美國(guó)典型小衛(wèi)星項(xiàng)目創(chuàng)新管理模式分析

張召才 （北京空間科技信息研究所）

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美國(guó)典型小衛(wèi)星項(xiàng)目創(chuàng)新管理模式分析

張召才 （北京空間科技信息研究所）

Analysis on Innovation Management Mode of U.S. Typical Small Satellite Projects

隨著小衛(wèi)星單星性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，尤其是美國(guó)政府軍民部門和商業(yè)市場(chǎng)對(duì)小衛(wèi)星需求的快速增長(zhǎng)，極大推動(dòng)了星座規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，小衛(wèi)星百星星座乃至千星星座項(xiàng)目相繼涌現(xiàn)。探索適用于小衛(wèi)星項(xiàng)目短周期、低成本特點(diǎn)的小衛(wèi)星研制、發(fā)射和運(yùn)行管理模式，是最大化發(fā)揮小衛(wèi)星效能的重要保證。

1　美國(guó)小衛(wèi)星研制管理案例分析

政府主導(dǎo)的小衛(wèi)星項(xiàng)目圍繞空間創(chuàng)新技術(shù)驗(yàn)證展開

當(dāng)前，政府主導(dǎo)研制的小衛(wèi)星項(xiàng)目主要用于發(fā)展驗(yàn)證前沿技術(shù)和創(chuàng)新概念，即政府以推動(dòng)小衛(wèi)星能力發(fā)展為需求，采用“需求牽引”發(fā)展思路。用于開展空間創(chuàng)新技術(shù)、創(chuàng)新概念驗(yàn)證的小衛(wèi)星項(xiàng)目通常具有一個(gè)發(fā)起方，并由發(fā)起方提出任務(wù)主題、研究要求，并為承研單位提供經(jīng)費(fèi)支持，發(fā)起方在項(xiàng)目組織管理中發(fā)揮主要作用，對(duì)應(yīng)也承擔(dān)更多的責(zé)任與義務(wù)。

“小型航天器技術(shù)計(jì)劃”（SSTP）是美國(guó)航空航天局（NASA）空間技術(shù)任務(wù)部（STMD）提出的小衛(wèi)星創(chuàng)新驗(yàn)證項(xiàng)目，于2013年正式啟動(dòng)，旨在發(fā)展和驗(yàn)證“顛覆性”小衛(wèi)星技術(shù)，并推動(dòng)小衛(wèi)星理念應(yīng)用于大型航天項(xiàng)目。在該項(xiàng)目實(shí)施過程中，“小型航天器技術(shù)計(jì)劃”不僅在NASA內(nèi)部各研究機(jī)構(gòu)間展開合作，還向美國(guó)政府其他機(jī)構(gòu)、高校和工業(yè)界開放，推動(dòng)建立NASA與高校間的協(xié)作關(guān)系，以及NASA與政府“小型企業(yè)創(chuàng)新研究”（SBIR）計(jì)劃的合作?！靶⌒秃教炱骷夹g(shù)計(jì)劃”授出的每一個(gè)項(xiàng)目的周期均為1～2年，每年經(jīng)費(fèi)為10萬(wàn)美元，如果參與項(xiàng)目的高校數(shù)量多于一個(gè)，則經(jīng)費(fèi)最高上漲至15萬(wàn)美元?！靶⌒秃教炱骷夹g(shù)計(jì)劃”關(guān)注的項(xiàng)目包括無(wú)線電和激光通信、編隊(duì)飛行和對(duì)接、低成本衛(wèi)星平臺(tái)以及適用于空間科學(xué)任務(wù)的小衛(wèi)星星群技術(shù)等。尤其需要注意的是，由大學(xué)承研的“小型航天器技術(shù)計(jì)劃”項(xiàng)目均有1個(gè)NASA機(jī)構(gòu)參與合作，提供技術(shù)指導(dǎo)和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，以確?！靶⌒秃教炱骷夹g(shù)計(jì)劃”項(xiàng)目成功率和研制進(jìn)度。

按照空間技術(shù)任務(wù)部的規(guī)定，“小型航天器技術(shù)計(jì)劃”的研制管理流程包括：

1）“小型航天器技術(shù)計(jì)劃”項(xiàng)目組織方，即空間技術(shù)任務(wù)部面向美國(guó)政府研究機(jī)構(gòu)、高校和工業(yè)界發(fā)布技術(shù)需求指南和項(xiàng)目申報(bào)方式，征詢研究意向；

2）美國(guó)政府研究機(jī)構(gòu)、高校和工業(yè)界按照需求指南提出研究項(xiàng)目和技術(shù)方案，編制項(xiàng)目申請(qǐng)書，按規(guī)定渠道和日期向“小型航天器技術(shù)計(jì)劃”項(xiàng)目組織方提交項(xiàng)目申請(qǐng)書；

3）空間技術(shù)任務(wù)部召集由政府部門、高校和工業(yè)界專家組成的專家委員會(huì)，根據(jù)項(xiàng)目指南要求、技術(shù)先進(jìn)性、方案可行性等原則遴選項(xiàng)目，并確定受資助項(xiàng)目清單；

4）空間技術(shù)任務(wù)部與入圍“小型航天器技術(shù)計(jì)劃”項(xiàng)目的研究單位簽訂研制合同。在項(xiàng)目執(zhí)行期間，空間技術(shù)任務(wù)部負(fù)責(zé)項(xiàng)目實(shí)施管理。一般而言，空間技術(shù)任務(wù)部可以發(fā)揮政府監(jiān)管部門的職能優(yōu)勢(shì)，為由高校承研的小衛(wèi)星項(xiàng)目配置一個(gè)NASA研究機(jī)構(gòu)開展聯(lián)合研究，由NASA研究機(jī)構(gòu)提供技術(shù)指導(dǎo)并協(xié)調(diào)資源配置。

NASA“小型航天器技術(shù)計(jì)劃”資助發(fā)展的立方體衛(wèi)星項(xiàng)目

商業(yè)公司主導(dǎo)的小衛(wèi)星項(xiàng)目圍繞業(yè)務(wù)化應(yīng)用展開

近年，大量互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)向航天，催生了大量新興初創(chuàng)小衛(wèi)星公司，其自身具備衛(wèi)星研制能力，既是項(xiàng)目需求方，也是項(xiàng)目研制方，為商業(yè)公司小衛(wèi)星項(xiàng)目組織管理模式帶來新變化。新興商業(yè)公司主導(dǎo)的小衛(wèi)星項(xiàng)目有三類發(fā)展模式：一是商業(yè)公司自主研制小衛(wèi)星，如美國(guó)行星實(shí)驗(yàn)室公司（Planet Labs）發(fā)射運(yùn)行的所有“鴿群”（Flock）衛(wèi)星均由該公司自行研制；二是商業(yè)公司自行設(shè)計(jì)小衛(wèi)星并交由專業(yè)的小衛(wèi)星制造商負(fù)責(zé)批量化制造，如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）采用天地一體化創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)天空衛(wèi)星-1、2（SkySat-1、2）兩顆衛(wèi)星，經(jīng)在軌運(yùn)行驗(yàn)證衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案可行后，天空盒子成像公司與勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）簽訂商業(yè)合同，將設(shè)計(jì)方案和衛(wèi)星批量化制造任務(wù)授予后者，天空盒子成像公司則重點(diǎn)負(fù)責(zé)星座商業(yè)運(yùn)行和衛(wèi)星應(yīng)用；三是商業(yè)公司提出任務(wù)需求，由衛(wèi)星制造商提供設(shè)計(jì)方案并競(jìng)標(biāo)獲得衛(wèi)星制造合同，如一網(wǎng)公司（OneWeb）的低軌互聯(lián)網(wǎng)接入星座。

這些新興商業(yè)公司多以互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)自居，在衛(wèi)星研制管理過程中大量引入硅谷互聯(lián)網(wǎng)理念，以實(shí)現(xiàn)快速、低成本、批量化研制，其衛(wèi)星研制管理的主要特點(diǎn)如下：

1）秉持“早發(fā)射、常發(fā)射”理念，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案快速迭代更新。行星實(shí)驗(yàn)室公司認(rèn)為“軌道測(cè)試優(yōu)于地面模擬”，通過大量發(fā)射立方體衛(wèi)星入軌，以在軌飛行驗(yàn)證的方式不斷迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，避免過多的地面模擬測(cè)試增加經(jīng)費(fèi)和時(shí)間成本。在這一理念驅(qū)動(dòng)下，行星實(shí)驗(yàn)室公司在3年時(shí)間內(nèi)完成了12輪的衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案迭代優(yōu)化。此外，該公司還借鑒了硅谷互聯(lián)網(wǎng)公司的“A/B測(cè)試”理念，同時(shí)把2顆不同設(shè)計(jì)方案的衛(wèi)星發(fā)射入軌，同步比較2種不同衛(wèi)星的在軌性能以確定最終設(shè)計(jì)方案。

2）把現(xiàn)代信息技術(shù)與空間技術(shù)相結(jié)合，以天地一體化全鏈路設(shè)計(jì)理念優(yōu)化衛(wèi)星設(shè)計(jì)方案。天空盒子成像公司提出“小衛(wèi)星、大數(shù)據(jù)”模式，充分考慮小衛(wèi)星的功能限制，簡(jiǎn)化星上功能設(shè)計(jì)，采用“時(shí)間積分延遲”（TDI）的地面處理技術(shù)提高數(shù)據(jù)分辨率。

3）優(yōu)化衛(wèi)星制造模式，引入智能制造和流水線技術(shù)。空客防務(wù)與航天公司憑借其在飛機(jī)組裝生產(chǎn)線方面的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)獲得一網(wǎng)公司大規(guī)模星座訂單，并將更新其衛(wèi)星生產(chǎn)線以實(shí)現(xiàn)每天制造4顆衛(wèi)星的目標(biāo)。美國(guó)雷神公司（Raytheon）也宣布，將大量使用自動(dòng)化機(jī)械臂、3D打印制造技術(shù)構(gòu)建納衛(wèi)星批量化制造生產(chǎn)線，以滿足大規(guī)模星座制造需求。

2　美國(guó)小衛(wèi)星發(fā)射管理案例分析

政府為小衛(wèi)星任務(wù)提供免費(fèi)或廉價(jià)搭載發(fā)射機(jī)會(huì)

殷明，漸漸平靜下來，呼吸也慢慢緩和起來。金絲眼鏡又發(fā)話了，“小伙子，你來大致談一談未來廣告的發(fā)展方向吧?！?/p>

美國(guó)為推動(dòng)小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，增加先進(jìn)技術(shù)在軌驗(yàn)證機(jī)會(huì)，利用官方采辦的火箭運(yùn)力余量或新研火箭首發(fā)機(jī)會(huì)，為小衛(wèi)星提供搭載發(fā)射服務(wù)。NASA于2010年啟動(dòng)了“立方體衛(wèi)星發(fā)射倡議”（CSLI），為1U～6U立方體衛(wèi)星提供免費(fèi)搭載發(fā)射機(jī)會(huì)。該計(jì)劃由NASA空間運(yùn)行任務(wù)部負(fù)責(zé)管理和運(yùn)行，NASA和國(guó)防部各中心、美國(guó)非贏利組織、大學(xué)和教育研究機(jī)構(gòu)可提出申請(qǐng)。截至2014年底，“立方體衛(wèi)星發(fā)射倡議”已經(jīng)從美國(guó)29個(gè)州選定了114個(gè)立方體衛(wèi)星項(xiàng)目，已有17個(gè)任務(wù)成功發(fā)射入軌。

“立方體衛(wèi)星發(fā)射倡議”項(xiàng)目管理機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

“立方體衛(wèi)星發(fā)射倡議”項(xiàng)目的組織管理流程如下：

1）NASA發(fā)布立方體衛(wèi)星搭載發(fā)射機(jī)會(huì)：NASA發(fā)布信息征詢，NASA和國(guó)防部各中心、美國(guó)非贏利組織、大學(xué)和教育研究機(jī)構(gòu)可向空間運(yùn)行任務(wù)部提出申請(qǐng)。

2）申請(qǐng)?jiān)擁?xiàng)目服務(wù)的各機(jī)構(gòu)向NASA提交申請(qǐng)文件，包括提交衛(wèi)星任務(wù)名稱、衛(wèi)星質(zhì)量、尺寸、預(yù)期的軌道高度和傾角、可接受的軌道高度和傾角范圍、向NASA轉(zhuǎn)交衛(wèi)星的日期、衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命、衛(wèi)星用途、學(xué)生參與程度、衛(wèi)星研制是否接受NASA資助、任務(wù)發(fā)起方等信息。

3）NASA評(píng)審：NASA成立由空間運(yùn)行任務(wù)部（包括發(fā)射服務(wù)供應(yīng)方）、空間技術(shù)任務(wù)部、科學(xué)任務(wù)理事會(huì)（SMD）以及教育部門構(gòu)成的評(píng)選委員會(huì)；選擇委員會(huì)對(duì)所提交的小衛(wèi)星研究計(jì)劃是否滿足NASA戰(zhàn)略計(jì)劃和教育戰(zhàn)略協(xié)作框架（權(quán)重40%），及其科學(xué)、教育和技術(shù)價(jià)值（權(quán)重30%）和可行性（權(quán)重30%）進(jìn)行評(píng)審；NASA宣布篩選結(jié)果。

5）NASA協(xié)調(diào)立方體衛(wèi)星發(fā)射機(jī)會(huì)：NASA協(xié)調(diào)有運(yùn)力余量的發(fā)射機(jī)會(huì)，并提供給選定的立方體衛(wèi)星任務(wù)。

航天飛行公司提供小衛(wèi)星“一箭多星”搭載發(fā)射服務(wù)模式

“一箭多星”成為小衛(wèi)星商業(yè)化發(fā)射的主流方式

隨著小衛(wèi)星快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，尤其是商業(yè)小衛(wèi)星公司不斷提出大規(guī)模星座計(jì)劃，使得全球?qū)π⌒l(wèi)星商業(yè)發(fā)射服務(wù)的需求快速增長(zhǎng)，“一箭多星”搭載發(fā)射已成為小衛(wèi)星發(fā)射的主流方式，越來越多的發(fā)射服務(wù)商開始通過發(fā)射服務(wù)代理商面向全球用戶提供小衛(wèi)星搭載發(fā)射機(jī)會(huì)。作為全球知名的小衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)解決方案提供商，美國(guó)航天飛行公司（SpaceFlight）根據(jù)經(jīng)濟(jì)可承受能力、發(fā)射周期需求不同，為小衛(wèi)星用戶提供不同的發(fā)射服務(wù)：

航天飛行公司提供小衛(wèi)星“一箭多星”搭載發(fā)射費(fèi)用

1）溝通協(xié)商。客戶與航天飛行公司溝通，明確衛(wèi)星軌道、發(fā)射時(shí)間等方面的需求，提出希望采用的發(fā)射方式和費(fèi)用的期望值。如果航天飛行公司認(rèn)為任務(wù)條件可行，客戶需向公司提供授權(quán)書，確認(rèn)公司代表客戶利益開展后續(xù)業(yè)務(wù)。

2）簽訂合同。雙方簽訂發(fā)射服務(wù)協(xié)議，航天飛行公司將根據(jù)客戶需求，提供多個(gè)備選發(fā)射方案以及對(duì)應(yīng)的大致費(fèi)用金額。客戶確定發(fā)射方式后，公司與發(fā)射方溝通最終報(bào)價(jià)；客戶和發(fā)射方在費(fèi)用金額上達(dá)成一致后，公司將協(xié)助客戶與發(fā)射方簽訂一份備忘錄，確定費(fèi)用金額并執(zhí)行發(fā)射服務(wù)協(xié)議。

3）履行合同。執(zhí)行發(fā)射服務(wù)協(xié)議，航天飛行公司將提供協(xié)調(diào)、咨詢、管理、金融、通關(guān)以及保險(xiǎn)等方面的服務(wù)和支持，確保發(fā)射服務(wù)協(xié)議的執(zhí)行并最終實(shí)施發(fā)射。

3　美國(guó)小衛(wèi)星運(yùn)行管理案例分析

美國(guó)NASA、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）和高校研制發(fā)射了大量立方體衛(wèi)星。在運(yùn)行管理方面，一般由立方體衛(wèi)星研究機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)任務(wù)運(yùn)管，并通過與其他高校、研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合的方式實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星工程運(yùn)管。在單星運(yùn)管方面，美國(guó)開展立方體衛(wèi)星研制的高校和研究機(jī)構(gòu)除自建簡(jiǎn)易地面測(cè)控站外，NASA現(xiàn)有的地面測(cè)控站為立方體衛(wèi)星運(yùn)行管理提供了重要輔助。如NASA沃羅普斯測(cè)控站就利用其特高頻（UHF）地面站為“螢火蟲”（FireFly）等多顆立方體衛(wèi)星提供測(cè)控服務(wù)。

美國(guó)商業(yè)航天公司則通過自主運(yùn)管和租用商業(yè)運(yùn)管服務(wù)相結(jié)合的方式運(yùn)行管理小衛(wèi)星星座。單純依靠商業(yè)公司自有的衛(wèi)星運(yùn)管網(wǎng)絡(luò)無(wú)法滿足同時(shí)運(yùn)管數(shù)十顆、數(shù)百顆小衛(wèi)星的需求。因此，商業(yè)公司多選擇以自主運(yùn)行和租用商業(yè)服務(wù)相結(jié)合的方式，運(yùn)行管理其構(gòu)建的小衛(wèi)星星座。同時(shí)，國(guó)際上提供商業(yè)衛(wèi)星運(yùn)行管理服務(wù)的公司也不斷增加。

截至2015年底，美國(guó)行星實(shí)驗(yàn)室公司累計(jì)發(fā)射135顆“鴿群”衛(wèi)星?！傍澣骸毙亲捎谩坝肋h(yuǎn)在線”工作模式，無(wú)需地面上傳指令即可對(duì)陸地連續(xù)開機(jī)成像。這種設(shè)計(jì)理念極大簡(jiǎn)化了衛(wèi)星有效載荷運(yùn)管操作。行星實(shí)驗(yàn)室公司通過自建地面站和租用地面站相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)“鴿群”星座運(yùn)行管理，遠(yuǎn)程在線操作并監(jiān)測(cè)各地面站情況，地面站普遍采用無(wú)人值守、自主運(yùn)行的工作模式。

航天飛行網(wǎng)絡(luò)公司（Spaceflight Networks）是全球知名的小衛(wèi)星商業(yè)運(yùn)管服務(wù)提供商，計(jì)劃在近3年內(nèi)建設(shè)11個(gè)專用地面站提供小衛(wèi)星商業(yè)運(yùn)管服務(wù)。該公司認(rèn)為，隨著越來越多的公司開始構(gòu)建小衛(wèi)星星座，這些公司會(huì)需要一個(gè)分布式地面站網(wǎng)絡(luò)，以用于分發(fā)各自星座采集的數(shù)據(jù)。2015年7月17日，航天飛行網(wǎng)絡(luò)公司與美國(guó)頂尖公司（Spire）宣布聯(lián)合發(fā)展小衛(wèi)星地面站網(wǎng)絡(luò)，用于為低軌道小衛(wèi)星提供測(cè)控服務(wù)。按照航天飛行網(wǎng)絡(luò)公司預(yù)期，將提供“常規(guī)”、“專用”和“按需”三類商業(yè)運(yùn)管服務(wù)?！俺Ｒ?guī)”運(yùn)管服務(wù)使用X和S頻段拋物面天線以及特高頻頻段八木（Yagi）天線；“專用”運(yùn)管服務(wù)由全天時(shí)專用天線提供測(cè)控服務(wù)，費(fèi)用按月支付；“按需”運(yùn)管服務(wù)由用戶在指定時(shí)段提供服務(wù)，費(fèi)用按服務(wù)分鐘數(shù)付費(fèi)。

4　結(jié)束語(yǔ)

就目前發(fā)展態(tài)勢(shì)看，美國(guó)將小衛(wèi)星作為構(gòu)建未來空間優(yōu)勢(shì)的重要部分，注重發(fā)揮其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，保持并不斷增強(qiáng)小衛(wèi)星發(fā)展支持力度。美國(guó)國(guó)防部、NASA等政府部門均表現(xiàn)出極大熱情，成為推動(dòng)小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的主要力量。傳統(tǒng)航天公司和新興航天公司也紛紛聚焦小衛(wèi)星市場(chǎng)，推出創(chuàng)新小衛(wèi)星系統(tǒng)解決方案，旨在推動(dòng)小衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用，提供創(chuàng)新衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)。未來，隨著小衛(wèi)星任務(wù)更趨復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)性，小衛(wèi)星項(xiàng)目組織管理模式也將不斷創(chuàng)新，組織管理水平將持續(xù)提升。

王曉宇/本文編輯