美國典型小衛星項目創新管理模式分析

張召才 （北京空間科技信息研究所）

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美國典型小衛星項目創新管理模式分析

張召才 （北京空間科技信息研究所）

Analysis on Innovation Management Mode of U.S. Typical Small Satellite Projects

隨著小衛星單星性能不斷提高，應用領域不斷擴展，尤其是美國政府軍民部門和商業市場對小衛星需求的快速增長，極大推動了星座規模持續擴大，小衛星百星星座乃至千星星座項目相繼涌現。探索適用于小衛星項目短周期、低成本特點的小衛星研制、發射和運行管理模式，是最大化發揮小衛星效能的重要保證。

1　美國小衛星研制管理案例分析

政府主導的小衛星項目圍繞空間創新技術驗證展開

當前，政府主導研制的小衛星項目主要用于發展驗證前沿技術和創新概念，即政府以推動小衛星能力發展為需求，采用“需求牽引”發展思路。用于開展空間創新技術、創新概念驗證的小衛星項目通常具有一個發起方，并由發起方提出任務主題、研究要求，并為承研單位提供經費支持，發起方在項目組織管理中發揮主要作用，對應也承擔更多的責任與義務。

“小型航天器技術計劃”（SSTP）是美國航空航天局（NASA）空間技術任務部（STMD）提出的小衛星創新驗證項目，于2013年正式啟動，旨在發展和驗證“顛覆性”小衛星技術，并推動小衛星理念應用于大型航天項目。在該項目實施過程中，“小型航天器技術計劃”不僅在NASA內部各研究機構間展開合作，還向美國政府其他機構、高校和工業界開放，推動建立NASA與高校間的協作關系，以及NASA與政府“小型企業創新研究”（SBIR）計劃的合作。“小型航天器技術計劃”授出的每一個項目的周期均為1～2年，每年經費為10萬美元，如果參與項目的高校數量多于一個，則經費最高上漲至15萬美元。“小型航天器技術計劃”關注的項目包括無線電和激光通信、編隊飛行和對接、低成本衛星平臺以及適用于空間科學任務的小衛星星群技術等。尤其需要注意的是，由大學承研的“小型航天器技術計劃”項目均有1個NASA機構參與合作，提供技術指導和項目經驗，以確保“小型航天器技術計劃”項目成功率和研制進度。

按照空間技術任務部的規定，“小型航天器技術計劃”的研制管理流程包括：

1）“小型航天器技術計劃”項目組織方，即空間技術任務部面向美國政府研究機構、高校和工業界發布技術需求指南和項目申報方式，征詢研究意向；

2）美國政府研究機構、高校和工業界按照需求指南提出研究項目和技術方案，編制項目申請書，按規定渠道和日期向“小型航天器技術計劃”項目組織方提交項目申請書；

3）空間技術任務部召集由政府部門、高校和工業界專家組成的專家委員會，根據項目指南要求、技術先進性、方案可行性等原則遴選項目，并確定受資助項目清單；

4）空間技術任務部與入圍“小型航天器技術計劃”項目的研究單位簽訂研制合同。在項目執行期間，空間技術任務部負責項目實施管理。一般而言，空間技術任務部可以發揮政府監管部門的職能優勢，為由高校承研的小衛星項目配置一個NASA研究機構開展聯合研究，由NASA研究機構提供技術指導并協調資源配置。

NASA“小型航天器技術計劃”資助發展的立方體衛星項目

商業公司主導的小衛星項目圍繞業務化應用展開

近年，大量互聯網企業轉向航天，催生了大量新興初創小衛星公司，其自身具備衛星研制能力，既是項目需求方，也是項目研制方，為商業公司小衛星項目組織管理模式帶來新變化。新興商業公司主導的小衛星項目有三類發展模式：一是商業公司自主研制小衛星，如美國行星實驗室公司（Planet Labs）發射運行的所有“鴿群”（Flock）衛星均由該公司自行研制；二是商業公司自行設計小衛星并交由專業的小衛星制造商負責批量化制造，如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）采用天地一體化創新設計理念設計天空衛星-1、2（SkySat-1、2）兩顆衛星，經在軌運行驗證衛星設計方案可行后，天空盒子成像公司與勞拉空間系統公司（SS/L）簽訂商業合同，將設計方案和衛星批量化制造任務授予后者，天空盒子成像公司則重點負責星座商業運行和衛星應用；三是商業公司提出任務需求，由衛星制造商提供設計方案并競標獲得衛星制造合同，如一網公司（OneWeb）的低軌互聯網接入星座。

這些新興商業公司多以互聯網企業自居，在衛星研制管理過程中大量引入硅谷互聯網理念，以實現快速、低成本、批量化研制，其衛星研制管理的主要特點如下：

1）秉持“早發射、常發射”理念，實現設計方案快速迭代更新。行星實驗室公司認為“軌道測試優于地面模擬”，通過大量發射立方體衛星入軌，以在軌飛行驗證的方式不斷迭代優化設計方案，避免過多的地面模擬測試增加經費和時間成本。在這一理念驅動下，行星實驗室公司在3年時間內完成了12輪的衛星設計方案迭代優化。此外，該公司還借鑒了硅谷互聯網公司的“A/B測試”理念，同時把2顆不同設計方案的衛星發射入軌，同步比較2種不同衛星的在軌性能以確定最終設計方案。

2）把現代信息技術與空間技術相結合，以天地一體化全鏈路設計理念優化衛星設計方案。天空盒子成像公司提出“小衛星、大數據”模式，充分考慮小衛星的功能限制，簡化星上功能設計，采用“時間積分延遲”（TDI）的地面處理技術提高數據分辨率。

3）優化衛星制造模式，引入智能制造和流水線技術。空客防務與航天公司憑借其在飛機組裝生產線方面的經驗優勢獲得一網公司大規模星座訂單，并將更新其衛星生產線以實現每天制造4顆衛星的目標。美國雷神公司（Raytheon）也宣布，將大量使用自動化機械臂、3D打印制造技術構建納衛星批量化制造生產線，以滿足大規模星座制造需求。

2　美國小衛星發射管理案例分析

政府為小衛星任務提供免費或廉價搭載發射機會

殷明，漸漸平靜下來，呼吸也慢慢緩和起來。金絲眼鏡又發話了，“小伙子，你來大致談一談未來廣告的發展方向吧。”

美國為推動小衛星技術發展，增加先進技術在軌驗證機會，利用官方采辦的火箭運力余量或新研火箭首發機會，為小衛星提供搭載發射服務。NASA于2010年啟動了“立方體衛星發射倡議”（CSLI），為1U～6U立方體衛星提供免費搭載發射機會。該計劃由NASA空間運行任務部負責管理和運行，NASA和國防部各中心、美國非贏利組織、大學和教育研究機構可提出申請。截至2014年底，“立方體衛星發射倡議”已經從美國29個州選定了114個立方體衛星項目，已有17個任務成功發射入軌。

“立方體衛星發射倡議”項目管理機構結構圖

“立方體衛星發射倡議”項目的組織管理流程如下：

1）NASA發布立方體衛星搭載發射機會：NASA發布信息征詢，NASA和國防部各中心、美國非贏利組織、大學和教育研究機構可向空間運行任務部提出申請。

2）申請該項目服務的各機構向NASA提交申請文件，包括提交衛星任務名稱、衛星質量、尺寸、預期的軌道高度和傾角、可接受的軌道高度和傾角范圍、向NASA轉交衛星的日期、衛星設計壽命、衛星用途、學生參與程度、衛星研制是否接受NASA資助、任務發起方等信息。

3）NASA評審：NASA成立由空間運行任務部（包括發射服務供應方）、空間技術任務部、科學任務理事會（SMD）以及教育部門構成的評選委員會；選擇委員會對所提交的小衛星研究計劃是否滿足NASA戰略計劃和教育戰略協作框架（權重40%），及其科學、教育和技術價值（權重30%）和可行性（權重30%）進行評審；NASA宣布篩選結果。

5）NASA協調立方體衛星發射機會：NASA協調有運力余量的發射機會，并提供給選定的立方體衛星任務。

航天飛行公司提供小衛星“一箭多星”搭載發射服務模式

“一箭多星”成為小衛星商業化發射的主流方式

隨著小衛星快速發展與廣泛應用，尤其是商業小衛星公司不斷提出大規模星座計劃，使得全球對小衛星商業發射服務的需求快速增長，“一箭多星”搭載發射已成為小衛星發射的主流方式，越來越多的發射服務商開始通過發射服務代理商面向全球用戶提供小衛星搭載發射機會。作為全球知名的小衛星發射服務解決方案提供商，美國航天飛行公司（SpaceFlight）根據經濟可承受能力、發射周期需求不同，為小衛星用戶提供不同的發射服務：

航天飛行公司提供小衛星“一箭多星”搭載發射費用

1）溝通協商。客戶與航天飛行公司溝通，明確衛星軌道、發射時間等方面的需求，提出希望采用的發射方式和費用的期望值。如果航天飛行公司認為任務條件可行，客戶需向公司提供授權書，確認公司代表客戶利益開展后續業務。

2）簽訂合同。雙方簽訂發射服務協議，航天飛行公司將根據客戶需求，提供多個備選發射方案以及對應的大致費用金額。客戶確定發射方式后，公司與發射方溝通最終報價；客戶和發射方在費用金額上達成一致后，公司將協助客戶與發射方簽訂一份備忘錄，確定費用金額并執行發射服務協議。

3）履行合同。執行發射服務協議，航天飛行公司將提供協調、咨詢、管理、金融、通關以及保險等方面的服務和支持，確保發射服務協議的執行并最終實施發射。

3　美國小衛星運行管理案例分析

美國NASA、國家科學基金會（NSF）和高校研制發射了大量立方體衛星。在運行管理方面，一般由立方體衛星研究機構負責任務運管，并通過與其他高校、研究機構聯合的方式實現衛星工程運管。在單星運管方面，美國開展立方體衛星研制的高校和研究機構除自建簡易地面測控站外，NASA現有的地面測控站為立方體衛星運行管理提供了重要輔助。如NASA沃羅普斯測控站就利用其特高頻（UHF）地面站為“螢火蟲”（FireFly）等多顆立方體衛星提供測控服務。

美國商業航天公司則通過自主運管和租用商業運管服務相結合的方式運行管理小衛星星座。單純依靠商業公司自有的衛星運管網絡無法滿足同時運管數十顆、數百顆小衛星的需求。因此，商業公司多選擇以自主運行和租用商業服務相結合的方式，運行管理其構建的小衛星星座。同時，國際上提供商業衛星運行管理服務的公司也不斷增加。

截至2015年底，美國行星實驗室公司累計發射135顆“鴿群”衛星。“鴿群”星座采用“永遠在線”工作模式，無需地面上傳指令即可對陸地連續開機成像。這種設計理念極大簡化了衛星有效載荷運管操作。行星實驗室公司通過自建地面站和租用地面站相結合的方式實現“鴿群”星座運行管理，遠程在線操作并監測各地面站情況，地面站普遍采用無人值守、自主運行的工作模式。

航天飛行網絡公司（Spaceflight Networks）是全球知名的小衛星商業運管服務提供商，計劃在近3年內建設11個專用地面站提供小衛星商業運管服務。該公司認為，隨著越來越多的公司開始構建小衛星星座，這些公司會需要一個分布式地面站網絡，以用于分發各自星座采集的數據。2015年7月17日，航天飛行網絡公司與美國頂尖公司（Spire）宣布聯合發展小衛星地面站網絡，用于為低軌道小衛星提供測控服務。按照航天飛行網絡公司預期，將提供“常規”、“專用”和“按需”三類商業運管服務。“常規”運管服務使用X和S頻段拋物面天線以及特高頻頻段八木（Yagi）天線；“專用”運管服務由全天時專用天線提供測控服務，費用按月支付；“按需”運管服務由用戶在指定時段提供服務，費用按服務分鐘數付費。

4　結束語

就目前發展態勢看，美國將小衛星作為構建未來空間優勢的重要部分，注重發揮其獨特優勢，保持并不斷增強小衛星發展支持力度。美國國防部、NASA等政府部門均表現出極大熱情，成為推動小衛星技術發展的主要力量。傳統航天公司和新興航天公司也紛紛聚焦小衛星市場，推出創新小衛星系統解決方案，旨在推動小衛星業務應用，提供創新衛星應用服務。未來，隨著小衛星任務更趨復雜、更具挑戰性，小衛星項目組織管理模式也將不斷創新，組織管理水平將持續提升。

王曉宇/本文編輯