电子行业深度报告：卫星通信高速发展，Starlink产业链保持领先

短期通信需求与长期国防需要驱动卫星市场发展：卫星通信是以卫星作为中继实现地球上的无线电通信站间的通信。相比高轨卫星，低轨卫星具有时延低和系统覆盖率高等优势，成为了最有应用前景的卫星通信技术之一。由于国外基站数量较少，基站覆盖率不足，许多偏远地区的通信需求未能得到满足，这部分通信需求成为了国外卫星通信市场发展的短期驱动力。而长期来看，由于低轨卫星资源有限，具有“先占先得”的特性，加上各国对国防安全的需要，卫星网络建设和自主可控将具有必要性。据QYResearch研究报告显示，2021年我国卫星互联网行业市场规模达292.48亿元，预计2025年将升至446.92亿元，2021-2025年预计复合增长率将达到11.2%。 低轨卫星市场格局“一超多强”：卫星通信产业链包含了卫星制造、卫星发射、地面设备、卫星运营和服务四大环节。目前我国已拥有较完整的卫星互联网产业链，形成了“国家队主导，上市企业参与”的全景格局。从全球市场来看，低轨卫星竞争呈美国领先、大国追赶的“一超多强”格局。从轨道卫星布局来看，截止2022年底，美国制造及拥有的近地轨道卫星的数量处于主导地位；从卫星参数来看，美国Starlink计划在卫星数目、投资规模等参数上均远远优于其他国家的星座计划；从专利数量角度看，截至2022年11月，美国卫星互联网专利申请量占全卫星互联网专利总申请量的近40%。 实现产业链协同，Starlink先发优势明显：Starlink计划在2015年推出，具有规模大、时延低、全球覆盖等特点，还具备广阔的军事应用场景。 相较于其他星座计划，Starlink商业化路程清晰，实现了全产业链协同，同时通过“一箭多星”发射方式和火箭回收技术将单次发射成本降低至120万美元，未来有望继续降低。根据官网披露，截止2022年Starlink已为36个国家/地区提供服务，并逐渐将服务范围扩展至亚洲和中东地区，成为目前成功发射卫星最多、最快、服务范围最广、用户规模最大的卫星星座项目，Starlink已是目前最有机会率先量产的卫星领域供应链。 星链的全球年需求量约1亿台，渗透率为2%（截至2023年12月）。 根据星链官方披露的全球可用地区分布地图，结合各地区的人口总量、偏远地区人口分布、平均家庭收入、平均家庭人数、互联网覆盖率、互联网需求量等指标推测全球的星链终端需求量。初步估算，星链的全球市场空间高达3.7亿台。经我们测算，北美地区为全球最大的星链的市场空间，终端需求量共1.27亿，占总市场空间的35%；欧洲其次，大洋洲市场空间最小。按照设备3-4年的折旧期与更新换代计算，年需求量每年约1亿台，当前Spacex用户数200万户，渗透率为2%。 风险提示：发射成本降低不及预期、用户数量增长不及预期、市场拓展不及预期。 1.低轨卫星加速落地，战略地位不断提高 1.1.低轨卫星启动，空地一体通信来临 卫星通信是以卫星作为中继实现地球上的无线电通信站间的通信，采用“数据中心-核心网-地面站-通信卫星-卫星之间的传输-接收终端”的工作流程，通过将卫星发射到特定轨道上，利用卫星上的通信转发器接收由地面站发射的信号，并对信号进行放大变频后转发给其他地面站,从而完成两个地面站之间的传输。 传统的地面通信通过建立的基站向周围的区域发送指定类型的电磁波信号，传输给附近的终端设备，工作流程为“数据中心-核心汇聚接入-基站-手机”。 从原理上看，卫星通讯以通信卫星取代地面基站进行无线信号的转发，转发流程更加复杂。 图1：卫星通信和基站通信原理对比 卫星互联网是卫星通信技术的发展产物，与地面通信系统相结合，形成了星地互联的空天地一体化网络。自20世纪80年代至今，全球卫星互联网已有30多年历史，可划分为三个发展阶段。第一阶段是20世纪80年代末至2000年，当时的卫星通信发展定位是“全面替代通信系统”。第二阶段是2000年至2014年，发展定位由第一阶段的“全面替代通信系统”转变为“地面通信系统的备份和填隙”。第三阶段是2014年至今，发展定位进一步明确为“与地面通信形成互补融合的无缝隙通信网络”，随着近年来地面通信局限性的凸显以及小卫星技术发展的日益成熟，卫星互联网的重要性和商业价值与日俱增，中低轨道化态势明显。在该阶段中，以一网公司(OneWeb)、太空探索公司(SpaceX)等为代表的企业开始主导新型卫星互联网星座建设，让卫星互联网与地面通信系统进行全方位的深度融合。 图2：空天地一体化架构 图3：空天地一体化发展历程 按照卫星轨道高度的不同，通信卫星可以分为低轨通信卫星（LEO）、中轨通信卫星（MEO）和高轨地球同步通信卫星（GEO）。 1）低轨卫星（LEO）的轨道高度范围为300-2000km，低轨道卫星通信系统由于卫星轨道低，信号传播时延短，其链路损耗小，卫星和用户终端的要求低，可以采用微型/小型卫星和手持用户终端。但由于轨道低，每颗卫星所能覆盖的范围比较小，要构成全球系统需要更多的卫星，主要包括海外的铱星系统、Starlink、Oneweb，以及国内的航天科工集团的虹云工程和行云工程、航天科技集团鸿雁工程、中国电科的天地一体化信息网络。 2）中轨卫星（MEO）的轨道高度为2,000-35,786km，传输时延大于低轨道卫星，但覆盖范围更大，全球组网覆盖所需卫星数量较少，典型系统是国际海事卫星系统。 3）静止轨道卫星（GEO）的轨道高度为35,786km，由于静止轨道卫星相对地面静止，且覆盖区大，三颗经度差约120°的卫星就能够覆盖除南、北极以外的全球范围。静止卫星轨道高，链路损耗大，对用户端接收机性能要求较高，这种卫星很难支持手持机直接通过卫星进行通信，因此同步轨道卫星通信系统主要用于VSAT系统、电视信号转发等，较少用于个人通信。 图4：高低轨道卫星对比 图5：通信卫星轨道示意图 图6：对比GEO，LEO卫星的覆盖面积较小 LEO系统被认为是最有应用前景的卫星移动通信技术之一。目前全球绝大多数通信卫星主要以GEO卫星为主，由于轨道资源有限，地球同步静止卫星只能在一个拥挤的环境下工作。此外，地球同步卫星数据传输延迟大，为500ms左右，而低轨卫星则能极大缩短时延，实现50ms以内时延，与地面光纤网络相当，路径损耗小，多个卫星组成的星座可以实现真正的全球覆盖；蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。 低轨卫星通信网络系统由空间段、地面段和用户段3部分协同工作构成。空间段即空间星座，由多颗低轨卫星和星间链路构成，负责信息的接受和转发，部分具有星上处理能力；用户段由接入网及接入终端组成，包括综合信息服务平台、业务支撑平台和各类终端设备；地面段主要包括信关站、测控站、综合网管中心、卫星控制中心、移动通信网及地面业务支撑网。低轨卫星通信网络最重要的作用是为用户终端提供接入能力，与地面网络进行互联。 图7：低轨卫星网络系统架构 1.2.内外驱动因素叠加，低轨卫星加速落地 低轨道卫星具备明显优势，已成为各国发展的主力。低轨通信卫星相比于传统的中高轨通信卫星，具有低时延、强信号、高覆盖、低成本的明显特点，已成为各国通信卫星发展的主力。低轨卫星轨道高度大致在1000km，可将时延从200ms降低到几十个乃至十几个毫秒，能够与地面网络相提并论；低轨卫星的信号强度更强，相应的地面终端可以更加小型化、轻量化；由数千颗低轨卫星组成的星座可以实现全球覆盖运营；低轨卫星需求量大，批量生产使得成本大大降低。 图8：低轨道通信优点 有限的频轨资源及其“先占先得”的特征，决定了发展低轨星座通信具有战略必要性。卫星频率和轨道资源是指卫星电台使用的频率和所处的空间轨道位置，是卫星系统建立和正常工作的前提，二者具有不可再生性和稀缺性。无线电只有在有限区间频段中传输耗损相对较小，且受卫星覆盖范围、卫星高度（信号质量）、同频段卫星间距等因素影响，广阔太空中可用卫星轨道数量十分有限。频轨资源采取国际电信联盟（ITU）先申报先使用总原则，根据《中国航天》数据披露，当前地球静止轨道（GEO）上90%的C和Ku频段被少数国家的运营商垄断控制，各国提交的轨道申请超过6万份，当前对卫星频轨资源的争夺进入白热化状态。 国防安全需求驱动低轨卫星网络自主可控。卫星已经成为联合作战中取得胜利的重要装备，是平时监视、情报活动的重要装备。在俄乌战争中，美国MAXAR公司利用WorldView-3卫星和GeoEye-1卫星对战场热点地区进行卫星成像，照片清晰显示了俄军装备。根据美国太空发展局构想的下一代太空体系架构，巨型低轨通信卫星星座将作为整个太空信息获取的底层传输层，成为服务于太空信息的基础网络，深刻影响未来国家信息安全格局。 国内外卫星通信的发展驱动力各有侧重。国外由于基站数量较少，基站覆盖率不足，许多偏远地区的通信需求未能得到满足，这部分通信需求的弥补是国外卫星通信市场发展的短期驱动力；国内基站覆盖率较高，卫星通信的各项性能指标对比地面通信并无优势，抢占卫星资源和维护国防安全是国内卫星市场发展的主要驱动因素。 图9：低轨卫星互联网示意图 图10：2022年各国航天发射活动次数统计 1.3.地面站链接空地通信，战略地位不断提高 星链通信通过地面接收器和距地表550KM的低轨卫星实现信号的传输，传输速率最高可达到100Mb/s。卫星通信是由卫星和地面接收器搭配实现的，用户需要在购买地面接收器，并将其与电源和路由器连接后才能享受卫星通信服务。 在轨卫星数量是地面设备渗透率提升的重要前提。由于地面接收器可收发信号的范围较窄、低轨卫星相对地面的飞行速度较快，地面接收器与每颗低轨卫星的通信时间只有4分钟左右，当上一颗卫星飞出通信范围时，需要有下一颗卫星来与地面接收器建立连接；同时，由于低轨卫星离地面较近，每颗卫星能够覆盖的地表面积也较小。两方面因素对低轨卫星数量提出了更高的需求。据NI亚太区商业航天行业负责人刘金龙描述，若想为全球提供联网服务，至少需要10000颗以上的低轨卫星。只有在轨卫星数量达到一定规模后，才能为地面用户提供较好的互联网体验。 图11：星链传输速度可达100Mb/s 图12：全球联网需要至少10000颗低轨卫星 地面接收器的核心组件是PCB板和连接器。地面接收器可拆分为6层结构，从上至下依次是天线外壳、蜂窝网孔板、橡胶蜂窝板、PCB板、铝结构背板和底座。其中PCB板是实现信号收发的核心组件，其上搭载了所有的微型天线单元，一侧绘制了复杂的电路和芯片，另一侧则绘制了1000多个蜂窝状网格，每个网格对应一个天线单元。连接器处于底座中，负责完成PCB板与路由器的连接和信号传输。底座还安装有两个电机，用于供电。从功能和价值量来看，连接器与带有天线和电路的PCB板是地面接收器的核心组件。 图13：地面接收器结构 2.中下游占产业链主力，低轨卫星竞争“一超多强” 卫星通信产业链包含了卫星制造、卫星发射、地面设备、卫星运营和服务四大环节。 其中，产业链上游主要为卫星制造及发射。在卫星制造中，元器件材料的芯片/板卡、天线是卫星的核心组件；国内卫星发射以国家为主导，主要围绕导航和遥感领域发射卫星，卫星通信的数量较少。产业链中游主要为地面设备。固定地面站主要包括天线系统、发射系统等，移动站主要由集成式天线、调制解调器和其它设备构成。产业链下游为卫星的运营及服务，是卫星产业中最大的市场，主要包括卫星移动通信服务、宽带广播服务以及卫星固定服务等。 从产业链细分环节产业规模来看，根据SIA的数据，2022年卫星互联网产业链细分环节产业规模中卫星制造占比约为5.62%，卫星发射占比约为2.49%，地面设备占比约为51.59%，卫星运营及服务占比约为40.30%。卫星运营与服务及地面设备是产业链中最主要的两个部分，合计占据了约91.89%的市场份额。卫星制造和卫星发射虽然在总体产业规模中占比较少，但仍然是整个产业链中不可或缺的关键环节。 图14：卫星产业链四大环节 图15：2022卫星互联网产业链细分环节产业规模占比