无人驾驶飞机(UAV)是以空气动力为升力来源、无人员搭载的空中飞行器,可以重复使用并携带任务载荷。除无人机和任务载荷外,飞行任务的完成还需要控制、通信、维护、发射、回收设备等。随着系统概念的发展,无人机与以上设备组成的完整系统被称为无人机系统(UAS)。相比有人驾驶,无人机系统消除了驾驶员的生存、安全及舒适限制,成为长时间停留、进入有害环境或高危作战任务的更优选择。由于减少了人员训练成本与相应装置配备,无人机系统具备降低全寿命周期成本的潜能。
根据用途,无人机分为军用与民用两类。军用无人机包括无人侦察机/监视机、无人战斗机、通信中继无人机、电子干扰无人机和靶机等,这些设备的不同载荷决定了它们的杀伤性差异。无人侦察/监视机利用光学照相机等电子侦察设备采集信息;无人战斗机配备硬杀伤武器实施空中对抗或对地轰炸;通信中继无人机扩展通信数据的传输范围;电子干扰无人机采用有源或无源干扰方式,诱导敌方雷达等电子设备暴露并实施破坏;靶机用于地面防空兵器效能鉴别及相关作战人员训练。
民用无人机进一步分为消费级和工业级。消费级无人机关注拍摄效果与操作简易性,主要用于影视拍摄、日常拍摄等航拍娱乐类;工业级无人机则致力于经济效益的创造和行业问题的解决,包括国土资源调查、气象探测、搜捕营救、反恐除暴、边境巡检、农业植保、林业防护、短途快递投放、长途物资运输等。
无人机系统通常由飞行平台系统、任务载荷系统、地面系统与综合保障系统构成。飞行平台系统是无人机的主体,整合动力装置、飞控系统、导航系统等部件后携带载荷实现空中飞行与任务执行。任务载荷系统是决定无人机不同用途的关键,所涉及任务设备包含侦察搜索设备、测绘设备、军用专用设备、民用专用设备等。
飞控系统是无人机飞行过程中的核心系统,可类比为有人机中的飞行员。飞控系统具备飞行控制和飞行管理两大功能,前者保障飞机运行的平稳性,后者包括数据设备管理和特定情景响应。自主控制、半自主控制、指令控制与人工控制是常见的无人机控制方式。自主控制利用传感器新获信息、预设航路信息及任务规划信息自动控制飞行;指令控制由飞控系统接收地面控制站的操作员发送的遥控、遥测指令;半自主控制则结合两者。
数据链路为无人机与地面系统双向数据传输的通道。数据链路分为机载部分和地面部分,两部分由射频接收机、发射机、调制解调器等数据终端及天线共同构成。依据空地间传输方向的差异,数据链路分为上行链路和下行链路。上行链路主要负责地面站发送遥控指令,下行链路主要负责无人机发送遥测数据、红外或电视图像。
民用无人机领域,上游多为零部件制造商和分系统制造商,无人机主机厂承担系统集成及服务提供的职能。上游环节分为零部件、任务载荷件、分系统研制商。零部件制造环节包括芯片、电池、电机、发动机、结构件等;任务载荷件环节包括航摄相机、激光雷达、航摄仪、高光谱成像仪等专业任务载荷;分系统研制商分为飞控导航、飞行器、任务载荷、地面指控等分系统。
中游环节包括系统集成商和服务提供商,系统集成商多指仅包含无人机系统集成,但多数企业已涉及服务提供,如无人机航飞数据整合、飞行培训、技术支持、售后维修、租赁等。民用无人机下游应用广泛,包括娱乐、测绘、巡检、安防、应急、农林牧渔等。
军用无人机系统产业链构成与有人机类似,使用环境差异及对抗性特征下,产业链复杂程度高于民用无人机。军用无人机系统在机体平台缺乏飞行员控制,减少了包括制氧系统等与维持飞行员生命体征的相关设备系统。军用无人机系统是人-无人系统装备构成,系统复杂程度远高于民用无人机,通常包含地面站等设备,需要地面站人员对无人机进行控制。军用无人机的使用环境、对抗性特征与民用存在较大差异,因此军用的产业链复杂程度高于民用。
军用无人机系统成本以直接材料为主,机体、任务载荷成本占比高。无人机平台为构成军用无人机营业成本的主要分系统,机载武器贡献较高成本占比。依据无人机系统的各组成部分关联交易采购额,计算出无人机平台、地面站、任务载荷及综合保障系统所需采购金额占比。其中无人机平台由机体、飞机管理、动力、机械电器和机载数据链各系统组成。
民用无人机成本构成与军用无人机类似,直接材料仍是营业成本的主要构成。公共安全领域,观典防务的无人机系统中,直接材料占营业成本的比重分别为60.94%、55.55%、64.61%和71.27%,制造费用占比约为20%。工业领域,纵横股份的无人机系统中,原材料成本占主营业务成本的比例分别为84.95%、69.92%、74.26%和73.41%。
载荷(传感器)方向升级或为军用无人机中短期内的主要发展方向。以美国高空长航时侦察机“全球鹰”项目为例,不同批次机型的更新升级方向主要与载荷(传感器)有关。据《Global Hawk Systems Engineering case study》,“全球鹰”从Block 0~Block 40过程中,主要升级方向与其传感器有关,如从Block 10的基础版集成传感器套件升级至Block 40的增强型EO/IR传感器。
无人机任务载荷技术迭代主要体现在传感器、通信中继载荷与机载武器。军用无人机系统的任务载荷可以分为传感器、中继技术设备、武器弹药及货舱四类。其中,传感器方面的重点技术研制方向包括多光谱/超光谱成像(MSI/HIS)、合成孔径雷达等。合成孔径雷达将实现对地面动、静态目标的精准定位。为满足无线通信功能和兼容性需求,通信载荷利用软件支持多种波形或成为主流发展趋势。机载武器方面的技术发展方向由现役改进转向专用研制和新技术攻关。
长期看,隐身、高空、高速、长航时等技术或为军用无人机长期的发展方向。隐身、高空、高速、长航时不仅保障无人机的运行安全,还能扩大无人机作战半径,提升工作效率,从而进一步发挥军用无人机系统战场侦察、监视和攻击作用。无人僚机平台以成本可承受的方式有效增强作战能力,提升作战体系的生存性,利用无人僚机平台的可消耗、可复用、价格适中、可搭载各种载荷等优势,成为增强作战能力的可承受的有效途径。
军用与民用无人机市场均快速增长,2019年全球军用无人机和民用无人机市场规模分别为703.30亿元、657.38亿元,分别占比51.69%、48.31%。预计到2024年,全球无人机市场规模将突破5000亿元。国内无人机市场空间快速扩大,2019年国内无人机市场规模已达435亿元。军用方面,我国无人机系统发展势头较为迅猛,总体来看,我国无人机设计制造技术已达到世界先进水平。民用方面,得益于消费升级及工业领域应用场景的扩大,民用无人机市场规模也在逐年扩大。
军用无人机市场发展日趋成熟,战争中无人机的任务范围越来越广泛。军用无人机对续航能力、巡航速度、飞行、高度、作用距离、任务载荷等都有很高要求,根据不同用途搭载各种专业的军事设备。广泛应用到侦察预警、电子对抗、通信中继、军事打击、战斗评估等领域。多因素驱动无人机在军用领域需求不断扩大,作战环境持续的快速演变需要创新无人机系统作战运用概念。军用无人机具有人员零伤亡、作战性能优越、成本低等显著特点,已经成为现代战争不可或缺的重要武器平台。
军用无人机全球市场空间持续扩大,我国军用无人机的国际市场竞争地位逐渐加强。据中航无人机招股书,援引蒂尔集团的报告,2019年-2028年全球军用无人机年产值(含采购)逐年增长,到2028年产值预计达到147.98亿美元,年产值(含采购)复合增长率约5.36%,市场保持可持续的稳定发展。预计至2024年,测绘与地理信息、巡检、快递物流、安防监控等为我国工业无人机前四大应用市场。
工业无人机应用场景日益完善。工业无人机产品具有使用成本低、地勤保障要求低、机动性强、安全性高、提供信息更加及时等优势,相比于传统作业方式,工业无人机更能胜任复杂环境下的作业任务。随着工业无人机技术的进步和行业解决方案的成熟,工业无人机应用场景日益完善,目前工业无人机产品已成熟应用于巡检、测绘与地理信息、安防监控、农林植保等领域,正在进一步拓展应急、水利、环保、气象、物流运输等新兴应用场景。
美国、以色列、欧洲等为军用无人机领先者,中国起步较晚但发展势头迅猛。按技术水平划分,美国、以色列、英国和法国等国军用无人机研制生产水平领先,型谱基本完备,是国际军用无人机市场的主要竞争者;中国、俄罗斯、日本等国有能力从事军用无人机的自主研发,但发展略慢于领先国家。具体来看,美国是世界上最早研制并使用无人机的国家之一,技术先进,种类丰富,已形成覆盖高、中、低空,远、中、近程,大、中、小型,战略、战术、攻击、对抗多层次的完整无人机体系。以色列无人机技术主要源自美国,依托仿制、改造、自主创新逐步发展起来,在无人机技术方面成为美国之后的世界第二号强国,其无人机战术运用经验丰富,已形成从长航时无人机、战术无人机到攻击无人机的较为完整的无人机体系。
下游丰富的应用场景,致民用无人机领域竞争分化趋势日益显著。按照应用场景分类,民用无人机下游应用场景包括航空测绘、工业与能源、娱乐与媒体、森林防火、高空成像、地理制图、灾害预警、精准农业、零售快递、安防与监控等。据《Commercial Drones Market: Global Industry Analysis, Market Size, Trends, and Forecast up to 2023》(Infinium Global Research Analysis),全球范围内,除娱乐摄影外,不同应用场景市场空间较为接近。据纵横股份2021年1月披露的招股书,工业无人机细分场景市场规模持续增长,行业解决方案日益成熟,工业无人机市场参与者积极拓展应用场景,导致行业竞争分化趋势日益显著。
多数无人机主机厂为OEM集成商,在传统OEM供应链框架中,经济力量多由供应链最上游和最下游主导,而中间环节较多承担系统创新迭代的职能。与有人机相比,无人机OEM特征更为明显,即创新力量更集中在中上游环节,下游渠道商及分销商的经济力量相对更为突出。创新力量方面,军民用无人机厂商更多承担的是平台设计及总装职责;经济力量方面,军贸出口及民用领域分销渠道多为外部控制,民用领域存在部分重点渠道商/分销商,军用外贸方面存在牌照优势,因此,在最终用户对于经济性的追求下,成本压力向上转嫁。
民用无人机主要是对人的替代,需求此前已存在,强调替代效应。根据应用领域,民用无人机可分为消费级与工业无人机。消费级主要以满足消费者娱乐需求为主,强调飞机的便携性和易操作。工业无人机可通过搭载不同的任务载荷实现多样化的功能,其可代替人工更好地完成数据采集、高空拍摄、地质遥测、远程监控等作业。随着工业级无人机技术的不断成熟,无人机在禁毒侦查、环境监测、反恐巡逻、航空测绘、农林信息化和电力巡检等领域应用不断深入,通过代替人工作业实现降本增效。
民用无人机载体特征较为突出,核心功能在于数据获取。我们认为,民用无人机功能的实现,核心在于利用不同的任务载荷,在不同的应用场景获取原始数据。例如,测绘领域,主要通过无人机搭载相机、激光雷达、光学相机等任务载荷获取测绘与地理信息数据;电力巡检领域,利用无人机搭载可见光、红外、紫外、激光雷达等检测任务载荷对输电电路进行飞行巡检;安防监控领域利用无人机搭载高清数码相机、摄像机等模块,完成空中侦查等任务。
军用无人机实际上是人-无人系统装备系统,不同于民用无人机,军用无人机更多的是对有人机的补充,而非对人的替代。军用无人机系统主要由无人机平台、地面站、任务载荷及综合保障系统构成,其中地面站包括指挥控制站、视距链路地面站、卫通链路地面站,是无人机操控中心、数据交互中心,实现侦查情报数据分发,而其中地面站的操控员成为军用无人机系统的主要使用对象。
我们认为,载体特征为民用无人机应用本质之一,但如何更好发挥载体特性,实现不同场景下以更低成本获取数据,是民用无人机厂商的核心壁垒之一。具体看,以更低成本发挥载体特征的方向有两个:单场景的高可靠、多场景的通用化。前者,强调发挥主机厂的成本优势,降低因低可靠性带来的后期维护维修成本;后者,强调发挥主机厂的规模经济,降低跨平台的定制属性,是提升主机利润率的关键之一。民用无人机系统的高可靠性,是其成为行业基础工具的必要条件。例如,对于民用无人机主机厂,稳定可靠的费用与地面指控系统商是其产品竞争力的核心优势之一。
长期看,我们认为,载体特征+数据获取,决定民用无人机企业核心价值扩张方向有二,降低数据的获取成本、提高数据的使用价值。我们认为,民用无人机主要系对人工作业的替代,需求在无人机应用之前已经存在,无人机作业的核心过程在于通过搭载不同的任务载荷实现特定场景、特定用户所需需求。在此基础上,我们强调,对于民用无人机主机厂,其价值创造方向可总结为提高无人机数据获取的边际利润(附加值),路径有二,降低数据的获取成本、提高数据的使用价值。
相较民用无人机,军用无人机系统的装备特性,使其竞争格局驱动力相对不同。军用数据的高保密性要求,限制军用无人机系统主机厂向下游数据应用层纵深。下游使用客户的高集中度及对装备的高可靠性要求等,提高了军用无人机市场竞争的高门槛。
我们认为,军用无人机系统的“装备特征”与民用领域的“载体特征”决定二者的寡头塑造力存在一定差异。一方面,体现在要求主机厂需要理解军方对装备性能需求方向的掌握,强调平台化的创新能力,研发产品符合下游军方客户在一定时期内对于装备性能的需求;另一方面,军用无人机系统的装备特性,叠加相较有人机而言更为强调的消耗性特征,使得成本优势是关键,因此具有自研能力+优秀供应链管理能力的企业或相对领先。
我们认为,需求的复杂化(包含成本压力的增加及客户需求的多样化)及创新产生方向朝中游环节聚焦,逐步打破了传统OEM主导供应链模式的力量平衡,并牵引无人机主机厂做系列改革,而这为二三级供应商提供了获得更高影响力的机会。