2020年衛星通信產業發展綜述

文|紀凡策

北京空間科技信息研究所

一、引言

衛星產業由衛星服務業、衛星制造業、發射服務業和地面設備制造業四個領域構成，在新冠肺炎疫情及其引發的全球經濟進一步下行的影響下，上述四個領域均受到較大沖擊。

衛星服務業方面，大眾消費服務仍占據主導地位，受疫情居家和遠程辦公等影響，衛星寬帶互聯網需求量持續增長，寬帶通信、電視直播、大規模低軌寬帶星座等計劃帶動整個衛星通信產業從制造到應用服務的全方位變革。

衛星制造方面，受到人員和資本投入雙雙下滑的影響，既定衛星研制進度拖延，老牌衛星制造商壓力陡增，但C頻段傳統固定廣播衛星訂單大幅增加，新興衛星互聯網/物聯網星座建設需求不斷提升，衛星制造業整體發展態勢趨于利好。

衛星發射方面，疫情導致多個重要衛星發射推遲，但衛星互聯網/物聯網星座開啟密集部署，在此引領下，全球通信衛星發射次數繼續維持高位，衛星部署數量達到歷史最高點。

地面設備制造方面，在消費衛星寬帶業務不斷增長的牽引下，衛星地面設備將不斷迭代更新并快速增長，以匹配新近部署的高通量衛星和寬帶互聯網星座。

二、衛星服務

2019年全球衛星產業收入為2710億美元，同比減少1.5%。這是自2010年以來衛星產業收入首次呈現下降趨勢。2019年全球衛星產業收入占全球航天產業收入的74%，相比2018年的77%亦有所減少（圖1）。

圖1 2019年全球航天產業、衛星產業收入情況

通信衛星方面，2019年大眾消費服務收入在整個衛星通信運營服務業收入中所占比例最大，包括衛星電視直播、衛星音頻廣播和衛星寬帶業務收入，2019年主導地位依然不變，收入總額達1010億美元，占整個衛星服務業收入的82.1%，但相比2018年減少了14億美元。消費衛星寬帶業務與網絡管理類業務收入連續5年保持增長，隨著通信技術的飛速發展和演變，諸如交互式多媒體之類的新型業務迅速增加，這一趨勢將會更加明顯。據北美咨詢機構NSR預測，全球衛星互聯網的總供應容量將從2011年200Gbit/s增長到2021年的1.6Tbit/s，而全球寬帶衛星通信用戶數量則由2012年的350萬，以8.8%的年復合增長率，到2021年增長至810萬。

表1為通信衛星服務業2019年收入情況。

表1 通信衛星服務業2019年收入情況 億美元

需要指出的是，盡管咨詢機構一致看好未來幾年的通信衛星容量需求上漲，但隨著Eutelsat Konnect、JCSat-18等高通量高軌衛星投入使用，“星鏈”（Starlink）等低軌星座開展全球服務，衛星容量價格將面臨新一輪的壓力。歐洲咨詢公司預測，到2023年高通量衛星容量出租率將從2020年的50%降至20%。另外，由于疫情重創航空、海事等衛星通信產業重要細分市場，預計2020年衛星通信產業規模將持續走低。

1.高通量容量供應增長迅速，未來低軌高通量衛星或成主流

地球軌道通信衛星相對于傳統的高地球軌道衛星，具有軌道多樣化、微型生產批量化、終端小型化、時延低、頻率復用率高、能夠覆蓋全球等特點。

從全球高通量衛星容量供應來看，2009年之前，全球只有北美洲和亞洲地區部署高通量衛星。2010年以來，高通量衛星系統開始加速發展，目前已經成為衛星容量供應量增量的主要推動因素。高通量衛星容量供應量在2018年達到1.8Tbit/s，預計到2021年可用容量達到3.8Tbit/s。多個低軌寬帶星座全面投入運營的時間均設在2022年前后，因此預計2022年的可用供應量將大幅增加，達到10.8Tbit/s。

從高通量衛星運行軌道來看，當今可用的高通量衛星容量供應量的絕大部分來自于地球同步軌道（GEO）衛星（超過90%）。在非地球同步軌道（NGSO）衛星星座方面，只有O3b（隸屬于歐洲衛星公司，SES）目前正在運營；“星鏈”和“一網”（OneWeb）等其他星座均處于部署期。隨著低軌通信星座全面開展部署，NGSO高通量衛星供應量預計將大幅增加，預計到2024年將達到16.7Tbit/s，占到總供應量的72%。

2.低軌寬帶星座進入高速部署期，行業內喜憂參半

近年來，隨著衛星“軌道革命”的全面深化以及小衛星系統、技術的快速演進，低地球軌道衛星部署數量呈現爆發式增長。國外涌現出以OneWeb、Starlink等為代表的低軌通信星座建設熱潮，其在衛星批量研制、快速部署、應用服務等方面顯示出諸多具備顛覆性的特點與趨勢，將極大革新、甚至重新塑造衛星通信產業的整體格局，對各主要航天大國來說存在巨大機遇與風險。

2020年，全球衛星運營商在新冠肺炎疫情和投資環境惡化等因素影響下，呈現出諸多新的變化，進一步深入影響衛星通信產業。老牌衛星運營商國際通信衛星公司（Intelsat）尋求破產保護，歐洲衛星通信公司（Eutelsat）年度營收預計減少2000萬歐元，澳大利亞速播公司（Speedcast）申請破產保護，衛訊公司（Viasat）裁員20%。新興通信衛星創企形勢也不容樂觀，衛星互聯網標桿企業OneWeb公司破產重組，加拿大電信衛星公司（Telesat）至今未選定衛星制造商，多家衛星物聯網創企宣告破產。但在此情況下，仍有多家公司提出NGSO星座計劃，規模達到8萬顆。幾大衛星互聯網玩家也均在2020年做出一系列動作，美國太空探索技術公司（SpaceX）高密度發射833顆Starlink衛星，已在美國和加拿大開展公測，在星座部署進度方面與競爭者拉開身位；OneWeb公司資金鏈斷裂，被英國政府、印度電信巨頭收購；Telesat星座計劃擴至1671顆，獲加拿大政府4.62億美元支持；亞馬遜公司“柯伊柏”（Kuiper）星座獲批，AWS地面站業務發展迅速；俄羅斯綜合星座——球體項目即將啟動建設。從衛星通信產業的角度來看，低軌通信星座勢必會從衛星服務、制造、發射和地面設備等全維度帶動產業高速發展，并將進一步引發行業結構深度調整。

三、衛星制造

2019年，全球衛星制造業收入為125億美元（SIA統計的全球衛星制造業收入不包括政府、大學和科研機構制造衛星產生的收入），相比2018年減少了35.9%。其中，通信衛星占衛星制造業收入的43%（2018年為36%），即53.75億美元。其中，商業通信衛星制造業收入為28.75億美元，軍民用通信衛星制造業收入為25億美元。圖2為2019年各領域衛星制造業收入比例。

圖2 2019年各領域衛星制造業收入比例

從近幾年的趨勢來看，GEO通信衛星訂單持續低位，但在美國聯邦通信委員會（FCC）頻譜騰讓方案落地、SES公司擴大星座規模等因素影響下，2020年GEO通信衛星制造市場開始回暖。2020年，全球GEO通信衛星市場共簽約19顆衛星，其中C頻段補網衛星10顆，空客和泰雷茲-阿萊尼亞公司的新衛星平臺也分別斬獲1顆衛星訂單。

1.美C頻段清理計劃落地，傳統固定廣播衛星制造迎來轉機

由于通信衛星運營商正在美國使用的C頻段頻譜與美國正在推行的地面5G“高頻段毫米波＋低頻段”組合方案存在沖突，FCC近年來一直在協調通信衛星運營商頻譜騰讓問題，并提出多種方案，均因各方認為利益分配不均而難以落地。

2020年3月，FCC發布頻譜騰讓最終方案，包括Intelsat、Eutelsat和SES在內的多家衛星運營商將能獲得總計150億美元的頻譜騰讓費用（基本清理費用：52億美元，加速清理獎勵：97億美元）。因此，SES、Intelsat等老牌通信衛星運營商的C頻段固定廣播衛星將無法使用，從而亟需采購新衛星組網以維持服務能力，GEO衛星市場隨之回暖。其中，Intelsat公司新訂6顆C頻段固定廣播衛星，分別由麥克薩技術公司和諾格公司建造；而SES公司新增的4顆C頻段固定廣播衛星訂單則由波音公司和諾格公司拿到。此外，由于Telesat和Eutelsat尚未作出明確采購決定，C頻段補網還將持續升溫傳統固定廣播衛星市場。

2.SES擴大O3b mPOWER星座規模，新星研制合同花落波音

O3b第一代中軌寬帶星座部署工作已于2019年完成，該星座是目前全球唯一一個成功投入商業運營的中軌衛星通信系統。O3b mPOWER星座是SES規劃的第二代中軌道星座，旨在增強O3b中軌道星座的衛星通信服務能力。

按照計劃，O3b mPOWER星座將分為兩期進行部署，第一期將由7顆高通量中軌道衛星組網，計劃于2021年開始部署，具備3萬個寬帶互聯網服務點波束，可根據用戶需求的快速變化靈活調整波束配置，總容量將達10Tbit/s，相比20顆第一代衛星總容量增加90%。第二期將部署新獲批的26顆衛星，具體部署時間目前尚不得知，需要指出的是，第二期部署的衛星中，除了與之前部署的各顆衛星采用Ku頻段轉發器以外，其中的6顆衛星還將采用V頻段轉發器。

8月7日，SES宣布將擴大O3b mPOWER的規模，計劃增加4顆衛星，交由波音公司制造，由此，后者承研的此系列衛星總數已達11顆。波音公司將使用其最新的702X軟件定義衛星平臺來建造O3b mPower衛星。該平臺具備高度靈活性，同時使用3D打印和數字化技術，可將衛星質量從3750kg降低到1900kg。首批3顆衛星計劃在2021年底發射，2022年再發6顆，2024年發射最后2顆。

3.小GEO衛星概念火熱，低成本、高容量特點受青睞

相比低軌寬帶星座需要部署大量衛星來滿足全球服務目標，GEO衛星主要面向區域用戶，發射少數幾顆甚至1顆即可快速滿足特定區域的服務需求。隨著載荷小型化、軟件定義無線電、靈活波束賦形等技術的不斷發展完善，低成本、高容量、部署靈活的小GEO逐漸受到青睞。

2020年6月，美國衛星互聯網初創企業Astranis完成對其MicroGEO衛星平臺的熱真空試驗，標志著該公司通過小型GEO衛星提供寬帶服務的計劃達成重要里程碑。MicroGEO衛星是Astranis公司正在發展的地球同步軌道小衛星產品，旨在利用單顆衛星向特定區域提供低成本寬帶服務。據悉，MicroGEO衛星采用標準化設計，研制交付周期約12～18個月，整星質量約300kg，收攏狀態下尺寸為91.44cm×91.44cm×91.44cm，設計壽命7年。載荷方面，衛星可根據用戶需要選擇搭載C、Ku和Ka頻段轉發器，采用數字化有效載荷設計，利用軟件定義無線電（SDR）和波束賦形天線技術，可針對特定地理位置靈活配置功率和頻率。此次試驗內容主要包括熱性能試驗和極端空間環境下的模擬試驗。

近年來，除了Astranis，多家成熟和初創衛星制造商均聚焦低成本、高容量小型GEO衛星領域發展。2019年成立的土星衛星網絡公司，則專門從事小GEO衛星研制業務，其主打平臺名為“國家衛星”（Nationsat），基于Nationsat平臺的衛星采用全數字有效載荷、供電功率2.5kW，支持C、Ku頻段轉發器，單星容量在20～80Gbit/s之間，單位吉比特每秒成本小于100萬美元。

四、衛星發射

2019年全球商業衛星發射合同簽訂數量為26份（2018年為28份）。美國發射服務提供商獲得了其中的13份合同，發射次數共計20次，其中美國的大型和中型火箭獲得了6份合同，小型運載火箭獲得了7份。從2020年各國通信衛星發射情況來看，美國以數量級優勢穩居第一，歐洲位居第二，其他國家與地區無論發射次數還是衛星發射數量都遠遠落后。

1.SpaceX引領年度衛星發射，物聯網衛星發射服務或成新增長點

2020年，受疫情影響，全球衛星發射服務原本預期降低，但SpaceX逆勢而行，全面進行22次發射任務，僅“星鏈”衛星發射任務就達14次，該公司主打運載火箭獵鷹九號已執行了100次發射。值得一提的是，SpaceX執行的發射任務均采用火箭復用技術，大大降低發射成本，將單星發射成本壓縮至200萬美元左右。有報道稱該公司已占據全球超過一半的發射市場，僅在2020年就已新獲9份發射訂單。據統計，2022年和2023年SpaceX需要執行發射的外部合同多達40個，而該公司還將以較高頻次持續發射“星鏈”衛星（計劃每年發射24次）。作為目前唯一使用火箭復用技術開展大規模商業應用的公司，SpaceX在衛星發射領域的優勢在2020年進一步鞏固。

此外，蜂群技術公司（Swarm Technologies）、開普勒通信（Kepler Communications）等衛星物聯網企業加速部署其衛星物聯網星座，僅從衛星發射的角度來看，物聯網星座是2020年通信衛星領域除低軌寬帶星座外又一個異軍突起的方向。

2.小型運載火箭進展緩慢，市場發展前景不容樂觀

目前，全球有上百家在研小型運載火箭公司，但受市場容量限制，最終可能只有兩三家公司能夠存活下來。2019年12月，太空矢量（Space Vector）提出破產保護，2020年2月，洛馬公司買下太空矢量公司的衛星技術資產，但其小運載技術資產歸屬尚不明朗。在為美國提供設備和服務的本國航天企業中，小型運載火箭服務提供商受疫情影響最大，而且即便沒有疫情，該行業的大洗牌都在所難免。迄今為止，只有美國的火箭實驗室公司這一家小運載廠家部署了衛星，另外一家拿到美國國防部合同的是維珍軌道公司下設的沃克斯空間公司（VOX Space）。

五、地面設備制造業

2019年，地面設備制造業收入1303億美元，增長率為3.9%，在衛星產業總收入中所占份額為48.1%，較2018年有所增長。2019年全球衛星產業收入中只有地面設備制造業收入較往年有所增長。在通信衛星地面設備制造業方面，根據SIA報告的統計，2015-2019年地面設備制造業收入中寬帶終端設備數量和衛星音頻終端設備數量的增長率分別為22%和59%。

為應對高速高質量的數據傳輸需求，衛星通信系統需要采用先進通信技術手段提高頻譜利用率、增大系統容量。多波束天線和有源相控陣天線成為通信衛星地面設備制造業重點攻關的技術，部分產品研發與應用在2020年取得進展。

1.ThinKom商用現貨（COTS）相控陣天線系統

2020年8月10日，美國防部下設的國防創新單元（DIU）與衛星天線制造商ThinKom簽訂下一代艦船通信技術合同。根據合同，DIU將對ThinKom公司開發的商用現貨（COTS）相控陣天線系統——Ka2517，進行為期7個月的測試和評估。

Ka2517天線系統基于ThinKom公司開發的VICTS技術研制，目前已安裝在1550多架商用飛機上，累計飛行超過1700萬小時，其平均故障間隔時間（MTBF）超過10萬小時。ThinKom公司的VICTS相控陣技術結合了機械控制和電子掃描陣列的技術優勢，可在惡劣的環境中提供穩定的通信性能。天線系統具備以下特點：一是支持多個衛星之間切換和互操作，可同時跟蹤多個LEO、MEO、HEO和GEO衛星，其仰角在5°～90°之間，且可提供全向方位角覆蓋；二是配置敏捷波束，提高通信網絡靈活性；三是采用低剖面設計，適應多種安裝場景。

2.Isotropic公司多波束天線

2020年5月18日，DIU與英國各向同性系統（Isotropic）公司簽訂天線評估與開發合同，后者將基于新型多波束相控陣天線技術，為美國海軍新一代艦船開發低包絡、高性能可定制天線，具備多頻段（包括S、C、Ka、Ku、X和Q頻段等）以及多軌道商業/軍事衛星通信能力，從而實現利用單一終端為戰術邊緣提供綜合情報數據傳輸服務的能力。

Isotropic公司開發的新型天線技術核心在于，在傳統的相控陣天線直接輻射陣列外，增加新型光學材料制成的透鏡，利用微波信號在透鏡中的折射特性，改變陣元數量、位置，即可對微波傳輸路徑進行精確控制，從而形成不同的波束指向、寬度。該技術的主要優勢在于：一是整個天線由蜂窩狀排布的多個光學模塊（每個模塊對應一簇陣元）組成，可按照用戶應用需求優化配置每個模塊中陣元的數量，從而改變天線實際孔徑大小，適應海軍艦船上有限的空間；二是采用相控陣模式，波束形成的過程均為電控，可以實現不同衛星之間無縫的先接后斷連接切換，在艦船穿越風大浪急的海面時，在劇烈顛簸搖擺的條件下仍能選擇適合的鏈路提供持續連接。

六、結束語

2020年，在新冠肺炎疫情沖擊下，衛星通信產業鏈的各個環節均受到不同程度的影響。事實上，作為商業化和全球化水平較高的航天產業，通信衛星產業在疫情過后將面臨行業清洗與重新整合，從而為創業公司帶來發展機遇。盡管如此，在不斷增長的全球泛在、高速通信需求下，衛星通信產業整體上仍會呈現出平穩發展的趨勢。