航天产业研究：卫星互联网蓄势待发

卫星互联网有望成为6G通信重要组成部分 2017年11月，英国电信集团（BT）首席网络架构师Neil McRae对6G通信进行了展望，他认为6G将是“5G+卫星网络”，在5G的基础上集成卫星网络来实现全球覆盖。 2022年，华为公司发布《6G：无线通信新征程》，该报告表示空天一体化将是6G的重要特征之一，6G将整合地面网络和非地面网络，提供全球覆盖，给当前未联网的区域提供网络连接。随着卫星制造和发射成本的降低，众多低轨或者超低轨卫星组成的卫星互联网将应用于非地面网络。 国外加紧布局卫星互联网 据Statista公司的测算，截至2023年7月，全球互联网普及率为64.5%，仍有约28亿人口尚未连接互联网。面对如此广阔的市场，近年来空客、亚马逊、Google、Facebook、SpaceX等高科技企业纷纷投资卫星互联网领域，提出了Starlink、OneWeb等多个卫星互联网计划，目标是实现全球互联网覆盖。截至2023年7月，Starlink已经发射4800余颗卫星。 边际成本低，有助于抢占不发达地区地面移动通信市场 相比地面蜂窝移动通信基站，卫星具有更大的覆盖范围，一颗“星链”卫星在550km轨道上地面通信覆盖半径约为500公里。从边际成本上来看，对于基础设施比较薄弱的地区，使用卫星互联网不需要大量地面基础设施投入，因此比地面基站具有更大的边际成本优势。 批量生产+商用器件+系统冗余设计有望降低卫星成本 随着卫星互联网方案中卫星数量的大幅增加，为批次建造卫星提供了前提，从而能够通过批量化制造来降低单星成本。国内“G60星链”产业基地通过批量化生产，单星成本有望下降35%。 为了提高航天器电子器件的抗辐照能力，通常采用成本高昂的专用抗辐照芯片，从而推高了卫星成本。由于低轨卫星所受辐照相对较低，商用货架器件（COTS）有望批量应用于低轨卫星，并通过系统冗余设计等方法提高系统可靠性，从而进一步降低卫星成本。 国内卫星互联网建设提上日程，有望开启千亿市场 面对国外发展迅猛的卫星互联网通信系统，国内也提出了“鸿雁”、“虹云”、“G60”等卫星星座计划，将分别发射多颗低轨通信卫星组建卫星互联网，组网建设投资规模有望超过300亿元。根据SIA的数据，卫星组网费用占整个卫星产业链产值的8.1%左右，由此测算，预计卫星互联网产业规模将达到约3600亿元。 投资建议： 卫星互联网产业链可以分为卫星组网（卫星制造及火箭发射）、地面设备和通讯服务三个部分。从建设进程来看，卫星组网相关企业将首先受益，组网完成后，地面设备与通讯服务将大规模展开，相关企业开始受益。同时，由于卫星寿命有限，因此卫星互联网组网完成后，每年还需补星，因此卫星组网产业链也将长期受益。 风险提示： （1）政策力度不及预期的风险； （2）卫星成本居高不下影响大规模部署的风险； （3）低轨通信卫星关键技术攻关不及预期的风险。 1.卫星互联网概述 1.1.人造卫星概述 人造卫星（Artificial Satellite）是指，环绕地球在空间轨道上运行的无人航天器。人造卫星基本按照天体力学规律绕地球运动，但因在不同的轨道上受非球形地球引力场、大气阻力、太阳引力、月球引力和光压的影响，实际运动情况非常复杂。人造卫星是发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。人造卫星发射数量约占航天器发射总数的90%以上。 按照卫星轨道高度的不同，卫星可以分为低轨卫星（LEO）、中轨卫星（MEO）和高轨地球同步通信卫星（GEO）。LEO卫星轨道高度500km~2000km，MEO卫星轨道高度2000km~36000km，GEO卫星轨道高度为36000km。 图1.典型卫星轨道示意图 不同轨道高度卫星特点及主要用途如下表所示。 表1：卫星轨道分类及用途 按照用途分，人造卫星可以分为通信卫星、遥感卫星、导航卫星等多种类型。 表2：卫星用途分类 1.2.卫星通信技术概述 卫星通信技术（Satellite communication technology）是一种利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个终端之间的通信技术。自20世纪90年代以来，电子信息技术的迅猛发展推动了卫星移动通信的进步。卫星通信具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速、便于实现全球无缝链接等众多优点，被认为是建立全球移动通信必不可少的一种重要手段。 图2.卫星通信特点 1.3.卫星互联网基本构成 卫星互联网，是基于卫星通信系统，以IP为网络服务平台，以互联网应用为服务对象，能够成为互联网的一个组成部分，并能够独立运行的网络系统。可以通俗地理解为地面基站被搬入空中的卫星平台，每颗卫星都是天上的移动基站，可以为全球范围内用户提供全覆盖、高带宽、灵活便捷的互联网接入服务。 卫星互联网主要由空间段、用户段、地面段、公用及专用网络四部分等组成。在若干个轨道平面上布置多颗卫星，由通信链路将多个轨道平面上的卫星联结起来。整个星座如同结构上连成一体的大型平台，在地球表面形成蜂窝状服务区域，服务区域内用户至少被一颗卫星覆盖，用户可以随时接入系统。低轨卫星通信可以在用户段直接与地面终端连接，也可以通过地面关口站与地面公共网络连接。 图3.低轨卫星星座示意图 图4.卫星互联网系统组成 2.早期卫星移动通信受技术制约未能发扬光大 2.1.低轨卫星适合移动通信，早期由于技术原因应用受限 2.1.1.低轨卫星特点适合移动通信 地球同步轨道卫星（GEO）在通信、电视转播等方面的应用已经趋于成熟，其缺点也很明显，如体积大、重量大，距离地球遥远，通信延迟长，频谱利用率低，终端发射功率大，不易小型化等。 相对GEO卫星通信系统，低轨卫星通信系统有诸多优势，对用户而言，通信时延缩短，数据传输率提高，终端重量、体积、发射功率与普通陆地移动通信终端接近，还可以与陆地通信系统兼容，真正做到全球无缝接入。因此，随着卫星制造技术的进步和市场需求的逐渐旺盛，低轨卫星通信系统被认为是最有应用前景的卫星移动通信技术之一。 2.1.2.受制于技术原因，早期低轨卫星在通信领域应用有限 低轨卫星通信系统也存在固有的缺点，如需要卫星数量较多，由此带来地面控制、维护系统比较复杂，对通信系统而言，影响较大的问题是波束切换和星间切换。 上世纪60年代，人们就尝试利用低轨卫星进行通信，轨道高度在几百公里左右，但是由于低轨卫星相对地面某一点不是固定的，因此地球站必须有复杂的跟踪系统，同时由于低轨卫星覆盖面积相对较小，因此必须由多颗卫星组成网络才能实现全球覆盖，并且为了保持持续通信，一条通信链路需要在多颗卫星之间切换，增加了系统的复杂程度。因此，从1963年开始，人类利用地球同步轨道卫星进行卫星通信，与低轨卫星相比数量少，并且易于控制，1964年美国发射的SYNCOM 3型卫星标志着地球同步轨道通信卫星时代的到来。 上世纪90年代，尽管航天技术有了长足进步，但低轨卫星通信技术问题仍没有得到完全解决。以铱星系统为例，其最小切换时间间隔10.3秒。实现切换需要一系列信令操作过程，频繁的切换加重了系统的信令负荷。铱星系统在运行初期的切换成功率只有85%，后来经过改进达到92~98%，与陆地移动通信系统的切换掉话率不高于5×〖10〗^(-4)的指标相比相差甚远。 表3：卫星移动通信发展历程 2.2.铱星系统 2.2.1.系统方案 铱星系统是美国摩托罗拉公司提出的一种利用低轨道卫星群实现全球卫星移动通信的方案。 铱星系统的原始设计是由77颗小型卫星，均匀有序地分布于离地面785km上空的7个轨道平面上，通过微波链路形成全球连接网络。因为其与铱原子的外层电子分布状况有一定的类似，故取名为铱星系统，后期为减少投资规模，简化结构以及增强与其他LEO系统的竞争能力，摩托罗拉公司将其卫星数降低到66颗，轨道平面降至6个圆形极地轨道，每条极地轨道上的卫星仍为11颗，轨道高度改为765KM，卫星直径为 1.2m ，高度为 2.3m ，重量为386.2kg，寿命为5~8年。 2.2.2.技术缺陷和成本过高导致破产 铱星系统耗资约50亿美元，1990年6月首次公布，1990年12月向美国FCC提出许可证申请，在1992年9月得到FCC的许可证。当时铱星系统是设计方案中最为完整、具体，进展也很快，是十分有前景的方案，但系统仍存在不足，一是技术方面，受当时设备性能制约，系统切换掉话率高达15％，严重影响通话质量，并且数据传输速率仅有2.4kb/s；二是成本方面，与GSM等系统终端相比，暴露出业务收费高、有地区差异、手机价格高等问题，导致1998年底才投入运行，之后公司于2000年左右就宣告破产。 图5.铱星系统星座示意图 图6.铱星系统通讯链 2.2.3.新铱星公司 铱星公司破产后，被新的铱星公司（Iridium Satellite LLC）以2500万美元收购，并于2001年3月28日由新的铱星公司重新提供服务。他们在市场定位、经营策略、增加业务种类、增多用户层面、降低手机价格、增加终端种类以及推行与主要电信供应商合作的发展战略等诸多方面进行了重大的调整，并付之实施，取得了卓有成效的业绩,并且发射了补充卫星。2006年在轨卫星数达到78颗，为20多个国家提供紧急救援、机要通信等服务力。 2.2.4.铱星二代系统 新铱星公司于2007年提出铱星二代（Iridium Next）计划，铱星二代保持了与第一代同样的星座构型，该计划同样由66颗卫星组成，系统性能进一步提升，并拓展了一些新业务。新铱星公司委托SpaceX为其发射75颗卫星，包括66颗轨道卫星，以及9颗轨道备用星，发射合同总价值4.92亿美元，目前已经发射完成。Iridium Next移动用户的最高数据速率可达128kbps，数据用户可达1.5Mbps，Ka频段固定站不低于8Mbps，Iridium Next主要瞄准IP宽带网络化和载荷能力的可扩展、可升级，这些能力使得它能够适应未来空间信息应用的复杂需求，但对于当前日益增多的移动互联网需求，尤其是5G通讯时代的来临，铱星二代系统数据传输能力仍显不足。 图7.铱星二代卫星 2.3.全球星系统 2.3.1.系统初期建设 全球星（Globalstar）系统是美国LQSS（Loral Qualcomm Satellite Service）公司于1991年6月向美国联邦通信委员会（FCC）提出的低轨卫星移动通信系统。根据计划，全球星系统计划在1997年底发射12～16颗卫星，并于1998年发射其他的卫星。全球星（Globalstar）系统采用低成本、高可靠的系统设计，一个关口站只需要35万美元。手持机的价格只相当于目前广泛使用的蜂窝手机的价格，故其服务对象更适合为边远地区蜂窝电话用户、漫游用户、外国旅行者，以及希望低成本扩充通信的国家和政府通信网和专用网。按目前全球星（Globalstar）系统合作伙伴的分布情况来看，它可以为33个国家提供服务。 2.3.2.系统升级换代 为了适应移动终端对数据传输量不断提高的需求，全球星系统于2010年开始建设Globalstar-2系统，并随着2013年2月6日最后6颗星的成功发射，从而完成了由24颗卫星组成的低轨移动卫星通信星座的部署。Globalstar-2卫星质量为700kg，采用2片3联太阳能帆板，初始功率为2.2kW，末级功率为1.7kW。卫星轨道高度为1414km，轨道倾角52°。卫星采用简单、高效、可靠性强的“弯管式”转发器设计，提供的服务包括一键通与广播、先进的短报文能力（MSS）、移动视频、GEO定位、多频段与多模手机、GPS集成数据等。 图8.Globalstar卫星示意图 图9.Globalstar覆盖范围 Globalstar-2卫星系统推出了基于卫星的WiFi服务，也叫Sat-Fi。Sat-Fi路由器与卫星相连形成热点，用户直接通过智能手机安装APP连接后就能上网，可以实现话音、邮件、短消息等业务，一台Sat-Fi设备