微纳卫星产业发展探讨

闫骁绢 张锐 谢祥华 余勇

(中国科学院微小卫星创新研究院，上海 200201)

微纳卫星是指质量在100g～10 kg的卫星。近年来，微纳卫星发展势头迅猛，对商业航天的发展具有重要意义[1-2]。美国航天工程(SpaceWorks)调查公司在2018年1月发布的微纳卫星市场预测显示，从2018年到2020年，预计有936颗微纳卫星处于规划和设计阶段，在未来5年将有2600颗微纳卫星发射升空[3]。

微纳卫星通常具有标准化的机、电、热、结构等接口设计，配置有多载荷适配性的模块化器件与平台，不同微纳卫星的接口可以兼容[4]。其研制成本低、研制周期短，在微小型化、灵活度等方面具有极大的优势。但是，受质量与体积的约束，单颗微纳卫星功能相对简单，寿命相对较短，因此多采用多星协作方式开展工作[5-6]。微纳卫星以星群方式部署，可替代庞大复杂的大卫星系统，拓宽了整个卫星系统的尺度和能力；微纳卫星采用编队飞行，可以实现在轨机动补位、执行在轨侦察、清除障碍等太空任务。因此，在市场需求和卫星技术不断发展的驱动下，全球微纳卫星发射数量持续攀高。

本文研究总结了微纳卫星产业发展的特点，提出了几点发展挑战，重点给出了发展建议，可为微纳卫星产业进一步向大众化发展提供参考。

1 微纳卫星产业发展特点

2016年以来，世界航天发展呈现新态势，微纳卫星研制需求与日俱增，风险资本大量涌入微纳卫星领域，新兴卫星运营商日渐成熟，并伴随着微纳卫星星座的大量部署，低价且可靠的数据服务指日可待。

1.1 微纳卫星研制需求与日俱增

传统卫星进入太空的费用很高，微纳卫星的出现带来了相同性能下成本更低的可能性。微纳卫星数量不断增加，提供了许多服务，如成像、监视、电视信号中继、农业监控、天气监测和卫星移动通信等[7]。微纳卫星星座可以通过增加卫星数量获得更高的分辨率和更短的重访时间，实现实时、快速、连续的信息获取和大面积全方位的覆盖，更好地实现星间链路的联通和导航增强定位。

近几年来，微纳卫星任务目标更加拓宽，凭借其研制周期快、成本低，可以承担风险更高的验证任务[8]。以暗物质、引力波等为目标的太空探索，以及太空商业化变革，也给微纳卫星的发展带来了巨大的机遇。越来越多的国家和机构着眼于构建低价高效的微纳卫星平台，纷纷提出微纳卫星计划及全球星座方案，例如挪威国防研究院(FFI)的“自动识别系统卫星”(AISSat)计划、日本发射的用于监测北方航路状况的“天气新闻识别卫星”(Wnisat)，以及NASA将于2019年发射的用于探测热带气旋的“降水结构及风暴强度监测”(TROPICS)卫星群等。

1.2 风险资本大量涌入微纳卫星领域

卫星应用产业是国家战略性高技术产业，全球范围内有能力的国家都出台各项政策鼓励商业卫星的发展，这也为微纳卫星的发展带来了机遇。微纳卫星应用领域不断延伸，市场需求持续增长，吸引了大量的风险资本。资本的输入带来最先进的卫星基础设施、批量可靠的卫星研制、快速高效的卫星发射服务等，使得企业和政府能够按时、按预算实现其任务目标。

美国太空探索技术(SpaceX)公司和轨道ATK公司已经获得美国政府和NASA的大量资金支持。谷歌(Google)、脸书(Facebook)、亚马逊(Amazon)等互联网公司也陆续启动了太空投资。低轨卫星(LeoSat)公司在2018年获得了10亿美元的投资，预计在2019年交付第1颗卫星，最终提供快速、安全、无处不在的数据连接服务。

在国内，随着国家军民融合发展战略和“一带一路”倡议的提出，除了以中国航天科技集团有限公司、中国航天科工集团有限公司、中国科学院为代表的航天主力军加紧商业航天步伐外，大量私营公司也加入到微纳卫星领域，不仅有百度、阿里巴巴和腾讯等大型互联网公司的身影，还涌现出了以北京信威科技集团、北京零壹空间科技有限公司、深圳翎客航天科技有限公司、北京九天微星科技发展有限公司为代表的新型私营航天公司。

1.3 新兴卫星运营商日渐成熟

商业航天的发展，使航天市场更加细分。很多新兴卫星运营商逐渐摸索出自己的商业运营模式，对市场定位更加明确。它们针对各自的产品制定出更加规范、标准的研制流程，研制成功的产品获得了市场认可，也获得了更多资金的支持，SpaceX公司、尖峰环球(Spire Global)公司、行星实验室(Planet Labs)公司、Tyvak纳卫星系统公司就是很好的例子。

SpaceX公司在2008年获得NASA正式合同后，开启了私营航天的新时代。该公司提出的含1万多颗卫星的“星链”(StarLink)星座计划在2017年获得美国联邦通信委员会(FCC)批准。Spire Global公司于2012年在美国成立，是一家小型卫星技术公司，在不到6年的时间里已经成功发射几十颗立方星，用于实现偏远、信号不通畅地区的数据采集。Planet Labs公司成立于2010年，致力于开发体积更小、结构更简单、成本更低的微纳卫星。截至2017年10月，该公司完成了成立以来的第20次发射。Tyvak纳卫星系统公司致力于提供高性能的立方星产品研究与开发，为地球光学(GeoOptics)公司(专门从事地球大气环境数据监测、收集和分析)研制了立方星6U平台。

1.4 低价且可靠的数据服务指日可待

信息获取、信息融合、信息精度提升，以及将地球/太空数据处理为商业大数据等能力，是航天综合实力的重要组成部分。同时，物联网、大数据、云计算等概念的提出与发展，加深了人们对数据及网络的依赖。因此，利用卫星为各个领域提供大量数据支持和服务是大势所趋。微纳卫星以其批量化、规模化的特点，可在遥感数据采集上释放超强能力。

加拿大地球直播(UrtheCast)公司、美国一网(OneWeb)公司均已部署卫星星座计划，构建数据桥梁，目的在于利用大数据技术建立基于卫星的全球互联网系统。美国波音(Boeing)公司、加拿大电信卫星(Telesat)公司和国际卫星通信(Intelsat)公司都在规划太空互联网计划。环球卫星(SES)公司的O3b星座、LeoSat公司的低轨(LEO)星座系统、Planet Labs公司的“鸽群”(Flock)和“天空卫星”(SkySat)卫星群，以及国内的珠海一号微纳卫星星座等，均瞄准数据市场，试图引入大数据技术、云计算等概念，为全球的数据联通服务。因此，低价且可靠的数据服务指日可待。

2 微纳卫星产业发展挑战

微纳卫星市场需求的不断提升，参与者逐年增加，微纳卫星数量爆炸式增长，也对微纳卫星产业的发展提出了新的挑战。

2.1 微纳卫星发射机会相对受限

微纳卫星需要低成本、短周期发射，而现役火箭大部分价格昂贵，生产、测试周期较长，可选性少，因此，微纳卫星大多采用搭载方式发射升空，要等待发射机会。

美国SpaceX公司大大拉低了全球发射的成本，几乎占据了全球发射市场50%以上的份额。其他公司紧随其后，也提出了商业运载火箭的研制计划。但是，目前能投入使用的商业运载火箭数量还非常有限，微纳卫星发射机会相对受限。根据美国SpaceWorks调查公司的微纳卫星数据[3]，未来几年是商业航天发射的大年，现有发射场可能处于满负荷工作的状态。

2.2 空间资源日渐丰富但数据价值转化率低

根据科学工作者关怀联盟(UCS)给出的卫星统计，截至2017年8月31日，全球在轨运行的卫星共有1738颗，其中美国803颗，俄罗斯142颗，中国204颗，其他国家589颗[9]。随着卫星研制成本的不断下降，这一数据还会不断增长。虽然众多卫星正源源不断地提供大量数据，但它们之间往往系统孤立、信息分离，卫星数据网络价值有待挖掘。目前，必联科电子(Blink)公司、克雷多斯(Kratos)公司、日本政府、中国航天驭星公司等，已经开始着手建立星地网络。但是，由于政策及技术上的局限性，距离真正的天地互联、多网融合的大数据服务还有很长的路要走。

2.3 微纳卫星不能及时离轨增加太空垃圾

目前，已成功发射的微纳卫星，由于体积和质量小，大部分不配备离轨装置，在寿命末期无法自主重返大气层，成为太空垃圾。在微纳卫星密集的星座中，任何碎片的碰撞都有可能将涉事失效卫星转变成一个巨大的高速碎片，而这些被动活跃的碎片又可能成为其他星体碰撞的来源[10]。微纳卫星在寿命末期不能及时离轨，将存在极大的碰撞隐患。同时，废弃的微纳卫星在太空中会浪费太空轨位资源。

3 微纳卫星产业发展的启示及建议

3.1 发展主动定制式商业运载

微纳卫星星座的大规模部署，推动了人们对卫星发射方式的思考。SpaceX公司向NASA提出建设私有火箭发射场的申请，希望可以建成一个像机场一样服务于大量商业用户的航天发射场。维珍天体轨道(Virgin Orbit)公司正在开发一种能为商业和政府卫星提供灵活发射任务的运载器。Blink公司计划开发小型地面发射运载器。美国国防先进研究计划局(DARPA)正在研制低成本的小型运载器。改变微纳卫星的发射方式，从“被动搭载”转为“主动定制”，可以保证微纳卫星按需发射。发展主动定制式商业运载，可采取以下4种措施。

(1)运载器承接方与卫星研制方协同完成商业运载器设计。根据微纳卫星量级及卫星运行轨道条件，设置对应量级的运载器机、电、热等接口规范，制定同一类型统一的星箭接口，缩短商业运载与卫星用户的对接时间。

(2)推进运载标准化进程。将通过实际工程验证的运载器设计经验提炼成运载器设计标准，各运载器研制方依照标准开展商业运载器的研发，从而降低研制成本，增加运载器可靠性。

(3)增加微纳卫星发射塔架。在现有发射场增设商业发射塔架，或者重新筹划新的商业微纳卫星发射场，建立更多的小型卫星发射塔，使其具备应急发射能力，可实现快速组网和补网功能。

(4)适当招标商业资本投资发射场的基础设施。微纳卫星商业发展吸引众多商业资本的青睐，在发射基础设施方面也可考虑加入商业资本控股模式，这样既可以减小国家建设基础设施的资金压力，又可为商业资本多提供一条加入航天大军的可行途径。

3.2 变革微纳卫星运控体制

美国以许可证的方式管理商业卫星数据；欧盟采用敏感检查的方式监督商业卫星数据；日本政府要建立一个卫星公开数据系统，将拥有的部分卫星图像观测数据免费提供给私营公司。如何在确保国家安全、外交利益的前提下，最大化挖掘卫星数据的使用价值，是需要思考的问题。本文提出的“变革卫星运控体制”建议，侧重提出“资源共享”的理念，让更多有需求的群体加入分发和使用卫星数据的行列。

实现全民共享卫星资源的卫星运控体制，可以从4个方面努力。

(1)明确政府与民众的卫星运控权限。在卫星成功发射之际，政府有关部门应依据卫星类型，将卫星数据分为非商业数据与商业数据。非商业数据只服务于政府、军队和行业用户，政府对其具有绝对的主导权，对其分发具有严格的管制权。商业数据的运控权限下放到市场，积极挖掘商业市场的潜在用户。

(2)完善体制政策，提供资质申请与资质鉴定双向渠道，保障卫星资源共享切实可行。卫星运营申请方要积极申请运营资质，合理合法使用卫星资源；同时，政府也要设立资质与运行情况评价机制，在保障国家安全、外交利益的基础上实现卫星资源利用最大化。

(3)建立市场需求与政府的对接渠道。通过及时获取市场对卫星的运控需求，适时调整卫星资源使用权限。这样既能充分利用卫星资源，又能保障政府与商业用户各自的利益。

(4)设置标准化的数据结构，建立数据共享平台与环境，便于卫星数据下载。对于获得使用权限的卫星数据，卫星运营方可自己建造地面设备系统，开发相关业务支撑系统。

完善地面运控体制，不仅为传统用户设计，还将数据服务向下游扩展，不断挖掘卫星数据应用潜力，进而提供更深层次的信息和更高层次的服务。

3.3 重视并突破微纳卫星离轨技术

卫星轨位资源日益稀缺，已经成为国际博弈和竞争的战略热点。卫星发射越来越多，太空环境日益拥挤，离轨技术是微纳卫星研制过程中必须努力解决的问题。目前，已有多项研究试图移除空间碎片[11-12]。充分考虑微纳卫星质量小、体积小的特点，通过安装微推装置或利用太阳帆等离轨，保障微纳卫星寿命终结时能及时空出可用轨道。

4 结束语

微纳卫星配置有标准化接口、模块化组件与通用化平台，具有质量小、体积小、研制成本低、研制周期短等特点，其应用领域不断延伸，市场需求增长快速。微纳卫星产业的市场化、开放式、融合式发展是大势所趋。这不仅需要人才、技术、生产等产业链的组合支撑，也需要配套设施与产业模式的不断创新。未来，微纳卫星将具有更低成本、可维修、可升级、可扩展的特点，随着微系统、互联网等技术的发展，微纳卫星商业模式不断突破，微纳卫星必将得到更广泛的应用。