空間系統與技術前沿發展及創新趨勢展望

許社村 侯宇葵 孫亞楠 任迪 （錢學森空間技術實驗室）

外層空間是人類共同的財富，航天活動對人類文明和社會進步的影響進一步增強，航天科技在國家發展中的戰略地位日益凸顯。黨的十九大明確提出建設“航天強國”，既是對我們航天人的鼓勵，更是殷切期望。本文著眼技術發展趨勢，關注社會、經濟、軍事發展需求，立足原始創新，回應重大關切，展望空間系統與技術未來發展，推動航天事業服從和服務于國家整體發展戰略，促進由“跟跑”向“并跑”、“領跑”轉變，以期“塑造未來”、“創造未來”、“引領未來”，找尋一條具有中國特色的航天強國發展之路。

1 航天強國之路必然是創新之路

未來20～30年將是一個巨大的變革期，物聯網、移動互聯網等技術運用使信息空間滲透至物理空間和認知空間。航天領域最有可能產生知識突破和創新超越。傳統行業仍習慣于經典物理的思維方式，深空探測、空間試驗等領域則必須要考慮時空彎曲等相對論效應。

航天強國必不是跟在別人后面、照抄別人能夠發展起來的，只有強化原始創新、從源頭做起，才能獲得具有戰略意義的顛覆性技術，奪得未來競爭的先機，也只有打破長期以來跟蹤研仿的思維定式，真正建立起獨立自主的創新體系，形成核心技術競爭優勢，以“黑科技”鑄就空間技術的“護城河”。同時，“一個國家基礎科學研究的深度和廣度，決定著這個國家原始創新的動力和活力”，基礎研究也決定著未來航天領域原始創新的動力與活力。例如，圍繞宇宙大爆炸這個基本物理問題，產生了“哈勃空間望遠鏡”、“超越愛因斯坦計劃”等重大航天工程，極大地拓展了航天視野，顯著提升了空間技術及應用能力。

80年前，為了改變我們國家民族落后挨打的局面，錢學森提出“只有掌握航天理論才有超越西方的可能”，毅然走上了航天報國之路，率先提出航天領域中的若干重要概念、超前設想和科學預見。在新的歷史時期，為破解“錢學森之問”，建立錢學森空間技術實驗室，使我們更加堅信只有在基礎理論、工程方法上的原始創新，在空間系統與空間技術未來發展方向上作出一些新實踐新探索，為中國夢、強軍夢、航天夢添加更豐富內涵，才是真正繼承錢老“為國為民、敢于超越”的科學家精神。

2 空間系統與技術前沿應用領域

空間 科學要探望星空與走出搖籃

面向空間科學的原始創新、基礎發展能力的快速提升，未來航天領域的主要任務是，瞄準解決空間科學探測概念與技術發展創新不足、原創探測種類少等短板弱項，以科學問題為導向，以對未知世界的科學探索需求為牽引，圍繞宇宙的形成與演化、系外行星和地外生命的探索、太陽活動及其對地球空間環境的影響、超越現有物理理論的新物理規律等熱點和基礎性科學問題，充分探測宇宙、了解宇宙、認識宇宙，反過來認識地球，認識人類自己，拓展人類的知識。

圍繞上述目標，結合科學探測的特點，未來一段時期我國空間科學領域重點發展方向如下：

暗物質與宇宙射線探測。建設能夠搭載暗物質與宇宙射線探測的試驗系統，尋找和研究暗物質粒子，測量銀河系宇宙線的成分和精細能譜，開展天體高能伽瑪射線巡天觀測。將空間高能量粒子和宇宙線能譜測量推進到TeV能區，以大大超過國際各項計劃的能力研究暗物質粒子的存在，有望解決暗物質引力之外的相互作用、宇宙線的起源等重大科學前沿問題。

脈沖星宇宙時空基準。利用脈沖星發射的X射線、γ射線作為天然信標，探測30顆左右的脈沖星信號，建立脈沖星導航數據庫，解決深空探索中時間測量的問題，最終構建脈沖星時間、實現宇宙時空基準，引導航天器在宇宙空間長時間自由航行。突破準直型和聚焦型探測器、數據庫、時間同步和大尺度導航等關鍵技術。

可居住類地行星探測。利用亮星巡天空間望遠鏡（BSST）對鄰近類太陽恒星（光譜型為F、G、K）的行星系統進行掩星探測，以期發現位于可居住區內的類地行星（亞地球質量）。BSST通過亮星不間斷的長時間巡天，可以獲得一大批明亮的脈動變星高精度、高連續性光變曲線，有助于發現一批類地行星。

系外行星大氣光譜探測。針對太陽系外行星系統進行的空間高精度光譜探測，采用掩星法對太陽系附近400余顆存在行星掩星現象的恒星進行高精度光譜探測，進而分析其行星系統大氣的物理化學成分，觀測譜段覆蓋近紫外、可見光及近、中紅外譜段。同時，從生命搜尋的角度出發，兼顧小天體的研究，為我國系外行星與生命探索奠定技術基礎。

日地空間環境立體探測。建設由4顆衛星組成的日地空間環境探測衛星星座，對太陽和日地環境進行立體、多空間尺度的監測。其中2顆衛星分別位于日地L1和L3點，形成對日觀測的立體視角，拍攝太陽的三維圖像，監測太陽活動及磁場的變化；另外2顆衛星分別位于日地L4和L5點，開展日地環境整體性和綜合性的科學探測與研究，大范圍實時監測日地空間環境的長期變化，精確計算災害性空間天氣到達地球的時間。

民用 航天要服務大眾與普惠民生

面向經濟社會發展重大戰略需求，以原始創新為引領，以滿足用戶需求、提升應用效能和促進航天產業發展為根本目的，公益與商業服務并舉，服務國家戰略，發展全球尺度地球數據獲取及應用能力，支撐海洋強國戰略、“一帶一路”倡議的實施；惠及大眾民生，綜合利用多種譜段、高時空分辨率、高靈敏度探測系統以及高速通信網絡，滿足生態保護、氣象預報等重大民生需求，推動文化傳播、高品質信息服務等信息消費；深化應用，利用“大智移云物”技術，推動商業化航天服務和多源數據融合共享，支撐重要行業深化應用和大眾服務。

全球立體綜合大氣觀測系統。為準確預報全國、省區、重點城市的天氣，精細探測全球云、雨、風、溫度等大氣圈層三維結構，充分發揮高軌系統的高時效特性和低軌系統的高分辨率特性，發展高軌50米級大氣成像、低軌激光風場測量、低軌降雨測量雷達等衛星系統，對臺風、暴雨、霧霾、沙塵暴等災害性天氣的形成、演變等進行近實時觀測和預報，積累全球氣候變化觀測數據，為我國經濟發展提供強大的服務保障，并承擔相應的國際責任。

面向地震預報的高精度探測系統。為提升地震綜合監測預報能力，綜合利用紅外、電磁、重力場等探測手段，發展5m分辨率紅外成像、1nT精度寬譜磁場探測、1mGal精度重力測量等衛星系統，對地面溫度場、空間磁場、高能粒子、地球物理場等變化進行連續、高精度數據探測和相關參數反演，探索這些參數與地球應力積累、爆發、釋放之間的規律，捕捉地震活動規律和先兆，探索預測地震的新型方法手段，避免或減少地質災害對人民生命財產造成損失。

全維多手段生態系統監測系統。圍繞人類發展所面臨的資源短缺、生態退化、重大自然災害頻發、交通擁堵等問題，利用高分辨率成像、激光雷達、高光譜等新型載荷，發展亞米級成像、大氣污染監測、水資源探測、海洋監視等衛星系統，對大氣、水、巖和生物等圈層等進行多要素智能化探測，提高生態紅線維持、精細農業、污染治理、大數據分析、智慧海洋建設等能力。

全球泛在高速信息網絡。針對“寬帶中國”和“一帶一路”等泛在通信與寬帶通信巨大需求，突破太赫茲通信、激光通信和認知無線電技術，發展超大容量通信、高承載通信和可重構通信等衛星系統，支持構建由通信網、互聯網、傳感器網構成的泛在信息網絡，滿足區域協調、軍民融合、大眾消費等多樣化需求。

中國特色商業航天服務。迎接“太空經濟”時代的到來，利用大數據、智能處理、移動網絡、云計算等新興技術，構建大數據一體化應用體系，推動天地一體、多維信息智能同化與實時融合。突破空間VR、人機溝通、情景構建等前沿技術，發展全息虛擬地球、時空基準轉換、個性化定制等系統，滿足立體智能交通、無人駕駛、物聯網等需求。發展智能在軌服務能力，推動太空旅游觀光，探索碎片清除服務、小天體勘察采礦和資源利用新途徑，促進太空產業發展。

軍用 領域要滲透多域和全球保障

圍繞實現強國夢、強軍夢，以建設信息化軍隊、打贏信息化戰爭為目標，堅持走信息化的發展方向，以互聯網思維為指導，利用先進信息技術重塑航天裝備體系，推動天基信息與武器系統深度鉸鏈，以空間能力倍增體系能力，形成一體化的作戰力量，因應時代變化拓展太空新邊疆、發展新手段，提升信息支援保障、太空資產保護等國家總體安全能力。發展重點：

可靠全面的目標探測。針對隱身飛機、潛艇、高超聲速飛行器、天對地打擊武器等動目標，急需提升全天時全天候連續監視能力，以掌握其變化態勢，判斷其軍事意圖，有效引導我防御武器的精確打擊。

智能暢通的天基通信。針對超高帶寬傳輸、超密用戶接入、超高移動性、數據鏈快速接入等需求，發展大容量空間通信網絡，解決抗強干擾、保密通信等問題，在未來作戰指揮控制網絡中發揮核心作用。

高可用泛在的時空基準。針對戰場復雜環境對時空基準和導航位置服務的多樣化需求，提供統一、高可用的時空基準服務，覆蓋水下、地下、地表、大氣層空間乃至宇宙空間等多層戰場空間。

此外，要積極探索各類新型裝備系統。

空間 技術要打牢基礎與軍民融合

以促進空間技術飛躍發展、突破瓶頸技術、形成核心能力為重點，面向軍民商空間系統發展需求，增加先進空間技術源頭供給，發展先進平臺技術，解決平臺的穩定性、可靠性較弱，精度和敏捷性不足等瓶頸問題；探索新型載荷技術，拓展新型技術手段，面向應用服務，突出效費比，完善載荷型譜；加強基礎前沿、新概念技術研究，促進空間系統網絡化、綜合化、智能化、體系化、彈性化發展。

（1）先進衛星平臺

面向未來通信、遙感、空間科學、在軌服務等領域對衛星平臺高精度、高穩定度、高承載比，以及智能自主、可擴展可重構等高品質要素的迫切需求，聚焦智能化、長壽命、低成本、高可靠等性能要素，打造超大型可重構衛星平臺、超高精度超高穩定度衛星平臺、可維修和可服務衛星平臺，提升衛星平臺品質，擴展平臺能力包絡，進一步增強平臺對新領域任務的支撐能力。

突破復雜結構下的高精度控制技術，實現高頻抖動的高精度控制和撓性振動抑制。攻克高敏捷機動控制技術，在運動過程中保持足夠的控制精度和穩定度力，實現航天器快速機動和姿態快速穩定。探索致密電能源技術，具備高效能量轉換、致密能量存儲、“無損”能量傳輸、智能能量管理等能力。發展新型空間電源技術和可維修和可服務等航天器平臺，建立系列標準和接口規范，逐步使航天器具備可接受維修服務能力和自適應能力。

（2）新型載荷技術

圍繞空間系統未來發展，發展靜止軌道米級分辨率光學載荷、大氣海洋一體化測風雷達、高光譜分辨率載荷、激光三維成像、云雨三維測量等載荷，加大載荷效能仿真和數據處理技術研究，提升遙感載荷分辨率，定標、定位和探測精度，支撐遙感載荷數據深化應用。發展新一代大容量寬帶衛星通信和廣播技術、GEO衛星移動通信技術以及星間激光通信及組網技術、太赫茲通信技術等新型通信有效載荷技術，提升通信有效載荷容量和移動通信、多功能復合通信和星際高速率互聯能力，形成新一代天線和射頻部組件等關鍵產品技術儲備。瞄準更長遠空間應用，開展新概念、新原理、新體制有效載荷技術研究與探索，在技術體制、關鍵產品和業務化應用等方面形成原創成果。

（3）基礎前沿技術

基礎前沿技術是空間技術創新發展的源泉，基礎科學和前沿技術的突破，都有可能引起人類征服和利用空間能力的大幅度提升。

大數據與云計算。以P、E甚至Z量級空間大數據“資源池”為基礎，積極推動海洋、水文、氣象、環境、國土等行業業務數據的多源接入、分布處理、網絡服務和開發應用，探索軍民數據需求生成和成果共享機制、以民養軍的信息服務保障模式，破解天地脫節、應用割裂等結構性問題，以用促天、以天帶地，實現天地一體化協調發展。

量子技術。利用物質固有的線性疊加性原理、海森堡不確定性原理和量子糾纏效應等特性，突破傳統空間技術的量測精度、分辨率和安全性等性能指標的經典物理約束，對特定物理量的測量精度或靈敏度提升3~5個數量級，實現經典技術無法實現的物理過程，推進量子技術走出實驗室、走入工程實踐。

太赫茲技術。太赫茲（THz）波介于微波與紅外之間，太赫茲的獨特性能給通信（寬帶通信）、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像、無損檢測、安全檢查（生化物的檢查）等領域帶來了深遠的影響。由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短（皮秒量級）所以具有很高的時間分辨率。太赫茲技術將助力空間系統實現高精度探測和大容量寬帶通信。

認知科學與技術。以減少航天器對地面測控系統的依賴為重點，在航天器智能自主地導航、數據處理、故障判別與重構等方面，推動具有學習功能的人工智能集成電路、發展智能故障診斷等技術發展，突破智能自主控制、自主交會對接等關鍵技術，大幅提升空間領域的智能化水平。

智能材料與超材料。發展具有傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功能、自診斷能力、自修復能力和自適應能力等多種能力于一身的智能材料/結構以及超出自然界固有普通性質的超常材料功能的超材料，為研制隱身航天器、超級雷達和智能探測器等提供基礎保障。

微納光電技術。利用微納尺度元器件等特性研究，推進飛秒激光技術、單頻激光技術研究，探索飛秒激光和單頻激光等新儀器儀表，將應用載荷時間穩定度或頻率穩定度提升3~5個數量級，產生新型空間應用方式，為自主構想的紅外特性隱身平臺等新型空間系統探索發展途徑。

自由空間光通信技術。突破高功率激光器技術、光學天線技術、自動跟瞄技術、信道分析及壓縮編碼技術，采用紅外激光承載高速信號，建立空間“虛擬光纖”，實現大容量、高質量、高保密空間通信。

新型空間操控技術。發展適應于非合作目標、適應于多目標，具有靈巧機動性能與寬適應性的新型空間操控技術，實現對在軌高價值衛星零距離狀態檢測、維修維護，對非合作目標進行表面著陸抓捕、接管控制等。

3 對創新發展的實踐與思考

為有效履行新使命新任務，在發展理念、組織管理方式等方面亟待進行前沿探索，推動原始創新。

激活原始創新。積極探索技術創新發展客觀規律，在人員管理、項目管理、經費管理、成果管理、創新文化等各個方面進行大膽的創新探索。以“自主研究為主、組織研究為輔”，實行鼓勵自我管理、自我驅動的管理制度，最大程度釋放研究人員的創新熱情。實行“雙向選擇、價值評判”的創新人才引進評價方式，不以學歷和年限確定崗位及待遇，真正突出人才的核心價值，為人才的引進、成長提供與學術界接軌的機制。打造“學術開放、全球視野”的創新環境，制定各專業領域頂級國際會議目錄，資助員工積極參與，廣泛邀請美歐、英國、加拿大、俄羅斯和臺灣地區等海內外杰出學者和青年英才來訪，形成開放的高端學術交流平臺，提升研究的國際視野。

激勵基礎研究。面對新挑戰，依據國家需求和人員規模，在技術研究方向選取上適度聚焦若干基礎研究領域，不斷找尋原始創新思路、新途徑。以“任務為經、學科為緯”開展專業化學科布局，重點在信息獲取與處理技術、空間材料與機械技術、空間熱力工程、微納電子技術、量子工程技術、人工智能等方向進行布局。堅持“相互啟發、優勢互補”，與其他科技領域共同探索科技前沿方向，關注重心不再僅僅局限于航天科技領域，站在世界科技領域的前沿方向，與量子技術、新材料技術、生物交叉技術、新能源技術領域進行交流碰撞，啟發靈感，同時發揮各自優勢、攜手前進，既有力的拓展航天科技的前沿方向，也將航天科技推到更廣闊的舞臺中央。

激發非凡創意。堅持“明天的技術解決未來問題”的理念，積極推進戰略研究和國家重大專項和系統項目謀劃轉型。堅持“自主研究、獨立研究”，推動戰略研究模式轉型升級，由跟蹤論證向自主研究轉變，面向實際應用、堅持體系化思維和問題導向，以專業研究、自主研究代替被動論證，以定量與定性相結合代替簡單綜合、宏觀描述，為上級機關及各類用戶提出高水平和高價值建議，推動空間系統與技術的創新發展。積極“研究未來、擁抱夢想”，研究和構想未來重大系統，基于謀劃10年后發展，按創新流程分為“創意中心、研究中心、孵化中心”，構建“體系發展戰略研究、系統項目研究、應用基礎與技術研究”互為牽引和支撐的創新體系，將基礎技術研究、概念研究、系統項目立項進行融合銜接。推動“廣泛協同、整體聯動”的跨領域、跨單位融合創新，激發研究人員想象力，“先問新不新，再問成不成”，打破思想上、習慣上的條條框框，以體系戰略研究帶動系統項目和前沿技術發展需求，以前沿技術發展支撐系統項目研究，大膽嘗試系統項目提出后轉到系統項目部繼續研究并在條件成熟后轉入院內工程研制單位的新方式。