卫星物联网以卫星通信为信息传输的主要方式，按照空天地一体化信息网络的标准通信协议，利用卫星通信传感器和地面通信网络不便于连接的其它传感器等信息感知装置，获取物体信息，并通过多种网络接入技术，将物与物、人与物、人与人连接起来，进行信息交换与通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功能。
与传统物联网相比，卫星物联网具有以下优势：
卫星物联网的兴起将为全球范围内的信息互联提供更广阔的可能性。目前，行业正在深入布局和积极探索推动卫星物联网高质量发展。在数字中国快速发展的当下，卫星物联网正发挥着日益重要的作用。
卫星物联网产业发展态势
卫星物联网作为一种支撑万物智联的新型通信方式，可面向地面和空中终端提供物联网接入服务，在军民领域均具有巨大的战略价值和经济价值。目前，美欧等发达国家/地区正在加快构建数量庞大的，具备实时信息处理能力的卫星系统，以形成能辐射全球的规模组网。在我国，卫星物联网作为国家新型基础设施建设的重要组成部分，在国家政策法规、技术升级、市场需求等多重驱动下，相关应用正加快落地，产业规模迅速发展壮大。
卫星互联网连接和市场规模发展迅猛
在连接规模方面，综合Berg Insight、ABI Research、Juniper research等机构数据，2021年，全球卫星互联网用户规模为390万，预计2026年将达到2120万，CAGR=40.3%；而到2030年，全球非地面网络（NTN）移动连接数预计将大幅增至1.75亿，其中，基于5G NTN的卫星通信连接数达到1.1亿；2031年，NTN与5G的融合，将有望创造约2亿个连接。在上述连接数中，物联网连接将占据大多数份额。
在市场规模方面，综合中国信通院、ABI Research、Juniper research、Omdia、麦肯锡等机构数据，2023年，全球卫星服务的市场规模将达到1246亿美元；在卫星服务快速发展的带动下，到2025年，卫星物联网的整体产值可望达5600-8500亿美元；2027年，全球卫星通信终端市场规模将达到109亿美元；2024-2030年，电信运营商将从基于3GPP的5G卫星网络中获得170亿美元的额外收入，而到了2031年，NTN与5G的融合甚至有望在当年内创造出价值180亿美元的市场规模。
全球多个发达国家/地区加速布局卫星互联网发展
在市场前景驱动下，各国高度重视卫星互联网的发展，纷纷出台支持政策。例如：
美国航空航天局致力于将航天技术转化民用和促进商业化推广，加强以商业航天为主导的发展模式，美国联邦通信委员会大力支持低轨卫星通信网络的发展，同时在卫星频率使用政策的制定上注意“预留”频率资源；商业领域的私营企业积极强化与美军方和联邦政府航天机构的合作关系，争取了大量资金。目前，美国已形成由SpaceX、Astra、亚马逊、波音公司等为主要核心成员的强大的低轨卫星网络发展企业群。
欧盟确定了主权星座计划方案，2023年2月，欧洲议会议员投票通过了欧洲议会和理事会制定的关于安全连接计划（IRIS2）提案，旨在到2027年部署一个欧盟拥有的通信卫星群，通过减少对第三方的依赖来确保欧盟的主权和自主权，以及在地面网络缺失或中断的情况下提供关键通信服务，以使欧盟拥有主权网络。
韩国科学技术信息通信部公布“卫星通信振兴战略”，政府计划2025年至2030年投资4800亿韩元（约合25亿元人民币）用于新技术研发，以增强低轨道卫星通信产业的竞争力。韩国政府决定将“卫星通信领域”指定为主要出口产品产业，目标到2030年将该领域的出口收入从2022年的3.5亿美元提高到30亿美元以上。韩国官员甚至提出“将卫星通信创造为‘第二个CDMA神话’，进入先进国家行列”。
俄罗斯在《2016-2023年联邦航天计划》中将通信卫星列为优先发展方向，并开始着力增加民用卫星数量，拓展商业市场；开展“球体”Sphere计划以对标美国Oneweb和Starlink，积极布局和发展自己的商业低轨星座。
英国“一网”（OneWeb）卫星互联网系统建设取得进展，初始星座将由648颗Ku波段卫星组成，第二、三阶段（2027年前）将发射2000颗V波段卫星。
加拿大电信卫星公司（Telesat)）在加拿大政府的支持下发展大规模互联网星座“光速”（Lightspeed）。2023年8月，Telesat和太空技术公司MDA签署价值15.6亿美元的合同，MDA将承包其低轨卫星网络的卫星制造工作，为其近地轨道计划“Lightspeed”制造198颗卫星。
同时，还是众多其它国家发布和更新了航天战略政策，加大航天投入，推进高新技术研发，从政策、资金等多个维度支撑本国航天工业发展。
中国为卫星互联网发展创造良好政策环境
我国政府高度重视和支持卫星互联网发展，自2014年《国务院关于创新重点领域投融资机制鼓励社会投资的指导意见》首次提出“鼓励民间资本参与国家民用空间基础设施建设”，中央及地方持续发布相关政策，助力产业发展。特别在卫星互联网、低轨卫星通信等领域，进入2023年，从中央到地方各级政府的政策支持导向愈发明确，出台了各种形式的政策和支持意见，推动产业进入高速发展阶段 。
图 国家及地方关于空天信息产业的政策整理
国内已形成“国家队主导，新兴力量广泛参与”的竞争格局
在政策大力支持和产业规模迅速发展壮大的推动下，目前我国已形成了较为完整的卫星互联网产业链，总体竞争趋向多元化：
图 中国卫星互联网产业链竞争格局
长期以来，我国卫星市场都由国企主导，卫星互联网产业发展初期同样由航天国企业牵头。2021年4月，中国卫星网络集团公司（中国星网） 正式成立，专门负责统筹中国卫星互联网的规划与运营，同期中国星网发布“GW”星座计划，从已发布规划的星座计划数量来看，未来中国星网将成为我国卫星互联网行业的“领军者”。
与此同时，近年来众多企业也陆续参与到我国卫星互联网产业的建设当中。除专注低轨卫星制造和火箭发射技术的九天微星、银河航天等上游企业外，还有更多的企业将目光投向了技术、资金要求相对较低的中下游运营及服务环节，成为了卫星互联网产业链中重要的新兴力量。
表 卫星互联网产业链下游运营及服务环节主要参与企业
卫星物联网应用市场发展形势
运营及服务是卫星互联网产业链的四大环节之一，其主要包含卫星移动通信服务、宽带广播服务以及卫星固定服务等：
图 卫星互联网产业链四大环节
从具体应用场景来看，卫星互联网的核心应用场景主要包括偏远地区通信、海洋作业及科考、航空通信、灾难应急通信等。
图 卫星应用及服务下游主要应用场景
从以上主要应用场景的描述可以看出，卫星互联网的下游应用主要有三类业务：
图 卫星互联网的三类主要业务
在未来，伴随着人工智能、地理信息、软件与信息服务等技术不断进步，越来越多的行业应用场景将得以开发，下游卫星物联网的潜在市场空间巨大。
尤其是，低轨卫星星座在发射成本和实现全球覆盖等方面具有明显优势，并且具有较强的抗毁性、低传输延时性和低功耗链路等特点，因此以低轨道、巨型、星座为特征的低轨道宽带卫星网络系统在世界范围内呈现蓬勃发展的态势，其非常适合卫星物联网应用的发展：
目前，我国卫星应用主要包括遥感、科技试验、通信、导航和其它。2022年，我国各类在轨卫星构成分别为：遥感占比54.7%、科技试验23.7%、通信12.4%、导航9.1%、其它0.2%。
图 2022年中国各类在轨卫星占比构成
在数字经济快速发展的背景下，遥感、通信、导航成为商业前景最为看好的三大卫星物联网应用。
遥感服务商业化方兴未艾，市场集中度仍偏低，业内众多主体仍有较大发展机遇
根据《中国地理信息产业发展报告（2023）》，截至2022年末，我国民用遥感卫星在轨工作294颗，其中商业遥感卫星在轨工作189颗，占比超过六成。2022年我国新增商业遥感卫星为2021年的3.3倍、2020年的6.4倍，商业遥感卫星成为我国民用遥感卫星的主体。目前，我国遥感卫星已形成由陆地卫星、气象卫星和海洋卫星组成的强大对地观测体系，数量和质量都达到世界先进水平。
在下游的应用领域构成上，国土资源、农业林业、科研需求占比较大，分别为31%、18%、12%，接下来依次是城市建设7%、环境监测6%、水利5%、矿业3%和气象2%。
图 2021年中国遥感卫星下游应用行业结构
商业遥感卫星的蓬勃发展，促进了卫星制造商业化和卫星遥感图像的商业应用。面对国内遥感卫星数据巨大的市场，遥感服务商业化方兴未艾，面向政府、企业和个人的应用市场持续扩大。目前，我国商业遥感卫星行业由于技术要求较高，行业内企业数量有限，部分企业由于布局较早，在某些细分领域已产生了优势，例如四维图新基于遥感数据开发的电子地图业务国内领先；航天宏图商业遥感卫星运营业务覆盖度位于行业前列；中科星图作为国内最早开展数字地球业务的企业，已开拓了下游诸多行业的应用。但综合看来，我国目前商业遥感卫星市场集中度仍偏低，2021年，CR3约为20%，CR5约为23%，未来随着政策加持、技术进步，或出现马太效应局面，市场集中度可能进一步提高。
图 2021年中国商业遥感卫星行业市场集中度
从中国商业遥感卫星行业内企业业务布局情况、商业遥感卫星相关业务占比情况来看，中国卫星、欧比特、长光卫星、世纪空间布局全产业链业务，竞争能力强；航天宏图、中科星图、超图软件和四维图形在商业遥感卫星运营应用领域具备较强的竞争实力，其中航天宏图已计划建设自有星座，业务向产业链上游延伸，未来竞争力有望进一步加强。
卫星物联网通信蓄势待发，移动通信产业链和卫星产业链的合作正不断加速
通信卫星是卫星应用中最早实现商业化的，目前，我国通信卫星商用比例超过了55%。
图 中国通信卫星下游应用结构
卫星通信技术、信号处理技术、设计制造技术的进步和市场需求的不断增长将促进卫星通信业务和模式的发展，卫星通信正与地面移动通信和物联网紧密融合。尤其是，随着3GPP在R17标准中引入NTN，将卫星通信作为地面网络的必要补充，以及ITU将空天地一体网络列为6G七大关键网络需求之一，移动通信产业链和卫星产业链的合作正不断加速。
物联网智库在《超1亿连接、千亿美元市场，5G卫星通信飞入寻常百姓家》《老牌卫星公司启动NB-IoT项目，3GPP阵营影响力进一步扩大》等文章中曾对此进行过详尽介绍。R17有两个工作组对NTN进行标准化工作，一个是针对移动宽带的NTN标准，另一个是针对物联网用例的NTN标准，前一个采用5G NR框架进行卫星通信，实现从地面到卫星的固定无线接入回传，并为智能手机直接提供低速率数据服务和语音服务；后一个侧重支持低复杂度eMTC和NB-IoT等LPWAN终端卫星接入，扩大众多场景的网络覆盖范围，如全球资产追踪等。
根据ABI Research的跟踪数据，过去一年中，如苹果、华为、中兴、高通、摩托罗拉、联发科等通信行业代表与Globalstar、Inmarsat、铱星公司等卫星运营商加大战略合作伙伴关系，推进蜂窝通信和卫星通信的融合。同时，众多移动通信运营商也加入其中，希望通过与卫星运营商的合作扩大其网络覆盖范围。在海外，美国运营商T-Mobile与马斯克旗下的星链合作，提供卫星到移动通信连接的服务；AST SpaceMobile和Lynk Global与多家运营商建立战略联盟，包括沃达丰、乐天移动、AT&T、加拿大贝尔、MTN、法国电信、西班牙电信等。
在3GPP R17冻结后不久，爱立信、泰雷兹、高通三家海外巨头宣布启动5G太空项目，计划通过开发卫星网络，使智能手机用户无论身处何处，都能获得高速连接，该项目是测试如何利用近地轨道（LEO）卫星运行5G网络，以帮助极端地理位置和偏远地区的个人接入互联网。三方计划在4-5年内发射卫星，耗资可能达到80亿欧元，预计最终网速可以实现几十Mbps，速度介于4G和5G之间。与星链相比，这一项目将依赖更大、更少的卫星来实现全球覆盖，最终可能需要600-800颗卫星。三家提到，该项目前期测试的目标是验证支持5G NTN所需的各种技术组件，包括5G智能手机、卫星有效载荷和地面5G网络部件。这项工作还希望验证5G NTN可以在智能手机组成元素中得到支持，从而使未来的5G智能手机与卫星电话融合。爱立信计划验证5G虚拟无线接入网技术，泰雷兹公司计划验证一种适合部署在低轨卫星上的5G卫星有效载荷，通过高通提供的智能手机，验证5G NTN可以被未来的5G智能手机访问。三者将使用地基设备来模拟在轨卫星和5G智能手机连接之间的传播速度和时延。
进入2024年后，铱星公司宣布正式启动基于3GPP标准化NB-IoT NTN卫星直连项目Project Stardust，相关方案将直接部署在铱星现有的卫星网络上，使该公司能够为其客户提供高质量的专有和标准化D2D物联网服务。根据铱星公司披露的数据，该公司为全球220多万用户提供支持，过去五年，该公司的用户实现了15%的年复合增长。截至2023年第三季度，铱星大约为170万物联网客户提供服务，其中包括约90万个人追踪器和卫星信息。铱星公司目前正在与几家专注于卫星直连和物联网公司合作，以了解他们的用例、要求和最终用户需求，并将其纳入其计划的服务中。该公司预计NB-IoT卫星服务测试将于2025年开始，2026年正式提供服务。
IoT-NTN还未投入规模商用，但多个卫星通信融入低功耗广域物联网的需求场景已比较明确，在农业、海运和物流部门以及资产跟踪等领域将大有作为。卫星将提供的真正的全球物联网连接，提升环境监测、农业、公共基础设施管理以及与广域遥感相关的效率。低成本、低功耗、全球连接的可用性将增加连接传感器的总数，以及各种全球环境、社会、工业、农业和物流应用中的数据点，从而提高基于数据的预测和趋势的准确性。
卫星导航应用正处于从卫星导航与位置服务向中国北斗新时空服务发展过度的重大变革期
当前，我国卫星导航技术体系的发展，正在从卫星导航与位置服务技术体系向空天海地协同的综合定位导航授时（PNT）技术体系迈进。行业和大众的需求变化瞄向了精准、泛在、融合、安全和智能化的发展方向，各行各业主动“+北斗”创新与应用渐成主流。技术融合与产业融合全面推动北斗应用服务向深度和广度发展，推动传统产业改造升级，实现数字化转型。
图 卫星导航与位置服务技术体系与PNT技术体系的简单对比
根据《中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书（2022年）》数据，2021年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达到4690亿元，较2020年增长16.29％。由卫星导航应用和服务所衍生带动形成的关联产值同比增长约18.20％，达到3236亿元，在总体产值中占比达到69％。截至2022年中，我国卫星导航与位置服务领域企事业单位总数量约为14000家，从业人员数量超过50万。截至2021年底，业内相关上市公司（含新三板）总数为90家，上市公司涉及卫星导航与位置服务的相关产值约占全国总体产值的8.7％左右。同时，我国卫星导航与位置服务领域自主创新能力持续提升，2021年，中国卫星导航专利申请累计总量（包括发明专利和实用新型专利）突破9.8万件，继续保持全球领先。
图 2006-2021年我国卫星导航与位置服务产业总体产值
北斗已成为智能手机、可穿戴设备等大众消费产品定位功能标准配置。国产华为、OPPO、VIVO、小米、努比亚、酷派等智能手机厂商均全面支持北斗系统应用。北斗地基增强功能已进入智能手机，可实现1米级高精度定位，正在中国多个城市开展车道级导航试点应用。具备北斗三号短报文通信能力的大众手机也已面世。
在物联网应用方面，随着2021年“新基建”战略的推动，北斗系统在交通运输、公共安全、救灾减灾、农林牧渔、城市治理等行业领域，以及电力、水利、通信基础设施建设等方面，已逐步形成深度应用、规模化发展的良好局面，正在全面赋能各行各业并实现显著效益：
目前，卫星物联网在遥感、通信和导航领域分别面临着不同的挑战，业界需要加快突破瓶颈，进一步推动实现高质量发展。
卫星遥感面临的重大挑战
以负担得起的创新技术和测量概念解决新问题，以及处理在过去半个世纪的卫星遥感实验中积累的旧问题，是卫星遥感发展面临的总体重大挑战。具体来说，需要解决和补足的有以下几个重点方面：
一是增加卫星观测的空间和时间覆盖范围和分辨率。卫星遥感可用的卫星数据的覆盖范围局限性明显。例如，在近地轨道上的极地轨道成像仪通常在至少一天（但大多数是两天或两天以上）内实现全球覆盖，因此许多具有较高时间和空间变异性的自然现象没有完全捕捉到。高轨道对地静止观测通过提供对同一天体的频繁日观测解决了这一限制。但在卫星图像的空间覆盖和分辨率之间存在一个权衡（通常为较高的覆盖导致较低的空间分辨率）。实现广泛的时空覆盖和高空间分辨率的观测对许多行业应用都是有价值的，但也具有很高的挑战性。因此，卫星观测的设计可能需要新的创新、辅助数据和互补观测的协同作用，以解决特定物体和相关问题。
二是部署能力增强的卫星仪器并探索观测的协同作用。目前卫星提供的数据对于很多行业应用来说，信息内容还是有限的。因此，部署具有增强能力的卫星传感器是可行的并亟待提上议程。与此同时，在复杂的环境中，没有一种单一传感器能够提供目标物体的全面信息，因此需要探索互补观测的协同效应。
三是开发下一代最为先进的数据处理方法。遥感反演算法的质量是影响数据产品最终质量的一个关键方面。对于云的精确卫星遥感，仍然存在一些算法上的挑战，迫切需要针对几何和光学复杂介质建立以反演为目标的快速而精确的三维RT模型，并结合气体吸收光谱特征和云粒子散射模型；还需要发展可靠的三维辐射模型，以计算陆地表面的水平不均匀性，以便充分解释所有卫星图像；另一个相关的突出问题是构建三维云场来模拟三维辐射场。
四是实现一致的卫星观测和长期数据记录的连续性。基本气候变量的长期和高质量记录对于监测和研究地球气候变化至关重要。否则，无法正确解释多仪器数据记录中的空白，卫星记录的价值几乎消失。因此，每个仪器的绝对校准和多个相关传感器的相互校准对于几乎所有卫星遥感目标观测的成功仍然至关重要。校准许多仪器具有挑战性，特别是对于小型卫星星座。
卫星通信面临的系列难题
卫星通信技术当前面临频谱资源的有限性、安全性和抗干扰能力、成本、法律法规和标准的缺乏以及可持续性和环境影响等一系列难题。
首先，频谱资源的有限性是卫星通信技术所面临的一个重要问题。随着移动通信、互联网、物联网等应用的迅猛发展，对频谱资源的需求越来越大。然而，目前可用的频谱资源有限，无法满足日益增长的通信需求。特别是在高速数据传输和高质量视频传输方面，需要更宽带的频谱资源支持。因此，如何合理利用有限的频谱资源，并解决频谱分配和管理的问题，将成为卫星通讯技术发展的关键。
其次，卫星通信技术的安全性和抗干扰能力也是一个重要考虑因素。卫星通讯系统容易受到恶意攻击和干扰，可能导致通信中断、数据泄露甚至信息破坏等问题。例如，恶意用户可能会利用无线电频率对卫星通讯进行干扰，影响通信质量和可靠性。此外，黑客攻击可能导致卫星通讯系统被入侵，造成安全风险。因此，加强卫星通讯系统的安全设计和措施，提高抗干扰能力，保障通信的稳定和可靠性至关重要。
第三，卫星通信技术在成本方面仍然存在一定挑战。卫星的研制、发射、维护和运营都需要大量的资金投入。此外，卫星通讯系统的终端设备和使用费用也相对较高。尤其是在一些偏远地区和发展中国家，由于经济和基础设施限制，卫星通讯技术的成本可能超出了普通用户的承受能力。因此，降低卫星通讯技术的成本，提供更加平价和可负担的服务，将有助于推广和普及卫星通讯技术。
最后，卫星通信技术的可持续性和环境影响也是一个关注的问题。卫星的发射和运行会产生大量的二氧化碳排放和太空垃圾。特别是在低轨道卫星系统的应用中，数量庞大的卫星密集运行可能增加太空垃圾的风险。解决这些问题需要采取可持续的设计和操作措施，包括推动卫星回收和再利用、加强太空垃圾监测和清理等。
北斗发展面临的两方面挑战
一方面，部分行业用户对服务性能要求越来越高，目前无法满足。如部分关键基础设施、金融、电网、通信等行业，都要求北斗系统有更高的安全性，更高的可用性以及抗欺骗性；自动驾驶、智能交通领域，则会要求更高的精度。当前北斗的双向授时功能帮助电网实现了全网时间同步、终端状态可观、时间精度可控，保障企业安全生产。然而随着技术体系的成熟，相关行业会对北斗的服务性能提出更高的要求，预计在“北斗+”的各个领域，都会对北斗的服务性能提出越来越高的要求。
另一方面，卫星信号的“脆弱性”导致复杂环境下的应用受限。如复杂地形环境下易受遮挡、多径复杂；而复杂的电磁环境下，易受干扰和欺骗。在卫星信号的环境段，从地面海上开始，到近地空间，直到地外空间，乃至深空，有着不同的电波传输介质，自然和人为的电磁干扰，以及地形地物和植被的影响都会干扰卫星信号。环境段不仅影响到定位、导航和授时的精度，而且也会影响到用户接收机的正常工作，甚至导致信号中断。
写在最后
卫星物联网在遥感、通信和导航领域应用面临的挑战，总的而言，可以归纳为技术/服务性能不满足客户需求、技术创新的成本过高、技术的安全性和抗干扰能力不足等。如果说政策环境和卫星物联网应用服务商的投入将影响当下行业发展的快慢，那么技术与市场、供与需的高性价比对接，将决定卫星物联网应用走得多远，这也是未来业界创新发展需作为首要关注的重点。
1.未来已来，系统架构3.0巨变叠加AIoT 2.0新时代
2.开源加持,首个电力物联操作系统如何释放AIoT+智慧电力新动能？