低軌大規(guī)模星座的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

趙秋艷， 胡朝斌， 陳川， 龔自正，4， 宋光明， 李明

(1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院研發(fā)與市場(chǎng)部， 北京100094; 2. 探月與航天工程中心， 北京100190;3. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京100094; 4. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094; 5. 中國(guó)空間技術(shù)研究院， 北京100094)

1 引言

由于近年來(lái)圍繞航天的一系列相關(guān)技術(shù)的巨大進(jìn)步， 進(jìn)入和利用空間的門(mén)檻大幅降低， 航天的商業(yè)價(jià)值愈發(fā)凸顯， 吸引了大量新興力量。 許多試圖投身航天商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的新參與者帶來(lái)了獨(dú)特的商業(yè)模式， 進(jìn)一步促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 與此同時(shí)， 由于小衛(wèi)星技術(shù)的巨大進(jìn)步， 人們開(kāi)始發(fā)現(xiàn)低軌大規(guī)模小衛(wèi)星星座在天基全球通信、 遙感等一系列應(yīng)用領(lǐng)域的巨大價(jià)值。 大規(guī)模低軌星座發(fā)射計(jì)劃層出不窮， 呈爆炸式發(fā)展態(tài)勢(shì)。 2020 年3 月18 日， SpaceX 第6 批60 顆星鏈衛(wèi)星發(fā)射入軌， 包括實(shí)驗(yàn)星在內(nèi)的總星座衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量已達(dá)362 顆， 代表著其42000 顆的龐大的低軌星座計(jì)劃正在逐步推進(jìn)， 也意味著大規(guī)模低軌星座已經(jīng)由方案設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。 低軌道大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的“軌道革命” 正在發(fā)生， 航天將迎來(lái)一個(gè)前所未有的新的發(fā)展與變革時(shí)期。

然而， 大規(guī)模低軌星座也將給人類航天事業(yè)帶來(lái)一系列問(wèn)題， 包括空間碎片環(huán)境面臨嚴(yán)峻的威脅、 軌位和頻率資源的惡性競(jìng)爭(zhēng)、 密集低軌區(qū)域的潛在國(guó)際沖突風(fēng)險(xiǎn)， 以及對(duì)我國(guó)信息安全和航天產(chǎn)業(yè)安全的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)等等。

我國(guó)正處于由航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期， 需要緊跟國(guó)際潮流， 把握住這一航天大發(fā)展的時(shí)代機(jī)遇， 促進(jìn)我國(guó)航天事業(yè)進(jìn)一步向前發(fā)展， 同時(shí)與國(guó)際社會(huì)一起面對(duì)、 解決大規(guī)模低軌星座帶來(lái)的一系列問(wèn)題， 并盡可能保護(hù)、 爭(zhēng)取我國(guó)的權(quán)益。 本文從低軌大規(guī)模星座發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)， 分析了其快速發(fā)展背后的機(jī)遇和帶來(lái)的一系列問(wèn)題和挑戰(zhàn)， 并從政策、 法規(guī)、 技術(shù)、 產(chǎn)業(yè)、國(guó)際應(yīng)對(duì)等方向提出了相應(yīng)的措施建議。

2 低軌大規(guī)模星座發(fā)展現(xiàn)狀

微小衛(wèi)星是指重量在500kg 以內(nèi)的航天器，按照重量可劃分為4 類: 重量在500 ～100kg 的小衛(wèi)星， 主要用于遙感、 通信； 重量在100 ～50kg的微小衛(wèi)星， 主要用于遙感、 通信、 在軌服務(wù)技術(shù)演示； 重量在50 ～10kg 的納衛(wèi)星和重量在10kg以下的皮衛(wèi)星， 主要用于概念演示探索。 過(guò)去大部分的微小衛(wèi)星都主要用于對(duì)平臺(tái)要求不高的演示性任務(wù)和簡(jiǎn)單性探索任務(wù)。 隨著技術(shù)的發(fā)展，微小衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理能力、 導(dǎo)航姿控能力、 通信能力、 供電能力和操控能力有了巨大的進(jìn)步。 目前微小衛(wèi)星已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于需要高平臺(tái)能力需求的復(fù)雜性任務(wù)和需要高可靠、 長(zhǎng)壽命的運(yùn)營(yíng)型任務(wù)。

低軌大型星座在20 世紀(jì)90 年代也曾出現(xiàn)過(guò)一次大發(fā)展的浪潮。 當(dāng)時(shí)眾多低軌通信星座概念中多數(shù)沒(méi)有進(jìn)入工程研制， 僅有投入運(yùn)營(yíng)的銥星系統(tǒng)、 全球星和軌道通信三個(gè)星座， 但也一度經(jīng)營(yíng)慘淡， 都經(jīng)歷了破產(chǎn)保護(hù)和重組[1]。 技術(shù)新、響應(yīng)快、 應(yīng)用靈活、 成本低的微小衛(wèi)星以及航天發(fā)射技術(shù)、 新興制造技術(shù)、 新型成像探測(cè)器和圖像處理技術(shù)、 以移動(dòng)通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為代表的IT 技術(shù)在近十幾年的高速發(fā)展， 使得低軌大規(guī)模星座卷土重來(lái)。 世界各航天大國(guó)和商業(yè)公司都提出了極其龐大的小衛(wèi)星星座發(fā)射部署計(jì)劃， 如果全部成為現(xiàn)實(shí)， 未來(lái)幾年內(nèi)在軌運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量將由現(xiàn)在的2000 多顆暴增到50000 多顆， 如表1。

表1 部分低軌大規(guī)模小衛(wèi)星星座計(jì)劃Table 1 SomeLEOsmallsat constellation programs

在過(guò)去幾年的航天發(fā)射活動(dòng)中， 2014 -2015年， 66%的新增衛(wèi)星為微納衛(wèi)星； 2017 年全球共發(fā)射1500kg 以下小衛(wèi)星376 顆， 相比2016 年發(fā)射數(shù)量翻倍增長(zhǎng)， 占發(fā)射航天器總數(shù)的85.5%，處于歷史最高發(fā)射水平； 2018 年， 發(fā)射航天器總數(shù)的80%以上為500kg 以下的小衛(wèi)星。 具體到通信衛(wèi)星領(lǐng)域， 最近20 年， 1000kg 以下衛(wèi)星占比從35.3%增長(zhǎng)至40.6%， 5000kg 以上衛(wèi)星占比從6.1%增長(zhǎng)至26.8%， 1000 ～5000kg 衛(wèi)星占比則從58.6%下降至32.7%， 在軌衛(wèi)星“大”、 “小”兩極化發(fā)展態(tài)勢(shì)明顯。

低軌星座最主要的應(yīng)用之一是寬帶通信。SpaceX 公司的低軌星座系統(tǒng)最早于2015 年提出，旨在利用大規(guī)模低軌衛(wèi)星提供全球高速寬帶接入服務(wù)。 2016 年11 月和2017 年3 月， SpaceX 公司分別提交了4425 顆衛(wèi)星的“SpaceX 非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)” (SpaceX NGSO Satellite System) 和7518 顆衛(wèi)星的“SpaceX V 頻段非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)”， 并將兩大星座系統(tǒng)統(tǒng)一命名為星鏈(Starlink)。 星座的主要應(yīng)用包括衛(wèi)星通信和傳輸服務(wù)、 高速無(wú)線寬帶服務(wù)， 以及衛(wèi)星成像服務(wù)和遙感服務(wù)等。 計(jì)劃2020 年， 部署800 顆衛(wèi)星， 開(kāi)始商業(yè)運(yùn)營(yíng)； 在2024 年完成4425 顆衛(wèi)星入軌， 提供全球服務(wù)， 后續(xù)追加部署7518 顆[2]。 2019 年10 月15 日， SpaceX 公司又通過(guò)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC) 向國(guó)際電聯(lián)提交了30000 顆衛(wèi)星的申請(qǐng)文件。 這些衛(wèi)星將部署在328 ～580km 的軌道， 將在用于常規(guī)通信功能外， 還具備對(duì)航天器遙測(cè)、 跟蹤和控制功能。 OneWeb 公司星座由720顆衛(wèi)星組網(wǎng)， 分布于1200km 高度的18 個(gè)軌道面。 計(jì)劃通過(guò)1 年時(shí)間發(fā)射部署， 在軌運(yùn)行時(shí)間5 年后再通過(guò)5 年時(shí)間執(zhí)行任務(wù)后降軌[3]。

除以通信為目的的星座以外， 遙感星座也發(fā)展迅猛。 美國(guó)行星公司計(jì)劃建造由27 顆微小衛(wèi)星組成的SkySat 星座、 285 顆的Flock 星座、 5 顆的RapidEye 星座， 組成分辨率0.9m、 3m、 6.5m 的組合系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)全球每日覆蓋。 該公司將衛(wèi)星獲得的地球圖像或視頻數(shù)據(jù)建立大數(shù)據(jù)庫(kù)， 提供基于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)。 美國(guó)陸軍快響光學(xué)偵察衛(wèi)星Kestrel Eye -2M 是工作在450kmSSO 軌道的5 (軌道面) ×8 (衛(wèi)星) 星座， 將實(shí)現(xiàn)分辨率1.5m， 單景4km×6km 和10min 圖像交付。 美國(guó)黑天全球公司正在發(fā)展由60 顆單星質(zhì)量小于50kg， 多光譜分辨率達(dá)1m， 視場(chǎng)覆蓋4.4km ×6.6km 的衛(wèi)星組成的星座， 具備10 ～60min 重訪能力[4]。 此外美國(guó)赫拉系統(tǒng)公司、 加拿大地球直播公司、 阿根廷衛(wèi)星邏輯公司等也都提出了基于小成本小平臺(tái)衛(wèi)星組網(wǎng)的高分辨率短回訪周期的遙感衛(wèi)星星座。 同時(shí)， 基于小型SAR 技術(shù)的遙感衛(wèi)星星座也在蓬勃發(fā)展。 Capella 公司的SAR 微衛(wèi)星， 將在未來(lái)3 ～4 年內(nèi)發(fā)射40 顆16U (推測(cè))尺度的衛(wèi)星， 分辨率1 ～30m， 可每3 ～6h 對(duì)全球成像一次。

低軌星座的應(yīng)用領(lǐng)域， 也在更具體、 更細(xì)致地深入發(fā)展。 Spire 公司提出了100 顆衛(wèi)星組成的Lemur 星座， 用于提供商業(yè)氣象、 海事、 空事融合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)。 BCT 公司建設(shè)的7 星TROPICS星座將用于熱帶風(fēng)暴觀測(cè)任務(wù)。 英國(guó)SRT 公司建設(shè)的6 星Ocean-Scan 星座將用于全球海洋監(jiān)測(cè)。

除此之外， 低軌星座也有巨大的軍事應(yīng)用前景。 遙感衛(wèi)星本身就具有極高的軍民兩用性， 通過(guò)低軌星座系統(tǒng)， 進(jìn)一步提高了遙感數(shù)據(jù)的獲取、 分發(fā)速度， 縮短了重訪周期， 使其更具有軍事價(jià)值。 美國(guó)陸軍Kestrel Eye 星座具備“按下即拍” 工作模式， 在10min 內(nèi)完成從前方作戰(zhàn)用戶發(fā)出任務(wù)請(qǐng)求到分發(fā)圖像的全部操作。 低軌通信星座則作為高軌通信衛(wèi)星的有力補(bǔ)充， 在填補(bǔ)能力縫隙的同時(shí)， 進(jìn)一步縮短指控鏈條， 直接服務(wù)戰(zhàn)區(qū)， 并使得整個(gè)系統(tǒng)的生存能力大大提高。

大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座的地位和作用可概括為:

一是實(shí)現(xiàn)彈性化空間體系轉(zhuǎn)型的重要力量。微小衛(wèi)星具有快速響應(yīng)、 使用靈活、 分散部署等優(yōu)勢(shì)， 與中大型衛(wèi)星優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、 協(xié)同工作， 填補(bǔ)能力縫隙， 實(shí)現(xiàn)彈性增強(qiáng)， 提升體系對(duì)抗生存能力。

二是加快航天應(yīng)用轉(zhuǎn)型的重要推手。 單顆微小衛(wèi)星能力有限， 可通過(guò)在軌規(guī)模化應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率、 高頻重訪、 指令及時(shí)響應(yīng)等高時(shí)效性應(yīng)用要求， 提升航天實(shí)用性。

三是推動(dòng)航天研產(chǎn)轉(zhuǎn)型的重要突破口。 微小衛(wèi)星采用標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化設(shè)計(jì)， 易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)、 規(guī)模化應(yīng)用， 推動(dòng)航天“兩作” 向“兩產(chǎn)”轉(zhuǎn)型， 降低航天成本。

大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座發(fā)展趨勢(shì)概括為:

(1) 規(guī)模數(shù)量， 微小衛(wèi)星數(shù)量逐年增長(zhǎng)。

(2) 應(yīng)用領(lǐng)域， 由技術(shù)試驗(yàn)向業(yè)務(wù)運(yùn)行拓展。

(3) 任務(wù)定位， 快速響應(yīng)、 戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用作用凸顯。

(4) 運(yùn)用方式， 通過(guò)多星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)集群應(yīng)用。

(5) 發(fā)展理念， 標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化、 系列化成為趨勢(shì)。

(6) 發(fā)展途徑， 軍民商共同參與， 商業(yè)采購(gòu)成為主流。

3 巨大的航天發(fā)展機(jī)遇

低軌大規(guī)模巨型星座發(fā)展預(yù)示著航天軌道革命的來(lái)臨， 其背后是技術(shù)、 商業(yè)模式、 資本、 市場(chǎng)等多領(lǐng)域的高速發(fā)展與高度融合， 由此帶來(lái)的是巨大的航天發(fā)展機(jī)遇。

依靠著相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的巨大進(jìn)步， 航天活動(dòng)的成本和難度大幅下降， 使得航天投資門(mén)檻大幅降低， 具備了商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的空間。 首先， 商業(yè)現(xiàn)貨元器件(COTS) 的進(jìn)步和大量應(yīng)用， 衛(wèi)星產(chǎn)品平臺(tái)型譜化、 衛(wèi)星組件軟件通用化以及開(kāi)源操作管理系統(tǒng)出現(xiàn)， 使得衛(wèi)星設(shè)計(jì)研制難度大幅下降。 薩瑞衛(wèi)星公司創(chuàng)始人馬丁·史威丁指出， 目前的商業(yè)現(xiàn)貨元器件(COTS) 已經(jīng)和衛(wèi)星專用器件一樣可靠。 洛馬公司和LuxSpace 都推出了型譜化、 標(biāo)準(zhǔn)化的衛(wèi)星平臺(tái)和載荷組件。 CPAW、PearlSim、 KubOS 等開(kāi)源公開(kāi)軟件進(jìn)一步便捷了衛(wèi)星設(shè)計(jì)過(guò)程， 使得衛(wèi)星設(shè)計(jì)一站式解決方案成為可能。 其次， 大數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)、 協(xié)作機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)軌傳送機(jī)器人、 智能裝配工具、 自動(dòng)精準(zhǔn)耦合系統(tǒng)、 自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)、 自動(dòng)加熱分配系統(tǒng)、 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具、 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等數(shù)字化、 智能化、 模塊化、 批量化制造技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用到衛(wèi)星總裝、 集成和測(cè)試(AIT) 中， 使得衛(wèi)星生產(chǎn)批量化規(guī)?；?產(chǎn)能大幅上升的同時(shí)， 極大地降低了衛(wèi)星制造成本。 OneWeb 公司和SpaceX 公司都提出1 天至少3 顆衛(wèi)星的出廠速度， 同時(shí)單星成本不超過(guò)50 萬(wàn)美元[5]。 佛羅里達(dá)工廠通過(guò)載荷、 電子設(shè)備、 推進(jìn)系統(tǒng)、 太陽(yáng)帆板4 條并行獨(dú)立生產(chǎn)線生產(chǎn)衛(wèi)星， 可以60 萬(wàn)美元的成本每天出廠衛(wèi)星3 ～4 顆， 年產(chǎn)量高達(dá)890 顆。 最后， 隨著一箭多星技術(shù)的常態(tài)化、 可重復(fù)使用火箭技術(shù)的實(shí)用化、 小型專用火箭的出現(xiàn)以及發(fā)射組織服務(wù)模式創(chuàng)新， 小衛(wèi)星的發(fā)射成本也大幅降低。 這些因素共同作用使得進(jìn)入航天領(lǐng)域的門(mén)檻大幅下降， 大規(guī)模星座的研制、 部署、 運(yùn)營(yíng)成本大幅降低， 為新公司和新商業(yè)模式的進(jìn)入鋪平了道路。

新公司、 新技術(shù)和新商業(yè)模式， 吸引了大量民間資本進(jìn)入， 航天不再只是政府主導(dǎo)。 除了本身就資本雄厚以外， 互聯(lián)網(wǎng)公司的進(jìn)入同時(shí)也帶來(lái)了新的融資模式， 緊跟而來(lái)的是敢于投資高風(fēng)險(xiǎn)初創(chuàng)企業(yè)的商業(yè)資本。 2015 年， OneWeb 公司已經(jīng)通過(guò)A 輪融資籌集了5 億美元的資金注入，并通過(guò)與產(chǎn)業(yè)鏈利益相關(guān)方合作的方式， 獲得了包括印度和墨西哥的電信運(yùn)營(yíng)商、 可口可樂(lè)公司、 空客防務(wù)與航天公司(ADS)、 國(guó)際通信衛(wèi)星公司以及法國(guó)和美國(guó)的進(jìn)出口銀行多方融資。SpaceX 公司也已經(jīng)獲得了來(lái)自谷歌公司和富達(dá)投資公司10 億美元的投資。 過(guò)去10 年， 商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)吸引了超過(guò)130 億美元的投資， 其中20%來(lái)自于投資公司和私營(yíng)企業(yè)。 歐洲咨詢公司發(fā)布的《小衛(wèi)星市場(chǎng)預(yù)測(cè)》 中預(yù)計(jì)未來(lái)10 年內(nèi)將發(fā)射超過(guò)6200 顆小衛(wèi)星， 相應(yīng)的制造市場(chǎng)規(guī)模約有165億美元， 發(fā)射市場(chǎng)規(guī)模約有145 億美元。 到2030年， 全球大約10%的GDP 都將來(lái)自于航天。

4 低軌大規(guī)模星座帶來(lái)的挑戰(zhàn)

低軌大規(guī)模星座的爆炸式發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)際社會(huì)的原有預(yù)期， 也在逼近近地軌道空間的承載極限， 將深刻變革現(xiàn)有的航天產(chǎn)業(yè)格局。 現(xiàn)有空間環(huán)境、 國(guó)際社會(huì)以及我國(guó)都面臨一系列的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

4.1 頻率和軌位資源

低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座由于其巨大通信容量需求， 需要同時(shí)與地球同步軌道的衛(wèi)星系統(tǒng)和其他低軌星座系統(tǒng)兼容協(xié)調(diào)， 頻率競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)極其激烈。 大量密集的低軌頻譜申請(qǐng)已經(jīng)對(duì)現(xiàn)有用頻規(guī)則構(gòu)成巨大沖擊， 且越來(lái)越有抓住現(xiàn)有國(guó)際規(guī)則漏洞“跑馬圈地”， 搶占低軌頻譜資源的態(tài)勢(shì)[6，7]。

2017 年， 國(guó)際電聯(lián)(ITU) 正式啟動(dòng)星座投入使用規(guī)則修訂的研究工作， 試圖通過(guò)設(shè)置里程碑節(jié)點(diǎn)的方法， 規(guī)范已申請(qǐng)星座的分階段、 分批次發(fā)射使用。 對(duì)無(wú)法按照里程碑節(jié)點(diǎn)足量發(fā)射衛(wèi)星的， 電聯(lián)將縮減其星座規(guī)模甚至刪除。 但是，目前這些新方案僅僅是在國(guó)際電聯(lián)進(jìn)行討論， 正式頒布還要等到四年后。 在此期間， 低軌頻譜軌位方面存在巨大的管理漏洞。

在該方面歐美國(guó)家通過(guò)系統(tǒng)建設(shè)、 頻軌資源申報(bào)與國(guó)際電聯(lián)議題研究互相配合、 相輔相成，已占據(jù)很大優(yōu)勢(shì)。 他們幾乎在提出建設(shè)全球低軌星座計(jì)劃的同時(shí)， 啟動(dòng)向本國(guó)頻率主管機(jī)構(gòu)及國(guó)際電聯(lián)的頻軌資源申報(bào)工作。 當(dāng)其系統(tǒng)建設(shè)、 頻軌資源申報(bào)走在前列時(shí)， 他們又開(kāi)始在國(guó)際電聯(lián)層面嘗試收緊政策法規(guī)， 為后續(xù)其他全球星座系統(tǒng)的建設(shè)設(shè)置較高門(mén)檻， 同時(shí)為己方星座留足空間。 特別是2019 年8 月1 日， 美國(guó)FCC 通過(guò)了簡(jiǎn)化小衛(wèi)星審批程序文件， 該文件針對(duì)滿足特定條件的低軌星座放寬了審批要求、 降低了申請(qǐng)門(mén)檻、 縮減了審批程序， 大大便捷了美國(guó)公司的小衛(wèi)星申請(qǐng)程序， 這在讓美國(guó)公司進(jìn)一步獲得優(yōu)勢(shì)的情況下， 將進(jìn)一步加劇頻率和軌位資源領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)和運(yùn)營(yíng)商間的協(xié)調(diào)沖突。

目前我國(guó)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的申報(bào)數(shù)量、 頻段占有率都位居世界前列。 但由于申報(bào)策略不明確， 且實(shí)際投入使用星座數(shù)量少， 受到里程碑規(guī)定的嚴(yán)格約束， 未發(fā)揮出應(yīng)有作用。 因此， 我國(guó)一方面需要根據(jù)國(guó)際電聯(lián)規(guī)定對(duì)已申請(qǐng)網(wǎng)絡(luò)資料充分保護(hù)、 彈性啟用， 以應(yīng)對(duì)里程碑節(jié)點(diǎn)約束。 另一方面， 需要對(duì)衛(wèi)星應(yīng)用有更為清晰的規(guī)劃， 同時(shí)通過(guò)發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)手段緩解同頻共用的競(jìng)爭(zhēng)壓力， 真正發(fā)揮所申報(bào)資源的價(jià)值。

4.2 空間碎片環(huán)境

空間碎片環(huán)境一直在不斷惡化中， 已經(jīng)開(kāi)始威脅到了LEO 軌道的安全。 目前空間碎片環(huán)境的惡化仍遠(yuǎn)未得到遏制。 根據(jù)NASA 研究推算， 如果沒(méi)有有效的控制手段， 70 年后LEO 碎片密度將達(dá)到一個(gè)臨界值， 導(dǎo)致碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)發(fā)生(Kessler 災(zāi)難)， 進(jìn)而使得近地空間徹底不可用[8-10]。 而大規(guī)模小衛(wèi)星星座的發(fā)射部署將極大地加劇這一趨勢(shì)[11]。

首先， 由于其數(shù)量巨大， 發(fā)射過(guò)程穿越空間目標(biāo)密集區(qū)域?qū)O大地增加部署軌道空間目標(biāo)數(shù)量及撞擊概率， 同時(shí)其自身受碎片撞擊概率也較大。 2019 年6 月28 日， SpaceX 發(fā)射的60 顆微小衛(wèi)星3 顆失聯(lián)， 2 顆將主動(dòng)墜落， 5%成為碎片。2019 年9 月2 日， ESA 地球觀測(cè)衛(wèi)星Aeolus 采取了機(jī)動(dòng)規(guī)避， 以避免與SpaceX 發(fā)射的60 顆微小衛(wèi)星發(fā)生碰撞。

合法性是組織社會(huì)學(xué)研究的重要范疇。對(duì)組織合法性的多重界定和分類主要對(duì)應(yīng)不同的制度來(lái)源和利益相關(guān)者④，廣為認(rèn)可的分類是Scott的規(guī)制合法性、規(guī)范合法性、認(rèn)知合法性三分法，分別基于管制性規(guī)則、約束性期待和建構(gòu)性圖式三種秩序基礎(chǔ)⑤。相關(guān)研究可分為制度視角和戰(zhàn)略視角。制度視角用合法性來(lái)理解組織與制度的關(guān)系，解釋組織趨同。⑥戰(zhàn)略視角認(rèn)為，組織可以高度控制合法化進(jìn)程，并通過(guò)合法化策略獲得、維持或修復(fù)合法性。⑦

其次， 由于小衛(wèi)星相對(duì)于傳統(tǒng)衛(wèi)星可靠性低， 還面臨入軌失敗率高、 運(yùn)行中失效率高及可靠任務(wù)后離軌難以保證的問(wèn)題； 最后， 由于其目標(biāo)特征小， 地面難以對(duì)其進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)預(yù)警和規(guī)避。

從短期看， 大型小衛(wèi)星星座發(fā)射會(huì)使LEO 軌道目標(biāo)大量增加， 從而威脅到現(xiàn)有空間目標(biāo)的安全。 以O(shè)neWeb 星座為例， 根據(jù)仿真計(jì)算和ESA及NASA 的研究結(jié)果[12，13]， 其位于1200km 軌道高度由720 顆衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)在發(fā)射部署、在軌運(yùn)行和任務(wù)后離軌三個(gè)階段與已編目空間目標(biāo)危險(xiǎn)交會(huì)次數(shù)如圖1 所示。 僅其運(yùn)行階段單年的危險(xiǎn)交會(huì)次數(shù)即已超過(guò)現(xiàn)在全部空間目標(biāo)全年危險(xiǎn)交會(huì)次數(shù)(1000 多次)。 持續(xù)5 年的任務(wù)后離軌階段更是有超過(guò)萬(wàn)次的危險(xiǎn)交會(huì)。 雖然通過(guò)縮減離軌時(shí)間能顯著減少危險(xiǎn)交匯次數(shù)， 但目前碎片減緩準(zhǔn)則對(duì)此并無(wú)約束。 這僅僅是一個(gè)720顆衛(wèi)星星座的影響， 上萬(wàn)顆星座的影響會(huì)更加驚人。

圖1 OneWeb 星座不同階段危險(xiǎn)交會(huì)次數(shù)Fig.1 Number of dangerous rendezvous between One Websatelliteconstellateion and catalogued space objects in different stages

從長(zhǎng)期看， 大型小衛(wèi)星星座自身也會(huì)遭遇碎片撞擊， 使得低軌撞擊次數(shù)增加， 產(chǎn)生更多的空間碎片， 加劇碎片環(huán)境的長(zhǎng)期惡化趨勢(shì)。 根據(jù)2016 年ESA 的研究結(jié)果[14]， 一個(gè)壽命期50 年(2021 -2071) 的典型的大型小衛(wèi)星星座(1080顆200kg 衛(wèi)星， 分布于高度1100km、 傾角80°的20 個(gè)軌道平面) 的發(fā)射運(yùn)行將導(dǎo)致LEO 軌道物體和撞擊次數(shù)在短時(shí)間內(nèi)的激增； 當(dāng)星座中衛(wèi)星任務(wù)后離軌成功率(PMD) 高達(dá)90%以上時(shí)， 軌道物體數(shù)量和撞擊次數(shù)才能在星座退役后緩慢恢復(fù)到正常水平， 而低于90%的PMD 將導(dǎo)致軌道物體持續(xù)增長(zhǎng)， 空間環(huán)境將不可逆轉(zhuǎn)的持續(xù)惡化， 如圖2、 3。 當(dāng)達(dá)到90%PMD 成功率時(shí)， 若縮短離軌時(shí)間， LEO 區(qū)域物體數(shù)量和撞擊次數(shù)峰值將隨之縮小， 環(huán)境恢復(fù)速度也將隨之提升， 如圖4、 5。

圖2 不同PMD 執(zhí)行率下星座對(duì)LEO 軌道10cm 以上碎片數(shù)量影響[12]Fig.2 Influence of constellateion on number of LEO space objects larger than 10cm with different PMD rates

圖3 不同PMD 執(zhí)行率下星座對(duì)LEO 軌道物體相撞次數(shù)的影響[9]Fig.3 Influence of constellateion on number of collisions between LEO objects with different PMD rates

聯(lián)合國(guó)外空委(UNCOPUOS) 和國(guó)際機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì)(IADC) 現(xiàn)有的空間碎片減緩指南完全無(wú)法遏制大規(guī)模小衛(wèi)星星座對(duì)空間碎片環(huán)境的災(zāi)難性影響。 為此， IADC 從2015 年開(kāi)始， 2016、 2017、 2018 年連續(xù)在外空委大會(huì)上提交關(guān)于大規(guī)模星座問(wèn)題的聲明， 聲明指出: “大規(guī)模星座將導(dǎo)致空間碎片環(huán)境嚴(yán)重惡化， 對(duì)現(xiàn)存減緩指南構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)”。 IADC 建議: (1) 大型微小衛(wèi)星星座不要在軌道高度上重疊， 避免相互碰撞； (2) 在400km 以上軌道高度的微小衛(wèi)星必須自帶角反射器等， 能告知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)衛(wèi)星自身的空間位置， 以避免和其他衛(wèi)星碰撞； (3) 微小衛(wèi)星在任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行迅速可靠的鈍化、 離軌處置， 在壽命結(jié)束后5 年內(nèi)必須離軌； (4) 微小衛(wèi)星制造時(shí)選用適當(dāng)?shù)牟牧希?使得衛(wèi)星在重返大氣層時(shí)能夠徹底分解、 燒毀， 確保沒(méi)有碎片到達(dá)地面， 以免對(duì)地面上的人或財(cái)產(chǎn)構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 不同PMD 時(shí)間下星座對(duì)LEO 軌道10cm 以上碎片數(shù)量影響Fig.4 Influence of constellateion on number of LEO space objects larger than 10cm with different PMD rates

圖5 不同PMD 時(shí)間下星座對(duì)LEO 軌道物體相撞次數(shù)的影響Fig.5 Influence of constellateion on number of collisions between LEO objects with different PMD rates

4.3 信息安全

低軌通信星座將實(shí)現(xiàn)全球范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，由于其終端和接入費(fèi)用的低廉， 將很大程度上成為偏遠(yuǎn)和不發(fā)達(dá)地區(qū)的主要通信方式。 對(duì)于我國(guó)， 雖然現(xiàn)有4G 等無(wú)線通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已較為完善， 但仍存在大量偏遠(yuǎn)不發(fā)達(dá)地區(qū)適合使用星座通信網(wǎng)絡(luò)。 星座網(wǎng)絡(luò)不同于現(xiàn)有傳統(tǒng)地面通信設(shè)施， 它不受國(guó)界限制， 難以物理隔絕， 且無(wú)法監(jiān)控。 將使我國(guó)現(xiàn)有國(guó)家防火墻形同虛設(shè)， 對(duì)我國(guó)的信息安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅， 政治隱患巨大。

低軌遙感衛(wèi)星星座則本身就具有極高的軍民兩用性。 美國(guó)多家從事遙感衛(wèi)星星座的公司本身就具有一定的美國(guó)軍方和政府背景。 美國(guó)國(guó)家地理空間情報(bào)局也在針對(duì)商業(yè)遙感衛(wèi)星星座發(fā)布的《商業(yè)地理空間情報(bào)戰(zhàn)略》 中明確要求這些公司:在作戰(zhàn)要求時(shí)限內(nèi)提供多樣化圖像、 情報(bào)產(chǎn)品和服務(wù)， 保障情報(bào)用戶做出明智決策， 并建立辦公室促進(jìn)軍方對(duì)新興商業(yè)對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星星座的利用。 低軌大規(guī)模星座系統(tǒng)本身就可能隱藏了軍用平臺(tái)和系統(tǒng)， 其建成后也很可能進(jìn)一步牽引產(chǎn)生新的軍事用途， 甚至直接融入軍事系統(tǒng)中， 這也將對(duì)我國(guó)的國(guó)家安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

4.4 產(chǎn)業(yè)安全

由于大規(guī)模星座規(guī)?；径荚谇ьw量級(jí)以上， 交付周期也比普通通信衛(wèi)星更短， 以傳統(tǒng)制造商的現(xiàn)有AIT 設(shè)施、 延續(xù)現(xiàn)有的研制模式， 根本無(wú)法滿足這種需求。 針對(duì)該情況， 歐美互聯(lián)網(wǎng)星座公司都開(kāi)始通過(guò)和傳統(tǒng)航天企業(yè)合作， 建立新型的衛(wèi)星研制模式和AIT 流程[15]。

OneWeb 公司與佛羅里達(dá)航天公司和歐洲空客集團(tuán)分別達(dá)成協(xié)議， 在美國(guó)和歐洲建立工廠，將傳統(tǒng)飛機(jī)批量制造的方式引入衛(wèi)星制造， 利用自動(dòng)生產(chǎn)、 組裝流水線進(jìn)行大規(guī)模、 低成本衛(wèi)星生產(chǎn)[2]。 SpaceX 公司也在西雅圖設(shè)立了衛(wèi)星工廠， 計(jì)劃充分利用智能裝配工具、 大數(shù)據(jù)控制、機(jī)器人、 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具以及自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等手段， 加速整個(gè)總裝、 集成和測(cè)試 (AIT) 流程，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的批量化、 自動(dòng)化、 短周期生產(chǎn)。 這些生產(chǎn)能力具有強(qiáng)烈的軍民兩用性， 戰(zhàn)時(shí)將直接轉(zhuǎn)換為軍事衛(wèi)星的快速生產(chǎn)補(bǔ)充能力。

目前， 我國(guó)大規(guī)模星座計(jì)劃進(jìn)度落后于歐美， 產(chǎn)業(yè)發(fā)展也缺乏相應(yīng)的牽引。 而高效率、 大批量、 低成本生產(chǎn)小衛(wèi)星引起的技術(shù)產(chǎn)業(yè)變革是全方位的， 最終也必將會(huì)引起傳統(tǒng)大型衛(wèi)星研制生產(chǎn)技術(shù)的變革。 如果我們不采取果斷措施， 這種變革將顛覆傳統(tǒng)衛(wèi)星AIT 產(chǎn)業(yè)， 和平時(shí)期導(dǎo)致我國(guó)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)喪失國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力， 戰(zhàn)時(shí)導(dǎo)致衛(wèi)星生產(chǎn)補(bǔ)充能力全面落后， 屆時(shí)我國(guó)衛(wèi)星制造產(chǎn)業(yè)將可能面臨全面的落后而出局。

4.5 天文學(xué)觀測(cè)

2019 年6 月10 日美國(guó)天文學(xué)會(huì)發(fā)表立場(chǎng)聲明， 指出低軌大規(guī)模星座對(duì)天文學(xué)和宇宙學(xué)觀測(cè)產(chǎn)生越來(lái)越明顯不利影響:

(1) 星座反射和發(fā)射的光會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)和近紅外觀測(cè)；

(2) 星座通信的電磁輻射會(huì)對(duì)無(wú)線電天文觀測(cè)造成污染；

(3) 星座本身也會(huì)對(duì)天基空間天文觀測(cè)臺(tái)構(gòu)成碰撞威脅。

5 發(fā)展與應(yīng)對(duì)策略

以低軌大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用為代表的“軌道革命”是航天事業(yè)未來(lái)重大的發(fā)展機(jī)遇。 大規(guī)模衛(wèi)星星座作為未來(lái)重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于我國(guó)這樣一個(gè)國(guó)家利益正在全球化的大國(guó)來(lái)講， 其重要性也不言而喻。 因此， 我們需要出臺(tái)相關(guān)政策， 積極引導(dǎo)、 推進(jìn)自主可控、 服務(wù)“一帶一路” 等我國(guó)全球利益的低軌大規(guī)模星座系統(tǒng)建設(shè)， 打造自己的低軌大規(guī)模星座體系， 形成我國(guó)自主的低成本、 大規(guī)模、 批量化衛(wèi)星生產(chǎn)制造能力。

同時(shí)， 低軌大規(guī)模星座帶來(lái)的諸多挑戰(zhàn)在未來(lái)很可能相互耦合關(guān)聯(lián)作用， 引起更加復(fù)雜的問(wèn)題和挑戰(zhàn)， 需要我國(guó)提前做好應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。

首先， 空間碎片環(huán)境惡化和頻譜、 軌位資源問(wèn)題都凸顯了現(xiàn)有國(guó)際規(guī)則的不完善。 需要在現(xiàn)有國(guó)際規(guī)則情況下采取有效措施盡可能維護(hù)我國(guó)利益， 同時(shí)做好充分準(zhǔn)備在相關(guān)國(guó)際法規(guī)的修改制定中形成對(duì)我國(guó)有利的局面。

其次， 低軌大規(guī)模星座導(dǎo)致的空間碎片環(huán)境惡化必將加劇加速對(duì)空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)的需求和發(fā)展。 我國(guó)需要在加大空間碎片主動(dòng)移除技術(shù)研發(fā)投入的同時(shí)， 做好應(yīng)對(duì)其他航天強(qiáng)國(guó)以此為名發(fā)展太空武器， 甚至以碎片移除為掩護(hù)攻擊我國(guó)衛(wèi)星的防范準(zhǔn)備。

最后， 低軌大規(guī)模星座系統(tǒng)是重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施， 本身就可能隱藏了軍用平臺(tái)和系統(tǒng)， 其建成后也很可能進(jìn)一步牽引產(chǎn)生新的軍事用途， 甚至直接融入軍事系統(tǒng)中。 我國(guó)需要提前發(fā)展相應(yīng)的應(yīng)對(duì)技術(shù)做好應(yīng)對(duì)預(yù)案。

綜上討論， 對(duì)我國(guó)發(fā)展低軌大規(guī)模星座的建議如下:

(1) 加強(qiáng)跟蹤研究

目前低軌大規(guī)模星座國(guó)際情況復(fù)雜， 技術(shù)、政策、 法律、 商業(yè)等多領(lǐng)域都存在問(wèn)題， 信息量大且真假難辨， 需要組織專業(yè)研究力量， 緊盯國(guó)外發(fā)展情況和態(tài)勢(shì)， 分析其內(nèi)在動(dòng)因、 目的、 技術(shù)水平和實(shí)際進(jìn)展， 同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)情況， 研究相關(guān)應(yīng)對(duì)策略， 為決策提供參考。

(2) 制定政策引導(dǎo)

相比歐美國(guó)家， 我國(guó)在大規(guī)模小衛(wèi)星星座領(lǐng)域缺乏有針對(duì)性的相關(guān)政策， 官方和民間力量都對(duì)該領(lǐng)域投入熱情不夠， 需要國(guó)家主管部門(mén)的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)， 根據(jù)我國(guó)現(xiàn)實(shí)情況， 出臺(tái)相關(guān)政策， 指引該領(lǐng)域發(fā)展。 一方面， 發(fā)揮具有完整產(chǎn)業(yè)鏈單位的整體優(yōu)勢(shì)， 設(shè)計(jì)完整的產(chǎn)業(yè)解決方案并盡快付諸實(shí)施。 另一方面鼓勵(lì)有發(fā)展意愿的民間力量， 發(fā)展合理可行的商業(yè)模式， 從而吸引民間資本市場(chǎng)多元化投入， 壯大該領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力量。

(3) 推進(jìn)法規(guī)完善

大規(guī)模小衛(wèi)星星座在空間碎片環(huán)境、 頻段軌位資源、 空間進(jìn)入利用等方面都對(duì)現(xiàn)行法律法規(guī)構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 在出臺(tái)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的同時(shí)， 也需要進(jìn)一步完善相關(guān)法律法規(guī)， 以有效約束相關(guān)領(lǐng)域活動(dòng)， 使其有序發(fā)展。 同時(shí)， 國(guó)際社會(huì)在該領(lǐng)域也存在法律法規(guī)缺位。 搶先在國(guó)內(nèi)制定并實(shí)施相關(guān)法規(guī)有助于我們?cè)趪?guó)際規(guī)則制定上搶得先機(jī)， 促使對(duì)我國(guó)有利的國(guó)際規(guī)則形成。

(4) 加大技術(shù)支撐

低軌大規(guī)模星座從設(shè)計(jì)、 研制、 生產(chǎn)到發(fā)射、 部署、 運(yùn)營(yíng)都涉及大量先進(jìn)技術(shù)， 包括傳統(tǒng)航天領(lǐng)域內(nèi)的新興技術(shù)和領(lǐng)域外技術(shù)交叉融合。需要根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況， 聯(lián)合優(yōu)勢(shì)單位， 對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行集智攻關(guān)， 以有效支撐該領(lǐng)域發(fā)展。 具體包括: 頻譜方面: 更高頻段無(wú)線電傳輸技術(shù)、無(wú)線電抗干擾技術(shù)、 在軌頻譜感知技術(shù)； 空間碎片環(huán)境方面: 低成本強(qiáng)制離軌模塊、 在軌衛(wèi)星自動(dòng)規(guī)避技術(shù)、 低成本空間碎片批量移除技術(shù)； 衛(wèi)星研制方面: 衛(wèi)星智能化批量化AIT 技術(shù)； 運(yùn)載發(fā)射方面: “一箭百星” 級(jí)衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)， 衛(wèi)星運(yùn)管方面: 大規(guī)模星座運(yùn)管控技術(shù)、 星上自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、 體系仿真技術(shù)等。

(5) 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

大規(guī)模小衛(wèi)星星座發(fā)展最終導(dǎo)致的結(jié)果是航天產(chǎn)業(yè)的巨大變革。 我國(guó)由于種種原因在該領(lǐng)域已經(jīng)落后， 因此有必要根據(jù)國(guó)內(nèi)情況和國(guó)際趨勢(shì)， 有針對(duì)性地加大對(duì)該方向優(yōu)勢(shì)單位的扶持力度， 促進(jìn)其快速轉(zhuǎn)型， 以適應(yīng)新形勢(shì)， 趕超國(guó)際先進(jìn)。

(6) 國(guó)際合作應(yīng)對(duì)

目前， 針對(duì)大規(guī)模小衛(wèi)星星座我國(guó)在言論和行動(dòng)方面都缺乏動(dòng)作， 需要系統(tǒng)的從多方面采取行動(dòng)， 包括通過(guò)政府機(jī)構(gòu)或企業(yè)發(fā)聲表態(tài)， 譴責(zé)SpaceX 等公司利用國(guó)際規(guī)則不健全， 惡意搶占頻軌資源的行為； 組織促進(jìn)國(guó)內(nèi)企業(yè)積極參與國(guó)際頻軌資源競(jìng)爭(zhēng)； 組織國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)積極參與國(guó)際規(guī)則制定； 從國(guó)家層面分析研究低軌大規(guī)模星座系統(tǒng)布局， 重點(diǎn)利用未被占用的軌道空白點(diǎn)配置我國(guó)大規(guī)模星座等。