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微小卫星应用潜力不断被挖掘卫星互联网建设成为产业焦点

2025-08-04 

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  千克以下的人造卫星统称为“微小卫星”。微小卫星又可进一步细分为:“小卫星”(

  微小卫星具备研制周期短、研制发射成本低、发射方式灵活等突出优点。一方面,微小卫星因其成本低、开发时间短,具有很高的风险承受能力,特别适合用于新技术的开发和试验。另一方面,尤其是近年来,得益于微电子技术的进步、轻型材料的研制以及高功率太阳能电池的出现,小卫星得以迅速发展,被广泛应用于全球民用通信、遥感气象、地球科学、空间科学、行星探测、技术验证等领域,自20世纪80年代中期以来受到越来越多国家的重视。

  近年来,国外一些发达国家,尤其是美国,非常重视中低轨小卫星的发射和应用。美国国家航空航天局(NASA)近年来主导了多项小卫星地球观测项目。从2016年开始,NASA研发的小卫星地球观测项目使用最新技术对飓风、能量平衡、气溶胶等进行观测。例如,“垂直排列碳纳米管辐射计”可以探测地球能量平衡的微小变化,对深入理解温室气体对气候变化的影响具有关键作用;2017年被送往国际空间站的两颗微小卫星“IceCube”和“HARP”可分别对云层中的冰粒和气溶胶进行观测;由8颗小卫星组成的“飓风全球导航卫星系统(CYGNSS)”,利用海面反射的GPS卫星信号观测海面空气变化,对飓风进行观测;由12颗小卫星组成的TROPICS卫星群,利用辐射计精准地观测飓风内部的温度及湿度变化;“RainCube”(雨立方体卫星)首次利用6U小卫星装载降水雷达,实现云和降水天基观测。

微小卫星应用潜力不断被挖掘卫星互联网建设成为产业焦点(图1)

  为满足全球不断增长的卫星宽带接入需求,全球多家企业纷纷开始打造非静止轨道卫星星座,提供全球宽带互联网接入服务。这些企业中既有波音、O3b、Telesat、ViaSat等老牌企业,也有SpaceX、OneWeb、Audacy、Karousel、Kepler和Theia等初创公司。其中,SpaceX的和太空“星链”计划和OneWeb公司的低轨卫星互联网星座计划,更是将微小卫星的产业热度推向了高潮。

  SpaceX于2015年公布“星链”星座计划,用以构建新一代太空通信网络,计划利用卫星取代传统的地面通信设施,致力于为全世界尤其是偏远的地区提供低时延的低地球轨道卫星宽带互联网服务。整个星座采用先实现美国本土全境覆盖、后完成全球覆盖的建设思路,将分三个阶段构建:

  一、初步覆盖。第一阶段用部署于24个550千米、倾角53°的轨道面上的1584颗Ka/Ku频段卫星完成初步覆盖,每个轨道面66颗卫星,星座容量约30太比特/秒、时延15毫秒、可为每个终端提供最高1吉比特/秒的数据传输速率,预计部署400颗卫星后开始出售初期服务,2020年~2021年部署完800颗后可满足美国、加拿大和波多黎各等国天基互联网需求。业务卫星单星收拢尺寸4.0米×1.8米×1.2米,质量386千克,设计寿命5年,星下点覆盖范围半径1060千米、容量17~23吉比特/秒。

  二、全球组网。第二阶段由部署于1110千米、1130千米、1275千米和1325千米等4种不同轨道高度的2825颗Ka/Ku频段卫星完成全球组网,其轨道面个数分别为32、8、5和6,各轨道面部署50~75颗卫星不等,预计2024年左右完成部署。

  三、能力增强。第三阶段由部署在335~345千米轨道高度的7518颗V频段卫星组成轨道更低的低轨星座,增加星座容量。V频段的星座将利用目前卫星通信很少采用的37吉赫~50吉赫范围内的频谱,与前两个阶段的Ka/Ku频段星座共同为用户提供通信速率更快、时延更低的宽带卫星通信服务。

  2017年~2018年,“星链”星座的所有发展计划均已得到美国联邦通信委员会的批准,获得了在美国的落地权。此外,该星座还引起了美国军方的特别关注,已于2018年获得美国空军战略开发规划与实验办公室价值2870万美元的合同,用于在2019-2021三年内测试军方使用该星座服务的可行性与方式。

  SpaceX公司已经开始正式搭建“星链”星座。2019年5月24日,SpaceX成功发射了搭载着60颗Starlink测试卫星的猎鹰九号运载火箭,星链计划建设迈出第一步。2020年1月29日,美国太空探索技术公司用一枚“猎鹰9”火箭将第四批60颗“星链”卫星送入太空。

  OneWeb系统是美国OneWeb公司提出的一个全球性低轨卫星互联网星座计划。O3b网络创始人格雷格·怀勒最早提出该构想,并于2015年1月成立OneWeb公司。2017年6月25日,OneWeb公司从美国联邦无线电管理委员会(FCC)拿到了低轨道卫星通信网络的运营执照。

  该计划最终将实现1980多颗卫星的全球覆盖。其中第一阶段是在2021年完成648颗卫星的部署,这些卫星分布在12个LEO轨道上,每个轨道49颗,累计588颗卫星。与此同时,每个轨道上再多留5颗卫星备用,总计648颗卫星。除了LEO卫星星座,OneWeb还计划建设一个由1280颗卫星构成的中轨道(MEO)星座,并将根据服务需求和覆盖区域内的业务量在这两个星座之间动态分配业务。OneWeb星座从终端技术、卫星组网、卫星制造、卫星发射到销售运营的各个环节,均采取了与众不同的合作模式、并选择了不同的合作伙伴,给传统的卫星工业格局带来巨大的观念改变和格局冲击。因此OneWeb星座使用的卫星具有以下特点:小型,低质量卫星,采用模块化设计;生产高生产率和低成本的新生产设备;利用现有的和成熟的技术;独特的模块化设计;强大的行业参与。

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  2019年2月,OneWeb发射首批6颗卫星。2020年2月7日,OneWeb第二批34颗卫星搭乘联盟号运载火箭在哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场升空,下一批34颗卫星定在3月份发射。

微小卫星应用潜力不断被挖掘卫星互联网建设成为产业焦点(图2)

  随着我国航天事业的发展,国内微小卫星产业也在蓬勃发展。早在1995年,中科院就根据国家未来星地通信技术发展需求,提出要自主研制中国首颗重量100公斤以下的低轨道数据通信小卫星及其通信系统。2008年9月,神七载人飞船的伴星又飞入太空,这是在继承中科院创新一号小卫星成熟技术的基础上研制的中国第一颗空间伴随微小卫星。2012年5月10日15时6分,我国在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭,成功将遥感卫星十四号送入太空。同时,成功搭载发射了天拓一号卫星,天拓一号发射成功,标志着中国在微小卫星领域获重要突破。随着国民经济的发展和国内航天技术的进步,国内微小卫星产业正在蓬勃发展。如吉林一号、珠海一号等微小卫星星座正在逐步建设当中,并且已经展示了良好的技术应用效应。

  “吉林一号”卫星星座建设分为两个阶段:第一阶段实现60颗卫星在轨组网,具备全球热点地区30分钟内重访能力,每天可观测全世界范围内800多个目标区域;第二阶段实现138颗卫星在轨组网,具备全球任意地点10分钟内重访能力;旨在建设一个高时间分辨率、高空间分辨率的遥感信息获取平台,为用户提供高效、精准的遥感信息服务。“吉林一号”卫星遥感影像已广泛应用于国土资源监测、土地测绘、矿产资源开发、智慧城市建设、交通设施监测、农业估产、林业资源普查、生态环境监测、防灾减灾及应急响应等领域。

  “珠海一号”卫星星座,是由珠海欧比特宇航科技股份有限公司发射并运营的商业遥感微纳卫星星座,是中国首家由民营上市公司建设并运营的卫星星座。整个星座由34颗卫星组成,包括视频卫星、高光谱卫星、雷达卫星、高分光学卫星和红外卫星。“珠海一号”卫星星座01组2颗卫星,2017年6月15日在酒泉卫星发射中心发射升空。02组5颗卫星,2018年4月26日在酒泉卫星发射中心,由长征十一号固体运载火箭以“一箭五星”方式成功发射,5颗卫星进入预定轨道,与在轨的2颗卫星形成组网。03组5颗卫星,2019年9月19日14时42分,在酒泉卫星发射中心用长征十一号运载火箭,采取一箭五星的方式成功将卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道。

  卫星互联网建设是未来产业焦点,我国也未曾缺席,两大航天集团也先后提出了各自的互联网星座计划。2016年9月,在第二届中国商业航天高峰论坛上,中国航天科工系统提出了飞云、快云、行云、虹云、腾云五大商业航天工程。其中,虹云工程脱胎于航天科工早先提出的“福星计划”,计划发射156颗卫星进行组网,构建一个星载宽带全球移动互联网络,该工程在中国首次提出建立基于小卫星的低轨宽带互联网接入系统。2016年11月,中国航天科技集团首次公布“鸿雁星座”项目计划。该项目由中国航天科技集团主导,长城公司与一院、五院等单位共同出资建设,整个工程计划发射300多颗近地轨道卫星,并建设一定数量的地面数据处理中心,形成空地一体的通讯系统。

  2018年12月22日,虹云工程技术验证卫星成功发射入轨,虹云工程建设也开始启动。虹云首星在轨运行状态良好,天地联调试验正在紧张进行,未来将进行通信应用示范,直接为用户提供通信服务。2019年11月22日,据央视新闻报道,中国首个天基互联网系统“虹云工程”将于2020年投入示范应用。

  2018年12月29日,“鸿雁”星座首发星成功发射入轨,鸿雁星座建设开始启动。根据航天科技集团的总体规划,鸿雁星座分为两个阶段进行建设:一期工程先发射60余颗距地1100公里左右的近地轨道卫星,完成全球覆盖,但一期工程带宽有限,优先支持全球电话业务,并支持重点地区的移动宽带互联网接入;二期工程再发射300余颗卫星,大幅扩展网络容量,完成全球移动宽带互联网业务支持。鸿雁系统全部完工后,系统容量可服务200万以上移动电话(进行语音通线万以上宽带互联网(100M以上速率数据连接)用户及1000万以上物联网(小数据量多连接数)用户。鸿雁星座一期工程计划2022年建成并投入运营,整个计划在2024年前后完成。

  鸿雁星座将集成多项卫星应用功能。其卫星数据采集功能,可实现大地域信息收集,满足海洋、气象、交通、环保、地质、防灾减灾等领域的监测数据信息传送需求,并可为大型能源企业、工程企业等提供全球资产状态监管、人员定位、应急救援和通信服务。其卫星数据交换功能,可提供全球范围内双向、实时数据传输,以及短报文、图片、音频、视频等多媒体数据服务。

  “鸿雁”星座首发星采用了中国卫星旗下子公司深圳东方红研制的CAST5高性价比微小卫星平台。相较于原有微小卫星平台,CAST5进一步提高了功能密度和性能,强化了空间环境适应能力,实现了COTS产品空间应用由可用向好用的跨越。卫星在轨期间,将陆续开展卫星移动通信、物联网、热点信息广播、导航检测接收、导航增强、航空监视等功能的在轨试验验证,为后续的“鸿雁”星座的全面建设提供有力支撑。

微小卫星应用潜力不断被挖掘卫星互联网建设成为产业焦点(图3)

  一、全球商业遥感卫星发展现状近年来全球经济的迅速发展,地球环境和地球资源已经成为综合国力发展和国家间竞争较量的焦点。为此,各国都非常重视遥感卫星的发展,并不断拓宽相关应用领域,促进空间遥感产业化发展,并取得了越来越显著的社会效益和经济效益,卫星遥感正进入一个新的发展高潮。随着遥感卫星的数量的不断增加,遥感卫星应用业务规模的也在不断壮大。 当前国外民用遥感卫星系统主要有:美国的陆地卫星(Landsat)系统、法国的斯波特(SPOT)系统、欧空局的欧洲遥感卫星(ERS)、加拿大雷达卫星(Radarsat)和俄罗斯的资源-DK(Resurs-DK)卫星等。国外的遥感卫星发展相对成熟,单以分辨率来说:1971年发射的美国KH-9号侦察卫星就达到了2英尺(0.6米)分辨率,后继的KH-11和KH-12更有0.15米甚至低于0.1米的分辨率;2010年6月发射的以色列的地平线米。在商业遥感卫星领域,2001年的Quickbird-2号就做到了0.61米全色分辨率,后来的Geoeye-1达到了0.41米分辨率,WorldView-1/2也做到了0.46米分辨率,WorldView-3达到了最高商业分辨率0.31米。各国政府大力支持遥感卫星商业化发展(1)政策支持美国等航天强国以及新兴航天大国均高度重视与卫星遥感数据应用配套的支撑软环境建设,尤其是相关政策法规、组织管理体系架构、标准规范等的建设。美国已经完成了公益服务体系与商业运营体系的构建,并形成了很好的商业运营模式和很强的市场竞争力;欧洲的公益服务体系很大程度依赖美国数据(或国际合作计划数据),从而集中力量构建商业运营体系,目前已经打通了空间信息产业链,并具备了成熟的商业运营模式和较强的市场竞争力;印度发布新政策为其商业运营体系的建立奠定了基础。(2)资金支持20世纪90年代以后,美国、法国发射了民用商业卫星,实现了巨大的商业价值。1994年美国颁布PDD一23号令,开启了高分辨率遥感卫星数据商业化的新时代。进入21世纪,全世界20多个国家和地区的政府机构及私营企业每年投入巨额资金,用于发展和经营对地观测卫星。由于美国政府采购的拉动,国防情报市场在遥感市场中一直维持在40%左右的份额。如数字地球(DigitalGlobe)公司的最大用户是美国政府,占其年收入的57%(2013年);第二大收入来源是国外国防情报部门,占其收入的17%;第三大收入来源是国外民用,占其收入的11%;如果合并国防情报收入,该行业领域收入占总收入的74%。主要商业遥感公司的运作情况国外市场中,美国的数字地球公司和欧洲的空客防务及航天公司(ADS)占据了87%的行业市场份额,需求空间分辨率集中在高分领域。数字地球公司2012年收购地眼(GeoEye)公司之后成为美国最大的高分商业卫星影像公司。该公司拥有6颗高分辨率商业卫星,约占据整个商遥市场的61%,其最高级别的世界观察 (WorldView)3卫星空间分辨率达0.3lm,获得美国政府未来6年45亿美元的数据预采购订单支持。ADS公司拥有4颗光学卫星(昴星团(Pleiades)分辨率0.5m、斯波特 (SPOT)分辨率2m)、两颗SAR卫星(最高分辨率lm)),约占整个商遥市场的18%,其中两颗昴星团光学卫星完全由政府出资。目前,国际高分辨率遥感卫星商业市场主要由数字地球平FADS公司所占据,一些新兴的机构组织研制的新型遥感卫星暂时不能对传统遥感卫星运营巨头构成实质威胁,但也形成了不小的冲击。例如,美国天盒(Skybox)公司一举拿到24颗卫星牌照并被谷歌收购,这将对传统高分遥感卫星运营公司发起巨大的挑战。二、全球商业遥感卫星发射情况2015年全球共有21次航天发射任务涉及遥感卫星发射,共将82颗遥感卫星送入太空。2015年全球公布的遥感卫星建造合同共有17份,其中12份涉及建造17颗100千克以上的遥感卫星,其余5份涉及建造超过110颗微小卫星。2012-2016年全球及中国遥感卫星发射对比

  一、赢利性目前,我国主要有民用和商业卫星两类遥感卫星,其中民用遥感卫星主要指不以营利为目的的,主要服务于国家政府部门、公众业务等的遥感卫星,以国家投资为主;商业遥感卫星主要指以营利为目的,广泛应用于商业市场的遥感卫星,以市场公司投资为主。在国家的大力支持和引导下,我国遥感卫星在社会生产和生活各领域的应用范围不断扩大,我国民用遥感卫星系统研制工作取得了显著成绩,逐步形成了气象、海洋、陆地资源和科学试验等遥感卫星系统,也具备了一定的应用基础,但遥感卫星技术水平和商业化程度还较低,盈利能力较弱。二、成长速度航天技术将与信息科学、量子科学、生命科学、微机电、人工智能、航空深度融合,形成更多领域交叉,带动更多跨域创新,为航天发展提供新空间,如智慧城市、太空旅游、空天飞机、空间太阳能电站。非传统航天技术将进一步广泛融入航天领域,商业技术的性价比优势将进一步显现。CMOS 面阵、综合信息处理组件等商业电子元件,以及更多商业技术成果,将得到广泛应用,并可能对航天的发展方向、发展方式产生变革性影响。技术的交叉融合将推动航天产业的发展变革。据统计2013 年发射卫星中50% 为微小卫星,而20092012年,平均每年发射36 颗微小卫星。这些微小卫星大量采用商业技术、低成本发射、智能终端,以及大数据技术。MEMS 技术、非宇航载荷技术、推进技术以及控制技术、甚至3D 打印技术的应用使得微小卫星功能密度不断提升,商业化要求的成本和性能条件日趋成熟。三、附加值的提升空间未来高分遥感应用将与全球导航、移动互联网、物联网、智慧城市建设、信息化战争深入融合,促使航天应用真正走入百姓生活。在国家信息化方面,遥感手段是构建地理信息基础框架、数字化地球的基础,支持智慧城市和物联网发展。在军队信息化方面,为军事战略决策提供依据,支持一体化联合作战,助推实现网络化、数字化、智能化的战争能力。四、进入壁垒/退出机制我国商业遥感卫星的制造和发射需要经过国家发改委、工信部无线电管理局等部门的审批,地面运控及测控业务需经过工信部无线电管理局的批准,而图像处理及商业应用则需通过国家测绘地理信息局等相关行业部门的核准。通过对国家相关部门目前颁布的国家政策的研究可知:国家对商业遥感卫星产业发展没有严格的政策限制,通过相应审批程序后即可投入商业遥感卫星产业的建设与发展。目前,国际商业遥感卫星产业市场需求快速增长,国内商业遥感卫星产业也进入了膨胀式发展时期,尽管国家对商业遥感卫星产业准入政策约束较宽松,但部分政策约束的不确定性又严重限制了商业遥感卫星产业的可持续发展,这既是机遇又是挑战。借鉴国外商业遥感卫星产业发展的经验,我国政府应当给予适当的政策支持,以引导市场的正确走向,各商业遥感卫星产业公司应在政府扶持下,准确把握政府发展思路,积极寻找市场机遇,循序渐进,稳步推进商业遥感卫星产业的发展。尤其是在商业遥感市场建立初期,国家政策导向和资金支持对产业发展起着决定性作用。五、风险性近年来我国在航天领域大力推动军民融合发展,鼓励民间资本和社会力量参与航天活动,商业航天也迎来春天。目前我国各方面提出的商业卫星计划令人眼花缭乱。据粗略统计,正在实施或已经披露的计划有十几个,发射卫星总数达到572颗,通讯与遥感大约各占一半。目前各种商业发射计划的市场需求调研、商业前景预测等不够充分,风险意识不强,比如遥感类卫星数量上大大超出市场实际需求。一方面应该出台扶持商业航天发展的具体措施,例如给予税收和信贷优惠,提供基础设施利用、技术标准服务等;另一方面针对当前商业航天热潮中部分计划和指标重复、非理性投入等现象,要加强引导,避免一窝蜂上马可能造成的巨大损失。六、行业所处的发展周期阶段分析当前世界,科技与产业深度融合,以互联网思维为代表的新的产业形态正在加速形成,以新的规则推动技术、产业和资本的高效组合,向各个行业延伸并实施变革性改造;另一方面,政府的战略投资方式也发生转变,市场配置资源得到强化。这一战略环境下,卫星遥感产业的市场化、开放式、融合式发展是大势所趋。未来,卫星遥感产业将实现从初具规模向成熟应用的跨越,商业模式创新将不断涌现。

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