通信衛(wèi)星行業(yè)星鏈?zhǔn)袌?chǎng)分析

通信衛(wèi)星行業(yè)星鏈?zhǔn)袌?chǎng)分析一、星鏈：衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)先者星鏈(Starlink)是全球規(guī)模最大的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座星鏈（Starlink）是SpaceX推出的一項(xiàng)通過近地軌道衛(wèi)星群，提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。星鏈雖然不是最早進(jìn)入近地軌道寬帶互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，但卻是迄今為止成功發(fā)射衛(wèi)星最多最快、獲得落地批準(zhǔn)國(guó)家最多、用戶數(shù)量規(guī)模最大、全球影響力最高的衛(wèi)星星座。SpaceX于2015年提出了大規(guī)模巨型星座計(jì)劃，目標(biāo)是為美國(guó)以及全球的消費(fèi)者提供高速、低時(shí)延寬帶接入服務(wù)。2018年星鏈2顆原型實(shí)驗(yàn)星送入預(yù)定軌道，同年3月、11月，星鏈第一代LEO星座計(jì)劃和VLEO星座計(jì)劃先后獲得美國(guó)FCC批準(zhǔn)。2019年，星鏈第一批v0.9衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道，開啟星座建設(shè)；2020年開始于北美啟動(dòng)公測(cè)服務(wù)，2022年10月進(jìn)入亞洲，2023年1月進(jìn)入非洲。截止2023年12月，SpaceX公司已在全球超65個(gè)國(guó)家/地區(qū)可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)落地，并計(jì)劃2023年之后提供全球手機(jī)服務(wù)。2023年星鏈共發(fā)射了63次共1984顆衛(wèi)星，并首次推出了新版本的星鏈衛(wèi)星Starlinkv2Mini。星鏈?zhǔn)荢paceX公司的四大項(xiàng)目之一SpaceX的業(yè)務(wù)范圍主要包括火箭發(fā)射、低軌衛(wèi)星通信、空間站運(yùn)輸和未來(lái)航天運(yùn)輸四大領(lǐng)域。通過設(shè)計(jì)與制造可重復(fù)使用的太空運(yùn)載火箭，將貨物、人員和衛(wèi)星載荷運(yùn)送至太空?；鸺l(fā)射：SpaceX的火箭發(fā)射業(yè)務(wù)分為軍方發(fā)射和商業(yè)發(fā)射。軍方市場(chǎng)是SpaceX公司的重點(diǎn)目標(biāo)，商業(yè)發(fā)射則作為公司樹立低價(jià)發(fā)射形象的窗口，并為公司的重復(fù)使用技術(shù)提供試驗(yàn)田。低軌衛(wèi)星通信（星鏈）：面向消費(fèi)市場(chǎng)提供低軌互聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)，還能面向軍方用戶提供全方位服務(wù)，具備通信、偵查和感知等多方面的應(yīng)用潛力。星鏈在2023年9月達(dá)到200萬(wàn)用戶，成為SpaceX最主要的業(yè)務(wù)之一?？臻g站貨物和乘員運(yùn)輸：SpaceX在“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”計(jì)劃（COTS）和“商業(yè)乘員計(jì)劃”（CCP）中均獲得NASA大利支持，主要提供獵鷹9火箭和“龍”飛船方案，官方披露每運(yùn)輸50kg費(fèi)用$275K。每年國(guó)際空間站貨運(yùn)任務(wù)大約3次，載人任務(wù)大約2次，截止2023年已運(yùn)送42人到太空。未來(lái)航天運(yùn)輸：SpaceX計(jì)劃用星艦來(lái)進(jìn)行載人繞月飛行、前往火星等太空探索，該項(xiàng)目的超重-星艦仍在研制中。SpaceX愿景讓人類走向多行星，星鏈?zhǔn)腔鹦怯?jì)劃的重要資金來(lái)源SpaceX的愿景是通過開發(fā)星艦實(shí)現(xiàn)星際移民，比如火星。SpaceX計(jì)劃在火星上建立一個(gè)載人基地，并希望將其發(fā)展成為一個(gè)自給自足的殖民地。公司認(rèn)為這對(duì)人類物種的長(zhǎng)期生存是必要的，而且火星計(jì)劃將降低太空運(yùn)輸成本，使火星旅行具有更現(xiàn)實(shí)的可能性。該項(xiàng)目計(jì)劃在火星發(fā)射窗口期間發(fā)射1000艘星艦，將100萬(wàn)人送往火星。星艦代表了一個(gè)完全可重復(fù)使用的運(yùn)輸系統(tǒng)，旨在將機(jī)組人員和貨物運(yùn)送到地球軌道、月球、火星和更遠(yuǎn)的地方。馬斯克預(yù)計(jì)將于2029年執(zhí)行首次載人火星任務(wù)，屆時(shí)將搭載12人登上火星。星鏈?zhǔn)荢paceX火星計(jì)劃的重要資金來(lái)源，并能輔助部署火星上的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。馬斯克曾表示“星鏈可以產(chǎn)生數(shù)十億美元的收入，可用于資助火星上一座城市的發(fā)展”。據(jù)Euroconsult估計(jì)，2023年SpaceX公司40%以上的收入可能來(lái)自星鏈的寬帶連接服務(wù)，這極大地支撐了星艦項(xiàng)目的推進(jìn)。一旦火星移民成為現(xiàn)實(shí)，SpaceX計(jì)劃將其星鏈衛(wèi)星星座技術(shù)也應(yīng)用于火星，從而為火星上的人們“提供溝通的方式”。二、商業(yè)應(yīng)用不斷豐富星鏈主要業(yè)務(wù)分個(gè)人版(toC)和商業(yè)版(toB)星鏈將服務(wù)劃分為兩個(gè)版本——個(gè)人版(Personal)和商業(yè)版(Business)。個(gè)人版已經(jīng)覆蓋了超過53個(gè)國(guó)家，商業(yè)版沒有那么大的覆蓋范圍。用戶簽約和取消較為靈活，在訂購(gòu)之前，用戶擁有30天的試用期，如果不滿意，可以退回設(shè)備并獲得全額退款：個(gè)人版為住戶、房車、船艇提供服務(wù)。個(gè)人版適用于普通家庭用戶，可提供50-200Mbps的下載速度和10-20Mbps的上傳速度，時(shí)延在20-40ms。商業(yè)版為固定位置、移動(dòng)裝備、海事和航空提供服務(wù)。商業(yè)版適用于大型組織和政府機(jī)構(gòu)，提供業(yè)務(wù)速率能達(dá)到350Mbps的下載速度和40Mbps的上傳速度，更安全可靠，有更多的衛(wèi)星和更大的容量作為支撐，時(shí)延在20-40ms。toC版服務(wù)主要提供家庭、漫游、海上連接業(yè)務(wù)星鏈個(gè)人版于2021年11月發(fā)布，具體分為3種應(yīng)用場(chǎng)景：住宅(Residential)：這是星鏈的旗艦計(jì)劃，也稱為星鏈標(biāo)準(zhǔn)版(Standard)，允許位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的用戶訪問高速和低延遲的互聯(lián)網(wǎng)，目前該業(yè)務(wù)已經(jīng)擁有簽約客戶超過100萬(wàn)戶。訂閱費(fèi)120美元每月，在所有套餐中最低，用戶可以期望下載速度高達(dá)220Mbps，上傳速度為5-15Mbps，延遲為25-50ms。漫游(Roam)：該服務(wù)允許用戶在遠(yuǎn)離他們注冊(cè)地址的地方連接互聯(lián)網(wǎng)，星鏈最初命名它為星鏈房車版(ForRVs)?？蛻艨梢栽谛擎湯@得運(yùn)營(yíng)許可的任何國(guó)家上網(wǎng)，但只限陸地上使用，主要針對(duì)房車或露營(yíng)車等交通工具，目前該業(yè)務(wù)簽約客戶超過30萬(wàn)。船舶(Boats)：該服務(wù)提供在水中的網(wǎng)絡(luò)連接，覆蓋地球上絕大多數(shù)的河流、湖泊、海洋，主要針對(duì)船只、石油鉆井平臺(tái)和游輪運(yùn)營(yíng)商。水上星鏈要求至少配備一個(gè)平面矩形終端，以確保冗余和減少阻塞，船載終端售價(jià)2500美元。2024年初新開設(shè)社區(qū)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)10Gbps速率2023年9月，星鏈宣布第一個(gè)社區(qū)網(wǎng)關(guān)已在美國(guó)阿拉斯加州的偏遠(yuǎn)島嶼部署完畢。該網(wǎng)關(guān)由四個(gè)6英尺寬的球形天線組成，連接速度最可、達(dá)10Gbps。SpaceX去年9月和電信運(yùn)營(yíng)商ISPOptimERA合作，在阿拉斯加一個(gè)偏遠(yuǎn)島嶼上部署首個(gè)社區(qū)網(wǎng)關(guān)Starlink網(wǎng)絡(luò)，號(hào)稱可支持?jǐn)?shù)千家新客戶，并表示網(wǎng)絡(luò)接入能力可“顯著改善偏遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況”。2024年1月，星鏈正式在官網(wǎng)推出社區(qū)網(wǎng)關(guān)計(jì)劃，起價(jià)為75000美元/Gbps/月，一次性預(yù)付費(fèi)用為125萬(wàn)美元。支付預(yù)付費(fèi)用后，星鏈將幫助建造整個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)施，借助社區(qū)網(wǎng)關(guān)，星鏈衛(wèi)星能夠提供類似光纖的速度，使用最后一英里光纖、固定無(wú)線和移動(dòng)無(wú)線向家庭、企業(yè)和政府提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。三、星鏈通信系統(tǒng)原理低軌衛(wèi)星與地面構(gòu)成空天地一體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相控陣技術(shù)是核心典型的低軌星座系統(tǒng)包括空間段、用戶段和地面段3個(gè)部分:空間段由低軌衛(wèi)星和星間鏈路組成，形成空間傳輸主干網(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星在空間中均勻排布，普遍采用均勻?qū)ΨQ的星座構(gòu)型。衛(wèi)星作為空間網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點(diǎn)，起到天基移動(dòng)基站的功能。衛(wèi)星間可建立微波或激光星間鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包中繼轉(zhuǎn)發(fā)。用戶段包括各類用戶終端、綜合信息服務(wù)平臺(tái)以及業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)等。由于功率限制，目前低軌寬帶通信必須采用固定終端（如Starlink地面天線+路由器）的形式建立局域網(wǎng)絡(luò)以用于家庭接入；移動(dòng)衛(wèi)星終端主要用于衛(wèi)星通話，遠(yuǎn)期集成于消費(fèi)端應(yīng)用或成為趨勢(shì)。地面段包括信關(guān)站、綜合運(yùn)控管理系統(tǒng)以及連接地面核心網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施。信關(guān)站起到連接衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)功能。綜合運(yùn)控管理系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)、星座、數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)、數(shù)據(jù)等管理系統(tǒng)以及衛(wèi)星測(cè)控站等，對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行綜合管理和監(jiān)控。星鏈通過大規(guī)模組網(wǎng)保障覆蓋有效性多軌道面組網(wǎng)，通過頻段錯(cuò)位形成多層覆蓋，可提升網(wǎng)絡(luò)容量。系統(tǒng)將不同軌道高度的衛(wèi)星與可操縱的窄點(diǎn)波束相結(jié)合，可優(yōu)化頻譜使用。系統(tǒng)可以將非“串連”衛(wèi)星的波束定向到“串連”區(qū)域以提供服務(wù)，在滿足服務(wù)需求的同時(shí)也防止了衛(wèi)星容量閑置。衛(wèi)星規(guī)模組網(wǎng)，覆蓋效率提升。衛(wèi)星數(shù)量增加，可以降低星載相控陣天線和地面終端的波束掃描角度，有利于提高衛(wèi)星及地面終端的相控陣天線功率效率，從而降低天線的功耗及重量。如下圖所示，由于衛(wèi)星數(shù)量的增加，星地鏈路傳輸距離變短，地面終端在高仰角工作，天線增益提升，提高了系統(tǒng)傳輸能力。星鏈衛(wèi)星部署四副相控陣天線，形成多波束賦形星鏈衛(wèi)星配置4副相控陣天線。每顆衛(wèi)星上都有4個(gè)Ku和Ka波段相控陣天線，其中兩個(gè)用于和多個(gè)終端通信，另外兩個(gè)用于與地面站通信以中繼互聯(lián)網(wǎng)流量。這些天線可以在短時(shí)間內(nèi)處理和重定向大量吞吐量，從而降低一個(gè)數(shù)量級(jí)的成本。星上相控陣天線形成多波束賦形。對(duì)收發(fā)端而言可采用同一套硬件平板結(jié)構(gòu)，而在數(shù)字波束域進(jìn)行不同信號(hào)處理。對(duì)于發(fā)送而言，可生成最多N個(gè)波束，即右圖實(shí)現(xiàn)機(jī)制中250-1到250-N所示，此N路信號(hào)經(jīng)過相位控制因子、低噪放/功放、M個(gè)天線陣子完成收發(fā)。四、SpaceX運(yùn)載火箭研究SpaceX火箭已發(fā)展20年，早期主要是NASA項(xiàng)目支撐為主SpaceX成立于2002年5月6日，迄今為止已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)里程碑式的成就，徹底改變了太空探索的歷史。這一發(fā)展史離不了NASA的支持，早在2006年，NASA就授予了SpaceX價(jià)值2.78億美元的商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)合同(COTS)。隨著SpaceX星艦計(jì)劃的推進(jìn)，NASA計(jì)劃在2030年代末之前前往火星，而不是原來(lái)所預(yù)計(jì)的2033年。SpaceX占2022年全球發(fā)射30%，2023-2024年規(guī)劃發(fā)射96/150次2019-2022年，SpaceX火箭發(fā)射次數(shù)的復(fù)合增速達(dá)到67%，占全球發(fā)射次數(shù)的比例也逐年提升。2022年，全球的20家火箭制造企業(yè)共進(jìn)行了187次發(fā)射活動(dòng)，其中美國(guó)火箭發(fā)射87次，SpaceX的發(fā)射數(shù)量占全球發(fā)射總數(shù)的32.6%，占美國(guó)發(fā)射總數(shù)的70.1%。2023年，SpaceX一共成功發(fā)射了96次（獵鷹9發(fā)射91次，獵鷹重型發(fā)射5次。已經(jīng)打破它在2022年創(chuàng)造的年度61次軌道發(fā)射任務(wù)的記錄。96次發(fā)射中，包含了63次星鏈發(fā)射，占據(jù)了66%，共發(fā)射了1984顆星鏈衛(wèi)星，截止2023年底累計(jì)發(fā)射了5650顆星鏈衛(wèi)星。按照馬斯克的規(guī)劃，SpaceX在2024年平均每月要發(fā)射12次，全年預(yù)計(jì)150次。獵鷹9是目前主力運(yùn)載火箭，單箭已實(shí)現(xiàn)重復(fù)發(fā)射最大19次截止2023年12月10日，獵鷹9號(hào)系列火箭已發(fā)射289次，其中287次任務(wù)成功，活躍版本獵鷹9Block5已執(zhí)行231次飛行任務(wù)，全部成功。獵鷹9號(hào)第一級(jí)助推器在266次嘗試中成功著陸253次(95.1%)，而獵鷹9Block5的第一級(jí)則在234次嘗試中成功著陸229次(97.9%)。除了12月底由于風(fēng)浪在回港途中傾倒而毀壞的B1058（發(fā)了860顆衛(wèi)星，將260公噸重量送入軌道）完成了19次回收以外，B1060、B1061和B1062等助推器也飛行了17次。五、全球衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商加速布局低軌星座全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商陸續(xù)投入LEO星座建設(shè)全球計(jì)劃部署衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座公司近30家，部署衛(wèi)星數(shù)量超萬(wàn)顆。繼SpaceX在2015年推出StarLink計(jì)劃，目的是提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)后，全球互聯(lián)網(wǎng)巨頭、初創(chuàng)公司等紛紛申請(qǐng)各自的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，搶占軌位和頻段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球宣布部署衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的公司近30家，部署衛(wèi)星計(jì)劃達(dá)3萬(wàn)顆以上。NASA預(yù)測(cè)，按照現(xiàn)有發(fā)展速度，70年后低軌道碎片密度將達(dá)到臨界值，業(yè)界預(yù)計(jì)最終全球低軌衛(wèi)星星座不會(huì)超過5個(gè)，未來(lái)將形成寡頭壟斷格局。衛(wèi)星星座建設(shè)存在明顯的先發(fā)優(yōu)勢(shì)。第一個(gè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座Starlink于2019年底開始發(fā)射衛(wèi)星，并于2020年底開始對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行Beta測(cè)試，截止2023年12月已經(jīng)有超5000顆在軌衛(wèi)星。OneWeb緊隨其后，于2020年上半年開始發(fā)射衛(wèi)星，目前已完成一代星部署。一些原來(lái)專注GEO、MEO軌道的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商也開始投資低軌互聯(lián)網(wǎng)星座，如Eutelsat、Intelsat、Telesat等。Eutelsat：全球收入第三的衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商，合并帶來(lái)新機(jī)遇歐洲通信衛(wèi)星公司(Eutelsat)成立于1977年，公司業(yè)務(wù)覆蓋歐洲、中東、非洲、亞太和美洲地區(qū)，為將近7000家電視臺(tái)和1100個(gè)廣播電臺(tái)提供服務(wù)。公司于2005年在巴黎泛歐交易所上市，2019-2023財(cái)年的收入均超10億歐元。2022年7月，Eutelsat宣布與LEO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商OneWeb合并，合并于2023年9月完成，并組成了新實(shí)體“EutelsatGroup”。EutelsatGroup擁有來(lái)自Eutelsat的36顆對(duì)地靜止(GEO)衛(wèi)星和來(lái)自O(shè)neWeb的600多顆近地軌道(LEO)衛(wèi)星。公司計(jì)劃從2023年底開始，打造具有顯著附加值的GEO-LEO組合產(chǎn)品，這將使其獲得衛(wèi)星行業(yè)的獨(dú)特領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。公司官網(wǎng)顯示未來(lái)有兩顆新部署的衛(wèi)星，預(yù)計(jì)在2024年上半年發(fā)射Eutelsat36D，以接替位于東經(jīng)36°的Eutelsat36B，并將在2026年交付具有GEO-LEO聯(lián)合服務(wù)功能的“Flexsat”。六、關(guān)注國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)投資機(jī)會(huì)全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)空間廣闊，我國(guó)仍處在加速發(fā)展期衛(wèi)星制造空間：星鏈衛(wèi)星制造商業(yè)模式成熟，目前V2mini星近100萬(wàn)美元/顆，V2標(biāo)準(zhǔn)星或達(dá)到120萬(wàn)美元/顆（單星質(zhì)量增大），考慮到衛(wèi)星5年左右迭代周期，星鏈實(shí)現(xiàn)前期規(guī)劃的4.3萬(wàn)顆衛(wèi)星預(yù)計(jì)累計(jì)需要發(fā)射超過7萬(wàn)顆衛(wèi)星，若以100萬(wàn)美元/顆計(jì)算，星鏈衛(wèi)星制造市場(chǎng)空間約為700億美元。我國(guó)“GW星座”和“G60星座”分別規(guī)劃了1.2萬(wàn)