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1、 衛星通信系統簡介
1.1. 衛星通信系統的基本概念
衛星通信系統是指利用人造地球衛星作為中繼站轉發或發射無線電波，實現兩個或 多個地球站之間或地球站與太空飛行器之間通信的一種通信系統。衛星通信的概念最早 由阿瑟〃 克拉克在 1945 年提出，1965 年美國「晨鳥」通信衛星成功發射，衛星通 信技術正式進入實用階段。早期的衛星通信系統基本實現數據通信、廣播業務、電 話業務等基本通信需求，在航海通信、應急通信、軍事通信、偏遠地區網絡覆蓋等 應用領域發揮不可替代的作用。隨著以高頻段（Ku、Ka 等）、大容量、高通量為特 點的寬帶通信技術的成熟，通過通信衛星實現網際網路接入已經成為可能。
衛星在空間中通常繞地球做無動力飛行，衛星運動所在的平面稱為軌道面，運動的 軌跡稱為軌道。根據衛星軌道形狀、傾角、周期、高度等不同特徵，衛星軌道可以 有不同的分類。對於衛星通信系統來說，通常是根據衛星軌道高度進行分類，具體 可分為靜止軌道（GEO，Geostationary Earth Oribt）、中軌（MEO，Medium Earth Orbit）和低軌（LEO，Low Earth Orbit）三種：
（1） 靜止軌道衛星通信系統：通常指地球同步軌道通信衛星系統，其軌道高度 為 35786 公裡，衛星運動方向與地球自轉方向相同，軌道面與地球赤道面重 合，運行周期為一個恆星日（23 小時 56 分 4 秒），從地面上看衛星在空中 是靜止不動的。
（2） 低軌衛星通信系統：衛星距地面高度在 500-2000 公裡，系統通常由分布於 若干軌道平面上衛星構成的，衛星形成的覆蓋區域在地面快速移動，軌道周 期通常在 2 個小時左右。
（3） 中軌衛星通信系統：衛星距地面高度在 2000-35786 公裡之間，單星覆蓋範 圍大於低軌通信衛星，是建立全球或區域衛星通信系統的較優解決方案。
上述三種系統中，LEO 系統和 MEO 系統統稱為非靜止軌道通信系統（NGSO， Non-GeoStationary Orbit）。在討論衛星通信時，有時會以「高軌」來指代運行在 GEO 軌道，相對的以「低軌」指代包括 MEO 和 LEO 的 NGSO 軌道。報告下文若非特殊 語境，也以「低軌」來統稱 MEO 和 LEO 軌道。
衛星通信系統由空間段、地面段和用戶段三部分構成：
（1） 空間段：以通信衛星為主體，衛星上的轉發其是通信衛星的主要有效載荷， 也是衛星通信系統空間段最重要的功能組成，用於接收和轉發衛星通信地球 站發來的信號，實現地球站之間或地球站與太空飛行器之間通信。
（2） 地面段：包括支持行動電話、電視觀眾、網絡運營商地面用戶訪問衛星轉發 器，並實現用戶間通信的所有設施，網關站是地面段的核心設備。衛星通信 系統的地面段也包括地面的衛星控制中心（SCC，Satellite Control Center） 和跟蹤、測控及指令站（TT&C，Tracking，Telemetry and Command station）， SCC 和 TT&C 主要負責衛星發射階段的跟蹤和定位，下達變軌、太陽能電池 板展開等動作指令，以及衛星在軌運行期間軌道監測和校正、幹擾和異常問 題監測與檢測等。
（3） 用戶段：主要由各類終端用戶設備組成，包括 VSAT 小站、手持終端，以及 搭載在車、船、飛機上的移動終端，以及基於衛星通信的各種應用軟體和服 務。
衛星通信作為無線電通信形式的一種，信號的中轉和傳輸也要依賴與不同頻段的無 線電波。在地面雷達系統的應用中，IEEE 標準中將無線電波劃分為 VHF、UHF、L、 S、C、X、Ku、Ka 以及 EHF 等頻段。在實際應用當中，上述頻帶中僅有一小部分被 分配給雷達應用，大部分頻帶由國際電聯（ITU，International Telecommunication Union）的世界無線電通信大會分配給空間無線電應用，雷達頻段和空間無線電頻 段對應關係如表 1 和表 2 所示。為保證無線電頻率這一稀缺資源能夠得到合理有效 的利用，ITU 將全球劃分為三個頻率區域，中國位於其中的 III 區。
根據不同業務類型對無線電頻段也有大致的劃分：C 頻段（4GHz~8GHz）、Ku 頻段 （12GHz~18GHz）和 Ka 頻段（26.5GHz~40GHz）是目前衛星通信系統中使用最廣泛 的頻段，C 頻段和 Ku 頻段主要用於衛星廣播業務和衛星固定通信業務，帶寬有限且 利用較早，目前頻譜的使用已趨於飽和；Ka 頻段主要用於高通量衛星，提供海上、 空中和陸地移動寬帶通信。Q/V 頻段將是未來衛星通信領域爭奪的重點，目前 ITU 正在制定 NGSO 衛星通信中使用 Q/V 頻段的頻譜共享規則，以確保 NGSO 系統與 GSO 系統以及其他 NGSO 系統能夠共存，值得注意的是 2020 年 1 月 16 日銀河航天成功 發射的 5G 星座的首發星是全球首顆 Q/V 頻段的 NGSO 通信衛星。
1.2. 低軌衛星通信系統的特點與優勢
與傳統的地球靜止軌道衛星通信系統相比，低軌衛星通信系統最顯著的特性在於其 衛星工作軌道高度和系統複雜程度的不同，從而帶來單星技術、規模、成本上的差 異，最終影響系統建設與運營成本以及系統可靠性。低軌衛星通信星座的技術特點， 也將影響系統的通信質量，對地面終端設備也提出了不同的技術和性能要求。此外， 低軌衛星通信系統可以採用蜂窩通信、點波束、多址、頻率復用等技術，且通信具 有全球覆蓋、低延時等方面的優點，可以支持在線遊戲、視頻通話等實時或近實時 數據傳輸，在與地面通信骨幹網融合後可能將催生出新的應用場景。
從技術角度來看，低軌衛星通信系統與高軌衛星通信系統之間最主要的區別在於衛 星軌道高度和單顆衛星通信能力，由此帶來的具體的技術上的主要差異表現在以下 幾方面：
（1） 傳輸時延：高軌通信衛星軌道高度為 35786 公裡，每一跳（終端-衛星-終端） 通信傳輸時延約為 270 毫秒。目前主流的低軌星座的衛星大多位於 1000~1400 千米上空，其通信傳輸時延一跳約在 7 毫秒左右，考慮到其他方 面時延影響也可以做到 50 毫秒以內，與地面光纖網絡的時延相當。
（2） 傳輸損耗：低軌星座寬帶衛星軌道高度約為靜止軌道衛星軌道高度的 1/30， 則低軌衛星信號自由空間損耗比靜止軌道衛星少 29.5dB，這是低軌衛星系 統實現終端小型化和高速數據傳輸的基石。
（3） 星下點移動速度：地球靜止軌道衛星運動速度與地球自轉速度相同，衛星 24 時繞地球一周，相對地面靜止；低軌衛星運動速度約為 7.5 千米/秒，衛 星 85~115 分鐘繞地球一周，相對地球表面高速運動，從而帶來都卜勒頻移、 地面終端天線指向跟蹤、波束間切換等技術問題。
（4） 波束覆蓋：高軌通信衛星軌道高度高、對地視場大，部署 3 顆衛星即可實現 對南北極點以外的全球覆蓋；低軌通信衛星軌道高度低、單星對地覆蓋較小， 必須通過多星組網才能實現全球覆蓋，避免遮擋帶來的通信幹擾問題，但也 會因頻率復用難度增大帶來對通信體制更高的要求。
（5） 衛星容量：低軌衛星通信系統單星體積小、重量輕，通信能力弱，但整個系 統通信容量較高。如 OneWeb 星座系統單個衛星設計質量僅 125kg，單星容 量約為 10Gb/s，整個星座將具有 7Tb/s 的容量。Viasat-3 衛星系統由三顆 衛星組成，單顆衛星設計重量約為 6400kg，單星容量約為 1Tb/s，整個系統 具有 3Tb/s 的容量。
（6） 系統可靠性：低軌衛星通信系統可靠性更高。第一，低軌星座衛星數量龐大， 且分布於多個軌道面，任意一顆或幾顆衛星損壞不會對系統造成大的影響； 第二，低軌星座系統衛星造價較低，在軌一般都有多顆備份衛星，可以隨時 代替損壞的衛星；第三，低軌衛星成本低，研製周期短，衛星體積小、重量 輕，軌道高度低，容易進行應急補網發射。
衛星通信系統建設成本包括衛星研製成本、火箭和發射費用、地面站建設成本和用 戶終端價格等主要部分。低軌衛星通信系統與傳統高軌衛星通信系統各方面的成本 也有較大的差異：
（1） 衛星製造成本：低軌通信衛星通常採用微小衛星平臺，技術難度和衛星規模 遠低於傳統高軌通信衛星，單星研製成本顯著降低。採用與汽車、飛機等高 端工業產品類似的流水線、批量化的方式，是低軌衛星通信系統建設的必要 要求，也有利於單星製造成本的降低。OneWeb 系統單星研製成本大約在 60 萬美元左右，而高軌 ViaSat 系統的單星造價約為 3.6 億美元，整個系統造價約為 10.8 億美元，而美國軍用 AEHF-4 衛星單星造價更高達 18 億美元。
（2） 火箭和發射費用：低軌衛星系統衛星數量眾多，需多次發射才能將全部衛星 送入軌道，因此發射費用在系統建設中佔有很大比重。Oneweb公司與阿里安 航天公司籤署了總價值超過10億美元的21次發射合同。ViaSat-2衛星發射和 保險費1.7億美元，ViaSat-3衛星發射和保險費用與ViaSat-2衛星基本相同， 三顆衛星共需要5.1億美元。
（3） 地面站建設成本：地面站由測控站、關口站和控制中心三種類型地球站構成。 Oneweb衛星測控站設在高緯度地區，天線口徑為2.4m或以上；在全球將部署 55~75個衛星關口站，每個關口站配臵十多副口徑超過2.4m的天線；系統將 在美國和英國設臵至少兩個獨立控制中心。Viasat-1系統容量僅150Gb/s， 設臵了21個關口站，關口站配臵一副7.3米Ka頻段天線，可推算出容量為 3Tb/s的Viasat-3星系統關口站數量將達到數百個，且至少有3個測控站對應 3顆不同衛星。
對於低軌衛星通信系統而言，空間段和地面站建設可以在現有的技術框架內找到成 本控制方案；考慮廣闊的應用前景，運營商也可以接受稍高的一次性資本開支。而 用戶終端的成本是決定衛星系統能否取得商業成功的關鍵，目前高軌通信衛星的固 定終端價格約為 3000 美元，可攜式終端價格約為 28000 美元。低軌衛星通信系統 地面終端的天線需對衛星信號進行跟蹤，並保證在衛星切換時信號不中斷，增加了 終端天線的技術難度，用戶很難接受數萬甚至數十萬美元的終端產品，這對低成本 雙拋物面天線或相控陣天線技術提出了更高的要求。
1.3. 低軌衛星通信系統的商業價值和戰略意義
根據系統支持業務和應用領域的不同，低軌衛星通信系統可分為窄帶移動通信和寬 帶網際網路通信鏈兩個方向。窄帶移動通信系統主要工作在 L、S 低頻段，以中低速 率的通信為主，支持手持移動通信、物聯網服務等業務，典型系統有「銥星系統」 （Iridium）、「全球星」系統（GlobalStar）等。寬帶網際網路通信系統又可稱為高 通量衛星通信系統，主要工作在 Ku、Ka 等高頻段，以中高速率的數據傳輸業務為 主，支持網際網路接入、網絡節點互聯等服務，典型系統包括目前 OneWeb、SpaceX 等公司正在建設的低軌衛星通信星座。
通過天基衛星通信網和地面公用通信網的融合，形成天空地一體化全球網絡覆蓋， 將在網際網路接入、物聯網等領域實現巨大的商業價值。地面 5G 網絡建設的戰略目 標是將「人與人」之間的連接，擴展至「人與人、人與物、物與物」的全空間連接， 開啟萬物互聯的新時代。國際電聯和聯合國教科文組織下屬機構 2018 年 9 月報告 中的數據表明，當時全球還有 53%的人口沒能接入網際網路，截止 2019 年 6 月仍有 30 多億人在網際網路之外。Gartner 的研究數據稱 2015 年全球物聯網設備為 50億臺， 預計到 2020 年全球會有 240 億臺物聯網設備聯網。
全球網際網路發展的地區差異日益懸殊，網際網路寬帶基礎設施的普及繼續帶來改變。ITU 在 2018 年底發布的報告中稱，全球使用網際網路的人口數量達到 39 億，超過全 球人口數量的一半，截止 2019 年 6 月全球共有 57.3%的人口用上了網際網路。發達國 家使用網際網路的人口比例達到 80%，發展中國家之一比例約為 40%，經濟欠發達地 區這個比例僅不足 15%。中國網際網路協會發布的《中國網際網路發展報告(2019)》中 稱，至 2018 年底，我國網民規模達到 8.29 億，網際網路普及率達 59.6%。面對普及 程度失衡帶來的社會不平等，全球尤其是欠發達地區的網際網路基礎設施繼續改善。 對於傳統地面通信網絡開發商來說，在偏遠地區普及網際網路的困難在於設備成本、 數據成本、服務成本等方面，低軌網際網路星座具有全球覆蓋的天然屬性，成為促進 全球網際網路均衡發展的最優選擇。
物聯網廣泛的滲透在生活、生產的各個環節，天基通信網絡將彌補地面物聯網的短 板。根據 GSMA 統計數據，全球物聯網設備數量保持高速增長，2018 年全球物聯網 設備連接數量高達 91 億個，同比增加 17.60%，預計 2020 年設備數量將達到 126 億 個。物聯網技術肩負著建設數字中國的使命，中央經濟工作會議上也明確提出加強物聯網等新型基礎設施建設。根據中國通信工業協會的統計數據，2013-2018 年間 中國物聯網行業市場規模由約 4900 億元增加至 13300 億元，複合增速高達 22%。大 範圍、跨地域、惡劣環境等數據採集是地面物聯網目前的主要短板，天基窄帶衛星 通信系統可以很好的彌補地面網絡的不足，使物聯網技術在促進經濟發展、推動工 業企業升級轉型等方面發揮更大作用。
在近地軌道大量的建設巨型通信衛星星座，除了在商業領域實現巨大的價值外，還 蘊含了巨大的軍事應用價值。國外全面啟動低軌星座的大規模組網，也將為我國的 安全環境帶來潛在的壓力和挑戰：1）低軌衛星通信系統潛在軍事價值巨大，在未 來多兵種聯合的信息化戰爭中，將大幅提高作戰指令、戰場情報等重要信息的傳遞 效率和可靠性；2）中國的法律不能約束 SpaceX、OneWeb 這樣的低軌衛星通信網絡 運營商，全球的網絡覆蓋和小型化的用戶終端，將為衛星通信服務的有效監管帶來 挑戰，為國內的信息安全帶來威脅。3）近地空間的軌道、頻率將成為未來空間基 礎設施建設的戰略資源，在近地軌道空間開展多個巨型星座組網，將使本已緊張的 軌位資源變得更加稀缺，成為制約未來空間系統建設的主要制約因素之一。
2. 衛星通信市場發展現狀與趨勢
目前全球共有 627 顆通信衛星在軌運行，其中美國衛星數量最多，中國在軌通信衛 星數量全球第 5。據美國憂思科學家聯盟（UCS）全球在軌衛星資料庫數據顯示，全 球共有 769 顆遙感衛星在軌運行，包括各類軍用通信衛星以及政府部門和企業所有 的民用通信衛星。在軌運行的 627 顆遙感衛星由全球 36 個國家和地區所有，美國、 俄羅斯、法國、英國、中國、日本 6 個國家通信衛星數量超過 20 顆，其中美國是 全球擁有通信衛星數量最多的國家，目前共有 274 顆遙感衛星在軌運行，中國共有 35 顆衛星在軌運行。
高通量、小型化、星座化是未來衛星通信發展的主要趨勢，GEO 衛星採購數量正逐 漸減少。高通量、小型化、星座化是未來通信衛星發展的主要趨勢，全球衛星通信 運營商採購的 GEO 通信衛星的數量正逐漸減少。在 2008-2018 年間，GEO 衛星採購 量的最高峰為 2009 年的 30 顆，最後採購數量逐漸減少，2018 年運營商採購的數量 僅為 7 顆。伴隨著第二代「銥星系統」的組網建設，以及 OneWeb、O3b、SpaceX 等 公司的低軌通信星座開始試驗或發射組網，LEO 通信衛星的發射量則顯著上升。未 來低軌衛星通信星座的大規模組網，上遊通信衛星製造市場衛星數量上的差異將會 表現的更加明顯。
近年來全球衛星產業市場規模緩慢增長，下遊地面設備製造業和衛星服務業是最大 的細分市場，衛星製造和發射服務市場增長最快。美國衛星產業協會（SIA）發布 的數據表明，2018 年間全球衛星產業市場規模為 2774 億美元，較上年同期增加 3.28%。從近 5 年的數據看，若不考慮統計口徑的變化，全球衛星產業的市場規模 保持在 3%左右緩慢增長的趨勢。從市場的構成情況看，衛星服務業和地面設備是衛 星產業中最大的兩塊細分市場，二者規模佔比均在 45%左右，2018 年的市場規模均 超過 1250 億美元。衛星製造和衛星發射服務是其中發展速度最快的細分市場，增 速分別達到 25.81%和 34.78%。
2018 年與衛星通信相關的服務收入超過 1200 億美元，地面衛星網絡設備收入約為 138 億美元。衛星電視直播、無線電廣播、衛星寬帶等衛星通信業務是衛星服務業 收入的最主要來源，佔到全年收入的 98%以上。網絡設備在地面設備中的佔比僅為 11%左右，但自 2015 年以來進入了加速增長的階段，其中 2018 年收入較上一年增 長 16.90%，收入的增速也比上年同期高出了 2.3 個百分點。地面網絡設備以及衛星 製造、發射服務市場規模的變化表明，全球通信衛星行業正在進行大規模的基礎設 施建設，並且空間段的建設要略領先於地面段。
3. 軌衛星通信產業發展環境
政策的鬆綁促進了國內航天產業的商業化發展，為衛星通信行業的發展注入了新的 力量。2016 年 12 月，中國國務院新聞辦發布的《2016 中國的航天》白皮書中，進 一步提出「鼓勵引導民間資本和社會力量有序參與航天科研生產、空間基礎設施建 設、空間信息產品服務、衛星運營等航天活動，大力發展商業航天」。目前在火箭 和衛星配套及總體製造，測控、導航和遙感應用等環節湧現出了大量的民營企業， 截至 2018 年年底，國內已註冊的商業航天領域公司有 141 家，其中民營航天企業 123 家，成為參與航天活動的新勢力。
小衛星研製與發射、網絡融合、終端天線等方面技術的進步，使實現低軌衛星通信 系統建設和商業化應用的成為了可能。通過引入 3D 列印、模塊化設計、COTS 元件、 智能裝配等先進技術，降低了衛星的研製成本，並可以通過流水線組裝的方式批量 生產小衛星，一箭多星、火箭回收等技術的應用大幅降低了衛星發射的成本。在天 基網際網路和地面 5G 網融合方面，ITU、3GPP、SaT5G、CBA 等標準化組織牽頭研究天 地網絡融合問題，為低軌衛星通信系統的商業應用奠定了基礎。此外電調平板天線 等天線技術逐步成熟，也將大幅降低地面用戶終端的成本。
4. 國內中外低軌衛星通信系統發展現狀
以美國、加拿大為代表的西方科技強國意識到近地軌道和頻譜資源的戰略價值，以 及低軌衛星通信系統的巨大商業價值，近年來積極支持私營商業航天企業在近地軌 道開展商業活動：2018 年美國副總統邁克彭斯先後表示，「美國 2019 財年預算將支 持私營航天企業增加在近地軌道上的活動，美國政府將作為私營企業的合作夥伴或 消費者，而非競爭者」，「美國政府將改革過時和瑣碎的法規，以鼓勵開創性的太空 公司在近地軌道上開展業務」。加拿大政府在 2018 年財政預算中為戰略創新基金提 供 1 億美元，以支持近地軌道（LEO）衛星項目。加拿大衛星運營商 Telesat 還將 獲得安大略省 2000 萬美元的投資，力爭成為首批面世的 LEO 網際網路服務提供商。
中低軌通信星座的巨大商業價值也吸引了科技企業和資本市場的關注。例如 OneWeb 投資者包括軟銀、高通、國際通信衛星公司、維珍銀河、休斯網絡、空客、可口可 樂等巨頭，軟銀在 2016 年 12 月投資 10 億美元後，2017 年 2 月向全球第一大衛星 運營公司 Intelsat 注資 17 億美元，並推動了 Intelsat 與 OneWeb 的合併。 《2018 中國商業航天產業投融資報告》顯示：2018 年中國至少有 70 餘家投資機構對商業 航天領域的 30 多個創業公司和項目進行了不同輪次的投資，其中順為資本、經緯 中國、明勢資本、元航資本、創想天使等投資機構在該領域的投資上表現活躍；創 業公司方面，藍箭航天、零壹空間、九天微星等公司表現突出，均在一年中獲得多 輪過億投資。
近年來，以 O3b、OneWeb、SpaceX 公司為代表的中低軌寬帶通信星座系統迅猛發展， 在全球範圍內掀起了非靜止軌道星座系統發展熱潮。2018 年美國北方天空研究所 (NSR)對全球寬帶通信星座進行了首次盤點，中國電子科技集團公司第五十四研究 所劉全對 NSR 的研究結果進行了補充和更新，繪製了全球主要的中低軌寬帶通信星 座的空間分布示意圖。截止 2020 年 1 月 17 日，全球中軌、低軌衛星通信星座數量 共計達到 37 個，共涉及至少 12 個國家 30 家企業，計劃發射衛星總數已超過 34235 顆。
4.1. 國外中低軌衛星通信系統發展
國外低軌衛星通信系統的發展大致經歷了兩個主要階段：第一階段以窄帶移動通信系統為主要發展方向，提供語音通話、數據轉發等低速率服務，第一代低軌衛星通 信系統隨著「銥星系統」在商業化的失敗，從 20 世紀 90 年代起進入了 20 年左右 的發展低谷。進入 21 世紀以來，在物聯網、移動網際網路的推廣再次推動低軌通信 星座的發展，銥星、ORBCOMM 系統和全球星三大系統完成了升級換代，OneWeb、 SpaceX、O3b 等以 Ku、Ka 甚至更高頻段的新興網際網路星座進入爆發式增長，僅在 2014 年 12 月至 2015 年 4 月殲，ITU 收到的低軌網際網路星座的網絡身邊材料超過了 10 份，涉及衛星數量高達上萬顆。
4.1.1. 第一代低軌衛星通信系統
早期衛星質量大、研製周期長、製造成本高，短時間內難以完成大規模低軌星座的 部署。20 世紀 80 年代的小衛星技術熱潮對星座的發展起了巨大的推動作用，20 世 紀 90 年代初期，低軌通信星座開始盛行，最多時有十幾個衛星通信星座計劃，典 型的系統包括「銥星系統」、ORBCOMM 和「全球星」系統其中第一代「銥星系統」因 商業化運營失敗而破產，ORBCOMM 是低成本的數據通信和定位系統，「全球星」主要 是滿足國防、邊遠、沙漠地區通信的需要，填補了地面通信網的空白。
ORBCOMM 系統：ORBCOMM 系統是一個在全球範圍內提供雙向、窄帶的數據傳送、 數據通信以及定位業務的衛星通信系統。ORBCOMM 系統星座由 47 顆（包括 6 顆 備用衛星）分布在 7 個命名為 A、B、C、D、E、F、G 軌道面上的衛星組成，其 中 A~D 軌道傾角為 45°，高度 800km；E 為赤道軌道，高度 975km；F、G 軌道 傾角分別為 70°及 108°，高度 820km。ORBCOMM 系統的每顆衛星不足 50kg， 從 1995 年開始發射試驗衛星，1998 年底開始提供全球服務。目前在軌服務的 衛星共有 29 顆，A、B 平面各有 8 顆衛星，C、D 軌道各有 6 顆衛星，G 軌道 1 顆衛星。目前該系統已經在交通運輸、油氣田、水利、環保、漁船以及消防報 警等方面發揮重要作用。
「銥星」系統：系統是美國摩託羅拉公司於 1987 年提出的一種利用低軌道星 座實現全球個人衛星移動通信的系統，它與現有的通信網相結合，可以實現全 球數位化個人通信。「銥星系統」區別於其他衛星移動通信系統的特點之一是 衛星具有星間通信鏈路，能夠不依賴地面轉接為地球上任意位臵的終端提供連 接，因而系統的性能極為先進、複雜，這導致其投資費用較高。星座的構型為 玫瑰星座，衛星均勻部署在南北方向 677km 高的 6 條極軌近圓軌道上，軌道傾 角為 86.4°。每顆衛星載有 3 個 16 波束相控陣天線，其投射的多波束在地球 表面形成 48 個蜂窩區。
每顆衛星擁有 4 條 Ka 頻段的星間通信鏈路，兩條用於 建立同軌道面前後方向衛星的星間鏈路，星間距離 4021~4042km；兩條用於建 立相鄰軌道面間衛星的通信鏈路（僅適用於緯度 68°以下地域），星間距離 2700~4400km。異軌道面間鏈路的天線可根據加載到衛星上的星曆信息進行指 向調整，波束寬度足以適用緯度控制和衛星位臵保持的容差。衛星在軌重量 320kg，工作壽命 5~8 年。
「全球星」系統：該系統是美國 Loral 和 Qualcomm（高通）公司發起的，是目 前唯一正式商業運行的語音移動通信系統。衛星系統由 48 顆工作衛星和 12 顆 備用衛星組成。最近的一次發射是在 2007 年 10 月 21 日，由俄羅斯的運載火 箭將四顆備份衛星送入軌道。衛星重約 450kg,預定壽命為 7.5 年。分布在 8 個 傾角為 52°的圓軌道上，軌道高度 1414km,每個軌道分布 6 顆工作衛星和 1~2 顆備用衛星，星座的相位因子為 1。系統主要覆蓋南北緯 70°以內地區。
「全 球星」系統的每個衛星利用 16 個點波束天線將輻射區劃分為 16 個小區以與地 面的用戶和網關相互收發信息考慮到信息傳輸的多樣性和鏈路餘量問題，「全 球星」在主要的商業服務區（北緯 25°~49°）滿足任何時刻至少兩重覆蓋的 要求，而其他地區則只要求保證一重覆蓋，「全球星」系統的地面覆蓋如圖 4 所示。「全球星」系統的衛星設臵彎管式（BentPipe）轉發器，通過地面建立 不在同一衛星覆蓋區內的用戶的連接，因此，需要建立較多的網關地球站。
4.1.2. 國外典型中低軌寬帶星座建設計劃
通信技術和微小衛星技術的快速進步，使低軌衛星通信星座在很多場景的應用成為 了可能。2015 年前後，國外先後提出多個大規模低軌衛星通信系統，例如 Iridium Next、OneWeb、StarLink 等。國外企業建設的中軌和低軌衛星通信系統中，以 O3b 公司、OneWeb 公司和 SpaceX 的星座計劃發展最為迅速，其中英國 O3b 公司已有 20 顆衛星在軌運行，並已開展商業服務；OneWeb 公司已有 6 顆低軌衛星在軌開展前期 試驗，並在美國、英國、澳大利亞等 19 個國家初步取得落地權或市場準入授權； SpaceX 的 Starlink 星座已進入密集組網階段，在 2019 年和 2020 年各成功發射 2 次合計 240 顆組網星，目前共有 242 顆試驗星和組網星在軌運行。
Starlink 星座：Elon Musk 的 SpaceX 計劃利用自己的獵鷹 9 號可回收火箭，建立 一個由超過 1 萬顆低軌通信衛星組成的網際網路星座，為全球客戶提供高速寬帶互聯 網服務。2018 年 3 月和 11 月，美國聯邦通信委員會(FCC)先後批准 SpaceX 公司提 交的網際網路衛星發射計劃。第一批衛星包括 4425 顆低軌衛星，軌道高度分布於 550/1110/1130/1275/1325 公裡五個不同高度上，2019 年 12 月 FCC 批准 SpaceX 將 之前的 24 個 550km 軌道面增加至 72個，每一軌道面的衛星數量從 66顆降至 22顆， 550 公裡高度核心星座數量降低至 1584 顆；第二批衛星為軌道高度在在 334 公裡到 346 公裡之間的 7518 顆衛星，下行頻率在 37.5 到 42GHz，上行頻率為 47.2 到 51.4GHz。
Starlink 系統將主要被用於為全球個人用戶、商業用戶、機構用戶、政 府和專業用戶提供各種寬帶和通訊服務，部署 1600 顆衛星就能提供覆蓋全球的寬 帶服務，系統建成後能為全球消費者和商業用戶提供高帶寬（最高每用戶 1Gbps）、低延時的寬帶服務。
OneWeb 星座：第一代 Oneweb 低軌衛星系統將由 720 顆衛星及在軌備份星組成，星 座總容量高達 5.4Tbit/s，每顆衛星的容量為 7.5Gbit/s，可為用戶提供下行 200Mbit/s 和上行 50Mbit/s 的接入服務，時延約為 30ms。此外，Oneweb 還將建設 一個由 1280 顆衛星構成的構成的中軌星座，並將根據服務需求和覆蓋區域內的業 務量在這兩個星座之間動態分配業務。
OneWeb 第一代星座計劃在全球部署 55 至 75 座衛星觀看站，每個關口站各配臵 10 副以上口徑大於 3.4 米的天線，實現衛星與 地面的高速互聯。OneWeb 藉助 Airbus 的飛機製造經營推進衛星研製流程的創新， 採用模塊化的設計製造思想實現工業化流水線生產，目前已形成 2 顆/天的生產能 力。OneWeb 星座應用場景包括應急救援、高空低延遲寬帶、海上石化企業通信、車 載蜂窩網絡、偏遠地區網絡覆蓋等，目前正藉助巴蒂電信、休斯公司、Intelsat 等 分銷商向終端用戶提供服務。
O3b 星座：O3b 第一代衛星均運行在相同的軌道面上，即 8060×8072km 高度、0.03° 傾角的赤道上空 MEO 軌道，主要覆蓋地面南北緯 45°之間的區域。第二代星座初步 計劃包含 22 顆衛星組成，初期由 7 顆高通量中軌衛星組網，設 3 萬個寬帶網際網路 服務點波束，總容量將達 10Tb/s。上行鏈路為 27.6～28.4GHz 和 28.6～29.1GHz， 下行鏈路 17.8～18.6GHz 和 18.8～19.3GHz，數據通信與測控採用同一頻段，每一 段頻率都進行了頻率復用。
下設 O3bTrunck（為地面電信運營商提供幹線傳輸服務）、 O3bCell（為地面無線網絡運營商提供蜂窩網數據回程傳輸服務）、O3bEnergy（面 向石油和天然氣企業提供離岸平臺的通信服務）、O3bMaritime（面向傳統海事市場 用戶提供寬帶連接）、O3bGoverment（面向美國國防部、國防信息系統局，以及美 國的盟國政府機構和非政府機構提供寬帶服務）五大品牌。
4.2. 國內主要中低軌衛星通信系統
在空間基礎設施、天地一體化信息網絡等重點項目建設，以及國內商業航天產業蓬 勃發展等因素的共同推動下，國內低軌衛星通信系統正處於快速發展階段。目前由 各類企業、高校提出的星座建設計劃超過 10 個，「虹雲」星座、「鴻雁」星座成功 完成試驗星的空中試驗，電科集團「天象」試驗 1 星、2 星在 2019 年完成發射。在 民營企業主導的組網計劃中，「天啟」星座已完成 5 顆組網星發射，其天啟衛星物 聯網系統正式上線，銀河航天低軌寬帶通信衛星星座首發星於 2020 年 1 月 16 日成 功發射。
4.2.1. 航天科技集團「鴻雁」星座
鴻雁全球衛星星座通信系統是中國航天科技集團公司計劃 2020 年建成的項目。該 系統將由 300 顆低軌道小衛星及全球數據業務處理中心組成，具有全天候、全時段 及在複雜地形條件下的實時雙向通信能力，可為用戶提供全球實時數據通信和綜合 信息服務。
「鴻雁星座」一期預計投資 200 億元，在 2022 年建成由 60 顆衛星組成的通信網絡； 二期預計 2025 年完成建設，通過數百顆衛星構建「海、陸、空、天」一體的衛星 移動通信與空間網際網路接入系統，實現全球任意地點的網際網路接入。2018 年 12 月 29 日 16 時，鴻雁星座首顆試驗星成功進入預定軌道，2019 年 12 月 16 日，由中國 航天科技集團聯合中國電信、中國電子、中國國新等企業打造的東方紅衛星移動通 信有限公司在重慶兩江新區投入運營，標誌著全球低軌衛星移動通信與空間網際網路 系統（鴻雁星座）正式啟動運營。
作為複合型、寬領域的星座系統，鴻雁星座集成了數據採集、數據交換、ABS-B、 AIS、移動廣播、導航增強等多項衛星應用功能，特別適合於海洋海事、交通運輸、 氣象環境、石油和天然氣、農林業、電力等需要對目標進行遠距離採集、監測的物 聯網應用行業。對於個人用戶來說，鴻雁星座的雙向數據交互功能，可以保證這些 用戶在無國內地面網絡覆蓋的區域，如科考、登山、探險等活動的通信需求，同時 可以為應急救援提供有力保障。
4.2.2. 航天科工集團「虹雲」工程
虹雲工程是中國航天科工五大商業航天工程之一，脫胎於中國航天科工的「福星計 劃」，計劃發射 156 顆衛星，它們在距離地面 1000 公裡的軌道上組網運行，構建一 個星載寬帶全球移動網際網路，實現網絡無差別的全球覆蓋。
按照規劃，整個虹雲工程被分解為「1+4+156」三步。第一步計劃在 2018 年前，發 射第一顆技術驗證星，實現單星關鍵技術驗證；第二步到「十三五」末，發射 4 顆 業務試驗星，組建一個小星座，讓用戶進行初步業務體驗；第三步到「十四五」末， 實現全部 156 顆衛星組網運行，完成業務星座構建。目前，虹雲工程已進入第二步 階段，2019 年 11 月 22 日，據央視新聞報導，中國首個天基網際網路系統「虹雲工程」 將於 2020 年投入示範應用。
虹雲工程定位的用戶群體主要是集群的用戶群體，包括飛機、輪船、客貨車輛、野 外場區、作業團隊以及一些偏遠地區的村莊、島嶼等。無人機、無人駕駛行業等， 都是虹雲工程未來可能服務的行業。虹雲工程以其極低的通信延時、極高的頻率復 用率、真正的全球覆蓋，可滿足中國及國際網際網路欠發達地區、規模化用戶單元同 時共享寬帶接入網際網路的需求。同時，也可滿足應急通信、傳感器數據採集以及工 業物聯網、無人化設備遠程遙控等對信息交互實時性要求較高的應用需求。
4.2.3. 中國電科集團天地一體化信息網絡
天地一體化信息網絡是國家首批啟動的「科技創新 2030—重大項目」之一，按照「天基組網、天地互聯、全球服務」的思路，建設全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安 全可信的公用信息基礎設施，為全球海陸空天各類用戶提供網絡信息服務。天地一 體化信息網絡由天基骨幹網、天基接入網、地基節點網組成，並與地面網際網路和移 動通信網互聯互通，建成「全球覆蓋、隨遇接入、按需服務、安全可信」的天地一 體化信息網絡體系，中國電科集團已將低軌衛星通信星座納入其實施方案內，完成 試驗系統第一階段研發工作。
2019 年 6 月 5 日「天象」試驗 1 星、2 星（又名中電網通一號 A 星、B 星）搭載長 徵十一號火箭成功發射。「天象」試驗 1 星、2 星是中國首個實現傳輸組網、星間測 量、導航增強、對地遙感等功能的綜合性低軌衛星，也是未來低軌道星座系統建設 的最簡網絡模型，相關技術將直接用於中國低軌接入網的研製建設，建成後衛星通 信將更加普及，可為用戶提供成本更加低廉、信號更加優質、速率更高的數據傳輸 服務，並幫助公眾在沙漠腹地、偏遠深山、遠離岸邊海上等移動通信困難的特殊場 景中，通過低軌接入網衛星服務實現「通信自由」。
4.2.4. 銀河航天「銀河 Galaxy」5G 星座
「銀河 Galaxy」衛星星座是由銀河航空公司主持研發的，銀河航天成立於 2016 年， 致力於通過敏捷開發、快速迭代模式，規模化研製低成本、高性能小衛星，打造全 球領先的上千顆衛星組成的低軌寬帶通信衛星星座，建立一個覆蓋全球的天地融合 通信網絡。「 銀河 Galaxy 」衛星星座由千百顆通信衛星，在 500km-1200km 的近地 軌道組成網絡星座。覆蓋全球：星座能無縫擴展地面通信網絡，覆蓋陸地、航空、 海上等全球各個區域。
目前，銀河航天首發星在酒泉衛星發射中心搭載快舟一號甲運載火箭發射成功，成 為中國首顆通信能力達 10Gbps 的低軌寬帶通信衛星。銀河航天自主研製的首顆衛 星，也是我國首顆由商業航天公司研製的 200 公斤量級的衛星，單星可覆蓋 30 萬 平方公裡，相當於大約 50 個上海市的面積，軌道高 1200Km。
4.2.5. 國電高科天啟物聯網星座
天啟星座由 38 顆低軌道、低傾角小衛星組成，其中 36 顆採用軌道高度 900km、軌 道傾角 45 度，每一軌道面 6 顆衛星，共 6 個軌道面；另外還有 2 顆太陽同步軌道 衛星。天啟星座初步組網運行後，時間解析度將達到 4 小時，即能夠支持全球任意 地點一天 6 次信號傳輸。
2019 年 8 月 17 日，北京國電高科科技有限公司研製的「天啟〃滄州號（又名「忻 中一號」）衛星，由首次發射的捷龍一號商業火箭成功送入太空。該衛星是天啟星 座的第三顆業務星，它的成功入軌，標誌著天啟物聯網星座實現初步組網運行。2019 年 12 月 7 日，天啟 4 號 A/B 星在太原衛星發射中心成功發射，「天啟星座」從此前 的 3 星組網擴展到 5 星組網。
目前天啟星座的應用場景將從煤礦水文監測、泛在電力物聯網建設、海洋牧場監測 管理，拓展到貨櫃跟蹤、漁船跟蹤監測、生態環境監測、水利工程監測、動植物 保護跟蹤、自然災害預警等領域。
5. 低軌衛星通信產業鏈及重點上市公司
5.1. 低軌衛星通信產業鏈
低軌衛星通信產業屬於衛星應用的下屬子行業，產業鏈空間段建設與運營、地面段 建設與運營和終端市場，具體包括衛星/火箭零部件和元器件製造、衛星/火箭研製、 衛星發射服務、地面網絡設備製造、衛星運營、終端設備製造、應用與服務等環節。 衛星發射服務環節由軍方控制，航天科技、航天科工、中國電科等國有軍工企業在 衛星/火箭、地面網絡設備、電子元器件等環節技術積累深厚，仍是上述環節的市 場中起主導作用，民企企業主要在下遊終端設備研製以及加工設備和服務環節起到 主要作用。
5.2. 低軌衛星通信產業鏈重點上市公司
空間段的衛星研製和發射組網環節中：產業鏈下遊衛星總裝、關鍵分系統/零部件 製造等環節的優勢企業主要為航天科技集團下屬的上市公司，如中國衛星、航天電 子、康拓紅外等，上遊電子元器件主要供應商包括航天電器、中航光電、振華科技 等軍工國有企業，也有亞光科技、火炬電子、歐比特等少數民營企業參與到這一環 節中來，上遊原材料環節涉及企業範圍較廣，主要上市公司包括中國鋁業、寶鈦股 份、菲利華等。
在地面關口站等網絡設備，以及用戶終端設備生產環節涉及的上市公司包括：中國 衛星、航天電子等網絡設備製造商，A 股市場唯一的通信衛星運營商——中國衛通， 以及在終端設備研製環節具有較強技術優勢的華訊方舟、海格通信等企業。
5.3. 建議關注的相關上市公司
國外低軌衛星通信系統的大規模建設，有望加快國內相應計劃的實施，首先帶動空 間段和地面段的基礎設施建設投資，建議關注核心業務和產品競爭優勢明顯的衛星 製造產業鏈相關標的：
(1) 衛星/火箭研製與運營：中國衛星、上海滬工、中國衛通；
(2) 衛星/火箭關鍵分系統：航天電子、康拓紅外；
(3) 地面網絡設備：中國衛星、華力創通；
(4) 電子元器件：鴻遠電子、振華科技、火炬電子、宏達電子、航天電器；
(5) 金屬、非金屬等原材料：寶鈦股份、菲利華、光威復材。
6. 低軌衛星通信系統催生的市場
低軌衛星通信系統建設將帶動空間和地面基礎設施建設、終端設備等領域的投資， 隨著系統的完善和技術的成熟，將在網絡接入、機載通信、衛星寬帶、衛星物聯網 等領域形成新的應用場景，為低軌衛星通信的應用打開新的市場空間。
6.1. 空間段和地面段建設
低軌衛星通信系統的建設首先將帶動空間段和地面段基礎設施建設的投資，為衛星 /火箭及地面網絡設備產業帶來發展機遇。空間段建設的投資包括衛星研製和發射 成本兩部分，地面段建設的投資主要將用於地面網絡建設。假設表 8 中所列的 8 個 星座計劃均能夠完成星座組網和地面網絡建設，則未來國內將研製、發射 MEO 軌道 衛星 8 顆，LEO 軌道衛星 4842 顆。由此帶動的基礎設施建設的市場空間約為 2400 億元，其中空間段約 1561 億元，地面段約 839 億元：
（1） LEO 衛星製造市場：a）OneWeb 創始人 Wyler 曾在郵件中表示，公司正在以 低於 100 萬美元的價格大規模生產衛星，考慮到 OneWeb 規模化生產的成本 優勢，假設國內衛星研製成本約為 2000 萬元人民幣。
（2） LEO 衛星發射市場：a)中國航天科技集團公司副總經理楊保華在 2017 年舉 行的中國航天高峰論壇上表示，未來中國火箭發射成本報價將達到 5000 美 元每公斤。假設國內 LEO 軌道衛星單星重量 300kg，則單星發射成本約為 150 萬美元，大約合人民幣 1050 萬元。
（3） MEO 衛星研製發射市場空間：據簡氏防務報導，2013 年至 2018 年間 O3b 公 司研製發射的 12 顆 MEO 衛星（軌道高度 8062 公裡）總成本約為 12 億美元， 單星研製、發射成本約為 1 億美元，考慮到清華大學 TSN 星座軌道高度更高 （20185 公裡），假設 TSN 星座 MEO 軌道衛星單星研製、發射總成本約 1.5 億美元，約合 10.5 億元人民幣。
（4） 地面段建設市場空間：據美國衛星工業協會（SIA）2019 年 5 月發布的《衛 星產業狀況報告-2019》數據表明，2018 年全球衛星製造與發射收入合計 257 億美元，地面站等網絡設備市場規模為 138 億美元，可得空間段與地面段市 場規模比例約為 1.86:1。按上述比例可以測算出，地面基礎設施建設帶來 的市場空間約為 839 億元。
6.2. 典型的應用與服務市場
6.2.1. 軍事通信
通信衛星是軍事作戰系統的中樞，負責戰場作戰信息的傳輸與分發，是在戰爭中確 保信息優勢的核心因素之一。美軍目前已形成了以窄帶衛星通信系統、寬帶衛星通 信系統、防護衛星通信系統為主體，以應急通信系統為補充的軍事衛星通信體系。 美軍也將商業衛星通信系統作為其軍事通信的輔助系統，並直接服務於美軍的海外 作戰行動。SIA 在 2004 年報告中稱，2003 年美國攻打伊拉克期間，其軍方衛星通 信容量中的 80%來自商業衛星通信系統；2009 年美國國家安全通信顧問委員會的報 告中提到，商業衛星通信系統承擔美軍全球衛星通信容量中的 85%。
美國戰略司令 部統計數據表明，2008年美國國防部租用商業通信衛星容量費用達到5億美元，2009 年該項支出超過 6 億美元。假設解放軍對衛星通信與美軍有著類似的戰術使用需求， 也通過採購商業通信衛星系統的通信服務，承擔部分軍事通信任務，按衛星通信開 支佔國防預算的比例估算，2019 年國內軍隊衛星通信市場空間約為 13 億元。
6.2.2. 網絡接入
低軌衛星通信系統將彌補地面網絡覆蓋的不足，為偏遠地區的大眾消費者提供網絡 接入服務。工信部數據表明，截止 2018 年三季度末我國 4G 網絡的覆蓋率從為 95%， 2020 年將達到 98%。假設 2019 年我國仍有 2%的人口為實現 4G 網絡覆蓋（2790 萬 人），假設這部分人口通過低軌衛星通信系統實現網絡覆蓋，沒人每年資費為 1000 元，則個人用戶網絡接入的年均市場空間約為 279 億元。
6.2.3. 航空機載通信
低軌衛星通信系統可以為客艙中的旅客提供通信和網際網路寬帶接入服務。通過採用 固定衛星平臺通信「動中通」解決方案，實現飛機客艙和地面通信網絡的互聯，解 決目前航空信息的「孤島」問題，在客艙中提供語音通話、視頻直播等增值服務。
民航局的數據表明，2019 年民航旅客運輸量為 6.6 億人次，假設每人次為機載通信 服務支付 10 元，則機載通信領域市場規模約為 66 億元。
6.2.4. 衛星物聯網服務
衛星物聯網是物聯網產業不可或缺的組成，以中國為代表的亞洲地區是未來收入增 速最高的市場。據中國經濟信息社《2017—2018 年中國物聯網發展年度報告》，中 國 2017 年商業物聯網市場規模超過 1 萬億元人民幣，年複合增長率超過 25%。NSR 在報告中預測，未來 10 年亞洲將成為天基物聯網收入複合增長率超過 10%的唯一區 域，2022 年將有 1 億至 2 億臺物聯網設備有接入衛星的需求。
（報告來源：東北證券）
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