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小卫星技术和产业
摘 要：近年来,全球小卫星产业高速发展,其中以遥感和对地观测应用为主的50kg 以下微小卫星尤为迅速,中低轨小卫星宽带互联网也重新成为业界的研究热点.我国在小卫星领域具有较好的研发基础和技术积累,但在通信应用领域基本空白,与国外存在较大差距.本文对小卫星技术与产业发展进行深入研究,提出与之相适应的发展建议和监管建议.研究内容主要包括小卫星技术和产业发展现状与趋势、国内外小卫星技术与产业发展差距以及我国小卫星产业发展建议和监管建议.
关键词：小卫星；通信；技术与产业发展；发展建议
1 引言
根据卫星质量,通常将小于1000kg 的卫星称为广义的小卫星,500~1000kg 的称为小卫星,100~500kg 的称为微小卫星,10~100kg 的称为显微卫星,小于10kg的称为纳米卫星.与大卫星相比,小卫星具有先进、快速、低廉、可靠等特点.小卫星不只是简单意义上的质量轻,而是高度集成化技术和自动化技术的应用,伴随着计算机的迅速发展,逐步实现了星上控制与处理计算机小型化.通常,小卫星可在不到1 年内实现设计、制造、发射、在轨运行的全过程.发射一颗小卫星包括发射在内约3000 万人民币,不仅低廉,而且风险小,一般小卫星寿命在10 年以上.
2 国际小卫星技术和产业发展状况
2.1 小卫星产业发展现状
全球小卫星产业呈爆发式增长态势,50kg 以下微小卫星的发展尤为迅速.2013 年,全球共成功发射小卫星146 颗,相较2012 年同比增长148.28%；2014 年,全球共成功发射小卫星162 颗,相较2013 年同比增长22.7%；2015 年和2016 年,全球成功发射小卫星数量分别为149 颗和121 颗,相较2014 年连续2 年略有回落,但仍保持历史较高的发射水平.其中,50kg 以下微小卫星的发射数量连续5 年超过50%（见图1）.美国SpaceWorks 咨询公司曾预测,截至2020 年50kg 以下微小卫星的发射总量将在2000~2750颗之间.
立方体卫星有效促进了50kg 以下微小卫星产业的发展,质量为1kg、体积为10cm×10cm×10cm 的正立方体星,属于皮纳小卫星的一种.该种卫星采用标准化、模块化设计,研制成本低、周期短,深受业界欢迎.2003—2012 年,全球大约发射了300 颗立方体卫星；从2013 年起出现大幅增长并保持在历史较高水平,2013 年全球成功发射75 颗立方体卫星；2014 年,增长为103 颗；2015—2016 年始终保持发射数量在每年100 颗以上.
“一箭多星”发射技术是当前小卫星发射的主流方式,极大提高了小卫星低成本、大规模、批量化部署的能力,进一步推动了小卫星产业化发展.2013 年11月,美、俄相继完成了“一箭29 星”和“一箭32 星”发射；2014 年6 月,俄罗斯更是创造了“一箭37 星”的世界纪录；2017 年2 月,这一世界纪录被印度刷新为“一箭104 星”.
遥感和对地观测小卫星商业需求旺盛,也成为推动50kg 以下微小卫星迅速发展的主要动力.2013 年,成功发射的97 颗50kg 以下微小卫星中,商业用途的只占10 颗；2014 年,截至9 月发射的123 颗50kg 以下微小卫星中,商业用途的小卫星已经猛增至78 颗.其中,59%用于遥感和对地观测,32%用于技术研究和验证.
微小卫星的发展在业界备受重视,世界上有多个微小卫星星座计划正在部署实施.2015 年1 月,美国Spire 公司宣布构建由125 颗3U立方体卫星构成的商业气象卫星星座“狐猴”,以提高气象预报的准确性；2017 年2 月,印度使用“极轨卫星运载火箭”成功发射104 颗卫星,其中88 颗来自Planet Labs 公司,属于微小卫星中的立方星,该公司计划发射100 颗这样的卫星组成地球遥感卫星星座.太空市场咨询公司Euroconsult曾预测,截至2020 年预计将有约510 颗微小卫星发射升空.
2.2 小卫星产业发展分析
微小卫星标准化、低成本的特点使其有可能实现全球实时覆盖；立方体小卫星将是未来的技术发展趋势,强大的数据平台和数据处理方式是小卫星行业的价值所在.从小卫星的应用领域来看,对地观测卫星在整体发射数量回落的情况下仍保持增长,从2015 年的69 颗增至2016 年的77 颗,占小卫星总数的64%（见图2）.
从小卫星的资产属性来看,2016 年发射的军用、民用和商用小卫星分别占比总数的42%、49%和9%,在整体发射数量下降的情况下,民用、商用小卫星比例略有增加（见图3）.
微小卫星有望改变卫星产业格局,催生新的商业模式.如今,微小卫星商业运营公司越来越多,资产不到过去一颗卫星的公司亦具有发射卫星的能力.2013 年,美国Skybox 公司成功发射第一颗近地小卫星SkySat-1,可拍摄分辨率在1m左右的图片.2014年1 月,美国Planet Labs 公司发射了28 颗微型遥感卫星,组建了全世界最大的遥感卫星群Flock-1,截至2014 年底,卫星数量已超过70 颗.公司还计划在2016年实现每天更新一次全球影像数据的目标,用信箱大小的微小卫星改变整个遥感行业.美国BlackySkyGlobal 公司计划在2019 年打造一个由60 颗卫星组成的卫星星座,对主要城市拍摄分辨率在1m左右的影像,获取时间只需几个小时甚至更短.
遥测遥感的技术与商业模式已经较为成熟,除遥测遥感以外,通信小卫星中的宽带移动互联网领域也是小卫星未来发展的重点内容之一,目前正处于技术积累与商业运营的探索阶段.本文将对通信小卫星的技术与产业化情况进行深入分析.
3 全球通信小卫星技术与产业发展
3.1 通信小卫星应用
通信小卫星之前多用于构建窄带低轨卫星移动通信系统,以提供个人话音、低速数据或M2M业务.世界各国和组织分别构建了不同类型的卫星移动通信系统,典型代表有海事卫星、铱星、全球星、Orbcomm 等,表1为目前已经商用的卫星通信系统参数对比.
近年来,通信小卫星逐渐向宽带方向发展,用于构建宽带低轨卫星移动通信系统和宽带中低轨卫星固定通信系统,以提供宽带互联网服务.
2007 年,O3b 公司提出为贫困偏远地区30 亿人提供宽带连接的口号,O3b 系统为中轨Ka宽带卫星固定通信系统,可提供高达12Gbit/s 速率的宽带互联网传输服务；铱星公司也在2007 年启动了“铱星二代”计划,新系统新增Ka 频段为终端提供最高8Mbit/s 速率的卫星固定通信业务.2014 年,OneWeb 公司宣布将利用约648 颗Ku、Ka低轨小卫星构建宽带卫星固定通信系统,为终端提供宽带互联网接入服务,传输速率可高达8Gbit/s；同一年,SpaceX 公司宣布将利用约700 颗低轨小卫星来提供宽带互联网接入服务.2015 年9月,SpaceX 公司总裁向美国联邦通信委员会申请发射4000颗低轨小卫星.
随着互联网和移动互联网应用的全球普及,偏远地区、海上轮船、空中航班对宽带数据的需求不断增长；谷歌、Facebook 等大型互联网厂商用户增长速度逐年放慢,需进一步拓展用户规模；随着卫星平台技术的发展,单位重量卫星可提供的射频功率不断提高,有效降低了每比特数据成本.这些都促使卫星宽带互联网服务在近几年快速发展的原因.
3.2 通信小卫星发展趋势
中低轨小卫星通信系统在用户体验方面具有显著优势,但在现有卫星通信市场上,同步轨道宽带卫星通信系统仍占主导地位.原因在于,中低轨小卫星通信系统明显存在技术和实施难度大、部署成本高、单星容量远低于同步轨道卫星通信系统等几方面的不足.
在卫星移动通信市场中,铱星、全球星、Orbcomm三大低轨卫星移动通信运营商份额之和仅占40%左右,而最大的同步轨道卫星移动通信运营商海事卫星的市场份额可达52%.在卫星固定通信市场中,几乎全部被同步轨道系统占据,O3b 是目前全球唯一一家商用中低轨卫星固定通信系统.
近几年发展迅速的50kg 以下微小卫星用于话音、互联网接入业务仍面临诸多挑战,但将成为促进M2M小卫星通信发展的重要推动力.卫星M2M业务被广泛应用于全球物流跟踪、海洋探测、环境监测、野外数据采集、油气管网监测等领域.2008 年,M2M卫星移动通信系统Orbcomm 启动了第二代系统的设计和研发工作,铱星、全球星等低轨移动通信系统也均提供M2M业务.
4 我国通信小卫星技术与产业发展状况
4.1 我国小卫星现状概述
2014 年11 月,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；2015 年10 月,国防科工局会同有关部门研究编制了《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015年~2025 年）》.规划中明确提出要在“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.
中国小卫星产业经过多年的发展,已具备较好的研发基础和技术积累,在市场驱动和国家政策的引导下,很多企业和组织已经发布了各自的小卫星星座计划.
航天科技计划在2022 年前后建成“16+4+4+X”商业遥感卫星系统；2015 年10 月,航天科工启动“福星计划”,计划用156 颗卫星构建一个地轨通信卫星星座,形成可覆盖全球的天基互联网；北京信威集团公司计划在2019 年初步建成自主可控、可持续发展的星座通信系统,可覆盖全球除南北极之外的任何角落.
目前,美国的卫星需求量占据世界市场份额较大,其绝大部分卫星制造发射由美国国内企业完成.虽然中国卫星制造已居全球第二,与美国仍有一定差距.但中国高端遥感卫星已可整星出口,实现零突破.中国卫星不断突破创新,出口量逐年扩大.国家正在开放卫星市场,国内空间基础建设和国外市场需求为小卫星产业带来了大量的机遇.
4.2 我国通信小卫星产业分析
目前,我国小卫星主要用于满足政府需求,供测绘、农业、海洋、气象等主管部门使用,包括“遥感”、“实践”、“环境”、“探测”、“海洋”、“风云”等系列卫星,商业应用严重不足.根据国务院60 号文件指示,2015 年10月,“吉林一号”在酒泉成功发射,这是我国自主研发的第一个商用遥感卫星星座,预计到2020 年前将部署60颗吉林号卫星.未来,我国商业小卫星将逐渐增多.
过去十几年里,我国小卫星主要用于遥感、气象、空间科学探测等领域,通信小卫星应用基本空白,与国外存在较大差距.
●在卫星移动通信领域
2014 年9 月,清华大学和信威通信联合研制的灵巧通信卫星成功发射,这是国内第一颗低轨通讯卫星,迈出我国低轨卫星移动通信的第一步；2016 年8 月,天通一号01 星在西昌成功发射,这是我国卫星移动通信系统的首发星,填补了中国在卫星移动通信领域的空白,具有重要的里程碑意义.
●在卫星固定通信领域
2017 年4 月,我国首颗高通量通信卫星“实践十三号”在西昌成功发射,这是我国迄今通信容量最大的宽带卫星,填补了我国在自主通信卫星宽带应用领域的空白,开启了中国卫星通信的高通量时代.
5 我国小卫星产业发展建议
（1）整合产学研用资源,持续推动50kg 以下微小卫星尤其是皮纳小卫星的研发工作
一方面,持续推动微小卫星尤其是皮纳小卫星前沿技术的研究,开展多应用领域技术验证,促进微小卫星技术创新；鼓励高校和科研机构联合制定我国皮纳小卫星设计开放标准,搭建科研、产业桥梁.
另一方面,以应用需求为导向,民间资本和政府资助相结合,凝聚产业上下游资源,开展商业微小卫星研发联合攻关,共同推动我国商业微小卫星技术、标准、产业和应用发展.
（2）加快引导民间资本,推动遥感和对地观测小卫星商业化应用
建议根据国务院60 号文件指示,完善民用遥感和对地观测小卫星应用政策,明确主管部门,引导民间资本.加强小卫星产业、行业应用部门以及互联网、移动互联网等产业间的沟通互动,引导和对接商业遥感需求.建立孵化机制,鼓励更多初创公司加入商业遥感和对地观测小卫星应用产业.
（3）加强皮纳小卫星频率轨位研究工作
频率轨位是卫星网络部署的基石,国际电信联盟（ITU）正在进行的皮纳小卫星频率监管规则研究将对未来皮纳小卫星的商业化应用产生显著影响.
我国尚未在ITU 申报过任何皮纳小卫星网络资料,对目前ITU 处理皮纳小卫星网络资料的流程还无法明确剖析.我国应密切跟踪和关注ITU 小卫星频率轨位的研究工作,研判产业影响,促进我国小卫星产业有序健康发展.
（4）密切跟踪中低轨小卫星宽带互联网进展,加强监管措施研究
卫星通信由于其天然的跨国界特性,监管难度较大,易对我国信息安全构成显著威胁,应加大对中低轨小卫星宽带互联网的关注力度,积极研究应对措施,加强监管力度,确保我国网络安全与信息安全.
（5）积极开展中低轨宽带小卫星通信系统技术研究,必要时开展自主可控系统建设和部署
中低轨宽带小卫星通信系统技术难度高、涉及范围广,需统筹多方资源,联合全产业链条共同实施,突破空天信息技术壁垒,促进产业升级换代.
但同时,中低轨宽带小卫星通信系统也面临投资成本高、研制周期长、预期收益不明确等风险.建议可先期开展关键技术研究,建设试验系统,加强技术储备；在国家统筹考虑认为必要时,可通过政府投资和民间投资相结合的方式共同开展系统建设和部署.
6 结束语
现代小型卫星的快速发展代表了一种新趋势、新设计思想,采用成熟技术和模块化、标准化的硬件,并着重提高小卫星的功能密度.创新概念正在向创新应用转化,与大卫星互为补充,综合形成完整的空间体系.
国外在小卫星领域已经比较完善,其研发模式及动态对我国制定小卫星发展规划具有重要的借鉴意义.在聚焦国外最新研究成果的同时,更应重视持续跟进国外小卫星的研发动态.小卫星的普及化、商业化以及市场争夺已成不可阻挡之势,我国虽已多方位开展通信小卫星网络建设规划,但距离构建成熟的通信小卫星商用系统仍有较长的路要走.
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（收稿日期：2017-08-30）
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