低轨卫星行业报告：低轨星座蓄势待发，千亿蓝海扬帆启航
报告出品/作者：申万宏源研究、韩强、武雨桐
以下为报告原文节选
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1 高通量卫星性能提升，低轨宽带星座建设加速
1.1 通信卫星种类众多，载荷及平台为两大组成
卫星可分为通信卫星、导航卫星以及遥感卫星等，我国通信卫星中商业用途数量最多，占比超 50%。卫星作为天地一体化设施，利用空间资源环境为经济社会各领域用户提供通信广播、导航定位授时、地球综合观测及其他产品与服务。按照应用领域不同可将卫星分为通信卫星、导航卫星、遥感卫星等。其中通信卫星是人造卫星的一种，作为卫星通信系统的空间部分，是无线电通信的中继站，通过转发无线电信号，实现卫星通信地球站之间或地球站与航天器之间的无线电通信。由于通信卫星不受地理条件限制，对地面设施依赖程度较低，是对光纤互联网、移动互联网很好的补充，广泛应用于航海、航空、陆地、轨交等领域。据 UCS 数据显示，截至 2022 年 4 月 30 日，中国目前在轨卫星数量为 541 颗，其中通信卫星数量为 67 颗，占比达 12.4%，我国拥有的通信卫星中，商业用途有 37 颗，占比超过 50%。
通信卫星由通信类有效载荷和卫星平台两大部分组成。有效载荷作为卫星的核心部分，直接执行特定的卫星任务，安装不同有效载荷的卫星用途也不相同。其中通信卫星有效载荷一般由天线分系统和转发器分系统组成，两者配合完成来自地球站的信号接收、信号变换和向地球站的信号发送等功能。卫星平台是为载荷正常工作提供支持、控制、指令、管理和保障服务的各分系统的总称，主要包括结构与机构、热控、电源、姿态与轨道控制、推进、测控、数据管理、数据传输、总体电路等分系统。据艾瑞咨询数据显示，姿轨控与推进分系统是卫星平台中价值占比最高的环节，占卫星平台价值量的 40%。
图 2：通信卫星由通信类有效载荷及卫星平台构成
通信卫星有多种分类方式，可以按用户群体、波束数量及轨道高度进行分类。通信卫星按照用户群体可分为民用通信卫星和军用通信卫星，民用涉及卫星通信广播、数据传输服务等；军用通信卫星通过建立专网无线电通信设备，应用于战场信息传递，为指挥机关的实时决策提供依据。按波束数量可分为高通量卫星及传统通信卫星，高通量通信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。按照轨道高度不同分为低轨道卫星、中轨道卫星和高轨道卫星。
1.2 高轨态势：美国具备先发优势，高通量卫星性能加速提升
1.2.1 全球高通量卫星发展经历三阶段，通信容量将达 1TB
美国在高轨通信卫星发射中具备先发优势，通信容量是其关键技术指标。1958 年 12月美国成功发射了世界上第一颗试验通信卫星“斯科尔”号。1965 年 4 月美国发射第一颗半试验、半实用静止轨道通信卫星——国际通信卫星 1 号（晨鸟），为洲际通信提供了空间通道，正式建立了北美和欧洲之间的通信业务。此后，日本、法国、德国、中国等国家也纷纷发射了各自的通信卫星。根据《中国空间科学技术》指出，随着通信卫星发射数量增加，其技术水平逐步成熟，体现在寿命增长、太阳能电池功率提高、转发器数量增加、等效通信容量路数增加等特点上。
高通量卫星以高轨居多，能够大幅提高传输效率并降低使用成本。根据 UCS 披露，2011年，美国发射全球首颗高通量卫星 ViaSat-1，通信容量达到 140Gbps。2017 年发射的ViaSat-2 通信容量达到 300Gbps，是当前世界上容量最大的高通量卫星。预计于 2023 年第一季度发射的 ViaSat-3 由 3 颗高通量 Ka 波段地球同步轨道卫星所组成，单颗卫星通信容量为 1Tbps，将覆盖除极地以外的全部地区。高通信容量的卫星能够在使用相同带宽的频率资源下，达到传统通信卫星数据吞吐量的数倍甚至数十倍，能够大幅降低单位比特的成本，从而经济、便利地实现各种新应用。相比传统通信卫星而言：1）可实现多点通讯；2）频率利用率提升；3）地面设备简化。
1.2.2 我国高通量卫星性能逐渐提升，通信容量可达百 G
我国高轨通信卫星起步较晚，近年来逐渐跻身世界先进之列。我国在 1984 年成功发射第一颗静止轨道实验通信卫星——东方红二号，是世界上第五个自行发射通信卫星的国家。
1988 年 3 月 7 日，东方红二号卫星的改型星—东方红 2 号甲成功发射，是我国首次研制成功的实用通信广播卫星，改善了我国的通信和广播电视传输条件。2008 年，我国成功发射了中继卫星——天链一号，成为世界上继美国之后第二个拥有了对中、低轨航天器具备全球覆盖能力的中继卫星系统的国家。
近五年我国高通量卫星技术快速追赶，现通信容量超百 G。根据中国卫通披露，2017年我国首颗高通量通信卫星中星 16 号成功发射，该星首次应用 Ka 频段多波束宽带通信系统填补了宽带通信卫星空白，通信总容量达 20G 以上，信息传送能力大大增强，开启了我国卫星通信高通量时代。2020 年，亚太 6D 卫星成功发射，进一步提升了我国高轨卫星互联网服务能力。我国高轨卫星互联网已在航空、海事、应急、自然资源等多个领域开展了实践应用。“十四五”期间，我国发射了中星 19 号、26 号、亚太 6E 等多颗高轨高通量卫星，建成首张完整覆盖国土全境及“一带一路”重点地区的高轨卫星互联网，在轨总容量超过 150Gbit/s，走向大规模实用阶段。
1.3 低轨态势：各国积极布局低轨宽带星座，卫星互联网落地
1.3.1 低轨空间为全球航天发展焦点，星座部署迈入高峰期
低轨空间是全球航天发展焦点，低轨星座批量部署迈入高峰期。由于低轨卫星星座在发射成本和实现全球覆盖等方面具有明显优势，并且具有较强的抗毁性、低传输延时性和低功耗链路等特点，因此以低轨道、巨型、星座为特征的低轨道宽带卫星网络系统在世界范围内呈现蓬勃发展的态势。早在 20 世纪 80 年代至 2000 年前后，摩托罗拉公司的“铱星”计划就提出，通过发射 66 颗低轨卫星构建覆盖全球的卫星通信网。SpaceX 公司宣布“星链”计划——发射约 4.2 万颗通信卫星，其中 1584 颗将部署在近地轨道，组成覆盖全球的高效卫星通信网络，为全球消费者提供廉价、快速的宽带互联网服务。此外，英国OneWeb、加拿大电信卫星公司 Telesat、跨国企业 SES 的 O3b 星座、波音、三星等互联网星座计划也在积极推进中。
1.3.1.1 铱星计划
铱星公司为国际商业通信服务核心企业，经过两代星座计划，逐渐形成较为完备的低轨卫星互联网体系。1987 年，美国摩托罗拉公司提出铱星计划，向全球商业用户提供移动通信业务。铱星计划于 1996 年开始试验发射，1998 年 5 月，66 颗低轨道人造卫星布星任务全部完成。由于相关技术欠缺、建设成本过高、市场反应平淡等问题，铱星第一代低轨卫星互联网计划宣告失败。2000 年铱星公司背负 40 多亿美元债务正式破产，但转卖后获得了美国国防部为期 5 年、每年 3600 万美元的合同。凭借这笔合同，公司得以重新启航，逐渐发展成为美军全球通新的补充力量。2007 年公司宣布第二代“铱星计划”（Iridium NEXT），二代系统仍是由 66 颗卫星组成，于 2019 年完成。其各方面性能是—代的全面升级演进，在卫星通信市场占据—片天地。公司的低地球轨道（LEO）L 波段网络向世界上不存在或有限的地面无线或有线网络的区域，提供可靠的、适应气候变化的通信服务。
图 8：铱星公司各业务类型营收占比
1.3.1.2 星链计划
“星链”(Starlink)系统为目前全球规划规模最大、发射数量最多的低轨星座。“星链”是由美国 SpaceX 公司于 2014 年提出的低轨互联网星座计划，旨在建立一个覆盖广、容量大、时延低的天基通信系统，面向全球范围提供高速互联接入服务。根据 Starlink 官网披露，“星链”系统共规划 3 期，总规模接近 4.2 万颗卫星，由 3 层卫星网络组成，包括距离地面 340km 和 550km 的极低地球轨道卫星 9102 颗，以及 1150km 的低轨卫星 2825颗。“星链”(Starlink)系统于 2019 年 5 月首次发射，截至 2023 年 2 月 22 日，4 年间，已发射 3878 颗，在轨 3201 颗。根据 Starlink 官网披露，在 2021 年 1 月到 2021 年 5 月，以及 2022 年 2 月到 2022 年 5 月期间明显加快了布局速度，尤其是 2022 年 2 月 3 日至 5月 18 日，105 天累计完成 12 批次、611 颗卫星的发射（其中 573 颗运行）。就期而言，大约 8.75 天就批量发射 1 次，就频率而言，每天平均发射 5.81 颗卫星。
“星链”卫星发射、制造成本较低。20 世纪 90 年代，火箭发射成本大约是 300 万美元。在“星链”计划实施的过程中，SpaceX 一直致力于降低卫星发射成本。“星链”卫星采用一箭多星批量发送，同时已成功多次完成“猎鹰 9 号”一级火箭的回收和重复利用，而且在 2021 年 10 月首次实现了海上回收火箭，此举意义重大，也是未来火箭发射技术发展的必然趋势。在制造方面，SpaceX 采用跨供应链甚至新建航天供应链，对成本的追求达到极致。星链卫星发射成本低，一方面 SpaceX 作为发射方可以利用内部采购价格发射卫星；另一方面星箭一体化设计，可以最大程度综合利用整流罩包络空间、火箭运载能力。
图 12：Starlink 应用产业链架构
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