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“星链”互联网将成燎原之势

发布时间:2021-02-23 14:59:25 已有: 人阅读

  空间通信是一种以航天器为对象的无线电通信,卫星互联网通过卫星为全球提供互联网接入服务。卫星通信系统由空间段、地面段、用户段三部分组成。一条完整的通信链路包括地面系统、上行和下行链路以及通信卫星。1)空间段:由若干通信卫星形成的卫星星座。通信卫星载有基于特定频段的有效载荷,在系统中的作用为无线电信号的转发站。有效载荷中的天线分系统负责接受上行信号,经过转发器分系统对信号的放大-变频-放大后,转换成下行信号,再通过天线分系统传送再至地面。一般一个卫星带有多个转发器,每个转发器可以同时接收/转发多个地面站信号。在固定的功率及带宽下,转发器数量与单星容量成正比。2)地面段:用于完成卫星网络与地面网络的连接。包括关口站、地面卫星控制中心、遥测和指令站等,同时也包含主站与“陆地链路”相匹配的接口,可实现卫星与地面、终端与终端之间的互联互通,以及对卫星网络管理控制功能。3)用户段:包括各类用户终端设备。如车载、机载、船载终端,以及手持终端等便携移动终端。

  目前,全球大部分人口密集地区已经具备较为完善的地面移动通信网络覆盖,但在海洋、沙漠、山区等偏远地区或是飞机、高铁等高速移动的交通工具上,地面移动通信网络铺设难度大、运营成本高、容易受到地形和地理灾害限制。而卫星互联网通过发射一定数量的卫星形成规模组网,从而辐射全球,构建具备实时信息处理的大卫星系统,是一种能够完成向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络。卫星互联网受地理条件和自然灾害的影响小,相比地面通讯具有全球覆盖、低成本、不受地域限制等优势。随着卫星互联网商用化,成本降低、用户类别拓宽,将迎来巨大发展空间。截至2020年1季度,全球在轨卫星数量为2666颗,增长率为14%。其中,通信卫星占比最高,达45.3%。

  2009和2010年,全球商业静止轨道通信卫星采购量均达到了30颗,然而在2015年行业市场出现了转折,2015到2017年,全球静止轨道通信卫星从16颗降低至10颗,仅为2010年销量的一半左右 。全球大型商业静止轨道通信卫星采购量正在逐渐下滑。

  相比中高轨卫星,低轨卫星具有发射成本低、传输时延短、路径损耗小、数据传输率高等优点。有利于地面终端的小型化,能以更小的信号功率被低轨卫星接收。低轨的终端重量、体积、发射功率与普通陆地移动通信终端差别不大,还可以与陆地通信系统兼容,真正做到全球无缝接入。对运营商而言,低轨卫星体积小、重量轻,利用现代发射技术可以一箭多星同时发射入轨,低轨卫星系统频谱利用率高,容量增大。因此,随着卫星制造技术的进步和市场需求的逐渐旺盛,全球通信卫星具有低轨化发展趋势,截至2020年1季度,低轨卫星占比由2016年27.7%增长至58.8%。小体量卫星占比由2016年30.2%增长至60.6%。据各大卫星公司的预测,到2025年,全球低轨通信卫星在轨数将突破22000颗 ,低轨道卫星承载量将达到当前水平的30倍。

  卫星频率/轨道资源是稀缺的有限资源,卫星频率资源需要在卫星使用前3到5年区间内申请,申请后7年内不启用将会被注销。一方面,频率/轨道是卫星运行中必不可少且极其稀缺的资源。一颗卫星所占据的通信频率和运行轨道,是很难与其他卫星共享的。另一方面,国际电信联盟(ITU)是联合国负责信息通信技术事务的专门机构。对于规划分配,ITU 遵循公平分配保证必要的需求;对于占比较大的非规划分配,ITU遵循先到先得的原则分配资源,具体可分为预先公布、协调、通知登记三大步骤。根据 ITU 相关规定:(1)需要在卫星网络投入使用前不早于5年,但不晚于2年,向ITU申报、公布拟发射卫星将使用的频率和轨道;(2)卫星频率与轨道资源在提出申请的7年内,必须发射卫星并正式的启用资源,否则会予以注销。

  未来,6G将是“5G+卫星互联网”的延伸,将实现标准制式、终端、网络架构、平台、频率、资源管理六个方面的融合,一种通信体制同时包括地面移动通信及卫星移动通信,同时,用户终端采用统一标识介入,采用统一的网络体系架构及平台结构,并实现频率资源的共享共用。Network 2030研究组主席,华为网络技术实验室首席科学家 Richard Li就2030年以后的新互联网愿景进行了介绍, 其中利用卫星实现空天一体化、全球覆盖是其中重要一项,并对 Starlink、OneWeb等低轨卫星通信系统进行了介绍,说明卫星通信在未来通信、互联网领域的重要性已经得到普遍认同。

  以SpaceX为首的美国卫星公司是当今规模最大的卫星运营公司。Space X的发射总共分为三个阶段:第一阶段用于部署550千米,倾角53°的24个轨道面上的1584颗Ka/Ku频段卫星完成初步覆盖,每个轨道面66颗卫星,星座容量30太比特/秒、延时15毫秒,预计部署400颗卫星后开始出售初期服务,2020—2021年部署完800颗后可满足美国、加拿大和波多黎等国天基互联网需求。第二阶段,由部署于1110千米,1130千米、1275千米和1325千米的4种不同轨道高度的2825颗Ka/Ku频段卫星完成全球组网,轨道面个数分别为32个、8个、5个和6个,各轨道面分别部署50~75颗卫星,预计2024年完成部署。第三阶段,由部署在335~345千米轨道高度的7518颗V频段卫星组成轨道更低的低轨星座,增加星座容量。2019年底,SpaceX对“星链”星座计划进行调整,将在12000颗卫星的基础上,再增加30000颗卫星,一旦预期按计划推行,将形成4.2万颗卫星组成的庞大系统。

  此外,OneWeb、 Telesat和Amazon等美国卫星企业已提出明确部署计划,到 2029 年,美国卫星互联网企业各自的低轨卫星项目将合计完成 46100 颗卫星的发射工作。根据目前美国联邦通 信委员会(FCC)收到的申请书,在今年 3 月份曾申请破产保护的 OneWeb 在这次的申 请书中寻求 47844 颗卫星,Telesat(1671 颗卫星), Kepler(360 颗卫星)和Viasat(288 颗卫星)等其他提供商也在申请一定数量的低地球轨道卫星。

  国内以航天科工等为代表的国内企业将大力发展低轨卫星互联。2020年1月16日,银河航天首发星搭载快舟一号甲运载火箭发射成功,成为中国首颗通信能力达10Gbps的低轨宽带通信卫星。由中国航天科工集团主导的虹云工程、行云工程以及中国航天科技集团主导的鸿雁工程此前均已发射首颗试验星。国内以航天科工、航天科技、中电科为首的国内企业也将大力发展低轨卫星互联。

  2014 年国务院出台了《关于创新重点领域投融资机制鼓励社会资本的指导意见》,首次鼓励民间资本进入卫星研制、发射和运营商业遥感卫星,提供市场化、专业化服务、引导民间资本参与卫星导航地面应用系统建设,自此,航天商业的政策大门向民营企业开放。随后,我国对商业航天的政策支持更为明确,出台了一系列针对性的政策和指导意见,例如国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,对我国卫星及应用产业作出更全面细致的战略部署,提出到 2020 年,形成较为完善的卫星及其应用产业链。2020年4月20日,国家发改委指出信息基础设施是指基于新一代信息技术演化生成的基础设施,比如以5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施,其中将卫星互联网首次纳入“新基建”,通信网络基础设施的范畴。

  多波束天线技术演进加快,助力卫星通信提高容量与效率。多波束天线是能产生多个锐波束的天线。这些锐波束(称为元波束)可以合成一个或几个成形波束,以覆盖特定的空域。多波束相控阵技术拥有较高的口面效率,无泄露损失和口面遮挡,具有可靠性高等优点,可对波束数目和形状进行控制,并可控制波束实现快速电子扫描。通过利用相控阵技术、高速数字信息处理技术和电控有源元器件实现精准的波束指向控制和波束赋形。该项天线技术能够在提高卫星天线容量和效率的同时,覆盖更加广阔的地面区域。

  空间激光通信技术是未来空间宽带信息传输的主要通信技术,具有宽带宽、高数据速率、低功耗的特点,是未来实现星地大数据量信息交互的重要手段之一。随着科学任务高速数据下行的需求越来越大,射频通信已难以满足高速数据的通信需求。激光通信系具有传输速率更高、抗干扰性更强、体积更小等特点,在全球通信中的作用日趋明显。空间激光通信,是利用激光单色性好、方向性强及功率密度大等良好的光束特性,实现以激光光波为载体在空间(包括近地的大气空间、临近空间、LEO/GEO、星际空间、深空等)信道之间进行信息交换的通信方式。

  发达国家中,美国、欧洲、日本借助其深厚的光通信技术基础以及丰富的卫星制造和使用经验,相继开展了在轨试验和验证。然而,空间激光通信由于技术难度高、投入成本大、试验周期长等原因,经过30年的发展依旧处于以在轨验证为主的阶段,缺乏成熟应用。未来星地激光通信可靠性保障技术将在进一步完善基于单链路的可靠性保障方法的同时,开展基于网络的保障方法研究及在轨试验。各项可靠性保障技术的发展和协同利用,将大幅提升星地激光通信效率,使系统达到最大效能,进而推动天地一体化信息网络的发展。目前多个国内外星座计划已经提议使用光学卫星间链路,在未来十年内,激光通信终端有望线.成本降低是普及卫星互联网的核心因素

  可回收火箭与一箭多星技术有效降低卫星发射与制造成本。据《中国商业航天产业投资报告》数据显示,目前我国单颗卫星制造成本为470万美元,而Starlink单颗卫星的制造成本仅为50万美元,我国卫星制造成本还有进一步优化的空间。成本降低的关键在于可回收技术与一箭多星技术。一次性运载火箭的使用造成了航天发射成本居高不下。据小火箭论文显示,作为目前世界上最便宜的猎鹰-9的火箭总造价约为5000多万美元,而其推进剂的成本只有20万美元。因此,如能够回收火箭,经过简单维修后再重复使用,则可极大降低发射成本。

  可回收技术主要攻克点在于发动机推进和多约束制导控制技术。Space X目前运用的是默林发动机,采用燃气发生器循环,使用RP-1煤油和液氧作为推进剂,使用了早期在阿波罗计划里的登陆舱发动机上所使用的喉栓式喷嘴。原理为推进剂通过一个涡轮泵输出,进入燃烧室。同时,涡轮泵也提供高压液体驱动液压,之后进入低压燃料入口。这样排除了对独立的液压动力系统的依赖,这意味着很少会出现由于液压耗尽而失去对推力方向控制的情况。涡轮泵另外的用处是提供侧向推力来控制火箭自旋。猎鹰9号火箭的第一级在与第二级分离后,用3台发动机完成了程序转弯的过程。在太空中利用姿态控制火箭使箭体旋转180度,令第一级的9台主发动机朝向地面,进行“Boostback Burn”减速。当第一级再入大气后,进行“Entry Burn”减速,并逐渐调整箭体姿态。在火箭接近地面时,第一级火箭顶部的四个栅格翼展开,对箭体姿态进行稳定。主发动机再次点火,利用略低于火箭重量的推力使火箭进一步减速。火箭第一级利用带有终端角度、速度和位置约束的制导律接近地面着陆场并实施软着陆,实现火箭第一级的回收。

  可回收技术与一箭多星技术降低卫星发射与制造成本。一方面,以SpaceX为例,据小火箭论文显示,其凭借成熟的火箭回收技术,“猎鹰9号”火箭可执行多次运载任务,第一次使用全新的火箭进行发射,报价为6198万美元,到第13次发射时报价为2880万美元,仅为首次报价的46.5%。另一方面,一箭多星技术使单颗发射成本低至50万美元。2020年6月,SpaceX公司用一枚猎鹰9火箭将第9批共61颗卫星送到太空,单颗发射成本低至50万美元。SpaceX的下一代重型运载火箭“星舰”每次能够将400颗Starlink卫星送至相应轨道,使成本降为原来的1/5。而2015年我国成功发射的长征六号火箭仅搭载了20颗卫星。

  对比猎鹰9号,我国发射成本、火箭回收技术和一箭多星能力仍有待提高。我国火箭发射成本已处于世界低位,但单公斤价格仍在1万美元左右,而运载“星链”的猎鹰9号单公斤价格仅需0.27万美元;在火箭回收方面,“星链”的火箭回收技术已经成熟,最新一次发射任务采用的是七手火箭,而中国的火箭回收技术仍在研制当中;在发射能力方面,猎鹰9号能够实现一箭60星,而我国目前最好的记录为一箭20星,未来有进一步上升的空间。

  卫星互联网产业链根据上下游关系,主要分为卫星制造、卫星发射、地面设备制造和卫星运营及服务四个环节。产业链的上游主要为电器元件及材料、燃料厂商,下游主要是企业、政府、高校、个人等终端用户。产业链的中游主要分为卫星制造、卫星发射、地面设备制造和卫星运营及服务四个环节。其中,卫星制造主要包括卫星平台和有效载荷两个部分;卫星发射主要包括运载火箭研制、发射服务提供和卫星在轨交付;地面设备制造主要包括网络设备和大众消费设备;卫星运营则主要由地面运营商、卫星通信运营商、北斗导航运营商和遥感数据运营商组成。

  卫星制造环节主要包括卫星平台、卫星载荷。卫星平台包含结构系统、供电系统、推进系统、遥感测控系统、姿轨控制系统、热控系统以及数据管理系统等;卫星载荷环节包括天线分系统、转发器分析图以及金属/非金属材料和电子元器件等。卫星互联网发展初期,主要集中在空间段及地面段基础设施建设,其中空间段卫星制造的一些细分领域的技术、生产工艺、格局等方面会率先受益。

  卫星发射环节主要包括火箭制造以及发射服务,国内卫星发射时间将集中在2022-2025年。其中火箭制造包括推进系统、箭体制造、遥测系统、发动机制造、制导和控制系统、安全自毁系统和其他组件七个部分,发射服务包括火箭控制系统、逃逸系统、发射及遥测系统和发射场建设四个部分。从目前国内已发布的卫星星座项目来看,卫星发射将集中在2022-2025年。

  地面设备主要包括固定地面站、移动式地面站(静中通、动中通等)以及用户终端。固定地面站包括天线系统、发射系统、接受系统、信道终端系统、控制分系统、电源系统以及卫星测控站和卫星运控中心等;移动站主要由集成式天线、调制解调器和设备构成;用户终端包含设备上游关键零部件及下游终端设备。

  卫星运营及服务主要包含卫星移动通信服务、大众消费服务、卫星固定服务以及遥感服务构成。其中卫星移动通信服务主要包括移动数据、移动语音;大众消费服务主要包括卫星电视服务、卫星广播服务和卫星宽带服务;卫星固定服务主要包括转发器租赁和管理网络服务。

  卫星发射量:Starlink系统建设方案分为两个阶段,第一阶段位于550公里的4408颗卫星计划在2024年3月建设整个系统50%,2027年3月全部建设完成。第二阶段位于340公里的7718颗卫星计划在2024年11月建设完成50%,2027年11月全部建设完成。第一阶段的前五年每年发射1193颗卫星,使用20枚火箭,在2024年底在轨卫星数量到达5965颗。目前雷德蒙德卫星工厂的产能达到每天6颗卫星,一个月产能达到120颗卫星。按照这个数据估算全年卫星产能可以达到1440颗,完全可以满足第一阶段建设。至于火箭产能方面,2020年上半年在疫情影响下,SpaceX发射数量依然达到10枚火箭,所以Space X可以满足全年20枚火箭的产能需求。第二阶段每年除了需要发射1987颗卫星以外(星座剩余50%),2020年发射的卫星由于寿命原因,需要补网1193颗卫星,因此第二阶段需要每年发射3180颗卫星。类似的需要每年需要33枚火箭的产能。按照目前的情况看,卫星和火箭的产能无法满足这个需求。因此预计SpaceX在2025年以前需要进一步扩大卫星与火箭的产能。

  卫星制造成本:2020年4月马斯克和SpaceX COO Shotwell表示目前星链的单颗卫星制造成本已经低于50万美元。随着卫星轻量化生产的推进,预计到2027年卫星制造成本降低至40万美元。

  卫星发射成本:按照官方公布的6200万美元“猎鹰9”火箭单次发射价格计算,重量260千克的卫星发射成本为每颗103万美元。据小火箭刑强老师测算,若猎鹰9号火箭充分复用后,成本约为3692万美元,单次发射60颗卫星,平均每颗卫星发射成本将会在2027年降低至61.53万美元。由此测算,卫星制造的产值将会在2027年达到12.7亿美元,2020-2027年的年复合增长率为11.42%;卫星发射的产值将会在2027年达到19.6亿美元,2020-2027年的年复合增长率为6.9%。

  2019年全球卫星互联网行业细分产业中,卫星地面设备及制造、运营及服务、卫星制造、卫星发射分别占比48%、45%、5%、2%。未来随着卫星制造及发射成本的降低,预计在2027年卫星制造和卫星发射产业的占比将会分别降低至3%、1%。而随着卫星布局的逐步打开市场空间,地面的配套设施需要与之配套,届时地面配套设施的占比预计增加至52%;卫星运营及服务占比预计达到44%。

  地面设备的制造与卫星制造和火箭发射产值相关。根据乘数关系与卫星制造及火箭发射乘积求均值得到地面设备与卫星运营服务的产值。据测算,地面设备产值将会从2020年的17.6亿美元增长至2027年的174.9亿美元,年复合增长率为38.8%。卫星应用产值将会从2020年的16.5亿美元增长至2027年的164亿美元,年复合增长率为38.0%。Space X的整体产值规模预计在2027年达到371亿美元。

  根据目前已公开的星座计划,到2025年中国将发射约 3100 颗商业卫星,当前我国小卫星的均价为4000万元每颗,规模化之后预计会降到2000万每颗。卫星发射价格预计在1000万元每颗,2027年预计降到500万元每颗。预计2027年中国的产值规模将会达到1351亿元。2020-2027年的年复合增长率为37.7%。

  以StarLink的布局为例, StarLink计划发射4.2万颗低轨卫星为全球服务,按照卫星制造成本50万美元、 发射成本60万美元计算,单颗卫星制造+发射的成本约为110万美元,4.2万颗卫星发完的总成本约为462亿美元。地面基站方面,按照基站覆盖面积10平方公里、建设成本9万美元计算,基站建设需花费500亿美元才能覆盖美国全部区域。

  而星链方面,按照马斯克的想法,星链未来向3%的美国偏远地区用户提供服务,预计资费为80美元/月。按以上的价格标准,3%的美国用户约为1000万人,每人每月80美元的资费,一年卫星互联网的收入为96亿美元。如果按SpaceX为星链计划共投入962亿美元(462亿卫星成本,500亿基站成本,不包括运营费用)计算,保守估计至少需要10年左右能回本。

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