机械行业一周解一惑系列：低轨卫星加速落地，资轨控系统详细拆解

本周关注：巨星科技，沃尔德，捷昌驱动，金太阳，华曙高科 上海于10月19日印发《上海市进一步推进新型基础设施建设行动方案（2023-2026年）》，构建泛在互联的高水平网络基础设施。布局“天地一体”的卫星互联网是其中重要一环，任务包括：稳步推动实施商业星座组网，加快落实频轨资源授权，分阶段发射规模化低轨通信卫星构建低轨星座，建设测控站、信关站和运控中心等地面设施，促进天基网络与地面网络融合应用。推进智慧天网创新工程，搭建中轨道卫星通信网络技术验证系统，开展大跨距全球互联等在轨验证，为探索构建中轨道通信卫星星座奠定基础。 低轨卫星：目前发射最多的卫星。人造卫星（下简称“卫星”）就是环绕地球在空间轨道上运行至少1圈的无人航天器。根据离地高度不同可以分为主要可以分为低地球轨道LEO、中地球轨道MEO、地球同步转移轨道GTO和地球同步轨道（包含地球静止轨道GEO、倾斜地球同步轨道IGSO和太阳同步轨道SSO）四种。低轨卫星指离地高度400-2,000公里范围内的卫星，根据UCS统计，截至2022年12月31日，全球共有卫星6718颗，其中低轨道卫星约占88.4%，中轨道卫星约占2.1%，同步轨道卫星约占8.6%。 资源稀缺，先占先得加速卫星落地。考虑到卫星安全运行和卫星间信号干扰等，以及由此造成大量太空垃圾和引发干扰光学观测、模糊宇宙视野等环保问题，未来国际上会对太空卫星数量进行限制。这也意味着近地轨道资源有限，以轨道高度为400-2000公里的近低轨道估算，地球的近低轨道总共只能容纳大约6万颗卫星。按照1967年的《外层空间条约》以及后续的四份附属法律协议，卫星轨道这种不可再生且有限的资源需要通过申报与协调下的“先登先占”。同时，当某些卫星损坏或寿命结束，就会发射新卫星补上，而不会让出整个轨道资源，从而客观造成了“先占永得”。中国现已向国际电信联盟(ITU)提交了布局1.3万颗低轨卫星的申请，但ITU《无线电规则》中有7年内必须启用的时限要求，否则将导致权利和地位丧失及行动无效。 卫星制造约占卫星产业市场5%。21世纪以来，全球范围卫星及应用产业发展迅速，呈现持续快速增长态势。据美国卫星产业协会(SIA)统计数据显示，2022年全球航天产业的总收入为3840亿美元，较2021年减少20亿美元。卫星产业的总收入约为2810亿美元，相比2021年增长了20亿美元。2022年全球卫星产业收入占全球航天产业收入的73%，非卫星产业收入1030亿美元。卫星产业按照产业链划分可分为卫星制造、卫星发射、地面设备和卫星运营及服务等四大领域。根据美国卫星产业协会数据，2021年卫星产业链中卫星制造、卫星发射、地面设备和卫星运营及服务分别占总市场规模的5%、2%、51%和42%。 姿轨控系统是卫星平台制造中的重要部分。卫星大体上由平台和载荷两部分构成，由于载荷是卫星入轨以后发挥其核心功能的部件，所以会根据任务情况从零开始设计，理想状态下，卫星平台的成本占比在20%-30%之间。姿态轨道控制系统主要负责完成变轨和入轨任务,其中也包括爬升以及改变轨道倾角，以消除姿态静态误差，使卫星按预定姿态和轨道飞行，保证卫星性能，并完成飞行任务，是卫星平台制造的重要部分，占全卫星平台成本的40%。姿轨控系统涉及单机众多，主要包括恒星敏感器、陀螺仪、磁强计、太阳敏感器、飞轮、磁力矩器、电推进系统等。 风险提示：我国发星规划不及预期、行业技术路线不确定性、政策不确定性。 1低轨卫星：稀缺资源，加速落地 1.1低轨卫星占绝大多数 人造卫星（下简称“卫星”）就是环绕地球在空间轨道上运行至少1圈的无人航天器，它也是发射数量最多，用途最为广泛，发展最快的航天器。2015年1月，马斯克宣布SpaceX公司计划将约1.2万颗通信卫星发射到轨道，其中1584颗将部署在地球上空550千米处的近地轨道，并从2020年开始工作，该项目被命名为“星链”。“星链”项目的实施引发了人们对低轨卫星的关注。 1.1.1根据离地高度不同，卫星可分为四类 多数情况下，卫星在发射后会被放置在环绕地球的几个预定轨道之一，通常可根据其轨道高度（距地球表面的距离）进行分类。根据离地高度不同可以分为主要可以分为低地球轨道LEO、中地球轨道MEO、地球同步转移轨道GTO和地球同步轨道（包含地球静止轨道GEO、倾斜地球同步轨道IGSO和太阳同步轨道SSO）四种。 图1：不同卫星轨道示意图 航天器开发商往往会根据卫星预期用途、获取的数据和提供的服务，综合考虑轨道的成本、覆盖范围和可行性，选择不同的轨道。 表1：不同轨道卫星相关特点 低地球轨道卫星占绝大多数。根据UCS统计，截至2022年12月31日，全球共有卫星6718颗，其中低轨道卫星约占88.4%，中轨道卫星约占2.1%，同步轨道卫星约占8.6%。 图2：不同轨道卫星占比（%） 1.1.2根据功能不同，卫星可分为三类 人造卫星有许多用途，根据用途可以将卫星分为三大类：科学研究卫星、技术试验卫星和应用卫星，其中应用卫星主要分为通信卫星、遥感卫星、导航卫星和侦察卫星四类。 科学研究卫星是用于科学探测和研究的卫星，主要包括空间物理探测卫星和天文卫星，用来研究高层大气、地球辐射带、地球磁层、太阳辐射等。 技术试验卫星是进行新技术试验或为应用卫星进行试验的卫星，主要是针对航天技术中的很多新原理、新材料、新仪器在天上进行试验或者是针对一种新卫星的性能进行试验。 应用卫星是直接为人类服务的卫星。应用卫星的四类具体如下：(1)通信卫星，通过反射或转发无线电信号，实现卫星通信各地球站之间或地球站与航天器之间的通信。(2)遥感卫星，搭载有遥感传感器，可以在太空对地球或者其他星球进行拍摄，从而获取遥感影像。(3)导航卫星，对地球或外星球所处位置进行方向判读和定位，得到所处位置在导航系统中的坐标，从而进行定位和引导。(4)侦察卫星，利用光电遥感器或无线电接收机，搜集地面目标的电磁波信息，用胶卷或磁带记录下来后存储在卫星返回舱里，待卫星返回时，由地面人员回收，或者通过无线电传输的方法，随时或在某个适当的时候传输给地面的接收站。 表2：卫星的不同用途 各类卫星中，通信卫星占主要部分。根据UCS数据，截至2022年12月31日，通信卫星占目前正运行卫星的71.8%。份额紧随其后的是遥感卫星跟导航卫星，分别占比17.4%、2.3%。 商业用户是下游主要需求的来源。从下游用户来看，民用卫星还处于萌芽状态，大部分卫星的用户来自于商业。根据UCS数据，截至2022年12月31日，美国拥有4529颗运行卫星，占全部卫星的67.4%，而在美国所发射的卫星中，商业用户约占88.2%，政府用户约占5.7%，军事用户约占5.5%。 图3：不同应用类型卫星占比（%） 图4：不同下游客户卫星占比（美国，%） 1.2卫星互联网已成未来趋势 在当今的数字时代，互联网已经成为了我们生活中不可或缺的一部分。但是，事实上，互联网的覆盖面积仍然远远未达到我们普遍的期望。 互联网用户覆盖率仍有提升空间，地理覆盖面积情势更为严峻。尽管我们生活在一个似乎已经完全被数字化的世界中，但是截至2023年9月14日，全球互联网用户数未达总人口数的70%。大约有27亿人仍然没有网络覆盖。而从地理覆盖面积来看，互联网仅覆盖了约20%的陆地面积，这在整个地球表面上仅仅是6%。 许多偏远和地理环境恶劣的地方，例如高山、荒漠和丛林，都是互联网的盲区。 卫星互联网作为一种新兴的通信方式，有可能为我们打破这个瓶颈，为更多的人们提供稳定且快速的网络连接。 图5：理论上3颗GEO卫星可覆盖全球（极地除外） 相比于GEO卫星通信，低轨卫星通信轨道高度低，星地距离短，链路损耗小，通信时延短，采用星座部署提升地面终端传输能力，为用户提供稳定的通信服务。 众多玩家入局，低轨卫星互联网已成趋势。日前，星链（Starlink）官方网站商业服务板块全新推出星链直连手机业务（Starlink Direct to Cell）。这意味着，未来，普通手机可以直接连接星链，使用其相关服务。就在星链官宣该业务不久前，华为推出的Mate 60 Pro手机成为全球首款集成了卫星通话功能的手机终端；AST SpaceMobile公司利用现有普通手机连接其试验星，实现首次5G卫星通话。 由于单颗低轨宽带卫星信号覆盖范围有限，所以就需要大量的卫星相互配合，在太空中编织出一张能够将地面无缝覆盖的大网。目前，低轨卫星互联网星座建设有两个方向，分别是宽带通信和手机直连。 宽带通信模式：星链在发布手机直连业务前所采用的宽带通信模式，使用高频段，如Ku/Ka频段。这种模式的目的在于为地面用户提供类似于“移动无线光纤”的体验。简单来说，就是提供高速的、稳定的网络连接，这与我们日常家中的光纤入户服务相似。这种模式主要服务于ToB业务或其他需要大量数据传输的业务。 手机直连模式：由于智能手机的普及率极高，它所能触及的用户基数也非常巨大，从而使得其渗透能力和市场前景都非常乐观。这种模式的特点是共用Sub-6GHZ等地面频段，旨在实现普通智能手机可兼容直连卫星与地面蜂窝网络。如今，我们已经看到了华为的“捅破天”技术、苹果以及AST等公司在这一方向的努力和创新。 图6：低轨卫星星座应用场景 1.3稀缺资源，先占先得加速卫星落地 不同于汽车在地球上的行驶速度，卫星环绕地球的速度是第一宇宙速度（28440公里/小时），而近地轨道上的速度则要稍稍小一些。卫星的运行速度如此之快，再加上轨道摄动的存在，也就代表着它们需要比汽车在地球上行驶大得多的安全距离，国际通行的航天器安全距离为50公里。此外，根据凯斯勒级联现象的理论假设，当在近地轨道运转的物体密度达到一定程度时，将让这些物体在碰撞后产生的碎片能够形成更多的撞击，并形成级联效应，最终让近地轨道被太空垃圾完全覆盖。 近地轨道资源有限。因此考虑到卫星安全运行和卫星间信号干扰等，以及由此造成大量太空垃圾和引发干扰光学观测、模糊宇宙视野等环保问题，未来国际上会对太空卫星数量进行限制。这也意味着近地轨道资源有限，根据新时空智能数据，以轨道高度为400-2000公里的近低轨道估算，地球的近低轨道总共只能容纳大约6万颗卫星。 低轨卫星采用“先登先占”规则。按照1967年的《外层空间条约》以及后续的四份附属法律协议，卫星轨道这种不可再生且有限的资源需要通过申报与协调下的“先登先占”，而负责分配和管理卫星轨道资源的国际电联（ITU），也并未对其实行按照国别分配的规则。按照“先登先占”的规则，任何一个主体，无论国家还是公司，在获得了某一轨道面后，就有权利要求后续发射的卫星对其卫星进行规避。同时，当某些卫星损坏或寿命结束，就会发射新卫星补上，而不会让出整个轨道资源，从而客观造成了“先占永得”。 国内低轨卫星部署相对较少，7年时限加速卫星登天。2020年5月，太空探索技术公司向联邦通信委员会提交第二代“星链”卫星部署计划申请，希望额外部署3万颗卫星，将“星链”卫星数量扩充至4.2万颗。截至2022年12月1日，联邦通信委员会批准部署其中7500颗卫星，太空探索技术公司共计可部署19500颗。而我国目前的“虹云”计划156颗卫星、“鸿雁”计划320颗卫星，加上其他企业，整体部署相对较少。中国现已向国际电信联盟(ITU)提交了布局1.3万颗低轨卫星的申请，但ITU《无线电规则》中有7年内必须启用的时限要求，否则将导致权利和地位丧失及行动无效。 图7：地球周围人造卫星分布示意图 2卫星姿轨控系统零部件细拆 2.1卫星产业链梳理 21世纪以来，全球范围卫星及应用产业发展迅速，呈现持续快速增长态势。 据美国卫星产业协会(SIA)统计数据显示，2022年全球航天产业的总收入为3840亿美元，较2021年减少20亿美元。卫星产业的总收入约为2810亿美元，相比2021年增长了20亿美元。2022年全球卫星产业收入占全球航天产业收入的73%，非卫星产业收入1030亿美元。 图8：2013-2022年全