微納衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展探討

閆驍絹 張銳 謝祥華 余勇

(中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 200201)

微納衛(wèi)星是指質(zhì)量在100g～10 kg的衛(wèi)星。近年來，微納衛(wèi)星發(fā)展勢頭迅猛，對商業(yè)航天的發(fā)展具有重要意義[1-2]。美國航天工程(SpaceWorks)調(diào)查公司在2018年1月發(fā)布的微納衛(wèi)星市場預(yù)測顯示，從2018年到2020年，預(yù)計有936顆微納衛(wèi)星處于規(guī)劃和設(shè)計階段，在未來5年將有2600顆微納衛(wèi)星發(fā)射升空[3]。

微納衛(wèi)星通常具有標準化的機、電、熱、結(jié)構(gòu)等接口設(shè)計，配置有多載荷適配性的模塊化器件與平臺，不同微納衛(wèi)星的接口可以兼容[4]。其研制成本低、研制周期短，在微小型化、靈活度等方面具有極大的優(yōu)勢。但是，受質(zhì)量與體積的約束，單顆微納衛(wèi)星功能相對簡單，壽命相對較短，因此多采用多星協(xié)作方式開展工作[5-6]。微納衛(wèi)星以星群方式部署，可替代龐大復(fù)雜的大衛(wèi)星系統(tǒng)，拓寬了整個衛(wèi)星系統(tǒng)的尺度和能力；微納衛(wèi)星采用編隊飛行，可以實現(xiàn)在軌機動補位、執(zhí)行在軌偵察、清除障礙等太空任務(wù)。因此，在市場需求和衛(wèi)星技術(shù)不斷發(fā)展的驅(qū)動下，全球微納衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量持續(xù)攀高。

本文研究總結(jié)了微納衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特點，提出了幾點發(fā)展挑戰(zhàn)，重點給出了發(fā)展建議，可為微納衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)進一步向大眾化發(fā)展提供參考。

1 微納衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點

2016年以來，世界航天發(fā)展呈現(xiàn)新態(tài)勢，微納衛(wèi)星研制需求與日俱增，風(fēng)險資本大量涌入微納衛(wèi)星領(lǐng)域，新興衛(wèi)星運營商日漸成熟，并伴隨著微納衛(wèi)星星座的大量部署，低價且可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)指日可待。

1.1 微納衛(wèi)星研制需求與日俱增

傳統(tǒng)衛(wèi)星進入太空的費用很高，微納衛(wèi)星的出現(xiàn)帶來了相同性能下成本更低的可能性。微納衛(wèi)星數(shù)量不斷增加，提供了許多服務(wù)，如成像、監(jiān)視、電視信號中繼、農(nóng)業(yè)監(jiān)控、天氣監(jiān)測和衛(wèi)星移動通信等[7]。微納衛(wèi)星星座可以通過增加衛(wèi)星數(shù)量獲得更高的分辨率和更短的重訪時間，實現(xiàn)實時、快速、連續(xù)的信息獲取和大面積全方位的覆蓋，更好地實現(xiàn)星間鏈路的聯(lián)通和導(dǎo)航增強定位。

近幾年來，微納衛(wèi)星任務(wù)目標更加拓寬，憑借其研制周期快、成本低，可以承擔風(fēng)險更高的驗證任務(wù)[8]。以暗物質(zhì)、引力波等為目標的太空探索，以及太空商業(yè)化變革，也給微納衛(wèi)星的發(fā)展帶來了巨大的機遇。越來越多的國家和機構(gòu)著眼于構(gòu)建低價高效的微納衛(wèi)星平臺，紛紛提出微納衛(wèi)星計劃及全球星座方案，例如挪威國防研究院(FFI)的“自動識別系統(tǒng)衛(wèi)星”(AISSat)計劃、日本發(fā)射的用于監(jiān)測北方航路狀況的“天氣新聞識別衛(wèi)星”(Wnisat)，以及NASA將于2019年發(fā)射的用于探測熱帶氣旋的“降水結(jié)構(gòu)及風(fēng)暴強度監(jiān)測”(TROPICS)衛(wèi)星群等。

1.2 風(fēng)險資本大量涌入微納衛(wèi)星領(lǐng)域

衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略性高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，全球范圍內(nèi)有能力的國家都出臺各項政策鼓勵商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展，這也為微納衛(wèi)星的發(fā)展帶來了機遇。微納衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域不斷延伸，市場需求持續(xù)增長，吸引了大量的風(fēng)險資本。資本的輸入帶來最先進的衛(wèi)星基礎(chǔ)設(shè)施、批量可靠的衛(wèi)星研制、快速高效的衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)等，使得企業(yè)和政府能夠按時、按預(yù)算實現(xiàn)其任務(wù)目標。

美國太空探索技術(shù)(SpaceX)公司和軌道ATK公司已經(jīng)獲得美國政府和NASA的大量資金支持。谷歌(Google)、臉書(Facebook)、亞馬遜(Amazon)等互聯(lián)網(wǎng)公司也陸續(xù)啟動了太空投資。低軌衛(wèi)星(LeoSat)公司在2018年獲得了10億美元的投資，預(yù)計在2019年交付第1顆衛(wèi)星，最終提供快速、安全、無處不在的數(shù)據(jù)連接服務(wù)。

在國內(nèi)，隨著國家軍民融合發(fā)展戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的提出，除了以中國航天科技集團有限公司、中國航天科工集團有限公司、中國科學(xué)院為代表的航天主力軍加緊商業(yè)航天步伐外，大量私營公司也加入到微納衛(wèi)星領(lǐng)域，不僅有百度、阿里巴巴和騰訊等大型互聯(lián)網(wǎng)公司的身影，還涌現(xiàn)出了以北京信威科技集團、北京零壹空間科技有限公司、深圳翎客航天科技有限公司、北京九天微星科技發(fā)展有限公司為代表的新型私營航天公司。

1.3 新興衛(wèi)星運營商日漸成熟

商業(yè)航天的發(fā)展，使航天市場更加細分。很多新興衛(wèi)星運營商逐漸摸索出自己的商業(yè)運營模式，對市場定位更加明確。它們針對各自的產(chǎn)品制定出更加規(guī)范、標準的研制流程，研制成功的產(chǎn)品獲得了市場認可，也獲得了更多資金的支持，SpaceX公司、尖峰環(huán)球(Spire Global)公司、行星實驗室(Planet Labs)公司、Tyvak納衛(wèi)星系統(tǒng)公司就是很好的例子。

SpaceX公司在2008年獲得NASA正式合同后，開啟了私營航天的新時代。該公司提出的含1萬多顆衛(wèi)星的“星鏈”(StarLink)星座計劃在2017年獲得美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)批準。Spire Global公司于2012年在美國成立，是一家小型衛(wèi)星技術(shù)公司，在不到6年的時間里已經(jīng)成功發(fā)射幾十顆立方星，用于實現(xiàn)偏遠、信號不通暢地區(qū)的數(shù)據(jù)采集。Planet Labs公司成立于2010年，致力于開發(fā)體積更小、結(jié)構(gòu)更簡單、成本更低的微納衛(wèi)星。截至2017年10月，該公司完成了成立以來的第20次發(fā)射。Tyvak納衛(wèi)星系統(tǒng)公司致力于提供高性能的立方星產(chǎn)品研究與開發(fā)，為地球光學(xué)(GeoOptics)公司(專門從事地球大氣環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、收集和分析)研制了立方星6U平臺。

1.4 低價且可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)指日可待

信息獲取、信息融合、信息精度提升，以及將地球/太空數(shù)據(jù)處理為商業(yè)大數(shù)據(jù)等能力，是航天綜合實力的重要組成部分。同時，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等概念的提出與發(fā)展，加深了人們對數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)的依賴。因此，利用衛(wèi)星為各個領(lǐng)域提供大量數(shù)據(jù)支持和服務(wù)是大勢所趨。微納衛(wèi)星以其批量化、規(guī)模化的特點，可在遙感數(shù)據(jù)采集上釋放超強能力。

加拿大地球直播(UrtheCast)公司、美國一網(wǎng)(OneWeb)公司均已部署衛(wèi)星星座計劃，構(gòu)建數(shù)據(jù)橋梁，目的在于利用大數(shù)據(jù)技術(shù)建立基于衛(wèi)星的全球互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。美國波音(Boeing)公司、加拿大電信衛(wèi)星(Telesat)公司和國際衛(wèi)星通信(Intelsat)公司都在規(guī)劃太空互聯(lián)網(wǎng)計劃。環(huán)球衛(wèi)星(SES)公司的O3b星座、LeoSat公司的低軌(LEO)星座系統(tǒng)、Planet Labs公司的“鴿群”(Flock)和“天空衛(wèi)星”(SkySat)衛(wèi)星群，以及國內(nèi)的珠海一號微納衛(wèi)星星座等，均瞄準數(shù)據(jù)市場，試圖引入大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算等概念，為全球的數(shù)據(jù)聯(lián)通服務(wù)。因此，低價且可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)指日可待。

2 微納衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展挑戰(zhàn)

微納衛(wèi)星市場需求的不斷提升，參與者逐年增加，微納衛(wèi)星數(shù)量爆炸式增長，也對微納衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。

2.1 微納衛(wèi)星發(fā)射機會相對受限

微納衛(wèi)星需要低成本、短周期發(fā)射，而現(xiàn)役火箭大部分價格昂貴，生產(chǎn)、測試周期較長，可選性少，因此，微納衛(wèi)星大多采用搭載方式發(fā)射升空，要等待發(fā)射機會。

美國SpaceX公司大大拉低了全球發(fā)射的成本，幾乎占據(jù)了全球發(fā)射市場50%以上的份額。其他公司緊隨其后，也提出了商業(yè)運載火箭的研制計劃。但是，目前能投入使用的商業(yè)運載火箭數(shù)量還非常有限，微納衛(wèi)星發(fā)射機會相對受限。根據(jù)美國SpaceWorks調(diào)查公司的微納衛(wèi)星數(shù)據(jù)[3]，未來幾年是商業(yè)航天發(fā)射的大年，現(xiàn)有發(fā)射場可能處于滿負荷工作的狀態(tài)。

2.2 空間資源日漸豐富但數(shù)據(jù)價值轉(zhuǎn)化率低

根據(jù)科學(xué)工作者關(guān)懷聯(lián)盟(UCS)給出的衛(wèi)星統(tǒng)計，截至2017年8月31日，全球在軌運行的衛(wèi)星共有1738顆，其中美國803顆，俄羅斯142顆，中國204顆，其他國家589顆[9]。隨著衛(wèi)星研制成本的不斷下降，這一數(shù)據(jù)還會不斷增長。雖然眾多衛(wèi)星正源源不斷地提供大量數(shù)據(jù)，但它們之間往往系統(tǒng)孤立、信息分離，衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)價值有待挖掘。目前，必聯(lián)科電子(Blink)公司、克雷多斯(Kratos)公司、日本政府、中國航天馭星公司等，已經(jīng)開始著手建立星地網(wǎng)絡(luò)。但是，由于政策及技術(shù)上的局限性，距離真正的天地互聯(lián)、多網(wǎng)融合的大數(shù)據(jù)服務(wù)還有很長的路要走。

2.3 微納衛(wèi)星不能及時離軌增加太空垃圾

目前，已成功發(fā)射的微納衛(wèi)星，由于體積和質(zhì)量小，大部分不配備離軌裝置，在壽命末期無法自主重返大氣層，成為太空垃圾。在微納衛(wèi)星密集的星座中，任何碎片的碰撞都有可能將涉事失效衛(wèi)星轉(zhuǎn)變成一個巨大的高速碎片，而這些被動活躍的碎片又可能成為其他星體碰撞的來源[10]。微納衛(wèi)星在壽命末期不能及時離軌，將存在極大的碰撞隱患。同時，廢棄的微納衛(wèi)星在太空中會浪費太空軌位資源。

3 微納衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展的啟示及建議

3.1 發(fā)展主動定制式商業(yè)運載

微納衛(wèi)星星座的大規(guī)模部署，推動了人們對衛(wèi)星發(fā)射方式的思考。SpaceX公司向NASA提出建設(shè)私有火箭發(fā)射場的申請，希望可以建成一個像機場一樣服務(wù)于大量商業(yè)用戶的航天發(fā)射場。維珍天體軌道(Virgin Orbit)公司正在開發(fā)一種能為商業(yè)和政府衛(wèi)星提供靈活發(fā)射任務(wù)的運載器。Blink公司計劃開發(fā)小型地面發(fā)射運載器。美國國防先進研究計劃局(DARPA)正在研制低成本的小型運載器。改變微納衛(wèi)星的發(fā)射方式，從“被動搭載”轉(zhuǎn)為“主動定制”，可以保證微納衛(wèi)星按需發(fā)射。發(fā)展主動定制式商業(yè)運載，可采取以下4種措施。

(1)運載器承接方與衛(wèi)星研制方協(xié)同完成商業(yè)運載器設(shè)計。根據(jù)微納衛(wèi)星量級及衛(wèi)星運行軌道條件，設(shè)置對應(yīng)量級的運載器機、電、熱等接口規(guī)范，制定同一類型統(tǒng)一的星箭接口，縮短商業(yè)運載與衛(wèi)星用戶的對接時間。

(2)推進運載標準化進程。將通過實際工程驗證的運載器設(shè)計經(jīng)驗提煉成運載器設(shè)計標準，各運載器研制方依照標準開展商業(yè)運載器的研發(fā)，從而降低研制成本，增加運載器可靠性。

(3)增加微納衛(wèi)星發(fā)射塔架。在現(xiàn)有發(fā)射場增設(shè)商業(yè)發(fā)射塔架，或者重新籌劃新的商業(yè)微納衛(wèi)星發(fā)射場，建立更多的小型衛(wèi)星發(fā)射塔，使其具備應(yīng)急發(fā)射能力，可實現(xiàn)快速組網(wǎng)和補網(wǎng)功能。

(4)適當招標商業(yè)資本投資發(fā)射場的基礎(chǔ)設(shè)施。微納衛(wèi)星商業(yè)發(fā)展吸引眾多商業(yè)資本的青睞，在發(fā)射基礎(chǔ)設(shè)施方面也可考慮加入商業(yè)資本控股模式，這樣既可以減小國家建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施的資金壓力，又可為商業(yè)資本多提供一條加入航天大軍的可行途徑。

3.2 變革微納衛(wèi)星運控體制

美國以許可證的方式管理商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)；歐盟采用敏感檢查的方式監(jiān)督商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)；日本政府要建立一個衛(wèi)星公開數(shù)據(jù)系統(tǒng)，將擁有的部分衛(wèi)星圖像觀測數(shù)據(jù)免費提供給私營公司。如何在確保國家安全、外交利益的前提下，最大化挖掘衛(wèi)星數(shù)據(jù)的使用價值，是需要思考的問題。本文提出的“變革衛(wèi)星運控體制”建議，側(cè)重提出“資源共享”的理念，讓更多有需求的群體加入分發(fā)和使用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的行列。

實現(xiàn)全民共享衛(wèi)星資源的衛(wèi)星運控體制，可以從4個方面努力。

(1)明確政府與民眾的衛(wèi)星運控權(quán)限。在衛(wèi)星成功發(fā)射之際，政府有關(guān)部門應(yīng)依據(jù)衛(wèi)星類型，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)分為非商業(yè)數(shù)據(jù)與商業(yè)數(shù)據(jù)。非商業(yè)數(shù)據(jù)只服務(wù)于政府、軍隊和行業(yè)用戶，政府對其具有絕對的主導(dǎo)權(quán)，對其分發(fā)具有嚴格的管制權(quán)。商業(yè)數(shù)據(jù)的運控權(quán)限下放到市場，積極挖掘商業(yè)市場的潛在用戶。

(2)完善體制政策，提供資質(zhì)申請與資質(zhì)鑒定雙向渠道，保障衛(wèi)星資源共享切實可行。衛(wèi)星運營申請方要積極申請運營資質(zhì)，合理合法使用衛(wèi)星資源；同時，政府也要設(shè)立資質(zhì)與運行情況評價機制，在保障國家安全、外交利益的基礎(chǔ)上實現(xiàn)衛(wèi)星資源利用最大化。

(3)建立市場需求與政府的對接渠道。通過及時獲取市場對衛(wèi)星的運控需求，適時調(diào)整衛(wèi)星資源使用權(quán)限。這樣既能充分利用衛(wèi)星資源，又能保障政府與商業(yè)用戶各自的利益。

(4)設(shè)置標準化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，建立數(shù)據(jù)共享平臺與環(huán)境，便于衛(wèi)星數(shù)據(jù)下載。對于獲得使用權(quán)限的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，衛(wèi)星運營方可自己建造地面設(shè)備系統(tǒng)，開發(fā)相關(guān)業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)。

完善地面運控體制，不僅為傳統(tǒng)用戶設(shè)計，還將數(shù)據(jù)服務(wù)向下游擴展，不斷挖掘衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用潛力，進而提供更深層次的信息和更高層次的服務(wù)。

3.3 重視并突破微納衛(wèi)星離軌技術(shù)

衛(wèi)星軌位資源日益稀缺，已經(jīng)成為國際博弈和競爭的戰(zhàn)略熱點。衛(wèi)星發(fā)射越來越多，太空環(huán)境日益擁擠，離軌技術(shù)是微納衛(wèi)星研制過程中必須努力解決的問題。目前，已有多項研究試圖移除空間碎片[11-12]。充分考慮微納衛(wèi)星質(zhì)量小、體積小的特點，通過安裝微推裝置或利用太陽帆等離軌，保障微納衛(wèi)星壽命終結(jié)時能及時空出可用軌道。

4 結(jié)束語

微納衛(wèi)星配置有標準化接口、模塊化組件與通用化平臺，具有質(zhì)量小、體積小、研制成本低、研制周期短等特點，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷延伸，市場需求增長快速。微納衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的市場化、開放式、融合式發(fā)展是大勢所趨。這不僅需要人才、技術(shù)、生產(chǎn)等產(chǎn)業(yè)鏈的組合支撐，也需要配套設(shè)施與產(chǎn)業(yè)模式的不斷創(chuàng)新。未來，微納衛(wèi)星將具有更低成本、可維修、可升級、可擴展的特點，隨著微系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，微納衛(wèi)星商業(yè)模式不斷突破，微納衛(wèi)星必將得到更廣泛的應(yīng)用。