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2019年中国低轨宽带道通信卫星系统行业发射数量、发展优势及发展必要性分析[图]

2020年02月16日 13:22:00字号:T|T

    低轨宽带道通信卫星系统由大量(通常为数百或数千颗)低轨道小型通信卫星组成卫星系统/星座,通常使用Ku、Ka、Q/V等高频频段进行宽带通信。部分低轨宽带道通信卫星系统中包含少量中高轨卫星,其多作为节点/中转星,大部分通信数据链仍在低轨卫星和地面之间完成。

    低轨宽带通信卫星产业链主要由卫星制造、火箭发射服务(包括火箭研制)、地面设备制造、卫星系统运营与服务四大环节组成。其中,卫星系统建设初期涉及卫星制造和发射服务两大环节,而地面设备制造和卫星系统运营环节处于产业链下游,需求变化滞后于卫星制造和发射。

    一、发射数量

    自20世纪90年代以来,低轨宽带通信卫星系统开始受到各国广泛关注,但由于发射成本、建设成本高,推进缓慢。近年来,随着卫星小型化、轻量化、低轨道发射成本的大幅下降,以及物联网、移动互联网的发展,低轨通信星座迎来了新的发展高潮。以L、S、VHF等低频段为主的Iridrum、“全球星”(Globalstar)、“轨道通信”(Orbcomm)系统等传统低轨移动通信星座已经完成升级换代,并向高频高速、多功能综合、物联网方向发展;以Ku、Ka频段甚至Q/V等更高频段的宽带互联网星座计划呈现爆发式增长,如OneWeb公司、SpaceX公司、低轨卫星公司(LEOSat)、加拿大电信卫星公司(TeleSat)相关计划。高频高速已成为低轨道通信卫星未来主流发展方向。

2009-2018年全球通信卫星入轨数量/颗(按轨道)

数据来源:公开资料整理

    目前低轨宽带通信卫星系统正处在发展初期,全球通信卫星入轨情况,其下游应用主要分为民用/商用领域和政府/军用领域,其中民用/商用市场更为广阔。

2009-2018年全球通信卫星入轨数量/颗(按用途)

数据来源:公开资料整理

    2018年,全球卫星产业总收入为2774亿美元,同比增长3%。其中卫星产业规模主要来源于地面设备和卫星服务收入,卫星制造和发射服务产业规模较小。卫星服务实现收入1265亿美元(其中卫星电视等卫星通信业务收入占比高达83.4%),同比减少1.7%,占卫星产业收入的45.6%。

    智研咨询发布的《2020-2026年中国卫星通信行业竞争格局分析及投资潜力研究报告》数据显示:2018-2027年,全球将发射超过7000颗卫星(2008-2017年共发射约1200颗),其中通信小卫星约4350颗(宽带通信卫星约3500颗),数量占比62.14%。随着各大低轨通信小卫星系统的陆续组网,低轨通信小卫星市场有望迎来广阔的市场。

2018年全球卫星产业规模结构(单位:亿美元)

数据来源:公开资料整理

    近年来,我国卫星产业蓬勃发展。2012-2018年,我国卫星产业收入从1209亿元增长至3746亿元,年均复合增速为20.74%,高于全球增速4.81%。2018年,我国卫星通信市场规模约为610亿元,占我国卫星产业市场规模的16.3%(全球卫星通信市场规模约占卫星产业总市场规模的40%)。预计2020年我国卫星通信全产业链市场规模将超过800亿元,2018-2020年的年均复合增速为14.5%。

2012-2018年我国卫星产业产值及增速

数据来源:公开资料整理

    2018年,我国共发射卫星91颗,其中通信卫星4颗,占比为4.4%;2019年我国共发射卫星54颗,其中通信卫星12颗,占比为22.22%,比例快速提升。

    目前我国通信卫星数量占比、卫星通信市场占比都低于全球平均水平,通信卫星规划数量低于美国,未来提升空间巨大。随着低轨宽带通信卫星系统应用领域的不断成熟,以及火箭发射能力逐步提升、成本不断下降,我国低轨宽带通信卫星市场空间有望进入发展快车道。

2019年中国各类卫星发射数量占比/按功能分布(单位:颗)

数据来源:公开资料整理

    二、低轨宽带通信卫星系统发展优势

    1.轻小型化:与传统通信卫星系统中重达几吨的卫星相比,低轨通信卫星系统中使用的小卫星重量通常在1吨以下。轻型复合材料技术以及集成化应用是小卫星轻型化发展的重要前提。卫星的重量下降使得单次发射所能搭载的卫星数量进一步提升,从而降低了平均发射成本。

    2.制造成本低:传统大卫星的研制周期一般需要5年左右,且项目投资大、发射费用高、项目风险大。小卫星的研制周期一般为2年左右,研制成本大大降低。此外,低轨通信卫星系统所需卫星数量庞大,有望极大地降低卫星制造边际成本。

    3.灵活发射:小卫星可以作为大卫星的附属物一起发射,也可以是几十甚至上百个微小卫星搭载同一个火箭一齐发射。运载和发射工具包括火箭、导弹、空间飞行器等,发射地点可以为地面、大气层或太空平台。

    4.冗余组网:小卫星网络的快速部署能力和抗毁能力强。利用大量小卫星组成冗余备份,当某颗卫星失效或摧毁时,附近卫星可以快速补位。虽然单颗小卫星功能有限,但通过多颗微小卫星组成卫星系统或编队进行网络部署,呈现出空间拓展优势。

    5.信号接收方便:地球同步轨道(高轨道)卫星对用户终端接收机性能要求较高,其需要采用12米以上的星载天线(L波段)对准卫星进行通信以保证通信速率,而手持机难以直接通过卫星进行高速通信。低轨通信卫星对用户终端的要求低,可以采用微型/小型手持用户终端,如Starlink系统可通过大小为6-9寸便携式地面设备(带有支撑杆的圆盘结构,装有可自动追踪卫星的相控阵天线,插入插座并保持露天即可工作)实现高速通信,较高轨道卫星接收信号更加方便。

    6.低时延:传统卫星通信系统多采用中轨或高轨卫星,以减少卫星部署数量。然而中轨、高轨卫星离地面较远,导致其双向通信时延分别为300ms和500ms量级;而低轨卫星双向通信时延为50ms左右,具有天然的时延优势。

小卫星相对大卫星的优缺点

数据来源:公开资料整理

    三、我国建设低轨宽带通信卫星系统发展必要性

    1.国外天基互联网生态系统可能对我国通信与互联网安全产生较大威胁

    随着物联网业态的蓬勃发展,未来覆盖广泛的天基卫星互联网大概率将成为社会经济生活“万物互联”赖以依托的空间基础设施。通信基础设施对任何一个国家都既是经济命脉又是是战略安全命脉,自主可控的必要性毋庸赘言,受制于人危害之大不可想象;在网络安全领域,天基卫星互联网可以向各个国家的手持终端用户跨境提供直接访问境外互联网的服务,规避现有的网络管控措施,带来新的监管空白区域,从而威胁我国网络主权。根据国际电联《无线电规则》,除卫星广播业务外,我国并不能向其他国家提出该国卫星网络不可覆盖我国领土的要求。若我国境内的低轨卫星通信业务被国外公司垄断,一旦天基互联网与地面应用形成生态系统,则可能给我国互联网带来更大的监管风险和安全隐患。

    2.抢占有限的地球近空领域轨道和频段资源

    卫星通信业界常将特高频以上频段大致划分为L(1-2GHz)、S(2-4GHz)、C(4-7GHz)、X(7-12GHz)、Ku(12-18GHz)、Ka(20-40GHz)等频段,其中低于2.5GHz的L和S频段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频段正在被大量投入使用。虽然目前各国已着手开发Q(36-46GHz)、V(46-56GHz)等更高频段资源,但轨道和频段作为“不可再生资源”,仍是各国争夺的重点。

中国和美国主要低轨通信卫星系统计划对应的轨道和频段

数据来源:公开资料整理

    3.提升我军全球宽带通信能力

    现代战争对于军事通信卫星的依赖程度越来越高,低轨宽带卫星系统可以为军机、舰船、导弹、战车等移动作战平台及各种军用车辆、单兵提供全天时全天候全球盖的卫星通信系统,极大的提升全球范围内的作战能力。铱星通讯公司的第一代铱星系统已被美军用于野战通信。

    4.解决偏远地区的网络通信

    虽然通信信号已经覆盖大部分人类常住区域,但在发展较为落后地区,以及海洋、荒漠及山区等偏远地区,依靠“光纤+基站”的通信服务由于经济性不足仍难以抵达。而低轨通信卫星系统可作为现有光纤和基站为物理基础的移动通信网络的补充,用于海洋、偏远地区、民用航空和应急领域。

    5.有效解决高轨卫星系统时延和损耗的问题

    与高轨卫星通信系统相比,低轨卫星具有路径衰耗小、传输时延短、研制周期短、发射成本低等优点。高轨卫星通信系统分布在地球上空两万公里以上,向偏远地区提供互联网接入时经常出现时延。而低轨卫星系统可在距地球2000公里以内的轨道高度上,用连续接力的星间链路方式(通过大量低轨卫星组成星链或星座的方式解决无法达到高轨卫星的覆盖面积的问题),实现低时延、低损耗的全球覆盖。

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