【核芯觀察】衛星通信產業鏈分析（二）

前言：【核芯觀察】是電子發燒友編輯部出品的深度系列專欄，目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產業架構，理清上、中、下游的各個環節，同時迅速了解各大細分環節中的行業現狀。本期【核芯觀察】的主題是衛星通信產業，對上下游企業、技術、市場等方面進行梳理，分析當前衛星通信產業中芯片的需求趨勢。


衛星通信產業鏈

衛星通信產業鏈冗長，從衛星制造到發射，從地面設施和終端再到衛星通信運營和服務，每個部分都是一個完整的產業鏈。我們將衛星制造、發射的部分歸納到衛星通信產業的上游部分，中游則是衛星通信運營和服務，下游是衛星通信地面終端與應用，分析產業鏈的重要組成部分以及相關主要企業。



上游

衛星制造

通信衛星一般由衛星平臺和通信載荷兩個部分組成，其中衛星平臺是由衛星的主體和保障系統組成，其中包括多個系統，比如姿控系統、電源系統、結構系統、熱控系統、星務系統、測控系統等。國內具備衛星平臺的企業有中國衛星、天儀研究院、微納星空、九天微星、長光衛星、銀河航天、時空道宇等。

衛星載荷是指在衛星平臺的基礎上，安裝一些設備而滿足特定任務或功能的需求。對于通信衛星而言，其載荷就主要包括轉發器和天線系統，滿足對通信信號中繼轉發的功能需求。



根據艾瑞咨詢的數據，一般情況下定制衛星的成本結構中，平臺以及載荷兩個部分各占50%；在定制衛星形成一定規模的批量生產時，平臺成本被分攤，在單個衛星中的成本占比可以下降到30%；而對于商業衛星公司而言，理想情況下平臺占衛星總成本的比例低至20%左右。

目前通信衛星的研發制造成本主要受到生產規模的限制居高不下，但隨著近年海外衛星網絡公司包括OneWeb、星鏈等衛星星座組建需求下，低軌通信衛星大批量生產的實現讓但衛星的制造成本持續降低。



根據公開信息，去年OneWeb衛星的生產能力可以達到每天1-3顆，單顆衛星成本大約在60萬美元，約合人民幣408萬元（按匯率1:6.8）。星鏈的衛星產能則高達每日6—7顆，有消息稱其單顆衛星制造成本已經降至30萬美元左右（約合人民幣204萬元），當然這與星鏈的供應鏈成熟、生產規模大有關。今年3月的最新數據顯示，星鏈在軌衛星已經達到3803顆，累計發射數量更是高達4105顆，如此大批量制造能夠有效分攤研發成本，同時也能夠持續完善供應鏈，從多方面壓縮成本。

不過高軌通信衛星的造價就要高得多了，由于這種衛星需要的通信容量巨大，整體重量、體積相比低軌通信衛星要大得多，且其衛星平臺、載荷都更加復雜，整體數量需求較小、研發成本目前仍居高不下。比如ViaSat的通信衛星位于GEO地球同步軌道，公開信息顯示其單衛星造價約為3.6億美元，約合24.5億人民幣。

國內方面，關于低軌通信衛星的公開信息并不多，電子發燒友網根據銀河航天的公開信息估算，去年該公司的第二代低軌寬帶通信衛星單顆研制成本在1000萬元-1500萬元之間，衛星重量與星鏈一代相近，但通信容量方面要高出一倍以上，性能方面有一定優勢。

但顯然，成本控制上海外企業要更加成熟。比如OneWeb采用了飛機制造的工業化、自動化、標準化產線，用流水線的方式來提高生產效率以降低成本。星鏈則通過高比例的自研零部件，包括衛星間激光通信設備、霍爾推進器、專用的芯片、FPGA等，同時在一些部分舍棄了高昂的“宇航級”芯片，采用更加低價的工業級或消費級芯片，以進一步大幅壓縮成本。


根據公開信息測算，如果以通信衛星中平臺成本占30%、載荷成本占70%計算，衛星載荷成本中天線分系統占到大頭的75%。即天線分系統在衛星總成本中占比要超過50%。而其中T/R組件的成本又在天線分系統中占到50%左右，因此如果要談到通信衛星的部件，必然離不開T/R組件。

T/R組件一般由數控移相器、數控衰減器、功率放大器、低噪聲放大器、限幅器、環形器以及相應的控制電路、電源調制電路等組成，在通信衛星中是相控陣天線的核心部件。同時在通信衛星載荷中的相控陣天線上，對T/R組件的要求是體積小、重量輕、同時需要更高效率降低發熱量。

因此，目前T/R組件的趨勢是將多個器件集成到單片的MMIC上，另一方面，T/R組件也正在從GaAs材料轉向GaN。作為第三代半導體，GaN具備寬禁帶的優勢，并在射頻應用中相比GaAs有更大優勢，同等體積下GaN MMIC峰值功率更大、成本更低、效率更高。

由于本身行業壁壘較高，且商業衛星產業仍處于初期階段，國內星載T/R芯片和T/R組件的玩家較少，主要有鋮昌科技、中電科13所/55所、雷電微力科技、國博電子等。

另一方面，FPGA作為處理高速數字信號的重要器件，在通信衛星中也起到重要作用。不過由于衛星所處空間環境存在大量高能粒子以及宇宙射線，有可能導致元器件受損或出現“單粒子反轉”等現象，導致數據處理出錯，因此在通信衛星中用到的FPGA需要具備抗輻照等特性，也就是所謂“宇航級”芯片。

目前公開信息中，海外的賽靈思、Actel、Microchip（收購Atmel）等都有不少被廣泛應用的宇航級FPGA產品，中科院論文還曾經透露，我國的嫦娥四號月球著陸器上就使用了Atmel的CPU和FPGA。國內方面，航天771所（西安微電子技術研究所）、航天772所（北京微電子技術研究所）、珠海歐比特等目前在宇航級FPGA方面較為領先，比如航天772所部分產品在北斗三號衛星、神州14號上已經被應用。

隨著在軌衛星數量持續增加，空間頻段資源也逐漸稀缺，在衛星寬帶的通信頻段中，C頻段（5GHz）、Ku頻段（12-18GHz）、Ka頻段（20-30GHz）都逐漸飽和。因此，Q/V頻段（39-46GHz/46-75GHz）由于帶寬大、容量高等特性，是目前通信衛星領域主要布局的方向。去年9月鵬城實驗室搭建的Q/V頻段星地通信試驗系統成功運行，這套系統由實踐二十號衛星的Q/V頻段載荷、Q/V頻段地面站等組成。

為了應對未來更高速率的衛星通信需求，太赫茲頻段（0.1-10THz）也受到了關注，產業鏈廠商不少也在布局該頻段的產品。

衛星總裝方面，國內已經有多家公司具備衛星平臺方案以及批量化制造能力。包括航天科技集團、航天科工集團、銀河航天、時空道宇、微納星空、九天微星、長光衛星、零重空間等，特別是民營商業衛星公司的發展速度很快，包括銀河航天、時空道宇等已經有批量制造的衛星成功入軌。

衛星發射

在衛星發射環節中，包括火箭和發射服務兩個部分，其中火箭顯然在衛星發射成本中占絕大多數，因此，當前商業通信衛星行業的關注重點，其實是在于火箭的成本?；鸺鳛橐粋€系統工程，基本可以分為設計、生產和測試三大階段。

根據艾瑞咨詢《2021年中國商業航天產業發展報告》數據，設計階段的研發費用占一發火箭首型科研經費的70%，生產和測試占比為 30%。

其中，在火箭設計階段，為了不同的發射任務，所有新型火箭都需要重新設計，其通過設計削減成本的動機較弱，是最需要優化的業務階段。而生產和設計階段一般結合在一起，在火箭量產之后，這兩個階段的工作也能夠降低一定的成本。但如果在生產工藝和測試方面進行改動，就必須在設計端進行配合，所以在設計端會是降低火箭成本的關鍵。



對于目前主流的液體火箭來說，在結構上的成本主要分為動力系統、電氣系統、結構、地面系統這四個部分。其中動力系統占火箭整體成本的70%，其次電氣系統占15%、結構約占8%、地面系統約占7%。

根據艾瑞咨詢的數據，SpaceX獵鷹9號火箭發動機成本占比為68%，而中國運載火箭技術研究院的長征五號火箭中發動機成本占比高達80%。

顯然，降成本的主要方向必然是動力系統。而以往動力系統都是一次性消耗品，于是可回收火箭一級就是目前的一個發展方向。但從成本的角度來看，火箭的價值基本取決于運載能力，如果要保證垂直回收，那么火箭需要預留額外的30%燃料，再加上一些額外的模塊，相同的燃料火箭要損失40%運載能力。因此一些運載能力較弱的火箭其實不適合垂直回收，當然一切都是運載能力與成本的平衡。



目前來看，全球范圍內可回收的SpaceX獵鷹系列在發射價格方面有獨一檔的優勢。獵鷹9重型理論最低的LEO軌道運載費用僅1萬元人民幣左右。當然這個最低的成本計算方式是以單發火箭費用除理論最大LEO運力，但實際應用中不太可能達到最大運力，所以實際每公斤發射費用可能會有較大的浮動。

而國內目前發射成本最低的是長征3B，LEO軌道運載費用最低4.22萬元人民幣。但值得注意的是，根據需求的不同，以及火箭資源的稀缺性，目前來看整個市場的發射成本不會是評價一款火箭的核心。畢竟LEO軌道每公斤費用高達15.71萬元人民幣的電子號火箭，近年也是訂單不斷。商業衛星公司往往不需要用到運力較大的中型火箭，比如獵鷹9類型的火箭一般都是采用“拼單”的形式發射，價格較低的同時，但也受到發射排期等因素影響。因此一些運力較低、相對每公斤發射費用更貴的小型火箭，也受到不少商業衛星公司的青睞。

中游

運營與服務

在衛星產業逐步成熟的階段，運營和服務將會在產業鏈中占有巨大的價值。我們在衛星通信的第一期中也提到，2021年全球衛星產業價值中，衛星制造和衛星發射僅分別占5%和2%，而衛星服務的價值占比僅次于地面設備，占到產業價值的42%。



作為運營的重要一部分，衛星測控將會首先 受益。對于運行壽命有限的低軌通信衛星，通過地面測控站以及可靠的測控管理，是保障衛星在軌正常運行的關鍵。低軌通信衛星的在軌數量越來越多，而很多規模較小的商業衛星公司無力建設測控站，因此衛星測控需求初期需要依賴第三方商業測控公司。目前國內第三方的商業測控公司主要有：中科星圖、航天馭星、天鏈測控、寰宇衛星、中科天塔、宇航智科、屹信航天等。

與此同時，通信衛星星座目前還在加速建設中，未來隨著衛星星座陸續完成組建，衛星通信產業鏈中運營和服務端、設備端等的占比還將會小幅提高，同時整體運營和服務市場的規模也將會持續大幅上升。

按照運營模式區分，衛星通信運營商可以主要分為自有衛星和代理（租用衛星）運營兩種。自有衛星星座的衛星通信運營商，國內目前主要是中國衛通（中星系列和亞太系列星座）、銀河航天、國電高科等，2021年星網公司成立，將負責整合并統籌我國的低軌衛星星座計劃，預計將組件衛星數量高達1.3萬顆的星座，構建本土衛星互聯網系統。海外方面主要有Intelsat、Eutelsat（與OneWeb合并）、Inmarsat、SES Global、Viasat、銥星公司、SpaceX、亞馬遜等。

與此同時，從Viasat以及SpaceX開始，衛星通信公司自研自制衛星成為一個大趨勢。Viasat最早在高軌高通量衛星上實現載荷自研；SpaceX利用自研自產的優勢，在大批量生產的背景下通過改進生產模式，大幅降低衛星制造成本；OneWeb則在此前與空客合作，成立合資公司OneWeb Satellites負責衛星生產。

而國內的中國電信、海衛通、中信衛星等通過與其他擁有衛星星座資源的公司合作，以代理或租用的方式為本土市場提供服務。

下游

地面運維系統

地面運維系統主要是信關站，信關站是連接衛星和地面網絡的中轉站，即衛星通信的網絡需要用信關站將其數據連接到地面的公共網絡中。信關站容量較大，一般配置大口徑天線，負責衛星通信業務數據的分發和收集，同時具備網絡管理和運行控制等功能，可以完成資源調度、系統設備管理和用戶服務管理。

主要由射頻分系統、基帶分系統組成，其中射頻分系統包括天線、射頻部件和中頻部件等。不過信關站的需求量并不大，據鵬鵠物宇介紹，最少只需要三個地面站就可以實現全國范圍覆蓋，同時衛星間的激光鏈路技術發展也進一步降低對地面信關站的需求量。

固定終端

在衛星通信固定終端上，根據衛星的類型不同也有一些差異。比如高軌道的GEO衛星，地面終端可以較為簡單，技術成熟；但LEO衛星的固定終端則需要配備伺服跟蹤系統，或是相控陣天線，以保證穩定的數據傳輸。

因為受到功率限制，目前低軌衛星寬帶應用上還需要固定天線終端來接入。在星鏈的地面固定終端StarLink Dish中，就配備了相控陣天線，天線單元陣元數量高達1264個，射頻電路包括79顆多通道beamformer芯片和632顆射頻前端芯片，即1個射頻通道對應2個天線輻射單元。

類似的還有亞馬遜Kuiper的Ka波段相控陣天線，OneWeb用于社區公共場所和航空客運等場景的天線等。隨著衛星互聯網用戶量的增長，相關固定終端也將會持續迎來爆發式增長，需求帶動相關的相控陣天線組件以及T/R芯片的廠商。

T/R芯片廠商比如鋮昌科技、中電科13所/55所、雷電微力科技、國博電子等。相控陣天線的核心廠商，包括海外的StarLink、波音、Kymeta、洛克希德·馬丁、雷神公司、Intellian，國內的成都天銳星通、成都瑞迪威科技、天箭科技等。

移動終端

自去年9月華為和蘋果陸續推出了支持衛星緊急通信的手機后，衛星通信移動終端熱度迅速爆發。當然，前面也提到由于受到功率和天線體積的限制，手機等移動終端還難以實現衛星寬帶連接，目前主要以緊急通信應用為主。比如華為今年3月推出的P60系列智能手機以及Watch Ultimate智能手表均支持雙向北斗短報文，可以在無信號的情況下發送和接收到信息。

根據yole的拆解，華為和蘋果分別在Mate 50系列以及iPhone 14系列智能手機上配備了一個專門用來與衛星連接的芯片組，并配以GPS坐標。為了讓這個應用有效運行，它必須與衛星完美同步，并且所建立的連接必須保持足夠長的時間，才能與智能手機進行交換。為此，每款智能手機都集成了一流的GPS接收器來補償多普勒效應，計算衛星的未來位置，并且通過蜂窩收發器和特定的前端芯片組協調通信，以在 S/L 頻帶上接收和發送信號。

另一方面，更成熟的衛星移動通信系統也早已普及，市場上的便攜式衛星電話產品已經非常成熟。比如國內的天通衛星移動通信系統，覆蓋軍用和民用需求，可以提供海洋、邊遠地區等的通信服務，支持手持終端、寬帶便攜通信終端、移動車載通信終端等。


衛星通信終端方面，國內也有不少終端設備廠商。金信諾2020年推出的Ku頻段的便攜式衛星通信終端，設備主機重量控制在12kg以內，針對亞太6D衛星定制研發。相對于傳統的固定站，通過減少設備重量和體積，并保持通信信號的高質量，便攜式衛星通信終端可以為衛星通信擴寬更多使用場景。除此之外，金信諾還推出了一維相控陣車載動中通電線、天通移動衛星手機等終端產品。

盟升電子的衛星通信終端集中在“動中通”方面，也就是衛星移動業務，一般這種終端包括衛星自動跟蹤系統和衛星通信系統，產品主要應用于機載、車載、船載等交通運輸領域。

華力創通則針對“天通一號”通信衛星而推出一系列的終端產品，包括便攜式天通寬帶終端、手持衛星電話、窄帶數據傳輸終端、船載衛星終端等。

另外，國內的衛星通信終端供應商還有海格通信、盛洋科技等。

去年4月，3GPP完成了5G R17標準的凍結，引入了衛星通信的新特性，對面向非地面網絡（NTN）的5G NR提供支持，包括智能手機、支持eMTC和NB-IoT的物聯網設備等都可以實現低速率的衛星通信。目前聯發科、高通、紫光展銳等基帶芯片廠商都已經完成了相關測試，相信未來衛星緊急通信很快會在智能手機上實現普及。

未來6G“空天地海一體化網絡”的概念下，移動通信終端與衛星通信的結合必然會是技術大趨勢之一。在這個部分中，首先射頻部分天線的小型化是衛星通信在移動終端中進一步發展的關鍵，相關天線供應商包括海外的村田、Amphenol、Laird、Pulse、Molex、Skycross、Galtronics，國內的立訊精密、信維通信、碩貝德等。

同時基帶芯片部分，需要通信算法和協議棧的積累，現有具備通信基帶芯片設計能力的廠商將有機會延續優勢，比如聯發科、高通、海思、紫光展銳、華力創通、海格通信等。

總結：

1、衛星通信隨著越來越多的低軌衛星星座組建，以及低軌衛星寬帶通信的成熟，衛星互聯網接入的規模將會迎來紅利期。加上衛星制造水平的提升以及火箭發射成本的下降，使得通信衛星運營商建設星座投入成本降低，能夠提供的通信容量不斷增大，單位服務成本不斷降低，用戶的使用成本持續下降，衛星應用范圍將大幅拓展，整個衛星通信的產業規模也將進一步擴大。

2、在通信頻段方面，由于空間頻率資源有限，目前主要使用的 C、Ku和Ka頻段預計未來將無法滿足不斷增加的衛星通信需求，因此Q/V頻段預計將成為下一代通信衛星的技術方向。同時，為了應對未來更高速率的衛星通信需求，太赫茲頻段（0.1-10THz）也受到了關注。在太赫茲頻段上，衛星通信可提供更大容量以及 10Gbps以上的高速傳輸，產業鏈廠商不少已經在布局該頻段的產品，但距離大規模應用預計還有很長一段時間。

3、“空天地海一體化網絡”作為未來6G無線網絡最有可能的核心概念，移動通信終端與衛星通信的結合必然會是技術大趨勢之一。

4、隨著華為和蘋果的入局，相關芯片產業鏈走向成熟，智能手機以及智能手表等設備上的衛星緊急通信功能會逐步下放至更多機型中。