空天互联网观察系列之一：通导融合，从StarLink看北斗与空天互联网将大力发展.pdf

请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 行业研究 Page 1 证券研究报告 动态报告 /行业快评 通信运营 空天互联网观察系列之一 超配 2020 年 06 月 14 日 通导融合，从 StarLink 看北斗与空天互联网将大力发展 证券分析师： 程成 0755-22940300 chengchengguosen 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980513040001 事项： Table_Summary 6月 10 日， 北京发布北京市加快新型基础设施建设行动方案 (2020-2022年 ) (以下简称方案 )。在重点任务方面，该方案明确指出推动卫星互联网技术创新、生态构建、运营服务、应用开发等，推进央企和北京创新型企业协同发展，探索财政支持发射保险补贴政策，围绕星箭总装集成、核心部件制造等环节，构建覆盖火箭、卫星、地面终端、应用服务的商业航天产业生态，优化和稳定“南箭北星”空间布局。 6 月 6 日， 中国联通与华为在北京签署空天地一体化战略合作协议。中国联通网络技术研究院携手华为公司联合搭建并演示了基于 MEC的低轨卫星 -5G融合业务演示平台。在未来双方将在低轨卫星与 5G网络融合技术和方案方面开展合作，探索基于空地联合的卫星物联网、卫星车联组网等业务应用，共建产业生态。 同日 中国联通网研院副院长迟永生与银河航天合伙人张世杰分别代表公司签署空天地一体化战略合作伙伴协议，北京市民有望率先体验卫星互联网。 在此之前，中国联通集团旗下的联通航美就正式对外发布了卫星互联网业务。该业务包括了，沃星海、沃星陆、沃星空、沃星图四大卫星系列产品，旨在为政府企业客户展示了中国联通在天、地、海一体化的应急通信服务能力。 5月 7日， 上海市公布未来三年的新基建行动方案（上海市推进新型基础设施建设行动方案（ 2020-2022）。其中作为新一代网络基础设施，卫星互联网被列入该行动方案之中。在该行动方案中，上海市提出了新网络、新设施、新平台、新终端 4大建设行动 25 项建设任务，“ 卫星互联网基础设施建设”属于 25 项建设任务之一。 4 月 20 日，国家发改委首次将“卫星互联网”纳入新基建，预示着我国卫星互联网将进入加速发展的新阶段。 北斗三号最后一颗卫星，即第五十五颗北斗导航卫星（ Beidou GEO-3）预计将于北京时间 2020 年 6 月 16 日 10 时 30分至 11 时 00 分之间择机发射。届时可能会有现场直播。本次将搭载长征三号乙火箭，将在四川西昌卫星发射中心发射。 国信 通信 观点： 美国的 Starlink进展顺利， 6月 4日已经发射了第八批卫星，目前在轨卫星总数达 480 颗 ， 从卫星在轨情况 、 覆盖特性 、 业务时延 、 通信容量看，未来空天互联网极具发展潜力。我国也高度重视空天互联网发展，新基建中确立了卫星互联网发展目标。同时国内两大卫星产业重镇北京和上海，在其新基建行动方案中也明确了卫星互联网发展战略，相关产业集群有望迎来发展机会。 而中国版空天互联网缺少不了北斗的支持， 通导融合 将加速实现，空天互联网成为北斗又一重要应用领域。国内北斗产业链也将迎来又一轮发展机会。 重点 关注 ： 中国联通 、 华力创通 、 海格通信 、 中海达等 。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 2 评论： 中国版空天互联网箭在弦上 美国的 Starlink 进展顺利， 6 月 4 日已经发射了第八批卫星，目前在轨卫星总数达 480 颗 。 国内也高度重视空天互联网基础设施建设，发改委在新基建规划中也明确加入了卫星互联网的发展目标。北京上海作为我国卫星产业重镇，提出了更加具体的规划，在未来三年的新基建行动方案中给出了卫星互联网相关发展措施。 其中北京坐拥传统卫星产业总部优势，积累深厚，更提出了央企与北京创新型企业协同发展，各自发挥优势。特别是中国联通开始发力卫星业务，不仅仅推出更多卫星终端，更是与华为和银河航天等签署“空天地一体化”战略合作协议，并推出 空天地一体化通信网络白皮书 ，通过相关行 业应用牵引，加速空天地一体化融合进程。 而值得重视的是上海相关卫星产业集群的发展。上海拥有中科院 上海微系统与信息技术研究所 和 中国科学院微小卫星创新研究院 等科研单位，在小卫星领域具备技术优势，相关产业链企业活力强，政府投入大，高度重视新一代网络基础设施建设，近期的数据中心建设情况超预期，也可以看出上海市政府对发展新兴产业的决心。 从各种层面上看，国家高度重视中国版卫星互联网，未来会大力投入，并且又从北斗系统和天通系统建设和运营中积累了卫星产业化经验，中国版的空天互联网呼之欲出。 空天互联网将加速实现通导融合，北斗相关产业链也将受益。 通过北斗终端系统研制经验可知，北斗导航终端在启动过程中，搜星是非常占用时间的 ，一般来说首次捕获时间将超过2分钟。绝大部分终端都需要通过发送星历的方式来提前预判卫星位置，缩短定位时间，甚至需要 A-GPS和 A-北斗等辅助定位系统来辅助实现快速定位，从而实现在几秒内定位。在空天互联网的使用场景中， LEO 小卫星比传统的北斗 MEO卫星速度更快，提供服务时间更短，如果不能给出卫星的位置信息以及终端所在位置的信息，快速通信根本不可能，给未来的地面空天互联网终端提出了 更高的要求。 幸好中国有北斗系统，可以在空天互联网终端启动接入网络时，提供相关卫星信息和终端位置信息。而未来空天互联网终端应该大规模采用相控阵天线技术，通过得知卫星和终端位置，可以快速指向 LEO 小卫星，免去了搜星这种启动时间过长的步骤，更能提供自主可控的能力，使得整个卫星通信流程更加安全。 同 时这些老牌北斗厂商也一直是卫星通信终端的供应商，比如海格通信和华力创通一直提供军用的卫星通信终端，北斗星通运营海上北斗短报文平台业务多年等。 5 月 26 日，华力创通与银河航天和信通院携手完成了 5G 信号体制在低轨卫星星座上应 用的技术实验， 优化的 5G 信号体制单终端峰值通信速率为 900Mbps， 而 Starlink 的 单终端 /波束的速率 仿真结果 为 674.3Mbps（波束边缘处） ，当前中国小卫星卫星传输速率 达到世界领先水平。华力创通主要承担了系统有关专用测试设备、仪表和测试信号处理的研制研究，为该系统的产业化发展和保证系统的安全稳定运行，提供了关键技术支撑。 随着北斗在国内渗透率全面提升，空天互联网又为北斗添加一重要场景，打开新的市场空间。 美国在干什么： Starlink进展顺利 我们按照几个方向阐述下目前 Starklink 最新进展。 1、 Starlink 星座卫星在轨 情况。 2、 Starlink 星座的覆盖特性。 3、 Starlink 星座的 业务时延。 4、 Starlink 星座 的通信 容量。 1、 Starlink星座卫星在轨情况 2020年 4月 23 日， SpaceX 发射第七批共计 60 颗星链（ Starlink）卫星，也使得星链星座在轨卫星达到 420颗。 截止 2020年 4月 30 日， Starlink 星座在轨卫星 417颗。当前，已有 37%（ 155颗）卫星进入预定轨道，其余 63%请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 3 基本上都处于轨道爬升过程。卫星在轨运行轨道高度如下图所示： 图 1： Starlink 卫星在轨高度 图 2： Starlink 卫星在轨高度分批次统计 资料来源： 天智网络仿真测试床 ，国信证券经济研究所整理 资料来源： 天智网络仿真测试床 ，国信证券经济研究所整理 由图中可看出，第一批卫星都没有进入预定轨道高度， 2/3的卫星处于 500540km 轨道高度上。与之对比，第二批已有96.7%（ 58 颗）卫星进入预定轨道，而第三批和第四批有近 2/3（ 39 颗）卫星进入预定轨道。第七批卫星由于刚发射，全部处于 300400km 高度上。 Starlink 卫星由猎鹰 9火箭发射入轨时，并不会直接将其送入预定的 550km 轨道，而是送入位于 300km 左右的轨道，之后通过星上氪离子推进器进行轨道爬升进入预定轨道。 图 3： Starlink 卫星氪离子推进器 图 4： Starlink 卫星轨道变化过程 资料来源： Starlink 官 网 ，国信证券经济研究所整理 资料来源： 天智网络仿真测试床 ，国信证券经济研究所整理 Demo版本卫星初始轨道高度较高，约 440km，正式版本卫星初始轨道高度较低，约 300km。 Demo版本卫星爬升过程不够平滑，且较多卫星在进入预定轨道后出现轨道下降，猜测可能是入轨后进行变轨能力测试，也可能是能源系统或氪离子推进系统工作不够稳定导致。相比而言，正式版本卫星轨道爬升速度更均匀，卫星进入预定轨道后也可稳定在 550km轨道上，这表明 Demo版本中的问题基本解决。 15444621551卫星在轨高度300-400km400-500km500-540km540km300km请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 4 同一批次发射的 60 颗卫星进入预定轨道的过程是分组进行的。且由第二批次 60 颗卫星爬升过程，可看出是分了三组。从轨道高度 300km 开始爬升至预定 550km 高度，用时 42.1天，平均爬升速 度 5.9km/day。三组卫星轨道爬升速度基本一致，也可看出 Starlink 卫星在氪离子推进器及相关控制系统方面已较为稳定。 第二批中 不同组间轨道爬升间隔期约 40 天，这使得自发射之日 2019.11.11起，耗时近 3个月（ 87 天）后在 2020.02.06时有 40 颗卫星进入预定轨道，耗时近 4个月（ 125 天）后在 2020.03.18时所有卫星基本都进入预定轨道。并在此之后，维持在轨运行高度相当稳定。第三至六批的卫星轨道爬升过程与第二批基本一致。随着第七批卫星在 2020.04.23的发射入轨，已实现在轨卫星共计约 420 颗。按照先前正式版本几个批次卫星的轨道变化过程，预计 七月份 ，将有 400 颗卫星进入预定 550km 轨道。届时， Starlink 星座可以实现 400 颗卫星规模下的初步运营了。 2、 Starlink星座卫星 覆盖特性 虽然 6月 4日 Starlink 又发射了第八批 60 颗卫星，我们仍以前七次发送的 420颗为例进行覆盖特性的分析。 Starlink 在轨 420颗卫星空间段分布 和 第一阶段完整的 1584颗卫星星座如 下图所示。 图 5： Starlink 在轨 420 颗卫星空间段分布 图 6： 第一阶段完整的 1584 颗卫星星座 资料来源： 天智网络仿真测试床 ，国信证券经济研究所整理 资料来源： 天智网络仿真测试床 ，国信证券经济研究所整理 红点 -Starlink 卫星，绿 x-全球分布采样点 。 对 Starlink 星座覆盖特性的分析，以全球分布的终端为采样点，以 2 纬度 *2经度的方式进行部署，即 上图 中地球表面分布的绿色 x 所示。覆盖特性分析取 1 天的仿真周期，步长 60 秒，当前在轨420颗 Starlink 卫星全球覆盖特性如 下图 所示。 图 7： 在轨 420 颗 Starlink 卫星覆盖特性 可见卫星个数在全球范围的分布 资料来源 ： 天智网络仿真测试床 ， 国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 5 Starlink 星座在南北纬 53 度附近可形成最优的覆盖（平均覆盖重数为 4左右），这是由于其采用了 53 度的轨道倾角。而对于高纬度区域（高于 60 度），无法提供覆盖，该部分区域将由后续规划的较大倾角（包括 74/70/81度）卫星提供覆盖服务；对于中低纬度区域（低于 30 度），基本上可提供平均 1.5-2重覆盖。 图 8： 在轨 420 颗 Starlink 卫星覆盖特性 可见卫星个数随纬度变化 资料来源 ： 天智网络仿真测试床 ， 国信证券经济研究所整理 Starlink 星座在南北纬 30-55 度之间覆盖较好 ， 不同纬度上最大覆盖重数波动较大，如在北纬 30 度处最大覆盖重数在1115之间波动，这时同一纬度的不同经度上最大覆盖重数有较大差异。同时，当前 Starlink 星座对地覆盖最小重数为 0，也表明未能实现连续覆盖，这是由于当前 Starlink 卫星分布不够均匀而导致 。 作为对比，进一步分析完整 Starlink 第一阶段 1584颗卫星的全球覆盖特性 。 图 9： 在轨 420 颗 Starlink 卫星覆盖特性 可见卫星个数随纬度变化 资料来源 ： 天智网络仿真测试床 ， 国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 6 第一阶段 1584颗卫星实现了南北纬 60 度范围的连续覆盖，提供了任意时间下最小 2重覆盖；同时，不同纬度上最大覆盖重数也不再波动，如对于北纬 30 度区域而言，不同经度的最大覆盖重数均为 10 重，这主要是由于第一阶段 1584 颗卫星在轨分布均匀。南北纬 30-50 度是重点覆盖区域，可提供 6 重以上覆盖，之所以重点在此区域提供多重覆盖，主要考虑了全球人口的分布。 3、 Starlink星座卫星 业务时延 随着 Starlink 卫星按计划分批发射，需要更多的地面系统提供支持。为此， SpaceX 公司从 2020 年 1 月 5 月 5 日，分别向 FCC提出了新建 21 个 Ka 频段关口站的申请。加上以前的 5个 地面站， Starlink 将拥有 26 个 Ka 频段关口站 。 图 10： Starlink 星座地面站（截止 2020 年 5 月 5 日） 资料来源 ： Starlink 官网 ， 国信证券经济研究所整理 空间段考虑当前在轨 420颗 Starlink 卫星，无星间链路，地面段为 26 个 Ka 关口站 ， 用户段为纽约到西雅图的通信业务。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 7 图 11： 在轨 420 颗卫星提供端到端服务的场景和业务流 图 12： 在轨 420 颗卫星端到端服务的往返时延 RTT 分析 资料来源： 天智网络仿真测试床 ，国信证券经济研究所整理 资料来源： 天智网络仿真测试床 ，国信证券经济研究所整理 对于纽约到西雅图之间的通信时间占比为 59%，即仍有 41%时间内没有可达链路。端到端 RTT 平均为 51.8ms，且 RTT波动较大，该原因仍是由于当前 Starlink 星座分布不够均匀而导致。作为对比，纽约到西雅图的大圆距离 3869.5km 光纤传播往返时延 RTT 为 37.4ms（实际上，纽约到西雅图两点间光纤肯定大于地球大圆对应的距离，故实际 RTT 肯定要大于 37.4ms）。 进一步以第一阶段 1584 颗卫星为分析场景，且存在星间链路，此时端到端服务的场景和业务流如 下图 所示。与 上面 的主要区别在于，端到端的通信业务流可通过星间链路，即此时的通信业务流为端 -星 -星 /站 - -星 -端。 图 13： 第一阶段 1584 颗 Starlink 卫星提供端到端服务的场景和业务流 图 14： 在轨 420 颗卫星端到端服务的往返时延 RTT 分析 资料来源： 天智网络仿真测试床 ，国信证券经济研究所整理 资料来源： 天智网络仿真测试床 ，国信证券经济研究所整理 此时，纽约到西雅图之间的可通信时间占比为 100%，即保证了连续服务。端到端 RTT 平均为 38.8ms，且 RTT 波动很小，与地面大圆对应的 37.4ms 光纤往返时延 RTT 相当。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 8 4、 Starlink星座卫星 通信容量 卫星互联网的容量主要取决于两个方面，即“供给侧 网络能提供的容量”、“需求侧 市场（ /用户）所需求的带宽”。 对于供给侧而言， Starlink 所能提供的容量需考虑两点：一是系统工作体制（取决于是纯透明转发，还是采用了星上路由交换）、二是链路能力（用户链路、星间链路、馈电链路传输速率）。 供给侧仅能从理论上给出整网的容量上限，并非网络实际容量值。比如 Starlink 单星用户侧链路速率可达 17-23Gbps（暂取 20Gbps），那么第一阶段 1584 颗星座就能提供 20Gbps * 1584 = 31.68 Tbps，完整的 41927 颗卫星就能提供838.50Tbps， 但这个预估 不够合理。原因在于，这 1584 颗（ /41927颗）卫星在多数时间内会位于广袤的海洋上空，无法真正发挥单星 20Gbps 的作用。所以，实际网络容量评估时不仅需考虑网络能提供的，还必须考虑用户侧所需要的。 对于需求侧而言，则需要知道全球潜在的业务需求。业务需求的建模更多地需要考虑全球人口分布、经济发展、当地通信设施普及率、卫星通信渗透率等因素。以 2020年全球人口分布为基准、人均 10Mbps 传输速率、同时 激活率为 1%的场景为例，则全球总传输速率带宽需求： 796.97Tbps。 图 15： 基于人口分布的全球业务需求量分布 资料来源 ： 天智网络仿真测试床 ， 国信证券经济研究所整理 全球业务需求量在纬度带上的分布如 下 图 ， 可看出在北纬 30 度附近业务量需求最大。其中，北纬 15-45 度之间总业务需求为 493.03Tbps，占全球总业务需求量的 61.86%，这也是 Starlink 星座为什么采用倾斜轨道（ 53 度倾角）而非极轨道的主要考虑，类似的还有 Telesat星座（ 37.4度倾角）。 图 16： 全球业务需求量在不同纬度的分布 资料来源 ： 天智网络仿真测试床 ， 国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 9 以 Starlink 现阶段在轨 420 颗卫星（数据参考时间： 2020.05.30-14:00）、第一阶段规划 1584颗卫星为两个场景。 图 17： Starlink 星座容量分析的场景输入 场景一：在轨 420 颗星 场景二：第一阶段 1584颗星 场景标识 场景 1-420 场景 2-1584 卫星数 420 1584 星间链路 无 5Gbps 关口站 美国境内 26 个 Ka 关口站 每站配备 8副馈电天线 馈电链路速率 21.46Gbps 美国境内 26 个 Ka 关口站 每站配备 8副馈电天线 馈电链路速率 21.46Gbps 用户侧 单星用户侧最大速率20Gbps 单星用户侧最大速率20Gbps 接入策略 最大仰角 最大仰角 资料来源 ： 天智网络仿真测试床 ， 国信证券经济研究所整理 在上述表 的 主要配置下，场景 1-420 及场景 2-1584两种配置下的网络容量如下 。 图 18： Starlink 星座当前及第一阶段情况下的可达网络容量 资料来源 ： 天智网络仿真测试床 ， 国信证券经济研究所整理 场景 1下可达网络容量均值为 502.36Gbps，相当于 502 个地面 5G 基站的容量（地面 4G 基站面向用户提供速率在几百兆，此处分析暂取 5G 网络单基站传输速率为 1Gbps， 此处只是估算 ）。而场景 2 可达网络容量为 2.17Tbps，网络容量的提升基本上与星座规模成正比（容量提升 2.17/0.50=4.34倍，星座规模 1584/420=3.77倍），相当于 2170个地面 5G基站（美国 4G 基站数量约为 20 万个， 5G 网络所需的基站或许更多）。当前网络容量瓶颈在馈电侧。在此情况下，提升馈电链路传输速率，或是在全球多个地方部署关口站等方法可提升网络容量。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 10 当馈电侧不再是制约网络容量的瓶颈时，仅第一阶段 1584颗 Starlink卫星就能提供 15.38Tbps，完整的 41927颗 Starlink卫星组成的网络将提供 407.09Tbps（当然，这样的评估准确度有待进一步提升，因为卫星轨道高度、星座构型、单星容量等都会有所差别）。这就相当于 40.7万个 5G 基站的，而美国 4G 网络的基站约 20 万个，相当于构建了两张能承载美国区域的卫星 互联网。 投资建议 ： 美国的 Starlink 进展顺利， 6 月 4日已经发射了第八批卫星，目前在轨卫星总数达 480 颗 ， 从卫星在轨情况、覆盖特性、业务时延、通信容量看，未来空天互联网极具发展潜力。我国也高度重视空天互联网发展，新基建中确立了卫星互联网发展目标，同时国内两大卫星产业重镇北京和上海在新基建行动方案中也明确了卫星互联网发展战略，相关产业集群有望迎来发展机会。而中国版空天互联网缺少不了北斗的支持，将加速实现通导融合，国内北斗产业链也将迎来又一轮发展机会。 重点 关注 ： 中国联通 、 华力创通 、 海格通信 、 中海达等 。 风险 提示 1、政府投入低于预期； 2、空天互联网产业发展低于预期； 3、空天互联网与北斗融合低于预期等 。