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卫星通信行业深度报告:空天信息产业迎来黄金十年(上)

http://www.tele.hc360.com2020年02月07日11:08 来源:未来智库T|T

    【慧聪通信网】1、空天信息产业迎来黄金十年

    信息技术产业已经走过主机时代、互联网时代、移动互联时代,现已进入空天信息时代。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。

卫星通信

    空天信息产业的政策环境越来越友好。从政策上看,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。

    1.1 建设通导遥一体的空天信息网络成为我国迫切需求

    近年来,我国地面和空间信息网络建设已取得瞩目发展。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。

    但随着国民经济飞速发展和各类新兴技术的普及,我国对空天信息也有了更高层次的需求。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,亟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。

    国防方面,武器装备的飞速发展和作战模式的改变也为空天信息提出了更高层次的需求。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。我们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。据美国航天新闻网10月7日报道,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。

    1.2 空天地一体化信息网络逐渐形成

    20世纪80年代至90年代,美国成功部署了跟踪数据中继卫星(TrackingandDataRelaySatellite,TDRS)系统,TDRS被称为“卫星的卫星",其中,多址链路是TDRS的重要组成部分,美国的TDRS多址链路技术演变分为三个阶段:

    第一代TDRSS系统的多址体制采用空分多址结合码分多址方式,星上采用一个S频段多址相控天线,具有30个阵元,全部用作接收阵列,发射阵列山其中的12个具有收发双工性能的阵元承担,在通信过程中,只需24个接收阵元、8个发射阵元即可达到TDRSS通信要求。系统采用空分多址和码分多址方式,在一个波束内的用户采用伪噪声码分多址技术,每个信道最大速率可达到50kb/s。其空分多址的波束形成是在地面完成的,各个人线单元接收到返向链路的信号,经过低噪放等处理过程送给星上处理器,并将信号频分复用(频点间隔设置为7.5MHz后形成中频信号,再通过上变频处理将信号从K频段传输下去送给地面基站,在地面接收到多个阵元的信号进行波束形成;

    第二代TDRSS系统星上采用的多址天线为S频段六角形相控阵模式,并且因为星上形成波束,天线增益提高约6dB,返向链路为32条,前向链路为巧条,系统增强了多址业务返向能力,占用2.0G~2.3Ghz波段进行多址访问,前向链路的数据传输率为300Kbit/s,并能以传输速率3Mb/s同时接收五个用户星的信息;

    空天信息网络第三代TDRSS完成了空间对接、高覆盖率和返回着陆等方面的卫星测控任务,并能够做到对于图像信号的实时传输,关于其多址链路技术,最近美国提出了按需接人的第三代中继卫星地面合成方案,第三代多波束合成方案采用地面接收DBF多波束合成技术,可以满足更多用户按需接址的通信要求。

    2.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SpaceX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。

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    3.低轨通信卫星技术趋于成熟

    3.1 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。

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    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:

    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。

    1)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;

    2)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。

    3.2 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。

    1)火箭发射成本

    美国航天探索公司SpaceX,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SpaceX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。

    2)小卫星制造成本

    另外,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SpaceX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。

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    3)整体通信系统建设成本

    根据Wind数据,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。

    根据《美国典型小卫星项目创新管理模式分析》,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,SpaceX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SpaceX执行总裁马斯克透露,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。从我国4G基站与SpaceX低轨小卫星几个指标对比可以看出其发展前景:

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    未来,随着以SpaceX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。

    3.3 低轨卫星市场规模巨大,前景广阔

    根据全球互联网统计信息(Internet World States)最新统计数据显示,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。

    2020年1月14日,欧洲咨询公司发布了最新的卫星制造与发射服务分析报告《2028年前卫星制造与发射》报告。报告预测,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,该市场将达到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、TelesatLEO和O3bmPower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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    3.4 多家国外公司投入低轨卫星研发,市场竞争激烈

    为打开全球未“互联”的30亿潜在市场,多家海外公司已投入低轨卫星通信的研发中。2015年,在谷歌(Google)等互联网巨头的推动和支持下,一网公司(OneWeb)、太空探索公司(SpaceX)、三星、低轨卫星公司(Leosat)等多家企业提出打造由低轨小卫星组成的卫星星座,为全球提供互联网接入服务。提供互联网服务的卫星星座并不是一个新事物,20世纪90年代开始不断涌现提供通信和网络服务的卫星星座。

    如果按照卫星与地面通信的竞争合作关系对卫星互联网星座的发展阶段进行划分,主要可以分为3个历史阶段:

    1)第1阶段(20世纪80年代末至2000年):以铱星(Iridium)、全球星(Globalstar)、轨道通信(Orbcomm)、“泰利迪斯”(Teledesic)和“天空之桥”(Skybridge)系统为代表,力图重建一个天基网络、销售独立的卫星电话或上网终端与地面电信运营商竞争用户。

    第2阶段(2000—2014年):以新铱星、全球星和轨道通信公司为代表,既为电信运营商提供一部分容量补充和备份,也在海事、航空等极端条件下的面向最终用户提供移动通信服务,与地面电信运营商存在一定程度的竞争,但主要还是作为地面通信手段的“填隙”,规模有限。

    1)第3阶段(2014年至今):以“另外30亿人”网络公司(O3bNetworks)为代表,为全球用户提供干线传输和蜂窝回程业务,地面电信运营商是其客户和合作伙伴,卫星网络成为地面网络的补充。

    从2014年底至今,全球范围内至少提出了6个大型低轨卫星星座项目,其中最具代表性的主要有3家,分别是O3b创始人格雷格·惠勒新创立的一网系统(OneWeb);SpaceX和特斯拉汽车创始人埃隆·马斯克(ElonMusk)提出的星链(Starlink)计划,计划发射约12000颗卫星组建低轨卫星通信系统:原天线设备供应商Kymeta公司创始人发展的Leosat系统。这三大主要计划的主要参数如下:

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    3.4.1 OneWeb(一网计划)

    “一网”(OneWeb)卫星互联网星座由OneWeb公司提出,该公司由原O3b创始人格雷格·惠勒(GregWyler)于2014年成立。OneWeb计划打造由650颗低轨卫星组成空间卫星星座,为全球用户提供互联网接入服务。

    OneWeb在2015年6月吸引了维珍集团和法国雅利安太空公司的5亿美元投资,2016年12月获得软银公司10亿美元投资,2019年3月18日获得等公司12.5亿美元投资,截至目前公司已经累计获得34亿美元融资。目前公司的投资方还包括国际通信卫星公司、可口可乐、休斯网络、高通、空中客车、维珍银河等商业巨头。

    OneWeb卫星重约150kg,设计寿命5年,发射包络约为1mx1mx1.3m,配备两个太阳能电池板,采用电推进系统进行轨道机动、构型保持以及主动离轨,并使用Ku波段通信天线实现用户链路和Ka波段通信天线实现网关链路,可提供高仰角、优于50ms延时、宽带速率达50Mps的互联网接入服务。

    OneWeb的第一代低轨星座设计方案,包含648颗在轨卫星与234颗备份卫星,总数达882颗。这些卫星将被均匀放置在不同的极地轨道面上,距离地面1200km左右。卫星高速运动,不同卫星交替出现在上空,保障某区域的信号覆盖。公司正在考虑增加卫星数量,总数达到近2000颗。开始运行后,OneWeb星座不仅能覆盖美国,亦能覆盖全球还没有连接互联网的农村边远地区。OneWeb的目标是,到2022年初步建成低轨卫星互联网系统,到2027年建立健全的、覆盖全球的低轨卫星通信系统,为每个移动终端提供约50Mbps速率的互联网接入服务。

    2019年2月,OneWeb首批6颗互联网卫星成功升空,OneWeb将在2019年秋天开始发射更多卫星。最终,OneWeb计划将另外1000余颗卫星送入不同高度的太空中,该公司卫星总数有望达到1980颗。

    3.4.2 SpaceX星链(Starlink)计划

    SpaceX,美国太空探索技术公司,是美国一家私人航天制造商和太空运输公司;截至目前SpaceX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。

    2015年SpaceX首席执行官埃隆.马斯克宣布推出通过近地轨道卫星群提供覆盖全球的高速互联网接入服务的星链(Starlink)计划;SpaceX计划在2019年到2024年内将4425颗卫星送到轨道平面,组成小卫星互联网星座,并在全球范围内提供互联网接入服务,并在2020年代中期之前在三个轨道上部署接近12000颗卫星:首先在550千米轨道部署约1600颗卫星,然后是在1150轨道部署约2825颗Ku波段和Ka波段卫星,最后是在340千米轨道部署约7500颗V波段卫星。

    整个计划预计需要约100亿美元的支出。2020年1月30日,SpaceX成功发射了猎鹰9号火箭,将第四批共60颗Starlink卫星全部送入轨道,使得目前在轨卫星总数达到240颗。每颗星链卫星重约260千克,起飞约一小时后,卫星到达约290千米的高空,并开展相关测试。完成测试后,这批卫星将上升至550千米的轨道运行。值得注意的是,此次发射还搭载了一组升级后的卫星,以便提高光谱效率和吞吐量。

    每颗小卫星大约可覆盖半径为1060km的区域,覆盖面积大约为350万平方公里。Starlink第一阶段共1600颗小卫星部署完成后,就能提供覆盖全球的宽带服务;第二阶段4425颗卫星全部部署完成后,Starlink系统能为全球个人消费者和商业用户提供全球范围最高1Gbps的低延时宽带服务。

    SpaceX已获准发射近12000颗卫星,并表示有兴趣再发射3万颗卫星。为了履行发射许可义务,SpaceX必须在未来五到六年内发射近6000颗卫星;公司计划今年进行多达24次Starlink任务。SpaceX总裁兼首席运营官GwynneShotwell去年底确认,从今年开始,每隔2-3周SpaceX就会发射60颗卫星。到2020年底,SpaceX计划完成24次卫星发射,发射数目累计达到1440颗。

    3.5 天基互联网将成为5G的倍增器

    2G、3G、4G、5G甚至是未来的6G都属于地面无线通信技术,需要通过光纤将各个基站连接起来组成交互网络,难以建设基站的荒野就是移动通讯的盲区。全球超过80%的陆地及95%以上的海洋包括5G在内的移动通讯网络都无法覆盖。

    移动通讯基站建设性价比的考量是限制互联网覆盖面的重要因素。以美国为例,该国人口密度低,基站间平均距离远,铺设光纤投入产出比低,限制了地面通信的覆盖。在中国,是国家巨额资金的投入将通信网络向农村等边缘地区延伸才有了全国4G覆盖率达到99.7%的奇观。即便如此中国在海洋、沙漠、雪原、民航等领域仍处于互联网的空窗期这对于即将实现物联网时代来说是无法容忍的;想要实现无视地形的信号覆盖就必须改变信号覆盖的策略。

    2013-2018年我国在4G建设中三大运营商总投入超过8000亿元,而未来的5G建设花费将超万亿。5G基站覆盖范围小、能耗巨大的特点决定其在人口密集的城市、乡村才有必要铺设;而天基互联网系统能够实现全球覆盖且无视地形和环境要素。因此我们预测未来天基互联网和5G将形成一种相辅相成、互相融合的关系:以5G为代表的地面基站负责人口稠密的城市和乡村,而天基互联网负责人口稀少、建设基站困难的地区,如天空、海洋和极地;可以预见,天基互联网将成为以5G为代表的地面基站的倍增器;未来10年天基互联网将进入高速发展期,全球无缝覆盖WiFi即将成为现实。 (未完待续)

    接下篇:卫星通信行业深度报告:空天信息产业迎来黄金十年(下)

责任编辑:王彩屏

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