卫星互联网专题研究：卫星互联网——空天地泛在通信的必要环节

卫星互联网——空天地泛在通信的必要环节 西南证券研究发展中心通信研究团队2023年6月 核心要点 卫星互联网是通过卫星进行全球联网的一套通信系统，通过一定数量的卫星，向地面、空中、海上用户提供宽带互联网接入服务。卫星互联网通常需要三大部件：卫星、地面站（通常作为网关）、用户终端。 我国卫星互联网建设需求较为迫切确定。其一，卫星互联网在国家安全领域的重要作用在俄乌战争等场景下已得到充分显现，建设自主可控的宽带卫星星座刻不容缓。其二，低轨轨道资源和通信频段资源稀缺，在国际电联“先占先得”规则下，我国需要快速抢占低轨卫星资源。其三，空天地泛在通信是通信技术的必然演进方向，卫星通信已成为移动通信的重要环节，发展卫星互联网具有较高确定性。 2卫星互联网商业模式已得到初步验证。铱星、OneWeb和Starlink等低轨宽带星座已逐步开启商业服务，据铱星公司2022年年报，铱星星座的用户数量已达到199.9万，并在22年全年实现了7.2亿美元营收，872万美元利润，已实现盈利。据Starlink官网，截至2023年5月，Starlink用户数已达到150万以上，距21年开启个人宽带商业服务以来实现了爆发式增长。我们认为，在卫星互联网相关商业模式已得到初步验证的情况下，具有一定的可复制性。 4卫星互联网产业链纵深长，空间广，有望迎来需求爆发。卫星互联网产业链涵盖了卫星制造、火箭发射、卫星运营、终端设备等多个环节，对相关硬件和软件配套具有较大需求。同时，卫星星座的大批量发射一般都在实验星完成发射后的1-2年内进行，我国低轨卫星星座产业有望迎来爆发增长，卫星互联网全产业链的市场空间或达千亿，建议关注相关投资机会。 相关标的：震有科技、铖昌科技、国博电子等。 风险提示：我国卫星互联网建设不及预期、下游需求不及预期等风险。 目录 1卫星互联网——泛在通信的基础设施 1.1卫星互联网基本概念1.2卫星互联网发展的高确定性1.3卫星互联网的相关技术1.4卫星互联网的发展趋势1.5卫星互联网的应用场景 2低轨卫星技术高速发展，已能与4G通信媲美 3卫星互联网产业辐射广，规模或超千亿 4相关上市公司梳理 1.1.1卫星互联网基本定义 定义：卫星互联网是通过卫星进行全球联网的一套通信系统，通过一定数量的卫星，向地面、空中、海上用户提供宽带互联网接入服务。卫星互联网通常需要三大部件：卫星、地面站（通常作为网关）、用户终端。卫星上网通信可以分为双通道通信和单通道仅接收通信。 发展趋势：卫星通信从1960s开始发展，从模拟卫星发展到数字卫星，从窄带发展到宽带、高通量卫星。目前的卫星互联网主要是指利用地球低轨道卫星实现的低轨宽带卫星互联网。 1.1.2卫星按轨道高度可分为3类 从卫星轨道高度来说有高轨同步卫星、中轨卫星、低轨卫星等。高轨卫星和低轨卫星存在互补关系和竞争关系。互补关系：地球静止轨道卫星和地球自转同步，只对某一固定区域服务，低轨卫星对地面的覆盖是移动的，是高轨卫星的补充。竞争关系：低轨卫星传输时间低、路径损耗少、卫星终端体积小、成本低、系统容量大，在卫星通信方面具有竞争优势。 1.2卫星互联网发展的较高确定性 卫星互联网的发展对国家安全具有重要意义。卫星和频段是稀缺的不可再生资源，申请并发射卫星具有重要战略意义。从通信技术发展趋势来看，卫星互联网通信也是必经之路。 国家外部安全：星盾计划、俄乌战争等凸显卫星通信对于国家外部安全的重要意义。Starlink在俄乌战争中成为了乌方重要的通信方式；SpaceX在22年提出“星盾计划”，为美国防务部服务。 国家内部安全：《“十四五”国家应急体系规划》要求发展应急管理与指挥调度平台、应急通信产品等新型应急指挥通信和感知产品。卫星互联网的发展为应急通信提供保障，在发生地震、海啸等自然灾害时几乎是唯一的通信方式。 国家安全 国际电联（ITU）无线电规则中规定，近地卫星轨道和频率均采取“先登先得”原则，并且后来者在轨道和频段上要规避已发射的卫星。低轨卫星轨道资源和频谱资源是不可再生资源，相较于高轨卫星轨道，近地轨道资源十分有限，且C、Ku、Ka等黄金频段资源日渐拥挤，因此我国向ITU申请卫星的频谱资源和轨道资源具有一定的紧迫性。 资源稀缺 2G-5G时代：卫星通信是蜂窝的补充。6G时代：卫星通信是6G的重要组成成分 技术发展 1.2卫星互联网发展的较高确定性 全球蜂窝移动网络仅覆盖了20%的陆地面积、6%的地表面积，航空、远洋、渔业、石油、环境监测、户外越野、军事等特殊区域的通信需求依靠卫星通信满足。农村：农村地区建设蜂窝移动网络的电力、塔架和土建工程等部署成本高出城市约三分之一，铺设用 于回程的光纤回程成本翻了一番以上，并且由于距离远，微波传输也通常不可行。全球只有75%的农村人口接入4G网络，其中88%处于3G覆盖范围内，12%仍然使用30多年前推出的2G网络。岛屿：菲律宾群岛、印度尼西亚分别有约2000、6000个岛屿有人居住，在岛屿之间铺设海底光纤难以实现，并且容易因事故或自然事件造成损坏，卫星互联网可解决岛屿上通信问题。 在2G-5G时期，卫星通信的首要需求是全球覆盖。因此，卫星通信以中窄带、中高轨道卫星为主，能够以较少数量的卫星完成全球覆盖，完成对蜂窝网络的补充。此时的卫星通信对于高速率、低时延基本没有需求，卫星通信主要为语言和文本信息服务。 6G是一个全域覆盖的立体网络，将涵盖陆空天海的基础设施资源，集高/中/低轨卫星系统、平流层平台、陆地网络和海上船舶通信等于一体，构建星地融合网络，实现自然空间全覆盖和全球全域的“泛在连接”。6G网络把空天地一体化多接入能力作为关键能力，中国信通院发布的《6G白皮书》提出全球广域覆盖的星地一体化网络将是6G网络的关键技术，星地融合通信已是目前通信技术的重要发展方向。 6G时代：卫星通信是6G的重要组成成分 卫星通信也是未来通信的基本环节。3GPP（第三代伙伴关系项目）已开展对“非地面网络（Non-Terrestrial Network，NTN）”的研究。NTN R14至R16的研究项目考虑在5G网络中集成卫星接入业务。NTN R20和6G NTN的相关研究，包括但不限于地面网络（Terrestrial Network，TN）与NTN的一体化，以及在5G和5G-Advanced NTN基础上进一步实现频谱效率提升。因此，我们认为低轨卫星星座将会是未来通信的必要基建。 1.3卫星互联网的通信技术：按通信介质可分为电磁波通信和光通信 卫星的通信方式主要可分为2种，包括使用电磁波进行通信，以及使用光进行通信。进一步细分又可分为微波通信、太赫兹通信、激光通信和量子通信。其中，微波通信和激光通信是目前最成熟、最常用的应用于空间的网络手段。太赫兹是电磁波的一种，相比于量子通信的通信速率，太赫兹通信的通信速率普遍更快。量子通信主要通过光进行信息传播，器件成熟度还未达到可工业使用的要求。目前最成熟的通信方式是微波通信。微波通信在器件、算法等各方面的发展都已经较为成熟。但同时，微波通信也存在一些不足之 处：1）长距离传输需要较高的功耗，传输速率也会受到限制。2）由于星际环境复杂多变，微波通信需要申请特定的频段，避免与相邻卫星通信频率重叠，以防止信号干扰。激光通信技术日益成熟，在星间通信中的使用逐步增多。激光通信受益于地面的光纤通信对产业链的催化，其优势为传输速率高、 无频段限制，且对其他任何星间通信不会造成干扰，但其对链路的建立过程有非常高的要求，一般只能一对一的传输。 1.3.1微波通信：通信频段向高频拓展 微波是指频率在0.3~300GHz之间的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称。由于微波的频率高于一般的无线电波，所以微波也被称为超高频的电磁波。国际电信联盟(InternationalTelecommunicationUnion,ITU)和电气和电子工程师协会(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers,IEEE)将通信卫星微波频率进行了划分。 常用频段及其特点 1.卫星通信常使用L、S、C、X、Ku和K频段的电磁波。低频率的电磁波（如L、S、C频段）的增益低、雨衰小、需要较大天线口径，适用于对通信质量要求较严格的业务场景，比如电视和广播等。然而目前这些频段的空间资源紧张。高频率的电磁波（如Ku和K频段）的增益高、雨衰大、需要较小天线口径，适合于高速数据传输的业务场景。 2.微波通信具有众多优点，包括：成本低廉、测距方式灵活、组网灵活方便、跟瞄捕获容易、系统可靠性较高等。但随着信息技术的高速发展，微波通信的频段容量已难以满足空间卫星通信需求。同时，随着轨道上卫星数量的增加，微波通信系统之间的干扰问题也日益突出。 1.3.1微波通信：多种波束实现地面覆盖 卫星使用微波通信搭载的设备组件 卫星波束的覆盖形式 点波束（指向波束）：基于数字波束成形的指向波束，点波束总是指向用户。由于点波束功率远超宽波束，因此点波束能够实现更高效的调制和编码，具有每秒百兆比特的通信容量。 微波通信：微波通信将微波作为传输的介质，而无需使用固体介质。微波具有频率高、波长短的特点，在空气中直线传播，遇到障碍物会被反射或阻断。 宽波束：固定指向，主要用于传输控制命令。宽波束间支持波束切换，宽波束较大的覆盖范围可以降低不同波束切换频率。 1.3.2激光通信：实现星间高速通信的重要方式 激光通信概述：卫星激光通信是利用激光光束在卫星间或者卫星与地面之间传递信号的方式。区别于微波通信，激光光束在空间中充当信息的传输载体。目前，空间激光通信系统主要使用半导体激光器作为光源，而激光通信系统的波长通常选择在0.8~1.0μ波段之间。 激光通信的技术优势：频带宽度大，链路通信容量较大； 波束发散角度小，方向性强，具备良好的抗干扰和防截获性能，系统安全性高；设备之间没有微波信号干扰，无需申请空间频率使用许可证。 然而，由于激光光束较窄，对准、捕获和跟踪是激光通信系统需要应对的重要问题。因此，激光跟踪技术是星际激光链路的关键技术之一。 将微波通信技术和激光通信技术相结合已成为星座组网的主流，以满足大规模快速发展的卫星通信星座对更高的测量精度和更快的通信速率的需求。 1.3.2激光通信：通信体制&捕获方式 通信体质：非相干通信&相干通信：空间激光通信共有两种最常用的通信体制，包括：相干通信、非相干通信。目前，相干通信和非相干通信都已在国际上完成在轨关键技术验证，并开始了大规模的组网建设部署阶段。相比之下，在工程应用场景中，相干体制适用于链路距离较远且速率较高的情况，而非相干体制则适用于链路距离较近且速率较低的情况。 对准捕获方式：信标光&非信标光“信标光+信号光”捕获方案是指激光通信终 端使用单独的信标光。通过使用较宽的信标光束按照一定的扫描方式对不确定区域进行扫描。终端使用大视场的捕获探测器来监测接收信标光的质心位置，以实现对信标光的捕获和跟踪，进而将信号光引导至跟踪探测器接收视场，进行精确跟踪，最终实现激光建立通信链路。“非信标光"捕跟方案则是指在工作过程中不使用信标光，直接使用信号光进行扫描，并通过对信号光进行分光，实现光通信终端之间的捕获和跟踪功能。 1.3.2激光通信：关键组件可分为五类 1.3.2激光通信：国内外发展趋势梳理 我国进展：2021年，某低轨组网星实现了我国首次低轨星间相干体制的激光星间链路，是一项具有里程碑意义的成就。随之开展的各项试验工作也为我国的激光通信水平做出了重大贡献。我国进行卫星激光通信的研究机构包括：哈尔滨工业大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院光电技术研究所、长春理工大学、航天科技集团等。激光通信发展趋势：非相干到相干、信标到非信标、大型到小型芯片化。1）相干光具有更好的接收灵敏度和抗干扰性，随着相关 技术的成熟，成本也在逐步降