原创︱国外卫星通信产业发展研究

原创︱国外卫星通信产业发展研究

读而思

未来,全球卫星通信系统商业化程度将不断提高,卫星通信系统向微小化趋势发展,卫星通信仍以卫星广播和固定类业务为主,卫星移动和宽带类业务将增长迅速。



彭健 滕学强 周钰哲     赛迪智库无线电管理研究所

本文发表于《中国工业和信息化》杂志2019年12月刊总第19期



卫星通信产业链涵盖卫星制造、发射服务、地面设备制造、运营与服务等环节。2018年,全球航天产业规模达到4000亿美元,其中卫星产业规模超过3000亿美元,卫星通信产业市场规模约为1200亿美元。美国、中国和欧洲国家的传统航天企业借助云平台、大数据、天地一体化、物联网、5G等新技术快速发展精细化、个性化的卫星通信服务;一大批新兴商业航天企业及服务也迅速涌现。


未来,全球卫星通信系统商业化程度将不断提高,卫星通信系统向微小化趋势发展,卫星通信仍以卫星广播和固定类业务为主,卫星移动和宽带类业务将增长迅速。预计2020年,全球卫星转发器出租容量将达到700GHz;全球微小卫星市场规模将达到60亿美元,2025年全球微小卫星数量市场规模可达200亿美元。



国际卫星通信发展新特点



近年来,随着卫星宽带成本的下降和卫星通信技术的进步,在高通量卫星带宽巨大需求的刺激下,国内外掀起了卫星互联网星座发展的热潮,卫星通信进入到一个新的发展阶段,呈现出以下特点:


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一是各国纷纷将卫星互联网建设上升为国家战略。美国政府提出了加快陆地移动通信与卫星通信无缝衔接,推动空天地一体化通信网络建设的构想,并于2016年宣布投资5000万美元的创新基金用于推动小卫星发展。澳大利亚于2016年12月发布“超高速宽带基础设施”立法草案,明确提出要为卫星宽带网络提供长期资金支持。英国于2017年初发布《卫星和空间科学领域空间频谱战略报告》,计划进一步放宽非同步轨道卫星的频谱使用。俄罗斯、新西兰、智利等国陆续发布向国内偏远地区、远离陆地的岛屿提供卫星互联网覆盖的计划。


二是卫星互联网投入成本随着技术进步明显下降。小卫星通常指重量在500kg 以下的卫星。与大卫星相比,小卫星具有明显的成本低、研发期短、风险小、发射快、延时低、技术新等优点。近几年,小卫星在技术和商业模式创新的双重推动下,呈现快速发展趋势,面向大众的消费级应用市场逐渐成为新的增长方式。据测算,到2021年全球纳米卫星市场将达63.5亿美元。One Web、Space X、Facebook、波音等巨头的卫星互联网计划都是以小卫星为载体,选择距离地球数百公里至2000公里以内的低轨道。


三是频率和轨道资源的国际争夺战愈演愈烈。在美、俄等航天强国的推动下,国际规则中卫星频率和轨道资源的主要分配形式为“先申报就可优先使用”的抢占方式,日益增长的需求使得卫星频率轨道资源争夺白热化。轨道资源方面,地球同步轨道有效轨位资源非常紧张,各国纷纷将目标瞄准低轨道,预计该轨道内卫星数量会快速增长;频率资源方面,C频段和Ku频段资源紧张,通信卫星向高频段发展的趋势明显,目前Ka频段是国际上大多数高通量卫星的首选,而Q/V频段同样有巨头提前布局。


四是现阶段卫星互联网建设及运营模式更加合理。卫星互联网发展了近30年,主要经历了三个阶段(图2)。从2014年开始,卫星互联网进入到第三阶段,该阶段以星链(Starlink)、One Web等计划为代表,定位于与地面通信形成互补融合的无缝通信网络。现阶段卫星互联网与地面通信系统二者之间更多的是互补与合作,发展空间巨大。从人群来看,世界上尚有超过一半的人口无法使用互联网,潜在用户众多;从万物互联来看,地面上偏远山区、大漠戈壁等部分区域如今依旧是通信盲区,卫星互联网低成本、广覆盖优势巨大;从应用场景来看,随着太空旅行等人类探索太空步伐的加快,星际间通信需求不可或缺,卫星互联网有能力提供解决方案。


卫星通信从“能用”到“好用”的发展,一方面要立足卫星通信“全球覆盖”的独特优势,深耕通信、航海、航天、应急救援等垂直行业,进一步扩大在行业市场的优势。另一方面需要大力发展大容量、高速率的高通量卫星和低轨宽带星座,降低应用成本,拓宽互联网应用市场。此外,卫星通信要充分发挥大覆盖、灵活性高等优势,与地面通信互补融合发展,协同打造覆盖空、天、地、海多维空间的泛在网络。


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国外卫星通信产业发展概况



2018年,各国低轨道星座卫星、高通量卫星、物联网卫星等新应用新业态竞相发展。从国别来看,美国卫星技术和产业发展遥遥领先,在轨卫星占全球半壁江山;欧洲国家大力整合资源,推动泛欧卫星通信的发展;俄罗斯保持传统卫星优势,大力拓展新市场;日本通信卫星发展取得新突破,力争进入第一梯队。从轨道来看,地球静止轨道卫星发展已过高峰期,而低轨卫星发展正突飞猛进。


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(一)美国

完备的法规体系为卫星通信产业发展奠定基石

美国卫星通信法规发展最早最成熟。自从1958年《国家航空航天法》以来,为规范和鼓励商业卫星通信产业发展,美国又相继出台了《通信卫星法案》《轨道法案》等单行法律。在发射领域,颁布了《商业空间发射法》《商业空间法》《发射服务购买法》《商业航天发射竞争力法》《鼓励私营航空航天竞争力与创业法》等单行法律,有力规范和促进私营企业参与卫星发射活动。        


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政府一贯重视卫星相关政策制定

自20世纪50年代开始,历届美国政府都会出台新的国家航天政策。特朗普政府执政以来,重建了美国国家航天委员会,首次制定《国家航天战略》,先后四次签发总统航天政策令,进一步加强了对航天产业的指导和支持。


通信卫星技术和应用全球领先

军事卫星方面,美国军用卫星型号齐全技术先进。美国军用通信卫星主要分为宽带、窄带和受保护三类。宽带卫星方面,美国先后开发了3代“国防卫星通信系统”(DSCS)卫星。目前,美国正在使用“宽带全球卫星通信”(WGS)卫星替换“国防卫星通信系统”卫星,已发射10颗WGS卫星,基本建设完成。在受保护卫星方面,美国开发了“军事星”系列卫星。从2010年起美国又开始用“先进极高频”替换“军事星”,目前已经成功发射4颗。窄带通信系统方面,美国先后开发了“舰队通信卫星”“租赁卫星”和“特高频后继星”系列卫星。从2012年起,进一步使用MUOS系统卫星替换特高频后继星。


低轨卫星方面,美国是世界上唯一运行商业低轨卫星通信星座的国家。“铱星”系统是世界首个投入使用的大型低轨通信卫星系统。2017年开始发射的“下一代铱星”(Iridium NEXT),提升了数据传输速度并增加了话音服务、企业数据、设备跟踪以及机器到机器的应用等服务。截止到2018年年底已成功完成7批次新一代卫星的发射部署,整个系统的更新换代即将完成。


高通量卫星方面,拥有目前在轨运行的单星数据容量最大的卫星系统。高通量卫星(HTS)是指使用相同带宽的频率资源情况下数据传输量可达传统卫星数倍甚至数十倍的新一代通信卫星,是通信卫星技术发展的重大革新。大容量、广覆盖、安全可靠等成为新一代系统的重要能力指标。美国卫讯公司发射的第二代高通量卫星ViaSat-2最大容量达300Gbit/s,是目前在轨运行的单星数据容量最大的卫星系统。正开发的ViaSat-3系统容量预计将达1Tbps以上,并将采用新技术将实现容量动态分配。


卫星通信产业总体规模世界第一

卫星制造方面,美国遥遥领先全球其他国家。据美国卫星工业协会(SIA)《2018年卫星产业状况报告》,2017年美国卫星制造产业收入88亿美元,全球占比约57%;其他国家总计67亿美元,占比约43%。卫星发射业务方面,2018年,全球共发射通信卫星77颗。其中,美国发射通信卫星41颗,占全球年度发射通信卫星数量的53%。2017年,全球卫星发射业务收入46亿美元,美国商业卫星发射业务收入18亿美元,全球占比39%。卫星服务业务方面,截至2018年年底,美国付费卫星电视用户规模达2912.7万户,卫星电视收入达395.8亿美元,约占全球卫星电视收入的40%。


商业航天位于全球核心地位

进入新世纪,美国的商业航天在整个航天产业中所占的份额变得越来越大,这是过去一直以政府为主导的美国航天发展过程中的新趋势。2012年5月,SpaceX成功发射了一枚两级火箭,将一艘名为龙飞船的太空飞船送向国际空间站,开启了太空私营化的新时代。2018年2月,SpaceX设计制造的目前全世界运载能力最强的可重复利用的“猎鹰重型”火箭成功发射,标志着商业航天产业已位于全球航天经济的核心地位。


卫星互联网计划进入部署阶段

目前提出卫星互联网计划的既有波音、O3b、Telesat、ViaSat等老牌企业,也有OneWeb、SpaceX、Theia、Audacy等新兴科技公司。O3b星座系统是目前全球唯一一个成功投入商业运营的中地球轨道(MEO)卫星通信系统。2017年,OneWeb成为第一家获得FCC准入许可的低轨星座公司。2019年2月。OneWeb旗下首批6颗星座卫星发射升空,太空互联网计划进入部署阶段。SpaceX的Starlink星座项目规模庞大。该公司计划发射约12000颗小卫星建设两个太空互联网,网络接入速度在延迟上将不输于甚至优于光纤网络。2018年SpaceX同样获得FCC低轨道卫星通信网准入许可,并发射了两颗测试卫星。此外,波音公司提出了规模近3000颗卫星的星座计划,亚马逊提出3200多颗低轨卫星计划,LeoSat MA公司提出80颗卫星的低轨星座计划。

(二)欧盟

政策积极推动泛欧卫星通信服务

早在2008年,欧盟就正式启动泛欧卫星移动通信服务审批程序,简化流程在全欧盟范围内开展卫星移动通信服务。2011年,欧盟委员会明确提出整合各成员国的资源,从欧盟层面大力发展泛欧卫星移动通信。2016年欧盟委员会出台的《欧洲航天战略》强调推进欧洲航天一体化。为落实欧洲航天战略,2018年发布的欧盟2021至2027年度长期预算提案中,提出欧洲太空计划,要求确保高质量、最新和安全的太空相关数据和服务,为商业化提供更多便利支持。 


通信卫星产业体系完备

火箭研制方面,由法国提议并由欧洲航天局(欧空局)组织实施和研制的阿丽亚娜火箭系列至今已研制成功5种型号。阿丽亚娜火箭在国际航天市场拥有重要地位,占据世界商业卫星发射业务的大约五成份额。卫星研制方面,欧洲已形成完备的系列平台体系。Eurostar-3000与空间客车-4000系列均面向3-6吨的中大型GEO卫星市场,“阿尔法平台”则侧重于6吨以上的超大型通信卫星。3吨以下平台方面,2017年欧洲自主研发的Small GEO平台正式启用,填补了模块化设计保证其可以满足多种任务的需求,Small GEO平台的启用将使欧洲通信卫星研制能力的布局完整化。英国萨瑞卫星技术公司 (SSTL) 也将于2019年发射欧洲通信卫星公司的“量子” (Quantum) 卫星上正式启用其“地球静止小型卫星平台” (GMPT) ,同样面向小型GEO通信卫星。


积极参与国际市场合作

开展国际合作是欧洲空间政策的核心内容之一。欧洲航天产业中,占总产值四成以上的产品和服务是为境外市场提供的,因而欧盟一向对国际市场高度重视。欧空局和法、德等国家不但与美国、俄罗斯和日本等传统的航天国家合作,还积极与新兴的航天国家和发展中国家开展合作。欧空局、欧委会和俄罗斯联邦航天局三方共同组建了太空对话指导委员会,并建立了包括卫星通信在内的7个工作组。2018年12月,印度最新的高通量通信卫星Gsat-11在法属圭亚那发射升空。2011年10月,中国首次为欧洲卫星运营商提供发射服务。2018年1月,欧洲通信卫星公司(Eutelsat)与中国联通签订合作谅解备忘录,共同开拓亚太地区增长迅速的商用卫星通信市场。


大力推进卫星通信和5G星地融合

欧盟积极推动卫星业界参与5G标准制定与协同发展。在欧盟委员会、欧洲航天局等机构倡导下,欧洲成立了SaT5G、SATis5等多个产业联盟组织,共同推进卫星与5G联合应用。2018年,欧洲卫星公司(SES)在SaT5G合作框架下成功验证了利用卫星提供5G传输服务,为探索5G星地融合方案提供了重要支撑。2017年欧洲卫星公司、国际移动卫星公司等16家卫星运营商、服务商及制造商代表签署了“卫星5G”协议,共同探索卫星通信和5G无缝连接的最佳方案,并计划在欧洲开展试点。

(三)俄罗斯

政策法规保障俄罗斯优先发展航天项目

俄罗斯涉及卫星通信的法律体系主要包括《俄联邦空间活动法》和大量总统令、政府令以及行业有关规定和规章制度。《俄联邦空间活动法》明确提出,航天技术及活动是“国家最高等级的优先发展项目”,要依靠航天技术增强俄罗斯的经济、科技和国防实力。俄罗斯先后出台多个航天战略规划。这些规划通常以政府令形式下发,以法律形式明确了未来俄罗斯航天领域的重点发展方向及任务的阶段性部署,对指导航天发展具有重大意义。此外,俄罗斯还制定了许多相关领域的专项政策,例如《俄罗斯联邦建立和发展空间数据基础设施纲要》。


着力发展军用通信卫星系列

除了为国外用户发射的通信卫星,俄罗斯近年来发射的通信卫星主要是本国军用通信卫星,目的是着力完善国内高性能、多用途系列军用通信卫星。目前俄罗斯在轨军用通信卫星都混编在“宇宙”(Cosmos)系列中,主要分低地球轨道(LEO)、大椭圆轨道(HEO)和地球静止轨道(GEO)卫星,为俄罗斯武装力量提供战略和战术层面的各种通信和指挥控制服务。俄罗斯最新发展的“钟鸣” (Blagovest)系列卫星是高性能(GEO)轨道重型军事通信卫星,基于快讯-2000 (Express-2000) 平台研制,可提供电话和视频会议以及互联网宽带接入等服务,设计寿命至少15年。目前已密集部署3颗。2018年还发射了3颗宇宙系列军用通信卫星。截至2018年年底,俄罗斯在轨通信卫星共计81颗。


拓展商业航天发展新市场

民商用卫星方面,在国内外卫星通信服务需求快速增长的影响及政策的推动下,俄罗斯先后部署了多颗“快讯” (Express) 系列高性能通信卫星,为本国及周边区域提供卫星广播电视、宽带接入、移动通信等服务。俄罗斯卫星通信公司 (RSCC) 分别与中东地区的卫星服务提供商地平线卫星公司 (Horizon Sat) 、欧洲计时卫星公司 (Chronosat Gmb H) 以及德国罗曼蒂斯卫星通信公司 (Romantis) 等签署了合作协议,允许后者使用快讯-AM6、AM7和AM22等卫星为中东、中亚、南亚等地区提供通信服务,拓展了商用市场。


低轨通信领域取得新进展

2018年5月,俄罗斯国家航天集团 (Roskosmos) 在官网公布了其覆盖全球的低轨通信星座计划。该星座将由288颗低轨道卫星组成,计划在2025年前建成,可面向全球用户特别是偏远地区用户提供话音和互联网接入服务,造价预估为2990亿卢布 (约300亿元人民币) ,经费来源为私人投资和基金注资。俄罗斯国家航天集团还将与一网公司开展国际合作,形成优势互补。

(四)日本

出台日本航天产业路线图

作为世界上少有的几个具备完整的航天产业链和太空探索能力的国家之一,日本近年来加大了对航天产业的政策支持。2015年《太空基本计划》提出,日本太空产业要在10年内达到累计5万亿日元的目标。为实现这一目标,《日本复兴战略 2016》要求制定《太空产业前景》路线图,加快太空产业发展速度和规模扩张。2017年出台的《航天工业展望2030》明确,依托其强大的太空科技实力,日本将加紧构建航天产业生态链,提出为小型商业太空发射活动配备专用发射场、为航天新兴企业提供在轨试验机会、加速实现空间技术商业化等措施。


军事应用取得重大突破

火箭研制方面,日本已掌握了大型固体火箭发动机技术和液体火箭发动机技术。目前,日本的运载火箭主要为H系列,包括H2A和H2B,性能达到世界先进水平。另外,日本还研制了艾普斯龙固体火箭,该火箭可快速转化为洲际弹道导弹。军事卫星方面,2017年日本在种子岛太空中心成功发射第一颗专用军用通信卫星煌2号(Kirameki-2)。该卫星是一颗X波段通信卫星,投入使用后将大幅减少自卫队对民用卫星的依赖。2018年,日本发射了第2颗“煌”系列军用通信卫星,预计2021年实现该系列卫星3星组网运行。


商业应用成果显著

火箭发射领域,2015年日本在种子岛宇宙中心成功将加拿大通信公司(TELESAT)的卫星送上太空,这是日本国产火箭H2A首次成功发射商业卫星,标志着日本成功进军国际卫星发射市场。民商用通信卫星方面,日本广播卫星系统公司 (BSAT) 成功发射了1颗商用通信卫星广播卫星(BSat-4a) ,该卫星载有24个Ku频段转发器,可提供4K/8K的超高清电视服务。卫星电视方面,为推动4K和8K电视技术发展,日本新开放了16个卫星电视频道,是当前世界4K卫星电视频道最多的国家和第一个开通8K免费卫视的国家。

大力支持商业航天发展

日本最大的卫星制造商三菱电机公司计划投资约110亿日元,将研制能力从同时建造10颗卫星提升至18颗,以满足日本政府及全球范围商业通信卫星日益增长的需求。新设施将缩短生产周期、降低成本并提高产品质量,增强国际市场的竞争力。日本政府宣布支持商业航天发展的“一揽子计划”,大力支持航天初创企业发展。计划包括设立1000亿日元(9.4亿美元)的支持基金、建立航天商业投资结对平台、为航天创企寻找人才以及设法让这些企业同日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)开展技术合作等内容。


(来源:中国工业和信息化)原创︱国外卫星通信产业发展研究原创︱国外卫星通信产业发展研究

原文始发于微信公众号(工信头条):原创︱国外卫星通信产业发展研究


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