商业航天通信应用.docx
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商业航天通信应用
中国商业航天通信应用发展研究报告
低轨通信星座与高轨高通量卫星共存，卫星通信与地面蜂窝网络融合是未来通信发展的大趋势。
我国卫星产业在卫星研制和发射领域，企业实力突出、竞争力强；而在电子元器件、终端类产品和应用系统等领域，目前我国企业规模较小，整体实力偏弱，尤其是芯片、板卡、天线、算法、软件、接收器和终端技术水平与国外顶尖水平差距明显。
卫星宽带以及卫星移动通信收入逐年稳步上升，2009-2018年平均复合增长率分别为10.2%和7.2%，这两块业务合计占卫星服务业收入仅5.1%。
2016年全球固定卫星的转发器使用率尚不足60%，因此卫星互联网的目标市场一定不是当前固定卫星通信的主要市场（主要指卫星电视直播），而是传统通信卫星难以解决和进入的增量市场。
受惠于村村通项目的不断落地，国内真正由于无法连接互联网而不能使用网络的人口不足总人口的4.3%。
因此即使卫星信号可以覆盖尚未使用互联网的国内公民，卫星通信企业依然很难将这部分群体发展为用户。
企业可在实现区域覆盖后向国内行业客户提供B2B卫星通信服务，待设备生产规模、营业额、现金流、成本控制等各方面达到一定程度之后，再向个人用户提供卫星网络服务。
企业全球化发展的过程中，可与本地电信运营商合作，由本地运营商直接向用户提供服务，选择该策略的原因包括：
1.借助本地电信运营商的资源，获得当地运营落地许可相对容易；2.借助本地电信运营商积累的用户资源，打开市场相对容易。
广电或成为卫星通信企业选择合作的电信运营商。
1、行业背景
1.1、商业航天概念下的卫星通信
格局：
低轨通信星座与高轨高通量卫星并存
卫星通信发展距今已达60年。
随着商业航天概念的兴起众多国际互联网巨头纷纷涉足商业航天领域。
商业航天赋予卫星通信新的概念与含义。
传统的卫星通信往往采用位于地球同步轨道的大型通信卫星而商业航天概念下的卫星通信格局则是在大型通信卫星基础上增加了低轨移动通信星座形成高轨与低轨共存、单星与星座共存的格局。
图表1：
商业航天与传统航天的区别
图表2：
低轨移动通信星座与静止通信卫星区别
1.2、新时代卫星通信发展背景
地面移动通信与卫星通信融合是未来大势所趋
第五代移动通信技术即将商用，在传输速率和降低延时方面达到了新的高度同时进一步降低每比特的成本使得地面移动通信于人口稠密地区在各方面几乎完胜卫星通信。
然而地面移动通信难以解决偏远地区覆盖性价比低部分业务场景难以覆盖的问题。
3GPP、ITU在内的标准化组织已成立专门工作组着手研究星地融合的标准化问题科技部于2018年11月拟将与5G/6G融合的卫星通信技术研究与原理验证课题列入国家重点研发计划宽带通信和新型网络重点专项中。
这说明星地融合的天地一体化网络将是未来通信系统的一个重要发展方向。
图表3：
地面移动通信与卫星通信优劣势对比
1.3、卫星互联网和物联网应用简介
当前卫星通信主要服务于政企客户，基于通信卫星提供的服务主要包括三种：
大众消费通信电视直播、音频广播、卫星宽带、卫星固定通信转发器租赁协议、网络管理服务、卫星移动通信移动语音、移动数据业务。
目前国内外从事卫星通信的商业航天企业主要将业务集中在两个方面卫星宽带业务与移动数据业务。
这些企业正在或计划组建卫星宽带通信卫星星座与窄带通信卫星星座分别对应着卫星互联网与卫星物联网两个方面的应用。
图表4：
卫星互联网与卫星物联网应用简介
1.4、卫星通信产业链
卫星通信产业链复杂，产业链上下游发展不平衡
卫星及其应用产业链较为复杂总体分为四个环节：
1电器元件材料等卫星火箭配套厂商2卫星研制商、发射服务提供商以及地面设备制造商；3卫星运营商与卫星应用服务提供商；4终端用户政府、企事业单位、个人。
与国外相比我国卫星产业在卫星研制和发射领域企业实力突出、竞争力强；而在电子元器件、终端类产品、应用系统和运营服务等领域目前我国企业规模较小整体实力偏弱尤其是芯片、板卡、天线、算法、软件、接收器和终端技术水平与国外顶尖水平差距明显。
自2015年起随着资本的注入大批民营初创航天企业进驻到产业链各个环节中。
图表5：
卫星通信产业链结构
图表6：
卫星通信产业链图谱
1.5、卫星通信实现原理
利用卫星转发器作为中继反射或转发无线电信号的通信方式
卫星通信系统是以人造通信卫星作为核心设施的通信系统属于空间基础设施。
卫星通信系统主要包括空间轨道中运行的通信卫星以及对卫星进行跟踪、遥测及指令的地面测控和监测系统。
卫星地面段以用户主站为主体包括用户终端、用户终端与用户主站连接的陆地链路以及用户主站与陆地链路相匹配的接口。
利用卫星通信系统进行通信时在发射地球站用户发出的基带信号经过卫星通信设备处理后变为射频信号使用上行频率后发送到卫星。
卫星作为空中的一个中继站由卫星转发器对卫星天线接收到的射频信号进行低噪声放大、变频、功率放大后通过卫星天线发射到地面。
在接收地球站卫星发出的射频信号使用下行频率被接收并经过处理后变为基带信号。
图表7：
卫星通信系统示意图
1.6、组网方式
网状网络传输延时低，但建设成本高，使用费用高
卫星通信的组网方式主要有两种：
星形组网网状组网。
如图所示采用星形组网方式系统内的小站与主站之间通过卫星建立直接通信链路小站卫星主站两个用户之间如需实现通信则必须经过主站转接小站卫星主站卫星小站。
采用网状网组网方式两个用户之间可以直接通信而不必经过主站小站卫星小站传输延时将比星形网络减少一半但对小站的设备要求高建设费用高使用费用高。
图表8：
星形组网方式
图表9：
网状组网方式
1.7、卫星频谱介绍
卫星通信使用频率逐渐提高L频段及S频段低于25GHz的部分主要用于卫星移动通信、卫星无线电测定、卫星测控链路等应用；C和Ku频段主要用于卫星固定业务通信且已近饱和；Ka频段主要用于高通量卫星但由于Ka波段的波长与雨滴直径相近雨衰最严重。
目前行业内已着手开发Q频段、V频段等更高频段资源。
国际电信联盟（对卫星轨道频率的分配有规划和登记两种方法。
对于非规划的卫星轨道频率遵循先登先占原则即先申报、先登记者有优先权。
美国推出的多个低轨通信星座计划已向ITU申报频率和轨位。
出于抢占频率轨道的战略高度考量我国未来将积极鼓励低轨通信星座在ITU登记。
图表10：
卫星通信波段划分
图表11：
通信频率提高的原因及相应挑战
2、行业发展
2.1、全球卫星宽带及卫星移动服务收入
全球卫星宽带及卫星移动服务收入稳定增长，但总量很低卫星服务业包括卫星电视直播、卫星音频广播、卫星宽带、转发器租赁、管理网络服务、卫星移动通信业务及对地观测业务。
根据美国卫星工业协会SIA的数据全球卫星宽带收入从2009年的10亿美元上涨至2018年的24亿美元CAGR达到10.2%；类似地全球移动卫星通信从2009年的22亿美元上涨至2018年的41亿美元CAGR达到7.2%其中移动卫星通信的增长主要来自移动数据业务的增长。
尽管这两块业务保持稳定增长但收入总和仅65亿美元2018年占整个卫星服务业收入的比例仅5.1%。
图表12：
2009+2019年全球消费卫星宽带收入、卫星移动服务收入及其所占卫星服务业收入比例
2.2、全球通信卫星布署情况
低轨商用通信卫星成为近年来全球通信发展趋势
20092018年这十年间全球共发射通信卫星481颗这段时间发射的通信卫星数量已超过此前发射通信卫星数量的总和。
从用途来看2009-2018年间新增民用、政府与军用通信卫星数量基本维持不变商用通信卫星数量大幅增加；从轨道类型来看以LEO作为目标轨道的通信卫星数量迅猛增长。
值得注意的是以MEO作为目标轨道的卫星全部来自O3B公司。
2018年美国OnewebSpaceX，中国虹云、鸿雁星座相继发射试验卫星，一旦前期技术验证完成，未来低轨通信卫星发射数量仍将持续增加。
图表13：
2009-2018年全球通信卫星入轨数量（按用途分类）
图表14：
2009-2018年全球通信卫星入轨数量（按轨道分类）
2.3、全球固定卫星转发器出租容量
卫星互联网的目标不是存量市场替代而是增量市场开发
根据预测2020年全球固定通信卫星转发器出租容量将达到681GHz。
虽然2018年中国卫通卫星转发器宽带数仅19.49GHz，但使用率达到66.6%，超过2017年全球平均固定通信卫星转发器使用率（50.76%）。
全球固定卫星的转发器使用率尚不足60%，因此在发展由低轨移动星座组建的卫星互联网时，目标市场一定不是当前固定卫星通信的主要市场（主要指卫星电视直播），而是传统通信卫星难以解决和进入的增量市场。
图表15：
2012-2020年全球固定通信卫星转发器出租容量
图表16：
2014-2018年中国卫通卫星转发器宽带数及使用率
2.4、卫星通信产业政策
卫星通信行业迎来爆发仍需进一步政策支持
随着军民融合战略深入发展国家多个部委推出各项政策支持卫星产业商业化、民用化发展。
利好政策主要针对产业链中上游的卫星配套以及总体制造产业链下游的卫星通信系统运营依然存在较大壁垒。
企业从事卫星通信运营需要取得《基础电信业务经营许可证》。
按照工信部《电信业务经营许可管理办法》规定现阶段民营企业无法取得《基础电信业务经营许可证》要求公司国有股权或股份不少于51%%；公司在全国范围内经营要求注册资本不低于10亿元人民币。
此外《广播电视卫星地面接收设施管理规定》中第四条、第七条、第八条分别在卫星地面设备销售、企业以及个人用户购买和使用卫星地面设备方面给予限制。
图表17：
2015年以来国内卫星通信行业相关政策
2.5、用户群体仍需进一步明确
未使用互联网群体不是卫星互联网的主要目标用户
近十年中国互联网网民数量快速增长，中国互联网网民渗透率从2009年的28.9%提升至2018年的59.6%，但依然有40.4%人口没有使用网络，这部分人口主要来自三部分群体：
受教育程度低群体、经济条件差群体、低龄/老年群体。
受惠于村村通项目的不断落地，真正由于无法连接互联网而不能使用网络的人口不足总人口的4.3%。
因此即使卫星信号可以覆盖尚未使用互联网的国内公民，卫星通信企业依然很难将这部分群体发展为用户。
图表18：
2009-2018年中国互联网网民人数及互联网普及率
图表19：
2018年中国非网民不使用网络原因解析
2.6、终端是卫星通信普及的限制之一
终端易用性、终端造价与传输速率很难同时兼得
通过下面的表格可以发现，无论是卫星移动通信终端还是VAST终端都呈现出两个特征：
传输速率越高，终端造价越高；传输速率高，终端易用性越差。
在卫星发射功率与使用频率相同的情况下，高传输速率意味着接受端需要更大的接收天线，这也就增加了终端造价，此外更大的天线造成得用户易用性降低。
在地面通信提速降费的大背景下，如没有新技术的突破，卫星通信对于普通用户的吸引力将越来越低。
图表20：
卫星通信终端性能参数造价对比
3、技术发展
3.1、高通量卫星将极大改变卫星通信行业的商业模式
北方天空研究所（NSR）率先提出高通量卫星概念，将其定义为“采用多点波束和频率复用技术、在同样频谱资源的条件下，整星的通信容量（简称通量）是传统固定通信卫星（FSS）数倍的卫星”。
根据上述概念可以看出，高通量卫星最基本的特征是多点波束和频率复用。
基于多点波束的特性，使用高通量卫星用于广播通信（卫星通信行业的主要收入来源）实质上会早造成一定程度上的浪费，高通量卫星主要用于点对点通信。
随着未来高通量卫星数量逐渐增多，容量逐渐增加，高通量卫星将极大改变卫星通信行业的商业模式。
图表21：
传统卫星与高通量卫星优劣势对比
3.2、软件定义卫星为卫星后续更新迭代带来可行性
软件定义卫星是以天基先进计算平台和星载通用操作环境为核心，采用开放系统架构，支持有效载荷即插即用、应用软件按需加载、系统功能按需重构的新一代卫星系统，其终极目标是实现智能卫星。
由于传统通信卫星造价高昂且发射费用昂贵，卫星寿命往往较长（15年），而在这期间难以进行在轨技术更新，导致卫星通信发展落后于地面通信。
软件定义卫星结合卫星在轨服务，为卫星在轨技术革新提供可行性。
图表22：
软件定义卫星发展分析
3.3、多技术应用令平板天线性能提高，价格降低
卫星通信的推广极大地依赖地面终端（主要是天线）的易用性（体积）以及高性价比。
对于传统抛物面天线，为保证切星过程中业务不间断，地面终端需要配置双天线，这就导致设备体积和质量增加；平板天线取消了移动部件，具有低轮廓外形，采用电子方式控制和形成波束；电子控制特性具有很强的灵活性，可利用软件无线电技术解决系统共存之间的频谱共享问题、动态频谱分配和卫星干扰，但波束扫描范围受限（±60°）。
现有的天线在制造成本、频谱效率、功率效率以及可扩展性方面，难以满足卫星移动业务的新需求。
新一代平板天线主要采用三种技术：
芯片级相控阵技术、超材料波束形成技术或光学波束形成技术，使得卫星平板天线极大降低了天线成本并提高了性能。
图表23：
平板天线与抛物线机械天线优劣势对比
国外平板天线性能对比
ThinKom公司旗下的机械相控阵平板天线发展较为成熟，目前已经广泛使用于航空、海事以及地面移动通信中。
该公司的天线可在LEO、MEO和GEO卫星网络之间进行互相切换，切换速度可小于800ms，且已被LEO和MEO服务提供商确定为足以在快速移动的卫星之间进行波束切换而不会中断连接。
Kymeta的天线使用超材料（薄膜晶体管）的特殊结构创建全息波束，用于发射和接收卫星信号。
该公司天线可以满足卫星移动通信对终端天线要求的重量轻、轮廓低、高速的移动接入并且价格低。
Kymeta的新型卫星终端平板天线mTenna技术以电子方式产生和控制天线波束指向，天线没有机械部件，也不使用移相器和放大器，属于无源天线。
PhasorSolutions的创新性在于开发了具有数字波束形成功能的ASIC微芯片和采用模块化设计架构。
PhasorSolutions的模块化设计使天线可以在不降低性能的情况下进行灵活的扩展，使用的模块越多，则天线面积越大、增益越高，连接数据速率越高。
因此只需根据需求和成本约束向天线调整模块组合，就可以满足不同的应用需求。
图表24：
国外平板天线性能对比
4、细分应用
4.1、航空航空互联网
现阶段卫星通信是民航机上互联最佳解决方案
目前民航运输主要依靠ATG（AirtoGround地面基站方式）和卫星通讯两种技术方案实现地空宽带通信。
与卫星通信不同，ATG是在飞行空域或特定空域架设地面基站，以向天空进行覆盖，进而实现机上互联。
北美地区发展机上联网已达10年，由于早期卫星通信系统容量不足，仅能提供窄带通信服务，彼时市场上ATG占据绝对主导地位。
随着卫星通信技术（高通量卫星）的不断发展，卫星通信已开始逐渐侵占ATG的市场占有率，这点可以从近年来Gogo在北美地区提供民航客机互联网接入服务的飞机数量上看出（Gogo是全球领先的机上网络与娱乐服务提供商）。
图表25：
航空互联网地基与星基方案优劣势对比
图表26：
2016-2018年Gogo在北美地区提供民航客机互联网接入服务的飞机数量
航空互联网尚处蓝海，市场亟待有效开发
2017年9月交通运输部审议通过《大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则》，自此民航乘客可在飞行模式下使用手机平板等便携式电子设备，为航空互联网的发展奠定了用户基础。
目前制约国内航空互联网发展的因素主要集中在供给端：
1.政策支持不足，电信运营资质很难获得审批；2.服务质量不高，目前国外成熟的航空网络供应商很难进入国内，本土供应商技术不成熟，导致用户付费也很难获得令人满意的服务。
艾瑞预测，2028年可以在客机机上网络设备以及网络服务可以实现国产代替，同时改装价格以及流量成本将大幅下降，届时中国航空互联网仅流量收益可达300.64亿人民币。
图表27：
2020-2028年中国航空互联网流量收入预测
图表28：
2020-2028年中国民航客机互联网改装费用预测
4.2、海事数字化
卫星通信是航运业实现数字化转型的重要解决方案
随着海上船舶设备的更新及宽带卫星技术的进步，我国海上宽带卫星通信行业的市场规模保持快速增长，然而这块市场主要通过卫星通信服务商租用Inmasat、Iridium等国外公司卫星转发器容量向船舶提供卫星通信服务，随着我国高通量卫星逐步投入使用以及低轨通信星座建设完成，未来将实现自主替代。
航运业的数字化转型已持续多年且有加快趋势。
航运业数字化转型实现的路径之一是结合物联网技术。
在这一过程中，卫星通信解决方案可充分发挥其全球无缝覆盖的优势和不可替代性。
虽然远洋运输集装箱箱位近三年呈下降趋势，然而目前国内这一市场相对空白，国内从事卫星物联网解决方案供应商尚处于发展初期，未来有相当大的开发空间。
图表29：
2009-2018年中国运输船舶保有量
图表30:
2009-2018年中国船舶运输集装箱箱位
4.3、基站回传
低轨移动星座可作为基站回传的有效解决方案
部分偏远地区环境复杂、分布零散、地面光纤无法到达，基础通信设施建设普及难度大、费用高。
采用低轨移动星座作为中继是一种有效的“基站回传”解决方案。
根据NSR预测，2028年全球卫星回传服务市场收入将超过320亿美元，其中5G通信相关业务将占据整个卫星回传服务市场的三分之一。
2019年上半年卫星运营商Telesat、英国萨里大学与比利时Newtec公司合作测试将卫星通信用于5G回传，实验结果显示，将低轨移动星座用于5G数据回传，往返时延为18-40毫秒，可以有效支持要求低延时的5G应用程序（测试项目包括8K流媒体传输、互联网浏览和视频聊天会话）。
图表31：
卫星通信基站回传的一种网络架构
4.4、车联网应用
低轨通信星座布署周期限制其在车联网的应用
车联网最初应用主要集中在安全防盗及车载信息娱乐方面，随着相关技术的发展以及人们对行车安全要求的提高，车联网在自动驾驶（感知手段）以及智慧交通管控方面起到了举足轻重的作用。
目前IEEE（电气电子工程师学会）与3GPP分别提出各自的车联网技术标准DSRC和LTE-V2X。
DSRC可以实现在特定小区域内（通常为数十米）对高速运动下的移动目标的识别和双向通信，实时传输图像、语音和数据信息，将车辆和道路有机连接。
LTE-V2X技术基于蜂窝移动通信技术，主要解决交通实体之间的“共享传感”（SensorSharing）问题。
目前主流车联网技术将卫星通信排除在外，主要是由于当前卫星通信成本高且延时高的特性，未来低轨通信星座可以满足车联网在主动安全（20-100ms）、交通效率（500ms）
以及信息娱乐（1-10s）这三类应用在延时方面的要求。
目前国家已经出台诸多政策明确支持LTE-V2X在国内的应用。
由于低轨通信星座部署周期长且车联网通信标准需要长时间制定，届时国内外车联网市场已经被LTE-V2X技术与DSRC技术占领。
卫星通信技术仅能通过汽车后市场，对汽车加装卫星通信终端，在汽车行驶至基站范围外时，提供信息娱乐和导航服务。
此外，在军方无人车自动驾驶项目中，卫星网络服务将发挥其无可替代的作用。
图表32：
车联网发展路径
图表33：
车联网技术对比
5、主要公司分析
5.1、Oneweb
Oneweb的卫星制造运营理念为后来者提供充分借鉴
Oneweb计划发射650颗卫星（包含62颗备用卫星，单颗卫星容量超过1Gbps），为全球提供互联网覆盖服务。
Oneweb计划利用平价接入低轨移动宽带星座来达到消除全球数字鸿沟的愿景。
为了达到这个愿景，Oneweb采取以下几点策略：
1.从卫星设计、制造、发射、终端造价等环节降低成本，进而降低用户使用成本；2.采用中立网络架构，“天星地网”组网方式，与3GPP技术完全兼容，使得Oneweb可以在全球任何位置任何监管环境下使用；3.用户终端采用热点覆盖形态将卫星调制解调、地面蜂窝网络、Wifi热点集成为一体，不改变用户现有使用习惯。
图表34：
Oneweb卫星网络系统及运营策略介绍
Orbcomm系统是全球第一个广域、分组交换、双向短数据低轨小卫星通信系统。
第一代Orbcomm卫星系统（OG1）空间段由47颗LEO卫星（其中6颗用作备用）围绕7个轨道面组成；第二代Orbcomm卫星系统（OG2）空间段共计17颗LEO卫星。
相较OG1，OG2单颗卫星在容量（6倍）和速率（2倍）方面均有较大提升，此外OG2卫星配备自动识别系统（AIS）有效载荷，可接收与报告来自配备AIS的海上船只的信号。
Orbcomm于2018年获得监管部门批准进入中国市场，并将在中国建立网关地面站。
国内卫星物联网处于发展早期阶段，是蓝海市场。
Orbcomm产品成熟，服务稳定，此时进入国内市场将对众多尚处于发展早期的国内卫星物联网服务商造成较大冲击。
图表35：
Orbcomm主要服务领域
图表36：
Orbcomm业务开展方式
图表37：
2013-2018年Orbcomm主营业务收入
5.2、银河航天
互联网思维使银河航天采取自主研制自主运营的发展模式
银河航天计划发射上千颗卫星，打造一个覆盖全球的天地融合5G通信网络。
系统采用5G标准，与地面5G网络透明连接，可让用户无感切换天地5G网络；亦可为地面5G基站提供数据回传等服务。
银河航天采用自主研制自主运营的发展模式，原因包括：
1.体制内能够满足银河航天星座系统要求的卫星供应商报价太高；2.现有民营卫星平台和载荷制造商相关能力无法满足需求；3.自主研制可最大程度降低研制和制造成本。
图表38：
银河航天未来发展规划
图表39：
银河航天降低成本方式
5.3、九天微星
卫星物联网与航天教育双轨发展，企业造血能力充足
在从事卫星通信的商业航天企业中，九天微星选择了一条风险最小但市场空间相对较大的路径。
企业发展航天教育业务，在发展初期即可实现“自身造血”；发展卫星物联网业务，对前期投资要求较低，且可在组网早期阶段提供商业服务，同时可以验证商业模型以帮助企业进行更好融资。
目前九天微星已形成从卫星设计研制、通信系统到行业应用的商业闭环。
九天微星将于2019年底发射四颗物联网卫星，重访周期4小时，部分地区实现覆盖、可以满足部分行业客户的需求。
公司计划于2022年完成72颗物联网卫星在全球的部署。
目前九天微星已经开发出针对卫星通信、LTE、NB-IOT的物联网终端。
图表40：
九天微星发展历程图
图表41：
九天微星物联网解决方案
6、发展策略
6.1、运营伙伴选择
基础电信业务经营许可证将程度决定卫星通信公司运营模式
低轨移动星座全球覆盖，如无法全球运营，势必会造成资源浪费。
Oneweb的本地化运营策略是由本地电信运营商直接向用户提供服务，选择该策略的原因包括：
1.借助本地电信运营商的资源，获得当地运营落地许可相对容易；2.借助本地电信运营商积累的用户资源，打开市场相对容易。
广电或成为卫星通信企业选择合作的电信运营商，原因有三：
1.与传统三大运营商合作，话语权太低，很难掌握合作主动权；2.与卫通合作，业务重合度太高，造成资源浪费，很难体现公司价值；3.广电取得5G牌照后必然将与传统运营商在诸多方面进行竞争，此时企业与广电的能力互补，将为会为双方带来更大的价值，同时创
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