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SpaceX 带动全球星座建设，卫星大规模生产时代或将来临
Starlink 带动全球低轨星座建设热潮，2014 年起全球天基互联网建设进入新阶段
在此前的商业航天系列报告#1《Starlink 是泡沫还是革命？》zhōng，我们以 SpaceX 的星链计 划作为开端，分析了：1）星链等低轨卫星星座兴起的背景；2）卫星通信市场的商业机 会；3）星链可能成功的优势。我们认为，相比竞争对手 OneWeb 或者铱星等，SpaceX 采 用“火箭+卫星+发射服务”的垂直整合商业模式，形成了较为明显的成本和速度优势， 未来有望为车联网、专网、宽带接入等市场带来变革。
“星链计划”在 2015 年被首次提出，目的是为全球提供先进的低轨宽带服务。2015 年 1 月，埃隆-马斯克首次公开“星链计划” 。2016 年，SpaceX 向美国联邦通信委员会（FCC） 提交发射4425颗卫星申请，2017年提交“星链”计划第二期7518颗卫星申请。截至2019Q3， 美国拥有卫星数量为 1007 颗，中国、俄罗斯、日běn分别有约 300 颗、164 颗、85 颗。SpaceX 公司目前已成功发射 7 次共 422 颗卫星（含 2 kē试验星），是全球最大卫星公司。
2014 年起，全球天基互联网进入新阶段，科技巨头纷纷参与。卫星互联网发展了近 30 年，主要经历了三个阶段。从 2014 年开始，卫星互联网进入到第三阶段，该阶段以星链 （Starlink）、 One Web 等计划为代表，定位于与地面通信形成互补融合的无缝通信网络。 SpaceX、亚马逊、三星、波音等公司纷纷披露星座计划。我们依据各公司官网等信息统 计，全球低轨卫星星座计划超过 14 个，发射卫星数量超过 2 万颗（不含中国）。
全球卫星发射数量从 2017 年开始出现快速的增长。全球年卫星发射数量总体呈现上升趋 势，但从 2013 年开始，年发射数量超过 100 颗，全球卫星进入新阶段。2017 年全球卫 星发射数量大幅增长，从 128 颗（2016 年）增长到 351 颗（2017 年）。增长主要来自于 LEO 卫星，背后的驱动因素是商业星座的部署和“一箭多星”技术的成熟。
► 2017 和 2018 年度全球卫星发射数量分别是 351 颗和 371 颗，其中 LEO 卫星占比超 过 80%。2017 年全球 LEO 卫星 305 颗，相比 2016 年（80 颗）的大幅增长 225 颗， 主要是来自于美国的 LEO 卫星（“鸽群”和“二代铱星”）的增长；
► 2017 年，全球在轨遥感卫星 231 颗，其中美国有 191 颗。主要是美国 Planet Labs 通 过 3 次发射部署了 140 颗“鸽群”立方体卫星，用于对地观测（遥感）；全qiú在轨通 信卫星新增 48 颗，主要是因为美国二代铱星（Iridium NEXT）通过 4 次发射部署了 40 颗卫星，用于低轨商业通信。其中，88 颗“鸽群”卫星是通过印度“一箭 104 星”的技术一次性发射，“一箭多星”技术显著地提高了发射卫星数量的能力。
► 目前美国和中国的卫星轨道结构中，LEO 卫星占比均达到 70%以上，低轨卫星数量 的优势较为明显。
2020 年是中国天基互联网元年，卫星数量的快速增长带来了产业的变化
我国目前低轨卫星星座数量超过 14 个，计划卫星超过 2000 颗。国企提出的卫星星座主 要有“鸿雁计划”、“虹云工程”等，基本在 2016 年左右被提出来，2018 年底发射首颗 试验星，经过 1 年试运营后，wǒ们预计从 2020 年开始，进行进入卫星的密集发射阶段。 “卫星互联网”被纳入“新基建”范畴，也说明了国家的重视程度。我们认为，2020 年 是中国卫星互联网元年。
► “鸿雁星座”是航天科技集团在 2016 年提出的全球卫星星座通信系统。“鸿雁”星 座包含一个移动通信星座和一个宽带通信星座。移动通信星座约 60 颗卫星，宽带通 信约 300 颗卫星组成。鸿雁星座将建设我国首个独立自主的全球低轨卫星移动通信 与空间互联网系统，是我国首个国家级的、迄今为止投资规模最大的、具有里程碑 意义的商yè航天项目。
► “虹云工程”是航天科工集团发展的“五云一车”商业航天项目之一。2014 年开 启论证，目的是构建覆盖全球的低轨宽带通信卫星系统，以天基互联网接入能力为 基础，融合低轨导航增强、多样化遥感，实现通、导、遥的信息一体化。项目计划 在 2023 年左右完成“1+4+156”颗卫星发射组网，轨道高度 1000 公里，可提供全球 无缝覆盖的宽带移动通信服务，为各类用户构建“通导遥”一体化的综合信息平台。
► “行云工程”是航天科工集团发展的“五云一车”商业航天项目之一。该工程计 划发射 80 颗行云小卫星，2023 年wán成。建设中国首个低轨窄带通信卫星星座，打 造最终覆盖全球的天基物联网，为全球用户提供准实时短数据通信的综合信息服务。
小卫星需求量大幅上升，或将进入“工业化”大规模生产时代
► 全球已知公布星座计划卫星总数量超过 2 万颗，考虑 SpaceX 后来申请的 3 万颗星， 周期 5~10 年，年均数量或在 4000 颗左右。而之前全球每年卫星发射数量只在 200~300 颗，相比提升了一个数量级。
► 卫星数量的大幅增加，使卫星从传统的“定制化”开始走向“工业化”大规模生产， 其趋势是体积减小、重量减轻、周期缩短，使用组网能力来代替单星能力。
卫星大规模的需求对其生产模式带来哪些变化？
规模化生产和技术快速迭代，是商业卫星发展的必由之路
2014 年之前，卫星星座的数量级多在数十颗卫星量级，而新一代卫星星座如 SpaceX、波 音、Boeing 等多个计划星座数量都达到数百颗甚至成千上万颗量级，这对卫星的设计理 念、生产方式等都带来了巨大挑战。我们认为，卫星规模化生产包含了四个方面的变革： 模块化设计、智能化生产、快速 AIT、优化供应链。
► 模块化设计：卫星本体主要包括卫星平台和载荷两大部分，采用模块化设计理念， 可以提高分系统通用性，缩短生产时间。
► 柔性生产线、智能化设备：典型案列如 Oneweb 与 Airbus 合作的卫星工厂，创造性 的采用了自动化的生产线，并使用协作机器人、智能装备工具、大数据控制系统、 AR 工具等，加速整个装配、总装、试验liú程，单条生产线日产 2 颗卫星。
► 快速 AIT：总装、测试与试验（AIT）是航天器研制过程中必不可少的研制环节。美 国航天器传统 AIT 流程需要半年以上，而美国“快速响应太空 ORS”办公室通过总 结优化 Globalstar 和 Iridium 卫星 AIT 经验，快速 AIT 耗时缩短到 22 小时。
► 优化供应链：选用商用现货（COTS）器件是商业卫星降低成本的潜在方式。Iridium 一期的 COTS 器件占比达到 50%以上，摩托罗拉通信卫星事业部认为：许多 COTS 器 件完全能够满足任务需求，但也有一些需要额外加固、降级和筛选，而一些关键部 件则需要采用高可靠器件以提高效费比。
规模化生产目的：降低成本，缩短周期
通过研究波音、洛克希德马丁、泰雷兹阿莱尼亚、欧洲宇航防务集团阿斯特里姆公司等 大型卫星制造商可知，传统大型商业通信卫星的设计、制造、发射周期理论上为 26~32 个月，其中，卫星的论证阶段大约需要 8~10 个月，时间占比 30%；研制生产测试需要 16~20 个月，整个周期占比 62%，交付与发射时间大约需要 2 个月。
我们认为，由于卫星星座是批量生产，只需要一次性的论证和设计，并且采用流水线并 行生产等方式，也可以压缩研制的时间。整体上，我们可以把卫星的设计生产周期压缩 到数周/天内。SpaceX 和 Oneweb 均声称可以达到日产卫星 1~3 颗的产能。
卫星工厂的典型案列：Oneweb Satellites
► 国际：目前较为知名的卫星规模化生产有 SpaceX、Oneweb，以及铱星。2016 年 Oneweb 与 Airbus 成立了合资公司 OneWeb Satellites，卫星工厂位于法国 Toulouse， 占地面积 4600 平方米（约 7 亩）。2017 年 6 月其总装线启动，并生产首批 10 颗星。 在 2019 年 7 月，OneWeb Satellites 公司在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心附近建成 新的卫星工厂，配备两条生产线，日产 2 颗卫星。按照 SpaceX 和 OneWeb 此前的 规划，我们预计其年产能均能达到 1000 颗左右。
► 国内：商业卫星公司尚处于起步阶段，但普遍认为卫星规模化制造工厂是微小卫星 的发展趋势之一。
卫星制造的产业链投资机会
卫星有多种分类方法：微小型化、低规化是未来发展趋势
► 尺寸重量角度：通常认为重量 1000kg 吨以上的是大卫星，小于 1000kg 的又分为小、 微、纳、皮等；
► 应用角度：主要包括通信、导航、遥感三大领域和科研实验等；
► 轨道高度角度：通常分为低轨道（LEO）：100~1500km，中轨道（MEO）：5000~10000km， 高轨道（GEO）： 36000km，以及太阳同bù轨道、地球同步轨道等。
卫星分系统技术出现新的变化
卫星的构成：由卫星平台和有效载荷两大系统组成
一般来说，卫星平台包括了结构、热控、姿轨控、电源、遥感测控和数据管理等分系统。 传统卫星设计将卫星各系统分解，按照总体设计提出的要求和分系统技术特点进行设计、 加工、制成硬件，然后再进行总装、测试、试验和调整。
Starlink 有哪些先进的卫星技术？
Starlink 卫星相比传统卫星有多方面的不同：1）采用箱板式构型，高度集成；2）太阳能 帆板采用单侧大展弦比柔性设计；3）全球第一个采用氪离子推进。基于多方面的新技术 和规模化生产，starlink 卫星制造成本降低到 50 万美元/颗，且能够适应高容量集群发射。
卫星本体各系统投资地图
卫星平台包括了结构、电源、姿轨控、遥感测控、数据管理和热控等分系统。我国具有 较为完整的卫星平台及载荷产业链，但研制能力主要集中于高校和科研院所，生产能力 主要集中于传统的航天科技集团、航天科工集团、中电科、中科院体系内。近些年，我 国商业卫星公司逐渐兴起，主要以卫星整机研制为主。
卫星电源系统
定义及功能：电源系统是由太阳电池阵、储能蓄电池组、电源控制器与配电器等三部分 组成，是星上产生、储存、调节和变换电能的服务系统。电源系统在整星重量中约占 10%～45%比重，相较与其他分系统而言这个比重是非常大的。对于低轨卫星而言，卫星 电源系统质量占卫星净质量的 25%左右，对高轨卫星而言，将达到 45%左右。
► 太阳电池阵：通常采用转换效率大于 28％的 GaInP2/GaAs/Ge 三结砷化镓材料；
► 锂离子蓄电池组：由锂离子电池串联或并联组成；
► 电源控制器：由分流稳压充电调节电路、信号处理单元电路、二次电源变换电路、 蓄电池工作状态监测及保护电路以及整星供配电单元电路等gōng能电路组成
工作模式
► 充电模式：在光照期，太阳电池阵为星上负载供电，同时通过充电调节模块为储能 蓄电池组充电；
► 分流模式：当太阳电池阵输出功率大于负载和蓄电池的充电所需功率时，分流调节 电路经控制后开始逐级顺序分流，调节太阳电池阵输出功率，使母线电压稳定；
► 放电模式：阴影期或光照期峰值负载开机而太阳电池阵输出功率不足时，蓄电池组 给电源母线供电 。
产业格局：
国际上：目前，国外卫星研制都采用总体结构，其卫星供配电系统各分部件为全球采购， 没有电源系统集成的供应商。国外卫星电源系统各分部件对应主要供应商为：蓄电池— —法国 SAFT、美国 Yardney 和 Eagle-Picher、俄罗斯 SATURN 公司、英国 AEA 技术公司、 加拿大的 Blue-Star 公司和日本的 GS-Yuasa 公司；太阳电池——美国 Emcore、Spectrolab、 德国 RWE；控制器——法国 Alcatel 等公司。
国内：国内卫星电源系统研制方式与国外相似，研制单位只向总体提供电源系统组成的 部分部件，包括太阳电池阵、蓄电池组、电源控制器等，代表企业有中电科十八所和中 国卫星下属天津恒电空间电源公司等。其中，中国电子科技集团公司第十八研究所(天津 电源研究所)创立于 1958 年，已经发展成为国内最大的集基础科研、新产品开发和批量 生产于一体的综合性化学与物理电源研究所，产品涉及化学与物理电源及相关材料 40 多 个系列、500 多个规格品种。研究所现有职工 1300 余名，其中技术人员 400 余名，同时 拥有一批国内外知名的电源技术专家。我国 1971 年发射的“实践一号”卫星采用了中国 电科十八所研制的单晶硅太阳电池阵，实现了我国太阳电池阵的首次空间应用。
卫星姿轨控系统
定义及功能：姿轨控分系统通常由敏感器、控制器和执行机构组成。
► 敏感器：主要有地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器、陀螺等。其中，星敏传感器 占卫星整体成本的 5%-15%（不包括卫星发射费用）
► 执行机构：动量轮、反作用飞轮、太阳帆板驱动分系统、推进分系统等；
► 控制器：由控制计算机作为卫星主要控制器
推进分系统：推进分系统主要功能是为卫星的轨道转移和位置保持提供推力，为卫星姿 态控制提供控制力矩。通常分为化学推进、电推进、微推进和新型推进四大类。其中， 电推比冲是化学推进的 10 倍，可大大节省推进剂，减轻卫星重量，目前应用广泛的是 离子推进和霍尔推进。
► 离子推进：1984 年休斯公司首次采用氙作为推进剂，开启正式空间应用，截至 2012 年底，国外进入太空的氙离子推力器有 176 台。
► 霍尔推进：具有系统简单、工作电压较低、综合性能好等特点，主导了目前电推进 应用。现有霍尔推进通常以氙气为工质，但近些年各国纷纷采用氪气作为推进剂。
► 整体来说，电推可以减轻卫星发射重量，提高承载效率。以有效载荷 500kg 的卫星 为例，对比全化学、混合推进和全电推进三种方式可知，电推进系统应用程度越高， 发射重量越轻，承载效率越高。
产业格局：
1、推进分系统：
国际：1）化学推进：美国 Olin 公司、Marquardt 公司、Atlantic Research 公司和英国的 Royal Ordnance 公司，欧洲 EADS 下属的 Astrium 公司；2）电推进：美国 NASA、Primex 宇航公司、空间系统劳拉公司、俄罗斯火炬局
国内：航天科技集团五院 510 所20、502 所、六院 801 所，苏州纳飞卫星动力（中科 院微电子所孵huà企业）等。
2、飞轮：
国际：美国 ITHACO、NASA、Honeywell 和德国的 Tdlix 公司，飞轮技术全球领先。此外， 还有日本 Nestra、加拿大 MSCI 公司、英国 Clyde Space 和 Surrey（SSTL）公司。
国内：主要是háng天科技集团下属 812 所和 502 所。此外还有哈工大、北航、国防科大、 洛阳轴承研究所、中科院长春光机所等jìn行过研究。整体上性能和国外还有一定差距。
3、星敏传感器：
国际：国际上航天用xīng敏传感器已经形成产业规模，代表机构/公司有：美国洛克希德马丁公司、喷气推进实验室、哥达德空间技术中心、丹麦技术大学、BALL 公司、意大利伽利略空间技术公司、法国 SONDERN 公司等25。
国内：航天五院 502 所、航天八院 803 suǒ、中科院长春光机所、中科院西光所、北航、 哈工大、国防科大、中科院光电所、天银机电子公司天银星际（与清华大学联合成立） 等，国内研究已经进入第二代阶段，但距离国外先进水平还有一定差距。
卫星测控系统
定义及功能：主要完成卫星系统工作状态的采集和下传，地面控制指令的接收、处理和 分发，并未地面段测距操zuò提供测距信号转发通道。典型通信卫星测控分系统包括遥测/ 遥控天线及网络、测控接shōu机/发射机、遥测单元、测控单元及功率放大器等。
产业格局：
国内卫星测控系统（星上及地面）：主要有航天电子（下属航天长征火箭技术公司、上海 航天电子、北京航天光华、重庆航天火箭电子）、航天五院西安分院、中电科 54 所、航 天驭星等。
卫星数据管理
定义及功能：数管分系统的主要功能是分配遥控指令和数据，采集、处理和存储来自卫 星及有效载荷的数据，并实现格式化。早期的数管分系统常与测控分系统结合，近期的 数管系统常常使用带有冗余设计的星载计算机。以美国火星侦察卫星为例，其数管分系 统的重要组成部分有：星载计算机、运行软件、固态存储器。
► 星载计算机：进行卫星姿态控制和程序控制；接收遥控命令和数据zhù入；对大量数 据进行适时处理和传送；监视卫星和航天飞行器的运行状态，进行故障诊断。
► 运行软件：是星载计算机上的应用程序。比如故障保护系统，该程序持续监测航天 器的数百个部件，以发现存在的问题。
► 固态存储器：固态记录仪是卫星上科学仪器数据的主要存储设备，卫星所收集的数 据被存储在这个存储器中，数据传输到地球后，才会被新的科学数据覆盖。
产业格局：
国内：以科研院所为主：航天九院下属西安微电子技术研究所（771 所）、康拓红外子 公司轩宇空间、航天五院下属山东航天电子技术研究所（513 所）和国科环宇等。
卫星热控系统
定义及功能：通过阻热或强化传热等手段，控制卫星与空间环境的热交换过程，使其在 空间热环境和设备热耗的条件下，达到正常工作的温度范围。卫星热控制分为主动热控 制与被动热控制两类：
► 被动热控技术：指无反馈和无能量消耗，通过部件自身热物性对卫星温度进行自然 调节的方式。被动热控方式通常包括：热控涂层、多层隔热材料、热管、接触传热、 相变储热（PCM）等。
► 主动热控技术：是以卫星的温度作为控制反馈，以主动调节辐射和导热参数、主动 加热和冷却为手段，完成对卫星控温的目的。主动热控方式主要包括：辐射式、传 导式、对流式、电加热方式，致冷方式等 。
工作环境：小卫星由于低热惯性和复杂多变的热环境，比大卫星有更强烈的温度不稳定 性，因此相较大卫星而言需要更完善的热控系统设计。zài热控方式上，多数主动热控方 式不能满足小卫星集约化设计要求，而诸多新型高效热控方式又没有得到充分工程验证， 因cǐ在今后很长一段时间内小卫星的热控系统将主要依赖于被动热控方式
工作阶段：卫星工作过程通常有三个阶段，即发射前的地面段、上升段和轨道段（含转 移轨道段，运行轨道段）。
► 地面段：主要指卫星处于发射场发射塔上测试和待发射阶段。热控分系统要适应不 同发射场区的气候条件以及大气温度、湿度等气象条件。对于有整流罩和无整流罩 的情况要单独制定热控措施，解决整星测试时的仪器设备工作发热问题。
► 上升段：指卫星从起飞到进入轨道前的fēi行阶段。卫星表面（无整流罩保护）或整 流罩表面将受到强烈的气动加热而升高温度。热控系统要考虑气动加热或整流罩加 热问题，此时卫星的热边界条件与工作轨道时完全不同。
► 轨道段：指卫星进人轨道后，直至完成预定任务的时间段。此时卫星温度主要受制 于空间外热流（取决于航天器的构形、姿态、轨道高度、热控措施）和航天器仪器 设备的热功耗及工作模式。
卫星总装公司
我国卫星制造包括国企和民企，近些年民营商业卫星公司发展迅速。国企主要是航天科 技集团（航天五院、航天八院）、航天科工集团、中电科和中科院系统等，民营企业有长 光卫星、银河航天、微纳星空、天仪研究院等，部分高校如哈工大、北航、西工大、清 华、浙大等也有卫星设计能力。其中，航天五院、航天八院市场占有率保持领先36。民营 商业卫星公司自 2014 年之后开始崭露头角。
卫星工程系统的投资机会
卫星工程系统较为复杂，主要包括卫星、运载器、航天发射场、航天测控系统和应用系 统。我国具有完整的卫星工程系统产业链。其中，在卫星研制和fā射领域，技术实力较 为突出，典型如“北斗”quán球卫星导航系统和长征系列运载火箭等，具有国际竞争力。 但在电子元器件、终端类产品、应用系统和运营服务等领域，整体实力偏弱。SpaceX 等 公司的快速崛起，打破了现有全球的火箭发射和卫星组网及应用格局，对我国也带来了 挑战和发展机遇。
卫星发射：卫星制造：地面设备：卫星应用 4 部分价值比例约为 1：3：20：20。国际上， 商业航天分类及年产值通用常参考美国 SIA 数据：
► 商业航天中，卫星产业营收 2774 亿美元，占比达 77%（2018 年数据）；
► 卫星产业通常分为卫星发射、卫星制造、卫星应用、地面设备四大类，2018 年各版 块营收分别是 62 亿美元、195 亿美元、1252 亿美元和 1265 亿美元，各自占比 2%、 7%、45%、46%；
► 我们假设卫星发射价值为 1，四个板块价值比例分别是 1：3：20：20。
我们认为，目前国内低轨卫星星座正处于起步阶段，产业链上游的卫星制造和火箭制造 细分产业会先受益。卫星运营及服务，以及衍生的车联网、dì面设备等还需要一定的时 间。1）卫星总装上市公司中，中国卫星是我国微小卫xīng的龙头；2）卫星及火箭配套企 业有航天电子（卫星测控、姿轨控、线缆等）、航天电器（航天用连接器主要供应商）、 天银机电（星敏传感器）、康拓红外（星载计算机等）、亚光科技（TR 组件、控制开关）、 和而泰（微波射频芯片）、鸿远电子（被动元器件）、上海沪工（卫星配套及测kòng设备等）、 全信股份（线缆）、欧比特（宇航电子）等；3）卫星运营公司国内主要是中国卫通；4） 地面设备及卫星应用服务包括海格通xìn、航天宏图、四维图新、数字政通、超图软件等。
……
（报告观点属于原作者，仅供参考。报告来源：中金公司）
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