美国典型小卫星项目创新管理模式分析

张召才 （北京空间科技信息研究所）



美国典型小卫星项目创新管理模式分析

张召才 （北京空间科技信息研究所）

Analysis on Innovation Management Mode of U.S. Typical Small Satellite Projects

随着小卫星单星性能不断提高，应用领域不断扩展，尤其是美国政府军民部门和商业市场对小卫星需求的快速增长，极大推动了星座规模持续扩大，小卫星百星星座乃至千星星座项目相继涌现。探索适用于小卫星项目短周期、低成本特点的小卫星研制、发射和运行管理模式，是最大化发挥小卫星效能的重要保证。

1　美国小卫星研制管理案例分析

政府主导的小卫星项目围绕空间创新技术验证展开

当前，政府主导研制的小卫星项目主要用于发展验证前沿技术和创新概念，即政府以推动小卫星能力发展为需求，采用“需求牵引”发展思路。用于开展空间创新技术、创新概念验证的小卫星项目通常具有一个发起方，并由发起方提出任务主题、研究要求，并为承研单位提供经费支持，发起方在项目组织管理中发挥主要作用，对应也承担更多的责任与义务。

“小型航天器技术计划”（SSTP）是美国航空航天局（NASA）空间技术任务部（STMD）提出的小卫星创新验证项目，于2013年正式启动，旨在发展和验证“颠覆性”小卫星技术，并推动小卫星理念应用于大型航天项目。在该项目实施过程中，“小型航天器技术计划”不仅在NASA内部各研究机构间展开合作，还向美国政府其他机构、高校和工业界开放，推动建立NASA与高校间的协作关系，以及NASA与政府“小型企业创新研究”（SBIR）计划的合作。“小型航天器技术计划”授出的每一个项目的周期均为1～2年，每年经费为10万美元，如果参与项目的高校数量多于一个，则经费最高上涨至15万美元。“小型航天器技术计划”关注的项目包括无线电和激光通信、编队飞行和对接、低成本卫星平台以及适用于空间科学任务的小卫星星群技术等。尤其需要注意的是，由大学承研的“小型航天器技术计划”项目均有1个NASA机构参与合作，提供技术指导和项目经验，以确保“小型航天器技术计划”项目成功率和研制进度。

按照空间技术任务部的规定，“小型航天器技术计划”的研制管理流程包括：

1）“小型航天器技术计划”项目组织方，即空间技术任务部面向美国政府研究机构、高校和工业界发布技术需求指南和项目申报方式，征询研究意向；

2）美国政府研究机构、高校和工业界按照需求指南提出研究项目和技术方案，编制项目申请书，按规定渠道和日期向“小型航天器技术计划”项目组织方提交项目申请书；

3）空间技术任务部召集由政府部门、高校和工业界专家组成的专家委员会，根据项目指南要求、技术先进性、方案可行性等原则遴选项目，并确定受资助项目清单；

4）空间技术任务部与入围“小型航天器技术计划”项目的研究单位签订研制合同。在项目执行期间，空间技术任务部负责项目实施管理。一般而言，空间技术任务部可以发挥政府监管部门的职能优势，为由高校承研的小卫星项目配置一个NASA研究机构开展联合研究，由NASA研究机构提供技术指导并协调资源配置。

NASA“小型航天器技术计划”资助发展的立方体卫星项目

商业公司主导的小卫星项目围绕业务化应用展开

近年，大量互联网企业转向航天，催生了大量新兴初创小卫星公司，其自身具备卫星研制能力，既是项目需求方，也是项目研制方，为商业公司小卫星项目组织管理模式带来新变化。新兴商业公司主导的小卫星项目有三类发展模式：一是商业公司自主研制小卫星，如美国行星实验室公司（Planet Labs）发射运行的所有“鸽群”（Flock）卫星均由该公司自行研制；二是商业公司自行设计小卫星并交由专业的小卫星制造商负责批量化制造，如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）采用天地一体化创新设计理念设计天空卫星-1、2（SkySat-1、2）两颗卫星，经在轨运行验证卫星设计方案可行后，天空盒子成像公司与劳拉空间系统公司（SS/L）签订商业合同，将设计方案和卫星批量化制造任务授予后者，天空盒子成像公司则重点负责星座商业运行和卫星应用；三是商业公司提出任务需求，由卫星制造商提供设计方案并竞标获得卫星制造合同，如一网公司（OneWeb）的低轨互联网接入星座。

这些新兴商业公司多以互联网企业自居，在卫星研制管理过程中大量引入硅谷互联网理念，以实现快速、低成本、批量化研制，其卫星研制管理的主要特点如下：

1）秉持“早发射、常发射”理念，实现设计方案快速迭代更新。行星实验室公司认为“轨道测试优于地面模拟”，通过大量发射立方体卫星入轨，以在轨飞行验证的方式不断迭代优化设计方案，避免过多的地面模拟测试增加经费和时间成本。在这一理念驱动下，行星实验室公司在3年时间内完成了12轮的卫星设计方案迭代优化。此外，该公司还借鉴了硅谷互联网公司的“A/B测试”理念，同时把2颗不同设计方案的卫星发射入轨，同步比较2种不同卫星的在轨性能以确定最终设计方案。

2）把现代信息技术与空间技术相结合，以天地一体化全链路设计理念优化卫星设计方案。天空盒子成像公司提出“小卫星、大数据”模式，充分考虑小卫星的功能限制，简化星上功能设计，采用“时间积分延迟”（TDI）的地面处理技术提高数据分辨率。

3）优化卫星制造模式，引入智能制造和流水线技术。空客防务与航天公司凭借其在飞机组装生产线方面的经验优势获得一网公司大规模星座订单，并将更新其卫星生产线以实现每天制造4颗卫星的目标。美国雷神公司（Raytheon）也宣布，将大量使用自动化机械臂、3D打印制造技术构建纳卫星批量化制造生产线，以满足大规模星座制造需求。

2　美国小卫星发射管理案例分析

政府为小卫星任务提供免费或廉价搭载发射机会

殷明，渐渐平静下来，呼吸也慢慢缓和起来。金丝眼镜又发话了，“小伙子，你来大致谈一谈未来广告的发展方向吧。”

美国为推动小卫星技术发展，增加先进技术在轨验证机会，利用官方采办的火箭运力余量或新研火箭首发机会，为小卫星提供搭载发射服务。NASA于2010年启动了“立方体卫星发射倡议”（CSLI），为1U～6U立方体卫星提供免费搭载发射机会。该计划由NASA空间运行任务部负责管理和运行，NASA和国防部各中心、美国非赢利组织、大学和教育研究机构可提出申请。截至2014年底，“立方体卫星发射倡议”已经从美国29个州选定了114个立方体卫星项目，已有17个任务成功发射入轨。

“立方体卫星发射倡议”项目管理机构结构图

“立方体卫星发射倡议”项目的组织管理流程如下：

1）NASA发布立方体卫星搭载发射机会：NASA发布信息征询，NASA和国防部各中心、美国非赢利组织、大学和教育研究机构可向空间运行任务部提出申请。

2）申请该项目服务的各机构向NASA提交申请文件，包括提交卫星任务名称、卫星质量、尺寸、预期的轨道高度和倾角、可接受的轨道高度和倾角范围、向NASA转交卫星的日期、卫星设计寿命、卫星用途、学生参与程度、卫星研制是否接受NASA资助、任务发起方等信息。

3）NASA评审：NASA成立由空间运行任务部（包括发射服务供应方）、空间技术任务部、科学任务理事会（SMD）以及教育部门构成的评选委员会；选择委员会对所提交的小卫星研究计划是否满足NASA战略计划和教育战略协作框架（权重40%），及其科学、教育和技术价值（权重30%）和可行性（权重30%）进行评审；NASA宣布筛选结果。

5）NASA协调立方体卫星发射机会：NASA协调有运力余量的发射机会，并提供给选定的立方体卫星任务。

航天飞行公司提供小卫星“一箭多星”搭载发射服务模式

“一箭多星”成为小卫星商业化发射的主流方式

随着小卫星快速发展与广泛应用，尤其是商业小卫星公司不断提出大规模星座计划，使得全球对小卫星商业发射服务的需求快速增长，“一箭多星”搭载发射已成为小卫星发射的主流方式，越来越多的发射服务商开始通过发射服务代理商面向全球用户提供小卫星搭载发射机会。作为全球知名的小卫星发射服务解决方案提供商，美国航天飞行公司（SpaceFlight）根据经济可承受能力、发射周期需求不同，为小卫星用户提供不同的发射服务：

航天飞行公司提供小卫星“一箭多星”搭载发射费用

1）沟通协商。客户与航天飞行公司沟通，明确卫星轨道、发射时间等方面的需求，提出希望采用的发射方式和费用的期望值。如果航天飞行公司认为任务条件可行，客户需向公司提供授权书，确认公司代表客户利益开展后续业务。

2）签订合同。双方签订发射服务协议，航天飞行公司将根据客户需求，提供多个备选发射方案以及对应的大致费用金额。客户确定发射方式后，公司与发射方沟通最终报价；客户和发射方在费用金额上达成一致后，公司将协助客户与发射方签订一份备忘录，确定费用金额并执行发射服务协议。

3）履行合同。执行发射服务协议，航天飞行公司将提供协调、咨询、管理、金融、通关以及保险等方面的服务和支持，确保发射服务协议的执行并最终实施发射。

3　美国小卫星运行管理案例分析

美国NASA、国家科学基金会（NSF）和高校研制发射了大量立方体卫星。在运行管理方面，一般由立方体卫星研究机构负责任务运管，并通过与其他高校、研究机构联合的方式实现卫星工程运管。在单星运管方面，美国开展立方体卫星研制的高校和研究机构除自建简易地面测控站外，NASA现有的地面测控站为立方体卫星运行管理提供了重要辅助。如NASA沃罗普斯测控站就利用其特高频（UHF）地面站为“萤火虫”（FireFly）等多颗立方体卫星提供测控服务。

美国商业航天公司则通过自主运管和租用商业运管服务相结合的方式运行管理小卫星星座。单纯依靠商业公司自有的卫星运管网络无法满足同时运管数十颗、数百颗小卫星的需求。因此，商业公司多选择以自主运行和租用商业服务相结合的方式，运行管理其构建的小卫星星座。同时，国际上提供商业卫星运行管理服务的公司也不断增加。

截至2015年底，美国行星实验室公司累计发射135颗“鸽群”卫星。“鸽群”星座采用“永远在线”工作模式，无需地面上传指令即可对陆地连续开机成像。这种设计理念极大简化了卫星有效载荷运管操作。行星实验室公司通过自建地面站和租用地面站相结合的方式实现“鸽群”星座运行管理，远程在线操作并监测各地面站情况，地面站普遍采用无人值守、自主运行的工作模式。

航天飞行网络公司（Spaceflight Networks）是全球知名的小卫星商业运管服务提供商，计划在近3年内建设11个专用地面站提供小卫星商业运管服务。该公司认为，随着越来越多的公司开始构建小卫星星座，这些公司会需要一个分布式地面站网络，以用于分发各自星座采集的数据。2015年7月17日，航天飞行网络公司与美国顶尖公司（Spire）宣布联合发展小卫星地面站网络，用于为低轨道小卫星提供测控服务。按照航天飞行网络公司预期，将提供“常规”、“专用”和“按需”三类商业运管服务。“常规”运管服务使用X和S频段抛物面天线以及特高频频段八木（Yagi）天线；“专用”运管服务由全天时专用天线提供测控服务，费用按月支付；“按需”运管服务由用户在指定时段提供服务，费用按服务分钟数付费。

4　结束语

就目前发展态势看，美国将小卫星作为构建未来空间优势的重要部分，注重发挥其独特优势，保持并不断增强小卫星发展支持力度。美国国防部、NASA等政府部门均表现出极大热情，成为推动小卫星技术发展的主要力量。传统航天公司和新兴航天公司也纷纷聚焦小卫星市场，推出创新小卫星系统解决方案，旨在推动小卫星业务应用，提供创新卫星应用服务。未来，随着小卫星任务更趋复杂、更具挑战性，小卫星项目组织管理模式也将不断创新，组织管理水平将持续提升。

王晓宇/本文编辑