测绘动态▏国内现代小卫星发展状况及其展望

组稿/溪流

　　根据卫星的质量，通常将小于1000公斤的卫星称为广义的小卫星，其中，将500～1000公斤的卫星称为小卫星，100～500公斤的卫星称为微小卫星，10～100公斤的称为显微卫星，小于10公斤的称为纳米卫星。

　　20世纪50年代以来，空间技术不断发展，人造地球卫星根据应用领域，发展形成了通信、气象、导航、资源环境、军事侦察、科学研究等系列，并向高性能、高集成方向发展。随着卫星技术与应用的不断发展，人们在要求降低卫星成本、减小风险的同时，迫切需要加快卫星开发研制周期。特别是单一任务的专用卫星，以及卫星组网，更需要投资小、见效快的卫星技术。小卫星技术因此应运而生，对于测绘科学而言，现代小卫星技术的发展，可满足人们对地球遥感信息的获取能力。

　　随着科学技术的发展，现代小卫星的优势越来越明显，一方面，以美国、欧盟为首的航天大国已经将现代小卫星技术列为航天技术发展中的重点领域之一；另一方面，随着军事航天的发展，航天装备正在加速转型，即由原来的空间支援与力量增强，转为空间控制与力量运用，现代小卫星已经成为军事强国发展的战略重点。

一国内现代小卫星研制的发展历程

　　⒈ 国内现代小卫星的研制起步　　由于小卫星具有功能密度高、灵活性强、研制周期短、开发成本低等优势，已成为当前全球空间技术领域的三大研究热点与发展前沿之一，尤其是以编队或星座方式协同飞行的小卫星星座更是受到全球宇航界的青睐。以陈芳允院士于1992年提出对地观测小卫星7星星座和1994年提出全球移动卫星信息系统(GMSIS)的建设设想为重要标志，国内现代小卫星的研究工作于1990年代初开始起步，1999年5月10日我国首颗现代小卫星实践五号成功发射。与国外相比，总体上我国现代小卫星研制的起步时间要滞后约15年。细分领域中，国内在皮星/纳星(1～10kg)领域的研发起步较晚，相关研发工作开展于2000年前后。首颗纳星清华“纳星一号”2004年4月18日成功发射，首颗皮星浙大“皮星一号”2007年5月25发射升空。1990年代中后期起国内开展对微小卫星(≤100kg)的研究，首颗100kg以下的微小卫星“创新一号”于2003年10月21日发射成功。　　⒉ 国内现代小卫星研制领域发展历程回顾　　虽然起步落后，但是此后发展的速度、应用水平提升的势头却非常迅猛。1990年代以来，小卫星及其关键技术研究先后被列入国家“九·五”、“十·五”计划、高技术研究发展计划(“863-2”计划)和重点基础研究发展规划(“973”计划)的重点攻关课题。历经十几年的发展，我国在微小/小卫星研制领域取得了长足的进步。“十·五”计划开始，国内每年都有微小/小卫星产品投入发射、交付，且发射数量呈逐年快速递增之势。从实践五号成功发射至2011年底，国内共有10家厂商/机构研制发射了45颗各类微小/小卫星(并从英国SSTL公司进口了2颗)，占同期国内研制发射航天器总量(117颗/艘)的38.46%。　　国内小卫星研制领域当前年均在研型号项目超过30个、发射交付量5～6颗，每年研发与采购的市场规模在25亿元左右，在航天器制造业年产值中占比约20%。细分领域中，皮星/纳星(1～10kg)和微小卫星(≤100kg)研制领域由于进入技术门槛低、研制费用低廉，特别适合于科学试验、技术演示验证、教学科研等飞行任务，是高等院校、科研院所等科研机构开展空间技术研发适宜的切入点，近来呈现出蓬勃的发展势头。经历过去两个五年计划期间的快速发展，国内小卫星研制领域当前正处于由“试验应用型”向“业务服务型”转变的阶段，以航天东方红卫星有限公司为首的国内厂商的研产模式已由单星研制向“多品种、小批量”研制发射转变，产品系列化、型谱化工作取得明显进展，产品种类逐步齐全。　　“十一·五”期间，北京空间机电研究所、中科院长春光机所、西安光机所等国内科研单位在星载三反光学系统研制技术上纷纷取得突破，将我国遥感小卫星的对地观测分辨率由5米迅速提升至亚米级。2007年搭载了我国首台三反式TDICCD航天遥感相机的“遥感卫星二号”成功发射。

二国内小卫星在应用领域的发展现状

　　技术进步推动的性能提升、功能完善令小卫星应用的触角几乎已经延伸到了所有传统大中型卫星所涵盖的领域，但当前仍更偏重于技术演示验证、空间探测、空间科学研究等方面。全球范围内，小卫星在应用市场总体规模、发展的商业化/产业化程度上尚无法与卫星应用市场整体相提并论。国内在卫星应用市场的产业化程度、成熟度远逊于国外水平的情况下，小卫星应用的发展状况更是如此，当前有限的应用主要集中于政府部门。　　⒈ 在遥感测绘领域的应用现状　　利用现代小卫星技术获取的对地观测资料，通过影像处理分析和编绘成图，制作成多种测绘数字产品，在资源开发与利用、地质矿产资源调查、国土普查、城市规划、环境保护、海岸带监测等领域有着重要的使用价值，同时遥感小卫星也为数字地球战略的实施提供不可或缺的重要数据源。　　作为国内最早实用化和当前最主要的细分应用领域，微小/小卫星遥感在军事领域已得到规模化应用。而由于国内还没有真正意义上的自主商用遥感卫星，以“北京一号”、“环境一号A/B星”、“天绘一号01/02星”、“遥感卫星二号”等小卫星为数据源的民用遥感数据市场的产业化、商业化应用尚处于起步阶段，国产遥感卫星数据供应商仅有北京宇视蓝图、广东精一规划信息科技等寥寥几家。　　民用和商业卫星遥感影像市场上，国产卫星数据在中低分辨率遥感影像产品上具有较高的性价比，而北京同天视地、北京视宝、国遥新天地等公司代理的IKONOS、COSMO-SkyMed、Pleiades 1A、Spot6、EROS-B、OrbView-3等国外商业卫星数据在高分辨率卫星遥感数据市场上拥有绝对垄断地位。　　⒉ 关键研制技术取得飞速进展　　作为整星研发的技术里程碑式事件，1999年5月10日成功发射的实践五号是国内首颗采用公用平台技术的现代小卫星；2004年4月18日成功发射“试验卫星一号”在国际上首次实现了基于卫星平台的三线阵CCD立体影像航天摄影测量技术；2012年5月10日成功发射的“天拓一号”是全球首颗将将电源控制、星务管理、姿态确定与控制和测控数传等核心功能部件全部集成在单块电路板上的单板纳星。　　目前，宇航级元器件和部组件产品尚未实现全部国产化，国内航天器研制所采用的宇航级微电子元器件还是主要依赖进口。当前进口元器件约占整星所用元器件数量的10%～20%，关键元器件的进口比例则高达70%以上。部组件产品仍需从德国进口星敏感器，从俄罗斯进口控制力矩陀螺、微波功率放大器，从加拿大/英国进口光学遥感器用CCD。　　近年来，国内科研单位在姿态敏感器、姿控执行机构、星载计算机等关键部组件上的国产化工作已取得明显进展。在元器件和部组件产品上，小卫星研制出于成本和研制周期控制的目的相比大中型卫星更多的采用工业级或商用级的COTS产品是国外业界通行的做法，特别是在皮星/纳星研制领域。　　近年来国内业界在星上元器件、部组件的小型化、低功耗，结构的轻量化方面取得明显进展，整星的有效载荷比由最初的20%提升至近70%。以国产产品为例，由航天科工卫星公司与清华大学共同研制的“纳星一号”采用了40％的商用器件，由国防科大研制的“天拓一号”单板纳星的元器件90%以上为工业级元器件。

三国内小卫星研制应用领域的发展趋势

　　当前，国内小卫星研制、应用总体上呈现出以下几个比较鲜明的发展趋势：　　⒈ 小卫星的应用范围全方位拓展　　目前，小卫星的发展已至第三阶段——推广应用阶段。近30年来，全球范围内小卫星在各领域的应用已全方位展开，包括遥感、通信、导航、技术演示验证、空间探测、空间科学研究等。与全球范围内的发展趋势相一致，截至2011年底，国内在轨运行小卫星的应用领域已涵盖了遥感、空间探测、技术试验、通信等多个方面。如：有用于对地观测的“海洋”系列、“环境”系列、“遥感”系列，用于空间探测和技术验证的“探测一号/二号”、“”探索一号/二号、“实践五号”、“实践六号”、“萤火一号”及用于低轨数据转发通信的“创新一号”和业余无线电通信的“希望一号”。不过，与国外相比，国内在小卫星商业化应用、下游用户构成的多元化方面仍有待进一步提高。尤其是在高分辨率对地遥感、低轨数据通信和移动通信等商业化应用领域差距明显，这些领域的应用一旦实现突破，将为国内小卫星研制领域带来更为广阔的市场成长空间。　　⒉ 编队飞行技术逐步进入实用化阶段　　技术推动与需求牵引共同促使小卫星应用呈现另一明显的趋势——小卫星星座和编队飞行技术。在微/小卫星技术、轨道控制技术、星间链路/组网通信技术、数据传输技术发展推动下，卫星编队飞行这一全新的航天器空间在轨运行模式概念于1990年代后期提出。由功能简单的多颗小卫星协同进行编队飞行所构成的分布式小卫星系统突破了传统单颗卫星的尺寸限制，能够最大限度地发挥小卫星自身的特点和优势、弥补不足。　　相比单颗大中型卫星，分布式小卫星系统具有更高的适应性、重构性、冗余性和系统自主性，更低的系统寿命周期费用，扩展了单星的应用模式、提升了空间应用系统的任务效能，可显著拓展测量基线、缩短成像重访时间、大幅提升时间分辨率，甚至可实现接近实时(时间分辨率为零)，从而解决了以往空间探测任务中存在的时间、空间分辨率难以两全的问题，满足了战场、灾情、洪水、火灾等对地观测领域的需求，在深空探测、科学试验、对地立体观测成像、移动通信、导航定位等领域有巨大的应用潜力。　　卫星编队飞行技术目前逐步从概念设计、方案论证的理论研究阶段进入到关键技术确认、飞行演示验证的应用阶段，全球范围内已有一些具有任务背景的空间应用项目提出。国内对该领域的研究始于2000年前后，由上海微小卫星工程中心研制、2008年成功发射的“伴星一号”可看作卫星编队飞行技术应用的初级阶段；而由航天东方红卫星研制、2010年成功发射的“遥感卫星九号”小卫星星座标志着国内卫星编队飞行技术研究进入飞行演示验证阶段，为今后卫星编队飞行技术发展提供了重要的在轨工程经验。预计到今年左右，国内外具有实际应用的任务型号将陆续发射，逐步进入比较成熟地业务应用阶段。　　一旦小卫星编队飞行技术步入实用化阶段，将显著拓展空间科学试验、对地观测、深空探测等小卫星现有应用并开拓电子侦察、区域间歇导航定位、地球同步轨道实时高分辨率光学成像等新的应用领域，为小卫星研制和应用开辟新的成长空间。　　⒊ 产业能级提升，小卫星产品系列化、型谱化发展　　2000年航天清华卫星技术有限公司和2001年航天东方红卫星有限公司相继组建成立揭开国内小卫星研制领域产业化发展的序幕。与国内航天工业总体发展趋势一致，随着产业能级的提升，“十一·五”计划期间小卫星研制领域也开始由以往的“试验应用型”向“业务服务型”转变。以航天东方红卫星所研制的国内首个小卫星星座“遥感卫星二号”系列代表，从“遥感卫星四号”(2008年发射)开始，国内微小/小卫星系列产品步入稳定的业务化运行阶段。与此相适应，行业研产模式由单星研制逐步向多品种、小批量研制发射转变。业务化服务能力的成熟、研产模式的转变对行业订单流的稳定、持续和产品毛利率的提升有明显助力。　　国内各研制单位即借鉴国际成熟经验普遍采用通用平台的设计方法，微小/小卫星研制呈系列化、型谱化的发展。目前为止，国内已基本形成可覆盖在1～1000kg量级的各类微小/小卫星产品。目前已开发出的典型产品系列包括：“海洋一号”、“实践六号A/B星”、“实践十一号”、“环境一号”、“创新一号”、“遥感卫星二号”和“遥感卫星九号”等，可满足高分辨率对地观测、空间探测、技术演示验证、低轨数据通信等多种军民用领域的需求。　　当前在研的CAST3000、CAST4000等新一代微小/小卫星通用平台将在姿轨控精度和轨道机动能力方面较前代产品有质的提升，显著缩小国内遥感小卫星平台产品与国外先进水平的差距，大幅增强国产小卫星产品国际市场的竞争力。

四国内微小/小卫星研制发展前景展望

　　外有国民经济持续快速发展的景气牵引，内有已渐成趋势性力量的行业成长驱动因素的助推，国内小卫星应用领域显示出旺盛的成长活力。在小卫星细分应用领域中，已得到规模化应用的军用遥感市场在国防预算支撑下继续保持旺盛需求，过去5年军用遥感小卫星发射数量年均增长超过50%。而尚处于起步阶段的民用遥感市场则显示出强劲增长的势头。　　国家重大科技专项高分辨率对地观测系统的建设和小卫星将驱动；在通信、导航领域的应用当前仅限于军用低轨存储转发通信，民用领域的应用尚未开展。未来低轨实时移动通信、等领域应用的拓展和“北斗”全球卫星导航系统建设的铺开，小卫星在通信、导航领域的应用将形成可观的成长潜力。行业发展趋势将推动微小/小卫星在国内研制发射的航天器总数中的占比将在现有38%的基础上以年均1%的速率继续稳步提升。　　细分领域中，以微机电(MEMS)和微光机电(MOEMS)技术为代表的微米/纳米技术的发展将持续推动卫星小型化的趋势，微小/小卫星的重量正从数百公斤向数十公斤乃至公斤级、公斤以下级的方向发展，微小卫星(≤100kg)、皮星/纳星(1～10kg)等各类小卫星逐级提升替换，皮星/纳星(1～10kg)、微小卫星(≤100kg)产业化、商业化应用将逐渐步向成熟，其市场应用价值的不断提升带动该类卫星具有更大的发展潜力。皮星/纳星(1～10kg)研制领域当前的市场规模虽然尚小，但拥有国内小卫星研制领域最具活力的成长力量，今后将会有越来越多的院校、科研机构跻身其中。　　项目经费预算有限，而发射成本相对较高，开发项目难以找到合适的搭载发射机会是该领域发展所面临的最主要制约因素；微小卫星(≤100kg)的市场应用逐渐步入成熟，应用领域将由当前的技术演示验证迅速扩展至空间探测、对地遥感、数据通信、军事气象等。产业化发展主体深圳航天东方红海特研产体系的建立将有效的激发、引领该领域成长潜力，当前在研的型号项目超过20个，今年前后将陆续投入发射交付；小卫星(100～1000kg)，小卫星系列型号转入稳定的业务化运行和进一步拓展高分辨率对地遥感、空间探测、空间科学试验等应用领域，市场稳定增长。　　近年来，全球卫星制造业年均产品交付量在120颗上下波动、行业产值始终徘徊在120亿美元左右。全球小卫星研制领域的表现多少受制于当前全球经济低迷状况的影响，近年来全球小卫星年均发射量约有50颗左右，在各类航天器发射总量中所占比重在40%左右波动，每年总的市场规模维持在20～30亿美元的规模。　　虽然有着国防预算和政府部门对空间领域经费投入紧缩的预期，但在商业卫星市场强劲表现的带动下，未来全球卫星制造业年均产品交付量、行业产值将呈稳健提升的势头。作为一种经济简便地进行空间开发的手段，有限的预算投入将驱使各国政府和军方更加关注小卫星在军民用空间项目中的应用，小卫星在卫星制造业整体中的占比有望稳中趋升。全球星(Globalstar)、轨道通信(Orbcomm)、铱星(Iridium)全球移动通信系统组网卫星更新换代工作启动，及民用/商用高分辨遥感卫星发射交付的持续增长都将成为全球小卫星研制领域近期发展的推进器。　　根据我国宇航产品已有的海外市场基础结合市场潜力分析，巴基斯坦、尼日利亚、委内瑞拉、白俄罗斯、阿塞拜疆、土库曼斯坦、南非、印度尼西亚、秘鲁、伊朗、土耳其、埃及、泰国等国家有望成为国产小卫星产品出口的目标市场。根据市场需求和国内产品竞争力现状，对地观测、空间探测和空间科学试验小卫星是最具潜力的出口产品。由航天东方红卫星研制的出口委内瑞拉的“委内瑞拉遥感卫星一号”(VRSS-1)于2012年9月29日发射成功，是继大型同步轨道通信卫星之后我国首次实现遥感卫星和小卫星整星的出口。

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