2015年全球小衛星發展回顧

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2015年全球小衛星發展回顧

2015 Year in Review：Global Small Satellites

張召才 何慧東 （北京空間科技信息研究所）

2015年，全球成功入軌小衛星（本文中提及的小衛星專指發射質量低于500kg的衛星）數量雖較2014年略有回落，但整體仍繼續保持較高活躍度，發射數量實現連續3年破百。傳統小衛星系統不斷更新換代，新興小衛星逐步具備業務服務能力，極大地推動了航天技術創新，并革新了衛星應用模式和商業航天發展模式。

1 發射統計分析

全球小衛星發射數量近5年首次下探

2015年，全球共成功發射小衛星149顆，相較2014年162顆略有回落，這是近5年來全球小衛星發射數量首次下探，但整體仍保持歷史較高發射水平。從發射數量看，自2013年小衛星發射數量階躍式增長以來，全球成功發射的小衛星數量連續3年超過130顆。從小衛星占比看，2015年入軌小衛星數量占全球同期入軌航天器總數的63.14%，略高于2014年占比，并實現連續3年占比超過60%。這表明，作為世界航天活動的重要發展領域和新增長極，小衛星經歷過去2年高速增長后，開始邁入平穩發展階段。

2015年，2次搭載小衛星的運載火箭發射失敗，累計損毀21顆小衛星，這是造成2015年小衛星發射數量回落的直接原因。6月28日，美國獵鷹－9 （Falcon－9）火箭發射“天鵝座”（Cygnus）貨運飛船時爆炸，導致行星實驗室公司（Planet Labs）鴿群－1f（Flock－1f）星座的8顆遙感小衛星發射失敗；11月4日，美國作戰響應空間－4（ORS－4）任務的“超級斯屆比”（Super Strypi）火箭首飛失敗，導致“愛迪生小衛星網演示”（EDSN）等13顆技術試驗立方體衛星發射失敗。隨著小衛星“一箭多星”發射漸趨常態化，未來運載火箭發射失敗將成為影響小衛星發射數量波動的重要因素。

近5年全球成功入軌小衛星統計

50kg以下微納衛星發展極具活力

小衛星按質量可細分為3個范圍，即小于50kg，50～300kg，300～500kg。對近5年成功入軌的小衛星按上述質量分類進行統計，可以得出如下結論：

1）50kg以下微納衛星是數量最多的類型，是決定小衛星發射數量增減的主導因素，且發展極具活力。該類型小衛星主要由立方體衛星構成，受行星實驗室公司“鴿群”星座以及大學、研究機構的技術試驗立方體衛星驅動，50kg以下微納衛星近3年年均發射數量達到113顆。

2）50～300kg小衛星是發射數量第二多的類型，主要包括美國“軌道通信”（Orbcomm）星座、俄羅斯“箭”（Strela）和“信使”（Gonets）星座。自2013年發射數量翻番后，該類型小衛星近3年發射數量保持不變，其中2015年共發射了11顆“軌道通信”小衛星。

3）300～500kg小衛星發射數量最少，近5年年均發射數量不足6顆。2015年發射的8顆該類型小衛星均為對地觀測衛星，其中包括薩瑞衛星技術公司（SSTL）的3顆災害監測星座－3（DMC－3）衛星。

近5年發射衛星按3個質量段統計

美國發射數量繼續領先，中國發射數量躍居次席

從所屬國家看，美國2015年成功發射93顆小衛星，相較2014年增長了3顆，發射總數繼續穩居全球首位；中國成功發射28顆小衛星，是全球小衛星發射數量第二多的國家；俄羅斯小衛星發射數量小幅回落，相較2014年減少了3顆；日本和歐洲小衛星發射數量大幅回落。此外，印度尼西亞成功發射了本國研制的首顆衛星；新加坡小衛星發展也高度活躍，2015年共發射了6顆小衛星，其中包括新加坡首顆商用光學遙感衛星—完美－1（TeLEOS－1）衛星。

各國小衛星發射數量統計（單位：顆）

各航天公司延續較高關注力度，新興商業公司繼續涌現

各航天公司繼續對小衛星保持較高關注力度

從研制商維度看，各航天公司延續對小衛星的較高關注力度，仍是全球小衛星主要研制力量。2015年，全球共有97顆小衛星由航天公司研制，占同期入軌小衛星總數的65%，與2014年占比保持一致。其中，新興商業公司呈“井噴”態勢，成為小衛星發展的主力軍，包括美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）、行星實驗室公司、黑天全球公司（BlackSky Global）、一網公司（OneWeb），加拿大地球直播公司（UrtheCast），俄羅斯達斡利亞宇航公司（Dauria Aerospace）等。這些新興公司提出或正在構建超大規模小衛星星座，綜合運用大數據、云計算等信息技術，在移動互聯網時代，面向消費用戶提供全球覆蓋、近實時響應的定制化服務，其顛覆性的商業模式和衛星應用模式創新，已經對傳統航天發展形成沖擊。

業務型小衛星已成主流，對地觀測占比保持不變

從應用領域看，對地觀測、通信等業務型小衛星占比繼續保持上升趨勢。2015年，業務型小衛星占比達到61%，其中對地觀測小衛星占比為47%，與2014年相比保持不變。2015年，全球共成功發射對地觀測小衛星70顆，相較2014年略有回落，主要是美國行星實驗室公司“鴿群”遙感星座補網力度有所減弱；通信小衛星21顆，相較2014年增加了3顆，主要得益于美國軌道通信公司（ORBCOMM）發射第二代低軌移動通信衛星，以及美國陸軍發射新型的戰術通信納衛星星座—“空間與導彈防御司令部納衛星計劃”（SNaP）星座；科學與技術試驗小衛星58顆。

業務型小衛星占比保持增長趨勢

小衛星在保持業務應用領域不斷擴展的同時，另一個重要趨勢是應用領域不斷細分，其中對地觀測小衛星業務應用細分趨勢尤為顯著。2015年，對地觀測小衛星在延續光學遙感星座快速發展的同時，開始涌現出新的應用類型，包括提供商業氣象服務以及雷達成像服務等。美國斯派爾公司（Spire）提出構建由125顆立方體衛星組成的商業氣象星座，并成功發射了該星座的前4顆衛星—“狐猴”（Lemur）；加拿大地球直播公司提出發展由16顆小衛星構成的遙感星座，該星座是全球首個光學與雷達雙模成像機制星座，其中合成孔徑雷達（SAR）采用L和S兩種工作頻段。此外，美國XpressSAR公司也提出發展由4顆小衛星構成的合成孔徑雷達遙感星座，具備3種工作模式。其中，聚束成像模式分辨率優于1m，條帶成像模式分辨率為2～3m，寬掃描成像模式分辨率為10～30m。

軍用小衛星數量再次爆發，商業小衛星數量有所回落

2015年發射的小衛星資產屬性分布

2015年，軍用小衛星數量達到23顆，相較2014年增長了229%。軍用小衛星繼2013年暴漲至42顆、2014年回落至7顆后，2015年實現再次爆發，其主要原因是美國國家偵察局（NRO）和美國空軍于2015年免費搭載發射了16顆軍用立方體衛星。美國國家偵察局自2012年起為美國軍用小衛星提供免費搭載發射機會，使得全球軍用小衛星發射數量隨美國國家偵察局發射密度變化而起伏。

另一方面，2015年全球共發射商用小衛星70顆，相較2014年減少了10顆，其主要原因是行星實驗室公司“鴿群”星座發射數量大幅減少。但從整體看，商業小衛星占比變化幅度較小，且隨著大量新興公司規劃的大規模星座相繼發射入軌，未來商業小衛星發射數量將保持增勢。2015年8月，紐約CB Insights公司發布的研究報告顯示，2012年以來新興航天公司累計融資21.6億美元，其中17.5億美元是在2015年上半年獲得的。由此可見，商業小衛星仍將繼續保持較高發展熱度。

2 年度小衛星最新發展

2015年，小衛星發展態勢依舊活躍。對地觀測領域，以災害監測星座－3為代表的新一代光學遙感成像衛星系統相繼入軌，新興商業遙感公司延續發展活力，同時商業對地觀測市場細分趨勢進一步顯現，除天空盒子成像公司、行星實驗室公司等光學遙感初創公司外，國外又涌現出斯派爾公司、地理光學公司（GeoOptics）等商業氣象小衛星公司；在通信廣播領域，低軌移動通信星座繼續升級換代，寬帶互聯網接入星座成為新的發展熱潮，超大規模星座項目相繼涌現；在技術試驗方面，小衛星繼續發揮航天技術創新“橋頭堡”作用，各類創新概念和技術層出不窮，推動航天前沿技術不斷在軌飛行驗證。

遙感衛星系統發展持續加速，新興商業氣象星座發射入軌

（1）美國商業遙感公司擴大在軌星座規模，開始發展數據應用業務

2015年，隨著業務衛星逐步邁入穩定運行階段，天空盒子成像公司、行星實驗室公司等開始謀劃后續衛星發射任務，聚焦擴大星座規模，推動地面數據處理和衛星應用業務，力圖實現從“建星座”向“賣服務”的業務延伸。

行星實驗室公司再獲高額融資，將補充發射百余顆衛星，發展衛星應用能力。2015年1月20日，該公司獲得9500萬美元投資，使得其融資總額達到1.6億美元，新獲得的資金將用于“擴大運營，發展銷售與市場營銷，并提高產業和應用服務能力”。2015 年3月初，行星實驗室公司透露，將在未來18個月內再次發射100顆以上的“鴿群”衛星進入低地球軌道（LEO）。2015年7月，行星實驗室公司與加拿大黑橋地理空間公司（BlackBridge）達成最終收購協議，行星實驗室公司將收購黑橋地理空間公司及其所擁有的“快眼”（RapidEye）星座。借助本次戰略性收購，行星實驗室公司獲得了超過100家的分銷商銷售網絡和遍及全球的用戶群體，以及“快眼”星座獲取的全球圖像海量存檔數據，進一步拓寬了其數據銷售渠道和用戶群體，擴展了數據產品類型，提高了數據服務能力。

美國行星實驗室公司的“鴿群”星座3U立方體衛星

天空盒子成像公司也更新了其后續星座發射計劃，并著手啟動第二代星座規劃事宜。2015年3月，該公司在參加2015全球衛星大會時宣布，由勞拉空間系統公司（SS/L）為其研制的12顆“天空衛星”（SkySat）將在未來2年內全部發射入軌，其中2016年7月、9月和2017年初分別發射4顆、6顆和2顆。隨后，該公司高層宣布啟動第二代“天空衛星”星座12顆衛星的研制工作，并已向谷歌公司（Google）高層匯報，以期獲得相應的資金支持。

除行星實驗室公司和天空盒子成像公司兩家先行公司外，2015年美國多個初創公司也提出了新型遙感小衛星星座計劃，繼續繁榮全球商業遙感市場。例如，黑天全球公司提出60星星座，單星50kg，設計壽命3年，450km軌道高度的地面分辨率為1m，星座計劃于2019年建設完畢，屆時可在90min內獲得全球95%區域的圖像。天鷹航天公司（Aquila Space）與數字宇航公司（Astro Digital）兩家硅谷公司準備2016年開始發射由30顆衛星組成的對地觀測星座—“陸地制圖”（Landmapper），該星座包括10顆廣覆蓋（BC）衛星（地面分辨率22m）和20顆高清晰（HD）衛星（地面分辨率2.5m）。

（2）美國對地觀測小衛星應用逐步細分，新型商業氣象星座發射入軌

在需求牽引和技術驅動下，美國對地觀測小衛星能力不斷提升，應用領域逐步細分，新型商業氣象微納衛星星座不斷涌現，并邁入實質化建設階段。并且，美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）將采購商業氣象衛星數據作為其應對“諾阿”（NOAA）氣象衛星數據斷檔的措施，這也提振了商業小衛星公司進軍氣象領域的信心。美國斯派爾公司、地理光學公司等均提出了商業氣象衛星星座計劃，面向美國政府和大眾市場提供商業氣象數據及相關服務。

斯派爾公司規劃部署“狐猴”星座，計劃提供全新的氣象預報服務。2015年1月29日，該公司宣布構建由125顆3U立方體衛星構成的商業氣象衛星星座，改善氣象預報準確性。斯派爾公司計劃從銷售衛星氣象數據起步，后續發展基于氣象數據的增值服務。完成星座建設后，該公司會每隔6個月把該星座1/4的衛星替換升級，以確保采用更先進的空間技術。2015年9月28日，斯派爾公司“狐猴”星座首批4顆衛星成功發射入軌。該星座采用GPS無線電掩星測量的方式獲得氣象數據。由于采用3U立方體衛星構建星座，這使得其衛星比其他公司規劃的商業氣象衛星明顯偏小。

美國斯派爾公司3U立方體衛星

地理光學公司推進“連續地球遙感觀測一致性倡議”（CICERO）星座建設。該星座是該公司提出的商業氣象小衛星星座項目，由24顆小衛星構成，采用無線電掩星測量的方式提供商業氣象預報服務。該星座單星質量低于100kg，計劃在地理光學公司完成融資的18個月后實現首次發射，一次發射6顆，分4次全部發射入軌。

（3）加拿大地球直播公司宣布構建全球首個雙模式商業遙感星座

加拿大地球直播公司宣布構建全球首個雙模式商業遙感星座，包括8顆多光譜成像衛星和8顆合成孔徑雷達衛星，星座預計于2019－2020年間發射入軌，衛星分辨率最高達0.5m。該公司低軌星座的16顆衛星將分布在2個軌道面，每個軌道面由4個衛星對組成，每個衛星對包括1顆多光譜成像衛星和1顆合成孔徑雷達衛星。這種軌道設計能保證星座同時滿足全球覆蓋和對中緯度地區高頻率重訪。其中，多光譜成像衛星具有視頻和推掃成像2種工作模式，合成孔徑雷達衛星具有S和L兩種工作頻段。多種技術體制混編構成星座，使得地球直播公司具有無以匹敵的衛星遙感能力，包括光學與合成孔徑雷達數據融合、全天候成像等。同期，地球直播公司以7640萬歐元的價格完成對西班牙德莫斯航天公司（Deimos Space）下屬子公司—德莫斯成像公司（Deimos Imaging）的收購。地球直播公司通過此次收購，不僅擁有了德莫斯－1、2（Deimos－1、2）衛星的運營權，還獲得了與此相關的衛星圖像采集、存儲、處理、分析、分發和銷售許可能力，完善了地球直播公司在數據分布、Web平臺開發以及自主衛星星座建設方面的戰略布局。

（4）新加坡發射首顆商業遙感衛星，拉美地區最高分辨率衛星完成組裝

在世界主流航天國家之外，其他國家或地區也借助小衛星不斷增強自身對地觀測能力。2015年，新加坡發射了本國首顆商業遙感衛星，拉美地區分辨率最高的遙感衛星秘魯衛星－1（PeruSat－1）完成整星組裝工作。

12月16日，新加坡首顆商業遙感成像衛星完美－1搭乘印度火箭成功發射進入高550km的LEO軌道。該衛星由新加坡技術工程有限公司（ST Engineering）制造，這也是新加坡本土制造的首顆商業衛星。衛星單星質量400kg，設計壽命5年，具有±45°側擺能力，地面分辨率1m，幅寬12km。衛星運行在傾角10°～15°的近赤道軌道，平均重訪周期為12～16h，具有多點成像、區域成像和條帶成像3種工作模式。

12月15日，歐洲空客防務與航天公司（ADS）對外宣布完成秘魯衛星－1組裝工作，后續將進入整星測試階段，并計劃于2016年中期發射入軌。秘魯衛星－1使用了新型的天體平臺－S（AstroBus－S）敏捷型平臺和碳化硅光學成像系統，衛星地面分辨率0.7m，設計壽命10年。該衛星是迄今為止拉美地區技術性能最先進的光學遙感衛星。

新加坡完美－1衛星成像模式

歐洲空客防務與航天公司為秘魯研制的秘魯衛星－1

商用低軌通信星座迎來新一輪發展熱潮，軍用通信納衛星繼續在軌演示驗證

2015年，全球通信小衛星蓬勃發展，商業領域涌現出多個聚焦寬帶互聯網業務的星座計劃，低軌通信星座迎來新一輪發展熱潮；軍事領域繼續推進納衛星能力在軌驗證，不斷發展面向戰術應用的低成本、快速響應作戰能力。

美國“第二代軌道通信”衛星在軌飛行示意圖

美國軌道通信公司11顆“第二代軌道通信”（OG－2）衛星成功發射入軌，標志著該星座完成更新換代，開始向全球用戶提供機器到機器（M2M）的通信服務和船只自動識別系統（AIS）服務。一網公司授出全球迄今最大商業衛星制造訂單，低軌寬帶互聯網星座開啟建設序幕。6月22日，一網公司與空客防務與航天公司簽訂衛星制造合同，雙方協議組建一家合資企業建造900顆互聯網廣播衛星，該星座計劃于2018年開始發射。為了滿足一網公司超大規模星座的研制進度要求，空客防務與航天公司將擴大衛星制造的規模，從而實現每天4顆衛星的制造要求。

美國空間與導彈防御司令部納衛星計劃－3衛星結構圖

受美國國防部“作戰響應空間”（ORS）理念驅動，美國各軍兵種相繼啟動多項面向戰術應用的微納衛星創新計劃，其中以美國陸軍的戰術通信納衛星項目發展最為突出。繼“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效果”（SMDC-ONE）計劃完成初始能力驗證后，美國陸軍于2015年10月發射了3顆“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效果”的升級版納衛星——空間與導彈防御司令部納衛星計劃－3。該衛星是3U立方體衛星，單星成本50萬美元，提供數據滲漏和超視距通信服務。其數據率是“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效果”的5倍，并增加了在軌推進能力，使得該衛星具備了保持星座構型的能力，能夠更好地為美軍戰區提供應急通信服務。

此外，俄羅斯也發射了6顆低軌通信小衛星，分別是3顆軍用箭－3M衛星和3顆民用“信使”衛星，繼續維持其低軌存儲轉發星座能力。

“鳳凰”計劃關鍵技術開始在軌驗證，“細胞衛星”成功實現首飛

2015年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）“鳳凰”（Phoenix）計劃開始由在軌維修向在軌制造任務擴展，并成功完成“細胞衛星”（Satlets）關鍵技術首次在軌飛行驗證。

2 0 1 5年1 2月6日，美國諾瓦克斯公司（NovaWurks）研制的“細胞衛星初始任務驗證與經驗”（SIMPL）衛星成功發射入軌。該衛星又名“高度集成衛星”（HiSat），由6顆基本單元的“細胞衛星”拼接而成。“細胞衛星”是美國國防高級研究計劃局“鳳凰”計劃的三大關鍵技術之一，單星質量約6kg，為20cm×20cm×10cm長方體構型，可提供電源、推進、導航、數據處理等航天器的基本功能。從理論上來說，“細胞衛星”搭配相應的載荷可構成任何類型的衛星。“細胞衛星初始任務驗證與經驗”衛星總質量約50kg，是“細胞衛星”首次在軌飛行驗證，這標志著美國國防高級研究計劃局“鳳凰”計劃關鍵技術已邁入實質性驗證階段。在此之前的4月，美國諾瓦克斯公司對外宣布，計劃于2016年秋季完成名為有效載荷測試平臺任務－2（Payload Test Bed Mission－2）的第二次“細胞衛星”發射任務，屆時將由若干“細胞衛星”拼接并安裝光學或通信載荷，載荷安裝完成后，質量將達到100～150kg。隨著“細胞衛星”不斷在軌飛行驗證，這種基于標準功能模塊的航天器在軌組裝與制造技術將成為未來航天發展的新范式。

3 結束語

在全球信息化浪潮持續加速和新一輪產業變革噴薄欲發的背景驅動下，公眾對衛星應用服務的需求不斷增長。在此態勢下，航天產業與信息技術交織共融，政府預算與風投資本雙頻共振，大量互聯網企業在“長尾理論”驅動下紛紛進軍航天，使得全球掀起一股“新航天經濟”發展浪潮，推動了全球小衛星市場的繁榮。當前，小衛星已成為全新發展前沿，其技術理念和商業模式更加強調開放和創新。隨著新興小衛星星座逐步組網運行，將對全球航天發展和衛星應用模式帶來更多影響，值得業界持續關注和矚目期待。