高通量卫星发展趋势报告：通联天地，创新求索.pdf

通联天地，创新求索08.2020 上海 / 中国罗兰贝格洞见高通量卫星发展趋势报告11. 提速降费：卫星通信应用迎来普及黄金期高通量卫星带来了更大的带宽和更快的数据传输速度，并且随着供给侧能量的释放，卫星通信价格将得到大幅降低。这将加速卫星通信在海陆空等应用场景的普及。2. 天地融合：新一代网络有望实现全球覆盖，缩小数字鸿沟高通量卫星在未来立体化网络架构中的定位是实现全球覆盖。新一代网络的目标不是简单的网络容量和传输速率的提升，更是为了缩小数字鸿沟，实 现“数字普惠”。3.创新探索：物联网与自动驾驶将极大发挥高通量卫星的价值无线连接是物联网与自动驾驶发展的关键技术。卫星通信突破了无线连接对地面网络的依赖，真正实现“全连接”。而创新应用的海量数据也将提高卫星使用率，发挥更大价值。4.成本优化： LEO卫星制造与发射成本下降，天线或成为短期瓶颈LEO卫星组网成本不断降低。卫星制造与卫星发射成本已经有了实质性突破并持续优化，但地面天线仍然成本高昂，短期或成为应用普及的瓶颈。5.自主可控：高通量卫星是未来空间网络基础设施，软硬件及管理能力缺一不可政治的不确定性将给高通量卫星发展带来挑战。产业链上，我国在电子元器件、应用系统和运营服务等领域能力有待加强。卫星类型上，我国GEO高通量卫星经验相对丰富，但LEO/MEO卫星星座需要进一步布局。6.市场参与：全球资本踊跃，但国内市场化程度仍有提升空间全球航天领域的投资近年来明显升温，预计中短期内仍将持续增长。类型上，低轨卫星的投资将占据主流。地区上，美国占主导地位，中国资本比例小于10% ，仍有上升空间。高通量卫星发展六大趋势封面图片：cristimatei - Fotolia2目录03050612171/ 什么是高通量卫星1.1 技术升级：通过多点波束、频率复用、波束增益等关键技术提升卫星容量1.2 频段拓展：向更高工作频段发展，获取更大带宽，提升通讯速率1.3 轨道开发： GEO占主流，但资源接近饱和， LEO卫星成为行业新热点2/ 通信卫星发展历史2.1 国际通信卫星发展历史2.2 中国通信卫星发展历史2.3 LEO发展概况 3/ 通信卫星行业现状3.1 通信卫星的主要应用3.2 通信卫星市场主要玩家4/ 高通量卫星六大发展趋势4.1 提速降费：卫星通信应用迎来普及黄金期4.2 天地融合：新一代立体化通信网络有望实现全球覆盖，缩小数字鸿沟4.3 创新探索：物联网与自动驾驶将极大发挥高通量卫星的价值4.4 成本优化： LEO爆发得益于各环节成本下降，地面天线或成为短期瓶颈4.5 自主可控：高通量卫星是未来空间网络基础设施，软硬件及管理能力缺一不可4.6 市场参与：全球资本踊跃，但国内市场化程度仍有提升空间5/ 中国在高通量卫星领域的主要玩家5.1 GEO5.2 LEO3高通量卫星（ HTS， High Throughput Satellite），也称高吞吐量通信卫星。通俗地来形容，从传统通信卫星到高通量卫星的转变，相当于把家庭上网从电话拨号升级到了百兆宽带。而为了实现吞吐量的提升，高通量卫星有3 大特征： 1）技术升级； 2）频段拓展； 3）轨道开发。1）技术升级：高通量卫星是相对于使用相同频率资源的传统通信卫星而言的，主要技术特征包括多点波束、频率复用、高波束增益等；2）频段拓展：传统使用的C 、 Ku频段逐渐饱和，高通量卫星逐渐向更高频段发展，如使用Ka频段的中国首颗高通量卫星中星16号，又例如银河航天的使用Q/V频段的5G通信卫星；3）轨道开发：与频段资源类似，轨道资源是稀缺资源，特别是资料来源： Telenor, 国际太空，罗兰贝格01 / 高通量卫星对比传统通信卫星第一部分什么是高通量卫星在高通量卫星时代，卫星使用场景不再局限于手持一台笨重设备，到处搜索卫星信号，只为了打一通电话，而很可能是你用自己的手机连上了Wi-Fi，享受着与日常无异的上网体验，而远程的信号传输则是由卫星来完成。 大量点波束广域覆盖 高频段： Ku、 Ka为主 在 GEO轨道基础上，拓展 MEO/LEO轨道 宽波束覆盖 低频段： L、 S、 C为主 以 GEO轨道为主传统通信卫星 高通量通信卫星 高通量通信卫星 3大 特征技术升级频段拓展轨道开发 多点波束 ：使用大量点波束实现广域范围覆盖 频率复用 ：点波束之间可以实现子波段的复用，增加频谱利用率和卫星通信容量 波束增益 ：波束宽度窄提高天线增益，降低终端天线口径，提高频谱利用率，提高数据传输速率 高速频段 ：使用雨衰较大，但适合高数据传输的Ku、 Ka波段，提升通讯速率 资源丰富 ： Ka频段可用频带宽高达 3.5GHz，超过现有有 L、 S、 C、 Ku频段总和 主流 GEO：地球 同步 轨道（ GEO）单星覆盖区域广，组网简单运维成本低，但是资源接近饱和 热点 MEO/LEO：中低轨资源丰富，且可实现多种高度、多种轨道面的三维立体布局4赤道同步轨道仅此一条，为了提供更高容量，也为了满足更高的通信需求，高通量卫星从以GEO （地球同步轨道）为主导向LEO（低地球轨道）延伸，因此，不论是使用同步轨道的实践十三号以及今年7 月发射的亚太6D卫星（深圳星），还是SpaceX的星链（ Starlink）低轨卫星星座，都属于高通量卫星的范畴。 01 1.1 技术升级：通过多点波束、频率复用、波束增益等关键技术提升卫星容量多点波束：使用大量的点波束实现广域范围覆盖，替代传统卫星的宽波束覆盖，是实现频率复用与波束增益的关键基础性技术。卫星采用多点波束的好处在于提高天线的发送/ 接收增益，并能实现频率复用；采用多点波束的劣势在于覆盖，点波束覆盖范围较小，要想实现大范围的区域覆盖，则需要大量点波束。频率复用：与点波束技术相辅相成，在空间独立的点波束之间可以实现每个子波段的复用。这与地面蜂窝通信网络相似，显著地增加了频谱利用率和卫星通信容量。如果要保障波束间无干扰，则需要使用窄波束且波束间隔较远，但实际中为保证覆盖的连续性，波束间会出现重叠，通常使用极化复用和地区隔离相结合的方式重复使用频率，来扩展通信容量。波束增益：采用点波束和频率复用技术相结合，能够有效提高天线增益。天线的增益与波束宽度有关，波束宽度越窄，天线增益越高。较高的卫星天线增益可以使得用户采用更小口径的终端，并使用高阶调制编码方案，从而提高频谱利用效率，提高数据传输速率。1.2 频段拓展：向更高工作频段发展，获取更大带宽，提升通讯速率高通量卫星目前一般选用C 、 Ku和 Ka频段，三者的频段依次提高。根据国际电联规定，卫星通信一般使用L、 S、 C、 X、 Ku和Ka频段。一般来说，频段越低，如L 、 S波段的电波进入雨层中引起的衰减越小，适合低速率通信和移动通信；而频段越高，如Ka频段电波，雨衰相对较大，但适合高速数据传输。但频段资源始终是稀缺资源， C频段和 Ku频段的资源也逐渐趋于紧张，而Ka频率资源丰富，可用频带宽，因此也成为当前高通量卫星的首选。 Ka频段可用于同步卫星通信的带宽达到3.5GHz，超过了现有的L 、 S、 C、 Ku频段的总和。此外， Ka高通量卫星还具有频率高、抗干扰性强、天线灵活易控等优势。在未来，高通量卫星将向着更高频段发展。如Q/V频段的高通量卫星将应用于5G基站信号回传等领域。1.3 轨道开发：GEO占主流，但资源接近饱和，LEO卫星成为行业新热点目前成熟的高通量卫星多是地球同步轨道（GEO）。主要原因有如下几方面： 覆盖区域的优势：单颗星覆盖区域广，可覆盖地球表面超过40%的区域，有利于为固定区域提供服务。在覆盖区域内，任何地球站之间可以实现24小时不间断通信，服务十分稳定。 卫星组网的优势：卫星系统构建简单， 3颗同步地球卫星就可覆盖除两极外绝大多数区域，系统卫星数少，运营和在轨维护性价比高。 卫星寿命的优势：不受大气阻力影响，寿命在15年以上，摊薄单位带宽成本。地球同步轨道轨位属于战略资源，由国家向国际电信联盟（ ITU）申请，遵循“先申报先使用”的原则。但赤道同步轨道仅此一条，资源相当紧张。据学者测算，地球同步轨道可容纳卫星 1800颗。根据国际电联（ ITU）统计，目前在轨运行的同步轨道卫星共计522颗，另有登记在册未发射的卫星超过800颗，考虑很多轨位处在太平洋、大西洋等广域海洋上空，可利用性较小，而人口密集的亚洲、欧美地区可用轨位十分有限。中低轨（MEO, LEO）方案为高通量卫星的跨越式发展提供了新的空间。中低轨资源丰富，可实现三维立体布局：多种高度，多种轨道面。除了资源的扩充，中低轨道高通量卫星两大优点： 1）通信时延远小于同步轨道卫星，可拓展新的应用领域； 2）单颗星的研制及发射成本远低于同步轨道的大卫星，这降低了参与商业应用的门槛。但中低轨道多星组网的方案在设计难度以及在轨运营管理的复杂程度方面要远高于同步轨道卫星，后期的运营维护的费用也更高。因此，虽然 LEO是目前行业热点，未来成长前景广阔，但中短期依然无法替代同步轨道高通量卫星。52.1 国际通信卫星发展历史国际通信卫星发展起步早，美国处于领先水平，欧洲紧随其后。 1958年，美国发射了世界上第一颗通信卫星“斯科尔号 ”。 1965年，美国主导Intelsat发射了通信卫星Intelsat 1 ，标 志着通信卫星进入实用阶段。 2011年 ，美 国 Viasat发射ViaSat-1高通量卫星，容量达到140Gbps； 2017年发射的ViaSat-2容量则达到了 300Gbps，为世界上容量最大的卫星；正在研制中的ViaSat-3星座每颗卫星则有望提供1000Gbps的容量。欧洲方面，全球固定通信卫星运营按业务收入规模排名， SES与Eutelsat分列第一和第三。目前 SES已拥有超过 66颗通信卫星。 Eutelsat 2010年发射了欧洲第一颗高通量卫星KA-SAT ，总容量达90Gbps 。2.2 中国通信卫星发展历史中国通信卫星发展起步较晚，虽然发展速度快，但仍任重道远。中国第一颗通信卫星“东方红二号”于1984年发射升空。 1997年发射的“东方红三号”通信卫星，则标志着我国卫星通信进入商业运营时代。 2016年发射了我国第一颗移动通信卫星“天通一号”。而我国第一颗Ka频段的高通量卫星“实践十三号”于2017年发射。中国用 33年的时间完成了西方国家约50年的工作。然而，中国的高通量卫星与国外仍有明显差距。目前在轨的“实践十三号”总容量为20Gbps ，远低于欧美当前100Gbps的主流水平。亚太星通7 月发射的“亚太6D ”卫星容量达50Gbps ，已是中国目前在轨的高通量卫星“实践十三号”带宽的2.5倍，但仍与西方卫星容量相差数倍，即将发射的ViaSat-3提供的容量将与“亚太 6D”拉开数量级的差距。中国高通量卫星与国外的差距主要在于平台性能差距。亚太6D所使用的东方红四号增强型平台载荷功率为13.5kW ，而国外主流高通量卫星平台已达到20kW 。随 着 2020年 “实践二十号”卫星的发射，“东方红五号”可提供有效载荷功率22kW ，达到世界主流水平。2.3 LEO发展概况低轨卫星经历了90年代末的挫折后，近年再迎新一轮发展高潮。 20世纪90年代初，低轨星座系统就开始研发部署。摩托罗拉设计的“铱”卫星于1997年首次发射， 1998年正式提供移动第二部分通信卫星发展历史通信业务，成为世界上第一个投入实用的大型低轨移动卫星系统。然而由于过高的造星、发射和运营成本以及不充足的市场需求，铱星于2000年破产，但随后被美国政府收购并持续运营。 2014年以来，随着航天技术的进步和商业航天公司的崛起，低轨星座的成本大大降低；加之互联网时代对数据的大量需求， OneWeb、 SpaceX等新一代航天企业涌入低轨卫星市场，瞄准卫星互联网的搭建，低轨星座市场强势复苏。铱星也已于2019年完成二代系统的部署，估值已达 25亿美元。目前，全球已完成登记的新一代低轨星座总发射量将达到一万颗以上，低轨卫星迎来第二次产业发展浪潮。63.1 通信卫星的主要应用卫星通信行业2018 年收入约1,270亿美元，应用主要分为卫星消费通信、卫星固定通信、卫星移动通信。其中，主要收入来源于卫星消费通信， 2018年消费通信占行业收入的 81%，而固定通信仅占14% ，移动通信占比3% 。卫星消费通信主要分为电视直播（ DBS/DTH）、音频广播（ DARS）、卫星宽带。其中卫星电视直播收入占比约 92%，而音频广播和卫星宽带的占比相对较小。卫星电视直播主要指利用卫星接收地面站发射的卫星信号，再转发至地面上指定的区域，由接收设备接受供用户收看。相比于地面有线电视，卫星电视覆盖面积更广，且不受复杂地形影响，可以为边远地区直接到户解决收视问题。同时，卫星电视直播也可以用于体第三部分通信卫星行业现状育赛事、新闻现场的视频内容传输。 02 2014年卫星电视直播收入为950亿美元。而由于OTT业务的发展，用户放弃传统电视转而投向网络流媒体服务，导致电视直播收入略有下降， 2018年约为940亿美元。其中，北美区域规模较大，约40%的收入来自美国。而中国电视直播业务主要由中国卫通子公司中国直播卫星有限公司等国有企业经营，用于解决我国有线电视覆盖率盲区问题。 03 04高通量卫星由于其高容量、低带宽成本的特点，为通信卫星行业带来了更多的应用可能，未来将飞速发展。 2018年高通量卫星收入约为67亿，未来保持约30%的年复合增长率发展，在 2024年达到约320亿美元的市场规模。其中，最主要的收入来源于公众宽带接入和移动通信。 05资料来源： SIA，罗兰贝格02 / 通信卫星收入组成亿美元80.9%14.2%3.2%1.7%20181,265卫星消费通信其他卫星固定通信卫星移动通信92%6%2%电视直播音频广播卫星宽带703 / 2014-2018电视直播收入亿美元04 / 全球OTT产品总订购数及用户数亿资料来源： SIA， Digital TV Research，罗兰贝格资料来源： Digital TV Research，罗兰贝格95097897797094280082084086088090092094096098020182014 20172015 2016CAGR = -0.2%17.6%北美12.9%8.0%42.9%拉丁美洲亚太18.7% 欧洲其他2.73.64.24.65.33.75.16.37.29.51.351.431.481.551.7820182017 2024E2020E2019净用户数 产品订购比总订阅数8资料来源： NSR，罗兰贝格05 / 全球高通量卫星行业收入亿美元公众宽带收入约占24% 。根 据 ITU统计，全球宽带接入用户在2019年超过50% ，仍有约50%的人口由于费用、使用习惯等原因而未接入宽带，市场潜力巨大。根据NSR 预测，卫星宽带可以为全球4 亿余户家庭提供接入服务，而目前的渗透率仅为0.63%。高通量卫星更低的网络建设成本与不受地域限制的特点，将成为提高宽带接入渗透率的重要推力。移动通信收入约占23% ，是高通量卫星收入另一重要板块。由于高通量卫星比传统通信卫星容量更大、带宽成本更低、可以为更多的车辆、轮船、飞机等移动载体提供高速联网服务，极大地改善当前网速慢或者完全无网络的用户体验。由于海上无法建立通信基站，对于远洋航行的船舶而言，卫星通信是唯一解决方案。高通量卫星不仅可以满足船员娱乐、视频通话等基本生活需求；随着物联网、智能船舶解决方案的发展，高通量卫星还可以联通行驶中的船舶与岸端数据中心，实现能效优化、工况监测等提升运营效率、降低运营成本的应用。机载通信方面， NSR预测机载后舱通信2025年收入可达到约45亿美元，其中北美后舱上网最为成熟， 2017年渗透率已达约 80%，而其他地区均低于30% ，有极大的市场潜力。机载后舱通信的解决方案有传统卫星、高通量卫星和地面基站（ ATG）三种。由于高通量卫星大带宽、低成本、无地面建设费用的优势，将成为未来机载通信的重要发展方向，预测于2028年占据市场收入的50% 。 06 07未来，高通量卫星将进一步推动通信卫星行业发展，预计在2024年达到约1,400亿美元规模。同时高通量卫星占比将进一步提升，从2018 年5%的占比上升为23% 。 083.2 通信卫星市场主要玩家高通量时代下，卫星服务领域中的传统玩家，纷纷启动了自己的高通量卫星计划。传统玩家技术为驱动，以提供更大容量、降低成本为核心思路，在GEO 、 MEO进行高通量升级；而行业中的新进入者则以需求为导向，瞄准各领域的新应用，并借低轨星座市场强势复苏之潮，大力布局LEO星座。3.2.1 传统玩家传统卫星服务领域中，SES、Intelsat、Eutelsat是主要玩家，2022E16420181232019E 2020E 2023E2021E912024E67209266322CAGR = +29.7%15.0%17.0%18.6%22.3%23.6%3.0%2024E公众宽带公务通信移动通信企业商用中继通信广播通信100%91.9%2.9%4.9%4.6%3.9%22%530069%北美 中东非洲 亚太84%欧洲88%86%拉美61002250710014502018-2038年增长率 已连接 未连接06 / 各地区飞机后舱上网连接渗透率与机队增长架, 201707 / 机载连接销售收入占比 2018-2028E资料来源：欧洲咨询，波音，罗兰贝格 资料来源： NSR，民航资源网，案头研究，罗兰贝格19%15%24%49%56%36%2028E2018传统卫星HTSATG100 100