衛星導航服務方面,伴隨未來北鬥第三代導航系統的組網完成,將帶動下遊多個應用領域市場的拓展。其核心及相關的下遊運營服務市場規模佔比也將在導航產業鏈中佔比規模逐漸提高。
匯總 2020-2025 年我國衛星製造、地面設備以及衛星服務的市場測算結果,可以得到在忽略技術驗證衛星、科學研究衛星以及教育用衛星的其他衛星及衛星製造的時間波動性情況下,我國衛星產業總體市場規模預測如圖 68 所示。可以看出,2025年我國衛星產業總體規模將超過 6650 億元,其中伴隨著我國多個衛星星座部署完成,衛星產業市場中衛星服務市場的佔比將逐步提升,衛星服務市場將成為未來幾年內我國衛星產業的主要增長點。
2.2
衛星各分系統市場情況
目前,衛星作為最為廣泛應用的無人太空飛行器,其研發過程同樣適用於圖 14 所示的航天系統工程流程, 而完整衛星系統由地面段、空間段以及下遊應用相關設備(或服務)構成。
2.2.1 衛星地面段
衛星地面段方面,主要由跟蹤測量系統、遙測系統、遙控系統、實時計算機處理系統、顯示記錄系統、時間統一系統、通信系統以及事後數據處理系統各分系統共同組成。目前,我國衛星地面設備中的地面站主要用於航天測控,其中商業航天測控仍主要以國家建設的中國航天測控網為主,另建有部分行業測控站和民營測控站,目前仍處於政策和能力的成長期,與資本市場關聯度不強,從圖 59 也可以看出,衛星地面設備中的網絡設備市場佔比較低。同時,儘管在商業航天熱潮背景下,部分民營企業成立了多家民營地面站,但其主要是為立方星或微小衛星等提供測控支持,市場規模仍較小,綜合以上兩點,本節將不對衛星地面設備進行深入分析,而是主要對衛星產業中的空間段及相關下遊應用端進行分析。
2.2.2 衛星空間段
衛星空間段方面,主要由結構系統、熱控制系統、電源系統、姿控系統、軌控系統及測控系統構成。從圖 69 所示的不同種類衛星空間段各分系統成本(經費)的構成中可以看出,各類衛星空間段成本構成差異較大。我們認為,主要原因是由於不同種類的衛星的成本構成差異不單單僅存在於不同的有效載荷上, 其工作軌道帶來的環境差異等也將會對衛星空間段其他分系統的性能需求產生較大影響,進而促使其成本構成較大。總體來看,各類衛星空間段分系統成本構成的共性主要在於有效載荷、控制系統、電源系統以及測控系統成本佔比均超過 50%以上。
2.2.3 衛星下遊應用
衛星下遊應用中,衛星通信主要以衛星移動通信設備及服務(大眾消費通信、衛星固定通信及衛星移動通信服務)為主;衛星導航主要以北鬥兼容型晶片及其相關模塊(板卡、天線及地理信息系統等)、終端集成、系統集成以及相關服務為主;衛星遙感主要以相關遙感數據加工處理、提供具體應用場景相關解決方案等服務為主。
3、衛星產業鏈分析
不考慮衛星地面站,衛星製造產業鏈上遊主要為衛星的工程研製,包括衛星的總體論證、設計、仿真測試及試驗。衛星總體論證設計、仿真測試及試驗主要由航天科技、航天科工集團及中科院所屬衛星相關研究所或所屬企業、相關高校參與,此外當前也有部分微小衛星(立方星)的總體設計、仿真測試及試驗由高校、相關商業衛星企業參與。
衛星產業鏈中遊主要包括衛星試樣的設計、製造及生產、其中涉及到的通導遙衛星有效載荷、結構系統、測控系統、姿軌控制系統、熱控系統、電源系統由於對相關專業技術積累及資質要求較高,同時與衛星的總體論證、設計關聯性強,因此行業壁壘較高,主要仍以航天科技、航天科工集團及中科院等相關科研院所或所屬企業參與,民營企業主要集中於零部件及電子元器件等配套產品供應。而目前參與衛星地面測控網及數據處理的參與者已開始由航天科技集團、航天科工集團及中科院等相關科研院所或所屬企業向部分具有相關資質的民營企業拓展。
衛星產業鏈下遊目前主要由衛星通信、衛星導航及衛星遙感三方面構成,伴隨衛星產業鏈下遊應用向民用領域快速拓展背景下,航天科技、航天科工集團及中科院等所屬相關企事業單位外的大量民營企業開始參與其中,市場競爭較為激烈。
衛星產業鏈及相關上市公司情況具體如圖 70 所示。
4、衛星系統技術發展趨勢
由於衛星下遊應用領域繁多,受各類衛星有效載荷的差異以及應用領域的需求差異影響,通信衛星、導航衛星以及遙感衛星的技術發展趨勢存在較大區別,因此我們先對衛星通用分系統中與資本市場關聯較為密切的測控分系統、電源系統進行技術發展分析,同時再以衛星通信、衛星導航及衛星遙感應用為代表的航天產業下遊進行技術發展趨勢深入探究。
4.1
各類衛星通用分系統
4.1.1 測控分系統
衛星測控分系統是航天測控通信系統的重要組成部分,航天測控系統是指對太空飛行器進行跟蹤測軌(即外測)、遙測(即內測)、遙控和通信(傳輸數據、圖像和話音等)。衛星空間段上的航天測控通信系統是太空飛行器與地面聯繫的生命線和天地信息的傳輸線,也是航天工程和空間基礎設施的重要組成部分。由於衛星空間段的測控分系統與衛星地面段測控網存在密切聯繫,因此本節將衛星地面段測控網技術發展與衛星空間測控分系統技術發展合併進行分析。
我國的航天測控通信主要由近地軌道測控網、深空測控網和天基測控網。近年來,我國在近地測控網建設方面,增加了 Ka 頻段、擴頻測控體制,實現了天線與機房拉遠、多天線共用基帶池、多頻段測控系統與測量雷達共用天線、衛星數據接收與測控一體化等;在深空測控網建設方面,66m S/X 雙頻段深空測控通信系統、35m S/X/Ka 三頻段深空測控通信系統和深空幹涉測量系統已投入使用,3 個深空站對深空目標的覆蓋率達到 90%以上;在天基測控網建設方面,「天鏈一號」中繼衛星系統實現了三星組網運行。整個測控網具備了「有人值班、無人操作」「遠程監控、自動運行」能力。
參考國內外測控通信系統建設和先期技術研發情況,近期測控通信技術的主要發展方向主要包括:
(1) 打破測控與運控系統的「煙囪」式格局,利用通用的多功能地面站、通用用戶接口、多任務操作中心、航天數據中心和通信網絡,實現航天地面站網融合和測運控業務操作自動化,以提高航天地面資源的利用率和安全性,降低運行維護成本;
(2) 在中低軌太空飛行器測控通信和衛星數據接收方面,全空域多目標光控相控陣天線將取代拋物面天線;在深空測控通信方面,中、小天線組陣將代替超大口徑天線;
(3) 跟蹤與數據中繼衛星將向提高 S 頻段多址能力、開發 Ka 頻段多址技術、建立星間和星地雷射鏈路、提供「增強業務」、打造眾多微小用戶服務能力,以及融入天地一體化網絡等方向發展;
(4) 星間射頻和光學鏈路將成為星座、星群測控通信的重要手段,可大幅減輕對地面測控站的依賴 ,也可以看作是天基測控通信手段(跟蹤與數據中繼衛星、衛星導航應用)的拓展;
(5) 在軌維護與服務技術將帶動星間高精度相對測量技術、細胞衛星協同組網、精密遙操作、可拆解衛星的地基觀測技術的發展;
(6) 空間行動網路將作為全新的近地空間通信與導航體系的載體,可為太空飛行器提供按需、隨時隨地接入服務,並具有與地面移動無線網智慧型手機用戶一樣的用戶體驗;
(7) 數位化、軟體化、綜合化、光子化將不斷深入,網絡化和智能化將加速發展;
(8) 太赫茲、渦旋電磁波、X 射線等新技術的實用化將不斷推進。
4.1.2 電源分系統
衛星電源系統作為衛星的重要分系統,在衛星全壽命期內為整星提供穩定的能量來源,其性能直接決定著衛星平臺的功率能力以及衛星壽命兩個關鍵技術指標,是整星不可或缺的組成部分。在全世界發射的眾多衛星中,95%以上均採用太陽電池陣組合蓄電池組作為電源系統的電能來源。
國外太空飛行器電源技術迅速發展,根據 NASA 的發展路線圖,未來呈現向「大」和「小」兩個極端發展。「大」是指空間站、大容量地球同步軌道通信衛星、雷達星以及一些特殊用途飛行器趨於大型化、長壽命, 功率超過 20kW;「小」則是指針對月球、火星的一些科學探測衛星要求供配電系統體積小、質量輕,向高比能量、高比功率等方面發展。一些新技術如多結太陽電池、鋰離子電池、新型核電源技術的應用,推動了空間電源技術的發展。
過去十年來,我國的衛星電源技術有了很大的發展。太陽電池陣-蓄電池組技術不斷發展,日益成熟。其中地球同步軌道衛星壽命可達到8年,近地軌道衛星壽命3年以上。高軌通信衛星平臺設計壽命 15 年,壽命末期輸出功率 10kW,相當於國際上 20 世紀 90 年代中期水平。與國外先進技術相比,我國的空間電源技術還有不小的差距,無論電源部件還是整個電源系統的性能,都遠低於國際先進水平。而伴隨隨著我國探測衛星任務的發展,大容量通信衛星、新一代深空探測任務、空間站和微小衛星發展需求對空間電源技術提出了新的要求,即更高的功率;更高的效率;更高的功率密度;更高的可靠性、更長的壽命;更低的成本;更小的質量與體積;滿足遠日宇航探測任務的特殊需求等。從國內的科研院所已經給出了未來空間太陽電池和太陽電池陣的發展目標來看,目前衛星平臺電源發展目標為效率達到 17.5%的高效矽電池、效率達到 34%的砷化鎵電池以及應用於大型衛星,質量比功率達到 240W/kg 的摺疊式柔性太陽電池陣。
4.2
衛星通信
4.2.1 通信衛星
通信衛星當前的應用領域可以分為軍用領域及民用領域。
① 軍用領域
在軍用領域中,作為衛星通信使用最早、裝備最完善也是應用最廣泛的國家,美國已經構建了較為完善的軍事衛星通信系統。在美國搭建的新一代衛星通信系統之中,將衛星通信分為寬帶衛星通信系統、窄帶衛星通信系統以及受保護安全抗幹擾衛星通信系統三類,其主要特點如表 36 所示。
由於各國已經意識到戰爭期間軍事衛星通信的重要性,未來衛星通信勢必面臨愈加激烈的範圍性威脅和競爭,而美國目前建立的軍用衛星通信系統對各國均具有一定指導意義。
同時,美軍在上述新一代軍用衛星通信系統建立過程中,提出了未來 10 年的軍用衛星通信體系和發展方向,主要包括以下三方面:
(1) 啟動寬帶衛星通信備選方案分析(AoA)工作,即更廣泛的使用現有商用技術,設計和構建一個新的專用衛星星座,手段主要包括納入商用衛星公司、衛星行業組織和國際合作夥伴;納入商業衛星技術和基礎設施;授予寬帶通信架構研究合同,確立彈性安全的寬帶衛星通信運行和服務體系。
(2) 開展受保護衛星通信服務(PSCS)體系研究,主要計劃將受保護戰略戰術衛星通信任務分解, 以更好地實現受保護衛星通信的彈性容量、採購靈活性以及行動靈活性。
(3) 開啟商業衛星通信探路者計劃,重點解決均商用系統不兼容的問題,探索利用商業衛星能力的新方式,以利用相對低成本、可快速交付的商業通信衛星服務。
綜合分析當前美國的發展思路,可以發現,美國未來軍事衛星通信的重點在於實現整體衛星通信系統的綜合一體化,加大商用衛星和運營商的參與度,通過分散式體系將少數大型衛星實現的通信功能分解到大量功能單一的小型衛星上,以實現系統的彈性抗毀傷(信息系統出現故障或遭到攻擊時維持或恢復功能的能力)和高可用性。
② 民用領域
在民用通信衛星領域,從近年全球新發射的通信衛星的軌道結構來看,商業中低軌通信衛星佔比持續提高,特別是在移動寬帶星座和物聯網星座領域。
移動寬帶星座方面,中低軌移動寬帶衛星代表有「下一代銥星」、歐洲衛星公司(SES)的 O3b 衛星、SpaceX 的「星鏈計劃」等等,美國聯邦通信委員會 2018 年先後為 SpaceX,SES 公司等計劃超過 12000 顆衛星辦理審批許可,將進一步的激發市場活力,推動行業內的市場競爭;低軌物聯網星座方面,通過低軌立方星星座滿足機器和物聯網市場需求成為了資本力量關注的重點,包括希伯公司、艦隊空間技術公司、阿斯特羅宇航公司等新興低軌物聯網星座運營商均發射了其首發實驗星。
另外,2018 年,美、歐等世界多國開始發射具有大容量、低成本的特點的高通量衛星(HTS),如 SES公司的 SES-12 高通量衛星等。高通量衛星是使用相同帶寬的頻率資源,但數據吞吐量是傳統通信衛星數倍甚至數十倍,可服務於視頻市場、固定和移動數據連接、補充地面通信網絡等領域。
具體到我國,商用衛星通信下遊的需求導向是面向大眾對何時何地何種情況下均可實現高性價比、低時間延遲、高速的通信服務需求以及物聯網對全天候、應急情況下可實現低時延、低成本的通信需求。可以看出,無論是大眾或物聯網的需求,均圍繞「高性價比」展開。而針對以上需求,目前全球主要存在兩大技術發展方向,即高通量衛星與中低軌衛星星座組網。而二者的關係並非獨立,而是相互滲透。
首先,解決高性價比需求的一個重要解決途徑就是使用高通量通信衛星,通過多波束和頻率復用的高通量通信衛星技術來提供更大的帶寬和降低單位帶寬成本,為用戶提供更經濟的連接。從商業靈活性來看, C 波段用來提供高接通率的強健網絡;具有強大區域波束和點波束的 Ku 頻段用於廣播和寬帶數據傳輸;Ka 波段服務則剛剛展開,主要用於寬帶服務。
同時,另一個實現衛星通信高性價比的途徑即合理選擇最低成本方式組網,目前地球的通信衛星軌道主要由地球同步軌道(GEO)、中地球軌道(MEO)及低地球軌道(LEO)構成,通信衛星在這三種的組網具有如下特點:
(1) GEO 方面,全球大部分商用衛星通信都是同步軌道衛星提供的,主要原因為同步軌道的軌道高,容易實現廣域覆蓋,理論上 3 顆衛星即可覆蓋全球,全球組網成本較低。高通量衛星技術出現後,多波束頻率復用後能夠實現非常大的總容量,每比特傳輸成本大大降低。但由於星站距離較大、時延長、空間損耗較大,導致終端成本上升。
(2)MEO 方面,全球市場上的 O3b 系統採用了該軌道,通過 14 顆中軌衛星提供窄波束通信,因為軌道高度只有 8063km,所以時延比較小,可以與地面通信比擬,最大程度上解決了衛星通信的長時延、低信噪比的問題,但由於帶寬有限,目前主要作為地面的補充網絡。
(3) LEO 方面,主要包括國際的銥星、Oneweb、Starlink 和國內的鴻雁、虹雲星座等衛星星座。低軌衛星由於軌道低,組網所需衛星數目龐大,如 Starlink 就制定了上萬顆衛星的星座計劃。而龐大的衛星數目將導致兩個問題:一是完成組網資金耗費巨大,且低軌小衛星壽命有限,更新星座需要持續投入資金,如 Oneweb 就因耗費巨大導致資金鍊斷裂而破產;二是曠日持久,如不能每年發射成千上萬顆衛星,則不能在早期衛星壽命到期前完成組網。同時,高昂的組網成本也對中低軌衛星的商業利潤有較高要求,當前還沒有低軌星座成熟的商業模式。值得注意的是,截至 2020 年 9 月 3 日,SpaceX 已累計發射 715 顆「星鏈」衛星,而據外媒報導,SpaceX 近日與美國軍方達成協議,使用 SpaceX 的「星鏈」衛星群為美國陸軍進行通信測試。結合以上,我們推測 SpaceX 的星鏈計劃在中短期內的主要應用領域可能在於為美國軍方(包括陸軍、海軍、空軍及太空軍)全球指揮通信作戰提供支持,從而滿足早期的組網資金需求。
綜合以上使用高通量衛星及通過軌道選擇等兩種途徑實現衛星通信高性價比來看,高通量衛星與建設面向全球的高通量衛星系統是大勢所趨,而 GEO 軌道、MEO 及 LEO 軌道星座均是運營商的重要選擇。從國外的發展經驗來看,GEO高通量衛星系統由於前期部署成本較小,較為適宜系統部署前期、市場需求較小、盈利模式不清晰的市場;而中低軌系統由於單顆衛星部署成本較低,衛星數量龐大,系統容量較高,對於全球覆蓋具有巨大優勢,同時顯著降低用戶的容量使用成本和傳輸時延,在商業模式和服務模式方面易於推陳出新,是最符合成熟市場或市場潛力較大的解決方案。
就我國而言,伴隨 2017 年我國成功發射並應用了中星 16 號(實踐十三號)高通量衛星,我國在高通量衛星技術方面已經進入了實際應用階段。目前,我國在軌運行的高通量衛星只有中星 16(2019 年發射的中星 18 號入軌成功,但工作異常,已宣布失敗),由於其最初為試驗而研製,有效載荷數量較少、覆蓋區域較小,實際開展業務時受限較多,而在 2020 年下半年,我國另一顆全商用設計、容量遠超中星 16 號的全球高通量寬帶衛星通信系統的首發星亞太 6D 也已經發射,可形成從東印度洋到太平洋的全視場覆蓋, 促使我國高通量衛星應用進入新階段。
綜合來看,未來我國民用衛星通信方面,從中星 16 號、亞太 6D 均採用了 GEO 軌道來看,我國衛星通信國內市場仍尚屬部署前期,通過 GEO 軌道的高通量衛星開展衛星通信業務可能仍將是當前航天產業「國家隊」的主流發展方向。而由於 LEO 軌道資源及頻譜資源存在稀缺性,在我國衛星網際網路等新基建戰略的推動(詳見 4.5 節)下,短期我國對低軌衛星通信組網也同樣具有較強的「卡位需求」,由於該需求具有急迫性,投資周期較長,因此短期內或同樣由技術積澱深厚的航天「國家隊」來參與。未來伴隨我國物聯 網或大眾需求增長激發出更多國內衛星通信下遊新應用市場,衛星通信系統中長期將有望向高性價比的高
通量衛星以及中低軌衛星網路組網技術融合發展,實現中低軌高通量衛星通信組網。同時結合 5G 移動通信網絡的落地,衛星通信在 5G,甚至是 6G(地面無線與衛星通信集成)的融合應用也有望被衛星通信運營商視為開闢新業務的重要方向。
4.2.2 衛星通信應用
衛星產業鏈下遊的衛星通信應用主要由衛星移動通信設備及大眾消費通信、衛星固定通信及衛星移動通信為代表的運營服務組成,而衛星移動通信設備的技術發展本質上是由下遊大眾消費通信、衛星固定通信及衛星移動通信需求驅動的運營服務需求所影響的。結合上節中的論述,我國商用衛星通信,短期內通過 GEO 軌道的高通量衛星開展衛星通信業務,同時布局低軌衛星通信組網實現「卡位」可能仍將是當前航天產業「國家隊」的主流發展方向,未來中長期衛星通信將有望向高性價比的高通量衛星以及中低軌衛星網路組網技術融合發展,實現中低軌高通量衛星通信組網。同時結合 5G 移動通信網絡的落地,衛星通信在 5G,甚至是 6G(地面無線與衛星通信集成)的融合應用也有望被衛星通信運營商視為開闢新業務的重要方向。在此基礎上,衛星通信地面系統、終端設備及運營存在如下技術發展趨勢:
① 地面系統(關口站)
關口站作為衛星通信網與國際網際網路的接口設施,高通量衛星關口站的主要特點是大規模的路由交換和大吞吐量。關口站終端設備包括射頻和基帶部分的集成。
基帶設備方面,主要由調製和解調設備、系統時鐘單元、中頻分配單元、切換開關、關口站伺服器以及與地面網際網路之間的接口設備等構成。目前,為了支撐高通量衛星通信系統的高速率鏈路,基帶設備需要採用更先進的技術以提高頻率利用率、極端特殊場景的適應性和對大數量用戶組網的支撐能力。
射頻系統方面,主要由衛星終端射頻系統由大口徑天線、上變頻器(BUC)、HPA 安裝、低噪聲放大器(LNA)等組成。其核心任務是提高發射和接收增益,同時研究小型化便攜天線,以適應未來個人用戶的需求。通過採用新材料和工藝,在不斷提升性能的同時,也有效降低天線的製造成本。目前,一個重要的技術發展方向即成本低,並且散熱少從而使系統更容易穩定的液晶相控陣衛星天線終端。
② 通信終端
通信終端的研製思路應當設計以網際網路為基礎的網絡應用方案,而不是傳統衛星的網狀網或星狀網的思路,終端的能力成為整個應用的核心,既要在高頻率段上降低成本,同時在吞吐能力上要有所提升。具體包括以氮化鎵管芯為基礎的 Ka 頻段寬帶功放模塊等關鍵部件的集成化以及寬角掃描技術,以及研製支持超過 100Mbps IP 數據吞吐的高度集成數據機。
③ 運營模式
傳統的封閉式衛星網絡運營方式由一個實體運營商運營衛星,構建地面系統,再直接向最終用戶提供服務,也可以通過一個或多個零售合作夥伴向最終用戶提供服務。在這樣的「Mbps」模型中,衛星運營商通過各種服務產品出售 Mbps,最大限度提高投資回報率。而一個或多個服務提供商從衛星運營商購買衛星物理帶寬來提供其衛星通信服務給用戶。這種運營模式下,產業的利潤來源於流量費用,隨著我國通信業不斷提速降費,這種封閉式經營思路會面臨利潤下降甚至虧損。同時,由於服務模式被固定在資源流量上, 難以激發創新服務模式。
為了避免衛星通信管道化,激發運營商和中間環節服務商探索創新應用和服務模式的動力,應轉變為更加開放的衛星運營方式。包括衛星運營商在提供帶寬等物理資源外,同時向服務提供商提供系統能力的服務,在這種模式下,衛星運營商通過合理的資源管理和動態調配,可以為遠大於封閉模式下數量的服務商提供通信能力,也增加了運營商的利潤。
4.3
衛星導航
4.3.1 導航衛星
從當前全球四大衛星導航系統性能上比較(見表 37)來看,我國 2020 年上半年即將建成的第三代北鬥衛星導航系統的性能在亞太地區基本可以達到,甚至超越全球其他三大衛星導航系統的性能參數。但自2018 年底,美國便開始建設下一代(第三代)GPS 衛星導航系統,據美聯社披露,第三代 GPS 衛星導航系統將由 32 顆衛星組成,單星造價 5 億美元,定位精度較第二代系統提高 3 倍,達到 1 米,抗幹擾能力提高 8 倍,衛星使用壽命也將提高到 15 年,計劃 2034 年完成部署組網。
衛星導航技術同樣在現代戰爭和國民經濟發展中都具有日益重要的作用。
① 軍用領域
在軍事領域,從美國對下一代 GPS 衛星導航系統的性能改善側重點可以看出,軍用衛星導航的發展方向主要包括提高定位精度、抗幹擾性、可靠性及魯棒性。
定位精度方面。作為衛星導航系統的核心指標,為進一步提高定位精度,衛星導航系統可以通過在地面加強地基增強系統。用地面基準站消除衛星導航系統的區域誤差。
抗幹擾性、可靠性及魯棒性方面,自海灣戰爭以來的幾次局部戰爭實踐表明,衛星導航是當前實現精 確打擊的重要依託手段,其已成為海陸空天武器系統以及構造全數位化戰場的關鍵技術。1997 年美軍就已經正式提出了「導航戰」概念,即阻止敵方使用衛星導航信息,保證己方和盟友部隊可以有效地利用衛星 導航信息,同時不影響戰區以外區域和平利用衛星導航信息。因此,伴隨現代導航定位技術的不斷發展, 針對導航系統及無線電頻譜的爭奪和控制正愈發激烈,導航戰極有可能成為現代電子戰中的重要作戰樣式。
提高衛星導航系統抗幹擾性的技術主要為防禦性導航戰技術,可分為三個方面,具體如表 38 所示。
② 民用領域
在民用領域,衛星導航系統發展集中在消除定位盲區、多系統融合發展、通導一體化融合以及拓展新應用。
消除定位盲區方面,我國的當前正在建設廣域室內外高精度定位導航系統,即羲和系統,可有效解決衛星導航存在的室內定位盲區,實現室內、地下等衛星信號屏蔽地區的導航需求。
多系統融合發展方面,主要在於全球幾大衛星導航系統的合作兼容,用戶可以根據不同需要切換到不同衛星導航系統,充分體現不同衛星導航系統的互補性,也能為系統的精度和可用性帶來更好的改善。目前我國已與美國於 2017 年 11 月籤訂協議,實現了北鬥衛星導航系統與 GPS 衛星導航系統在信號領域的射頻兼容,同時於 2019 年 8 月與俄羅斯籤訂協議,表明了北鬥衛星導航系統也將與格洛納斯衛星導航系統的兼容與互操作。
通導一體化方面,在智能融合發展的自動化時代背景下,導航與通信的融合成為一個重要發展趨勢,其實質上是實現時空信息的智能服務。伴隨當前全球眾多低軌寬帶通信衛星星座計劃路線的開展,存在數百顆或者幾千顆衛星的星座開始把通信與導航作為一體化載荷加以設計。所以天基的導航與通信的一體化融合有望最先開展,其次就是地基的通信與導航融合,5G 及 WiFi 網絡的通導一體化運作均可能成為未來的發展趨勢。
拓展新應用方面,在 2020 年我國北鬥三號全球組網完成後,我國將由導航系統的建設發展階段進入應用與服務的強勢發展期和全盛期。衛星導航產業或將從「北鬥+」時期轉折性地發展到「+北鬥」時期,
即重點從新興技術的引領作用轉向與產業融合發展,發揮其對於傳統產業改造和整合的強大作用,包括無人系統和物聯網等可以基於衛星導航實現智能融合、萬物互聯的新時空技術及其服務產業。
4.3.2 衛星導航應用
衛星產業鏈下遊的衛星導航應用主要以裝載了衛星導航終端以及導航與位置相關服務為主。結合在上節中論述中,軍用衛星導航的發展方向主要包括提高定位精度、抗幹擾性、可靠性及魯棒性,民用衛星導航系統發展集中在消除定位盲區、多系統融合發展、通導一體化融合以及拓展新應用。在此基礎上,衛星導航地面系統、終端設備及運營存在如下技術發展趨勢:
① 衛星導航終端
儘管衛星導航下遊不同應用的用戶終端設備存在一定差異,但各類終端的共同點即裝載了衛星導航定位模塊以及天線等器件。
衛星導航定位模塊方面,其包括晶片、板卡等元器件。技術發展上具體涉及低成本、提高靠幹擾技術、發展終端與高精度定位的實時動態測量、環境智能化技術以及多模跨界深度融合集成技術。具體來看,據中移(上海)產業研究院相關研究人員的行業調研數據結果,在高精度衛星導航系統終端中,定位模塊及高性能天線價格較高,導致終端價格成為高精度終端推廣受阻、目前,國產高精度板卡在國內的市佔率僅為 30%,成本成為制約高精度定位產業發展的一個關鍵因素,因此國內高精度板卡降低成本是主要的發展方向之一;同時衛星導航應用中的無人系統對衛星導航精度、可靠性及智能性具有較高要求,涉及到衛星導航終端接收機的抗幹擾技術,與高精度定位的實時動態測量和環境智能化技術;同時,多模跨界深度融合集成技術則體現在多技術多產業之間的深度融合,是發揮高新技術引領性、推動社會產業轉型、實現應用與服務產業升級換代和跨越發展的革命性工具手段。
天線方面,作為北鬥導航系統中最重要的組成部分之一,它的特性將直接影響到設備終端的信號質量與重量體積。隨著衛星導航定位技術的發展,集成天線技術發展集中在高精度、高增益和小型化上。例如具有高介電常數、低介電損耗、近零溫度係數等特點的微波介質陶瓷材料技術等,同時,高性能天線價格較高,也是制約高精度定位產業發展的一個關鍵因素,因此低成本也是衛星導航天線方面的重要發展趨勢。
② 導航與位置相關服務
如 4.2.1.2 節中分析,衛星導航下遊的導航與位置相關服務面臨傳統應用市場空間增速放緩,「北鬥+」向「+北鬥」的產業發展轉變將促使衛星導航下遊服務商機遇與風險將並存,機遇來源於產業融合及競合發展將促使衛星導航下遊產生更多的增量市場,而風險來自於跨界競爭將加劇行業的洗牌。
《中國衛星導航與位置服務產業發展白皮書(2020 年)》中提出了基於北鬥三號導航系統的導航與位置相關服務發展重點:
(1) 基於北鬥三號的技術優勢,將全面推進七大服務:基本導航服務、地基增強服務、星基增強服務、全球簡訊通信服務、區域短報文通信服務、搜索救援服務和精密單點服務。
(2)「+北鬥」將以各行各業的需求為前提,充分利用北鬥技術為產業轉型、升級改造、換代更新、跨越發展服務,在十年內逐步推進時空信息服務產業全面發展。
(3)導航與通信的融合將進入實操期。特別是在 5G 的部署發展過程中,既可通過充分利用現有的,包括導航和通信資源在內的各種資源,著力打造時空多信源、感知、傳輸、服務一體化網絡,運用眾籌眾包眾創模式,群策群力地推進基礎設施建設,將服務提供商、消費用戶群納入進來,實現共建共享共贏。
4.4
衛星遙感
4.4.1 遙感衛星
遙感衛星當前是我國在軌工作衛星中數量最多的一類衛星,按照具體應用可再細分氣象衛星、陸地衛星以及海洋衛星。
① 氣象衛星
氣象衛星方面,我國的風雲氣象衛星觀測體系已經基本形成,且國策精度不斷提高、業務能力日趨增強,但伴隨經濟、社會的發展和技術的進步,氣象服務、環境保護、資源開發等對衛星觀測提出的需求也阻礙逐漸提高,風雲氣象衛星的需求短板及對應技術發展趨勢如表 39 所示。
② 陸地衛星
陸地衛星方面,自 1999 年發射第一顆傳輸型陸地衛星資源一號以來,我國先後發射了 10 餘顆陸地衛星,具備可見光、紅外、合成孔徑雷達(SAR)等多手段觀測能力,開發了大、中、小等多個陸地衛星序列,建造了衛星圖像數據地面處理系統,形成了較完整的陸地資源衛星監測體系。
全球遙感衛星的趨勢則是「更快、更廣、更精細」:2013 年 DigitalGlobe 發射了拍攝解析度 46cm 的GeoEye,2015 年發射了雲平臺,2016 年發射的 World View 4 號衛星,解析度達到了 30cm。而我國市場上國外衛星數據的價格也開始大幅降低,解析度低於 2 米的衛星數據已基本退出市場。
同時,在實際應用中,我國陸地衛星光學圖像暴露出了譜段數量少、輻射定標精度不高等短板,影響了其在地物參量定量反演方面的應用,在可反演參量類型、參量反演精度及數據產品標準化等方面均與國外存在較大差距。當前國內衛星圖像輻射定量應用研究仍較多依賴中等解析度成像光譜儀(MODIS)、先進甚高解析度輻射計(AVHRR)等國外圖像數據。我國陸地衛星需求短板及對應技術發展趨勢如表 40 所示。
③ 海洋衛星
海洋遙感衛星方面,近年來,我國制定了長遠的自主海洋衛星發展規劃,發展了海洋水色、海洋動力環境和海洋監視監測三大系列海洋衛星,正逐步形成以中國自主衛星為主導的海洋空間監測網。
而短板方面,考慮到目前的海洋動力環境觀測載荷均為傳統載荷,海面高度測量僅為星下點觀測、海面風速測量範圍為 2~24m/s、海面溫度測量精度為 0.8℃,不能完全滿足業務、科學研究等方面的需要。
針對以上問題,我國計劃在「十四五」期間,繼續研製和發射新一代海洋水色衛星、新一代海洋動力環境衛星、鹽度衛星、1m 解析度 C-SAR 衛星、高時間解析度靜止軌道海洋衛星等。技術上具有如下發展趨勢:
(1)新一代海洋水色衛星將進一步優化波段設置、增加可編程高光譜傳感器,提高水體觀測光譜解析度和信噪比、豐富觀測要素,以及提高海島海岸帶觀測的時空解析度。同時發展小時級高時間解析度的靜止衛星海洋水色觀測技術,以及具有探測海洋次表層信息的雷射雷達遙感技術;
(2) 新一代海洋動力環境衛星方面,將增加海面高度和海浪譜的寬刈幅觀測,同時發展全極化微波散射計和海洋鹽度計,構成對海洋溫、鹽、流、浪、海面風等動力環境多要素的精細觀測;
(3)海洋監視監測衛星方面,發射高解析度 SAR 業務化極軌衛星,同時發展靜止衛星 SAR 觀測技術。
4.4.2 衛星遙感應用
衛星產業鏈下遊的衛星導航應用主要以衛星遙感數據處理與信息提取、提供具體應用場景相關解決方案的服務為主。目前,伴隨國家民用空間基礎設施規劃中的遙感衛星體系穩步推進,以及商業衛星遙感的蓬勃發展,我國的衛星遙感數據獲取能力呈現質量齊升之勢,但在衛星遙感下遊應用中,遙感圖像處理系統平臺作為衛星遙感應用的基礎設施和關鍵工具,已經逐漸成為制約自主衛星數據應用和空間信息業務發展的重要因素之一。因此本節將重點從衛星遙感數據處理與信息提取、遙感圖像處理平臺兩個方向闡述衛星遙感應用下遊技術發展趨勢。
① 遙感數據處理和信息提取技術
得益於我國衛星遙感技術的整體進步和開源思想的驅動,我國遙感數據處理和信息提取技術已取得長足進展,技術能力正在從追趕世界先進技術為主向自主創新為主轉變。
從遙感數據定量化角度來看,我國目前發布的遙感數據以 1 級相對輻射校正產品為主,需用戶自行生產標準產品,使得不同用戶反演的反射率、溫度等定量參數存在差異。
從遙感數據信息提取角度來看,國內的技術發展與國外齊頭並進,受益於大數據、雲計算、人工智慧技術等現代技術的發展,國內遙感信息提取技術已從傳統的統計學方法向數據驅動型、人工智慧方法轉變,但整體而言對行業先驗知識的應用還存在不足,數據驅動和知識驅動方法論的融合將是技術產業化落地的關鍵問題之一。
② 遙感數據處理和信息提取技術
與國外相比,由於國內遙感數據處理平臺發展相對較晚,整體水平仍然落後於 ERDAS IMAGEINE、ENVI 等軟體,特別是在新型計算架構(分布式計算、雲計算)、全面性(對 SAR、高光譜、Li DAR 等數據的支持)、二次開發能力(函數接口、流程定製) 等方面存在差距。
同時,國內受自主遙感業務應用重視程度不夠、成果市場化和產業推廣不足等問題影響,通用平臺軟 件的主體單位沒有形成穩定盈利模式,國產遙感圖像處理通用系統平臺整體缺乏自主創新和長期穩定發展, 國產遙感圖像處理軟體只能在教育、培訓等方面發力,面向客戶需求開展定製以爭取市場,目前尚不能與 對標的國外商用衛星圖像處理系統平臺產品展開全面競爭。在面向專業化處理、新型載荷數據應用的專題 技術及軟體工具也有欠缺。已有專題軟體工具的業務成熟度和功能性能方面不能滿足自主遙感數據獲取和 處理應用的需求,能規模化應用的專業軟體少,尚未能形成以遙感技術和應用服務為核心的信息產業和產 業化基地。
另外,在與新興技術結合方面,遙感數據云平臺也存在顯著差距。Google Earth Engine 可提供對全球尺度海量衛星數據的在線可視化計算分析處理,而國內由於受遙感數據規範化、統一產品體系等機制制約以及集群計算、網絡服務等技術儲備不足影響,總體而言規模小、應用面窄,距離面向多行業形成大規模雲計算系統需求還有一定距離。
綜上,考慮到我國國民經濟建設對衛星遙感數據的潛在需求很大,因此在遙感圖像處理平臺的技術研發、成果轉化和推廣應用方面需要基於國產衛星星群資源,建立面向全球標準和規範的產品和技術體系,充分融合通信、導航、網絡、GIS 等相關領域技術成果,構建高性能、智能化的實用軟體工具和平臺,提供更廣泛和更深入的業務服務,並通過市場機制的逐步開拓完善,建立可持續的產業發展能力,以上將是衛星遙感未來的重點發展趨勢。
5、衛星通信的衍生應用產業——衛星網際網路
2020 年 4 月,衛星網際網路被國家發改委劃定為「新基建」信息基礎設施之一。在此背景下,我們針對衛星網際網路發展現狀及趨勢進行了深入分析。
5.1
衛星網際網路系統概述及發展現狀
衛星網際網路實質上是一種在衛星通信基礎上建立的一種重要衍生應用。在當前,網際網路作為基礎設施愈發滲透並影響人民的生活,通過改變人們的生活狀態和生活方式,帶來巨大的經濟、政治與軍事影響。網際網路發展至今基本形成了地面光纖網絡、移動無線網與衛星網際網路三種形態(見圖 74),其中,衛星網際網路顧名思義,就是靠衛星來提供網際網路服務。因此我們認為,從衛星網際網路系統相關構成與 4.4.2.2 節中的衛星通信系統相關設備高度相似一點來看,衛星網際網路實質上是一種基於衛星通信基礎設施,發展出的一種重要衍生應用。
如果將衛星網際網路服務範疇擴大到語音通信服務,衛星網際網路星座的發展歷史最早可以追溯到 20 世紀 80 年代末摩託羅拉公司發展的銥星(Iridium)系統。衛星網際網路的發展歷程有別於衛星導航及衛星遙感,近 30 年來衛星網際網路星座建設的參與主體主要由以盈利為目的的商業企業。衛星網際網路系統發展的三個階段如圖 75 所示。
在衛星網際網路發展的第一階段中,衛星網際網路曾企圖替代地面通信網絡(特別是移動無線網絡),希望設計一款具有星間鏈路和星上處理能力的低軌通信衛星星座,相當於把地面蜂窩網倒置在太空,面向全球提供移動話音服務,但由於當時在衛星網際網路系統設計初期,地面通信還未興起,導致各系統錯誤的估計了市場,企圖替代當時並不發達的地面通信網絡,市場定位與用戶選擇不清、同時,各大系統技術複雜度較大,投入成本過大,研發周期較長,系統能力欠缺導致了衛星網際網路發展初期五大系統的集體失敗。
在 2000 年後,衛星系統雖然在與地面系統的競爭中失利相繼破產,但不少企業卻巧妙地利用破產擺脫了前期系統建設所欠下的巨額債務,反而重新尋找到了市場機會。如銥星將市場重新定位為偏遠地區的專業用戶,通過以象徵性的價格買斷了老銥星系統,將老銥星系統債務全部剝離,減少了系統成本,將實現通話和數據使用費用降低至與地面通信接近的價格水平,最終實現了扭虧為盈,同時衛星系統的升級使衛星網絡系統能力接近了地面網絡系統。
2007 年新成立的 O3b 衛星網絡系統,作為一個真正的寬帶衛星系統,通過採取與電信運營商合作,為地面通信設施無法覆蓋到的島嶼或...