国防军工行业深度报告：天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点.pdf

东方证券股份有限公司经相关主管机关核准具备证券投资咨询业务资格，据此开展发布证券研究报告业务。 东方证券股份有限公司及其关联机构在法律许可的范围内正在或将要与本研究报告所分析的企业发展业务关系。因此，投资者应当考虑到本公司可能存在对报告的客观性深度报告 【行业证券研究报告】 国防军工行业 天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点 核心观点 体系产业支撑的廉价卫星蜂群融合通信骨干网是 StarLink计划的真正强大之处。StarLink利用高度的自制率和产业链上下游协同（卫星制造、发射、运营三位一体），以及颠覆性的设计创新（大量商用货架组件、流水线生产、火箭回收等），把卫星制造和发射成本拉低了一到两个数量级。StarLink宣传的单星制造及发射成本控制在100万美元以内，而传统的LEO轨道星座单星成本则在3000万美元以上。而低成本的“太空基站”融入5G/6G技术，使得卫星通信的性价比具备了产业爆发的基础。 我国空天商业通信产业相比 Starlink 等对手有相当差距，国家已经通过“天地一体化信息网络”进行布局，未来有望加速整合产业资源奋起直追。我国对商业卫星产业规划及低轨小卫星组网技术的探索起步相对较晚，目前国企和民营的卫星星座计划整体呈现多点开花、分兵而战的格局，与Starlink的万星规划存在产业链资源的较大差距。在制造整合和成本控制方面，诸如可复用火箭、星间链路激光通信、星群通信协议、Ku/Ka特别是Q/V波段射频器件、低成本相控阵天线、星载运算芯片等软硬件技术亟待提升和实践。差距客观存在，但空天通信产业又意义空前。回顾历史，我国前有配合大飞机专项成立的中国商飞、后有两机专项设立的中国航发，为了更快更好的调动整合国家队资源，迎战强敌，我们认为国家有必要以中国2030科技重大专项“天地一体化信息网络”为产业先导和技术布局，加速相关资源的整合。 本轮技术变革中，有产业链技术积淀且具备低成本和大产量能力尤为重要，航天科技&科工集团、中国电科集团等国家队力量有望成为中流砥柱。围绕Starlink等对手的”卫星群+5G/6G网络”，针对我们的产业和核心技术短板，配合需要的未来产业链生态模式，我们认为，类比传统的 3G/4G 通信网络，未来的国家队可能有如下分工和产业机遇：1）类似于铁塔和基站的网络基础设施，在卫星平台和发射端，除了传统卫星国家队航天五院、航天八院、航天一院外，此次航天科工二院、三江集团，凭借导弹批产、商业整星整箭制造多年布局，有望成为低成本批量星箭制造的新军，当然还有不少民营商业航天企业也将迎来前所未有的机遇；2）类似于华为和中兴，在星地空天通信端，中国电科作为“天地一体化信息网络”项目的主力，成功研制了国内第一个星基组网的低轨通信卫星。基于原有的在卫星通信（特种用户全通信骨干网、天通一号地面运控和终端）和基础器件（从射频器件、传感器、电池、到DSP等）领域的国家队优势，中国电科特别是 54所为主的电科通信和其他子集团可能发挥骨干作用并受益，中国电子集团、航天科技集团、航天科工集团等宇航器件和分系统也有望收益明显；3）为了与5G/6G的核心网和用户融合，在星网运营端已有所涉猎的中国卫通(601698，未评级)等也有望发挥重要作用。 投资建议与投资标的 建议关注并重视中国卫星(600118，未评级)、中国卫通(601698，未评级)的国家队作用和投资机会。同时中国电科特别是通信子集团的潜力不容忽视，建议关注 54所和电科通信下属的杰赛科技(002544，未评级)。此外，卫星器部件供应商有望受益，建议关注：火炬电子(603678，未评级)、航天电器(002025，买入)、航天电子(600879，增持)、振华科技(000733，增持)、中航光电(002179，买入)、雷科防务(002413，未评级)、*ST电能(600877，未评级)等。 风险提示 低轨通信卫星产业整合及建设进度低于预期 Table_BaseInfo 行业评级 看好 中性 看淡 (维持) 国家/地区 中国 行业 国防军工行业 报告发布日期 2020年03月30日 行业表现 资料来源：WIND、东方证券研究所 证券分析师 王天一 021-63325888*6126 wangtianyiorientsec 执业证书编号：S0860510120021 证券分析师 罗楠 021-63325888-4036 luonanorientsec 执业证书编号：S0860518100001 联系人 冯函 021-63325888-2900 fenghanorientsec 相关报告 国家消费的刚需，投资风格酝酿激变：从波段到持有： 2020-02-27 国产工业之花盛开，攻克大制造最后一个堡垒： 2020-02-26 大飞机可能成为中美在高端制造的新博弈，看好军工长期投资价值及空间： 2020-02-17 HeaderTable_TypeTitle 国防军工行业深度报告 天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点 目 录 一、多因素助推低轨商业卫星计划落地，国内相比欧美短板亟待提高 . 4 1.1全产业链成本是卫星通信产业实现商业化运营的最大挑战. 4 1.2硬核科技及器件的合理降级运用是成功重要因素 . 6 1.3相较于传统卫星计划，三大关键技术助力卫星+5G/6G地面蜂窝通信融合 . 9 二、我国商业低轨卫星互联网国家队需统筹布局并进行资源整合 . 10 2.1以“天地一体化信息网络”为先导和主干，国家有望从顶层设计布局空天通信产业 . 10 2.2航天五院、八院、二院、三江、中科院等有望成为星箭制造的核心力量 . 12 2.3中国电科有望成为解决卫星通信技术的核心力量 . 14 三、投资建议和产业链机会 . 17 风险提示 . 18 HeaderTable_TypeTitle 国防军工行业深度报告 天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点 图表目录 图1：猎鹰9整流罩内待发射的60个Starlink . 6 图2：Starlink氪离子推进系统 . 7 图3：Starlink太阳能电池阵 . 7 图4：我国主要国有卫星星座计划 . 11 图5：我国主要民营卫星星座计划 . 11 图6：Airbus给Oneweb的自动化卫星工厂示意图 . 13 图7：“薄膜光学即时成像器”（MOIRE）卫星 . 13 图8：航天科工二院空间工程公司的武汉卫星产业园一期建设项目主体结构 . 13 图9：MF-TDMA卫星通信系统 . 15 图10：天通一号卫星移动通信系统 . 15 图11：太阳电池阵+特别研发的锂离子蓄电池组 . 17 图12：短波红外探测器组件 . 17 表1：铱星、全球星和Starlink主要参数对比 . 4 表2：Starlink中应用的高科技 . 8 表3：中国电科“天地一体化信息网络”贡献 . 14 表4：电科通信公司概况 . 14 HeaderTable_TypeTitle 国防军工行业深度报告 天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点 一、多因素助推低轨商业卫星计划落地，国内相比欧美短板亟待提高 1.1全产业链成本是卫星通信产业实现商业化运营的最大挑战 低轨卫星的研发、制造、发射等成本高昂，已成为制约业内公司可持续发展的重要因素。1997-1999三年间，铱星（Iridium）、全球星（Globalstar）和轨道通信（Orbcomm）等卫星移动通讯公司密集发射卫星完善产业布局，但三家公司在随后三年里因成本管控不当先后申请破产保护。铱星公司66颗卫星组成的通信系统总成本共计50亿美元，持续的高成本运营不堪重负，最终由于无法偿还8亿美元贷款和9000万美元的利息而宣告破产，同期竞争对手全球星、轨道通信卫星也面临破产威胁。通过业务重组以及定位调整度过破产危机后，2017年铱星公司启动了铱星2代（ IridiumNEXT）的星座替换，同为66颗卫星的星座网络，但此次耗资30亿美元，仅为一代的60%，却有着更好的数据速率和语音质量，也兼容老一代的通信终端和业务。尽管如此，目前多数在运营的卫星通信公司，由于高昂的成本，一直只能在盈利边缘徘徊。高昂的制造、发射、运营成本一直以来是制约卫星通信系统持续盈利并实现商业化发展的主要因素。 SpaceX 和 Starlink 在成本方面创造了前所未有的颠覆性记录。拖累全球最大卫星服务公司Intelsat运营的是一颗名为Intelsat 29e (IS-29e）的故障卫星，该卫星长7米,全重6.5吨,造价4亿美元，高额成本的压力之下，该卫星一旦失效可能波及整个公司，更面临FCC拍卖C波段的窘境。基于此，Starlink计划的投资成本就显得尤为重要，摩根士丹利估算Starlink卫星制造成本100万美元/颗，发射成本5000万美元/次，猎鹰9运载能力达到60颗/次，同时SpaceX CEO马斯克和COO 格温肖特维尔透露称：在复用一级火箭和整流罩的乐观状态下，单颗 Starlink 卫星制造成本低于50万美元，单次发射成本降至1500万美元。根据这一标准，完全部署4.2万颗Starlink卫星，需投入卫星制造成本210亿美元，发射成本105亿美元。 表1：铱星、全球星和Starlink主要参数对比 时间 星座计划 单星制造成本 单星发射成本 单箭运载能力/颗 单星重量/kg 1998年 铱星一代 5139万美元 7 670 2017年 铱星二代 3750万美元 10（猎鹰9号） 860 2000年 全球星一代 3700万美元 6 450 2010年 全球星二代 1700万美元 / 68 700 2019年 OneWeb 50100万美元 / 36（联盟火箭） 125 2019年 StarLink 50100万美元 50万美元 60（猎鹰9号） 227 数据来源：卫星应用、21世纪经济报、搜狐网等，东方证券研究所整理 截至 3 月 20 日，SpxceX 将 Starlink 第六批 60 颗卫星送入轨道，预计在 2020年中向北美提供上网服务。根据 Starlink 规划，12 批次卫星发射成功后，有望在今年年中开始向加拿大和美国北部提供卫星上网服务。并在发射24个批次的卫星之后，面向全球互联网消费者提供卫星上网服务。2 月 7 日腾讯援引外媒报道，SpaceX 公司计划剥离太空互联网业务 Starlink，对其寻求 IPO。卫星频道和轨道资源作为全球稀缺资源，现已成为世界各国的争夺热点，国内近年来商业卫星产业的推进也是如火如荼。 我国卫星制造成本大幅落后于StarLink。2019年中国航天大会商业航天产业国际论坛上，国防科技工业局副局长、国家航天局副局长在2018 中国商业航天产业投资报告中披露，目前国内已HeaderTable_TypeTitle 国防军工行业深度报告 天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点 发布的星座计划达到20多项，计划涉及的卫星数量有3100多颗，批产后预期制造成本429万美元/颗。根据上述信息判断，按批产后的预期制造成本计算，国内单星造价也达到了美国的 16 倍，超过一个数量级。统筹卫星制造产业链全面协同，并发展货架级组件产品，对于国内降低卫星制造成本具有较高的现实意义和迫切性。 我国卫星发射成本大幅落后于SpaceX。我国最具商业优势之一的快舟一号甲火箭卫星发射成本1万美元/公斤，运载能力等同于1颗Starlink卫星/次，对比猎鹰9卫星发射成本0.22万美元/公斤，25万美元/颗，单颗发射成本仅为我国的1/24。各产业链成本的巨大差距（超过一个数量级）对该行业提出更为紧迫的发展要求。 图4：中美低轨卫星制造及发射成本 数据来源：公开数据，东方证券研究所整理 单次发射数量方面，我国同样大幅落后。目前最好成绩是2015年长征六号运载火箭创下的一箭20星，SpaceX 的 Starlink 计划中，猎鹰运载火箭发射能力到达一箭 60 星，如果简单看数量是我国三倍。一箭多星的发射方式充分利用运载火箭的运载能力余量，提高多任务执行能力，进一步降低成本，其中需要解决的关键技术首先是防止分离瞬间大量卫星释放时的碰撞问题，这需要为每一颗卫星制定最佳分离路线和分离时刻，实现多颗卫星“各行其道”，确保按照预定程序顺利出舱，不发生碰撞。其次是防止卫星释放过程中火箭结构角度和重心分布的变化，姿态控制系统必须在每一颗卫星的分离瞬间保证火箭飞行稳定。最后，避免不同电子内部电子设备产生无线电干扰也是技术人员必须解决的重要问题。 0100200300400500600700美国 中国单颗制造成本（万美元） 单颗发射成本（万美元）HeaderTable_TypeTitle 国防军工行业深度报告 天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点 图1：猎鹰9整流罩内待发射的60个Starlink 数据来源：凤凰网，东方证券研究所 1.2硬核科技及器件的合理降级运用是成功重要因素 根据马斯克提交美国联邦通信委员会的公开资料显示，五大高精尖黑科技将应用于卫星和火箭制造，空天与地面通信等领域，技术加持之下产业注入更强动力。 (一) 通信系统：星间链路激光通信是SpaceX保密层级最高的核心技术，有望大幅提升空天与地面数据传输速率。SpaceX 提交 FCC 的公开文件里披露了卫星性能、覆盖分析、干扰分析，碰撞风险等多维度信息，但相关细节并未进一步展示。卫星+互联网（5G/6G）大背景下，此前Mb/s级别数据传输速率已无法承载，需大幅提升至10-100Gb/s级别。激光通信作为此背景下的关键技术之一，其高频率、宽频带的独特性能，单通道的数据传输达20Gb/s以上，随着波分复用等技术的研发进步通信容量仍有广阔上升空间。 激光结合IP-less协议拉动通信速率飞速升级的同时，相关配套软硬件实现更新换代。IP-less协议中，万余颗卫星各自作为服务端的去中心化P2P通信架构与区块链技术极度吻合，激光通信在这一架构中，借助半导体激光器的超小的外形体积、极高的转换效率、结构简单等优点，其发射和接收望远镜口径更小、重量更轻、通信质量更高。我国由于起步较晚，目前在空间激光通信领域与欧美、日本等国际领先水平存在一定差距。 HeaderTable_TypeTitle 国防军工行业深度报告 天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点 图 5：Starlink提交FCC的申请报告 资料来源：FCC，SpaceX，东方证券研究所 图 6 ：NASA空间激光通信技术研究 资料来源：NASA，东方证券研究所 (二) 推进系统：Starlink 首次采用氪离子推进系统，优异性能助力商业航天高水平发展。一颗Starlink卫星配备4台霍尔离子电推，该技术推力小、比冲高。相比传统的化学推进方式，离子推力器工质质量小，在已实用化的推进技术中最为适合长距离航行。相比氧化化合物的推进剂，离子推进剂质量更轻，这对于极致追求发射成本和在轨成本的商业航天至关重要，也对美国的航天工业产能提出了挑战，有报道称 6 次发射 360 颗卫星所需的 1440 台霍尔电推已超过美国航天工业一年的产能。 (三) 能源系统：单个太阳能电池阵设计，转换效率高同时极大简化系统。马斯克在 Starlink 计划上依然坚持钟爱的“第一原理”：卫星通信本质上是卫星所能产生的太阳能利用效率的问题。Starlink 单个太阳能电池阵中，卫星太阳帆板砷化镓电池片转换效率为 3035%，组件厚度小于 1 毫米，具备良好高能量密度以及特殊环境耐受性能，标准部件的使用简化了制造和集成过程。 图2：Starlink氪离子推进系统 图3：Starlink太阳能电池阵 数据来源：澎湃新闻，东方证券研究所 数据来源：澎湃新闻，东方证券研究所 HeaderTable_TypeTitle 国防军工行业深度报告 天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点 (四) 运载火箭：高科技加持引发讨论，传统火箭发射产业迎来颠覆性变革。SpaceX 火箭因其脑洞大开的技术在航天界产生诸多讨论，争议主要集中在回收技术和多发动机控制技术，三个猎鹰 9 号火箭组成的猎鹰 9 重型火箭,共计搭载 27 台发动机,这是人类从未持续成功过的设计。SpaceX 通过增加火箭有效载荷和复用次数，充分节约商业成本，正在深刻影响着传统火箭发射产业。 (五) 射频技术：Starlink向Q/V频段发起冲击，相控阵射频技术面临提性能降成本的新挑战。由于通讯容量和资源频率有限，Starlink 的通信波段正在实现从传统 Ku/Ka 波段到 Q/V 波段的过渡，Q/V 波段资源丰富，V 波段仍然有大量的连续大宽带可选择使用，由于雨衰现象的存在，技术实现对星上射频器件的要求也进一步加大，首批 Starlink 卫星底部安装的 4 套相控阵天线系统，可以实现极高的数据量发送和转发，同时据称成本也相比常规容量通信卫星低一个数量级。 图 9：猎鹰9重型火箭共计搭载27台发动机 资料来源：澎湃新闻，东方证券研究所 图 10：Starlink卫星底部安装的四块相控阵天线 资料来源：澎湃新闻，东方证券研究所 硬核科技之外，商用现货产品的合理降级运用大幅降低制造成本，也是关键之一。电子元器件按照温度、抗辐射、抗干扰、精密度等维度，大致分为5类：商业级、工业级、汽车工业级、军工级、宇航级。由于商用器件随着半导体技术的突飞猛进，以及航天器对微电子性能要求的提高，通过系统设计的方式，在可接受、预测、控制的范围内降级使用COTS（Commercial-Off the Shelf，商用现货产品）是重要的研究方向，20 世纪90 年中期至现在，COTS 器件的空间应用研究处于全面发展阶段，而我国由于传统航天对成本不够敏感，该领域尚处于起步阶段。 表2：Starlink中应用的高科技 技术手段 贡献 星间链路激光通信 大幅提升星间数据传输速率 霍尔离子电推 高比冲、低成本契合商业航天发展趋势 单个太阳能电池阵 充分实现尽可能高的能量转化效率 SpaceX火箭 复用回收以及多发动机控制技术使发射成本数量级下降 相控阵射频 开发高频波段更为丰富的可用资源 数据来源：中国航天报、搜狐网等，东方证券研究所整理 HeaderTable_TypeTitle 国防军工行业深度报告 天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点 1.3相较于传统卫星计划，三大关键技术助力卫星+5G/6G地面蜂窝通信融合 除了卫星和火箭制造，这一轮商业低轨卫星计划和上一轮商业卫星计划相比，更主要区别是和5G/6G地面蜂窝通信技术的融合，这方面也有几项关键技术： (一) 空中接口传输技术融合5G推动天地一体化进程，5G标志性技术适用性面临挑战。卫星网络在规划之初便纳入 5G 整体框架，但目前 3GPP、IMT-2020 等组织工作仍有待进一步推进。天地一体化信息网络依靠空中接口传输技术简化终端和芯片成本，降低网络切换时上下游的开销，部署星地频谱，实现星地融合。其中 MIMO 等 5G 标志性技术由于天线阵元几何间距有限、收发信号相关性强，很难获得规模效益，域码方案的复杂性也限制了用户在高速运动卫星间的快速切换。 (二) 基于“大时延带宽积”的端到端传输控制和拥塞管理技术重要性愈发凸显。首先，天地一体化网络具有显著的“大时延带宽积”特性，它所提供的对空间用户的微波或激光中继，用户速率可达2.5 Gbit/s甚至更高。其次，卫星通信本身具有大时延特征，叠加随着“跳数”增大不断增加的星座路由时延，来自不同区域的业务在落地时的时延上将具有显著的差异。最后，星上用于排队缓冲的存储器相对地面非常有限，使得每个节点面对突发、拥塞时存在更大的分组丢失风险。 (三) 边缘计算技术化解数据传输处理矛盾，所涉相关技术仍需突破。目前规划的天地一体化信息网络的带宽资源有限，若大量数据经过网络回送后方服务器，其带宽开销、时延和费用均难以接受。边缘计算技术将数据通过身边的“节点”进行计算、抽象、存储和压缩，从而减小向内传输以及组织内节点计算带来的开销，同时减轻云端处理数据带来的安全问题，但该技术仍需在面向多种异构边缘节点复杂环境的应用可编程性、命名规则、数据抽象、服务管理、数据隐私保护以及相关科学理论等领域取得突破。 这一轮低轨商业卫星计划的发展最深刻的改变在于资本和企业家都意识到若不与主流民用通信在网络和客户端进行融合，卫星互联网存在的价值将很难真正实现。 HeaderTable_TypeTitle 国防军工行业深度报告 天地一体卫星互联网，下一代通信技术赛点 图 11：空天接口传输技术示意图 资料来源：天地一体化网络和空中接口技术研究，东方证券研究所 图 12：天地一体化中边缘计算技术示意图 资料来源：基于SDNNFV的天地一体化网络架构研究，东方证券研究所 二、我国商业低轨卫星互联网国家队需统筹布局并进行资源整合 针对低轨卫星互联网，我国其实早有顶层举国体制设计。16个国家科技重点专项和科技创新2030重大项目为重构我国的商业低轨卫星互联网国家队指明了方向和措施。 2.1以“天地一体化信息网络”为先导和主干，国家有望从顶层设计布局空天通信产业 我国共有 16个科技重大专项，旨在完成国家战略目标。国家科技重大专项是通过核心技术突破和资源集成，在一定时限内完成的重大战略产品、关键共性技术和重大工程。国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）确定了16个重大专项（其中10个为民口，6个为军口），这些重大专项是我国到2020年科技发展的重中之重。其中包括核心电子器件、高端通用芯片及基础软件，极大规模集成电路制造技术及成套工艺，新一代宽带无线移动通信，高档数控机床与基础制造技术，大型油气田及煤层气开发，大型先进压水堆及高温气冷堆核电站，水体污染控制与治理，大型飞机，高分辨率对地观测系统，载人航天与探月工程等核心技术产业。 科技创新 2030 重大项目是国家科技重大专项的延续，以 2030 年为时间节点。科技创新 2030 包括航空发动机及燃气轮机、国家网络安全空间、深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统、煤炭清洁高效利用、智能电网、天地一体化信息网络、大数据、智能制造和机器人、重点新材料研发及应用，以及即将加入的“人工智能2.0”等重大项目。其中，航空发动机和燃气轮机专项和新一代人工智能项目已全面启动，量子通信和量子计算机、脑科学与类脑研究、深海空间站以及“天体一体化信息网络”已实施方案编制和评审。 “天体一体化信息网络”是科技创新2030重大项目之一，方案论证由中国电科牵头。天地一体化信息网络由天基骨干网、天基接入网、地基节点网组成，并与地面互联网和移动通信网互联互通，建成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系。建成后，将使中国具备全球时空连续通信、高可靠安全通信、区域大容量通信、高机动全程信息传输等能力。天地一