从标准化角度看小卫星商业化发展

周玉霞 许冬彦

（航天标准化研究所，北京，100071）

研究与探讨

从标准化角度看小卫星商业化发展

周玉霞 许冬彦

（航天标准化研究所，北京，100071）

文摘：阐释商业小卫星系统的标准化理念，从标准化的角度分析国际小卫星取得成功的经验以及我国小卫星发展的现状与标准化需求，提出我国小卫星开展标准化工作的建议。

小卫星；标准化；商业航天。

商业航天概念愈发成熟，近年来小卫星在新技术和新的商业运营模式下在全球卫星应用中呈现爆发式发展。随着微电子、微光机电和集成电路技术不断发展，卫星小型化趋势不断加速，微纳卫星性能快速提升，成为小卫星领域发展最为活跃的组成部分。尤其是50kg以下微纳卫星发展的高度活跃，成为航天技术创新与应用变革的重要突破点。新一代的小卫星已不是早期的小卫星的简单回归了，而是一个质的飞跃，其技术密集程度和功能密度都大为提高，并正在促使航天领域发生深刻的变革[1]。

1 国际上典型的商业小卫星系统标准化

现代小卫星从它诞生之日起，标准化的理念就贯穿其一生。未来，在应用需求和市场活力不断增长的驱动下，全球微纳卫星发射数量将继续攀高。据SEI咨询公司预测，2020年前预计发射2000～2750颗微小卫星，到2030年，全球大约10%的GDP来自航天，商业化应用未来没有上限。在商业取得成功的背后，标准化始终伴其左右，终其一生。

1.1 从设计到应用，星体结构做到尽可能的标准化

立方体星是一种目前在商业卫星市场上广泛应用的一种小卫星，规定其体积为100mm3立方体，重量不大于1.33kg的皮卫星。立方体星从概念深化、方案设计以及研究和空间演示实验和后期的应用阶段均是按照标准化的思路开展的，使得包括大学、研究机构、商业公司约70家参与到该研究项目中。2014年，全球共成功发射小卫星130颗。其中，立方体卫星因其标准化、模块化、低成本的优势而广受高校与初创航天公司青睐，发射数量快速攀升，2014年全球共成功发射立方体卫星103颗。

取得如此好的结果，与其在星体软件和硬件结构上实施尽可能的标准化分不开：①星体结构标准化，即统一结构、体积和重量；②采用星体标准接口以及锁紧和解锁功能，组装和拆开都很方便；③形成逐步完备的模块化部件，目前包括平台、星上电源、太阳电池板、姿态控制、结构、收发机、天线、星载计算机、软件、发射展开机构等。

同时需要特别指出的是，立方体星的标准于2011年通过ISO（国际标准化组织）下设的空间系统分技术委员会（TC20/SC14）成功立项，开始将立方体卫星要求制定为国际标准，包括：卫星的完整性、压力容器、供电要求、风险要求等，同时对立方体星1U和3U的卫星的机械要求（包括外形尺寸、重量、材料等具体要求，电气要求和操作性能要求等内容）；立方体星与运载火箭的接口；立方体星和释放装置的质量保证要求与验证方法。该标准中制定过程中，不同国家提出了很多意见，尤其是对标准在全文中都是基于美国设计的P-POD的释放装置来开展标准的编写提出了很多的意见，对空间碎片以及安全问题也提出了修改意见。正式的ISO标准在2016年10月发布。

1.2 遵守并利用国际标准化规则，占据宝贵的卫星频率

卫星轨道和频率资源是卫星系统能否成功运行的核心资源。除了ISO外，ITU（国际电信联盟）也是相当重要的一个国际标准化组织，我们看到在全球范围内，发展起来的卫星公司无不是在遵守和利用ITU规则下，抢占至关重要的卫星轨位和频率，如果没有轨位和频率资源，提供卫星服务就从无谈起。

O3B网络公司是Greg Wyler和Google共同发起，成立于2007年。现有16颗卫星在轨运行，全球第二大卫星公司SES公司是O3B公司的最大股东和星座建设、发射、运营的“操作者”。O3B系统使用专用的Ka频段频率，由于其采用较为巧妙的星座构型，其与任何GEO（地球静止轨道卫星）不存在干扰，它所使用的频段就是英国在ITU登记备案的有优先权的Ka频段。

OneWeb星座是Google和Greg Wyler发起的Ku频段宽带星座计划。2014年6月，从破产的SkyBridge公司手中获得卫星轨位和频率，完成了向ITU的频率和轨位申请。2015年1月，Greg Wyler将公司改名为OneWeb。2015年6月，正式启动星座项目[2]。

1.3 标准化组织根据需求制定标准，时效性和针对性都很强

大量的标准化工作是由一些有影响力的协会和专业标准化机构来主导制定的，其中有国际影响力的国际组织和国际标准化协会已得到ISO的认可，其制定的相关标准也等效成为国际标准。而标准化工作中的主要参与者是企业，有国际影响力的企业会先行制定自己的企业标准，同时为推广其产品应用市场，会逐步主导以其企业标准为基础的来制定相关的协会或者联盟标准，甚至是国际标准。

a）美国航空航天协会（AIAA）。AIAA是美国制定民用航天标准的主要组织，在2005年8月，AIAA组织了世界上100多家小卫星公司，用了4天时间来研讨小卫星标准问题，经过讨论，会议最终形成了基本一致的意见：由于小卫星的制造商众多，并且小卫星任务的多样化，针对所有任务来制定一个设计标准目前的条件还不成熟，然而，在各子系统和接口层面，却需要尽快开展标准化工作[3]。

b）世界小卫星年会。世界小卫星年会是目前国际上很有影响力的学术年会，每年由美国犹他州的犹他大学与AIAA联合组织召开。关于小卫星标准化的专题讨论也在不断的进行中，根据报道，关于商业小卫星标准化工作的主要观点：①开发通用系统标准可促进小卫星的广泛应用；②制定有效载荷、卫星平台以及运载工具接口的标准化是控制成本和进度的关键；③标准化容易抑制创新，需要认真思考实施标准化的正确模式；④建议像因特网协议的产生那样，从公开来源、事实用户群体中发展起来，比通过命令推出某套标准更为合适。

c）美国国防部。美国国防部下属的“快速响应空间（ORS）联合办公室”提出的百星计划，考虑联合北约组织中的26个盟国在地球低轨发射100颗小型战术星，目前已经进入战术星-5阶段。该项目于2005年启动，在2007年时启动了有效载荷及卫星平台的技术标准化工作。

●国防部指导该项目工作，主要由工业界完成，由波音、雷神、通用动力、ATK、轨道科学公司、Microcosm及劳拉公司太空系统分部组成的“通过集成系统工程小组”（ISET）负责此项工作。

●完成了4份ORS技术标准文献，每一份文献提出225个标准需求。支撑建造ORS通用型卫星（重1000磅，平均设计寿命1年～2年）。

●标准化工作还包括卫星平台与载荷之间的界面以及燃料与动力的衔接等工作。

2 我国小卫星发展现状

2014年，国务院发布60号文件，鼓励民间资本研制、发射和运营商业遥感卫星，提供市场化、专业化服务。这也为民间资本进入卫星产业扫清了政策障碍。2015年10月29日，国家发改委、财政部和国防科工局等三部门联合下发了关于印发《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015年～2025年）》。规划提出，“十三五”期间，构建形成卫星遥感、卫星通信广播、卫星导航定位的三大系统，基本建成国家民用空间基础设施体系，提供连续稳定的业务服务。数据共享服务机制基本完善，标准规范体系基本配套，商业化发展模式基本形成，具备国际服务能力。

小卫星的发展阶段一般可分为探索研究阶段、发展阶段以及推广应用阶段。我国的小卫星产业经过数年的发展，在市场的驱动以及国家相关政策引导下，参与和吸引的单位越来越多，已有一些组织发布了各自的小卫星星座的计划。

●长光卫技术有限公司研制的吉林一号星组，计划发射138课卫星组网，为用户提供全球范围内高分辨率遥感信息产品[4]。

●航天科技集团公司成立的四维商遥公司将在2022年前后建成“16+4+4+X”商业遥感卫星系统，该系统包括16颗0.5m分辨率高分光学卫星、4颗高端光学卫星、4颗合成孔径雷达卫星和若干颗高光谱、视频小卫星组合的遥感卫星星座。16颗0.5m分辨率高分光学卫星中的首批4颗将在2017年完成建设并投入市场。星座建成在轨运营后，在卫星数量、对地观测类型、采集能力等方面将具备国际一流水平[5]。

●航天科工集团公司的福星计划，计划发射156颗地轨通信卫星星座，构成一个覆盖全球的天基互联网，实现天星地网，透明转发的业务模式。

●作为民营企业进入航天应用的典型代表的浙江天地经纬公司，计划以3颗中轨导航卫星价值的投资，建成以60颗低轨小卫星组成的导航通信遥感系统，可以解决全球通信覆盖，实现天气、海洋动态和风场监测等，计划形成一系列的产业，预计的投入产出比在1比17至87之间[6]。

●北京信威通信公司的灵巧通信卫星，计划在2019年初步建成自主可控、可持续发展的星座通信系统，将覆盖除南北极之外的全球各个角落[7]。

●欧比特计划推出了“卫星空间信息平台项目”，正着手芯片式卫星产品的设计，已经具备了卫星产品的生产能力。

另外，一些高校、甚至是中学都开展了基于科研教育和实验的小卫星的研制。

3 我国小卫星发展中的标准化需求

标准化对于某项技术产品的发展起着重要支撑作用，这种作用可能不像商业投资那么引人注意，但事实证明，只有实施标准化理念的技术和产品才能走得更远。标准化最终目的是要取得最佳效益，按照特定的目标，在一定的限制条件下，对标准系统的构成因素及其相互关系进行选择、设计或调整，使之达到最理想的效果，取得最佳效益。

我们开展小卫星标准化工作的目的是促进和规范小卫星发展，而不是成为阻碍。标准化的作用主要体现：①“简化”是在一定范围内缩减对象(事物)的类型数目，使之在一定时间内足以满足一般需要的标准化形式和方法；②“统一”的实质是使对象的型式、功能(效用)或其他技术特征具有一致性，并把这种一致性通过标准确定下来；③“协调”是针对标准系统的，以系统的观点处理标准内部各要素的相互关系；协调标准系统中各相关标准之间的相互关系；以标准为接口协调各部门、各专业、各个环节之间的关系，解决各有关方连接和配合的科学性与合理性，使标准在一定时间保持相对平衡和稳定，其目的是使系统达到最优；④“优化”是指按照特定的目标，在一定限制条件下，对标准系统的构成因素及相互关系进行选择、设计或调整，使之达到最理想的效果，取得最佳效益。

同时，我们也要考虑到标准与技术创新之间的关系，标准有时候会束缚技术的发展以及创意的产生，所以制定标准的时机很重要。目前，我国小卫星技术和产品正处于发展阶段向推广应用阶段的过渡，从标准化工作的经验来看，当一个事物从发展阶段向推广应用阶段过渡时，这个阶段是标准制定的最佳时机。具体如图1所示。

图1 标准制定最佳时期示意图

需求牵引小卫星标准化工作，随着小卫星技术发展，卫星数量增多，应用任务多样化，对标准化需求自然而然地出现，尤其在卫星平台标准化、接口标准化、载荷模块化和发射搭载标准化等方面，表现更为突出，反映出标准化在这些领域的重要性、急迫性。主要体现在：

●小卫星的研制周期短、高风险的任务特点需要标准支撑，依据标准研制，可确保任务成功率，降低门槛；

●小卫星的技术创新、应用任务多样以及在多种航天器上搭载发射，这些都需要标准进行“技术上的对话”和“质量保证”；

●在小卫星标准化工作组织上，需要有专业标准化组织为其搭建工作平台，以企业为主导，根据发展需求联合制定相关标准的模式；

●小卫星标准化工作必须具有国际视角，遵守和利用好国家标准化组织规则，做好中国小卫星标准国际化。

4 我国小卫星标准化工作开展的建议

我国的小卫星标准化之路怎么走，我们认为：中国小卫星的标准化既无需脱离现有的航天标准化资源独立而生，也不必拘泥于现有的标准化工作模式，而是需要充分借用已有的航天标准化资源，结合我国的标准化改革思路，借鉴国际有益经验，抓住小卫星自身技术和产业发展，走好我国的小卫星标准化之路。甚至在某些领域，我们利用自身的长处，在小卫星领域的国际标准制定中可以有所突破。

4.1 凝聚力量，成立小卫星标准化工作组

2015年，国家发布《深化标准化工作改革方案》，方案提出要“培育发展团体标准”。在标准制定主体上，鼓励具备相应能力的学会、协会、商会、联合会等社会组织和产业技术联盟，协调相关市场主体，共同制定满足市场和创新需要的标准，供市场自愿选用，增加标准的有效供给。

中国航天标准化研究所作为我国航天领域标准化技术总体单位，从2015年就开始筹建成立中国航天技术及应用标准化协会，该平台的成立就是要充分发挥自身长期从事航天领域的国际标准、国家标准、国家军用标准以及航天行业标准等各级各类标准技术归口的技术优势，聚集航天领域研究、设计制造、测试、使用以及运行管理等方面的企业、高校、研究机构、政府部门和专家力量，整合国内的相关标准化技术资源，推动我国航天领域的团体标准化工作。

我们建议：在该协会下成立小卫星标准化工作组，搭建一个面向国际国内的小卫星标准化工作平台，聚集国内小卫星标准化技术力量，共同促进我国的小卫星良性快速发展。

4.2 合作共享，建立小卫星专利池

知识产权是知识价值的权力化、资本化，技术标准是技术成果的规范化、标准化。在当今世界，谁掌握了制定规则的权力，谁就有了主宰市场的领导地位。现代技术标准的全球技术许可战略就是沿用了“技术专利化→专利标准化→标准许可化”这一思路。

国际上著名的商业小卫星公司也都是这一许可战略的实践者。在开展小卫星标准化，或逐步推进标准国际化的过程中，通过合理操作，从标准研制初期，知识产权战略管理的工作就要介入。首要的工作是申请专利，因为专利技术是技术标准实施许可战略的基础；其次是在技术标准化阶段将这些专利技术融入到标准中，在建标准的同时就要构建此标准体系的技术许可框架；最后才是标准建立后实施全球技术许可。据了解，国内一些商业运作的小卫星公司都具有一定数量的核心技术，也越来越关注许可战略。

我们建议：建立小卫星专利池，合作共享，保护和利用知识产权。在开展标准研制的同时，有计划地将成熟的技术逐步专利化。在适当时机，通过标准国际化，实现全球技术许可的目的。

4.3 聚焦重点，实现平台通用化、功能模块化、接口标准化

随着我国小卫星应用任务多样化的业务需求不断增多，对研制、组装、试验、发射、离轨处理等方面的技术需求也在逐渐加强，这时就更需要我们利用标准化，来满足小卫星发展所产生的业务和技术的需求。

通过平台通用化，实现开发快速响应的标准化小卫星平台，采用平台加载荷的模式，简化设计，缩短研制周期。平台通用化工作重点包括：按照轨道、重量和体积形成不同的小卫星平台；可提供包括机械接口、电气接口、射频与电磁接口以及环境接口的统一接口；平台的各分系统尽量标准化，如模块化的组件、标准化结构与机构、标准化的电源以及标准化的姿态控制、数据管理等。

通过功能模块化，实现根据任务需求尽可能地选择货架（COTS）组件，用即插即用技术完成系统集成，达到硬件和软件的一体化设计。功能模块化工作重点包括：构建模块化的结构框架，在固定体积内制造专门模块，功能与组件形成一对一的关系。

通过接口标准化，促进货架（COTS）组件批量化生产，降低研制成本，实现功能组件的互换和数据共享。接口标准化工作重点包括：统一的通用数据总线技术以及统一的通信协议，统一的硬件接口等。

我们建议：优先聚焦平台通用化、功能模块化和接口标准化的三个工作方向作为我国小卫星标准化工作的落脚点。

标准化的价值是一种潜移默化的，标准化的效益也不是一天就可以显现。我们畅想有一天，能够通过标准化推进我国小卫星产业化发展，能够实现像“乐高”玩具那样接插组装小卫星，搭载发射小卫星，让更多的企业和个人能够分享到标准化带来的好处，更多的参与和推动中国小卫星商业化发展。

[1]闻新，张兴旺．现代小卫星领域的发展现状分析.沈阳航空航天大学学报，2013，20（10）．

[2]范志涵，张召才．国外小卫星最新发展研究．国际太空，2013（8）．

[3]张小达．聚焦小卫星标准化热点问题．航天标准化，2008（1）．

[4]观察者网．吉林一号卫星群将在轨138颗，全球70亿都是客户．www.china.com，2015-10-20．

[5]科技频道．我国将发20余颗卫星组建高分辨率商业遥感卫星系统．www.people.com，2015-10-30．

[6]金华新闻网．义务名企计划发射60颗低轨卫星．www.jhnews.com.cn，2016-04-05．

[7]信威资讯．创新驱动发展信威集团空天领域结硕果—灵巧试验卫星工程取得圆满成功．www.xinwei.com.cn，2014-10-28．

周玉霞（1972年—），女，硕士，高级工程师，现从事标准化总体规划、卫星应用相关标准化工作。

许冬彦（1976年—），女，硕士，高级工程师，现从事卫星通信、卫星导航相关标准化工作。