卫星通信市场现状与应用场景分析

随着发射成本的大幅降低、卫星制造工艺的改进、云计算的广泛采用及推动创新私人资本的快速增长，卫星通信行业正在全球范围内改变现代互联网方式。未来卫星通信将地球上的各个角落的每个人、设备和其它物品都连接起来，给人们的生活和工作带来了极大的便利。本文系统描述了当前卫星通信基础设施建设市场，并对应用场景进行细致分析，仅供参考。

编译：学术plus高级观察员  潜行，文文子

来源：The SatCom Playbook，Space Capital，2022

 | 1.1 卫星通信数据吞吐量占比低  

2020年，所有卫星运营商的总卫星容量(出售的可用容量)约为2.0Tbps，主要由大公司提供。而2020年世界国际互联网数据吞吐量超过600Tbps，卫星通信目前的数据吞吐量不到总量的1%。表1为传统卫星运营商报告的2020年度收入和卫星容量情况表，显示了由高利用率驱动的强相关性(0.94)。

表1 传统卫星运营商报告的2020年收入和容量显示了由高利用率驱动的强相关性(0.94)

 | 1.2 建设成本高限制了服务数量及潜在应用  

当前的卫星通信基础设施架构是建立在预售容量和高利用率的基础上，有助于分摊前期的高昂建设成本并最大限度地发挥资产的收入潜力。卫星运营商的“容量”的利用率不高导致其在卫星发射方面更加保守，并有意创造卫星通信容量稀缺的气氛以限制用户可用的带宽量，限制了服务的数量及潜在应用。随着“星链”（Starlink）服务的推出及更多卫星服务的引入，卫星通信服务水平将不断改善。

 | 1.3 流媒体服务逐渐替代卫星电视  

提供视频服务是卫星通信专注的最大市场领域之一。不断发展的趋势表明，越来越多的用户支持流媒体服务(如Netflix和Hulu)，卫星电视行业的营业收入正在减少。用户消费观念的转变表明，现有的卫星通信提供商必须在宽带基础设施方面进行大量投资，才能跟上快速发展步伐。

 | 1.4 地球静止轨道卫星有限的可用连接限制了业务发展  

远程学习和远程办公方式促进了卫星通信的快速发展。地球静止轨道卫星互联网根本无法为这些客户提供充分的服务。有限的可用连接限制了卫星通信的运营、竞争力和营业收入的增长。

 | 1.5 军队和政府重要客户群体需求独特  

军队和政府是重要的客户群体，遍布全球，越来越依赖于数据和实时通信，比其他客户有更加独特的需求。根据设计，卫星通信提供商分配不同的频率，以减少干扰，优化设备，在特定范围内接收特定频率。通过分配在不同频率上的连接，这些客户实现了通信的弹性和冗余。例如，如果K波段中的通信中断，用户仍然可以通过仍然活跃的备用波段或功耗更低的波段进行通信或发送数据。

表2为各个波段常用客户的频率分配情况表。由表2可知，每个波段都有不同的特征。接收这些波段的信号所需的接收机因功率要求、技术、复杂性和物理尺寸而异。例如，设计用于接收L波段频率的接收机无法与Ku波段卫星通信，这可以追溯到消费者、企业和政府客户对卫星通信的不同应用，以及用例如何确定卫星、频谱和最终用户设备。

表2 每个波段通常用途的摘要表

 | 1.6 卫星系统运行轨道高度是影响卫星通信性能的关键因素  

地球静止轨道卫星仅需三颗卫星即可提供接近全球的覆盖范围，但由于其与地球的距离遥远，其传输时间延迟很长（约700毫秒）。低地球轨道（LEO）卫星可以提供低延迟连接（约40毫秒），但需要数百颗卫星才能实现可靠的全球覆盖。更多的卫星也意味着更大的容量，但利用率低。中地球轨道（MEO）通过几十颗延迟约150毫秒的卫星可以实现全球覆盖。现代卫星运营商一直在轨道、产品和总容量之间进行平衡，以实现利润最大化，并为尽可能多的客户提供服务。这些复杂的权衡导致了技术过时、容量不足以及市场的支离破碎，无法提供现代互联网优质体验。

图：卫星通信轨道高度和覆盖区域示意图

图：SES-17是一颗高通量地球静止轨道通信卫星，于2021年10月24日发射

企业和消费者渴望更大容量，并且利用增加的网络覆盖和带宽。到目前为止，受到卫星通信的限制，消费者和企业不得不抑制其应用需求。随着这些客户意识到持续覆盖和自主收集数据能力具有的优势，也会产生更多的应用需求。目前主要客户群体包括：移动用户、远程操作、家庭互联和前沿应用四类。

 | 2.1 移动用户  

2.1.1 海事行业

对于海事行业，数字化转型的优势体现在船舶运营、船舶管理、港口运营和贸易便利化方面，其主题是提高透明度和可追溯性。船舶许多操作都可以远程完成。在紧急情况下，利用低地球轨道卫星通信的低延迟特性，使远程操作成为一种可行的替代方法。对船舶本身的监控也逐渐出现更多的市场机会。船员作业的实时视频可以帮助监管机构更好地识别非法捕捞犯罪行为。港口运营也将受益于新型卫星通信能力。海事行业的应用还处于早期阶段，但随着该行业的发展，卫星通信将继续在该行业发挥越来越大的作用。

2.1.2 航空行业

联网的飞行员将能够对临近天气预报做出实时决策，从而提高安全性；通过利用更高质量的数据和引入4D跟踪(涉及通过纬度、经度、高度和时间进行定位)来规划飞行路线以增加效率；改进的连接传感器可以模仿地面车辆中出现的先进远程信息处理技术，可带来更好的预测性维护，减少飞机着陆时间，降低燃油和维护总成本。

2.1.3 地面运输行业

随着平板天线的价格和尺寸下降，地面车辆很可能会采用卫星通信。新概念自动驾驶汽车内部像工作区或休息室，要实现这种模式转变，消费者连接十分必要。为了让乘客拥有持续的高速连接，卫星通信将是必备的解决方案。自动驾驶汽车将产生前所未有的数据量。随着汽车行业数据消耗量增加的趋势日益明显，支持车载系统的持续连接将依赖卫星推动互联和自动驾驶汽车的未来。

图：高通在CES 2022上宣布的骁龙数字底盘概念

工业运营商和急救人员也将从高速互联中受益。增加数据收集可极大地改善态势感知、车队管理，并实时产生与全车队运营相关的更深入的分析。有了更多的数据和更好的连接，就有可能提供关于移动、活动和不断变化的风险的实时更新。这些改进的能力有助于提高供应链的弹性。

 | 2.2 远程操作  

2.2.1 改善对运营、资产和员工的了解

增强远程环境中的连接性可以实现组织之间实时通信，这些优势在能源和采矿业有更好地体现。全球各地的公司将能够在数据稀缺的环境中改善对运营、资产和员工的了解。Totum Labs公司通过将室内终端直接连接到地球上各个地方上空的卫星，正在帮助企业运营摆脱功能有限的蜂窝网络，实现真正全球化和无处不在的新型应用。

2.2.2 应对气候变化，获取全球基础设施数据

不断变化的气候对世界各国政府、企业和消费者产生影响，构建全球传感技术网络，有效地创造一个数字地球，获取全球基础设施数据将成为采取各种应对措施的基础。SoFar Ocean和HyperKelp等公司正在部署智能浮标，通过卫星通信捕捉海洋数据。可以实时了解世界海洋、天气、航运和物流、风险管理等，提高我们对环境和气候变化的了解。SoFar Ocean公司正在加速提高分布式部署浮标平台的密度，并开始倾向于采用一些最新的技术，这些技术正在彻底改变卫星通信领域。

图：图SoFar Ocean的SoFar的界面和“Spotter”浮标，用于显示海流和其他海洋状况

物联网传感器网络可更好地监测极地地区的冰川融化和气候变化，需要传输更多数据。微软公司的Azure模块化、稳定的数据中心可部署在这些具有挑战性的环境中。该中心将能够在卫星通信和非卫星通信之间自动切换。

图：微软的Azure模块化数据中心

 | 2.3 家庭互联  

2.3.1 居家

使用低地球轨道卫星服务使互联网体验发生巨大变化。新冠肺炎疫情加速了包括在家工作和其他数字服务在内的发展趋势，视频会议、远程教育和远程医疗都得到了更广泛的应用。

卫星互联网会影响视频通话的质量。升级到基于LEO的互联网服务可将GEO的平均延迟从600毫秒以上降低到45毫秒以下，可满足工人们离开大城市，前往低生活成本的农村化趋势应用需求。全球高质量互联网服务的可用性使农村环境成为一个可行的选择。除了远程工作外，加强互联互通可让农村消费者和企业跟上互联互通地区的创新步伐。3D打印会让更多的产品直接销售给农村消费者，减少向农村运送成本，需要旅行几十英里到最近的购物广场的购物活动也将会被替代。数字化家庭的主题已经成为现实，在远程保健方面，Akin公司致力于解决与残障人士生活相关的日常问题，下一代卫星通信将使人工智能、远程医疗和云助手的发展能够进入消费者的家庭。基于人工智能的决策支持的个人农场的数字化管理或者温室系统，都可以通过卫星通信技术为农村客户提供支持。

图：Akin助手机器人可以适应家庭环境

2.3.2 旅行

长期停留被远程旅行视为可行的解决方案。AirBnB等公司已在努力满足这一市场需求。AstroRover和Haus.me. Haus.me正在开发可部署在偏远环境中的微型住宅市场。AstroRover公司的全球微型住宅网络可为客户提供45天的通行证，让他们可住在偏远地区的各个角落。

图7 Haus.me智能家居原型(上图)和智能家居概念(下图)

 | 2.4 前沿应用  

2.4.1 网络安全

除了连通性，在轨道上物理分散的卫星星座可提供应对网络威胁的额外安全性。引入卫星间链接有助于确保用户之间或用户与服务器之间的连接路径。卫星有多种信号到达用户的理论路径，可选择最短的路径，减少了远距离传输的时间延迟。这种设计对量子互联网和量子密钥分发有带来优势。通过星座架构，将量子密钥与保护的数据分开发送有无限多的理论路线，优于地面光纤固定线路。使用卫星通信作为分发这些密钥的方法，使得量子安全通信成为可能。

2.4.2 加密中继网络

开采加密货币无需占用太多带宽，但对互联网速度要求较高。光纤等中继网络通过发送额外数据来补偿传输时间延迟高峰导致的数据包丢失，从而实现矿工之间的连接标准化。由LEO卫星通信的中继网络可在矿工、安全和事务吞吐量之间实现同步。在这种情况下，网络会将其地面节点替换为卫星。世界上最大的比特币矿场主要位于能源成本较低的地方，是为了最大限度地提高与采矿作业相关的利润。但这些矿工可用的互联网在许多地点是由地球静止轨道上的卫星提供服务，时间延迟超过700毫秒。就互联网而言，这种操作几乎完全由地球同步轨道卫星互联网提供服务，一些最大的加密货币矿商将从基于低地球轨道的互联网中获益。

图8 加拿大阿尔伯塔省的Hut 8采矿作业

2.4.3 设备到设备间的连接

卫星通信能力最理想的应用之一是设备与卫星的直接通信。设想有一天，全球各角落的智能手机、笔记本电脑、可穿戴设备以及各种其他设备都可以连接到互联网。由于地面通信基础设施受到飓风、野火和其他自然灾害的影响，卫星通信可以提供一个替代网络，除了紧急服务之外，充足的通信容量还可为平民、政府和第一反应者提供在线服务，大规模协调平民，改善搜索和救援，以及更快地与亲人会合。联网无人机可用于向有需要的人提供除颤器等医疗设备。通过设备到设备卫星通信支持的视频通信技术，可实现远程医疗，确保没有受过医疗培训的人也能使用他们获得的设备，并拯救生命。随着越来越多的组织开始依赖分布式数据进行核心运营，这一类别可能会成为卫星通信有史以来最大的市场之一。

2.4.4 互联网骨干网

LEO卫星通信能力可实现多种独特应用，卫星星座有可能成为核心互联网基础设施的一部分。从用户开始，信号通过卫星互联网的当前路径始于用户的输入，用户输入到终端，然后卫星将信号上行传送到卫星，卫星再将信号下行传送到最近的地面站，地面站通过一系列互联网服务提供商（ISP）接入地面的互联网主干网。互联网主干网再将信号传送数据中心、服务器或通过互联网连接的其他各种设备。在这种模式下，卫星依靠这些地面网络在世界范围内分发信号，将人们连接到互联网。

图9 典型的卫星互联网路径

星间光链路能使星间可实现更大的数据量交换，放大星座的数据吞吐量，大大减少网络全球连接所需的地面站数量。关键网络交换点的地面站对于有效管理全球通信是必要的，但这些链路有效地使星座独立于地面网络。LEO星座成为互联网骨干网，这将是第一个轨道互联网骨干网，并加入一级互联网服务提供商的行列，管理世界互联网流量。Starlink已于2021年1月在其极地卫星中部署了星间链路进行测试，并于2022年1月部署了潜在的下一代星间光链路卫星。

随着大多数低地球轨道卫星通信公司通过星间光链路计划，LEO运营商将在太空打造全球首条轨道互联骨干网将星间光链路纳入其星座。

 | 3.1 卫星通信行业增长空间巨大，加大基础设施建设活力  

随着卫星技术的快速发展，卫星通信的服务属性逐渐增强，其应用价值逐渐地扩散到社会发展的各个方面，改变了现代网络互联的方式，转变了用户的消费观念，同时用户也对卫星通信的服务价格、网络覆盖能力、数据吞吐量、数据传输时间延迟等提出了更高的要求。低轨卫星制造成本、发射价格和运营成本的不断下降，以及可提供更多的卫星服务能力和更高的服务水平，用户需求将不断得到满足，更多的用户将加入卫星通信互联网。卫星通信的覆盖区域大、通信距离远、机动灵活、便捷性等优点决定了卫星通信的未来应用和发展，目前卫星通信数据吞吐量占国际互联网数据吞吐量的比例不到1%，仍有巨大的发展和增长空间。这些利好因素将为卫星通信行业的发展注入了新的活力，同时也推动了卫星通信行业基础设施的发展。

 | 3.2 卫星通信市场需求不断细化，带动多个下游领域发展  

卫星应用涉及众多不同的领域，而各个领域在应用方面又有着较大的区别，不同的客户群体对卫星通信的要求各不相同。军队和政府用户对通信可靠性要求较高，偏远地区、船载、机载、车载等移动用户、远程操作、物联网、旅行用户要求网络覆盖无处不在，卫星通信是最经济有效的通信解决方式，卫星宽带业务具备较大的市场空间。客户群体具体的不同需求进一步促进了卫星通信市场的细化，不同轨道高度的卫星、不断增长的卫星通信容量和更广泛的接入能力等将满足不同的客户群体的应用需求，用户也将从不断发展的卫星通信中获得好处。

 | 3.3 创新场景设计，定制化服务将是未来卫星通信市场新的增长点  

在卫星通信应用的细分市场中，传统的视频、电视业务依然占据卫星通信行业收入的最大份额。未来卫星通信市场需要结合用户的基本需求，通过丰富的、人性化场景和先进的设计理念充分挖掘用户的需求，如报告中所述的居家、旅行类用户，这一类用户有望成为未来卫星通信市场新的增长点。

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