報(bào)告出品/作者：申萬(wàn)宏源研究、韓強(qiáng)、武雨桐

以下為報(bào)告原文節(jié)選

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1 高通量衛(wèi)星性能提升，低軌寬帶星座建設(shè)加速

1.1 通信衛(wèi)星種類眾多，載荷及平臺(tái)為兩大組成

衛(wèi)星可分為通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星以及遙感衛(wèi)星等，我國(guó)通信衛(wèi)星中商業(yè)用途數(shù)量最多，占比超 50%。衛(wèi)星作為天地一體化設(shè)施，利用空間資源環(huán)境為經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域用戶提供通信廣播、導(dǎo)航定位授時(shí)、地球綜合觀測(cè)及其他產(chǎn)品與服務(wù)。按照應(yīng)用領(lǐng)域不同可將衛(wèi)星分為通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星等。其中通信衛(wèi)星是人造衛(wèi)星的一種，作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)的空間部分，是無(wú)線電通信的中繼站，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)線電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信地球站之間或地球站與航天器之間的無(wú)線電通信。由于通信衛(wèi)星不受地理?xiàng)l件限制，對(duì)地面設(shè)施依賴程度較低，是對(duì)光纖互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)很好的補(bǔ)充，廣泛應(yīng)用于航海、航空、陸地、軌交等領(lǐng)域。據(jù) UCS 數(shù)據(jù)顯示，截至 2022 年 4 月 30 日，中國(guó)目前在軌衛(wèi)星數(shù)量為 541 顆，其中通信衛(wèi)星數(shù)量為 67 顆，占比達(dá) 12.4%，我國(guó)擁有的通信衛(wèi)星中，商業(yè)用途有 37 顆，占比超過(guò) 50%。

通信衛(wèi)星由通信類有效載荷和衛(wèi)星平臺(tái)兩大部分組成。有效載荷作為衛(wèi)星的核心部分，直接執(zhí)行特定的衛(wèi)星任務(wù)，安裝不同有效載荷的衛(wèi)星用途也不相同。其中通信衛(wèi)星有效載荷一般由天線分系統(tǒng)和轉(zhuǎn)發(fā)器分系統(tǒng)組成，兩者配合完成來(lái)自地球站的信號(hào)接收、信號(hào)變換和向地球站的信號(hào)發(fā)送等功能。衛(wèi)星平臺(tái)是為載荷正常工作提供支持、控制、指令、管理和保障服務(wù)的各分系統(tǒng)的總稱，主要包括結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、熱控、電源、姿態(tài)與軌道控制、推進(jìn)、測(cè)控、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)傳輸、總體電路等分系統(tǒng)。據(jù)艾瑞咨詢數(shù)據(jù)顯示，姿軌控與推進(jìn)分系統(tǒng)是衛(wèi)星平臺(tái)中價(jià)值占比最高的環(huán)節(jié)，占衛(wèi)星平臺(tái)價(jià)值量的 40%。

圖 2：通信衛(wèi)星由通信類有效載荷及衛(wèi)星平臺(tái)構(gòu)成

通信衛(wèi)星有多種分類方式，可以按用戶群體、波束數(shù)量及軌道高度進(jìn)行分類。通信衛(wèi)星按照用戶群體可分為民用通信衛(wèi)星和軍用通信衛(wèi)星，民用涉及衛(wèi)星通信廣播、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)等；軍用通信衛(wèi)星通過(guò)建立專網(wǎng)無(wú)線電通信設(shè)備，應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)信息傳遞，為指揮機(jī)關(guān)的實(shí)時(shí)決策提供依據(jù)。按波束數(shù)量可分為高通量衛(wèi)星及傳統(tǒng)通信衛(wèi)星，高通量通信衛(wèi)星是相對(duì)于使用相同頻率資源的傳統(tǒng)通信衛(wèi)星而言的，主要技術(shù)特征包括多點(diǎn)波束、頻率復(fù)用、高波束增益等。按照軌道高度不同分為低軌道衛(wèi)星、中軌道衛(wèi)星和高軌道衛(wèi)星。

1.2 高軌態(tài)勢(shì)：美國(guó)具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)，高通量衛(wèi)星性能加速提升

1.2.1 全球高通量衛(wèi)星發(fā)展經(jīng)歷三階段，通信容量將達(dá) 1TB

美國(guó)在高軌通信衛(wèi)星發(fā)射中具備先發(fā)優(yōu)勢(shì)，通信容量是其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。1958 年 12月美國(guó)成功發(fā)射了世界上第一顆試驗(yàn)通信衛(wèi)星“斯科爾”號(hào)。1965 年 4 月美國(guó)發(fā)射第一顆半試驗(yàn)、半實(shí)用靜止軌道通信衛(wèi)星——國(guó)際通信衛(wèi)星 1 號(hào)（晨鳥(niǎo)），為洲際通信提供了空間通道，正式建立了北美和歐洲之間的通信業(yè)務(wù)。此后，日本、法國(guó)、德國(guó)、中國(guó)等國(guó)家也紛紛發(fā)射了各自的通信衛(wèi)星。根據(jù)《中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)》指出，隨著通信衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量增加，其技術(shù)水平逐步成熟，體現(xiàn)在壽命增長(zhǎng)、太陽(yáng)能電池功率提高、轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量增加、等效通信容量路數(shù)增加等特點(diǎn)上。

高通量衛(wèi)星以高軌居多，能夠大幅提高傳輸效率并降低使用成本。根據(jù) UCS 披露，2011年，美國(guó)發(fā)射全球首顆高通量衛(wèi)星 ViaSat-1，通信容量達(dá)到 140Gbps。2017 年發(fā)射的ViaSat-2 通信容量達(dá)到 300Gbps，是當(dāng)前世界上容量最大的高通量衛(wèi)星。預(yù)計(jì)于 2023 年第一季度發(fā)射的 ViaSat-3 由 3 顆高通量 Ka 波段地球同步軌道衛(wèi)星所組成，單顆衛(wèi)星通信容量為 1Tbps，將覆蓋除極地以外的全部地區(qū)。高通信容量的衛(wèi)星能夠在使用相同帶寬的頻率資源下，達(dá)到傳統(tǒng)通信衛(wèi)星數(shù)據(jù)吞吐量的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，能夠大幅降低單位比特的成本，從而經(jīng)濟(jì)、便利地實(shí)現(xiàn)各種新應(yīng)用。相比傳統(tǒng)通信衛(wèi)星而言：1）可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通訊；2）頻率利用率提升；3）地面設(shè)備簡(jiǎn)化。

1.2.2 我國(guó)高通量衛(wèi)星性能逐漸提升，通信容量可達(dá)百 G

我國(guó)高軌通信衛(wèi)星起步較晚，近年來(lái)逐漸躋身世界先進(jìn)之列。我國(guó)在 1984 年成功發(fā)射第一顆靜止軌道實(shí)驗(yàn)通信衛(wèi)星——東方紅二號(hào)，是世界上第五個(gè)自行發(fā)射通信衛(wèi)星的國(guó)家。

1988 年 3 月 7 日，東方紅二號(hào)衛(wèi)星的改型星—東方紅 2 號(hào)甲成功發(fā)射，是我國(guó)首次研制成功的實(shí)用通信廣播衛(wèi)星，改善了我國(guó)的通信和廣播電視傳輸條件。2008 年，我國(guó)成功發(fā)射了中繼衛(wèi)星——天鏈一號(hào)，成為世界上繼美國(guó)之后第二個(gè)擁有了對(duì)中、低軌航天器具備全球覆蓋能力的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的國(guó)家。

近五年我國(guó)高通量衛(wèi)星技術(shù)快速追趕，現(xiàn)通信容量超百 G。根據(jù)中國(guó)衛(wèi)通披露，2017年我國(guó)首顆高通量通信衛(wèi)星中星 16 號(hào)成功發(fā)射，該星首次應(yīng)用 Ka 頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)填補(bǔ)了寬帶通信衛(wèi)星空白，通信總?cè)萘窟_(dá) 20G 以上，信息傳送能力大大增強(qiáng)，開(kāi)啟了我國(guó)衛(wèi)星通信高通量時(shí)代。2020 年，亞太 6D 衛(wèi)星成功發(fā)射，進(jìn)一步提升了我國(guó)高軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)能力。我國(guó)高軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已在航空、海事、應(yīng)急、自然資源等多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展了實(shí)踐應(yīng)用?！笆奈濉逼陂g，我國(guó)發(fā)射了中星 19 號(hào)、26 號(hào)、亞太 6E 等多顆高軌高通量衛(wèi)星，建成首張完整覆蓋國(guó)土全境及“一帶一路”重點(diǎn)地區(qū)的高軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，在軌總?cè)萘砍^(guò) 150Gbit/s，走向大規(guī)模實(shí)用階段。

1.3 低軌態(tài)勢(shì)：各國(guó)積極布局低軌寬帶星座，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)落地

1.3.1 低軌空間為全球航天發(fā)展焦點(diǎn)，星座部署邁入高峰期

低軌空間是全球航天發(fā)展焦點(diǎn)，低軌星座批量部署邁入高峰期。由于低軌衛(wèi)星星座在發(fā)射成本和實(shí)現(xiàn)全球覆蓋等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，并且具有較強(qiáng)的抗毀性、低傳輸延時(shí)性和低功耗鏈路等特點(diǎn)，因此以低軌道、巨型、星座為特征的低軌道寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。早在 20 世紀(jì) 80 年代至 2000 年前后，摩托羅拉公司的“銥星”計(jì)劃就提出，通過(guò)發(fā)射 66 顆低軌衛(wèi)星構(gòu)建覆蓋全球的衛(wèi)星通信網(wǎng)。SpaceX 公司宣布“星鏈”計(jì)劃——發(fā)射約 4.2 萬(wàn)顆通信衛(wèi)星，其中 1584 顆將部署在近地軌道，組成覆蓋全球的高效衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，為全球消費(fèi)者提供廉價(jià)、快速的寬帶互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。此外，英國(guó)OneWeb、加拿大電信衛(wèi)星公司 Telesat、跨國(guó)企業(yè) SES 的 O3b 星座、波音、三星等互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃也在積極推進(jìn)中。

1.3.1.1 銥星計(jì)劃

銥星公司為國(guó)際商業(yè)通信服務(wù)核心企業(yè)，經(jīng)過(guò)兩代星座計(jì)劃，逐漸形成較為完備的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系。1987 年，美國(guó)摩托羅拉公司提出銥星計(jì)劃，向全球商業(yè)用戶提供移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。銥星計(jì)劃于 1996 年開(kāi)始試驗(yàn)發(fā)射，1998 年 5 月，66 顆低軌道人造衛(wèi)星布星任務(wù)全部完成。由于相關(guān)技術(shù)欠缺、建設(shè)成本過(guò)高、市場(chǎng)反應(yīng)平淡等問(wèn)題，銥星第一代低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃宣告失敗。2000 年銥星公司背負(fù) 40 多億美元債務(wù)正式破產(chǎn)，但轉(zhuǎn)賣后獲得了美國(guó)國(guó)防部為期 5 年、每年 3600 萬(wàn)美元的合同。憑借這筆合同，公司得以重新啟航，逐漸發(fā)展成為美軍全球通新的補(bǔ)充力量。2007 年公司宣布第二代“銥星計(jì)劃”（Iridium NEXT），二代系統(tǒng)仍是由 66 顆衛(wèi)星組成，于 2019 年完成。其各方面性能是—代的全面升級(jí)演進(jìn)，在衛(wèi)星通信市場(chǎng)占據(jù)—片天地。公司的低地球軌道（LEO）L 波段網(wǎng)絡(luò)向世界上不存在或有限的地面無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，提供可靠的、適應(yīng)氣候變化的通信服務(wù)。

圖 8：銥星公司各業(yè)務(wù)類型營(yíng)收占比

1.3.1.2 星鏈計(jì)劃

“星鏈”(Starlink)系統(tǒng)為目前全球規(guī)劃規(guī)模最大、發(fā)射數(shù)量最多的低軌星座?！靶擎湣笔怯擅绹?guó) SpaceX 公司于 2014 年提出的低軌互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃，旨在建立一個(gè)覆蓋廣、容量大、時(shí)延低的天基通信系統(tǒng)，面向全球范圍提供高速互聯(lián)接入服務(wù)。根據(jù) Starlink 官網(wǎng)披露，“星鏈”系統(tǒng)共規(guī)劃 3 期，總規(guī)模接近 4.2 萬(wàn)顆衛(wèi)星，由 3 層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組成，包括距離地面 340km 和 550km 的極低地球軌道衛(wèi)星 9102 顆，以及 1150km 的低軌衛(wèi)星 2825顆。“星鏈”(Starlink)系統(tǒng)于 2019 年 5 月首次發(fā)射，截至 2023 年 2 月 22 日，4 年間，已發(fā)射 3878 顆，在軌 3201 顆。根據(jù) Starlink 官網(wǎng)披露，在 2021 年 1 月到 2021 年 5 月，以及 2022 年 2 月到 2022 年 5 月期間明顯加快了布局速度，尤其是 2022 年 2 月 3 日至 5月 18 日，105 天累計(jì)完成 12 批次、611 顆衛(wèi)星的發(fā)射（其中 573 顆運(yùn)行）。就期而言，大約 8.75 天就批量發(fā)射 1 次，就頻率而言，每天平均發(fā)射 5.81 顆衛(wèi)星。

“星鏈”衛(wèi)星發(fā)射、制造成本較低。20 世紀(jì) 90 年代，火箭發(fā)射成本大約是 300 萬(wàn)美元。在“星鏈”計(jì)劃實(shí)施的過(guò)程中，SpaceX 一直致力于降低衛(wèi)星發(fā)射成本?！靶擎湣毙l(wèi)星采用一箭多星批量發(fā)送，同時(shí)已成功多次完成“獵鷹 9 號(hào)”一級(jí)火箭的回收和重復(fù)利用，而且在 2021 年 10 月首次實(shí)現(xiàn)了海上回收火箭，此舉意義重大，也是未來(lái)火箭發(fā)射技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在制造方面，SpaceX 采用跨供應(yīng)鏈甚至新建航天供應(yīng)鏈，對(duì)成本的追求達(dá)到極致。星鏈衛(wèi)星發(fā)射成本低，一方面 SpaceX 作為發(fā)射方可以利用內(nèi)部采購(gòu)價(jià)格發(fā)射衛(wèi)星；另一方面星箭一體化設(shè)計(jì)，可以最大程度綜合利用整流罩包絡(luò)空間、火箭運(yùn)載能力。

圖 12：Starlink 應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈架構(gòu)

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