隨著發(fā)射成本的大幅降低、衛(wèi)星制造工藝的改進、云計算的廣泛采用及推動創(chuàng)新私人資本的快速增長，衛(wèi)星通信行業(yè)正在全球范圍內(nèi)改變現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)方式。未來衛(wèi)星通信將地球上的各個角落的每個人、設備和其它物品都連接起來，給人們的生活和工作帶來了極大的便利。本文系統(tǒng)描述了當前衛(wèi)星通信基礎設施建設市場，并對應用場景進行細致分析，僅供參考。

編譯：學術plus高級觀察員  潛行，文文子

來源：The SatCom Playbook，Space Capital，2022

 | 1.1 衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)吞吐量占比低  

2020年，所有衛(wèi)星運營商的總衛(wèi)星容量(出售的可用容量)約為2.0Tbps，主要由大公司提供。而2020年世界國際互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)吞吐量超過600Tbps，衛(wèi)星通信目前的數(shù)據(jù)吞吐量不到總量的1%。表1為傳統(tǒng)衛(wèi)星運營商報告的2020年度收入和衛(wèi)星容量情況表，顯示了由高利用率驅(qū)動的強相關性(0.94)。

表1 傳統(tǒng)衛(wèi)星運營商報告的2020年收入和容量顯示了由高利用率驅(qū)動的強相關性(0.94)

 | 1.2 建設成本高限制了服務數(shù)量及潛在應用  

當前的衛(wèi)星通信基礎設施架構(gòu)是建立在預售容量和高利用率的基礎上，有助于分攤前期的高昂建設成本并最大限度地發(fā)揮資產(chǎn)的收入潛力。衛(wèi)星運營商的“容量”的利用率不高導致其在衛(wèi)星發(fā)射方面更加保守，并有意創(chuàng)造衛(wèi)星通信容量稀缺的氣氛以限制用戶可用的帶寬量，限制了服務的數(shù)量及潛在應用。隨著“星鏈”（Starlink）服務的推出及更多衛(wèi)星服務的引入，衛(wèi)星通信服務水平將不斷改善。

 | 1.3 流媒體服務逐漸替代衛(wèi)星電視  

提供視頻服務是衛(wèi)星通信專注的最大市場領域之一。不斷發(fā)展的趨勢表明，越來越多的用戶支持流媒體服務(如Netflix和Hulu)，衛(wèi)星電視行業(yè)的營業(yè)收入正在減少。用戶消費觀念的轉(zhuǎn)變表明，現(xiàn)有的衛(wèi)星通信提供商必須在寬帶基礎設施方面進行大量投資，才能跟上快速發(fā)展步伐。

 | 1.4 地球靜止軌道衛(wèi)星有限的可用連接限制了業(yè)務發(fā)展  

遠程學習和遠程辦公方式促進了衛(wèi)星通信的快速發(fā)展。地球靜止軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)根本無法為這些客戶提供充分的服務。有限的可用連接限制了衛(wèi)星通信的運營、競爭力和營業(yè)收入的增長。

 | 1.5 軍隊和政府重要客戶群體需求獨特  

軍隊和政府是重要的客戶群體，遍布全球，越來越依賴于數(shù)據(jù)和實時通信，比其他客戶有更加獨特的需求。根據(jù)設計，衛(wèi)星通信提供商分配不同的頻率，以減少干擾，優(yōu)化設備，在特定范圍內(nèi)接收特定頻率。通過分配在不同頻率上的連接，這些客戶實現(xiàn)了通信的彈性和冗余。例如，如果K波段中的通信中斷，用戶仍然可以通過仍然活躍的備用波段或功耗更低的波段進行通信或發(fā)送數(shù)據(jù)。

表2為各個波段常用客戶的頻率分配情況表。由表2可知，每個波段都有不同的特征。接收這些波段的信號所需的接收機因功率要求、技術、復雜性和物理尺寸而異。例如，設計用于接收L波段頻率的接收機無法與Ku波段衛(wèi)星通信，這可以追溯到消費者、企業(yè)和政府客戶對衛(wèi)星通信的不同應用，以及用例如何確定衛(wèi)星、頻譜和最終用戶設備。

表2 每個波段通常用途的摘要表

 | 1.6 衛(wèi)星系統(tǒng)運行軌道高度是影響衛(wèi)星通信性能的關鍵因素  

地球靜止軌道衛(wèi)星僅需三顆衛(wèi)星即可提供接近全球的覆蓋范圍，但由于其與地球的距離遙遠，其傳輸時間延遲很長（約700毫秒）。低地球軌道（LEO）衛(wèi)星可以提供低延遲連接（約40毫秒），但需要數(shù)百顆衛(wèi)星才能實現(xiàn)可靠的全球覆蓋。更多的衛(wèi)星也意味著更大的容量，但利用率低。中地球軌道（MEO）通過幾十顆延遲約150毫秒的衛(wèi)星可以實現(xiàn)全球覆蓋。現(xiàn)代衛(wèi)星運營商一直在軌道、產(chǎn)品和總?cè)萘恐g進行平衡，以實現(xiàn)利潤最大化，并為盡可能多的客戶提供服務。這些復雜的權衡導致了技術過時、容量不足以及市場的支離破碎，無法提供現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)質(zhì)體驗。

圖：衛(wèi)星通信軌道高度和覆蓋區(qū)域示意圖

圖：SES-17是一顆高通量地球靜止軌道通信衛(wèi)星，于2021年10月24日發(fā)射

企業(yè)和消費者渴望更大容量，并且利用增加的網(wǎng)絡覆蓋和帶寬。到目前為止，受到衛(wèi)星通信的限制，消費者和企業(yè)不得不抑制其應用需求。隨著這些客戶意識到持續(xù)覆蓋和自主收集數(shù)據(jù)能力具有的優(yōu)勢，也會產(chǎn)生更多的應用需求。目前主要客戶群體包括：移動用戶、遠程操作、家庭互聯(lián)和前沿應用四類。

 | 2.1 移動用戶  

2.1.1 海事行業(yè)

對于海事行業(yè)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的優(yōu)勢體現(xiàn)在船舶運營、船舶管理、港口運營和貿(mào)易便利化方面，其主題是提高透明度和可追溯性。船舶許多操作都可以遠程完成。在緊急情況下，利用低地球軌道衛(wèi)星通信的低延遲特性，使遠程操作成為一種可行的替代方法。對船舶本身的監(jiān)控也逐漸出現(xiàn)更多的市場機會。船員作業(yè)的實時視頻可以幫助監(jiān)管機構(gòu)更好地識別非法捕撈犯罪行為。港口運營也將受益于新型衛(wèi)星通信能力。海事行業(yè)的應用還處于早期階段，但隨著該行業(yè)的發(fā)展，衛(wèi)星通信將繼續(xù)在該行業(yè)發(fā)揮越來越大的作用。

2.1.2 航空行業(yè)

聯(lián)網(wǎng)的飛行員將能夠?qū)εR近天氣預報做出實時決策，從而提高安全性；通過利用更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和引入4D跟蹤(涉及通過緯度、經(jīng)度、高度和時間進行定位)來規(guī)劃飛行路線以增加效率；改進的連接傳感器可以模仿地面車輛中出現(xiàn)的先進遠程信息處理技術，可帶來更好的預測性維護，減少飛機著陸時間，降低燃油和維護總成本。

2.1.3 地面運輸行業(yè)

隨著平板天線的價格和尺寸下降，地面車輛很可能會采用衛(wèi)星通信。新概念自動駕駛汽車內(nèi)部像工作區(qū)或休息室，要實現(xiàn)這種模式轉(zhuǎn)變，消費者連接十分必要。為了讓乘客擁有持續(xù)的高速連接，衛(wèi)星通信將是必備的解決方案。自動駕駛汽車將產(chǎn)生前所未有的數(shù)據(jù)量。隨著汽車行業(yè)數(shù)據(jù)消耗量增加的趨勢日益明顯，支持車載系統(tǒng)的持續(xù)連接將依賴衛(wèi)星推動互聯(lián)和自動駕駛汽車的未來。

圖：高通在CES 2022上宣布的驍龍數(shù)字底盤概念

工業(yè)運營商和急救人員也將從高速互聯(lián)中受益。增加數(shù)據(jù)收集可極大地改善態(tài)勢感知、車隊管理，并實時產(chǎn)生與全車隊運營相關的更深入的分析。有了更多的數(shù)據(jù)和更好的連接，就有可能提供關于移動、活動和不斷變化的風險的實時更新。這些改進的能力有助于提高供應鏈的彈性。

 | 2.2 遠程操作  

2.2.1 改善對運營、資產(chǎn)和員工的了解

增強遠程環(huán)境中的連接性可以實現(xiàn)組織之間實時通信，這些優(yōu)勢在能源和采礦業(yè)有更好地體現(xiàn)。全球各地的公司將能夠在數(shù)據(jù)稀缺的環(huán)境中改善對運營、資產(chǎn)和員工的了解。Totum Labs公司通過將室內(nèi)終端直接連接到地球上各個地方上空的衛(wèi)星，正在幫助企業(yè)運營擺脫功能有限的蜂窩網(wǎng)絡，實現(xiàn)真正全球化和無處不在的新型應用。

2.2.2 應對氣候變化，獲取全球基礎設施數(shù)據(jù)

不斷變化的氣候?qū)κ澜绺鲊⑵髽I(yè)和消費者產(chǎn)生影響，構(gòu)建全球傳感技術網(wǎng)絡，有效地創(chuàng)造一個數(shù)字地球，獲取全球基礎設施數(shù)據(jù)將成為采取各種應對措施的基礎。SoFar Ocean和HyperKelp等公司正在部署智能浮標，通過衛(wèi)星通信捕捉海洋數(shù)據(jù)?？梢詫崟r了解世界海洋、天氣、航運和物流、風險管理等，提高我們對環(huán)境和氣候變化的了解。SoFar Ocean公司正在加速提高分布式部署浮標平臺的密度，并開始傾向于采用一些最新的技術，這些技術正在徹底改變衛(wèi)星通信領域。

圖：圖SoFar Ocean的SoFar的界面和“Spotter”浮標，用于顯示海流和其他海洋狀況

物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡可更好地監(jiān)測極地地區(qū)的冰川融化和氣候變化，需要傳輸更多數(shù)據(jù)。微軟公司的Azure模塊化、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)中心可部署在這些具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中。該中心將能夠在衛(wèi)星通信和非衛(wèi)星通信之間自動切換。

圖：微軟的Azure模塊化數(shù)據(jù)中心

 | 2.3 家庭互聯(lián)  

2.3.1 居家

使用低地球軌道衛(wèi)星服務使互聯(lián)網(wǎng)體驗發(fā)生巨大變化。新冠肺炎疫情加速了包括在家工作和其他數(shù)字服務在內(nèi)的發(fā)展趨勢，視頻會議、遠程教育和遠程醫(yī)療都得到了更廣泛的應用。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)會影響視頻通話的質(zhì)量。升級到基于LEO的互聯(lián)網(wǎng)服務可將GEO的平均延遲從600毫秒以上降低到45毫秒以下，可滿足工人們離開大城市，前往低生活成本的農(nóng)村化趨勢應用需求。全球高質(zhì)量互聯(lián)網(wǎng)服務的可用性使農(nóng)村環(huán)境成為一個可行的選擇。除了遠程工作外，加強互聯(lián)互通可讓農(nóng)村消費者和企業(yè)跟上互聯(lián)互通地區(qū)的創(chuàng)新步伐。3D打印會讓更多的產(chǎn)品直接銷售給農(nóng)村消費者，減少向農(nóng)村運送成本，需要旅行幾十英里到最近的購物廣場的購物活動也將會被替代。數(shù)字化家庭的主題已經(jīng)成為現(xiàn)實，在遠程保健方面，Akin公司致力于解決與殘障人士生活相關的日常問題，下一代衛(wèi)星通信將使人工智能、遠程醫(yī)療和云助手的發(fā)展能夠進入消費者的家庭?；谌斯ぶ悄艿臎Q策支持的個人農(nóng)場的數(shù)字化管理或者溫室系統(tǒng)，都可以通過衛(wèi)星通信技術為農(nóng)村客戶提供支持。

圖：Akin助手機器人可以適應家庭環(huán)境

2.3.2 旅行

長期停留被遠程旅行視為可行的解決方案。AirBnB等公司已在努力滿足這一市場需求。AstroRover和Haus.me. Haus.me正在開發(fā)可部署在偏遠環(huán)境中的微型住宅市場。AstroRover公司的全球微型住宅網(wǎng)絡可為客戶提供45天的通行證，讓他們可住在偏遠地區(qū)的各個角落。

圖7 Haus.me智能家居原型(上圖)和智能家居概念(下圖)

 | 2.4 前沿應用  

2.4.1 網(wǎng)絡安全

除了連通性，在軌道上物理分散的衛(wèi)星星座可提供應對網(wǎng)絡威脅的額外安全性。引入衛(wèi)星間鏈接有助于確保用戶之間或用戶與服務器之間的連接路徑。衛(wèi)星有多種信號到達用戶的理論路徑，可選擇最短的路徑，減少了遠距離傳輸?shù)臅r間延遲。這種設計對量子互聯(lián)網(wǎng)和量子密鑰分發(fā)有帶來優(yōu)勢。通過星座架構(gòu)，將量子密鑰與保護的數(shù)據(jù)分開發(fā)送有無限多的理論路線，優(yōu)于地面光纖固定線路。使用衛(wèi)星通信作為分發(fā)這些密鑰的方法，使得量子安全通信成為可能。

2.4.2 加密中繼網(wǎng)絡

開采加密貨幣無需占用太多帶寬，但對互聯(lián)網(wǎng)速度要求較高。光纖等中繼網(wǎng)絡通過發(fā)送額外數(shù)據(jù)來補償傳輸時間延遲高峰導致的數(shù)據(jù)包丟失，從而實現(xiàn)礦工之間的連接標準化。由LEO衛(wèi)星通信的中繼網(wǎng)絡可在礦工、安全和事務吞吐量之間實現(xiàn)同步。在這種情況下，網(wǎng)絡會將其地面節(jié)點替換為衛(wèi)星。世界上最大的比特幣礦場主要位于能源成本較低的地方，是為了最大限度地提高與采礦作業(yè)相關的利潤。但這些礦工可用的互聯(lián)網(wǎng)在許多地點是由地球靜止軌道上的衛(wèi)星提供服務，時間延遲超過700毫秒。就互聯(lián)網(wǎng)而言，這種操作幾乎完全由地球同步軌道衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)提供服務，一些最大的加密貨幣礦商將從基于低地球軌道的互聯(lián)網(wǎng)中獲益。

圖8 加拿大阿爾伯塔省的Hut 8采礦作業(yè)

2.4.3 設備到設備間的連接

衛(wèi)星通信能力最理想的應用之一是設備與衛(wèi)星的直接通信。設想有一天，全球各角落的智能手機、筆記本電腦、可穿戴設備以及各種其他設備都可以連接到互聯(lián)網(wǎng)。由于地面通信基礎設施受到颶風、野火和其他自然災害的影響，衛(wèi)星通信可以提供一個替代網(wǎng)絡，除了緊急服務之外，充足的通信容量還可為平民、政府和第一反應者提供在線服務，大規(guī)模協(xié)調(diào)平民，改善搜索和救援，以及更快地與親人會合。聯(lián)網(wǎng)無人機可用于向有需要的人提供除顫器等醫(yī)療設備。通過設備到設備衛(wèi)星通信支持的視頻通信技術，可實現(xiàn)遠程醫(yī)療，確保沒有受過醫(yī)療培訓的人也能使用他們獲得的設備，并拯救生命。隨著越來越多的組織開始依賴分布式數(shù)據(jù)進行核心運營，這一類別可能會成為衛(wèi)星通信有史以來最大的市場之一。

2.4.4 互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)

LEO衛(wèi)星通信能力可實現(xiàn)多種獨特應用，衛(wèi)星星座有可能成為核心互聯(lián)網(wǎng)基礎設施的一部分。從用戶開始，信號通過衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的當前路徑始于用戶的輸入，用戶輸入到終端，然后衛(wèi)星將信號上行傳送到衛(wèi)星，衛(wèi)星再將信號下行傳送到最近的地面站，地面站通過一系列互聯(lián)網(wǎng)服務提供商（ISP）接入地面的互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)主干網(wǎng)再將信號傳送數(shù)據(jù)中心、服務器或通過互聯(lián)網(wǎng)連接的其他各種設備。在這種模式下，衛(wèi)星依靠這些地面網(wǎng)絡在世界范圍內(nèi)分發(fā)信號，將人們連接到互聯(lián)網(wǎng)。

圖9 典型的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)路徑

星間光鏈路能使星間可實現(xiàn)更大的數(shù)據(jù)量交換，放大星座的數(shù)據(jù)吞吐量，大大減少網(wǎng)絡全球連接所需的地面站數(shù)量。關鍵網(wǎng)絡交換點的地面站對于有效管理全球通信是必要的，但這些鏈路有效地使星座獨立于地面網(wǎng)絡。LEO星座成為互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)，這將是第一個軌道互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)，并加入一級互聯(lián)網(wǎng)服務提供商的行列，管理世界互聯(lián)網(wǎng)流量。Starlink已于2021年1月在其極地衛(wèi)星中部署了星間鏈路進行測試，并于2022年1月部署了潛在的下一代星間光鏈路衛(wèi)星。

隨著大多數(shù)低地球軌道衛(wèi)星通信公司通過星間光鏈路計劃，LEO運營商將在太空打造全球首條軌道互聯(lián)骨干網(wǎng)將星間光鏈路納入其星座。

 | 3.1 衛(wèi)星通信行業(yè)增長空間巨大，加大基礎設施建設活力  

隨著衛(wèi)星技術的快速發(fā)展，衛(wèi)星通信的服務屬性逐漸增強，其應用價值逐漸地擴散到社會發(fā)展的各個方面，改變了現(xiàn)代網(wǎng)絡互聯(lián)的方式，轉(zhuǎn)變了用戶的消費觀念，同時用戶也對衛(wèi)星通信的服務價格、網(wǎng)絡覆蓋能力、數(shù)據(jù)吞吐量、數(shù)據(jù)傳輸時間延遲等提出了更高的要求。低軌衛(wèi)星制造成本、發(fā)射價格和運營成本的不斷下降，以及可提供更多的衛(wèi)星服務能力和更高的服務水平，用戶需求將不斷得到滿足，更多的用戶將加入衛(wèi)星通信互聯(lián)網(wǎng)。衛(wèi)星通信的覆蓋區(qū)域大、通信距離遠、機動靈活、便捷性等優(yōu)點決定了衛(wèi)星通信的未來應用和發(fā)展，目前衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)吞吐量占國際互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)吞吐量的比例不到1%，仍有巨大的發(fā)展和增長空間。這些利好因素將為衛(wèi)星通信行業(yè)的發(fā)展注入了新的活力，同時也推動了衛(wèi)星通信行業(yè)基礎設施的發(fā)展。

 | 3.2 衛(wèi)星通信市場需求不斷細化，帶動多個下游領域發(fā)展  

衛(wèi)星應用涉及眾多不同的領域，而各個領域在應用方面又有著較大的區(qū)別，不同的客戶群體對衛(wèi)星通信的要求各不相同。軍隊和政府用戶對通信可靠性要求較高，偏遠地區(qū)、船載、機載、車載等移動用戶、遠程操作、物聯(lián)網(wǎng)、旅行用戶要求網(wǎng)絡覆蓋無處不在，衛(wèi)星通信是最經(jīng)濟有效的通信解決方式，衛(wèi)星寬帶業(yè)務具備較大的市場空間。客戶群體具體的不同需求進一步促進了衛(wèi)星通信市場的細化，不同軌道高度的衛(wèi)星、不斷增長的衛(wèi)星通信容量和更廣泛的接入能力等將滿足不同的客戶群體的應用需求，用戶也將從不斷發(fā)展的衛(wèi)星通信中獲得好處。

 | 3.3 創(chuàng)新場景設計，定制化服務將是未來衛(wèi)星通信市場新的增長點  

在衛(wèi)星通信應用的細分市場中，傳統(tǒng)的視頻、電視業(yè)務依然占據(jù)衛(wèi)星通信行業(yè)收入的最大份額。未來衛(wèi)星通信市場需要結(jié)合用戶的基本需求，通過豐富的、人性化場景和先進的設計理念充分挖掘用戶的需求，如報告中所述的居家、旅行類用戶，這一類用戶有望成為未來衛(wèi)星通信市場新的增長點。

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