通信深度报告：深度解析Starlink

2016年SpaceX首次提交Starlink星座申请，目前已申报超过4万颗卫星需求；截止2023年8月，已有超5000颗Starlink卫星发射升空。截至2023年11月，Starlink已经在七大洲六十多个国家可用。 2022年，Starlink实现收入14亿美元，截至目前用户数已超200万。 据《华尔街日报》报道，2022年Starlink实现营收14亿美元，较2021年营收2.22亿美元实现大幅增长，盈利方面仍是亏损，但在2023年第一季度略有盈利。2023年11月2日，马斯克发帖宣布，星链项目已实现现金流平衡。 我们认为，Starlink较快实现盈利的原因第一是采用自研自制、选用低等级元器件大幅降低卫星制造成本；二是采用可重复发射的猎鹰9火箭，实现卫星发射低成本；三是与其他宽带连接方式资费相差不大，包括地面通信运营商，具备价格吸引力；四是站在高轨卫星企业Hudges、ViaSat等高轨卫星培养的用户基础上，提升服务质量，快速获得客户。 Starlink卫星经历了V1.0到V1.5，再到V2 Mini三个版本，目前在其星座中运营着V1.5卫星和V2 Mini卫星。Starlink下一版本V2卫星除了继续升级卫星互联网性能外，还可与现有手机直连，除了改进版的Ku、Ka天线和激光通信外，V2卫星用于手机直连的可折叠卫星天线展开后面积非常大，采用地面移动通信所用的频段，面积大约 25m2 ；卫星本体 7m 长，需要用星舰发射。每个卫星服务的“蜂窝”区域都非常大，蜂窝内可以有2-4Mbps的数据带宽，可同时支持1-2千人同时通话，或数十万文本信息同时发送。该手机直连业务是与移动通信运营商合作，预计将从运营商收费，而非直接面向用户。 我们认为，国内宽带卫星互联网业务应更关注To B的需求，这一阶段为“小卫星、大终端”阶段，国内卫星互联网建设应当按需建设，随下游用户数量增长去扩大卫星星座规模。该阶段，相比于卫星制造产业，应更关注卫星通信终端产业，相关标的包括：中国卫星、海格通信、盟升电子等。在补盲地面移动通信业务方面，卫星本身规模以及星座规模或较为庞大，这一阶段为“大卫星、小终端”，甚至，地面终端与现有手机完全相同。该阶段，应更关注卫星制造和发射产业链，相关标的包括：铖昌科技、国博电子、航天智装、雷电微力和上海瀚讯等。 风险提示： 国内卫星制造和发射成本高企不下，发射资源不足，影响国内星座建设进度；下游应用需求不及预期；手机直连卫星技术进展不及预期等。 1 Starlink发展历程 星链计划（Starlink）由SpaceX公司提出并实施，是提供互联网接入服务的卫星群，这些卫星部署在近地轨道上，可以提供覆盖全球的宽带网络接入能力。 借由远远超过传统卫星互联网的性能以及不受地面基础设施限制的全球网络，星链可以为网络服务不可靠、费用昂贵或完全没有网络的地区提供高速互联网接入服务。 1.1 Starlink规划提出及其变更 美国SpaceX公司首席执行官埃隆·马斯克于2015年宣布，SpaceX公司将向近地轨道发射约1.2万颗星链卫星，组建一个巨型低轨道卫星星座。2016年SpaceX首次提交Starlink星座申请，几经修改，目前已申报超过4万颗卫星发射需求。 2016年11月15日，SpaceX向FCC（美国联邦通信委员会）提交第一期Starlink 4425颗卫星星座计划申请，2018年3月29日获得批准。之后，经3次修改，最终确定为轨道高度位于540-570km的共计4408颗卫星。 第一次修改：2019年4月26日，FCC批准星链原计划部署于1150km的卫星轨道降低至550km，该轨道卫星数由1600颗降为1584颗； 第二次修改：2019年8月30日，将轨道面由24个调整为72个，相应的每面卫星数由66降为22，保持总数不变； 第三次修改：2020年4月17日，将原轨道高度1110-1325km的卫星降低至540-570km。 图表1：StarlinkLEO星座轨道情况（Ku/Ka频段4408颗卫星） 2018年11月，FCC批准星链计划第二阶段的7518颗卫星、Q/V频段星座组网的计划。 图表2：Starlink第二阶段构型（7518颗） 2019年10月，SpaceX宣布计划再增加30000颗星链卫星，后修改为29988颗，SpaceX将该新增卫星计划称为“Gen-2”，即第二代星链计划。2022年12月，FCC允许SpaceX先部署其中的7500颗。 图表3：StarlinkGen-2构型 1.2 Starlink卫星发射进展 自2018年2月，Starlink成功发射两颗试验星，截至2023年8月，已有超5000颗Starlink卫星发射升空。 图表4：Starlink发射进展 1.3服务覆盖范围与地面站建设进展 截至2023年11月，Starlink已经在七大洲六十多个国家可用。仅在2023年，Starlink就在17个国家/地区推出，包括巴哈马、马拉维、马来西亚等。截至2023年11月，Starlink除美国本土外，已在非洲（尼日利亚）、亚洲（日本、菲律宾）、中北美洲（加拿大、多米尼加共和国、墨西哥、波多黎各）、南美洲（阿根廷、巴西）、欧洲（法国、德国、爱尔兰、意大利、挪威、波兰、葡萄牙、西班牙、英国）、中东（阿曼、土耳其）、大洋洲（澳大利亚、斐济、新西兰）建造了150座地面站。 1.4经营情况 用户数方面，Starlink于2022年12月宣布其用户数量超过100万，并在不到一年的时间实现翻倍增长，于2023年9月宣布拥有超过200万活跃用户。 图表5：Starlink用户数 据《华尔街日报》报道，2022年Starlink实现营收14亿美元，较2021年营收2.22亿美元实现大幅增长，盈利方面仍是亏损，但在2023年第一季度略有盈利。2023年11月2日，马斯克发帖宣布，星链项目已实现现金流平衡。 2 Starlink技术体制 “星链”卫星采用透明转发和星间链路传输方式。透明转发借助地球站实现数据转发，完成用户间通信，早期的星链卫星不具备星间链路，只能通过透明转发方式实现。星间链路也称为星际链路或交叉链路（Cross-link），实现卫星间的通信传输，包括处于同一轨道面上的卫星和处于相邻轨道面上的卫星。“星链”卫星采用激光实现卫星之间的信息传输和交换，2021年9月发射的V1.5版卫星加装了激光星间链路，可实现太空中卫星之间的信息传输和交换。星间链路一方面减少了传输“跳数”，降低了卫星传输时延，提高了通信速度和效率，另一方面可实现了更广域的网络覆盖。 图表6：透明转发模式 为满足“星链”多批次多卫星快速发射的需求，“星链”卫星采用可快速复制的模块化设计方式，整个卫星系统主要包括氪离子推进器、自动避撞系统、卫星跟踪装置、相控阵天线和太阳能帆板等。采用氪气作为霍尔效应推进器的推进剂，进行卫星姿态调整、轨道维持和离轨等操作，对比传统的氙气，氪气价格优势明显，在庞大的星链卫星系统下，具有巨大的成本优势。通过搭载自动避撞系统，能够有效避免轨道碰撞。卫星跟踪装置可以使卫星与地面段保持联系，也有助于建立星间链路。“星链”卫星搭载4副高性能相控阵天线，借助相控阵天线良好的波束赋形特征，下行带宽可同时支持最少8个波束，在采用不同极化方式、空间复用等情况下，可进一步提升可用波束的个数，支持卫星极高数据量的转发。 图表8：Starlink卫星技术特点 2.1卫星：V1.0、V1.5、V2 Mini、V2 目前，Starlink卫星经历了从V1.0到V1.5，再到V2 Mini三个版本，当前在其星座中运营着V1.5卫星和V2 Mini卫星。Starlink V1.0和V1.5卫星分别重约260公斤和310公斤，V1.5相比V1.0最大的提升是增加激光星间链路。V1.0和V1.5“星链”卫星用于“一代星链”星座，都采用平板设计，安装有4部高通量相控阵天线和单翼式太阳能电池板，太阳能电池板展开后首尾相长约为11米，自带霍尔推进器，用于轨道保持、位置调整与离轨，具备在轨碎片跟踪与自主避碰的能力。公司可使用猎鹰9颗一次发射60颗V1.0或54颗V1.5卫星。 Starlink V2卫星的重量“大约1.25吨”，在Starship运载火箭成功前，公司将先发射V2 Mini。2023年2月28日，SpaceX成功用猎鹰9号发射该公司首批第二代星链卫星，但这些卫星并不是全尺寸版本，而是V2 Mini卫星。虽然叫Mini，但它的单星重量达到了800公斤左右，几乎是星链V1.5的三倍，而为用户提供服务的能力达到V1.5版的四倍。升级后的V2 Mini卫星由氩气燃料电动推进器系统推进，能够产生2.4倍的推力，比冲或燃油效率是第一代卫星上氪燃料离子推进器的1.5倍。猎鹰9一次可以发射21颗V2 Mini卫星。 2022年6月初，马斯克曾表示SpaceX已生产出一颗V2卫星，该卫星长7米，重1.25吨。马斯克表示，额外的重量意味着卫星更有效，性能更好，比V1.0卫星高出一个数量级。未来V2卫星将依托SpaceX的Starship进行发射，每次可发射110-120颗，从而大大加快卫星部署速度。 图表9：Starlink V1.5与 V2M ini版本 2.2地面站：信关站 信关站（Gateway）也称地面关口站、网关站等，是Starlink地面终端到地面互联网接入的核心节点。典型的Starlink信关站工作在Ka频段，配置8个1.52m 口径天线，通常部署用于链路控制用的地面终端，检查给定地区在给定天气条件下网络使用何种编码调制方式。 Starlink信关站由天线系统、跟踪和定位系统、信号处理单元、网络管理软件、电力系统等组成。天线系统是核心，采用相控阵技术和数字波束形成技术，确保卫星的持续连接和抗干扰性能。跟踪与定位系统通过准确预测卫星的位置，地面站相应地调整其天线波束，确保在整个卫星轨道上的稳定和可靠的连接。信号处理单元负责接收、处理和在卫星网络和地面基础设施之间传输数据。网络管理软件为管理网络资源、优化网络性能和确保最终用户的无缝连接提供了一个集中的平台。为确保不间断运行，Starlink地面站配备了强大的电源和备用系统，包括不间断电源和备用发电机。 截至2023年11月，有150个Starlink地面信关站正在运行；13个在建设中；另有19个地点待定，正在等待开工建设。在V1.5版Starlink卫星星间链路激活之前，Starlink对外提供服务的区域主要与地面关口站部署位置有关，地面终端必须与地面关口站同时位于Starlink卫星覆盖范围内才能实现卫星互联网接入。 图表10：卫星互联网体系架构 Starlink测控站：Starlink每颗卫星上都采用全向天线执行跟踪、遥测和控制功能（TT&C），这些全向天线可以支持卫星在任何姿态下都可以与地面测控站通信。 图表11：Starlink信关站 2.3用户终端 Starlink根据用用途及预算为用户提供三种规格的用户终端（卫星天线）选项：标准、高性能、平面高性能（可用于任何移动平台）。 图表12：Starlink住宅用户设备终端 图表13：Starlink设备终端等级 3 Starlink何以盈利 3.1资费分析 星链的收费包括用户设备一次性费用和后期使用费用，使用费用为按月缴纳，随时可以取消。目前官网有以下4种产品：适合家庭的星链标准版（Starlink Standard），该服务的月租费用为120美元，推荐硬件费用为599美元，在全球范围内提供高速、低延迟的宽带互联网。适合企业的星链优先版（Starlink Priority），该服务的月租费用为140-500美元，推荐硬件费用为2500美元，可提供更快的互联网速度和更高的吞吐量。适合房车、旅行者的星链移动版（Starlink Mobile），服务的月租费用为150-200美元，推荐硬件费用为599美元，提供无限的内陆移动数据