全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。GPS作为GNSS鼻祖已经服务近40年,并从最初的军用开始切入到全球的民用位置导航服务,开始成为现代信息技术不可或缺的高精度PNT信息来源。
随着国防应用已经自主可控应用需求的推动,包括俄罗斯、欧洲、中国在内的众多国家和地区开始建设自有的卫星导航系统,目前主流四大全球卫星导航系统,包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、中国BDS(北斗)以及欧盟GALILEO。
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近年来,不仅中国等新兴国家在加大对自有GNSS系统的投资力度和加快建设进度,在高精度应用的推动下,美国也开始着手对其GPS系统的升级换代。其中,美国GPSIIISV01、SV02准备于2018年内发射,SV03也将在明年年初准备就绪,届时其精度将提高三倍,抗干扰能力提高八倍。另外,俄罗斯一颗GLONASS-M型导航卫星于2017年9月22日在普列谢茨克发射成功,目前GLONASS系统在轨卫星25颗。欧洲“伽利略”系统2017年至今共发射12颗全运行能力卫星,在轨卫星数量达到26颗,完成在轨测试后将基本达到全面运行能力。
我国北斗全球系统组网建设自2017年11月25日发射北斗三号组网卫星起进入快车道,不到一年时间内通过“一箭双星”技术完成十三颗星的发射,目前北斗卫星导航系统卫星数量已达三十六颗。2018年还将发射5颗左右北斗三号MEO卫星,北斗三号卫星在性能和可靠性上都有很大提高,星间链路解决了境外监测卫星的难题,增加了性能更优的互操作信号B1C和B2A信号,在进一步提高基本导航服务能力的基础上,按照国际标准还可提供星基增强服务(SBAS)和搜索救援服务(SAR)。
另外,在2012年北斗二号开始向亚太地区提供服务之后,在北斗三号全球组网稳步推进的过程中,国际交流也日益频繁,北斗双边和多边合作成绩斐然。与美国GPS系统和俄罗斯GLONASS系统都已实现信号兼容使用,并与阿拉伯地区展开合作,今年将完成北斗服务于“一带一路”沿线国家。目前,北斗导航系统覆盖了50多个国家、30多亿人口,国产北斗产品输出80多个国家和地区。预计2020年北斗三号组网完成后可以实现全球覆盖。我们认为,在北斗全球覆盖之前与美国GPS、俄罗斯GLONASS系统的兼容合作将有望加速北斗全球产业链的成熟,为之后的北斗全球覆盖打下坚实基础。
其中,2017年11月,中美签署《北斗与GPS信号兼容与互操作联合声明》,这标志着北斗和GPS在卫星导航系统的设计、建设方面,可以实现信号兼容使用,进一步提升了导航定位精度,更好地服务全世界用户。北斗在民用领域采用1575.42MHz这一各大卫星定位系统普遍采用的相似频率,一方面可以实现硬件不大改前提下的跨系统互操作,另一方面有利于北斗这一全球定位系统的后发者的全球化推广。
国家相关政策也为产业发展提供了支持与保障,政府高度重视北斗系统发展,将北斗系统列为科技重大专项,支撑国家创新发展战略国家、各部委、各省市纷纷出台相关或专项政策规划,以国家力量助推北斗产业发展,使北斗系统得以更好地深入各行业应用。另外,《中华人民共和国卫星导航条例》的研究工作也已取得积极进展,目前已完成草案初稿拟定,即将形成征求意见稿,该条例将从法制角度保障北斗系统的建设运行,促进北斗卫星导航产业的健康发展。
目前,我国正在推进以北斗系统为核心的综合PNT定位授时体系建设,争取到2035年构建起空天地海无缝覆盖、高精度安全可靠、万物互联万物智能的国家综合定位导航授时体系。而PNT体系是物联网、大数据、AI及智慧城市的技术手段,在物联网发展中具有核心传感器地位。
北斗卫星导航产业链可分为五个关键环节:1、卫星制造;2、卫星发射;3、地面设备;4、卫星导航应用;5、下游市场。卫星制造、卫星发射分别航天五院以及航天一院垄断;地面设备也是由国家投资部署,目前对外的北斗卫星产业链主要聚焦于导航应用终端以及系统集成和运营。
卫星导航产业链分为上游、中游、下游三个方面。1、上游包括基础数据、基础器件和基础软件,主要是天线、芯片、板卡、地图、软件等基础类产品,是卫星导航接收设备的核心部件;2、中游包括终端集成和系统集成两方面,包括手持终端、接收机、车载终端、船载终端等完整的卫星导航接收设备产品,及集成软硬件产品的业务应用软件;3、下游运营服务包括为用户提供入网注册、导航定位及基于位置的综合信息服务等。
产业链中游产值最大,下游保持快速增长态势。据《2018卫星导航与位置服务产业发展白皮书》,2017年我国卫星导航与位置服务产业总产值达2550亿元,较2016年增长20.4%,其中北斗贡献了超过80%。各环节均有所提升但增速不同,中游和上游受到芯片、板卡、核心器件、终端设备价格下降的影响,产值增速较去年进一步放缓,在全产业链中占比仍然呈现下降趋势。
上游产值在总产值中占比为11.27%,其中基础器件、基础软件和基础数据等环节产值分别占比为4.17%、2%和5.1%;中游产值在总产值中占比为51.92%,其中终端集成环节占比为36.79%,系统集成环节占比为15.13%;下游运营服务产值在总产值中占比增长到36.81%,在产业链各环节中涨幅最快。
目前我国卫星导航与位置服务产业链产值仍然主要集中在中游,但产值重心已经呈现出向下游转移的趋势,说明产业继续向平稳发展阶段过渡。
卫星导航芯片是终端接收机的核心模块,其中射频部分对微弱的模拟信号进行接收、滤波、放大、变频及放大,其性能决定了后续信号处理的效果。基带部分则实现对码信号的解算,其中相关器模块实现对码信号的“读取”。
“有机无芯”曾经一度是北斗的发展瓶颈,然而经过多年的努力深耕,目前国内自主芯片工艺由0.35微米提升到28纳米,总体性能达到甚至优于国际同类产品。2017年9月,华大北斗发布全球首款支持北斗三号信号体制的多系统多频高精度SoC芯片,为国产导航芯片打入国际高端市场奠定坚实基础,同时也将有力的推动北斗导航系统应用走出国门,更好地为一带一路沿线国家乃至全球客户服务。2018年9月,中海达发布其自主研发的北斗射频芯片“恒星一号”,在其在高精度芯片技术研发上取得的重大突破。截至2017年年底,国产“北斗”芯片累计销量突破5000万片,已经逐步形成产业的规模化。
另外,在空间段北斗三号使用了中国自主研制的第一片抗辐照四核片上系统芯片SoC2012,以及中国自主知识产权的计算器操作系统SpaceOS2,其性能是北斗一期使用的进口芯片的几十倍,与当前国际最高水平相当,竞争优势明显。中国航天科技集团五院北斗三号副总设计师高益军表示,北斗三号控制系统国产化单机达100%,国产化元器件应用水平提高,使用比例提高。业界认为,北斗三号控制系统在实现核心产品国产化的同时,牵引了国内相关技术水平的发展。
由于北斗导航芯片研发、流片、测试的前期投入很大,国家在北斗发展初期对芯片企业有一定的资金扶持,但在进入产业化阶段后,我们认为就必须依靠企业的自身能力赢得市场竞争。
板卡是利用导航芯片、外围电路和嵌入式控制软件,制成带输入输出接口的板级产品,用户利用这个模块结合应用需求能够开发各种应用。北斗芯片及板卡的功能相当于电脑的CPU与主板,用于信号接收后的解调和解算。
其中,高精度OEM板卡是高精度GNSS终端设备的核心,其成本占到了GNSS终端总成本的60%以上。由于高精度OEM板卡极高的技术门槛,高精度板卡市场份额长期被美国Trimble公司、加拿大NovAtel公司占据,价格居高不下,为实现自主可控,国内企业近年来致力于研制出自主板卡,并逐步投入使用,性能匹敌的同时价格却仅为进口板卡的一半,大幅降低了生产成本,也提高了公司自身的议价权。2017年,国产高精度板卡销量占国内市场的30%以上,已经输出到70余个国家和地区,其中“一带一路”沿线国家和地区30余个。
不同于大众消费市场,行业市场由于高度标准化以及需要配套服务的原因对GPS的依赖性相对较低,国产厂商有望通过本地化服务配合政策支持,凭借突出的性价比优势获得发展机遇。我们认为,随着北斗三号全球化以及“一带一路”优先覆盖及相关建设的推进,高精度GNSS应用有望在智慧驾考、智慧农业、智慧城市、无人驾驶等新兴产业的推动下实现高速应用,并凭借成本优势特别是更高的性价比实现国产化替代,并在“一带一路”方面获得更加广阔的市场空间。
北斗系统的集成及运营服务是指通过提供卫星定位系统平台作为与北斗地面段和空间段的接口,有针对性地集成各种软硬件平台,服务于终端用户并收取服务费形成收入的模式。随着北斗卫星导航系统的不断发展完善,产业开始逐步向运营服务方向迈进。据统计,2017年国内导航定位终端产品总销量突破6.1亿台,北斗终端用户持有量达5亿。一方面,用户数量的急剧增加使得市场对系统集成与运营服务的需求升温;另一方面,终端规模效应下,运营服务的边际成本可以接近于零,从而成为企业持续的利益增长点,并提高用户粘性。
目前我国北斗运营服务采用授权分离方式,即由运营主管部门授权分理单位,依法从事北斗运营服务业务。根据《北斗系统运营管理办法》,取得北斗系统运营服务许可证‛需具备下列条件:
(1)属于正式注册的境内合法企业,以卫星导航定位服务为主业;
(2)具备良好的专业资质、商业信誉和完善的质量管理体系;
(3)具备必需的北斗服务设施、技术力量和资金条件;
(4)拥有成规模的用户群体和明确的服务要求。
运营服务上取得相关运营资质能形成行业门槛,在运营服务中能够率先累积起一批客户并在后续的服务中由于网络效应快速地形成客户规模群,发挥规模效应。因此,运营服务存在先发优势,率先进入这个领域并妥善经营的企业将占领未来北斗导航产业的制高点。
另外,北斗运营资质的管理出于保密要求的同时,最主要的作用是维持北斗运营市场的有序竞争,每个申请资质的运营商都有明确的区域或者行业定位,预计运营市场将会呈现运营商诸侯割据的局面,具备北斗运营资质且有成规模的用户的企业将会获得稳定的收益。
据《2018卫星导航与位置服务产业发展白皮书》统计,2017年卫星导航行业应用规模增长主要以车船监管、高精度应用为主,车船监管市场需求总体稳定,相关产品及服务收入约在60亿元左右;高精度应用领域中形变监测、精准农业等细分市场呈现稳定增长态势,相关产品及服务总收入接近63亿元。北斗特有的短报文技术在林业、渔业以及公安应急系统中应用广泛。总结来看,我们认为整个北斗产业链全面加速,在未来2020年在总计4000亿的卫星导航产值空间有望按照预期贡献60%以上份额。
军工需求是北斗应用的刚性需求,2016-2017年,受军改进程影响,北斗军用相关产业的订单状况整体延后,相关企业表现不佳,但随着军改落地,因军改而延后的北斗军工订单开始加速释放,以北斗军工代表企业海格通信为例,2018年上半年军品新签合同9.36亿元,同比增长了164.2%。随着军改影响的消除,以及北斗三号建设对军方发展带来的巨大促进作用,北斗产业军品相关订单有望同步加速恢复。同时,在“十三五”期间,单兵设备有望迎来十年一次的换装机遇,北斗三号的升级也会推动相关设备的升级换代。
另一方面,近期国际环境趋于紧张,例如,美国针对叙利亚的空袭以及俄罗斯对美国无人机GPS信号干扰致使叙利亚至地中海东部的GPS全球定位导航系统已经全部失效,这不仅对战斗机和巡航导弹的精确度造成影响,还可能引起民航班机的事故隐忧,甚至可能导致飞机相撞。这说明在现代战争中GNSS卫星导航技术对其核心要义即精确制导、精确打击至关重要,这也是中国自台海危机之后立志布局自主可控的全球卫星导航系统的重要原因。
与此同时,我国为应对日益复杂的周边环境并提升我军现代化作战水平,最近两年国防支出持续提升,2017年国防支出预算首次突破一万亿大关,达到了10,443亿元,2018年为11,069.5亿人民币,较去年上涨8.1%,超过市场预期。北斗作为中国不再受制于GPS的重要战略手段,既是军用信息化的重点,也是未来国家安全的重点,有望持续受益国防信息化建设以及军改落地后的北斗采购复苏。
交通运输市场作为2017年北斗行业应用的重点领域,仍然主要集中在道路营运车辆、出租车、公务车、渣土车、内河轮渡、远洋船舶、海洋渔船等,为行业用户提供终端产品和系统集成服务,市场需求总体稳定,相关产品及服务总收入约在60亿元左右。
2017年,贵州、新疆、辽宁、黑龙江、浙江、山东等省持续推进北斗车辆监管,覆盖了包括公务车、校车、环卫车、渣土车、出租车和其他各种工程车辆,以全面保证运输安全,防止公车私用、乱倒渣土、非法校车、违规行驶等行为的发生。据不完全统计,2017年各地新增使用北斗终端的行业车辆超过10万辆,其中包括39000多辆出租车、16000 多辆公交车、11000多辆公务车、30000多辆运输车。
其中,北斗在公务车领域快速推进,自2016年起,为贯彻落实中央关于公务用车改革的重要指示,根据中办国办印发的《关于全面推进公务用车制度改革的指导意见》和《中央和国家机关公务用车制度改革方案》等文件要求,国家机关事务管理局所属单位组织北斗导航企业积极开展了公务车管理系统应用试点工作。经过两年时间,北斗公务车管理系统功能不断改进优化,平台服务愈加完善人性化,成为一款成熟强大的公务车管理产品。平台以电子地图实时显示公车所处位置,查询历史轨迹,进行路径分析,在监管的同时形成管理大数据平台。系统还具备“电子围栏”功能,车辆一旦驶出城区,或者驶入设定的敏感区域,非工作时段用车,系统都将会自动报警,切实提高管理实效,严防违规问题发生。2018年,华力创通成功入选北京市公务车辆信息化管理车载终端设备供应商名单,成为可向公务车提供北斗车载定位终端的厂商之一。
2017年高精度市场持续发展,国内专业高精度接收机终端出货量在14万台(套)左右,国产高精度接收机销量约占50%;高精度天线出货量17.2 万只,其中国内生产的天线超过13万只;高精度相关产品销售收入从2010年的11亿元人民币增长到2017年的近63亿元人民币,复合增长率高达28.4%。
经过十多年的发展,中国高精度GNSS 产业已基本形成并初具规模,产业链上各环节企业的竞争格局初步形成。一方面,内资企业着力开发国产高精度北斗卫星芯片、高精度测量型天线等基础元器件产品和高精度卫星定位产品,2017年9月,华大北斗发布全球首款支持北斗三号信号体制的多系统多频高精度SoC芯片,为国产导航芯片打入国际高端市场奠定坚实基础,同时也将有力的推动北斗导航系统应用走出国门,更好地为一带一路沿线国家乃至全球客户服务,目前,国产的高精度板卡和天线已经输出到70余个国家和地区,其中“一带一路”沿线国家和地区30余个。另一方面,由于高精度行业客户对整体解决方案的需求及相应服务的专业要求,对于GPS应用依赖性不高,因此国产高精度板卡及终端企业有望凭借高性价比以及满足各行业客户的定制化服务要求的能力,配合政策支持,构建产业护城河,最终实现国产产品替代。
位移监测作为高精度卫星导航的重要应用领域,相关解决方案在地质灾害监测、特殊建筑形变监测和智慧施工中被广泛应用。位移监测系统可以实现对尾矿库、山体滑坡重要数据的实时采集、传输、计算、分析,实时掌握其安全状态。直观显示各项监测、监控信息数据的历史变化过程及当前状态,提供简单、明了、直观、有效的信息参考。近年来,随着国家在地质灾害检测领域及尾矿库安全的高度重视,位移监测市场保持超过20%的年均增长,是公认的卫星导航应用领域最具潜力的新兴市场。
高精度应用更多的是应用在基建、形变检测等方面,大部分都属于政府相关工程,因此自主可控的技术将更加受到政府的青睐。高精电子地图是高精度卫星导航的另一重要应用分支,也是未来无人驾驶技术的稀缺资源和刚需,在整个领域扮演者核心角色,可以帮助汽车预先感知路面复杂信息,如坡度、曲率、航向等,结合智能路径规划,让汽车做出正确决策。“北斗高精地图+5G+人工智能”共同构建了无人驾驶的未来。在传统前装地图领域,目前主要有四维图新(腾讯)、高德(阿里)和易图通(阿里)三家地图供应商,占据99% 的前装地图市场份额,这三家地图供应商具有各自稳定的整车厂客户群体。2018年8月,高德地图与千寻位置就“高精度地图+高精度定位”达成战略合作,该方案不仅能帮助无人驾驶汽车实时实现自身精准定位,还能及时准确了解周围环境信息,在弥补激光雷达等相对定位技术不足基础上,大范围削减行业成本,推动无人驾驶技术早日市场化。
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