卫星导航及遥感行业研究：时空大数据撬动智慧城市

文琳行业研究 2024-04-11

（报告出品：东北证券）

1. 核心观点及投资分析

一、卫星导航蓬勃发展，“行业+区域”北斗应用综合效益显著

（1）尽管我国的北斗卫星导航系统起步较晚，但在功能方面相较于其他三大全球卫星导航系统具备更多优势，特别是可以提供全球短报文通信服务。根据《2022 全球卫星导航系统市场报告》预测，在未来十年内，全球 GNSS 和遥感观测领域的收入总额将接近 5000 亿欧元，并且全球 GNSS 设备安装数将超过 100 亿台。同时，《2023 中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示：2022 年中国的卫星导航与位置服务产业综合产值已经达到 5007 亿元人民币，同比增长了 6.76%。核心产值和相关产值分别增长了 5.05%和 7.54%，达到 1527 亿元人民币和 3480 亿元人民币。我们认为，受产品驱动以及服务支撑不断增强的推动，卫星导航行业将持续蓬勃发展。

（2）随着国家政策实施以及行业和区域经济转型升级需求，“北斗+”应用呈现迅猛发展趋势，对传统产业起到了显著的赋能作用。目前，北斗正在广泛应用于各类领域，并且与其深度有机融合，进一步促进了行业和区域的发展。“行业+区域"”的服务模式和北斗融合应用体系正在逐步形成，不断推动行业数字化、智能化发展水平，并提升了行业精细化管理能力和安全可控能力。例如，在燃气行业方面，北斗高精准燃气泄漏检测技术支撑了全国 150 个燃气公司对 70 余万公里燃气管线进行检测，有效降低了燃气管网的安全运营风险。中国 17 个省份超过 22000 处地灾隐患点都安装了低价格、低能耗的北斗滑坡预警仪，实现了 “人防+技防” 的结合，提升了灾害预警能力并有效保障了人民的生命财产安全。农机北斗应用也得到深入推广，在无人农场等领域取得明显效果，带来了增产、节能和创收效益。与此同时，北斗定位导航、授时授频和短报文通信等应用已经广泛融入电力行业二十余个业务场景，并将进一步促进电网的数字化转型和发展。中石化、中石油和中海油等石油石化行业也在积极推进北斗替代 GPS 设备，并与各环节业务相结合，全面应用北斗技术实现数字化和智能化发展。这些举措将为石油石化生产建设提供强有力的支持。

（3）随着北斗在大众及相关行业领域进一步深化应用，国际范围内正在形成一系列新兴数字化应用场景。2022 年国内卫星导航定位终端产品总销量约为 3.76 亿台/套。其中，具备卫星导航定位功能的智能手机出货量达到 2.64 亿部，包括物联网、穿戴式、车载、高精度等各类定位终端设备销量约 1 亿台/套，车载导航仪市场终端销量约 0.12 亿台。

二、卫星遥感洞察天地，应用领域多元化发展

（1）卫星遥感服务市场规模持续增长。中国市场需求不断推动着卫星遥感产业的扩大。根据共研网数据显示， 2015-2022 年间，中国的遥感卫星行业市场规模由 56.1 亿元增至 130.8 亿元，复合年增长率达到 12.86%。尽管如此，我国仍有较大的商业化发展空间；根据 UCS 数据，截至 2022 年 12 月，中国的遥感卫星商业化率为 32%，相比全球水平依然存在大幅提升空间。我们认为，随着资本涌入遥感卫星领域，将极大推动商业遥感卫星发展。根据泰伯智库统计数据显示，2022 年中国商业航天赛道融资总额超过 113 亿元，其中约 28.1 亿元流向了卫星遥感领域，位居第二受关注的融资领域，仅次于火箭发射。这些趋势表明我国卫星遥感商业化具有广阔前景，在未来有望迎来更为深远的发展。

（2）卫星遥感广泛用于地球观测部门及军事用途，有望进入民用市场。空间数据对于国防部门的知情决策至关重要，它有助于各种战略活动，如战场模拟、任务简报、通信规划、后勤管理和指挥控制。世界各国正在大力投资开发天基卫星星座，使得能够指挥和控制本国的作战部队，并增强态势感知能力，能够监视、跟踪和瞄准敌对势力。同时, 卫星遥感应用正日益多元化，根据 PlanetLabs 数据显示，2022 年卫星遥感在国防、政府和商业上的应用分别占 22%、33% 和 45%。

（3）我国商业遥感卫星行业起步较晚且发展尚不成熟，遥感卫星行业未来将往“四化”方向努力：即星座化、高分化、市场化和数据共享化。例如，单一卫星覆盖范围有限且获取数据量较少，因此需要构建高密度的卫星群以得到较为精细的遥感图像。实现星座化建设需要在发展低空遥感技术的基础上辅以卫星遥感技术，进行低空+卫星的合作观测模式以弥补我国空间观测能力欠缺的问题。由于当前国内外可供使用的卫星数据数量急剧减少，通过开发高分辨率商业遥感卫星如长光卫星的吉林一号、航天宏图的宏图一号，既能缩小与发达国家的差距又可以不断培养我国的长期竞争力。

2. 卫星导航系统的发展

卫星导航，作为卫星通信的一个重要分支，利用导航卫星通信系统进行测时(时间) 和测距(定位)是其主要功能。测时又称为授时或定时，是用户接收机获取精确时间的过程。在 2G/3G/4G/5G 等蜂窝移动通信系统中，测时作为时钟同步源被广泛应用，其前提是卫星通信。测距则精确测量接收机到卫星的距离，利用电磁波的传播速度和传播时间，前提是测时。定位是确定接收机在地球上的位置，卫星导航系统通过多个卫星的距离计算定位目标的位置，前提是测距。导航是指接收机从一个地方移动到另一个地方的过程，其前提是正确的定位。在导航卫星系统领域，只有美国 GPS、俄罗斯格洛纳斯 GLONASS、欧洲伽利略 GALILEO、中国北斗 COMPASS 能提供全球授时定位。后面三个导航系统的建立时间，虽然有先后，但时间相差不远。除了这四大全球系统，还存在区域系统和增强系统，例如日本的QZSS、印度的IRNSS区域系统以及美国的WAAS、日本的MSAS、欧盟的 EGNOS、印度的 GAGAN 和尼日尼亚的 NIG-GOMSAT-1 等增强系统。未来几年，卫星导航系统将迎来新的发展阶段，用户将面临四大全球系统近百颗导航卫星共存且相互兼容的局面。这将为用户提供更丰富的导航信息，提高导航系统的可用性、精确性、完备性和可靠性，但也会面临频率资源竞争、卫星导航市场竞争、时间频率主导权竞争以及兼容性和互操作性争议等问题。

2.1. 卫星导航系统的下游应用

卫星导航系统的下游应用主要涵盖以下领域：授时：在通信网络中广泛应用作为时间同步装置。特别是在蜂窝移动通信系统中， GPS 提供精确的定时，确保通信顺畅。通信：GPS 对蜂窝移动通信系统至关重要，提供精准的时间同步，以确保通信设备的协调和同步运行。航空：用于飞行导航和着陆导航，确保飞机的安全航行和准确降落。航海：广泛应用于海上航线的各类船只导航，以及沿岸、进港和内河航行。GPS 精度可达 2-3 米，还可集成无线通信，成为位置报告和紧急救援系统。渔船常将 GPS 与雷达和鱼探器整合，带来经济效益。消费娱乐：徒步旅行者、猎人、越野滑雪者、野外工作人员和户外活动者常使用袋式 GPS 定位器。结合电子地图，可在各种环境中帮助用户找到目的地。测绘：GPS 在测绘领域有广泛应用，可用于绘图、地藉测量、地球板块测量、火山活动监测、GIS(地理信息系统)等领域。实时动态化(RTK)测量技术也可用于海洋、河道、公路和大型工程建设管理。车辆监控管理：用于汽车导航和信息服务，帮助车辆监控和管理，提供导航、交通信息等功能。

2.2. 卫星导航系统的组成

以 GPS 为例，GPS 定位原理可以简单概括如下：它是一个由 24 颗遍布全球的卫星构成的卫星系统，提供全天候、全球范围内的导航服务。GPS 全球卫星定位系统包括三个主要部分：空间部分，即 GPS 卫星群；地面控制部分，即地面监控系统；用户设备部分，即 GPS 信号接收器。简单的来说，用户通过 GPS 接收卫星信号，通过信号处理来获取自身的位置、速度等信息，从而实现了导航和定位的功能。

GPS 导航卫星系统由三部分组成：

(1)空间(段)部分

导航卫星星座是由众多导航卫星构成的，而根据不同国家的导航系统，卫星的数量各不相同，并且随着技术的发展其数量仍在变动中。当卫星数量增多时，地球上的覆盖范围也会随之增大。以 GPS 为例，其空间组成包含 24 颗卫星，其中 21 颗是主要工作卫星，另外 3 颗是备用卫星。这些卫星位于距离地球表面约 20，200 公里的轨道上，每颗卫星的绕地周期为 12 小时。为了确保全球范围内的均匀覆盖，这些卫星被分布在 6 个轨道面中，每个轨道面有 4 颗卫星，其轨道的倾角为 55°。这样的配置保证了全球任何位置和时间都至少可以观测到 4 颗以上的卫星。此外，GPS 卫星中预设了导航信息。由于大气摩擦和其他外部因素，GPS 卫星的导航精度可能会逐步下降。为了确保导航系统的稳定和持续性，每个轨道面上通常都会配置一颗备用卫星。如果有任何卫星出现故障，备用卫星便可迅速替代，确保系统的连续运行。GPS 星座中各卫星并不直接通信，没有星间链路，均与地面的控制和监测部分直接通信。

(2)地面监控(段)部分

GPS 的地面控制系统包括三个关键组件：主控制站(Master Monitor Station)、监测站 (Monitor Station)和注入站(Ground Antenna)。初创时期，GPS 的控制部分是由一个主控制站、五个监测站和三个注入站组成的，其主要任务是监视和控制卫星的运行，编制卫星的星历(即导航电文)以及维护系统时间。

主控制站：主控制站作为地面控制的中心，它负责接收从各个监测站传来的跟踪数据，实时测算和对比轨道参数以及钟差参数，并将这些数据传输给各个注入站。此外，主控制站还监控在轨卫星的运行状况，并进行必要的诊断和调整。它还从各监测站收集卫星数据，然后计算出卫星的星历和时钟修正参数，并通过注入站将这些数据发送给卫星。此外，主控制站还负责向卫星发送控制命令，在卫星遇到问题时，调动备用卫星来替代。监测站：监测站的任务是对与其建立了信号接收通道的卫星进行连续跟踪和测量。为了确保数据的准确性，监测站通常配备了高精度的信号接收器和精密的铯钟，这样可以对接收到的轨道数据进行及时处理。除此之外，监测站还会接收卫星的信号、检测卫星的运行状况、收集气象数据，并将这些信息发送给主控制站。注入站：注入站的主要职责是在接收到主控制站发送的信息后，等待卫星在其上方经过时，将卫星的星历和钟差等信息按照特定的格式和协议发送给卫星，并将其存入卫星的存储器。同时，注入站还负责向卫星发送控制命令。

分布情况：主控站位于美国科罗拉多州(Calorado)法尔孔(Falcon)空军基地。注入站分布在不同地点：阿松森群岛(Ascendion)位于大西洋，迭戈加西亚(Diego Garcia)位于印度洋，卡瓦加兰(Kwajalein)位于东太平洋。监控站分为以下几个部分：一个与主控站位于同一地点，三个与注入站分别位于阿松森群岛、迭戈加西亚和卡瓦加兰，另一个监控站位于夏威夷(Hawaii)，位于西太平洋。截至 2017 年系统更新后，GPS 控制系统由一个主要控制站、一个备用主控制站、11 个指挥和控制天线以及增加的 16 个监控站点组成。

(3)用户(段)部分

GPS 用户段(GPS User Segment)是指各种 GPS 用户终端，其主要功能是接收卫星信号并提供用户所需的位置、速度和时间等信息。典型的用户设备通常包括接收机、定时器、数据预处理器、计算机和显示器等组件。一旦接收机捕获到卫星信号，就会持续跟踪这个信号，能够进一步测量接收天线到卫星的伪距离和距离变化率，同时解调出卫星轨道参数等数据。基于这些数据，接收机内置的微处理计算机可以按照定位解算方法进行计算，得出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度和时间等信息。它能够接收卫星发射的微弱信号，解调并解析出卫星轨道参数和时间信息，并且测量导航参数，例如距离、距离变化率等。然后，通过计算机的处理，得出用户的位置坐标(可以是二维或三维坐标)以及速度矢量分量。卫星信号接收机存在多种类型，适用于不同领域的需求。这包括用于航空、航天和航海领域的机载导航型接收机，用于测量和定位的测量型接收机，以及一般大众使用的车载和手持型接收机。此外，接收设备还可以嵌入到其他设备中，形成组合型导航定位设备，例如导航手机和导航相机等。

2.3. 卫星导航系统基本原理与原子钟

GPS 之所以能够提供精准的定时，主要是因为 GPS 卫星上安装的原子钟。

原子钟是一种计时装置，最初由物理学家发明，用于探索宇宙的本质。目前，原子钟被认为是世界上最精确的时间测量工具。精密钟表在日常生活中可能每年会有大约 1 分钟的误差，对一般生活用途来说并没有太大影响。然而，在高要求的生产和科学研究中，需要更为精确的时间测量工具。原子钟的工作原理是利用原子吸收或释放能量时产生的电磁波来进行计时。由于这种电磁波的频率非常稳定，再加上对原子钟的精密控制和监测，因此原子钟能够提供极高的时间测量准确性，如今的原子钟误差为 10 万年内不大于 1 秒。

空间冷原子钟的工作原理涉及以下步骤：首先，通过激光冷却和俘获技术，获得接近绝对零度(微开尔文级别)的超冷原子团。然后，采用移动光学黏团技术将这些原子沿轴向释放。在微重力环境下，原子团可以以超慢速均匀的直线运动。原子团处于纯量子基态时，经过环形微波腔，与分离的微波场发生两次相互作用，导致原子产生量子叠加态。通过原子双能级探测器测量处于两种量子态上的原子数量比例，可以获取原子跃迁的概率。通过改变微波频率，可以获得原子钟的 Ramsey 条纹谱线。将该谱线反馈到本地振荡器，从而获得高精度的时间频率标准信号。这一过程利用了超冷原子的量子性质，使得空间冷原子钟能够提供非常高精度的时间测量。

2.4. 卫星导航接收机的构成

GPS 接收机是一种无线点接收设备，其主要功能是接收、跟踪、变换和测量来自 GPS 卫星导航系统的定位信号。这些接收机具备无线电接收设备的特点，但也具备捕获、跟踪和处理微弱的 GPS 卫星信号的能力。可以将 GPS 接收机视为一种传感器，其主要任务是感知 GPS 卫星相对于接收机的距离以及卫星信号的多普勒频移，并从卫星信号中解调导航数据，以实现定位和速度测量等功能。接收机通常由多个关键模块组成，包括天线模块、射频前端模块、基带处理模块以及应用处理模块。这些模块协同工作，使 GPS 接收机能够高效地接收和处理卫星信号，从而提供准确的位置信息和导航支持。

导航信号射频接收前端模块

(1)接收机天线

接收机的天线部分由两个主要组件组成，包括天线和前置放大器。天线的主要功能是将 GPS 卫星信号中的极微弱电磁波转化为相应的电流信号。通常天线与低噪声放大器集成在一起，具有以下特点：多方向接收：这种天线设计能够接收来自任何方向的卫星信号，而不会产生死角，因此可以实现全向性接收。多路径防护与屏蔽：天线采取了多种措施，以减少多路径效应，确保从卫星发射的信号不会因反射或折射而导致误差。稳定的相位中心：天线的相位中心保持高度稳定，并且与几何中心一致，这确保了信号的准确接收和测量。这种整合设计的天线部分是 GPS 接收机的重要组成部分，它的性能特点有助于提高接收机的精确性和可靠性。

(2)前置放大器 LNA

其功能在于将微弱的 GPS 信号电流放大到合适的水平。GPS 信号首先由天线接收，然后进入射频前端，经过多次混频处理，以获得频率较低的中频模拟信号。接着，这个模拟信号经过模数转换器转化为数字中频信号，然后交由基带处理模块进行信号捕获和跟踪。射频前端模块需要具备一系列优势特性，包括低噪声、低功耗、高增益和高线性特性等。其噪声性能对接收到的信号质量具有直接影响，进而会影响到后续的基带处理性能和导航定位的精确度。

(3)变频器/混频器/射频解调器

经过 GPS 前置放大器放大后的信号仍然非常微弱。为了确保接收机通道具有稳定的高增益，并将 L 频段的射频信号转化为低频信号，需要使用变频器/混频器/射频解调器。在这个过程中，还包括了滤波器，其作用是让特定频率的信号通过，同时抑制其他频率信号，以确保最小的信号插入损耗。尤其是前置滤波器对整个接收系统的性能影响很大，因此需要具备低噪声的特性。混频器用于将高频信号转换为中频信号。GPS 天线接收的信号通常具有高频率，中心频率约为 1575.42MHz 左右，而这种高频信号不太适合直接进行离散采样。混频器的工作原理是将来自低噪声放大器输出的射频信号与本地振荡器产生的本振信号相乘，从而实现信号从高频到中频的转换。这个过程是信号处理中的关键步骤，有助于后续的信号解调和处理。

(4)ADC 模数转换

通过前面几级的混频、滤波、和放大等处理，GPS 卫星信号已经获得了充分的信号功率增益，同时中心频率也已经被转换为较低的中频。这些操作为接下来的模数转换器提供了有利条件，模数转换器的主要任务是将这一模拟信号最终转换为数字信号。

(5)参考晶振

为整个电路提供的时钟信号在混频电路中至关重要，同时在模数转换过程中也扮演着重要的角色。由于接收机的射频前端对时钟精度要求极高，因此通常采用温度补偿晶振作为时钟源。这样的晶振能够在不同温度条件下保持稳定的频率，确保整个系统的时钟信号精确可靠。

2.5. 卫星导航通信频谱

微波是电磁波的一种，其频率范围介于 300MHz 到 3THz 之间(1THz=1000GHz)，对应的波长范围从 1 米到 0.1 毫米不等。尽管微波的频带宽度非常广泛，但目前的微波通信主要集中在 3GHz 到 40GHz 之间的频段，不过也正在向更高频率范围扩展，例如 71GHz 到 86GHz 的 E 波段。

常见的电磁波传输方式包括地波传播、天波传播以及视线传播等。地波传输通常在频率低于 2MHz 的长波范围内，它能够沿着地球表面传播，覆盖数百到数千千米的距离，典型的应用包括 AM 广播等。天波传输则主要在 2MHz 到 30MHz 之间的短波频段，可以通过大气电离层反射回地面，实现远距离通信。

目前，广泛使用的微波频段主要集中在 6GHz 到 42GHz，但几乎已经被占据。V 波段位于约 60GHz 左右，但由于大气吸收损耗严重，因此其传输距离相对较短。未来，微波通信将会在 E 波段迎来新的发展机会，这个频段具有高容量、低站间干扰、频谱资源充足等特点，将成为微波通信领域的重要增长领域。

卫星导航系统所使用的无线电信号属于特高频范围(300MHz 至 3GHz)。不同的卫星导航系统通常在载波频谱方面采取分隔的策略，使它们的频段互不干扰。同时，也存在部分频谱被不同卫星导航系统共享的情况。例如，GPS L5 和 GAL E5s 共享一部分频谱，北斗 B2 和 GAL E5b 也共享一部分频谱，而 GPS L1 与 GAL 则有一部分频谱共用。与此不同，俄罗斯的 GLO L1 则使用独立的频谱。

2.6. 全球导航系统的电文及定位的基本原理

以 GPS 为例，GPS 提供两种不同的定位服务方式：标准定位服务(SPS)和精密定位服务(PPS)。这两种服务方式的主要区别在于它们所使用的扩频码不同。标准定位服务(SPS)使用的是粗码(Coarse/Acquisition Code)，通常被称为 C/A 码，而精密定位服务(PPS)则使用的是精码(Precise Code)，通常被称为 P 码。无论是 C/A 码还是 P 码，都属于伪码的一种。

L1 频段的载波调制采用了 C/A 码和 P 码，其码元速率为 1.023MHz。在 L1 频段中， L1C/A 信号的精度通常为 300 米。L2 频段的载波调制只使用 P 码。L5 频段的载波调制采用了较高的码元速率，为 10.23MHz。在 L5 频段中，测距精度可以达到 30 米。

一个完整的导航电文包含 25 页，总共包括 25 * 1500 比特，需要 12.5 分钟才能传输完成；每一页或帧包括 5 个子页，合计 5 * 300 比特，传输一帧需要 30 秒；每个子页包含 10 个字，总计 10 * 30 比特，传输一个子页需要 6 秒；每个字包含 30 比特。每个子页的开头都包含遥测字(Telemetry Word，TLM)和转换字(Handover Word， HOD)。通过卫星发送的电文，GPS 接收机能够周期性地从卫星中解调出卫星传递的数据，例如卫星的位置信息，这使得接收机能够计算出卫星在空间中的坐标 (𝑋𝑛、𝑌𝑛、𝑍𝑛)以及卫星的时间信息，即发送卫星位置信息时的绝对时间𝑇𝑛。