支撑低轨卫星崛起的核心技术是毫米波？

 我国已申请发射12992颗卫星，马斯克的星链最大竞争对手出现。马斯克的星链是世界最大的卫星建设计划，其计划在2024年内建设成由12000颗卫星组成的星座，以为全球提供无处不在的高速互联网服务。不过你以为这就完了么？没有，马斯克还要增加30000颗星链卫星，使总数达到42000颗！

     海外以Starlink和Oneweb为代表的公司正大力发展低轨卫星星座系统。据SpaceX官网消息，美国时间2月17日上午10时5分，马斯克旗下的火箭公司SpaceX将60颗“星链（Starlink）”卫星送入太空。截至目前，“Starlink”计划已分五批发射300颗卫星。目前全球有两家公司正大力发展低轨卫星星座系统：

     Starlink：该计划是SpaceX公司2015年公布的星座计划。根据SpaceX官网信息，“星链”卫星预计发射6次后，可向美国和加拿大部分地区提供服务，发射24次后可为人口密集地区提供全球性服务，预计2021年可为人口密集地区提供几乎覆盖全球的服务。从卫星数量上看，Starlink星座中的卫星数量高达11927颗，并且所有卫星都将由该公司自己制造和发射，网关地球站和用户终端也由自己设计制造，并结合自身的火箭回收技术，有效的降低了发射和制造成本。

     Oneweb：公司前身是成立于2012年的世界唯优（WorldVu）卫星有限公司，该公司曾收购天空之桥（SkyBridge）公司，并获得相关卫星频谱资源。根据《“星链”星座最新发展分析（2019）》，公司于2014年提出一个耗资30亿美元打造648颗小卫星的星座计划,即“Oneweb”星座。截止目前，Oneweb公司获得多轮融资，募集资金约34亿美元。主要投资方包括日本软银集团、墨西哥萨利纳斯集团、美国高通无线科技技术、英国维珍银河公司、美国可口可乐公司、国际卫星通信公司和墨西哥萨利纳斯集团等。

图：“星链”星座和“Oneweb”星座情况及性能对比

     低轨卫星互联网能有效构建全球互联网，弥合全球数字鸿沟。按照卫星轨道平台的高度可以把卫星分为高轨、中轨额低轨，低轨卫星飞行高度一般为200-2000km。低轨道卫星系统是指多个卫星构成的可以进行实时信息处理的大型的卫星系统，其中卫星的分布称之为卫星星座。其主要优点：

1）高稳定性，局部的自然灾害和突发事件几乎不影响系统正常运行；

2）低时延，地星单项传播时间是1.5ms，地-星-地时间约15-50ms；

3）不依赖地面基础设施，可以实现低成本轻量化终端；

4）全球覆盖，通信不受地域限制，并能将物联网拓展到远海和填空。

     3GPP、ITU两大通信组织指出，相较于中高轨卫星，低轨卫星互联网星座具有eMBB（增强移动带宽）和MMTC（大规模物联网），也即低轨卫星星座系统可以向全球用户提供全覆盖高速带宽的移动服务。

图：低轨卫星通信系统基本组成

     新卫星系统频谱使用权申请条件—先到先得。卫星频谱属于全球性资源，所有卫星系统在投入使用之前，都必须向ITU申报卫星网络的频率和轨道信息资料。即使是2019年的国际电联通信大会卫星频段新规，也仅要求运营商向国际电信联盟申请一个低轨星座和通信频段后在7年内发射一颗卫星并正常运行90天，然后在两年内发射卫星总量的10%，5年内发射50%，7年后将申请的卫星数量全部发射完毕。也就意味着运营商一共有14年的时间来完成整个星座的建设否则运营商所申请的频段资源将会按发射卫星数量的完成比，进行限制使用。

轨道频率资源是空间互联网建设的先决条件。ITU的卫星频段新规虽然对低轨星座完成建设的时间提出了硬性要求，但这对绝大多数卫星互联网运营商并不困难。因此近年来，越来越多的卫星公司申请了数量庞大的低轨卫星星座计划。随着低频段频谱资源的不断占用,现有的Ku、Ka等高频段资源也难以满足巨大的频谱需求缺口。目前许多国家正在对频率更高的Q频段和V频段进行开发,预计将成为下一代通信卫星的主要发展方向。

图：卫星的频段划分情况

     轨道频谱资源竞赛促使各国将发力低轨卫星互联。与频谱资源相同，轨道资源也同样具有这样的特性，对于计划大力发展低轨卫星互联的国家或公司，频谱/轨道资源是他们大力发展低轨卫星互联的基础，就如同5G规模商用之前各家运营商需要工信部分发频谱资源和牌照一样。因此，我们认为越早发力低轨卫星互联系统的建设，对于国家或者公司都具有重要的战略意义，目前海外以starlink和oneweb为首的低轨卫星建设商正大力发展低轨卫星系统，我们预计未来国内以航天科工、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。

国内低轨卫星互联星座系统主要有：

1）航天科工—宽带互联星座“虹云”工程和窄带卫星星座“行云”工程；

2）航天科技--全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统“鸿雁”工程；

3）中电科—天地一体化信息网络。

     航天科工—虹云工程，国内首个全球低轨宽带互联网星座系统。根据航天科工集团官网信息，“虹云”卫星通信系统是中国航天科工集团“五云一车”的商业航天工程之一，致力于面向全球移动互联网和网络高速接入需求。该系统计划发射156颗卫星，在轨高度约为1000km，工作频段为Ka频段，预计接入速率可达到500Mbit/s，将采用毫米波相控阵技术，利用动态波束实现更加灵活的业务模式，具备通信、导航和遥感一体化。按照规划，整个“虹云”工程分成三步走：

1）2018年发射第一颗试验卫星（已完成）。

2）计划2020年左右，发射4颗业务试验卫星进行小规模组网，使用户对业务进行初步体验。

3）到2025年左右，实现全部卫星的组网运行，完成星座系统的构建。2018年12月，“虹云”卫星通信系统首颗技术验证卫星发射成功，标志着中国低轨卫星移动通信系统实现零的突破。

     航天科工—行云工程，国内首个全球低轨窄带通信卫星星座。根据航天科工集团官网信息，2017年12月，行云公司在武汉成立，由航天科工四院、航天科工火箭公司等10个股东共同出资组建。2018年3月，公司正式揭牌并对外发布提案及物联网组建计划，致力于实现全球无盲区通信的“行云工程”正式启动。行云工程计划发射80颗小卫星，也是分为三步走：

1）计划发射“行云二号”01星和02星组成的系统，同步开展试运营、师范工程建设；

2）将实现小规模组网；

3）完成全系统构建，打造覆盖全球的物联网，并全力开拓包括“一带一路”的国内外市场。2017年1月，行云工程的首颗技术验证星“行云试验一号”乘快舟一号甲已运载火箭成功发射。

     航天科技—“鸿雁”星座工程。根据航天科技集团官网信息，“鸿雁”卫星通信系统是由中国航天科技集团研制的全球低轨卫星移动通信与空间互联网系统。该系统计划由300颗卫星组成，一期系统将由60颗核心骨干卫星组成，工作频段为L/Ka频段，以星间链路技术实现卫星空间组网，具有全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力，可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务。按照计划，“鸿雁”一期预计投资200亿元，在2022年建成由60颗卫星组成的通信网络；二期预计2025年完成建设，构建“海、陆、空、天”一体的卫星移动通信与空间互联网接入系统，实现全球任意地点的互联网接入。2018年12月，“鸿雁”星座首颗试验卫星--重庆号在酒泉卫星基地发射成功，预计在2023年完成骨干星座系统建设。

图：“虹云”卫星通信系统示意图

图：“鸿雁”卫星通信系统示意图

     中电科—天地一体化信息网络。根据中电科集团官网信息，天地一体化信息网络重大项目是中国电科设计出的解决方案——按照“天基组网，地网跨代，天地互联”的思路，以地面网络为基础、以空间网络为延伸，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，为天基、陆基、海基等各类用户活动提供信息保障的基础设施。通过融合天基卫星通信网络、空基飞行器通信网络、地基通信网络，实现天、空、地三网协同，达到全球覆盖、随处接入、按需服务、安全可信全球网络连通的目标。天地一体化信息网络包含三张网：

     第一张网是由各类卫星组成的天基信息网络，将空间中的通信、导航、遥感卫星组成一张协同网络作为空间信息基础设施；

     第二张网是由各类飞行器组成的空基通信网络，包括各类飞机、飞艇、热气球以及无人机等，空基网络多用于中继来沟通天基和地基网络；

     第三张网是由陆地通信网构成的地基网络，包括陆地蜂窝网和无线局域网。

     Starlink商用计划推动了低轨卫星产业链的发展，国内已开始发射试验卫星。Starlink与Oneweb今年分别计划入轨1440与360颗互联网卫星，2021年开始正式商用运营。Oneweb公司于2月7日发射34颗低轨卫星，这是该公司今年首次发射低轨卫星。SpaceX于近日上午再次发射60颗Starlink低轨卫星，这是SpaceX公司今年第3次将卫星送入轨道。国内方面，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。虹云工程、行云工程计划于2020年左右分别发射4颗低轨卫星与2颗低轨卫星，形成小规模组网。

图：2020年国内外低轨卫星入轨统计（截止2020 年2 月18 日）

     卫星通信核心技术—毫米波通信。毫米波是指波长在毫米数量级的电磁波，其频率大约在30~300GHz之间。

毫米波主要优点有：

1）极宽的带宽；

2）波束窄；

3）探测能力强；

4）保密和抗干扰性强；

5）器件体积小/集成度高；

6）全天候服务。

     由于毫米波的技术优势以及丰富的频率资源，卫星通信中大量的采用了毫米波通信。国际上卫星通信系统可以使用的频段包括甚高频（VHF）、特高频（UHF）、超高频（SHF）和极高频（EHF）。如上文所述，目前低轨卫星主要包括UHF频段、L片段、C频段、X频段、Ku频段、Ka频段。其中低于2.5GHz的L和S频段主要用于卫星移动通信、卫星无线电测定、卫星测控链路等应用；C和Ku频段主要用于卫星固定业务通信且已近饱和，目前Ka频段正在被大量投入使用，有些甚至往Q、V频段发展。

图：通信卫星平台和载荷的具体构成

     毫米波通信部分大约占卫星制造成本的20-30%，市场空间广阔。根据Starlink未来几年低轨卫星发射计划来看，预计未来发射约1.2万颗卫星，而Oneweb预计将发射约2600颗卫星，两家加起来预计共发射1.46万颗低轨卫星。根据方舟投资（ARK）分析师SamKorus的预测，Starlink每颗卫星的成本价为100万美元，与OneWeb的成本相同；结合草根调研，单颗卫星成本预计在100-200万美元区间，由此我们测算出Starlink和Oneweb两家卫星制造成本约146-292亿美金。根据草根调研，预计毫米波通信部分大约占卫星制造成本的20-30%，则毫米波通信部分市场空间约29.2-87.6亿美金。国内低轨卫星尚处于起步阶段，我们预计为了轨道频率战略资源，国内低轨卫星未来发射数量不会低于海外两家公司之和，同时因为早期卫星建造成本相比Starlink要高出很多，对应国内低轨卫星毫米波通信市场要比海外大很多。

来源：华泰证券

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