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2019年中国空天信息产业发展现状及预测:未来十年,将达到2920亿美元,比前十年增长28%[图]

2020年02月14日 13:28:31字号:T|T

    空天信息产业是迈入全互联时代涌现的前沿新兴信息产业形态,也是支撑产业和社会数字转型的重要产业,更是引领全球经济发展主线的重要基础设施。空天信息产业是移动互联时代之后的新阶段。 

    以卫星通信、卫星遥感、卫星导航为代表的太空领域是军用和民用发展的重点领域,空天信息已广泛应用于国家安全、经济建设和大众民生的诸多领域,不仅具有军民共用的特点,也拥有巨大的市场价值。 在军事上空天信息网络甚至可以起到类似战略导弹的致命拦截作用。空天信息网络面向政府和公众可提供六项典型场景应用:应急救灾保障、信息普惠服务、移动通信服务、航空网络服务、海洋信息服务、天基中继服务。

    我国鼓励空天信息产业的发展大致有两条主线:其一为相关政策从规划卫星制造到规划整体的空间基础设施建设;其二为鼓励商业航天大力发展,鼓励民 营资本参与到建设。此外,航天法已经列入全国人大立法计划,力争在未来 3-5 年出台。从各类相关政 策可知,国家在顶层设计方面已为空天产业蓬勃发展奠定了良好的基础,同时结合航天任务的规划数量和航天技术及基础设施的不断完善,我国空天信息产业已进入了发展的黄金十年。

近年来空天产业主要政策

数据来源:公开资料整理

    一、导遥一体的空天信息网络

    截至 2018 年 12 月底,中国网民规模达 8.29 亿人,互联网普及率达到 59.6%,已经基本建成了覆盖全国的地面网络;航天技术发展也取得了巨大成 就,以北斗卫星导航系统和高分辨率对地观测系统为代表的国家空间信息基础设施取得长足进步,截至 2018 年 12 月底,我国在轨卫星数量已超过 200 余颗,已经初步建成了通信中继、导航定位、对地观测 等系统,通导遥融合发展态势基本形成;空天信息的全面性、灵活性、时效性和准确性大幅提升,定时、 定位和遥感观测的综合应用服务日益丰富。

    覆盖面上,我国对导航、遥感等天基信息的需求覆盖范围已从国内拓展到全球;在速度上,对空间信息的获取-传 输-处理的响应速度趋向实时化,对海量天基信息的传输-处理-分发的时效性提出了新的要求。要实 现天基信息全天时、全天候、全地域服务于每个人的目标,根本上解决现有天基信息系统覆盖能力有限、响应速度慢、体系协同能力弱的问题,需构建更为强大的卫星通信、导航、遥感一体天基信息实时服务系统。

    从反导的角度来看,战争中反导的难度已越来越大。以超高音速导弹为例,提升防御超高音速的导弹的成功率需要在 发展准备阶段就密切跟踪,这便需要防御方拥有足够强大的空天信息网络。可以从美国太空发展局 (SDA)提交的预算草案可以窥见当前空天信息网络与军事需求之间存在的巨大差距。据调查数据显示,根据美国太空发展局计划 2021~2025 财年投资 110 亿美元,用以部署军用大型卫 星星座:“国防太空架构”(NDSA)。110 亿美元预算主要分为两大部分:5.82 亿美元为基线预算,用于 NDSA 路线图开发以将国防部现有太空项目融入 NDSA,同时用于导弹防御传输层传感器的研究和样机 开发;106 亿美元用于“卫星层”建设,用于研究、设计、开发与测试大型军用卫星星座。

NDSA 卫星层建设

数据来源:公开资料整理

    二、同步轨道卫星和地面通信有固定限制,低轨通信卫星更适合现代通信

    同步轨道卫星(GEO)在地球赤道上空 35786km 的圆形轨道运行,卫星绕地球运行周期与地球自转同 步,卫星与地球之间处于相对静止的状态。为保证卫星与地球同步运作,卫星只能被发射到赤道轨道面 的特定高度,致使可容纳卫星数有限且信号不能覆盖极地地区。由于轨道高度过高,同步轨道卫星的波 束覆盖区大,使频谱利用率低。同步轨道卫星通信延迟差达到 250ms,和地面基站相比大大增加。另外, 地球同步轨道卫星的发射困难,技术复杂;由于许多发射卫星的国家没有赤道附近领土,不可能在赤道 上建立卫星发射场,因此卫星要经过几次的轨道变换才能成功,难度大大增加。加上地球同步轨道卫星 体积大,重量大,发射时间长,使发射成本高。

    同时地面通信系统覆盖范围小的多,4G 基站覆盖范围为 1-3km,而 5G 基站覆盖范围仅为 100-300 米, 基站建设和运营成本很高。此外,建设基站易受到地形和环境影响,在环境恶劣的沙漠、海洋、极地等 地区地面通信系统建设成本高昂,无法实现全球覆盖。

    低轨小卫星一般指高度在 500 到 1500 公里范围内,重量在 1000kg 以下的现代卫星。对用户而言,轨 道高度的降低使通信延时缩短,数据传输率提高。由于低轨卫星可以不受地形和环境限制,因此与传统 地面基站通信相比覆盖范围大大提升,可以真正做到全球无缝接入。低轨卫星传输损耗小的特点使用户 终端小型化成为可能。对运营商而言,卫星体积小、重量轻,发射成本和同步轨道卫星相比大大降低。 另外低轨卫星系统频谱利用率高最大单向传输延时和最大延时差和地球同步轨道卫星相比都大大减少, 与地面传输手段的延迟较为接近。虽然目前低轨通信卫星仍存在需要卫星数量多、维护困难等问题,但 随着以技术手段的进步和以 Space X 公司为代表的可重复使用运载火箭的开发,低轨卫星的发射和管理 成本将大大降低。

NDSA 卫星层建设

数据来源:公开资料整理

    三、低轨通信卫星技术

    1、困扰早期以铱星星座为代表的低轨卫星系统的技术壁垒逐渐消除

    “铱星”星座系统是美国摩托罗拉公司于 1987 年提出的一种利用低轨道星座实现全球个人卫星移动通 信的系统,它与现有的通信网相结合,可以实现全球数字化个人通信。“铱星系统”区别于其他卫星移动 通信系统的特点之一是卫星具有星间通信链路,能够不依赖地面转接为地球上任意位置的终端提供连接, 因而系统的性能极为先进、复杂,这导致其投资费用较高。星座的构型为玫瑰星座,卫星均匀部署在南 北方向 677km 高的 6 条极轨近圆轨道上,轨道倾角为 86.4°。每颗卫星载有 3 个 16 波束相控阵天线, 其投射的多波束在地球表面形成 48 个蜂窝区。

    每颗卫星拥有 4 条 Ka 频段的星间通信链路,两条用于建 立同轨道面前后方向卫星的星间链路,星间距离 4021~4042km;两条用于建立相邻轨道面间卫星的通 信链路(仅适用于纬度 68°以下地域),星间距离 2700~4400km。异轨道面间链路的天线可根据加载到 卫星上的星历信息进行指向调整,波束宽度足以适用纬度控制和卫星位置保持的容差。卫星在轨重量 320kg,工作寿命 5~8 年。

铱星星座构型示意图

数据来源:公开资料整理

    由于低轨卫星通信系统也存在固有的缺点,如需要卫星数量较多,由此带来地面控制、维护系统比较复 杂,对通信而言,影响较大的问题是波束切换和星间切换。低轨卫星相对地球高速运动,使得终端在通 信过程中需要频繁的切换到其他波束或卫星上才能继续通话,即使当时设计方案最完整最有前景的的铱 星系统仍无法克服,1)技术方面,受当时设备性能制约,系统切换掉话率高达 15%,严重影响通话质量,并且数据传输速 率仅有 2.4kb/s,其最小切换时间间隔 10.3 秒,平均切换时间间隔 277.7 秒。由于早期低轨卫星通信系统的带宽资源不能满足切换呼叫最低的带宽要求铱星系统在运行初期的切换成功率只有 85%,经过改进 后仍然只有 92~98%,与陆地移动通信系统的切换掉话率不高于 0.05%的指标相差甚远。2)成本方面,铱星系统需要在获得第一笔订单之前就建成全部系统,风险很高,而地面通信网络的建 设可以逐步进行,可以在回收一部分投入之后逐步扩建系统; 3)系统能力方面,铱星在系统设计时确实先进,但此后蜂窝电话发展极其迅速,待到铱星服务之后, 技术已经落后,铱星电话的笨重、室内无法使用、通话的可靠性和清晰性低的缺点凸现出来。 但随着近二十年来通信技术、微电子技术的飞速发展,通信系统信号处理能力、通信带宽不断提升,从 目前仍在运行的铱星二代、全球星等低轨卫星通信系统使用情况来看,困扰早期铱星系统的掉线率高等 技术问题已经得到有效解决,为低轨卫星通信的普及应用扫清了障碍。

    2、空天信息产业链迅速发展助力成本降低

    在卫星制造成本和发射成本高居不下的时代,低轨道卫星星座不具备经济可行性。然而,随着技术的进 步,卫星的体积、质量、成本逐年下降,可靠性、集成度逐年提升。加之近年来,越来越多的企业(包 括民营企业)涌入中小型运载火箭行业,使得火箭发射供给快速提升,成本大幅下降。在此环境下,低 轨道小卫星星座的大规模部署初步具备先决条件。

    美国航天探索公司 Space X,目前已经成功开发出可重复使用的猎鹰 1 号、猎鹰 9 号、重型猎鹰等可重 复使用的运载火箭和拥有载人能力的龙飞船。公司可回收火箭近期发射屡获成功;2020 年 1 月 30 日, SpaceX 公司用“三手火箭”将第四批共 60 颗星链卫星送入轨道,随着公司技术的不断发展,猎鹰 9 号火 箭单次发射成本大大降低,使更多低轨小卫星被送入太空成为可能。 未来,随着以 Space X 为代表的商业可重复使用运载火箭的开发,可以使猎鹰 9 运载火箭的单次发射成 本稳定在 3000 万美元左右;按照每次发射 60 颗近地小卫星计算,单颗星链卫星的发射成本将降低到每 颗 50 万美元左右,成本大大降低。

Falcon 9 单次发射费用变化

数据来源:公开资料整理

    同步轨道卫星寿命一般在 10-15 年,而低轨小卫星寿命在 5-8 年,较短的寿命决定了小卫星较高 的更换频率。随着卫星发射技术的进步,使以 Space X 为代表的商用卫星发射公司成为可能,而越来越 多的企业进入航天领域,又进一步促进了卫星和发射技术的升级,从而形成了一种“技术进步降低成本 →更多力量参与研发生产→技术进步进一步降低成本”的正向循环。

NDSA 卫星层建设

数据来源:公开资料整理

    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:2019 年中国 4G 用户规模为 12.1 亿户,目前中国境内 4G 平均网速是 3.61M/s;截至 2019 年 5 月,全国共建成 437 万个 4G 基站,每个基站可供最多 500 终端接入;中国三大运营商在 4G 网络上的建设至少在 8000 亿规模。随着 5G 的应用,每个 5G 基站建设费用约是 48 万元;而由于 5G 基站覆盖范围仅为 100-300 米,远远小于 4G 基站的 1-3km 范围,建设成本会比 4G 更高。

    每颗 180kg 的 LEO 小卫星发射价格约是 495 万美元, 300kg 小卫星价格约是 695 万美元。以星链计划为例,Space X 计划发射的 12000 颗 260kg 近地小卫 星总共发射成本约是 873.5 亿美元,约合人民币 6060 亿元,小卫星寿命一般为 5-8 年。据调查数据显示,每 60 颗星链卫星可同时支持 40000 用户终端(每颗卫星支持 600 终端接入)以最低 25M/s 的速度使用。

    未来,随着以 Space X 为代表的商业可重复使用运载火箭的开发,可以使猎鹰 9 运载火箭的单次发射成 本稳定在 3000 万美元左右;按照每次发射 60 颗近地小卫星计算,单颗星链卫星的发射成本将降低到每 颗 50 万美元左右,成本大大降低。

    四、低轨卫星竞争

    目前世界各国在加紧争夺频率和空间资源的争夺,站在用户需求的和大国博弈的角度,目前低轨卫星的 竞争类似之前的 GPS,一个国家一旦选择不去竞争,就很难再有机会赶超。 2018 年 11 月,我国科技部拟将“与 5G/6G 融合的卫星通信技术研究与原理验证”课题,列入国家重 点研发计划“宽带通信和新型网络”重点专项中,说明我国也已经认识到卫星通信在未来通信领域的重 要性,表明卫星通信将在 5G/6G 通信时代有广阔的应用前景。目前我国低轨通信小卫星星座计划主要有 航天科技集团的“鸿雁星座”和航天科工集团“虹云工程”。

    鸿雁星座计划:全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统也称“鸿雁星座”,由是航天科技集团负责建 设和运营,落户重庆,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 60 颗卫星预计 2022 年建成由 60 颗卫星组成的通信网络并组网运 营,填补中国目前尚无低轨卫星通信系统的空白。二期预计 2025 年完成建设,通过数百颗卫星构建“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。鸿雁全球卫 星星座通信系统将由 300 颗低轨道小卫星及全球数据业务处理中心组成,具有全天候、全时段及在复杂 地形条件下的实时双向通信能力,可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务。“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。建成后鸿雁星座将实现信号全球无线覆盖,为“一带一路”等区域实现宽带窄带相结合的 通信保障能力。

    鸿雁卫星搭载有 AIS 载荷和 ADS-B 载荷,可 AIS 载荷可在全球范围内接收船舶发送的 AIS信息,全面掌握船舶航行状态、位置、航向等动态和静态信息,实现对远海海域航行船舶的监控管理;ADS-B 载荷可从外层空间对全球航空目标进行位置跟踪、监视及物流调控,提供航空数据业务,可支持飞机前 舱的安全通信业务,为航空器追踪及应急处理提供可靠的通信保障,增强飞行安全性及突发航空事故搜救能力。

    虹云工程:虹云工程是航天科工二院目前主要推动的商业航天项目之一,也是航天科工集团公司“五云 一车”(飞云、快云、行云、虹云、腾云和飞行列车)商业航天工程之一,是基于低轨卫星星座而构建的 天地一体化信息系统。据调查数据显示,卫星将在距离地面约 1000 千米的轨道上组网运行,构建出星载宽带全球移动互联网络。整个计划部署完成后,将在“一带一路”,甚至全球实现随时随地按 需的互联网接入,“届时无论身处何时何地,都能用上航天科工自主研发的„星链wifi,实现网络无差别的 全球覆盖,无论在海域还是无人岛,都能接上互联网,和外界保持通信流畅。”

    五、国内卫星产业链

    1、国内航天和卫星产业链具备核心自主能力

    1996 年长征三号搭载美国卫星发射失败后的合作调查被美国议员做文章,众议院政策委员会主席考克 斯牵头下,考克斯报告在美国国会以近乎全票的优势通过,并直接促成了 1999 年美国国防授权治案将卫 星及相关零部件全部禁止向中国出口,甚至任何包含美国元器件的卫星都严禁由中国的火箭发射升空。这项禁令直接导致刚刚成熟的中国对外发射业务基本退出国际市场-因为当时世界上主要的卫星制造商,几乎没有不采用美国元器件的。

    北斗和高分成为我国空天信息化自主的标杆

    2020 年北斗迎来全球组网,北斗应用全年铺开。北斗卫星导航系统是国家重要的时空基础设施,典型 的自主可控和军民融合产业。随着北斗卫星导航系统全球部署,北斗卫星导航系统模式发生了根本改变。 从以前仅仅用于卫星导航系统定位、导航扩展到现在各种社会应用,如位置感知的综合数据云智慧城市、 战场自动化感知及战场自动化指挥。基于地基增强系统的综合信息服务是近几年发展起来的一种为用户提供与位置相关的信息服务的新兴产业。其中,北斗综合信息服务云平台能为核心服务和应用提供统一 的运行、计算和存储支撑,形成北斗导航大数据能力。

    3、目前国内已经形成完整的北斗自主产业链。

    上游集中在卫星制造、发射、地面配套、地基增强、星基增 强等基础设施建设,以国家队为主,但千寻位置、海格通信、合众思壮等通过介入地基增强或星基增强 系统,未来有望成为位置服务运营商。中游涵盖基础部件、终端、解决方案等,以民企为主,相关公司 从终端环节,逐步向前端芯片板块、后端行业解决方案延伸。目前我国自主芯片、模块、板卡等产品的 核心性能与国际水平相当,国产北斗导航型芯片模块累计销量已突破 8000 万片,高精度板卡和天线销 量已占据国内 30%和 90%的市场份额。

    2019 年,北斗产业链中游和上游受到芯片、板卡、核心器件、终端设备价格下降的影响,产值增速较 去年进一步放缓,在全产业链中占比仍然呈现下降趋势。下游产值占比增长较快,主要原因在于终端集 成环节竞争激烈,而下游运营服务准入门槛相比较低,促使终端提供商向运营服务商转变,同时无人驾 驶和高精度服务近年来需求激增,并有效牵引消费级市场相关服务需求的释放,从而推动下游产业链快 速发展,其产值在 2018 年总产值中占比为 41.6%。随着北斗导航系统全球组网的完成,北斗应用市场 将不断深化,多厂商布局下游高精度地基增强服务将成为 2020 年亮点。

    六、低轨卫星市场前景

    2019 年全球互联网渗透率为 58.8%,全球仍有约 31.8 亿人口没有被互联网普及。其中,亚洲和非洲占据了全球 72.1%的人口但互联 网渗透率分别只有 54.2%和 39.6%,低于全球互联网渗透率的平均水平。照此计算,仅亚非两个大洲就拥有 27.4 亿未“互联”人口,约占全球互联网未普及人数的 86%。由于地面基站易受地形和环境制约,这 些地面信息系统无法覆盖的地区和人口将是卫星通信广阔的市场空间。

    未完成互联网建设的国家主要是 因为1.人口密度低,建立基站不合算2. 人口密度高却缺少资金。但是由于联合国的网速统计标准是256K, 因此即使是被互联网覆盖的 41.2%的人口中,仍有部分人口仍处于 2G 和 3G 之间。根据联合国统计数 字,2018 年 3 月份到 2019 年的 3 月份,互联网在非低收入国家,渗透率只增长了 1%,在低收入国家, 渗透率只增长了 0.8%;因此现有的全球互联网建设遇到了瓶颈期,很难再有很大提升。因此,低轨卫星成为当前刚需。

全球互联网渗透率

数据来源:公开资料整理

    2020 年 1 月 14 日,预测,卫星市场将在卫星数量、价值和质量上发生根本性的变化,制造和发射的卫星 数量将增加 4.3 倍,平均每年发射 990 颗卫星,而前十年平均每年发射 230 颗卫星。未来十年,将达到2920亿美元,比前十年增长28%,前十年的总收入为2280亿美元。未来十年在Starlink、OneWeb、 Kuiper、Telesat LEO 和 O3b mPower 等宽带项目的驱动下,预计 LEO 和 MEO 星座占总需求的 77%; 低轨卫星市场规模巨大,前景广阔。

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