从频率维度看低轨宽带卫星网发展.pdf

通信行业专题报告 请务必阅读正文之后的免责声明 渤海证券股份有限公司具备证券投资咨询业务资格 1 of 23 Table_MainInfo 从频率维度看低轨宽带卫星网发展 通信行业专题报告 2020年4月3日 Table_Summary 投资要点： 低轨卫星移动通信系统将迎来爆发期 近年来，低轨卫星移动通信在技术突破和应用需求增强的促进下，形成了快速发展的趋势。由于低轨道卫星重量轻，卫星数量大，覆盖范围广，研发迭代周期短，成本低廉，便于组网。低轨卫星通信系统组成的星座可以实现真正的全球覆来保证无线通信系统的质量和高可靠性。同时多址、点波束、频率复用等技术已经为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。目前国外的星链计划和OneWeb星座、国内的鸿雁星座和虹云星座都已经正式进入实施阶段，一旦完成部署，可满足全球宽带互联网用户的规模化接入需求，也可满足应急通信、传感器数据采集以及工业物联网、无人化设备远程遥控等对信息交互实时性要求较高的应用需求，从而构建以卫星通信为基础的太空互联网。 频率资源将是低轨卫星竞争的关键因素之一 在航天领域，频段轨道资源是一种有限的自然资源，卫星公司需要采取申报的方式向相关机构申请使用资格。国际规则中的轨道资源主要以“先到先得”的方式分配，后申报方不能对先申报国家的卫星产生不利干扰。低轨卫星要提供通信服务需要组网。低轨卫星星座由众多小卫星组成，当一部分卫星无法工作时，公司可以发射新的卫星进行补网，不会将整个资源让给别家。所以在低轨星座领域，资源的竞争更加激烈。未来发展的过程中，在频率资源的使用方面，太空互联网的设计上将以更多的技术创新，开辟更多可用的资源，这是比较有效的一种方式。 国内低轨卫星行业发展演进加快 经过多年的发展，我国的通信卫星在承载能力、输出功率、使用寿命、灵活性以及适应性等方面取得了显著的进步，我国卫星制造水平已达到国际先进水平。卫星制造水平的提升使得通信卫星运营商能够提供的通信容量不断增大，单位服务成本不断降低，也降低了用户的使用成本，卫星应用范围将大幅拓展，卫星通信的产业规模也将进一步扩大。由于空间频率资源有限，目前主要使用的C、Ku 和Ka 频段将无法满足不断增加的卫星通信需求，因此业界也正在开发频率更高的Q频段和V频段。同时太赫兹频段也在加紧开发中，可提供超大容量以及 10Gbps 以上的高速传输。多波束天线使用大量的点波束实现广域范围覆盖，可用带宽被分为很多个子波段，从而在大量空间独立的点波束之间可以实现每个子波段的复用，显著地增加了频谱利用率和卫星通信容量，是发展低轨宽带卫星通信系统的关键技术。作为我国优先发展并能促进国民经济增长方式转变的基础性行业，通信行业的支柱作用以及战略地位将使其长期保持稳定增长的发展态势，而通信低轨宽带卫星运营行业亦将随着通信行业的发展获得更为广阔的市场空间。 风险提示：低轨卫星频率资源申请不及预期，国内卫星行业政策不及预期。 行业研究 证券研究报告 专题报告 Table_IndTeam 专题研究小组 徐勇 SACNO：S1150516060001 150010-68104602 xuyongbhzq Table_Contactor Table_IndInvest 子行业评级 通信运营 中性 电信服务 看好 设备与服务 看好 Table_StkSuggest 通信行业专题报告 请务必阅读正文之后的免责声明 2 of 23 目 录 1. 低轨卫星移动通信 . 4 1.1 低轨道卫星移动通信系统特点 . 4 1.2 低轨道宽带卫星已经初见成型 . 5 1.3 低轨道卫星移动通信系统产业生态 . 7 1.4 低轨道卫星物联网应用. 8 2. 频率资源对低轨宽带卫星的发展至关重要 . 10 2.1太空互联网是低轨卫星系统的演进方向 . 11 2.2 从频率资源看太空互联网发展趋势 . 12 2.3太空互联网产业链状况 . 13 2.4卫星通信产业中的频率状况 . 14 3. 低轨宽带卫星通信相关公司 . 15 3.1卫星行业发展趋势. 15 3.2 低轨卫星通信相关公司. 16 3.2.1 吉利布局卫星领域 . 16 3.2.2 银河航天 . 17 3.2.3 中国卫通 . 18 3.2.4 中国卫星 . 19 通信行业专题报告 请务必阅读正文之后的免责声明 3 of 23 图 目 录 图1：低轨道卫星星座示意图 . 4 图2：太空探索公司星链项目卫星 . 5 图3：OneWeb卫星状况 . 5 图4：鸿雁卫星星座通信系统 . 6 图5：OneWeb构建的卫星通信生态 . 8 图6：OneWeb卫星制造工厂 . 8 图7：天启星座通信系统终端 . 10 图8：吉利卫星概念图 . 16 图9：吉利卫星智能AIT中心 . 16 图10：“银河一号”宽带通信卫星 . 17 通信行业专题报告 请务必阅读正文之后的免责声明 4 of 23 1. 低轨卫星移动通信 低轨道卫星通信系统由低轨道卫星和主控站，关口地球站，移动地球站（车载站、船载站、机载站等），手持机以及无线电定位终端等组成。低轨道卫星星座是指十几颗至几十颗低轨道运行的小型卫星，绕地球在经度上距离相等的若干个轨道面旋转，作为移动通信中继站，对地面形成无线蜂窝覆盖，把整个地球表面都覆盖在内，可提供电话、传真、数据、寻呼及无线电定位等业务。 图1：低轨道卫星星座示意图 资料来源：互联网 渤海证券 1.1 低轨道卫星移动通信系统特点 低轨道卫星一般距地面约 1000km，空间传输损耗较小。卫星形成的覆盖小区在地球表面很快移动，绕地球一周约需2小时。在低轨道上运行的卫星，距地面的高度是变化的，每颗卫星的覆盖面积也在改变,所以在切换和覆盖需要进行调整。 由于低轨道卫星一般只有几百公斤重，研发迭代周期短，成本低廉。卫星用小型火箭就能发射，这也为及时更换有故障的卫星提供了便利，对保证通信系统的质量和高可靠性有利。低轨道卫星通信的优点在于：一方面卫星的轨道高度低，使得传输延时短。路径损耗小，卫星数量大，覆盖范围广，组成的星座可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效；小卫星多采用 Ka/Ku 频段，系统容量大，如OneWeb公司的单星容量5.8Gbps，系统总容量超71Tbps；另一方面蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障，聚焦宽带移动互联网服务；接收终端小型化、智能化，可以有效的降低成本，快速实现普及。所以低轨道卫星系统也是未来6G通信的建立的重要技术基础。 通信行业专题报告 请务必阅读正文之后的免责声明 5 of 23 1.2 低轨道宽带卫星已经初见成型 低轨卫星通信系统在上世纪末已经有了铱星、全球星等语音卫星通信系统实例，同期还有多个中低轨道通信系统的计划构想，如微软的 Teledesic 星座构想、欧洲的“天桥”星座构想。但由于铱星设想中的高收入群体市场并不存在，高定价策略使之失败。因此后期大部分星座设想还停留带构想阶段，并没有实施。二十年后，随着对卫星通信架构、频率分配、接入方式、干扰、信号衰减、资费等方面的研究深入，同期的应用需求也逐步培养起来，新一代的低轨道宽带卫星系统已经正式开始启动建设，当前的低轨宽带星座把自己的市场定位明确地界定在普通消费群体上。低成本小卫星技术和新型火箭发展带来的发射价格的降低，为这一市场定位提供了有力的支撑。这意味着卫星宽带服务的价格，可以降低到普通消费者承受范围之内。目前大规模（500 颗以上在轨卫星的星座）全球低轨道星座建设中，有 Oneweb、星链、波音星座、三星星座，其余低轨通信星座计划的规模均不超过300颗。 在当前低轨道卫星通信系统中，美国的太空探索技术公司推出的StarLink星链计划，计划发射 42000 颗高中低轨卫星实现全球组网，并计划在 2020 年前发射12000颗，配套建设100万个接入型地面站和6个卫星网关站，其中第一阶段将有 4425 颗卫星被发射到距地面 1110km 至 1325km 低轨道，形成对全球的无线网络信号覆盖。而剩余的7518颗卫星将发送到距地面335km至346km的低轨，这部分卫星主要用来为人口稠密地区提供足够的带宽和保证数据传输的低延时。目前，太空探索技术公司已经完成3批次的“一箭60星”发射。 图2：太空探索公司星链项目卫星 图3：OneWeb卫星状况 资料来源：互联网 渤海证券 资料来源：oneweb公司 渤海证券 通信行业专题报告 请务必阅读正文之后的免责声明 6 of 23 此外，法国阿尔卡特公司在本世纪初提出的“天桥”星座受到铱星破产的影响而停滞，不过系统设计和频率申请工作已经完成。OneWeb公司收购了这部分资产重启“天桥”的星座建设，其中主要包括大规模星座、采用 Ku 频段来兼容现有卫星通信终端等等。这个唯一有机会与 SpaceX 在近地轨道宽带卫星领域进行竞争的 OneWeb 目前已经陷入资金困境，宣布破产。目前 OneWeb 已经发射升空74颗卫星，这些卫星虽然还未完成最终的组网应用，但也是该公司最具价值的资产之一。同时 OneWeb 发射的卫星已经占据了一部分轨道资源，拥有了国际电信联盟(ITU)正式授权的部分Ku频段资源，这是有价值的资产。此外，OneWeb 的市场主要为星座互联网，想要覆盖目前全球难以接入互联网服务的地区。截至2019 年底，商业业务拥有 116.5 万个可计费用户，其中物联网数据用户为 80.2万个，占比达68.84%。物联网数据营收在2019年达到约9644万美元，可为客户提供运输、重型设备、自然资源等领域的物联网服务。 图4：鸿雁卫星星座通信系统 资料来源：互联网 渤海证券 国内方面，低轨卫星移动通信与空间互联网系统主要有中国航天科技集团推出的鸿雁星座，这是由中国航天科技集团联合中国电信、中国电子、中国国新等企业组成的东方红卫星移动通信有限公司实现运营的，是我国投资规模最大的国家级商业航天项目，主要依托东方红卫星移动通信有限公司开展建设和运营。“鸿雁星座”一期预计投资 200 亿元，在 2022 年建成由 60 颗卫星组成的通信网络；二期计划到 2025 年部署 320 颗卫星，构建“海、陆、空、天”一体的卫星移动通信与空间互联网接入系统，实现全球任意地点的互联网接入，提供面向全球的各类移动通信服务。目前“鸿雁星座”首颗试验卫星“重庆号”已于 2018 年底成功发射，并计划在明年7月再发射两颗试验卫星，对空间互联网系统关键技术进行通信行业专题报告 请务必阅读正文之后的免责声明 7 of 23 在轨验证，对移动通信、宽带互联网、物联网、导航增强等功能进行示范验证，对商业模式展开积极探索。 同时航天科工集团也开始实施虹云星座，在 1000公里高度计划部署 156颗卫星计划 2022 年完成，构建一个星载宽带全球移动互联网络，实现网络无差别的全球覆盖。整个虹云工程被分解为“1+4+156”三步。第一步计划在 2018 年前，发射第一颗技术验证星，实现单星关键技术验证；第二步到“十三五”末，发射4 颗业务试验星，组建一个小星座，让用户进行初步业务体验；第三步到“十四五”末，实现全部156颗卫星组网运行，完成业务星座构建。虹云星座的用户群体主要是集群的用户群体，包括飞机、轮船、客货车辆、野外场区、作业团队以及一些偏远地区的村庄、岛屿等。无人机、无人驾驶行业等。虹云星座以其极低的通信延时、极高的频率复用率、真正的全球覆盖，可满足中国及国际互联网欠发达地区、规模化用户单元同时共享宽带接入互联网的需求。同时，也可满足应急通信、传感器数据采集以及工业物联网、无人化设备远程遥控等对信息交互实时性要求较高的应用需求。 除了国防科工系统正在建设的低轨道卫星外，国内航天市场中的民营公司也在积极布局低轨卫星通信市场，如银河航天，该公司致力于通过敏捷开发、快速迭代模式，规模化研制低成本、高性能小卫星，打造全球领先的低轨宽带通信卫星星座，建立一个覆盖全球的天地融合通信网络。银河航天的中国首颗通信能力可达10Gbps的5G低轨宽带卫星已经正式出厂，将于2020年1月发射升空。该卫星200公斤量级，是银河航天自主研制的首颗Q/V频段卫星，运行轨道高度为1200千米，单星可覆盖30万平方公里。银河航天的战略是构建“太空互联网”，未来公司将规模化研发和生产低成本、高性能的 5G 卫星，构建太空互联网，让 5G卫星网络连接地球的每一个角落。 1.3 低轨道卫星移动通信系统产业生态 在全球商业通信卫星发展迅速的今天，提前布局卫星频率轨道至关重要。低轨宽带通信卫星可以解决全球网络覆盖和接入的难题，飞机上刷短视频、拨打视频电话等应用场景有望借助低轨道宽带卫星系统实现，同时低轨宽带通信卫星还将为电视直播记者、金融从业者等对时间同步要求严格的人群，带来更便捷的体验。可以预计的是，低频段资源需求必将快速持续增长，资源变得日益紧张。 低轨道卫星通信系统要在短时间内部署上千颗卫星，其规模和复杂没有先例，远超当年的铱星系统，这对于航天制造和发射服务业来是一次考验。其代价是未来通信行业专题报告 请务必阅读正文之后的免责声明 8 of 23 低轨道卫星系统能不能正常运营的重要因素。如Oneweb公司部署完卫星要实现运营，其盈利能力也需要在 20272028 年间才能达到盈亏平衡。目前在低轨道卫星通信系统的前期部署的方式有两种不同的方式，一种是把尽量多的合作对象拉进框架内，承担从卫星制造到最终客户运营的各项分工。这样在部署过程中，技术协调、质量控制和成本控制的复杂度大大提升。不过，一旦系统部署到位，就会得到国际移动卫星公司、各合作电信运营商和零售商的支持，卫星网络很快能投入运营，后期的渠道和回款等经营都不成问题。另一种方式由一家公司完成卫星的制造、发射，终端制造和业务运营。这在卫星研制和星座部署、系统阶段有比较大的优势，星链很快能部署完成。 因此低轨卫星移动系统在产业生态建设上需要有很多革命性的改进，最重要的一点是建立卫星通信的生态，将卫星制造公司、拥有轨道和频率等资源的通信卫星公司、具有运营资源的电信运营商，卫星通信服务需求方以及风险资本方构建成一个良好的产业闭环。这种产业链一体化的生态对于低轨卫星移动通信来说，已经成为一种重要的建设途径。例如Oneweb星座已经得到来自制造商、运营商、渠道和零售商的一致期待和支持。 图5：OneWeb构建的卫星通信生态 图6：OneWeb卫星制造工厂 资料来源：互联网 渤海证券 资料来源：互联网 渤海证券 1.4 低轨道卫星物联网应用 物联网是是互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。通过物联网可以收集各类数据信息，聚集成大数据，重新优化现有社会的各类生活场景，实现物和物相联。城市物联网有 NB-IoT、5G，作为支撑，偏远地区即地基网络接入市场广大盲区，只有依靠低轨道卫星物联网。 当前卫星物联网在以下五个方面突破：1）助力“一带一路”信息互联互通。物通信行业专题报告 请务必阅读正文之后的免责声明 9 of 23 联网星座相对低成本、部署周期短，可以在“一带一路”的航运、工程建设、能源、物流等领域为早期物联网应用提供基本条件，占据市场先机。2）助力5G万物互联。目前，占地球表面60%以上的海洋区域、绝大部分航空飞行空域，以及我国超过70%的陆地没有信息接入能力，以天启卫星物联网系统为代表的天基网络是5G时代物联网的必要补充。3）助力生态环境保护。卫星物联网系统可以实现对水体、冰川、空气质量、土壤等污染情况，化学品泄漏和溢出，海藻、赤潮动态，垃圾处理等方面的环境信息实时监测和信息发布，能够使受通信手段限制的广大偏远地区同样享有信息服务，守护青山绿水。4）助力灾害预警。卫星物联网系统可对河水水位流量、农业病虫害、森林火灾、地震数据、危化品运输和储存信息、矿山瓦斯和渗水情况、泥石流、极端气象、大型建筑形变等各类信息进行监测，实现灾害预警预报的实时传输，切实提升我国防灾减灾综合能力。5）助力泛在电力物联网。对电力线路尤其是众多分布在无人区的电力设施进行监控，使政府部门及相关单位能够及时获取电力线路的状态及趋势，实现物资有效掌控。 到2020年，全球物联网接入点将达200亿个，这意味着将有超过200亿个新增重要互联对象需要建立数据链支撑。对物联网技术、应用和解决方案的B2B支出将达到 2670亿美元，全球物联网终端安装数量将超过 200亿个。而在中国，物联网产业规模已超9000亿元，年复合增长率达25%。爆发在即的产业带来的巨大需求，让全球高科技公司在商业航天领域展开激烈的科技竞争，借助低轨卫星星座实现全球互联是国际商业航天新的战略高地。预计 2025 年前，天基物联网的产值可达 5600 亿美元至 8500 亿美元。美国最权威的卫星行业咨询公司 NSR则预测，未来 10 年，亚洲将成为天基物联网收入复合增长率超过 10%的唯一区域，2022年将有1亿至2亿台物联网设备有接入卫星的需求。 中国卫星物联网计划天启星座已启动。天启卫星物联网系统由星座（均布于6 个轨道面的 36颗卫星）、卫星地面站、卫星测控中心、天启运营支撑平台、天启物联网应用平台、卫星终端等组成，是一个完整的卫星物联网应用体系。包括覆盖全球。物联网系统已经正式上线，开始为政府、行业客户提供服务，标志着中国卫星物联网已经进入实际应用的新阶段。目前已成功发射 5 颗卫星（天启 1号、天启 2 号、天启 3 号、4 号 A/B 星），并组网运行。天启星座将在诸多方面使中国物联网星座建设取得新的突破，并在2020年完成38星组网完成。天启星座的组网运营将串联起多个领域的数据采集应用，将有效解决地面网络覆盖盲区的物联网应用。具体而言：首先，卫星物联网服务能力将得到极大提升。5 星组网后的“天启星座”，时间分辨率为4-2.4小时，重返率提升到6-10次/天，极大的提高应用水平，扩展应用场景。其次，终端的功耗降低至0.1-0.5W，进一步实现终端的小型化、低功耗、低成本，从而有望大幅度降低卫星物联网应用成本，提通信行业专题报告 请务必阅读正文之后的免责声明 10 of 23 高效率。第三，卫星物联网的应用场景将得到极大拓展。5 星组网后，天启卫星物联网系统的应用场景将从煤矿水文监测、泛在电力物联网建设、海洋牧场监测管理，拓展到集装箱跟踪、渔船跟踪监测、生态环境监测、水利工程监测、动植物保护跟踪、自然灾害预警等领域。 图7：天启星座通信系统终端 资料来源：互联网 渤海证券 终端方面，天启星座则在技术上已经实现了百毫瓦级终端的突破。国内已经初步实现了终端小型化、低功耗、低成本。目前，天启通信终端销售价格量产后能够控制在500元以内，资费标准与短信相当。未来天启星座终端目标是100元级别终端，卫星通信服务就能够真正成为普遍的、大众应用行为。 当前，天启星座开展卫星物联网运用的着力点，并已取得一定成果，应用蓝海初见雏形。而在资产管理、提高海洋资源开发能力、交通基础设施安全监测、矿井油田监测、空域管理、气象监测、野生动物保护等方面，产业链上下游企业与相关部门也已经在积极开展应用探索。随着应用的日益广泛和深入，可以期待，中国的卫星物联网应用将在不久的将来，迎来真正的爆发，并成为我国经济发展的重要驱动力。 2. 频率资源对低轨宽带卫星的发展至关重要 由于低轨宽带卫星能构建宽带通信系统，且不受地球表面地理环境影响，是全球通信系统的关键组成部分，是弥补信息时代“数字鸿沟”的核心工具，由低轨卫星系统构建的太空互联网有望成为 5G 乃至 6G 时代实现全球网络覆盖的重要解决方案。