微納衛星產業發展探討

閆驍絹 張銳 謝祥華 余勇

(中國科學院微小衛星創新研究院，上海 200201)

微納衛星是指質量在100g～10 kg的衛星。近年來，微納衛星發展勢頭迅猛，對商業航天的發展具有重要意義[1-2]。美國航天工程(SpaceWorks)調查公司在2018年1月發布的微納衛星市場預測顯示，從2018年到2020年，預計有936顆微納衛星處于規劃和設計階段，在未來5年將有2600顆微納衛星發射升空[3]。

微納衛星通常具有標準化的機、電、熱、結構等接口設計，配置有多載荷適配性的模塊化器件與平臺，不同微納衛星的接口可以兼容[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勢。但是，受質量與體積的約束，單顆微納衛星功能相對簡單，壽命相對較短，因此多采用多星協作方式開展工作[5-6]。微納衛星以星群方式部署，可替代龐大復雜的大衛星系統，拓寬了整個衛星系統的尺度和能力；微納衛星采用編隊飛行，可以實現在軌機動補位、執行在軌偵察、清除障礙等太空任務。因此，在市場需求和衛星技術不斷發展的驅動下，全球微納衛星發射數量持續攀高。

本文研究總結了微納衛星產業發展的特點，提出了幾點發展挑戰，重點給出了發展建議，可為微納衛星產業進一步向大眾化發展提供參考。

1 微納衛星產業發展特點

2016年以來，世界航天發展呈現新態勢，微納衛星研制需求與日俱增，風險資本大量涌入微納衛星領域，新興衛星運營商日漸成熟，并伴隨著微納衛星星座的大量部署，低價且可靠的數據服務指日可待。

1.1 微納衛星研制需求與日俱增

傳統衛星進入太空的費用很高，微納衛星的出現帶來了相同性能下成本更低的可能性。微納衛星數量不斷增加，提供了許多服務，如成像、監視、電視信號中繼、農業監控、天氣監測和衛星移動通信等[7]。微納衛星星座可以通過增加衛星數量獲得更高的分辨率和更短的重訪時間，實現實時、快速、連續的信息獲取和大面積全方位的覆蓋，更好地實現星間鏈路的聯通和導航增強定位。

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

1.2 風險資本大量涌入微納衛星領域

衛星應用產業是國家戰略性高技術產業，全球范圍內有能力的國家都出臺各項政策鼓勵商業衛星的發展，這也為微納衛星的發展帶來了機遇。微納衛星應用領域不斷延伸，市場需求持續增長，吸引了大量的風險資本。資本的輸入帶來最先進的衛星基礎設施、批量可靠的衛星研制、快速高效的衛星發射服務等，使得企業和政府能夠按時、按預算實現其任務目標。

美國太空探索技術(SpaceX)公司和軌道ATK公司已經獲得美國政府和NASA的大量資金支持。谷歌(Google)、臉書(Facebook)、亞馬遜(Amazon)等互聯網公司也陸續啟動了太空投資。低軌衛星(LeoSat)公司在2018年獲得了10億美元的投資，預計在2019年交付第1顆衛星，最終提供快速、安全、無處不在的數據連接服務。

在國內，隨著國家軍民融合發展戰略和“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、中國科學院為代表的航天主力軍加緊商業航天步伐外，大量私營公司也加入到微納衛星領域，不僅有百度、阿里巴巴和騰訊等大型互聯網公司的身影，還涌現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展有限公司為代表的新型私營航天公司。

1.3 新興衛星運營商日漸成熟

商業航天的發展，使航天市場更加細分。很多新興衛星運營商逐漸摸索出自己的商業運營模式，對市場定位更加明確。它們針對各自的產品制定出更加規范、標準的研制流程，研制成功的產品獲得了市場認可，也獲得了更多資金的支持，SpaceX公司、尖峰環球(Spire Global)公司、行星實驗室(Planet Labs)公司、Tyvak納衛星系統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1萬多顆衛星的“星鏈”(StarLink)星座計劃在2017年獲得美國聯邦通信委員會(FCC)批準。Spire Global公司于2012年在美國成立，是一家小型衛星技術公司，在不到6年的時間里已經成功發射幾十顆立方星，用于實現偏遠、信號不通暢地區的數據采集。Planet Labs公司成立于2010年，致力于開發體積更小、結構更簡單、成本更低的微納衛星。截至2017年10月，該公司完成了成立以來的第20次發射。Tyvak納衛星系統公司致力于提供高性能的立方星產品研究與開發，為地球光學(GeoOptics)公司(專門從事地球大氣環境數據監測、收集和分析)研制了立方星6U平臺。

1.4 低價且可靠的數據服務指日可待

信息獲取、信息融合、信息精度提升，以及將地球/太空數據處理為商業大數據等能力，是航天綜合實力的重要組成部分。同時，物聯網、大數據、云計算等概念的提出與發展，加深了人們對數據及網絡的依賴。因此，利用衛星為各個領域提供大量數據支持和服務是大勢所趨。微納衛星以其批量化、規模化的特點，可在遙感數據采集上釋放超強能力。

加拿大地球直播(UrtheCast)公司、美國一網(OneWeb)公司均已部署衛星星座計劃，構建數據橋梁，目的在于利用大數據技術建立基于衛星的全球互聯網系統。美國波音(Boeing)公司、加拿大電信衛星(Telesat)公司和國際衛星通信(Intelsat)公司都在規劃太空互聯網計劃。環球衛星(SES)公司的O3b星座、LeoSat公司的低軌(LEO)星座系統、Planet Labs公司的“鴿群”(Flock)和“天空衛星”(SkySat)衛星群，以及國內的珠海一號微納衛星星座等，均瞄準數據市場，試圖引入大數據技術、云計算等概念，為全球的數據聯通服務。因此，低價且可靠的數據服務指日可待。

2 微納衛星產業發展挑戰

微納衛星市場需求的不斷提升，參與者逐年增加，微納衛星數量爆炸式增長，也對微納衛星產業的發展提出了新的挑戰。

2.1 微納衛星發射機會相對受限

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

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

2.2 空間資源日漸豐富但數據價值轉化率低

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

2.3 微納衛星不能及時離軌增加太空垃圾

目前，已成功發射的微納衛星，由于體積和質量小，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。在微納衛星密集的星座中，任何碎片的碰撞都有可能將涉事失效衛星轉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，廢棄的微納衛星在太空中會浪費太空軌位資源。

3 微納衛星產業發展的啟示及建議

3.1 發展主動定制式商業運載

微納衛星星座的大規模部署，推動了人們對衛星發射方式的思考。SpaceX公司向NASA提出建設私有火箭發射場的申請，希望可以建成一個像機場一樣服務于大量商業用戶的航天發射場。維珍天體軌道(Virgin Orbit)公司正在開發一種能為商業和政府衛星提供靈活發射任務的運載器。Blink公司計劃開發小型地面發射運載器。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。改變微納衛星的發射方式，從“被動搭載”轉為“主動定制”，可以保證微納衛星按需發射。發展主動定制式商業運載，可采取以下4種措施。

(1)運載器承接方與衛星研制方協同完成商業運載器設計。根據微納衛星量級及衛星運行軌道條件，設置對應量級的運載器機、電、熱等接口規范，制定同一類型統一的星箭接口，縮短商業運載與衛星用戶的對接時間。

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

(3)增加微納衛星發射塔架。在現有發射場增設商業發射塔架，或者重新籌劃新的商業微納衛星發射場，建立更多的小型衛星發射塔，使其具備應急發射能力，可實現快速組網和補網功能。

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

3.2 變革微納衛星運控體制

美國以許可證的方式管理商業衛星數據；歐盟采用敏感檢查的方式監督商業衛星數據；日本政府要建立一個衛星公開數據系統，將擁有的部分衛星圖像觀測數據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，最大化挖掘衛星數據的使用價值，是需要思考的問題。本文提出的“變革衛星運控體制”建議，側重提出“資源共享”的理念，讓更多有需求的群體加入分發和使用衛星數據的行列。

實現全民共享衛星資源的衛星運控體制，可以從4個方面努力。

(1)明確政府與民眾的衛星運控權限。在衛星成功發射之際，政府有關部門應依據衛星類型，將衛星數據分為非商業數據與商業數據。非商業數據只服務于政府、軍隊和行業用戶，政府對其具有絕對的主導權，對其分發具有嚴格的管制權。商業數據的運控權限下放到市場，積極挖掘商業市場的潛在用戶。

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

(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星的運控需求，適時調整衛星資源使用權限。這樣既能充分利用衛星資源，又能保障政府與商業用戶各自的利益。

(4)設置標準化的數據結構，建立數據共享平臺與環境，便于衛星數據下載。對于獲得使用權限的衛星數據，衛星運營方可自己建造地面設備系統，開發相關業務支撐系統。

完善地面運控體制，不僅為傳統用戶設計，還將數據服務向下游擴展，不斷挖掘衛星數據應用潛力，進而提供更深層次的信息和更高層次的服務。

3.3 重視并突破微納衛星離軌技術

衛星軌位資源日益稀缺，已經成為國際博弈和競爭的戰略熱點。衛星發射越來越多，太空環境日益擁擠，離軌技術是微納衛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]。充分考慮微納衛星質量小、體積小的特點，通過安裝微推裝置或利用太陽帆等離軌，保障微納衛星壽命終結時能及時空出可用軌道。

4 結束語

微納衛星配置有標準化接口、模塊化組件與通用化平臺，具有質量小、體積小、研制成本低、研制周期短等特點，其應用領域不斷延伸，市場需求增長快速。微納衛星產業的市場化、開放式、融合式發展是大勢所趨。這不僅需要人才、技術、生產等產業鏈的組合支撐，也需要配套設施與產業模式的不斷創新。未來，微納衛星將具有更低成本、可維修、可升級、可擴展的特點，隨著微系統、互聯網等技術的發展，微納衛星商業模式不斷突破，微納衛星必將得到更廣泛的應用。