商業(yè)微小衛(wèi)星發(fā)展戰(zhàn)略研究

● 文 |深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司 張少康 何民 薛力軍

一、概述

根據(jù)國際通用的按星體質(zhì)量的分類方法，一般把質(zhì)量為10～100kg之間的衛(wèi)星定義為微小衛(wèi)星。國內(nèi)一般把500kg以下的衛(wèi)星定義為微小衛(wèi)星。如今微小衛(wèi)星的發(fā)展引起了空間技術(shù)和應(yīng)用的重大變革，低成本、高性價(jià)比已成為微小衛(wèi)星發(fā)展的核心競爭力，通過微小衛(wèi)星星座組網(wǎng)或編隊(duì)容易獲得高的時(shí)間分辨率和觀測覆蓋性，縮短重訪時(shí)間，達(dá)到甚至超越大型衛(wèi)星的功能，以此開展多領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用，是世界航天發(fā)展的趨勢。

二、微小衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

1. 規(guī)模數(shù)量方面，近十年小衛(wèi)星呈爆發(fā)式增長

商業(yè)航天是按市場化機(jī)制開展的航天活動(dòng)，在新興技術(shù)持續(xù)突破、“太空+互聯(lián)網(wǎng)”跨界融合、新興航天企業(yè)蓬勃發(fā)展、商業(yè)資本涌入的促動(dòng)下，全球即將進(jìn)入新太空時(shí)代。近年來，微小衛(wèi)星發(fā)展態(tài)勢強(qiáng)勁，尤其自2013年開始呈爆發(fā)式增長，2017年，500kg以下的微小衛(wèi)星發(fā)射量達(dá)到344顆，說明微小衛(wèi)星受到越來越多的關(guān)注，呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢，如圖1所示。

2. 應(yīng)用層次方面，技術(shù)試驗(yàn)向業(yè)務(wù)運(yùn)行拓展

微小衛(wèi)星逐漸突破以科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)為主要用途的傳統(tǒng)思維，隨著技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)模式的創(chuàng)新，新的航天應(yīng)用業(yè)務(wù)正在逐漸形成，商業(yè)微小衛(wèi)星星座正在實(shí)現(xiàn)從試驗(yàn)型向應(yīng)用型的過渡，試圖在復(fù)雜的大型衛(wèi)星建立的傳統(tǒng)天基應(yīng)用市場上占據(jù)一席之地?？v觀世界，商業(yè)微小衛(wèi)星星座運(yùn)營公司應(yīng)運(yùn)而生，顯現(xiàn)出了其商業(yè)價(jià)值和潛力，積極搶占傳統(tǒng)市場和開發(fā)新業(yè)務(wù)模式的趨勢已經(jīng)明顯。

從5kg級(jí)CubeSat納星到300kg級(jí)微小衛(wèi)星都已實(shí)現(xiàn)商業(yè)或業(yè)務(wù)運(yùn)營能力。

● 5kg級(jí)，鴿群（Flock）商業(yè)遙感微納系統(tǒng)（以低成本、持續(xù)大規(guī)模部署實(shí)現(xiàn)運(yùn)營）；

● 10kg級(jí)，Aprize商業(yè)窄帶數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（壽命10～12年）；

● 50kg級(jí)，COSMIC大氣探測系統(tǒng)（壽命5年），軌道通信一代（Orbcomm 1）（壽命4年）；

● 100kg級(jí)，Skybox商業(yè)遙感系統(tǒng)，DMC1災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)；

● 150kg級(jí)，德國RapidEye商業(yè)遙感系統(tǒng)（壽命7年），Orbcomm 二代（壽命＞5年）；

● 300kg級(jí)，以色列TecSAR（壽命5年），以色列Ofeq-10（分辨率0.46m）。

微小衛(wèi)星的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，業(yè)務(wù)能力逐步提升，在不久的將來可實(shí)現(xiàn)與大衛(wèi)星相比擬的功能性能，較低成本、適合大規(guī)模組網(wǎng)應(yīng)用，在對地觀測、通信、導(dǎo)航領(lǐng)域走向商業(yè)化。

3. 發(fā)展理念方面，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化成為發(fā)展方向

隨著微小衛(wèi)星需求數(shù)量的增加，微小衛(wèi)星研制已經(jīng)從單顆研制過渡到批量生產(chǎn)。依靠標(biāo)準(zhǔn)化的通用接口、即插即用技術(shù)，形成模塊化的有效載荷、平臺(tái)組件、系列化的平臺(tái)等，使得衛(wèi)星的流水線總裝能夠成為可能。由于衛(wèi)星的批量化和統(tǒng)一化，使得衛(wèi)星的組批式環(huán)境試驗(yàn)以及抽檢式環(huán)境試驗(yàn)成為可能，降低了設(shè)計(jì)、制造、裝配和測試的時(shí)間和成本。

標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)不僅在發(fā)射前的快速集成組裝中發(fā)揮重要作用，同時(shí)在在軌服務(wù)過程中，也能夠提高航天器的靈活性，降低在軌服務(wù)的復(fù)雜性和費(fèi)用（見圖2）?？梢詫⒏黝愋l(wèi)星部件封裝成衛(wèi)星模塊，由火箭等運(yùn)載工具發(fā)射入軌后存放于衛(wèi)星模塊存儲(chǔ)平臺(tái)上，在需要的時(shí)候進(jìn)行在軌組裝、更換維修以及升級(jí)等操作，這樣將極大地提高空間任務(wù)的靈活性，延長衛(wèi)星的壽命，增強(qiáng)衛(wèi)星的功能。

4.衛(wèi)星發(fā)射方面，“一箭多星”、搭載發(fā)射、在軌釋放等

為降低發(fā)射成本，“一箭多星”已成為微小衛(wèi)星的主流發(fā)射方式。發(fā)射方式的多樣化大大提高了批量化部署能力，降低了進(jìn)入太空的成本，推動(dòng)了微小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

● 2013年11月，美國米諾陶（Minotaur）火箭成功實(shí)現(xiàn)1箭29星+2附加載荷發(fā)射；

● 2013年11月，俄羅斯第聶伯(Dnepr)火箭成功實(shí)現(xiàn)1箭32星發(fā)射；

● 2014年初，美國從國際空間站成功釋放33星，再次刷新單次部署紀(jì)錄；

● 2014年6月，俄羅斯第聶伯火箭成功實(shí)現(xiàn)1箭37星，再次打破發(fā)射紀(jì)錄；

● 2015年9月，中國新型運(yùn)載火箭長征六號(hào)將20顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道（圖3）；

● 2017年2月，印度成功用一枚運(yùn)載火箭將104顆衛(wèi)星發(fā)射到高度505km的太陽同步軌道，其中包括88顆Flock-3p系列衛(wèi)星和8顆Spire公司大氣探測衛(wèi)星。

5. 微小衛(wèi)星發(fā)展趨勢

經(jīng)過最近十年的高速發(fā)展，微小衛(wèi)星的各方面技術(shù)能力已取得突破性進(jìn)展，功能不斷拓展，應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)擴(kuò)展，小衛(wèi)星大應(yīng)用局面已經(jīng)開啟。

就微小衛(wèi)星本身而言，后續(xù)發(fā)展應(yīng)從微小型化、開放擴(kuò)展、成本控制、快速響應(yīng)、空間應(yīng)用和運(yùn)行管理等方面給予關(guān)注，高性價(jià)比微小衛(wèi)星已成為商業(yè)航天應(yīng)用的重要一環(huán)。微小衛(wèi)星能力拓展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢預(yù)測如圖4和圖5所示。

三、商業(yè)化研制思路

從20世紀(jì)80年代開始，以微小衛(wèi)星為代表的新一代小型航天器受到了普遍重視，美國、歐洲各國、日本、俄羅斯以及加拿大、印度等國家紛紛開展了各自的微小衛(wèi)星技術(shù)研究和商業(yè)化的應(yīng)用探索。

微小衛(wèi)星在國內(nèi)的發(fā)展態(tài)勢也同樣迅猛，當(dāng)前國內(nèi)航天技術(shù)商業(yè)化趨勢越來越明顯，微小衛(wèi)星正在受到越來越多的關(guān)注，呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢，我國商業(yè)化微小衛(wèi)星已經(jīng)初步完成技術(shù)積累，在國家和地方政府的支持下，各地開始布局各自的航天產(chǎn)業(yè)，民間資本已然躍躍欲試，涌入航天市場。

1. 國外典型商業(yè)化微小衛(wèi)星應(yīng)用現(xiàn)狀

軌道通信（Orbcomm）星座。 Orbcomm星座系統(tǒng)始建于上世紀(jì)90年代，是全球首個(gè)商業(yè)化運(yùn)營的雙向數(shù)據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其運(yùn)營實(shí)體是總部位于美國新澤西州的Orbcomm公司。Orbcomm系統(tǒng)為全球用戶提供低成本的物物互聯(lián)（M2M）通信手段，其應(yīng)用遍布于全球100多個(gè)國家與地區(qū)。

鴿 群（Flock）星座。Flock星座為光學(xué)對地成像星座，由美國行星（Planet）公司研制并運(yùn)行管理；3U立方星，質(zhì)量約5kg，分辨率3～5m，展開式太陽帆板；衛(wèi)星無推進(jìn)系統(tǒng)，通過氣阻差實(shí)現(xiàn)同軌面內(nèi)的相位控制；目前已在軌部署300余顆。

一網(wǎng)（OneWeb）星座。美國OneWeb公司運(yùn)營；直接向全球用戶提供低延遲、高速率、價(jià)格合理的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)； 軌道高度1200km，18 個(gè)軌道面，720 顆衛(wèi)星組網(wǎng)；每顆衛(wèi)星質(zhì)量約150kg；應(yīng)用高度自動(dòng)化的機(jī)器人生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)2019年投入運(yùn)營（見圖6）。

狐猴（Lemur）星座。由Spire公司研制運(yùn)營，起源于ArduSat開放衛(wèi)星項(xiàng)目，通過眾籌起步；提供GPS掩星大氣探測氣象服務(wù)，AIS航海數(shù)據(jù)服務(wù)；3U立方星，質(zhì)量約4kg，搭載GPS掩星接收機(jī)、AIS接收機(jī)；2013年開始部署，目前二代星在軌40余顆；2017年部署8顆。

2. 國內(nèi)商業(yè)化微小衛(wèi)星技術(shù)探索

（1）開拓一號(hào)（A/B）

開拓一號(hào)衛(wèi)星是深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司因應(yīng)低成本衛(wèi)星應(yīng)用及新技術(shù)試驗(yàn)需求，自主開展的試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目，包括開拓一號(hào)A星和B星。項(xiàng)目成功實(shí)現(xiàn)在軌試驗(yàn)驗(yàn)證高性價(jià)比的微小衛(wèi)星平臺(tái)，豐富基于工業(yè)產(chǎn)品的低成本衛(wèi)星產(chǎn)品體系，為快速響應(yīng)、技術(shù)試驗(yàn)等短周期任務(wù)提供高性價(jià)比的商業(yè)化解決方案。

開拓一號(hào)衛(wèi)星研制采用全商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）產(chǎn)品，打造一款適用于（空間快速響應(yīng)及技術(shù)試驗(yàn)等）短任務(wù)周期空間任務(wù)的高性價(jià)比微小衛(wèi)星平臺(tái)。衛(wèi)星平臺(tái)采用了大量先進(jìn)的工業(yè)新技術(shù)（＞25項(xiàng)）和新產(chǎn)品（18種），創(chuàng)新性的研制流程，將總研制周期縮短為20個(gè)月。

該星于2015年9月20日隨長征六號(hào)運(yùn)載火箭1箭20星發(fā)射，A星于入軌第8圈分離部署B(yǎng)星（如圖7所示），目前兩星在軌運(yùn)行穩(wěn)定。發(fā)射至今，圓滿完成各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)，驗(yàn)證了系統(tǒng)應(yīng)用COTS產(chǎn)品的高性價(jià)比微小衛(wèi)星平臺(tái)，積累了COTS產(chǎn)品在軌應(yīng)用數(shù)據(jù)，初步形成了配套產(chǎn)品體系（見圖8）。

B星是我國首顆符合國際通行規(guī)范的2U立方體衛(wèi)星，該衛(wèi)星同時(shí)還將對新型立方星分離機(jī)構(gòu)、微型控制部件及全磁控制算法、微型數(shù)傳裝置等COTS產(chǎn)品集中進(jìn)行在軌試驗(yàn)驗(yàn)證，可廣泛應(yīng)用于微納衛(wèi)星。該星成功研制發(fā)射，為后續(xù)高性價(jià)比商業(yè)微小衛(wèi)星研制與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)（見圖9）。

（2）脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星

脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星是我國首顆開展脈沖星X射線在軌探測的衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星的研制以工業(yè)現(xiàn)貨產(chǎn)品為基礎(chǔ)，打造了適合商業(yè)衛(wèi)星研制的產(chǎn)品體系、衛(wèi)星平臺(tái)和研制模式（見圖10）。該星使用的綜合電子組件（含測控模塊、星載機(jī)、電源控制模塊、GNSS模塊），將平臺(tái)電子設(shè)備高度集成，形成功能整合和單機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)柔性化配置和平臺(tái)的高功能密度，具備高性價(jià)比的衛(wèi)星系統(tǒng)。

衛(wèi)星于2016年11月10日發(fā)射入軌，在軌運(yùn)行良好，獲得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了既定任務(wù)目標(biāo)。

（3）商業(yè)微小衛(wèi)星研制思路

隨著航天技術(shù)的發(fā)展和市場競爭的日益激烈，“優(yōu)先考慮開發(fā)效益”、“重視投入產(chǎn)出比”的市場經(jīng)濟(jì)觀念逐漸主導(dǎo)了航天器尤其是微小衛(wèi)星開發(fā)及管理的全過程。以O(shè)neWeb、美國太空探索技術(shù)公司（Space X）為代表的商業(yè)航天公司等也正在開展數(shù)百顆低軌小衛(wèi)星星座研制，這些公司采用低廉的微小衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)顛覆了傳統(tǒng)模式，并逐步打造“天地一體化”應(yīng)用系統(tǒng)。

針對商業(yè)航天尤其是商業(yè)微小衛(wèi)星領(lǐng)域井噴式的發(fā)展需求，必須盡快實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比微小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；源蛟旄咝詢r(jià)比微小衛(wèi)星系統(tǒng)為目標(biāo)，需要?jiǎng)?chuàng)新的設(shè)計(jì)理念、科學(xué)的技術(shù)手段以及合理的統(tǒng)籌管理方法，大幅降低研制成本，縮短研制周期，一方面使用戶獲得最佳的產(chǎn)品性價(jià)比和綜合效益，另一方面降低衛(wèi)星的經(jīng)費(fèi)門檻，挖掘出更多的衛(wèi)星潛在用戶，擴(kuò)大衛(wèi)星用戶的整體規(guī)模。

商業(yè)化微小衛(wèi)星研制思路如下：以商業(yè)應(yīng)用效益為指引，性能與成本綜合優(yōu)化，提供高性價(jià)比解決方案，形成成本控制技術(shù)和高性能總體技術(shù)為核心的技術(shù)體系和型譜化產(chǎn)品體系，從設(shè)計(jì)入手，以用戶的角度系統(tǒng)考慮衛(wèi)星成本并落實(shí)到衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如圖11所示。

四、商業(yè)發(fā)展思考

1.倡導(dǎo)建立行業(yè)聯(lián)盟，統(tǒng)一業(yè)內(nèi)聲音

目前，微小衛(wèi)星已經(jīng)成為最熱門的宇航領(lǐng)域，競爭也日趨激烈。為促進(jìn)微小衛(wèi)星領(lǐng)域有序競爭和良性發(fā)展，商業(yè)航天相關(guān)企業(yè)和部門應(yīng)交流合作，收集市場需求，倡導(dǎo)建立行業(yè)聯(lián)盟，統(tǒng)一業(yè)內(nèi)聲音。目前來看，國家行業(yè)需求仍然是商業(yè)衛(wèi)星市場需求主體，但隨著國際上開始出現(xiàn)由商業(yè)資本投資、面向商業(yè)用途的衛(wèi)星及星座項(xiàng)目，甚至大眾用戶的宇航項(xiàng)目，預(yù)示著純商業(yè)模式可能實(shí)現(xiàn)，商業(yè)航天時(shí)代正在走來。

2.提倡利益共享、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)的合作共贏理念

宇航產(chǎn)業(yè)固有的技術(shù)門檻高、資金投入大、投資回報(bào)周期長等特點(diǎn)，是對所有參與商業(yè)航天企業(yè)的長期考驗(yàn)。針對具有發(fā)展?jié)摿Φ男屡d商業(yè)用戶，在項(xiàng)目前期，設(shè)計(jì)制造方應(yīng)替用戶分擔(dān)部分資金壓力，探索采用多種合作形式在后期獲取收益。間接成本及收益適當(dāng)延后支付，待用戶開展運(yùn)營獲得收益后，再收取項(xiàng)目間接成本和收益，將部分間接成本或收益作為投資，入股用戶后端運(yùn)營，共享項(xiàng)目成果收益。

3.向新興用戶提供“一站式”解決方案

目前國內(nèi)航天技術(shù)、資源還大多掌握在傳統(tǒng)的航天單位，新興商業(yè)用戶在發(fā)射、測控等大系統(tǒng)協(xié)作方面存在協(xié)調(diào)困難，需借助傳統(tǒng)航天發(fā)射的服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，整合資源提供“一站式”商業(yè)解決方案，協(xié)助用戶縮短項(xiàng)目周期，降低成本和系統(tǒng)建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)。

4.深化研制管理模式創(chuàng)新，提升核心競爭力

突破創(chuàng)新，以消費(fèi)級(jí)技術(shù)和產(chǎn)品打造消費(fèi)級(jí)衛(wèi)星，提供消費(fèi)級(jí)服務(wù)，解決性價(jià)比作為制約衛(wèi)星商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸問題，高性價(jià)比研制途徑將是航天企業(yè)面向商業(yè)市場的必然追求和核心競爭力。同時(shí)高性價(jià)比作為商業(yè)航天發(fā)展的必要條件，涵蓋技術(shù)、管理等諸多要素，是復(fù)雜的創(chuàng)新工程。以下針對3種不同研制管理模式提出建議：

（1）充分利用貨架產(chǎn)品研制衛(wèi)星

COTS產(chǎn)品具有低成本、標(biāo)準(zhǔn)化、批次一致性好、產(chǎn)量大、可獲得性好等優(yōu)勢，國內(nèi)外宇航企業(yè)在COTS產(chǎn)品空間應(yīng)用方面已經(jīng)取得了大量的成果和經(jīng)驗(yàn)。通過充分選用商業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)及導(dǎo)彈、武器等軍工級(jí)技術(shù)和部組件產(chǎn)品降低研制成本，利用系統(tǒng)容錯(cuò)功能，從系統(tǒng)、整星以及星座層面保證可靠性。

（2）廣泛尋求新研產(chǎn)品高性價(jià)比實(shí)現(xiàn)途徑

以多種方式同高校、科研院所合作，降低“研制類”產(chǎn)品采購成本；運(yùn)用商業(yè)化手段，吸引更多商用產(chǎn)品制造商參與星上產(chǎn)品開發(fā)，并借鑒其產(chǎn)品成本控制、可靠性設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化星上產(chǎn)品、整星和星座設(shè)計(jì)方法和研制流程；持續(xù)推進(jìn)星載機(jī)、測控模塊、控制部件等產(chǎn)品的國內(nèi)自主研發(fā)，完善微小衛(wèi)星產(chǎn)品體系。

（3）積極探索批量化快速生產(chǎn)模式

面向大規(guī)模商業(yè)星座的建設(shè)需求，為了提升衛(wèi)星制造產(chǎn)能，保證質(zhì)量穩(wěn)定性，降低成本，借鑒汽車、飛機(jī)、武器等工業(yè)化生產(chǎn)模式，從單機(jī)產(chǎn)品、整星兩個(gè)層面構(gòu)建衛(wèi)星工廠研制模式，實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)將是未來商業(yè)微小衛(wèi)星制造的重要形態(tài)。通過探索標(biāo)準(zhǔn)化商業(yè)衛(wèi)星設(shè)計(jì)及流水線生產(chǎn)方法，實(shí)現(xiàn)從“批量研制”到“批量生產(chǎn)”跨越。同時(shí)依靠“衛(wèi)星工廠”搭建航天產(chǎn)業(yè)合作平臺(tái)，逐步形成產(chǎn)業(yè)聚合力，形成航天產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)，激發(fā)潛在的技術(shù)活力。

目前國內(nèi)星座項(xiàng)目有 “鴻雁星座”通信系統(tǒng)、“虹云工程”互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星，星座規(guī)模均超百顆，能夠看到未來更強(qiáng)大的需求牽引，“衛(wèi)星工廠”的建立不只是行業(yè)的需求，也是商業(yè)化航天的引領(lǐng)和基石。

五、總結(jié)

以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的全球信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得廣泛的航天應(yīng)用前景日漸清晰，面對低軌移動(dòng)通信、商業(yè)遙感、導(dǎo)航增強(qiáng)、AIS、ADS-B等商業(yè)航天應(yīng)用需求熱點(diǎn)，商業(yè)星座計(jì)劃正不斷地?cái)U(kuò)展。正是通過前期的探索和實(shí)踐，更加確定未來基于高性價(jià)比微小衛(wèi)星以及“衛(wèi)星工廠”批量化制造模式將使商業(yè)航天計(jì)劃的實(shí)施成為可能。