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202球王会2上半年全球卫星通信产业链态势分析

日期:2022-08-21 10:40

球王会卫星通信是卫星互联网的重要应用之一,主要指通过或借助卫星进行数据通信,可广泛应用于移动用户、远程操作、及相关前沿应用领域。卫星通信产业链主要涵盖卫星制造、运载发射与地面设备等基础设施建设,及其运营服务。

202球王会2上半年全球卫星通信产业链态势分析

2022年上半年,随着星链系统在实战中的成功应用,促使全球范围愈发重视卫星通信的战略地位及产业建设。全球各国政府及军方纷纷出台空间战略并形成国际合作,商业卫星通信与军事国防呈现更为直接且紧密的联系,低轨小卫星加快部署和应用。在全球卫星通信产业链中,垂直化产业模式优势继续带动行业整合,头部企业的持续扩容不仅加剧了卫星通信的频谱之争,也加速了行业垄断的形成;此外,星地融合商业化趋势逐渐显露,空间激光通信也日趋成熟,都将进一步加快卫星通信“无处不在”的全球服务能力生成。

球王会国家战略法规

1.1 卫星通信能力加速军商跨界整合

几十年来,美国国防部一直是商业卫星通信行业的客户,商业卫星互联网为美军全球各地的军事运营商提供大部分通信。同时,美国国防部也一直为双方寻找最有效的采购模式而努力。美军积极整合商业卫星通信优势,制定商业卫星整合战略,旨在开发太空战高度自动化的指控系统,融入联合作战机制,引领未来作战模式重大变革。

球王会2022年4月6日,美国太空司令部司令詹姆斯·迪金森将军在太空研讨会的媒体简报会上推出了最新《太空司令部商业整合战略》,这是美国军方官方首次发布商业太空整合战略,试图将商业航天能力整合至国防领域。此前,美国太空军战略需求、体系结构和分析办公室也委托兰德公司对美国现有商业太空能力与行业进行全面分析,形成长达100多页的《商业太空能力与市场概述》报告,对美国商业卫星通信的市场、技术趋势及主要商业公司进行全面评估,旨在建立有效利用现有的商业太空能力的国防太空战略。

6月,在美众议院军事委员会战略力量小组委员会通过的《2023财年国防授权法案》提案明确建议太空军更多利用商业卫星数据;美国北方司令部司令格伦∙范赫克最近表示将利用OneWeb和“星链”星座开展极地通信实验,将商业卫星与军事卫星联网并共同用于战术和战略通信进行测试,预计相关测试成本约5000万美元。截止目前,已有多家商业卫星公司签署了与美国政府合作,Viasat、SES、Intelsat、Inmarsat和Eutelsat等大型公司正在为美国政府提供C、Ku和Ka波段的通信服务。

1.2 卫星通信网络安全管理法制化

球王会今年2月,为乌克兰境内提供卫星互联网服务的ViaSat遭遇攻击导致大约3万终端用户下线,直接切断乌克兰卫星网络与外界联系的方式,造成直接损失上千万美元。目前大部分卫星互联网系统如Starlink、LeoSat等都采用或即将采用星间链路技术,“路由”过程存在被“窃取”或“攻击”等安全风险,很可能导致信息数据泄露、或是由网络攻击造成的数据安全、通信中断等风险,而近年来小型卫星数量的激增也进一步增加了网络安全隐患。除技术层面解决方案,当前全球国家和地区都在加快规范卫星通信网络安全的立法与行业规范。

美国参议院提出的《卫星网络安全法案》就是为保护商业卫星系统免受网络安全威胁的立法,该法案要求美国网络安全和基础设施安全局(CISA)成立“商业卫星系统网络安全信息中心”,专门为商业卫星所有者和运营商提供网络安全资源保障,并以此来保护美国工业控制系统、关键基础设施网络等重要行业的卫星通信服务网络免受攻击。该法案目前虽尚未最终通过,但已经得到美国卫星工业协会(SIA)及卫星通信行业内的普遍支持。

此外,美国网络安全和基础设施安全局(CISA)和联邦调查局(FBI)于3月联合发布了《加强卫星通信网络提供商和客户的网络安全》的联合网络安全咨询文件,提出缓解卫星通信网络安全的具体措施;4月,美国国家标准与技术研究院(NIST)针对卫星通信地面段的网络安全风险管理发布《卫星地面段:应用网络安全框架确保卫星指挥和控制》文件草案,为卫星通信地面段网络安全系统管理等方面提供指导框架。

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图:2022年2月12日-3月5日,欧洲通信卫星公司(Eutelsat)卫星网络连接情况

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1.3 各国政府出台卫星通信产业管理措施

近年来,多国政府通过制定战略法规、设立专门机构等方式加强自身卫星通信产业建设。澳大利亚国防部宣布正式成立太空司令部并发布《国防太空战略》整合军事、商业和民用卫星通信资源;韩国拟建设独立的航空航天机构,综合管理民用和军用航天项目,重点提出通过产业的集群化管理来发展本国的太空与卫星通信产业。

产业态势研判

2.1 综合垂直整合模式优势强大,推动行业竞争范式转变

随着卫星互联网技术进步与大量资本投入,卫星通信产业链整体表现出巨大的整合趋势。

在企业运营模式方面,以SpaceX为代表的新兴卫星公司的综合垂直化运营模式展现出巨大的行业优势,纵向整合了从技术开发、基地建设、卫星制造发射、卫星通信等应用服务,推动“卫星即服务”的概念,在加速创新和控制成本的同时有效推动整个卫星上下游产业模式和交织。星链网络的建设更是打通了产业链,以综合化商业模式改变了卫星通信行业的竞争格局。

亚马逊也瞄准垂直整合策略,其“柯伯伊(Kuiper)”项目提出在LEO Ka波段创建了由3000多颗卫星组成的低延迟、高吞吐量星座,同时整合其在消费电子产品(Alexa/Kindle)的供应链优势,并将卫星通信终端服务与其Prime订阅进行绑定,从而降低其终端成本。

相比于行业新兴企业的垂直整合模式,传统大型卫星通信供应商OneWeb公司采取横向整合方式,与其他公司合作构建其星座。例如与空客公司合作制造卫星,与海事卫星通信和娱乐系统提供商Intellian技术公司和柯斯林航空(Collins Aerospace)公司合作开发用户终端。

然而由于Oneweb缺乏对产业链上游的控制,与SpaceX相对完备可控的产业链体系相比,仍缺乏一定竞争优势。总体来说,在国际竞争与市场需求的刺激下,卫星通信行业的竞争范式趋于“以需求和服务为导向”的市场逻辑,这一趋势也将对行业构建成为带来强有力的调整力量。

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2.2 卫星通信与5G网络融合的商业化价值显露

当前地面第五代移动通信(5G)在全球迎来新一轮发展热潮,也成功进入商用,卫星互联网与地面5G的融合(星地融合)成为卫星通信行业新热点。包括3GPP、ITU在内的标准化组织成立了专门工作组研究星地融合的标准化研究工作,针对卫星互联网与地面5G融合的问题,国际电信联盟(ITU)提出了星地5G融合的4种应用场景,包括中继到站、小区回传、动中通及混合多播场景。

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为此,欧空局和日本国家信息与通信技术研究所早在2018和2020年就签署并更更新计划,以合作研发卫星通信与5G通信无缝切换的洲际通信能力。2022年初已成功在国际间长距离5G网络中实现了5G控制信号、高清4K视频和物联网(IoT)数据的传输并完成网络传输质量测试;在6月的日欧联合实验中,成功将卫星线路集成到国际间长距离5G网络中,实现太空与地面无缝连接,也证明了在洲际范围内部署高度分布式可信网络连接的可行性。5月,国际海事卫星组织(Inmarsat)也完成了其新的Orchestra网络的第一阶段测试,将现有的GEO卫星、LEO卫星和地面5G整合为一个综合解决方案,其专有技术可跨越不同频段组合和测试船舶上的终端设备,并预计在2026年前为Orchestra建设投资1亿美元。

目前,卫星通信与5G网络的融合业务仍处于商业化初始阶段,虽未进行大面积推广,但已成为行业发展新焦点。卫星通信运营商和电信公司对更高吞吐量、更广覆盖范围和动态优先级的需求很可能会继续推动混合卫星和地面通信功能进入一个无缝、无处不在的网络架构,加快卫星通信在6G网络的深度融合和应用。卫星到设备直接通信的实现,也将推动价值链从基础设施运营商转移到推动商品化的分销提供商,将可能是卫星行业有史以来最大的市场之一。

2.3 卫星物联网产业生态系统成前沿布局热点

近年来,对卫星物联网的需求正在稳步增长。预计到2025年,全球将部署约3030万个卫星物联网设备,年复合增长率接近40%,相关市场的营收规模将增长到59亿美元。与地面基础设施相比,卫星具有更广阔的覆盖范围,过卫星物联网传感器和设备的商业解决方案,可实现在世界任何地方对资产进行精确、实时的跟踪、监控和远程监视。国际大型卫星通信公司展开针对物联网产业布局,通过收购并购等形式整合卫星物联网星座系统,并向多行业开放服务。

早在2021年第三季度,SpaceX公司通过收购Swarm Technologies推出针对物联网优化的卫星星座,向该运营商开放了各种行业的物联网市场,如农业、移动和偏远地区的各种物联网。而此前,Swarm公司已有120颗小型卫星进入近地轨道,向物联网设备提供低成本双向全球卫星通信,并已经形成了太空蜂群、蝶形网关的技术优势与超低费用的经济优势。此次收购对于卫星物联网产业的发展具有重要意义,是市场开始走向整合、逐步形成寡头的信号。

紧随其后,美国卫讯公司(Viasat)在2021年底宣布以73亿美元的价格收购国际海事卫星组织(Inmarsat),一举掀起卫星物联网行业“大洗牌”。Viasat此次收购看重的是Inmarsat的全球L波段频谱以及在此基础上形成的快速增长的物联网市场资源。而在收购之前,Inmarsat已经和很多领先的物联网厂商合作,并推出卫星物联网方案,包括与沃达丰合作推进蜂窝物联网漫游、与Actility合作形成Inmarsat LoRaWAN网络、与联发科合作实现全球首个5G卫星物联网数据连接等。对此,SpaceX作为其最大的竞争对手,于今年6月向美国联邦通信委员会(FCC)抗议,并试图阻止此次收购,然而此次收购手续依然预计在今年下半年完成。收购后,Viasat将拥有Ka、L和S波段广泛的全球频谱产品组合,以及19颗正在服役的卫星,另外计划在未来三年内发射10颗,并表示将通过在新的和现有快速增长的细分市场及地理区域创建和交付创新的宽带和物联网服务。

2022年5月30日,瑞士的纳米卫星物联网运营商Astrocast公司也通过收购荷兰物联网服务提供商Hiber,进一步扩大其垂直化运营的深度。Hiber作为一家领先的卫星物联网公司,其客户已经扩展至埃克森美孚(ExxonMobil)、壳牌、Oil Search、NAM和ENI等大型能源公司,并为石油天然气、农林采矿业等行业公司的离网工作场所资产跟踪提供卫星物联网服务。而在今年2月,瑞士推出Astrocast公司也成功开发了具有成本效益的商用双向卫星物联网服务,可将命令发送回地面资产并形成设备远程管理等一些列全新的应用,并计划将其与机器学习与AI解决方案无缝集成,改善资产远程管理的模式。合并后,不仅可将增加在美洲地区L波段频谱的访问,还将大大加强关键技术研发能力,进一步深入垂直领域客户的物联网需求以扩大市场渠道。

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图:Swarm公司卫星布局的蝶形结构

企业重要动向

3.1 头部企业持续扩容,促进行业整合形成垄断

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随着众多下一代卫星计划于2023年开始提供服务激光 空间 通信 宽带 新闻,其他卫星完成发射后将于2026年形成完整的星座,预计将会出现容量的商品化和运营商的持续整合。

SpaceX的星链(Starlink)是目前全球最大的卫星互联网星座,2022年5月,美国SpaceX公司利用“猎鹰”-9号火箭成功发射第46批53颗“星链”v1.5卫星,目前已约有2350颗“星链”卫星在轨运行。而每次猎鹰9号发射60颗卫星都会增加大约1Tb的在轨通信容量。SpaceX公司下一代“Version 2”星座预计将卫星总数增加到40000颗。

面对新兴公司部署大量卫星对LEO轨道可用容量的压缩,传统卫星运营商也迅速作出反应,纷纷宣布各自的扩容计划,随着越来越多的容量上线,竞争将促使卫星通信市场整合。

英国通信网络卫星“一网(Oneweb)”公司的Oneweb卫星星座为全球第二大互联网星座激光 空间 通信 宽带 新闻,包括新一代和第二代宽带低轨卫星星座通信系统。第一代星座最初计划共648颗卫星,目前项目正实施中并计划于2022年完成。按照一网卫星公司的设计,目前的Oneweb星座布局设计包括6372颗LEO卫星和1280颗中地球轨道卫星。根据美国联邦通信委员会(FCC)的指示,该公司需要在2026年8月之前至少需要部署一半数量的卫星激光 空间 通信 宽带 新闻,在2029年之前需要完成整个“一网”卫星星座的部署。

亚马逊虽起步较晚,2022年4月宣布了其商业卫星互联网“柯伊伯”(Kuiper)的发射计划,包含多达 83 个任务,将使用联合发射联盟(ULA)的 Vulcan Centaur 火箭、阿里安空间 (Arianespace)的 Ariane 6 和蓝色起源公司(Blue Origin)的新格伦 (New Glenn)火箭发射数千颗互联网卫星。该计划类似于 SpaceX 的 Starlink 星座和 OneWeb 星座,将为北纬 56 度和南纬 56 度之间的区域提供低延迟 Ka 波段宽带互联网服务。预计在2026年发射1618颗卫星,目标共发射3236颗卫星。

SES公司计划发射名为O3B mPOWER的新系列卫星,每颗卫星的吞吐量为1Tbps。这些卫星有望实现高达500Mbps的数据速率激光 空间 通信 宽带 新闻,首颗卫星将于2022年初部署,预计不久后可提供服务。

Viasat公司宣布了其下一代由三颗卫星组成高通量卫星系列,每颗卫星的吞吐量为1Tbps。

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图:国际运营商卫星通信容量比较,2021年全球互联网吞吐量达到786 Tbps,来源:卫星通信手册2022

预计到2023年,卫星通信行业理论容量可达97Tbps,其中LEO卫星占比83%,MEO卫星11%,GEO卫星6%。在此期间,传统卫星运营商在继续扩容的同时保持70-90%的高利用率,而新兴卫星运营商的由于前期的快速扩容,后期可能主要集中在提高性能和使用率上,这种情况下,2023年预计总可售容量将达到53Tbps,全球市场份额中,SpaceX公司占70%,其次是SES占17%,Viasat/Inmarsat占7%。Starlink有潜力仅通过产能主导卫星互联网行业,但亚马逊公司的Kuiper进入市场可能会削弱SpaceX公司的早期优势。

表:全球卫星通信行业容量发展预测

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预计到2026年,卫星通信总容量的增长将会再次改变卫星通信行业的格局。

Starlink、Kuiper和SES将在几年后实现提供1 Gbps的连接服务能力。预计SpaceX公司将其星座扩展到近6000颗卫星。亚马逊公司的柯伊伯(Kuiper)项目拥有超过3000颗低轨卫星的运营星座,可能成为第二大卫星运营商。SES和ViaSat/Inmarsat继续支持其多轨道、多频段系统,有可能会使亚马逊公司在特定的政府和企业客户中获得优势,并从互操作性中受益。Telesat也计划新建一个LEO星座,进一步扩容基础上引入低延迟服务。

到2026年,卫星通信行业的总理论容量将达218 Tbps,其中91%来自LEO,5%来自MEO,4%来自GEO,总可销售容量可能达到113 Tbps,其中SpaceX公司占57%的市场份额,其次是Kuiper占23%,SES占8%。前三大运营商可能提供超过85%的可销售容量,其余的提供商进行整合以维持现有的客户群体。

表:全球卫星通信行业巨头前三名预测,可销售容量与占比(2023/2026年)

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表:卫星通信运营商比较(2026)

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3.2 企业争夺频谱资源“白热化”,Ka频段资源紧缺加剧

近年来,随着卫星上网需求的激增以及C和Ku频段已近饱和的现状,Ka频段成为近年来兴起并大量投入使用的高频频段,尽管相比Ku频段更易受天气影响,但其工作带宽更大,信号强度更高、天线口径更小,具有很好的开发价值。然而,由于卫星星座规模的持续增大,Ka频段频谱的竞争也日益激烈。

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图:卫星通信频段示意图

Starlink作为世界上最大的巨星星座,其扩张计划就遭到了美国地球静止卫星宽带运营商Viasat的激烈抵制。今年上半年,Viasat呼吁FCC对Starlink光污染问题进行环境审查,试图以此延缓Stralink的扩张。但SpaceX也毫不示弱,于6月10日向FCC提交信件指责Viasat在没有满足FCC条件的情况下,使用为非对地静止轨道上的运营商指定的Ka波段频率,因此涉嫌侵犯SpaceX当前卫星和地面站之间进行通信频率的权利。SpaceX此举同时也意在阻止Viasat耗资73亿美元收购英国卫星运营商Inmarsat的计划激光 空间 通信 宽带 新闻,毕竟一旦收购成功,Viasat将进一步扩大其在国际上和多个轨道频段上的业务。对此,Viasat否认其违反FCC规则并表示仍将在2022年底之前完成对Inmarsat的收购,两家的频谱之争仍在持续发酵中。

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图:SpaceX公司在当前的猎鹰9号配置下,能够一次发射部署多达60颗低地球轨道通信卫星

而自2021年FCC开放了12GHz频段的大门后,多家通信公司纷纷提交利用该频段开展地面5G通信服务的报告与申请。其中,美国Dish Network卫星广播服务提供商就向FCC申请并多次游说以使用12GHz频段在地面运营其5G蜂窝网络。然而此前,12GHz频段一直由Starlink独享。为此,SpaceX就此专门在其官网上发布技术分析报告声称:若被 Dish Network 抢走12 GHz频谱,将对全美范围内的Starlink卫星互联网服务造成严重影响,Starlink客户将在超过 77% 的时间里遇到有害干扰、并在 74% 的时间里完全中断服务,导致大多数美国客户都无法使用星链,并严重地破坏下一代卫星服务的可用性。SpaceX也迅速向FCC提交文件表示该公司主要依靠12GHz频段向美国各地星链客户提供关键的下行链路服务,以此争取保住其已有的频谱优势。

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此外,于2021年在全球主要大型卫星运营商美国SpaceX与英国OneWeb之间上演的异常激烈的频谱争夺战,终于落下帷幕。经过漫长的协调,两大巨头终于于2022年6月宣布达成一项频谱协调计划,可使两家目前的宽带星座和第二代宽带星座都能够共存,并请求美国联邦通信委员会(FCC)批准其第二代宽带星座计划。此次协议达成后,SpaceX已获准为其Starlink网络在Ku波段中部署4408颗LEO卫星,以及发射7500颗V波段卫星的单独授权,该公司还继续向FCC申请批准增加近30000颗卫星以改善其宽带服务;而OneWeb 获准在Ku波段中使用648 颗LEO卫星,以及在V波段中增加有效载荷,并预计将其星座规模增加到约7000颗卫星。据太空分析显示,目前已有2404颗 Starlink和427颗 OneWeb 卫星在轨道上运行。可见,在其达成频谱协调共识后,将会继续加快推进双方星座的部署进程,加速先进宽带服务的落地,同时也将占有更多的频段资源。

总的来说,卫星通信的频谱之争从Ku波段发展到Ka波段,而对于无线电频谱的极高频(EHF)领域的商业竞争也初步显现。2021年11月,FCC已接到38000颗V波段卫星申请。据行业预计,如果SpaceX继续其Starlink的发射节奏,V波段的终端用户服务有望在三年内投入使用。

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图:卫星通信轨道高度和覆盖区域示意图

3.3 空间激光通信呈现向民用产业转型趋势,集中发力关键技术节点研发与实验

空间激光通信具有宽带宽、高数据速率、低功耗的特点,是未来实现星间大容量卫星组网和星地大数据量信息交互的重要手段之一。但由于技术难度大、主要器件成本高等原因,目前激光通信的技术研发与行业应用更多体现出国防应用与军方投资的主要特点。然而,在近期激光通信产业布局中却逐渐出现商用通信与政府加密网络融合的趋势,随着技术发展与实践,空间激光通信将有效大幅提升全球卫星的通信能力。

2022年5月,光终端供应商CACI International称在军事实验中已证明卫星间激光在近地轨道上的通信。本次实验的两颗小型卫星由美国国防高级研究计划局(DARPA)于去年发射,此次在近40分钟的测试中成功建立了光链路,在约100公里的距离内传输和接收了200多千兆位的数据。6月14日,诺斯罗普·格鲁曼公司也成功展示了用于军事星座的Mynaric激光终端,包括激光终端的地面演示、太空中的数据发送于接收、以及使用光链路测试高速加密和解密,尤其是商业激光通信与美国政府加密硬件之间的兼容性。此次“激光星际链路测试”验证了美国太空发展局(SDA)部署传输层通信网络的所需的关键技术,预计SDA传输层通信网络将于2022年获得设备认证,2024年开始全面部署。

针对激光通信的关键技术节点,美国私营国防和情报承包商BlueHalo公司同日承接了美国空军研究实验室价值1100万美元的合同,主要聚焦“光学抖动控制和精确指向”方面的技术攻克,预计于2025年交付激光通终端和在轨实验地面站,将分别演示GEO和LEO之间的激光上行、下行链路、空对地光通信链路、以及多种光通信标准的互操作性。

在企业方面,日本索尼美国子公司(SCA)于6月7日宣布成立专门从事太空激光通信业务的索尼太空通信公司(SSC),建立并推广商用太空激光通信网络,将计划开发、建造和供应新设备,利用激光束实现小型卫星与地面站的通信、甚至是双向实时连接,从而提高社会经济活动与生活的便利性。

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球王会图:卫星与太空技术市场图景

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