军工行业:2020年航天科技深度报告

军工行业:2020年航天科技深度报告。本篇报告对商业航天的应用前景进行了分析讨论,包括卫星导航、遥感、通信, 以及太空旅行、太空采矿、深空探测等。
军工行业:2020年航天科技深度报告。本篇报告对商业航天的应用前景进行了分析讨论,包括卫星导航、遥感、通信, 以及太空旅行、太空采矿、深空探测等。

本篇报告对商业航天的应用前景进行了分析讨论,包括卫星导航、遥感、通信, 以及太空旅行、太空采矿、深空探测等。

商业航天应用概述:我们的未来是宇宙星辰

传统的航天应用以卫星为主,包括通信、导航、遥感、科研四大方向。随着商业航天的 兴起,产生了新的方向,在卫星通信领域出现了卫星互联网,以及太空旅行、太空采矿、 深空探测等。更长期的如建设太空基地、移民火星等,也是人类航天技术未来可能的发 展方向。更长远的看,我们认为,航天技术可能是改变人类在宇宙中命运的关键力量。
本篇报告对商业航天的应用前景进行了分析讨论,包括卫星导航、遥感、通信, 以及太空旅行、太空采矿、深空探测等。

卫星导航:北斗三代性能接近 GPS,生态链培养有待提高

全球四大卫星定位系统:GPS,北斗,Galileo,GLONASS
全球卫星导航系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)能在地球表面或近地空间 的任何地点为适当装备的用户提供 24h、三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电定 位系统,包括一个或多个卫星星座及其支持特定工作所需的增强系统。目前,全球范围 内,能实现全球覆盖的 GNSS 主要包括美国的 GPS,中国的北斗,欧盟的 Galilio 和俄罗斯 的 GLONASS。
► GPS:GPS 是美国国防部发射并管理的全球卫星定位系统。目前,GPS 是全球使用最 广泛的卫星导航系统,可为地球表面绝大部分地区(98%)提供较为准确的定位、 测速和高精度的标准时间。GPS 系统由新旧卫星共同组成,新一代卫星 GPS III 是对 旧 GPS 卫星的替换和升级,信号可靠性、准确性均有所提升,且不具备选择可用性 (SA)功能(在全球范围内有意降低民用 GPS 精度)。目前,GPS III 已成功发射 SV01 和 SV02 两颗卫星,剩余 8 颗卫星计划于 2023 年前发射完成。
► Galileo: Galileo(伽利略)是由欧盟通过欧洲空间局和欧洲导航卫星系统管理局建造, 目标是在水平和垂直方向提供精度 1 米以内的定位服务,并在高纬度提供比其他系 统更好的定位服务。Galileo 计划发射 30 颗卫星,目前已发射 28 颗(包括 2 颗测试 卫星、2 颗退役、2 颗无法使用)。Galileo 曾多次发生过短期服务中断。
► GLONASS:是由苏联(现由俄罗斯)研制建设的卫星导航系统,可为提供全天候、 高精度的三维位置、三维速度和时间信息。GLONASS 于 2011 年年底实现全球覆盖, 目前有 24 颗卫星正常工作。

北斗:经历三代 26 年建设,2020 年开始向全球提供服务

北斗卫星导航系统按照“先有源、后无源”、“先区域、后全球”的发展思路,在“三步 走”的总体规划下分步实施。北斗三号组网结构由 3 颗静止轨道卫星(GEO)、 3 颗倾斜 轨道卫星(IGSO)、 24 颗中轨道卫星(MEO)组成,此外还包括 5 颗试验卫星;MEO 卫星均匀分布在 3 个轨道面。
► 根据《北斗技术与产业发展白皮书(2019)》, 北斗三号计划于 2020 年向全球用户提 供定位导航授时、短报文通信、国际搜救三种服务,向中国及周边地区提供星基增 强、地基增强、精密单点定位和区域短报文通信四种服务5。
► 北斗三号已全面突破核心关键技术,完成地面验证,并在保留北斗二号短报文功能 的前提下,全面提升相关性能。
精准农业与高精度测绘是高精度领域的两个重要应用场景。2018 年,我国高精度卫星导 航产值 66.1 亿元,YoY+5.0%,2010~2018 年 CAGR 25.1%。其中高精度 GNSS 接收机 2018 年市场规模为 18.9 亿元,按照国产高精度 GNSS 接收机销量约占 50%的比重测算,我国 高精度北斗接收机规模达到 9.45 亿元。NDP Consulting 根据 2005~2010 年北美市场数据 测算,在农业领域全面应用 GPS 可以增加 10%的产量、降低 15%的成本投入,在测绘领 域全面应用 GPS可降低 59.8%的人力成本、降低 30%的资本投入、降低 32.4%的能源成本。

精准农业:应用前景广阔,2025 年市场规模可达 113 亿元 

我国北斗自动驾驶系统农机渗透率低于 1%,远远落后于美国 40%的渗透水平。精准农业 是指应用不同的技术和解决方案来管理农业生产的多变性,以提高作物产量和减少环境 影响,帮助农民提高效率。截止 2018 年底,由我国自主研发的北斗智能化农机监控终端 设备在 21 个省市区、378 个县市、1200 多个农场推广应用,累计装机量超过 30000 台, 覆盖 6000 万亩耕地。其中,新疆已经推广安装了北斗自动驾驶终端超过 10000 台,精准 农业作业面积超过 1200 万亩。

我国 2025 年精准农业市场规模可达 113 亿元。根据国家统计局,我国 2018 年大中型农 业拖拉机数量为 422 万台;根据《2019 中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》,我 国 2018 年农机数量为 3 万台,计算渗透率为 0.71%。我们预计 2025 年我国北斗导航渗 透率将分别上升至 4.84%(假设每年增加 0.59%);预计未来农机数量按照 3.83% (2016~2017)的增长率增长,2025 年我国农机数量将达到 549 万台;按照单台农机导 航设备价格 4.25 万元(2020 年价格为 5.5 万元,假设每年降低 0.25 万元)测算,2025 年精准农业市场规模达 113 亿元(仅考虑北斗农机导航设备)。

高精度测绘:预计 2025 年 GNSS 测绘仪器市场规模 26.90 亿元

测绘仪器是在工程规划设计、施工及经营管理等领域应用广泛,可以实现各种定向、测 距、测角、测高、测图等功能。卫星导航测绘仪器从技术、精度、数字化、功能应用、 数据处理等方面全面超越常规测绘仪器。
据统计,2015 年 GNSS 测绘仪器市场规模 15.02 亿元、YoY+6%。我们判断,随着国家基 础设施建设、国家地理国情监测、城镇化战略的不断推进,卫星导航测绘仪器市场将保 持稳定增长,2025 年市场预计可达 26.90 亿元。

智慧城市:北斗高精度定位赋能智慧城市发展

北斗导航系统有望在智慧城市建设中获得广泛应用。截至目前,我国智慧城市试点名单 近 300 个,随着物联网、云计算等技术的发展,智慧城市作为新型信息化的城市形态, 未来发展前景广阔。北斗卫星导航系统是智慧城市的重要基础设施之一,在城市燃气、 城镇供热、电力电网、供水排水、智慧交通、智慧养老等多种行业提供了北斗高精度服 务。

千寻位置有望加速北斗在 IoT 领域的应用。2015 年 8 月,阿里巴巴与中国兵器工业共同 出资设立千寻位置。千寻位置基于北斗卫星系统(兼容 GPS、GLONASS、Galileo)基础定 位数据,利用遍及全国的北斗地基增强站及自主研发的定位算法,通过互联网技术进行 大数据运算,为遍布全国的用户提供精准定位及延展服务7。千寻位置自成立以来,与多 方合作,重点布局无人驾驶、无人机、电子地图、共享单车等领域,助力北斗系统应用 推广。

北斗系统在 5G 基站授时领域有广阔应用前景

► 目前 4G 网络时间同步需求为±1.5μs,而未来 5G 网络时间同步的需求为±130ns,网 络 PRTC 设备的时间同步要求为±30ns,这些为 5G 通信系统的正常运行和增值服务 带来挑战。依托国家标准时间,应用北斗卫星,可使全网任意节点间的时间同步精 度优于 30ns。
► 目前,基于北斗的 4G 通信基站时间同步设备,已成功应用于中国移动通信集团新 疆有限公司、河南省电信公司的现网中;基于北斗的 5G 通信基站时间同步设备, 已在中国移动通信集团上海有限公司的现网中通过了入网测试,为其应用到 5G 同 步网中拿到了入网通行证,我们认为,将伴随着 5G 的正式商用而进行规模化的部 署。

预计 2025 年我国卫星导航产值达 8050 亿元,北斗导航产值达 6440 亿元 

► 产业产值: 《2019 中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》的数据统计显示,2018 年中国卫星导航与位置服务产业产值达 3,016 亿元、YoY+18%,2012-2018 年 CAGR 达 24%,其中北斗对产业的核心贡献率达 80%。根据前瞻研究院预测,2019-2025 年,中国北斗卫星导航产值增长率将保持在 15%左右,预计到 2025 年我国北斗产业 产值或将达 6440 亿元。
► 分产业链环节来看:2018 年终端集成和运营服务占比分别为 35%和 42%。随着产业 链成熟,各环节竞争加速,特别是终端集成环节,2018 年同比减少 2ppt。多年的市 场积累使终端需求逐渐稳定,终端价格稳中趋降,终端设备附加值较低且其市场竞 争压力明显,而下游的运维服务则具有较强的灵活性,推动下游运维服务环节快速 增长,在产业链中涨幅最快。

建议关注公司:中国卫星,海格通信,北斗星通等 

北斗产业链主要包括 1)芯片:关注拥有技术优势及资质壁垒的企业;2)板卡:关注具 有技术优势并能在国产化进程中占据先发优势的企业;3)终端:关注在通导一体化领域 布局较早、技术更优的企业;4)运营服务:2018 年我国有 16 家企业具备分理级服务资 质,关注具有资质壁垒与规模效应的企业。

卫星遥感:商业应用快速崛起

全球卫星遥感市场:美国在遥感卫星运营、制造、分辨率等方面遥遥领先 

卫星遥感(Satellite Remote Sensing)即卫星从高空通过传感器探测和接收来自目标物体 的信息(如磁场、电磁波、电场、地震波等),进而识别物体的属性及其空间分布等特征。目前,卫星遥感数据已广泛应用于基础地理信息测绘、智慧地理空间框架建设、农业、 林业、国土资源、勘探等领域。遥感系统由遥感器、遥感平台、信息传输和信息处理设 备组成,其中遥感器是遥感系统的核心。

据 UCS(The Union of Concerned Scientists)统计,截至 2019 年 9 月 30 日,全球在轨卫 星总计 2218 颗,其中共有 838 颗为遥感卫星,占比 38%,仅次于通信卫星。

 从国别来看:美国遥感卫星数量(426 颗、51%)遥遥领先,远高于位列第二的中国 (157 颗、19%);
从轨道来看:以近地轨道(LEO)遥感卫星为主、占比约 94%;近地轨道部署遥感卫 星,具有卫星成本低、发射费用低、无轨位限制等特点;
从载重来看:以小卫星及微纳卫星为主、合计占比 68%;遥感卫星越来越小型化、 星座化,研制周期短、成本低。

美国在遥感卫星运营、制造、分辨率等方面遥遥领先。从在轨卫星数量来看,遥感卫星 运营商 Top10 中,美国 Planet Labs 运营遥感卫星数量 233 颗,美国 Spire Global 运营遥感 卫星数量 84 颗;我国长光卫星运营遥感卫星 12 颗、跻身前十。遥感卫星制造商 Top10 中,美国 Planet Labs 研制遥感卫星数量 218 颗,我国空间技术研究院研制遥感卫星数量 72 颗。从遥感卫星分辨率来看,美国 Digital Globe 的 WorldView-3/4 分辨率可达 0.31m, 领先世界;我国四维世景的高景一号分辨率可达 0.5m,具有领先优势。

遥感卫星的主要用途:目前国防安全为主,基建、环境监测等商业用途快速崛起

根据 Euroconsult 统计,2017 年,全球商业遥感数据及增值服务市场规模 46 亿美元。其 中数据市场规模为 14 亿美元、数据增值服务市场规模为 32 亿美元,增值服务市场增长 (过去 5 年 CAGR 7%)快于数据市场(过去 5 年 CAGR 5%)。按照数据市场增长 CAGR=5%、 增值服务市场 CAGR=6%测算,2025 年数据市场规模为 22 亿美元,增值服务市场规模为 51 亿美元。

国防应用占全球商业遥感数据市场 61%,行业级应用在全球商业遥感增值服务市场占比 较高。据 Euroconsult 统计,基建相关的行业应用(如测绘制图、土地清册等)在全球商 业遥感数据市场和增值服务市场分别占比 9%和 26%,而国防应用在数据与增值服务市场 占比分别为 61%与 18%。

► 自然资源:艾伦珊瑚图集(Allen Coral Atlas)是由 Planet Labs 对地球上珊瑚礁群捕 捉到的高分辨率图像。亚利桑那州立大学和昆士兰大学的研究团队密切合作,对图 像中阻挡洋底景色的大气层和海水等元素进行去除并分析“清洁”后的图像,从而 探测到珊瑚礁的白化现象。艾伦珊瑚图集能够对保护珊瑚礁生态系统提供重要的数 据支持。
► 环境监测:Starling 由空客、非营利组织 Forest Trust 和总部位于荷兰的 SarVision 联 合开发,向雀巢、费列罗等公司提供森林监测服务,帮助其完成“供应链零砍伐” 的承诺。

我国卫星遥感产业发展机会:小型卫星尚有较大发展空间

2014 年以来我国遥感卫星发射数量明显增加,微纳卫星尚有较大发展空间。根据 UCS 统 计数据,截至 2019 年 9 月 30 日,我国在轨遥感卫星 157 颗,其中 2014~2019 年发射的 遥感卫星数量占比 73%,发射数量明显增加;微纳卫星占比仅 23%,尚有较大发展空间。

► 技术层面:美国于 1999 年发射了全色分辨率 1m 级的遥感卫星,法国、以色列、印 度等也陆续步入亚米级的遥感卫星行列,美国 WorldView-4 的空间分辨率已达到 0.31m。我国高景一号、高分二号的空间分辨率虽然已经进入亚米级,但遥感数据精 度仍有提升空间。
► 应用层面:我国遥感行业应用层次、深度和广度远不及美国,应用主要集中于政府 部门、科研机构和大型国有企业。在此次防疫抗疫中,卫星遥感广泛应用于复工复 产监测。1)遥感卫星对夜间地球表面的光亮数据显示,中国夜间灯光数据正在回升。以京津冀地区为例,夜间灯光亮度自 2 月下旬起出现提升;2)使用通信卫星和岸基 基站获取的船舶数据显示,中国沿海及内河的船舶活跃度正在快速恢复,港口船舶 航迹密度的提升表明船舶出港、航行的活跃度提升。

建议关注公司:DigitalGlobe,Planet Labs,长光卫星

卫星通信:低轨卫星通信吸引全球关注

卫星通信与车联网的有机结合:Starlink 车联网和 Tesla 结合,相比 4G 车联网建设规模较 小,可以实现汽车在大范围内的联网,同时可以实现通信+导航的一体化。Starlink 可以 打破车联网建设资本开支较高和覆盖较差的问题,大量地区可以通过卫星联网覆盖。甚 至可以在未来火星探测中实现车联网连接。但基于 Starlink 的车联网仅可实现 V2N 和 V2V 的通信,难以实现 V2I 和 V2P 的通信,相比现有提出的路面车联网的功能略逊一筹。卫 星互联网与车联网结合,可以打破车联网建设资本开支较高和覆盖较差的问题。

卫星通信和地面通信相比在覆盖面积上具有优势。1)优势:覆盖面积广;2)劣势:由 于轨道位置较远、发星成本较高等原因,具有信号时延长、覆盖深度弱、通信速率低等 缺点,因此需要新的终端支持。在用户规模有限的境况下资费较贵。

新兴应用
太空旅行:Virgin Galactic,Blue Origin,SpaceX

太空旅行一般是指非以执行任务为目的而搭乘航天器飞行的活动。2001~2009 年,有 7 位太空游客乘坐俄罗斯联盟号飞船飞往国际空间站,共进行 8 次太空飞行。近几年一些 商业航天公司,如 Virgin Galactic、Blue origin 都在致力于普及太空旅行。

Virgin Galactic
太空旅行领域内的首家上市公司。Virgin Galactic(维珍银河)由 Virgin Group(维珍集团) 创始人成立,2019 年上市(股票代码 SPCE), 旨在提供私人太空旅行服务,目前维珍银 河的单次船票定价为 25 万美元,可持续飞行时间约 90 分钟。2018 年 12 月和 2019 年 2 月,Virgin Galactic 成功完成两次载人飞行;2019 年 7 月,公司与 Hedosophia 宣布合并;2020 年 2 月公司开放“One Small Step”在线预订通道,客户可通过支付 1000 美元可退 还押金进行预订。2019 财年,维珍银河实现收入 400 万美元,净利润-2.1 亿美元;现阶 段,Virgin Galactic 主要通过运输科学有效载荷并提供工程服务来实现收入。
400 笔太空旅行定金,约 1 亿美元的潜在收入。截至 2020 年 4 月 29 日,已有 9,160 位用 户注册咨询;已收到来自 44 个国家的客户、累计 400 笔定金,意味着 1 亿美元的潜在收 入。
► 运载飞机 Carrier Aircraft:白骑士 2 号(WhiteKnightTwo)是 Virgin Galactic 的运载飞 机,使用双机身,旨在搭载太空飞船 SpaceShipTwo,在飞行到高度约 45,000 英尺时, 释放太空飞船,太空飞船再飞向太空。
► 太空飞船 Spaceship:太空船 2 号(SpaceShipTwo)是一种可重复使用的太空船,能 够携带两个飞行员和多达六名未来的宇航员进入太空,然后安全地将其返回地球。从运载飞机释放后,可持续飞行时间约 90 分钟。

Blue Origin

2000 年,由亚马逊 CEO Jeff Bezos 创立;2014 年进入轨道飞行领域,同联合发射联盟公 司(ULA)签订合作协议,为其在研火箭研制 BE-4 火箭发动机;2015 年 11 月,达成亚 轨道火箭“新谢泼德”的垂直着陆回收,是第一个成功回收的火箭;2018 年 4 月,成功 试飞并回收“新谢泼德”2.0 飞行器,此次飞行达到未来任务的目标高度;目前,Blue Origin 预计于 2020 年进行首次载人飞行,业界预估票价在 20 万美元左右,但公司尚未正式 公布票价与售票。

俄罗斯联盟号

自费太空旅行最早起源于 2001 年美国富商 Dennis Tito 对俄罗斯“和平号”空间站赞助的 交换条件,后被俄罗斯航空部门开发为“太空旅游”商业项目。每位游客必须经过严格 的体检和训练才能有幸成为太空游客。太空旅程大约十天,“门票”价格以俄罗斯卢布计 算,约 2000 万美元。

SpaceX

SpaceX 于 2018 年 9 月正式公布将在 2023 年送日本亿万富翁前泽友作进行为期一周的绕 月飞行;2020 年 2 月与 Space Adventures 签约,计划于 2021 年底或 2022 年年初带最多 4 名旅客实现太空旅行;2020 年 3 月,与 Axiom Space 签约,计划于 2021 年下半年用载 人龙飞船将 3 名旅客送往国际空间站,旅程为期 10 天,此趟太空旅行的票价大约为 5500 万美元。

太空采矿:Deep Space Industries,Planetary Resources,起源太空

在火星和木星行星带上,目前已知有超过 9000 颗直径大于 46 米的小行星,其中不少拥 有重金属、碳等矿石资源以及水资源,这些资源将会为地球带来无尽的价值。太空采矿 主要涉及法律和技术两方面。

法律上:目前美国和卢森堡是唯一对太空采矿立法的国家。2015 年 11 月,美国通过《太 空采矿法》赋予美国公民获取太空资源的权利;2017 年 8 月,卢森堡通过《太空采矿法》, 允许私营企业太空采矿,合法采回的矿物归企业所有。

技术上:目前技术是阻碍人类进行太空采矿的最大障碍,但是已经有一些公司与研究机 构致力于小行星采矿的相关工作,未来发展值得期待。

市场空间:根据美国市场调研机构 Markets and Markets,2018 年太空采矿的市场规模为 6.5 亿美元,2025 年市场规模预计可以达到 28.4 亿美元。

► Deep Space Industries:是一家总部位于美国的专门从事小行星采矿研究的公司, 2015 年在卢森堡办事处启动了“SpaceResources.lu”计划,旨在在卢森堡创建太空采 矿生态系统及法律框架。DSI 在小行星采矿技术上已取得很大发展,2015 年 5 月已 经发射了第一艘太空飞船,对其小行星勘探技术进行了测试;2016 年 1 月 28 日, 成功地实现了首次编队卫星无人操控式自主轨道机动测试。2019 年 1 月被 Bradford Space 收购。

► JAXA:为日本宇宙航空研究开发机构,其 2003 年发射的“隼鸟 1 号”是首个对小天体采矿的飞船,于 2010 年返回地球,带回约 1500 粒岩石样本,包含有橄榄石,辉 石,斜长石和硫化铁等矿物。2014 年,JAXA 发射了“隼鸟 2 号”,并在 2019 年 4 月成为第一个成功“轰炸”小行星的探测器。目前“隼鸟 2 号”携带所采集的岩石 样本,正在返回地球。

► Planetary Resources:总部位于卢森堡,目标是开采小行星中的水资源,用来在太空 中生产推进剂或作为人类在太空中的生命保障支持。2018 年 1 月,公司成功发射 6U 立方体卫星 Arkyd-6,并对水资源探测进行了测试。2018 年 10 月 31 日,公司被区 块链公司 ConsenSys 收购。

► 起源太空:是我国目前唯一一家小行星采矿公司,2017 年在北京成立。2019 年 9 月,搭载着该公司研发的以探测为目的的小型紫外光学望远镜的卫星成功发射;2019 年 10 月,获得来自经纬中国的天使轮、线性资本的天使+轮,总计近 5000 万人民币 的投资。起源太空预计在 2021 年发射航天器对小行星进行抵近探测,在 2025 年 完成小行星首次商业开采。

深空探测:空间科学探索的重点方向之一

深空探测是指人类对月球及更远的天体或空间环境开展的探测活动,作为人类航天活动 的重要方向和空间科学与技术创新的重要途径,是当前和未来航天领域的发展重点之一。

► 开展深空探测的主要研究对象一般由近及远:一般而言,月球是深空探测的起点;火星是月球之后的又一个探测热点;近年来,小天体探测也日益受到重视。

► 探测方式:一般而言,包括飞越、硬着陆、环绕、软着陆、无人采样返回、载人探 测等形式。(来源:中关村蓝海军民融合产业促进会)

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