2020年卫星通信产业发展综述

文|纪凡策

北京空间科技信息研究所

一、引言

卫星产业由卫星服务业、卫星制造业、发射服务业和地面设备制造业四个领域构成，在新冠肺炎疫情及其引发的全球经济进一步下行的影响下，上述四个领域均受到较大冲击。

卫星服务业方面，大众消费服务仍占据主导地位，受疫情居家和远程办公等影响，卫星宽带互联网需求量持续增长，宽带通信、电视直播、大规模低轨宽带星座等计划带动整个卫星通信产业从制造到应用服务的全方位变革。

卫星制造方面，受到人员和资本投入双双下滑的影响，既定卫星研制进度拖延，老牌卫星制造商压力陡增，但C频段传统固定广播卫星订单大幅增加，新兴卫星互联网/物联网星座建设需求不断提升，卫星制造业整体发展态势趋于利好。

卫星发射方面，疫情导致多个重要卫星发射推迟，但卫星互联网/物联网星座开启密集部署，在此引领下，全球通信卫星发射次数继续维持高位，卫星部署数量达到历史最高点。

地面设备制造方面，在消费卫星宽带业务不断增长的牵引下，卫星地面设备将不断迭代更新并快速增长，以匹配新近部署的高通量卫星和宽带互联网星座。

二、卫星服务

2019年全球卫星产业收入为2710亿美元，同比减少1.5%。这是自2010年以来卫星产业收入首次呈现下降趋势。2019年全球卫星产业收入占全球航天产业收入的74%，相比2018年的77%亦有所减少（图1）。

图1 2019年全球航天产业、卫星产业收入情况

通信卫星方面，2019年大众消费服务收入在整个卫星通信运营服务业收入中所占比例最大，包括卫星电视直播、卫星音频广播和卫星宽带业务收入，2019年主导地位依然不变，收入总额达1010亿美元，占整个卫星服务业收入的82.1%，但相比2018年减少了14亿美元。消费卫星宽带业务与网络管理类业务收入连续5年保持增长，随着通信技术的飞速发展和演变，诸如交互式多媒体之类的新型业务迅速增加，这一趋势将会更加明显。据北美咨询机构NSR预测，全球卫星互联网的总供应容量将从2011年200Gbit/s增长到2021年的1.6Tbit/s，而全球宽带卫星通信用户数量则由2012年的350万，以8.8%的年复合增长率，到2021年增长至810万。

表1为通信卫星服务业2019年收入情况。

表1 通信卫星服务业2019年收入情况 亿美元

需要指出的是，尽管咨询机构一致看好未来几年的通信卫星容量需求上涨，但随着Eutelsat Konnect、JCSat-18等高通量高轨卫星投入使用，“星链”（Starlink）等低轨星座开展全球服务，卫星容量价格将面临新一轮的压力。欧洲咨询公司预测，到2023年高通量卫星容量出租率将从2020年的50%降至20%。另外，由于疫情重创航空、海事等卫星通信产业重要细分市场，预计2020年卫星通信产业规模将持续走低。

1.高通量容量供应增长迅速，未来低轨高通量卫星或成主流

地球轨道通信卫星相对于传统的高地球轨道卫星，具有轨道多样化、微型生产批量化、终端小型化、时延低、频率复用率高、能够覆盖全球等特点。

从全球高通量卫星容量供应来看，2009年之前，全球只有北美洲和亚洲地区部署高通量卫星。2010年以来，高通量卫星系统开始加速发展，目前已经成为卫星容量供应量增量的主要推动因素。高通量卫星容量供应量在2018年达到1.8Tbit/s，预计到2021年可用容量达到3.8Tbit/s。多个低轨宽带星座全面投入运营的时间均设在2022年前后，因此预计2022年的可用供应量将大幅增加，达到10.8Tbit/s。

从高通量卫星运行轨道来看，当今可用的高通量卫星容量供应量的绝大部分来自于地球同步轨道（GEO）卫星（超过90%）。在非地球同步轨道（NGSO）卫星星座方面，只有O3b（隶属于欧洲卫星公司，SES）目前正在运营；“星链”和“一网”（OneWeb）等其他星座均处于部署期。随着低轨通信星座全面开展部署，NGSO高通量卫星供应量预计将大幅增加，预计到2024年将达到16.7Tbit/s，占到总供应量的72%。

2.低轨宽带星座进入高速部署期，行业内喜忧参半

近年来，随着卫星“轨道革命”的全面深化以及小卫星系统、技术的快速演进，低地球轨道卫星部署数量呈现爆发式增长。国外涌现出以OneWeb、Starlink等为代表的低轨通信星座建设热潮，其在卫星批量研制、快速部署、应用服务等方面显示出诸多具备颠覆性的特点与趋势，将极大革新、甚至重新塑造卫星通信产业的整体格局，对各主要航天大国来说存在巨大机遇与风险。

2020年，全球卫星运营商在新冠肺炎疫情和投资环境恶化等因素影响下，呈现出诸多新的变化，进一步深入影响卫星通信产业。老牌卫星运营商国际通信卫星公司（Intelsat）寻求破产保护，欧洲卫星通信公司（Eutelsat）年度营收预计减少2000万欧元，澳大利亚速播公司（Speedcast）申请破产保护，卫讯公司（Viasat）裁员20%。新兴通信卫星创企形势也不容乐观，卫星互联网标杆企业OneWeb公司破产重组，加拿大电信卫星公司（Telesat）至今未选定卫星制造商，多家卫星物联网创企宣告破产。但在此情况下，仍有多家公司提出NGSO星座计划，规模达到8万颗。几大卫星互联网玩家也均在2020年做出一系列动作，美国太空探索技术公司（SpaceX）高密度发射833颗Starlink卫星，已在美国和加拿大开展公测，在星座部署进度方面与竞争者拉开身位；OneWeb公司资金链断裂，被英国政府、印度电信巨头收购；Telesat星座计划扩至1671颗，获加拿大政府4.62亿美元支持；亚马逊公司“柯伊柏”（Kuiper）星座获批，AWS地面站业务发展迅速；俄罗斯综合星座——球体项目即将启动建设。从卫星通信产业的角度来看，低轨通信星座势必会从卫星服务、制造、发射和地面设备等全维度带动产业高速发展，并将进一步引发行业结构深度调整。

三、卫星制造

2019年，全球卫星制造业收入为125亿美元（SIA统计的全球卫星制造业收入不包括政府、大学和科研机构制造卫星产生的收入），相比2018年减少了35.9%。其中，通信卫星占卫星制造业收入的43%（2018年为36%），即53.75亿美元。其中，商业通信卫星制造业收入为28.75亿美元，军民用通信卫星制造业收入为25亿美元。图2为2019年各领域卫星制造业收入比例。

图2 2019年各领域卫星制造业收入比例

从近几年的趋势来看，GEO通信卫星订单持续低位，但在美国联邦通信委员会（FCC）频谱腾让方案落地、SES公司扩大星座规模等因素影响下，2020年GEO通信卫星制造市场开始回暖。2020年，全球GEO通信卫星市场共签约19颗卫星，其中C频段补网卫星10颗，空客和泰雷兹-阿莱尼亚公司的新卫星平台也分别斩获1颗卫星订单。

1.美C频段清理计划落地，传统固定广播卫星制造迎来转机

由于通信卫星运营商正在美国使用的C频段频谱与美国正在推行的地面5G“高频段毫米波＋低频段”组合方案存在冲突，FCC近年来一直在协调通信卫星运营商频谱腾让问题，并提出多种方案，均因各方认为利益分配不均而难以落地。

2020年3月，FCC发布频谱腾让最终方案，包括Intelsat、Eutelsat和SES在内的多家卫星运营商将能获得总计150亿美元的频谱腾让费用（基本清理费用：52亿美元，加速清理奖励：97亿美元）。因此，SES、Intelsat等老牌通信卫星运营商的C频段固定广播卫星将无法使用，从而亟需采购新卫星组网以维持服务能力，GEO卫星市场随之回暖。其中，Intelsat公司新订6颗C频段固定广播卫星，分别由麦克萨技术公司和诺格公司建造；而SES公司新增的4颗C频段固定广播卫星订单则由波音公司和诺格公司拿到。此外，由于Telesat和Eutelsat尚未作出明确采购决定，C频段补网还将持续升温传统固定广播卫星市场。

2.SES扩大O3b mPOWER星座规模，新星研制合同花落波音

O3b第一代中轨宽带星座部署工作已于2019年完成，该星座是目前全球唯一一个成功投入商业运营的中轨卫星通信系统。O3b mPOWER星座是SES规划的第二代中轨道星座，旨在增强O3b中轨道星座的卫星通信服务能力。

按照计划，O3b mPOWER星座将分为两期进行部署，第一期将由7颗高通量中轨道卫星组网，计划于2021年开始部署，具备3万个宽带互联网服务点波束，可根据用户需求的快速变化灵活调整波束配置，总容量将达10Tbit/s，相比20颗第一代卫星总容量增加90%。第二期将部署新获批的26颗卫星，具体部署时间目前尚不得知，需要指出的是，第二期部署的卫星中，除了与之前部署的各颗卫星采用Ku频段转发器以外，其中的6颗卫星还将采用V频段转发器。

8月7日，SES宣布将扩大O3b mPOWER的规模，计划增加4颗卫星，交由波音公司制造，由此，后者承研的此系列卫星总数已达11颗。波音公司将使用其最新的702X软件定义卫星平台来建造O3b mPower卫星。该平台具备高度灵活性，同时使用3D打印和数字化技术，可将卫星质量从3750kg降低到1900kg。首批3颗卫星计划在2021年底发射，2022年再发6颗，2024年发射最后2颗。

3.小GEO卫星概念火热，低成本、高容量特点受青睐

相比低轨宽带星座需要部署大量卫星来满足全球服务目标，GEO卫星主要面向区域用户，发射少数几颗甚至1颗即可快速满足特定区域的服务需求。随着载荷小型化、软件定义无线电、灵活波束赋形等技术的不断发展完善，低成本、高容量、部署灵活的小GEO逐渐受到青睐。

2020年6月，美国卫星互联网初创企业Astranis完成对其MicroGEO卫星平台的热真空试验，标志着该公司通过小型GEO卫星提供宽带服务的计划达成重要里程碑。MicroGEO卫星是Astranis公司正在发展的地球同步轨道小卫星产品，旨在利用单颗卫星向特定区域提供低成本宽带服务。据悉，MicroGEO卫星采用标准化设计，研制交付周期约12～18个月，整星质量约300kg，收拢状态下尺寸为91.44cm×91.44cm×91.44cm，设计寿命7年。载荷方面，卫星可根据用户需要选择搭载C、Ku和Ka频段转发器，采用数字化有效载荷设计，利用软件定义无线电（SDR）和波束赋形天线技术，可针对特定地理位置灵活配置功率和频率。此次试验内容主要包括热性能试验和极端空间环境下的模拟试验。

近年来，除了Astranis，多家成熟和初创卫星制造商均聚焦低成本、高容量小型GEO卫星领域发展。2019年成立的土星卫星网络公司，则专门从事小GEO卫星研制业务，其主打平台名为“国家卫星”（Nationsat），基于Nationsat平台的卫星采用全数字有效载荷、供电功率2.5kW，支持C、Ku频段转发器，单星容量在20～80Gbit/s之间，单位吉比特每秒成本小于100万美元。

四、卫星发射

2019年全球商业卫星发射合同签订数量为26份（2018年为28份）。美国发射服务提供商获得了其中的13份合同，发射次数共计20次，其中美国的大型和中型火箭获得了6份合同，小型运载火箭获得了7份。从2020年各国通信卫星发射情况来看，美国以数量级优势稳居第一，欧洲位居第二，其他国家与地区无论发射次数还是卫星发射数量都远远落后。

1.SpaceX引领年度卫星发射，物联网卫星发射服务或成新增长点

2020年，受疫情影响，全球卫星发射服务原本预期降低，但SpaceX逆势而行，全面进行22次发射任务，仅“星链”卫星发射任务就达14次，该公司主打运载火箭猎鹰九号已执行了100次发射。值得一提的是，SpaceX执行的发射任务均采用火箭复用技术，大大降低发射成本，将单星发射成本压缩至200万美元左右。有报道称该公司已占据全球超过一半的发射市场，仅在2020年就已新获9份发射订单。据统计，2022年和2023年SpaceX需要执行发射的外部合同多达40个，而该公司还将以较高频次持续发射“星链”卫星（计划每年发射24次）。作为目前唯一使用火箭复用技术开展大规模商业应用的公司，SpaceX在卫星发射领域的优势在2020年进一步巩固。

此外，蜂群技术公司（Swarm Technologies）、开普勒通信（Kepler Communications）等卫星物联网企业加速部署其卫星物联网星座，仅从卫星发射的角度来看，物联网星座是2020年通信卫星领域除低轨宽带星座外又一个异军突起的方向。

2.小型运载火箭进展缓慢，市场发展前景不容乐观

目前，全球有上百家在研小型运载火箭公司，但受市场容量限制，最终可能只有两三家公司能够存活下来。2019年12月，太空矢量（Space Vector）提出破产保护，2020年2月，洛马公司买下太空矢量公司的卫星技术资产，但其小运载技术资产归属尚不明朗。在为美国提供设备和服务的本国航天企业中，小型运载火箭服务提供商受疫情影响最大，而且即便没有疫情，该行业的大洗牌都在所难免。迄今为止，只有美国的火箭实验室公司这一家小运载厂家部署了卫星，另外一家拿到美国国防部合同的是维珍轨道公司下设的沃克斯空间公司（VOX Space）。

五、地面设备制造业

2019年，地面设备制造业收入1303亿美元，增长率为3.9%，在卫星产业总收入中所占份额为48.1%，较2018年有所增长。2019年全球卫星产业收入中只有地面设备制造业收入较往年有所增长。在通信卫星地面设备制造业方面，根据SIA报告的统计，2015-2019年地面设备制造业收入中宽带终端设备数量和卫星音频终端设备数量的增长率分别为22%和59%。

为应对高速高质量的数据传输需求，卫星通信系统需要采用先进通信技术手段提高频谱利用率、增大系统容量。多波束天线和有源相控阵天线成为通信卫星地面设备制造业重点攻关的技术，部分产品研发与应用在2020年取得进展。

1.ThinKom商用现货（COTS）相控阵天线系统

2020年8月10日，美国防部下设的国防创新单元（DIU）与卫星天线制造商ThinKom签订下一代舰船通信技术合同。根据合同，DIU将对ThinKom公司开发的商用现货（COTS）相控阵天线系统——Ka2517，进行为期7个月的测试和评估。

Ka2517天线系统基于ThinKom公司开发的VICTS技术研制，目前已安装在1550多架商用飞机上，累计飞行超过1700万小时，其平均故障间隔时间（MTBF）超过10万小时。ThinKom公司的VICTS相控阵技术结合了机械控制和电子扫描阵列的技术优势，可在恶劣的环境中提供稳定的通信性能。天线系统具备以下特点：一是支持多个卫星之间切换和互操作，可同时跟踪多个LEO、MEO、HEO和GEO卫星，其仰角在5°～90°之间，且可提供全向方位角覆盖；二是配置敏捷波束，提高通信网络灵活性；三是采用低剖面设计，适应多种安装场景。

2.Isotropic公司多波束天线

2020年5月18日，DIU与英国各向同性系统（Isotropic）公司签订天线评估与开发合同，后者将基于新型多波束相控阵天线技术，为美国海军新一代舰船开发低包络、高性能可定制天线，具备多频段（包括S、C、Ka、Ku、X和Q频段等）以及多轨道商业/军事卫星通信能力，从而实现利用单一终端为战术边缘提供综合情报数据传输服务的能力。

Isotropic公司开发的新型天线技术核心在于，在传统的相控阵天线直接辐射阵列外，增加新型光学材料制成的透镜，利用微波信号在透镜中的折射特性，改变阵元数量、位置，即可对微波传输路径进行精确控制，从而形成不同的波束指向、宽度。该技术的主要优势在于：一是整个天线由蜂窝状排布的多个光学模块（每个模块对应一簇阵元）组成，可按照用户应用需求优化配置每个模块中阵元的数量，从而改变天线实际孔径大小，适应海军舰船上有限的空间；二是采用相控阵模式，波束形成的过程均为电控，可以实现不同卫星之间无缝的先接后断连接切换，在舰船穿越风大浪急的海面时，在剧烈颠簸摇摆的条件下仍能选择适合的链路提供持续连接。

六、结束语

2020年，在新冠肺炎疫情冲击下，卫星通信产业链的各个环节均受到不同程度的影响。事实上，作为商业化和全球化水平较高的航天产业，通信卫星产业在疫情过后将面临行业清洗与重新整合，从而为创业公司带来发展机遇。尽管如此，在不断增长的全球泛在、高速通信需求下，卫星通信产业整体上仍会呈现出平稳发展的趋势。