空间系统与技术前沿发展及创新趋势展望

许社村 侯宇葵 孙亚楠 任迪 （钱学森空间技术实验室）

外层空间是人类共同的财富，航天活动对人类文明和社会进步的影响进一步增强，航天科技在国家发展中的战略地位日益凸显。党的十九大明确提出建设“航天强国”，既是对我们航天人的鼓励，更是殷切期望。本文着眼技术发展趋势，关注社会、经济、军事发展需求，立足原始创新，回应重大关切，展望空间系统与技术未来发展，推动航天事业服从和服务于国家整体发展战略，促进由“跟跑”向“并跑”、“领跑”转变，以期“塑造未来”、“创造未来”、“引领未来”，找寻一条具有中国特色的航天强国发展之路。

1 航天强国之路必然是创新之路

未来20～30年将是一个巨大的变革期，物联网、移动互联网等技术运用使信息空间渗透至物理空间和认知空间。航天领域最有可能产生知识突破和创新超越。传统行业仍习惯于经典物理的思维方式，深空探测、空间试验等领域则必须要考虑时空弯曲等相对论效应。

航天强国必不是跟在别人后面、照抄别人能够发展起来的，只有强化原始创新、从源头做起，才能获得具有战略意义的颠覆性技术，夺得未来竞争的先机，也只有打破长期以来跟踪研仿的思维定式，真正建立起独立自主的创新体系，形成核心技术竞争优势，以“黑科技”铸就空间技术的“护城河”。同时，“一个国家基础科学研究的深度和广度，决定着这个国家原始创新的动力和活力”，基础研究也决定着未来航天领域原始创新的动力与活力。例如，围绕宇宙大爆炸这个基本物理问题，产生了“哈勃空间望远镜”、“超越爱因斯坦计划”等重大航天工程，极大地拓展了航天视野，显著提升了空间技术及应用能力。

80年前，为了改变我们国家民族落后挨打的局面，钱学森提出“只有掌握航天理论才有超越西方的可能”，毅然走上了航天报国之路，率先提出航天领域中的若干重要概念、超前设想和科学预见。在新的历史时期，为破解“钱学森之问”，建立钱学森空间技术实验室，使我们更加坚信只有在基础理论、工程方法上的原始创新，在空间系统与空间技术未来发展方向上作出一些新实践新探索，为中国梦、强军梦、航天梦添加更丰富内涵，才是真正继承钱老“为国为民、敢于超越”的科学家精神。

2 空间系统与技术前沿应用领域

空间 科学要探望星空与走出摇篮

面向空间科学的原始创新、基础发展能力的快速提升，未来航天领域的主要任务是，瞄准解决空间科学探测概念与技术发展创新不足、原创探测种类少等短板弱项，以科学问题为导向，以对未知世界的科学探索需求为牵引，围绕宇宙的形成与演化、系外行星和地外生命的探索、太阳活动及其对地球空间环境的影响、超越现有物理理论的新物理规律等热点和基础性科学问题，充分探测宇宙、了解宇宙、认识宇宙，反过来认识地球，认识人类自己，拓展人类的知识。

围绕上述目标，结合科学探测的特点，未来一段时期我国空间科学领域重点发展方向如下：

暗物质与宇宙射线探测。建设能够搭载暗物质与宇宙射线探测的试验系统，寻找和研究暗物质粒子，测量银河系宇宙线的成分和精细能谱，开展天体高能伽玛射线巡天观测。将空间高能量粒子和宇宙线能谱测量推进到TeV能区，以大大超过国际各项计划的能力研究暗物质粒子的存在，有望解决暗物质引力之外的相互作用、宇宙线的起源等重大科学前沿问题。

脉冲星宇宙时空基准。利用脉冲星发射的X射线、γ射线作为天然信标，探测30颗左右的脉冲星信号，建立脉冲星导航数据库，解决深空探索中时间测量的问题，最终构建脉冲星时间、实现宇宙时空基准，引导航天器在宇宙空间长时间自由航行。突破准直型和聚焦型探测器、数据库、时间同步和大尺度导航等关键技术。

可居住类地行星探测。利用亮星巡天空间望远镜（BSST）对邻近类太阳恒星（光谱型为F、G、K）的行星系统进行掩星探测，以期发现位于可居住区内的类地行星（亚地球质量）。BSST通过亮星不间断的长时间巡天，可以获得一大批明亮的脉动变星高精度、高连续性光变曲线，有助于发现一批类地行星。

系外行星大气光谱探测。针对太阳系外行星系统进行的空间高精度光谱探测，采用掩星法对太阳系附近400余颗存在行星掩星现象的恒星进行高精度光谱探测，进而分析其行星系统大气的物理化学成分，观测谱段覆盖近紫外、可见光及近、中红外谱段。同时，从生命搜寻的角度出发，兼顾小天体的研究，为我国系外行星与生命探索奠定技术基础。

日地空间环境立体探测。建设由4颗卫星组成的日地空间环境探测卫星星座，对太阳和日地环境进行立体、多空间尺度的监测。其中2颗卫星分别位于日地L1和L3点，形成对日观测的立体视角，拍摄太阳的三维图像，监测太阳活动及磁场的变化；另外2颗卫星分别位于日地L4和L5点，开展日地环境整体性和综合性的科学探测与研究，大范围实时监测日地空间环境的长期变化，精确计算灾害性空间天气到达地球的时间。

民用 航天要服务大众与普惠民生

面向经济社会发展重大战略需求，以原始创新为引领，以满足用户需求、提升应用效能和促进航天产业发展为根本目的，公益与商业服务并举，服务国家战略，发展全球尺度地球数据获取及应用能力，支撑海洋强国战略、“一带一路”倡议的实施；惠及大众民生，综合利用多种谱段、高时空分辨率、高灵敏度探测系统以及高速通信网络，满足生态保护、气象预报等重大民生需求，推动文化传播、高品质信息服务等信息消费；深化应用，利用“大智移云物”技术，推动商业化航天服务和多源数据融合共享，支撑重要行业深化应用和大众服务。

全球立体综合大气观测系统。为准确预报全国、省区、重点城市的天气，精细探测全球云、雨、风、温度等大气圈层三维结构，充分发挥高轨系统的高时效特性和低轨系统的高分辨率特性，发展高轨50米级大气成像、低轨激光风场测量、低轨降雨测量雷达等卫星系统，对台风、暴雨、雾霾、沙尘暴等灾害性天气的形成、演变等进行近实时观测和预报，积累全球气候变化观测数据，为我国经济发展提供强大的服务保障，并承担相应的国际责任。

面向地震预报的高精度探测系统。为提升地震综合监测预报能力，综合利用红外、电磁、重力场等探测手段，发展5m分辨率红外成像、1nT精度宽谱磁场探测、1mGal精度重力测量等卫星系统，对地面温度场、空间磁场、高能粒子、地球物理场等变化进行连续、高精度数据探测和相关参数反演，探索这些参数与地球应力积累、爆发、释放之间的规律，捕捉地震活动规律和先兆，探索预测地震的新型方法手段，避免或减少地质灾害对人民生命财产造成损失。

全维多手段生态系统监测系统。围绕人类发展所面临的资源短缺、生态退化、重大自然灾害频发、交通拥堵等问题，利用高分辨率成像、激光雷达、高光谱等新型载荷，发展亚米级成像、大气污染监测、水资源探测、海洋监视等卫星系统，对大气、水、岩和生物等圈层等进行多要素智能化探测，提高生态红线维持、精细农业、污染治理、大数据分析、智慧海洋建设等能力。

全球泛在高速信息网络。针对“宽带中国”和“一带一路”等泛在通信与宽带通信巨大需求，突破太赫兹通信、激光通信和认知无线电技术，发展超大容量通信、高承载通信和可重构通信等卫星系统，支持构建由通信网、互联网、传感器网构成的泛在信息网络，满足区域协调、军民融合、大众消费等多样化需求。

中国特色商业航天服务。迎接“太空经济”时代的到来，利用大数据、智能处理、移动网络、云计算等新兴技术，构建大数据一体化应用体系，推动天地一体、多维信息智能同化与实时融合。突破空间VR、人机沟通、情景构建等前沿技术，发展全息虚拟地球、时空基准转换、个性化定制等系统，满足立体智能交通、无人驾驶、物联网等需求。发展智能在轨服务能力，推动太空旅游观光，探索碎片清除服务、小天体勘察采矿和资源利用新途径，促进太空产业发展。

军用 领域要渗透多域和全球保障

围绕实现强国梦、强军梦，以建设信息化军队、打赢信息化战争为目标，坚持走信息化的发展方向，以互联网思维为指导，利用先进信息技术重塑航天装备体系，推动天基信息与武器系统深度铰链，以空间能力倍增体系能力，形成一体化的作战力量，因应时代变化拓展太空新边疆、发展新手段，提升信息支援保障、太空资产保护等国家总体安全能力。发展重点：

可靠全面的目标探测。针对隐身飞机、潜艇、高超声速飞行器、天对地打击武器等动目标，急需提升全天时全天候连续监视能力，以掌握其变化态势，判断其军事意图，有效引导我防御武器的精确打击。

智能畅通的天基通信。针对超高带宽传输、超密用户接入、超高移动性、数据链快速接入等需求，发展大容量空间通信网络，解决抗强干扰、保密通信等问题，在未来作战指挥控制网络中发挥核心作用。

高可用泛在的时空基准。针对战场复杂环境对时空基准和导航位置服务的多样化需求，提供统一、高可用的时空基准服务，覆盖水下、地下、地表、大气层空间乃至宇宙空间等多层战场空间。

此外，要积极探索各类新型装备系统。

空间 技术要打牢基础与军民融合

以促进空间技术飞跃发展、突破瓶颈技术、形成核心能力为重点，面向军民商空间系统发展需求，增加先进空间技术源头供给，发展先进平台技术，解决平台的稳定性、可靠性较弱，精度和敏捷性不足等瓶颈问题；探索新型载荷技术，拓展新型技术手段，面向应用服务，突出效费比，完善载荷型谱；加强基础前沿、新概念技术研究，促进空间系统网络化、综合化、智能化、体系化、弹性化发展。

（1）先进卫星平台

面向未来通信、遥感、空间科学、在轨服务等领域对卫星平台高精度、高稳定度、高承载比，以及智能自主、可扩展可重构等高品质要素的迫切需求，聚焦智能化、长寿命、低成本、高可靠等性能要素，打造超大型可重构卫星平台、超高精度超高稳定度卫星平台、可维修和可服务卫星平台，提升卫星平台品质，扩展平台能力包络，进一步增强平台对新领域任务的支撑能力。

突破复杂结构下的高精度控制技术，实现高频抖动的高精度控制和挠性振动抑制。攻克高敏捷机动控制技术，在运动过程中保持足够的控制精度和稳定度力，实现航天器快速机动和姿态快速稳定。探索致密电能源技术，具备高效能量转换、致密能量存储、“无损”能量传输、智能能量管理等能力。发展新型空间电源技术和可维修和可服务等航天器平台，建立系列标准和接口规范，逐步使航天器具备可接受维修服务能力和自适应能力。

（2）新型载荷技术

围绕空间系统未来发展，发展静止轨道米级分辨率光学载荷、大气海洋一体化测风雷达、高光谱分辨率载荷、激光三维成像、云雨三维测量等载荷，加大载荷效能仿真和数据处理技术研究，提升遥感载荷分辨率，定标、定位和探测精度，支撑遥感载荷数据深化应用。发展新一代大容量宽带卫星通信和广播技术、GEO卫星移动通信技术以及星间激光通信及组网技术、太赫兹通信技术等新型通信有效载荷技术，提升通信有效载荷容量和移动通信、多功能复合通信和星际高速率互联能力，形成新一代天线和射频部组件等关键产品技术储备。瞄准更长远空间应用，开展新概念、新原理、新体制有效载荷技术研究与探索，在技术体制、关键产品和业务化应用等方面形成原创成果。

（3）基础前沿技术

基础前沿技术是空间技术创新发展的源泉，基础科学和前沿技术的突破，都有可能引起人类征服和利用空间能力的大幅度提升。

大数据与云计算。以P、E甚至Z量级空间大数据“资源池”为基础，积极推动海洋、水文、气象、环境、国土等行业业务数据的多源接入、分布处理、网络服务和开发应用，探索军民数据需求生成和成果共享机制、以民养军的信息服务保障模式，破解天地脱节、应用割裂等结构性问题，以用促天、以天带地，实现天地一体化协调发展。

量子技术。利用物质固有的线性叠加性原理、海森堡不确定性原理和量子纠缠效应等特性，突破传统空间技术的量测精度、分辨率和安全性等性能指标的经典物理约束，对特定物理量的测量精度或灵敏度提升3~5个数量级，实现经典技术无法实现的物理过程，推进量子技术走出实验室、走入工程实践。

太赫兹技术。太赫兹（THz）波介于微波与红外之间，太赫兹的独特性能给通信（宽带通信）、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查（生化物的检查）等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短（皮秒量级）所以具有很高的时间分辨率。太赫兹技术将助力空间系统实现高精度探测和大容量宽带通信。

认知科学与技术。以减少航天器对地面测控系统的依赖为重点，在航天器智能自主地导航、数据处理、故障判别与重构等方面，推动具有学习功能的人工智能集成电路、发展智能故障诊断等技术发展，突破智能自主控制、自主交会对接等关键技术，大幅提升空间领域的智能化水平。

智能材料与超材料。发展具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力等多种能力于一身的智能材料/结构以及超出自然界固有普通性质的超常材料功能的超材料，为研制隐身航天器、超级雷达和智能探测器等提供基础保障。

微纳光电技术。利用微纳尺度元器件等特性研究，推进飞秒激光技术、单频激光技术研究，探索飞秒激光和单频激光等新仪器仪表，将应用载荷时间稳定度或频率稳定度提升3~5个数量级，产生新型空间应用方式，为自主构想的红外特性隐身平台等新型空间系统探索发展途径。

自由空间光通信技术。突破高功率激光器技术、光学天线技术、自动跟瞄技术、信道分析及压缩编码技术，采用红外激光承载高速信号，建立空间“虚拟光纤”，实现大容量、高质量、高保密空间通信。

新型空间操控技术。发展适应于非合作目标、适应于多目标，具有灵巧机动性能与宽适应性的新型空间操控技术，实现对在轨高价值卫星零距离状态检测、维修维护，对非合作目标进行表面着陆抓捕、接管控制等。

3 对创新发展的实践与思考

为有效履行新使命新任务，在发展理念、组织管理方式等方面亟待进行前沿探索，推动原始创新。

激活原始创新。积极探索技术创新发展客观规律，在人员管理、项目管理、经费管理、成果管理、创新文化等各个方面进行大胆的创新探索。以“自主研究为主、组织研究为辅”，实行鼓励自我管理、自我驱动的管理制度，最大程度释放研究人员的创新热情。实行“双向选择、价值评判”的创新人才引进评价方式，不以学历和年限确定岗位及待遇，真正突出人才的核心价值，为人才的引进、成长提供与学术界接轨的机制。打造“学术开放、全球视野”的创新环境，制定各专业领域顶级国际会议目录，资助员工积极参与，广泛邀请美欧、英国、加拿大、俄罗斯和台湾地区等海内外杰出学者和青年英才来访，形成开放的高端学术交流平台，提升研究的国际视野。

激励基础研究。面对新挑战，依据国家需求和人员规模，在技术研究方向选取上适度聚焦若干基础研究领域，不断找寻原始创新思路、新途径。以“任务为经、学科为纬”开展专业化学科布局，重点在信息获取与处理技术、空间材料与机械技术、空间热力工程、微纳电子技术、量子工程技术、人工智能等方向进行布局。坚持“相互启发、优势互补”，与其他科技领域共同探索科技前沿方向，关注重心不再仅仅局限于航天科技领域，站在世界科技领域的前沿方向，与量子技术、新材料技术、生物交叉技术、新能源技术领域进行交流碰撞，启发灵感，同时发挥各自优势、携手前进，既有力的拓展航天科技的前沿方向，也将航天科技推到更广阔的舞台中央。

激发非凡创意。坚持“明天的技术解决未来问题”的理念，积极推进战略研究和国家重大专项和系统项目谋划转型。坚持“自主研究、独立研究”，推动战略研究模式转型升级，由跟踪论证向自主研究转变，面向实际应用、坚持体系化思维和问题导向，以专业研究、自主研究代替被动论证，以定量与定性相结合代替简单综合、宏观描述，为上级机关及各类用户提出高水平和高价值建议，推动空间系统与技术的创新发展。积极“研究未来、拥抱梦想”，研究和构想未来重大系统，基于谋划10年后发展，按创新流程分为“创意中心、研究中心、孵化中心”，构建“体系发展战略研究、系统项目研究、应用基础与技术研究”互为牵引和支撑的创新体系，将基础技术研究、概念研究、系统项目立项进行融合衔接。推动“广泛协同、整体联动”的跨领域、跨单位融合创新，激发研究人员想象力，“先问新不新，再问成不成”，打破思想上、习惯上的条条框框，以体系战略研究带动系统项目和前沿技术发展需求，以前沿技术发展支撑系统项目研究，大胆尝试系统项目提出后转到系统项目部继续研究并在条件成熟后转入院内工程研制单位的新方式。