“长征”系列火箭发射国际低轨卫星星座的思考

来源：钱学森智库

本文刊登于《航天工业管理》杂志2020年第3期

在高轨卫星市场日渐饱和的今天，中低轨小卫星星座已成为航天产业发展的新增长点。自1997 年起，美国铱星公司发射了66 颗用于手机全球通信的人造卫星，成为 20 年前最著名的卫星星座之一。近年来，随着卫星通量及制造技术的大幅提升，使用众多中低轨道卫星实现通信、对地观测的公司日渐火爆。中低轨卫星星座因其距离地面近、通信延时小的特点，可以在机载互联网、发展中国家互联网接入、灾害检测等多方面发挥独特作用，也催生了国际上一大批低轨卫星星座服务供应商。

一、国际低轨卫星星座布局情况
卫星星座是指由一系列绕地小型卫星组成的、以实现特定应用为目的的卫星群，国际上通常将质量小于 500kg 的卫星称为小卫星。与传统的同步轨道卫星相比，组建星座的小卫星通常在中低地轨道（LEO、MEO）绕地球飞行，在卫星之间、星地之间形成通信网络。根据德国宇航研究院（DLR）的文献资料，在 2017年全球发射（含失败）的 452 颗卫星中，质量在 500kg 以下的占73%，其中以通信、遥感为应用背景的低轨星座发射为主。2017年全球发射卫星数量分布如图 1所示。

图1 2017年全球发射卫星数量分布

目前，业界对低轨星座的增长态势同样持积极态度，如欧洲咨询公司（Euroconsult）预计，在2018—2027 年将有超过 7000 颗卫星需要发射，是前 10 年实际发射数量（1200 颗左右）的近 6 倍，相当于 157 亿美元的产值。按照应用类别分类，这些星座中 50%为通信星座，20% 为对地观测星座，剩余 30% 涉及物联网、机械通信、自动辨识系统等工业信息技术应用。

1．通信卫星星座

美国一网公司（Oneweb）和太空探索技术公司（SpaceX） 的 2 个大型通信卫星星座共计划发射至少 3200 颗卫星，占据通信卫星总数的 90%，国际四大通信卫星运营商也纷纷布局低轨卫星通信星座。

Oneweb 公司的星座计划。Oneweb 公司是 2012 年创立的全球通信公司，其卫星星座计划由 650 多颗低地轨道卫星组成，最终实现全球无缝接入互联网，大幅降低网络信号延迟的愿 景。星 座 1 代将包含 648 颗卫 星， 每 颗 质 量 约 150kg ；星座 2 代将多达 2000 颗卫星。该公司已于 2019 年 2 月 27 日成功发射了 6 颗宽带卫星，2020 年底前还将依托欧洲阿里安航天公司（Arianespace），使用“联盟”号火箭发射 20 次，每次至少将34~36 颗卫星发射到 500km 轨道高度，最终达到客户演示服务所需的超过 648 颗卫星，在 2021—2022 年提供完整的全球商业覆盖。Oneweb 公司的星座计划概念如图 2 所示，已执行任务及未来任务规划见表 1。

图2 Oneweb公司星座计划概念图

表1 Oneweb公司已执行任务及未来任务规划

SpaceX 公司的星链计划。星链计划是 SpaceX 公司在 2015年提出的天基互联网通信计划，计划在 2020 年开始商业化运营。该计划与 Oneweb 公司的主营业务互为竞争关系，但卫星数量更大。SpaceX 公司总裁马斯克称，将用 12000 颗卫星为全球人类提供颠覆性卫星通信业务。按照计划，初期的 400 颗卫星部署后，SpaceX 公司即可开始提供服务，在 2021 年部署完 800 颗卫星后可满足北美地区的天基互联网需求。当超过 4000 颗卫星被成功部署后，剩余的 7518 颗卫星会被陆续发射至 340km 高的超低轨道，以完成在全球空间无死 角 Wi-Fi 覆盖。目前，已经发射的卫星包括 2 颗试验星及60 颗卫星，分别在 2018 年 3 月 和 2019 年 5 月由“猎鹰”9 号运载火箭发射。首批 60 颗卫星采用批量生产，质量为 227kg，后续发射的卫星质量为 386kg。SpaceX 公司已执行任务及未来任务规划见表 2。

表2 SpaceX公司已执行任务及未来任务规划

四大通信卫星运营商对低轨卫星星座的布局调整。传统的通信卫星运营商对于新兴通信模式变化带来的布局和调整，必将影响整个通信行业未来的发展。国际电信公司（Intelsat）将与 Oneweb 公司联合提供一体化通信服务解决方案；欧洲通信卫星公司（Eutelsat）计划发射低轨物联网星座；欧洲卫星公司（ESE）收购了 O3b 公司，成为全球首个拥有 GEO+MEO系统的运营商；加拿大通信卫星公司（Telesat）成功部署了自主低轨星座首颗试验星。

2．遥感、对地观测卫星星座

在遥感、对地观测卫星星座方面，各个公司的星座计划较为分 散， 通 常 在 100~300 颗卫星之内，主要包括 Planet、Spire、Blacksky、Satellogic 等公司，星座卫星质量也较小，如 Planet 和Spire 公司的星座为立方星。

Planet 公司的星云计划。Planet 公司的主营业务为对地观测服务，2017 年收购了 Skybox Imaging 公 司，合并后公司的卫星星座由 Skybox 和 Dove 组成。合并之前，Skybox Imaging公司和 Planet 公司都在开发具备一定对地观测能力的微型遥感卫星，Skybox Imaging 公 司的星座计划是发射 12~24 颗SkySat 卫星，而 Planet 公司的星座计划是发射几百颗 Dove 卫星来获取稳定的地球表面图像。这 2 家公司开发的卫星类型并不相同，Skybox 的卫星质量为120kg，拥有更高分辨率（1m），而 Planet 的卫星则是 3U 立 方体小卫星，分辨率一般（3~5m），但数量非常多。Skybox 目前共发射了 7 颗高分辨率卫星，而Planet 已经在轨 207 颗，Planet公司的 Dove 星座是目前世界上最大的遥感星座，每天可以重访任意地点 2 次。Skybox 发射 的 7 颗高分辨率 SkySat 卫星与 Planet 原有的中分辨率卫星合作，为 Planet 的对地观测业务带来独特而有价值的影像。Planet 和 Skybox Imaging 公司已执行任务及未来任务规划见表 3。表3 Planet和Skybox Imaging公司

已执行任务及未来任务规划

Spire 公司的 Lemur 星座。Spire 公司是一家小型卫星技术方案公司，其卫星可跟踪船只和飞机，并收集大气数据以预测天气。2015 年开始发射组建遥感卫星星座，星座由 125 颗 3U立方星组成，单星质量约 4kg。Lemur-2 通过搭载“天鹅座”货运飞船、 H-2 运载火箭和 PSLVXL 运 载 火 箭 发 射， 目 前 该 系列卫星已经成功发射了 28 颗。Spire 公司已执行任务及未来任务规划见表 4。

表4 Spire公司已执行任务及未来任务规划

Blacksky 公司的卫星星座。Blacksky 公司的主要业务为对地观测，其客户之一为美国情报部门。从 2016 年开始，已经发射 3 颗卫星，拟组建一个由 60 颗卫星构成的星座。星座可实现在一些主要城市上空重复拍摄 40~70 次，将影像获取时间缩短至几个小时甚至更短。由于成像条件有限和优先级别约束，传统公司获取商业卫星影像的周期一般为几周或几天，而 BlackSky 可以将这一时间缩短至 90 分钟。Blacksky 公司已执行任务及未来任务规划见表 5。

表5 Blacksky公司已执行任务及未来任务规划

Satellogic 公司的卫星星座。Satellogic 公司于 2010 年 成 立，总部位于阿根廷，主营业务为地面观测。该公司在北京设立了分部，专注于星座定制、数据服务及行业应用等业务，公司部署的对地观测卫星星座中每个卫星约45kg，可提供 1m 精度的商用对地观测服务。2019 年，Satellogic公司与中国长城工业集团有限公司签署协定，采用多发整箭发射的形式用“长征”六号或者“长征”二号丁火箭发射 6 次共计 90颗卫星。Satellogic 公司已执行任务及未来任务规划见表 6。

表6 Satellogic公司已执行任务及未来任务规划

3．物联网卫星星座

在物联网领域，同样有众多星座计划，大多为商业初创公司 推 出， 如 Kepler、Astrocast、Hiber 等公司。

Kepler 公司的星座计划。Kepler通信公司是一家位于加拿大的初创企业，2015 年由多伦多大学的 4名学生创立。该公司打算运营由多达 140 颗卫星组成的星座，用于地面上的宽带通信和物联网连接，公司迄今已融资 2100 万美元。目前，已有 2 颗技术验证星发射入轨，分别由“长征”十一号和印度 PSLV火箭发射。按计划，2019 年底至2022 年将完成 140 颗星云的发射组网。Kepler 公司已执行任务及未来任务规划见表 7。

表7 Kepler公司已执行任务及未来任务规划

Astrocast 公司的星座计划。Astrocast 是一家位于瑞士的初创企业，成立于 2014 年，主营业务为商业物联网，希望在 2023 年前建立一个由 64 颗纳米卫星组建的星座，提供价格合理的全球物联网连接。该星座有 8 个 LEO 平面，每个平面由 8 颗卫星组成。卫星物联网络采用 S 和 L 波段，适用于远程监视和控制，并可无线升级卫星通信网络。该公司与空中客车公司合作设计了一种比信用卡还小的通信模块。截至2019 年，该公司发射了 2 颗相同的星座试验星，分别由“猎鹰”9 号和 PSLV 火箭发射。星座组网从 2020 年开始，公司预订了若干欧洲火箭开展卫星发射。Astrocast 公司已执行任务及未来任务规划见表 8。

表8 Astrocast公司已执行任务及未来任务规划

Hiber 公司的卫星星座。Hiber公司是一家 2016 年成立于荷兰初创企业，主营业务是纳米卫星构建物联网络连接。卫星星座目前计划为 36 颗 LEO 卫星，但未来随着客户市场的增加，可能增加到 60~80 颗。公司已有2 颗卫星分别由“猎鹰”9 号和PSLV 发射，是荷兰首次发射的商业卫星。Hiber 公司已执行任务及未来任务规划见表 9。

表9 Hiber公司已执行任务及未来任务规划

二、“长征”系列火箭进入低轨卫星市场的建议

在政府大力推行航天强国、军民融合、央企“走出去”的大背景下，中国航天科技集团有限公司作为我国科技建设的中坚力量，有责任也有义务积极参与国际航天发射活动。依托中国航天60 多年雄厚的技术与管理优势，“长征”系列运载火箭有望在日益蓬勃发展的国际低轨卫星星座发射市场抢占先机。

1．拥抱变化，积极抢占星座市场

当前，国际关系日趋复杂，单边主义、贸易保护主义盛行，给航天国际合作带来了较大挑战。低轨卫星星座计划主要为欧美公司发起，美国使用国际武器贸易条例（ITAR）将“长征”火箭排除在国际商业发射服务市场之外。在此背景下，我国的运载火箭国际发射业务长期面临不公平的竞争局面。

市场需求方面，卫星星座公司多为商业资本扶持，各个星座主营业务的性质和领域实质上重合度较高，基本集中在对地观测、互联网、物联网等领域，未来随着一些星座率先盈利占领市场，其他相同领域的公司可能面临退出或被收购的状态，使得发射服务需求端出现较大变数。事实上，对于众多初创公司而言，项目融资、型号研制、发射组网计划的推迟时有发生。

市场竞争方面，目前国际国内均出现众多小运载火箭初创公司，同时众多主流运载火箭也紧盯低轨卫星发射业务，如美国火箭实验室公司（Rocket Lab）已于2018 年 11 月 10 日进行“电子”号小型运载火箭的首飞，2019 年以来已完成 4 次入轨卫星发射任务。2019 年，欧空局重点推出新的“织女”号小型航天器任务服务模式，进军卫星星座发射市场，该型火箭在欧洲卫星发射市场是一个较有竞争力的选择。SpaceX 公司主营火箭业务，采用自家火箭发射可以达到最低成本，所以星链计划使用其他火箭发射的可能性不大。在国际卫星星座发射市场中，“猎鹰”9 号一直有着不俗的表现。

因此，我国的国际宇航出口部门必须积极参与国际小卫星会议、巴黎卫星周等多边场合活动，及时了解并动态更新卫星发射计划，及时研判竞争态势，主动争取商业机会，继续强化市场为导向的国际宇航发射服务能力。

2．面向未来，推广运载火箭海上发射能力

运载火箭海上发射具有发射点位选取灵活、受地域限制因素小等特点，打破了发射场的地理位置限制，大大提升了运载火箭的任务适用性。统计表明，世界范围内约有 40 亿人生活在0º~15º 的低纬度地区，这些地区都是低倾角卫星星座服务的重要对象。此外，全球部分重要的海运通道及航线也处于上述地区，低倾角卫星星座可以通过一定数量的卫星快速覆盖热点地区，提供通信、遥感等相关服务，未来一定会有可观的服务市场。伴随上述能力的形成，以运载火箭海上发射的方式建设低倾角卫星星座，充分发挥运载火箭海上发射的灵活性，将是这些星座能够快速实现部署的“利器”。

2019 年 6 月，我国首个海上发射运载火箭“长征”十一号取得成功，并开始向国内外市场提供发射服务。以海上发射技术为基础，“长征”系列火箭逐步具备全球海域发射能力有望成为可能，“长征”火箭商业发射服务不再局限于中国境内的陆地发射场，为未来开展“送发射上门”等新模式奠定了基础，必将为更多国际用户提供多样的服务，助力中国航天走出国门、更好地服务于国际市场。

3．坚定信心，开拓“长征”品牌新格局

截至 2019 年 11 月，“长征”系列运载火箭已经发射了近 330次。经过几代国人的不懈努力，我国运载火箭的运载能力、发射频度、成功率、入轨精度和任务适应能力均已达到世界一流水平，成为国际高科技产业具有自主知识产权的品牌。因此，应充分宣传“长征”系列运载火箭的品牌优势，对于有志开拓中国市场的国际小卫星企业而言，使用中国火箭发射可为他们带来更多的合作经验及市场优势。同时，宣介中国航天国家队特有的质量文化及高成功率、高发射数量，可树立用户信心，避免使我方进入被动的价格战。

应对风云变化的低轨卫星星座市场，还应从卫星公司的市场发展规律出发，提出“长征”系列火箭进入市场的建议。2019年前，各个卫星星座大多以技术验证为主，以小火箭独享发射或者大火箭搭载发射为主要合作模式；2023 年前，国际上大部分的星座计划均将完成星座组网，这一阶段以迅速形成能力为主要的需求，很有可能采用少量火箭成批多星发射，进一步降低成本，可使用“长征”二号丙、“长征”八号等火箭承担上述任务，对于极轨卫星，可使用“长征”十一号、“捷龙”一号、“长征”二号丙等火箭完成少量卫星的独享或搭载发射；2023 年后，各类星座可能出现补网发射需求，这一阶段以发射周期快、入轨精度高的微小火箭单独发射或大火箭多星发射为可能的市场需求。

“长征”系列火箭的众多型号均可在技术上实施低轨小卫星星座发射任务，可采用独享或者搭载发射的方式争取卫星星座发射市场。因此，我国国际商业发射部门应采用灵活多变的方式，提供发射准备时间短且有价格竞争力的服务，希望未来将有更多的国际低轨卫星星座选择“长征”火箭。

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