商业微小卫星发展战略研究

2018-06-14深圳航天东方红海特卫星有限公司张少康何民薛力军

卫星应用 2018年5期

● 文 |深圳航天东方红海特卫星有限公司张少康何民薛力军

一、概述

根据国际通用的按星体质量的分类方法，一般把质量为10～100kg之间的卫星定义为微小卫星。国内一般把500kg以下的卫星定义为微小卫星。如今微小卫星的发展引起了空间技术和应用的重大变革，低成本、高性价比已成为微小卫星发展的核心竞争力，通过微小卫星星座组网或编队容易获得高的时间分辨率和观测覆盖性，缩短重访时间，达到甚至超越大型卫星的功能，以此开展多领域的商业化应用，是世界航天发展的趋势。

二、微小卫星发展现状

1. 规模数量方面，近十年小卫星呈爆发式增长

商业航天是按市场化机制开展的航天活动，在新兴技术持续突破、“太空+互联网”跨界融合、新兴航天企业蓬勃发展、商业资本涌入的促动下，全球即将进入新太空时代。近年来，微小卫星发展态势强劲，尤其自2013年开始呈爆发式增长，2017年，500kg以下的微小卫星发射量达到344颗，说明微小卫星受到越来越多的关注，呈现加速发展的趋势，如图1所示。

2. 应用层次方面，技术试验向业务运行拓展

微小卫星逐渐突破以科学与技术试验为主要用途的传统思维，随着技术的发展和商业模式的创新，新的航天应用业务正在逐渐形成，商业微小卫星星座正在实现从试验型向应用型的过渡，试图在复杂的大型卫星建立的传统天基应用市场上占据一席之地。纵观世界，商业微小卫星星座运营公司应运而生，显现出了其商业价值和潜力，积极抢占传统市场和开发新业务模式的趋势已经明显。

从5kg级CubeSat纳星到300kg级微小卫星都已实现商业或业务运营能力。

● 5kg级，鸽群（Flock）商业遥感微纳系统（以低成本、持续大规模部署实现运营）；

● 10kg级，Aprize商业窄带数据通信系统（寿命10～12年）；

● 50kg级，COSMIC大气探测系统（寿命5年），轨道通信一代（Orbcomm 1）（寿命4年）；

● 100kg级，Skybox商业遥感系统，DMC1灾害监测系统；

● 150kg级，德国RapidEye商业遥感系统（寿命7年），Orbcomm 二代（寿命＞5年）；

● 300kg级，以色列TecSAR（寿命5年），以色列Ofeq-10（分辨率0.46m）。

微小卫星的应用领域不断拓宽，业务能力逐步提升，在不久的将来可实现与大卫星相比拟的功能性能，较低成本、适合大规模组网应用，在对地观测、通信、导航领域走向商业化。

3. 发展理念方面，标准化、模块化、系列化成为发展方向

随着微小卫星需求数量的增加，微小卫星研制已经从单颗研制过渡到批量生产。依靠标准化的通用接口、即插即用技术，形成模块化的有效载荷、平台组件、系列化的平台等，使得卫星的流水线总装能够成为可能。由于卫星的批量化和统一化，使得卫星的组批式环境试验以及抽检式环境试验成为可能，降低了设计、制造、装配和测试的时间和成本。

标准化、模块化、系列化设计不仅在发射前的快速集成组装中发挥重要作用，同时在在轨服务过程中，也能够提高航天器的灵活性，降低在轨服务的复杂性和费用（见图2）。可以将各类卫星部件封装成卫星模块，由火箭等运载工具发射入轨后存放于卫星模块存储平台上，在需要的时候进行在轨组装、更换维修以及升级等操作，这样将极大地提高空间任务的灵活性，延长卫星的寿命，增强卫星的功能。

4.卫星发射方面，“一箭多星”、搭载发射、在轨释放等

为降低发射成本，“一箭多星”已成为微小卫星的主流发射方式。发射方式的多样化大大提高了批量化部署能力，降低了进入太空的成本，推动了微小卫星产业化发展。

● 2013年11月，美国米诺陶（Minotaur）火箭成功实现1箭29星+2附加载荷发射；

● 2013年11月，俄罗斯第聂伯(Dnepr)火箭成功实现1箭32星发射；

● 2014年初，美国从国际空间站成功释放33星，再次刷新单次部署纪录；

● 2014年6月，俄罗斯第聂伯火箭成功实现1箭37星，再次打破发射纪录；

● 2015年9月，中国新型运载火箭长征六号将20颗卫星送入预定轨道（图3）；

● 2017年2月，印度成功用一枚运载火箭将104颗卫星发射到高度505km的太阳同步轨道，其中包括88颗Flock-3p系列卫星和8颗Spire公司大气探测卫星。

5. 微小卫星发展趋势

经过最近十年的高速发展，微小卫星的各方面技术能力已取得突破性进展，功能不断拓展，应用领域持续扩展，小卫星大应用局面已经开启。

就微小卫星本身而言，后续发展应从微小型化、开放扩展、成本控制、快速响应、空间应用和运行管理等方面给予关注，高性价比微小卫星已成为商业航天应用的重要一环。微小卫星能力拓展现状和发展趋势预测如图4和图5所示。

三、商业化研制思路

从20世纪80年代开始，以微小卫星为代表的新一代小型航天器受到了普遍重视，美国、欧洲各国、日本、俄罗斯以及加拿大、印度等国家纷纷开展了各自的微小卫星技术研究和商业化的应用探索。

微小卫星在国内的发展态势也同样迅猛，当前国内航天技术商业化趋势越来越明显，微小卫星正在受到越来越多的关注，呈现加速发展的趋势，我国商业化微小卫星已经初步完成技术积累，在国家和地方政府的支持下，各地开始布局各自的航天产业，民间资本已然跃跃欲试，涌入航天市场。

1. 国外典型商业化微小卫星应用现状

轨道通信（Orbcomm）星座。 Orbcomm星座系统始建于上世纪90年代，是全球首个商业化运营的双向数据卫星通信系统，其运营实体是总部位于美国新泽西州的Orbcomm公司。Orbcomm系统为全球用户提供低成本的物物互联（M2M）通信手段，其应用遍布于全球100多个国家与地区。

鸽群（Flock）星座。Flock星座为光学对地成像星座，由美国行星（Planet）公司研制并运行管理；3U立方星，质量约5kg，分辨率3～5m，展开式太阳帆板；卫星无推进系统，通过气阻差实现同轨面内的相位控制；目前已在轨部署300余颗。

一网（OneWeb）星座。美国OneWeb公司运营；直接向全球用户提供低延迟、高速率、价格合理的互联网接入服务；轨道高度1200km，18 个轨道面，720 颗卫星组网；每颗卫星质量约150kg；应用高度自动化的机器人生产线，预计2019年投入运营（见图6）。

狐猴（Lemur）星座。由Spire公司研制运营，起源于ArduSat开放卫星项目，通过众筹起步；提供GPS掩星大气探测气象服务，AIS航海数据服务；3U立方星，质量约4kg，搭载GPS掩星接收机、AIS接收机；2013年开始部署，目前二代星在轨40余颗；2017年部署8颗。

2. 国内商业化微小卫星技术探索

（1）开拓一号（A/B）

开拓一号卫星是深圳航天东方红海特卫星有限公司因应低成本卫星应用及新技术试验需求，自主开展的试验卫星项目，包括开拓一号A星和B星。项目成功实现在轨试验验证高性价比的微小卫星平台，丰富基于工业产品的低成本卫星产品体系，为快速响应、技术试验等短周期任务提供高性价比的商业化解决方案。

开拓一号卫星研制采用全商业现货（COTS）产品，打造一款适用于（空间快速响应及技术试验等）短任务周期空间任务的高性价比微小卫星平台。卫星平台采用了大量先进的工业新技术（＞25项）和新产品（18种），创新性的研制流程，将总研制周期缩短为20个月。

该星于2015年9月20日随长征六号运载火箭1箭20星发射，A星于入轨第8圈分离部署B星（如图7所示），目前两星在轨运行稳定。发射至今，圆满完成各项试验任务，验证了系统应用COTS产品的高性价比微小卫星平台，积累了COTS产品在轨应用数据，初步形成了配套产品体系（见图8）。

B星是我国首颗符合国际通行规范的2U立方体卫星，该卫星同时还将对新型立方星分离机构、微型控制部件及全磁控制算法、微型数传装置等COTS产品集中进行在轨试验验证，可广泛应用于微纳卫星。该星成功研制发射，为后续高性价比商业微小卫星研制与应用奠定了基础（见图9）。

（2）脉冲星导航试验卫星

脉冲星导航试验卫星是我国首颗开展脉冲星X射线在轨探测的卫星系统，卫星的研制以工业现货产品为基础，打造了适合商业卫星研制的产品体系、卫星平台和研制模式（见图10）。该星使用的综合电子组件（含测控模块、星载机、电源控制模块、GNSS模块），将平台电子设备高度集成，形成功能整合和单机整合，实现柔性化配置和平台的高功能密度，具备高性价比的卫星系统。

卫星于2016年11月10日发射入轨，在轨运行良好，获得了大量试验数据，实现了既定任务目标。

（3）商业微小卫星研制思路

随着航天技术的发展和市场竞争的日益激烈，“优先考虑开发效益”、“重视投入产出比”的市场经济观念逐渐主导了航天器尤其是微小卫星开发及管理的全过程。以OneWeb、美国太空探索技术公司（Space X）为代表的商业航天公司等也正在开展数百颗低轨小卫星星座研制，这些公司采用低廉的微小卫星星座网络颠覆了传统模式，并逐步打造“天地一体化”应用系统。

针对商业航天尤其是商业微小卫星领域井喷式的发展需求，必须尽快实现高性价比微小卫星产业化、规模化，以打造高性价比微小卫星系统为目标，需要创新的设计理念、科学的技术手段以及合理的统筹管理方法，大幅降低研制成本，缩短研制周期，一方面使用户获得最佳的产品性价比和综合效益，另一方面降低卫星的经费门槛，挖掘出更多的卫星潜在用户，扩大卫星用户的整体规模。

商业化微小卫星研制思路如下：以商业应用效益为指引，性能与成本综合优化，提供高性价比解决方案，形成成本控制技术和高性能总体技术为核心的技术体系和型谱化产品体系，从设计入手，以用户的角度系统考虑卫星成本并落实到卫星系统设计中，如图11所示。

四、商业发展思考

1.倡导建立行业联盟，统一业内声音

目前，微小卫星已经成为最热门的宇航领域，竞争也日趋激烈。为促进微小卫星领域有序竞争和良性发展，商业航天相关企业和部门应交流合作，收集市场需求，倡导建立行业联盟，统一业内声音。目前来看，国家行业需求仍然是商业卫星市场需求主体，但随着国际上开始出现由商业资本投资、面向商业用途的卫星及星座项目，甚至大众用户的宇航项目，预示着纯商业模式可能实现，商业航天时代正在走来。

2.提倡利益共享、风险共担的合作共赢理念

宇航产业固有的技术门槛高、资金投入大、投资回报周期长等特点，是对所有参与商业航天企业的长期考验。针对具有发展潜力的新兴商业用户，在项目前期，设计制造方应替用户分担部分资金压力，探索采用多种合作形式在后期获取收益。间接成本及收益适当延后支付，待用户开展运营获得收益后，再收取项目间接成本和收益，将部分间接成本或收益作为投资，入股用户后端运营，共享项目成果收益。

3.向新兴用户提供“一站式”解决方案

目前国内航天技术、资源还大多掌握在传统的航天单位，新兴商业用户在发射、测控等大系统协作方面存在协调困难，需借助传统航天发射的服务经验，整合资源提供“一站式”商业解决方案，协助用户缩短项目周期，降低成本和系统建设风险。

4.深化研制管理模式创新，提升核心竞争力

突破创新，以消费级技术和产品打造消费级卫星，提供消费级服务，解决性价比作为制约卫星商业化、产业化发展的瓶颈问题，高性价比研制途径将是航天企业面向商业市场的必然追求和核心竞争力。同时高性价比作为商业航天发展的必要条件，涵盖技术、管理等诸多要素，是复杂的创新工程。以下针对3种不同研制管理模式提出建议：

（1）充分利用货架产品研制卫星

COTS产品具有低成本、标准化、批次一致性好、产量大、可获得性好等优势，国内外宇航企业在COTS产品空间应用方面已经取得了大量的成果和经验。通过充分选用商业级、工业级及导弹、武器等军工级技术和部组件产品降低研制成本，利用系统容错功能，从系统、整星以及星座层面保证可靠性。

（2）广泛寻求新研产品高性价比实现途径

以多种方式同高校、科研院所合作，降低“研制类”产品采购成本；运用商业化手段，吸引更多商用产品制造商参与星上产品开发，并借鉴其产品成本控制、可靠性设计方法和经验，优化星上产品、整星和星座设计方法和研制流程；持续推进星载机、测控模块、控制部件等产品的国内自主研发，完善微小卫星产品体系。

（3）积极探索批量化快速生产模式

面向大规模商业星座的建设需求，为了提升卫星制造产能，保证质量稳定性，降低成本，借鉴汽车、飞机、武器等工业化生产模式，从单机产品、整星两个层面构建卫星工厂研制模式，实现大批量生产将是未来商业微小卫星制造的重要形态。通过探索标准化商业卫星设计及流水线生产方法，实现从“批量研制”到“批量生产”跨越。同时依靠“卫星工厂”搭建航天产业合作平台，逐步形成产业聚合力，形成航天产业的良性循环，激发潜在的技术活力。

目前国内星座项目有 “鸿雁星座”通信系统、“虹云工程”互联网卫星，星座规模均超百颗，能够看到未来更强大的需求牵引，“卫星工厂”的建立不只是行业的需求，也是商业化航天的引领和基石。