張召才 （北京空間科技信息研究所）

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美國典型小衛(wèi)星項目創(chuàng)新管理模式分析

張召才 （北京空間科技信息研究所）

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

隨著小衛(wèi)星單星性能不斷提高，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，尤其是美國政府軍民部門和商業(yè)市場對小衛(wèi)星需求的快速增長，極大推動了星座規(guī)模持續(xù)擴大，小衛(wèi)星百星星座乃至千星星座項目相繼涌現(xiàn)。探索適用于小衛(wèi)星項目短周期、低成本特點的小衛(wèi)星研制、發(fā)射和運行管理模式，是最大化發(fā)揮小衛(wèi)星效能的重要保證。

1　美國小衛(wèi)星研制管理案例分析

政府主導的小衛(wèi)星項目圍繞空間創(chuàng)新技術(shù)驗證展開

當前，政府主導研制的小衛(wèi)星項目主要用于發(fā)展驗證前沿技術(shù)和創(chuàng)新概念，即政府以推動小衛(wèi)星能力發(fā)展為需求，采用“需求牽引”發(fā)展思路。用于開展空間創(chuàng)新技術(shù)、創(chuàng)新概念驗證的小衛(wèi)星項目通常具有一個發(fā)起方，并由發(fā)起方提出任務(wù)主題、研究要求，并為承研單位提供經(jīng)費支持，發(fā)起方在項目組織管理中發(fā)揮主要作用，對應(yīng)也承擔更多的責任與義務(wù)。

“小型航天器技術(shù)計劃”（SSTP）是美國航空航天局（NASA）空間技術(shù)任務(wù)部（STMD）提出的小衛(wèi)星創(chuàng)新驗證項目，于2013年正式啟動，旨在發(fā)展和驗證“顛覆性”小衛(wèi)星技術(shù)，并推動小衛(wèi)星理念應(yīng)用于大型航天項目。在該項目實施過程中，“小型航天器技術(shù)計劃”不僅在NASA內(nèi)部各研究機構(gòu)間展開合作，還向美國政府其他機構(gòu)、高校和工業(yè)界開放，推動建立NASA與高校間的協(xié)作關(guān)系，以及NASA與政府“小型企業(yè)創(chuàng)新研究”（SBIR）計劃的合作?！靶⌒秃教炱骷夹g(shù)計劃”授出的每一個項目的周期均為1～2年，每年經(jīng)費為10萬美元，如果參與項目的高校數(shù)量多于一個，則經(jīng)費最高上漲至15萬美元?！靶⌒秃教炱骷夹g(shù)計劃”關(guān)注的項目包括無線電和激光通信、編隊飛行和對接、低成本衛(wèi)星平臺以及適用于空間科學任務(wù)的小衛(wèi)星星群技術(shù)等。尤其需要注意的是，由大學承研的“小型航天器技術(shù)計劃”項目均有1個NASA機構(gòu)參與合作，提供技術(shù)指導和項目經(jīng)驗，以確保“小型航天器技術(shù)計劃”項目成功率和研制進度。

按照空間技術(shù)任務(wù)部的規(guī)定，“小型航天器技術(shù)計劃”的研制管理流程包括：

1）“小型航天器技術(shù)計劃”項目組織方，即空間技術(shù)任務(wù)部面向美國政府研究機構(gòu)、高校和工業(yè)界發(fā)布技術(shù)需求指南和項目申報方式，征詢研究意向；

2）美國政府研究機構(gòu)、高校和工業(yè)界按照需求指南提出研究項目和技術(shù)方案，編制項目申請書，按規(guī)定渠道和日期向“小型航天器技術(shù)計劃”項目組織方提交項目申請書；

3）空間技術(shù)任務(wù)部召集由政府部門、高校和工業(yè)界專家組成的專家委員會，根據(jù)項目指南要求、技術(shù)先進性、方案可行性等原則遴選項目，并確定受資助項目清單；

4）空間技術(shù)任務(wù)部與入圍“小型航天器技術(shù)計劃”項目的研究單位簽訂研制合同。在項目執(zhí)行期間，空間技術(shù)任務(wù)部負責項目實施管理。一般而言，空間技術(shù)任務(wù)部可以發(fā)揮政府監(jiān)管部門的職能優(yōu)勢，為由高校承研的小衛(wèi)星項目配置一個NASA研究機構(gòu)開展聯(lián)合研究，由NASA研究機構(gòu)提供技術(shù)指導并協(xié)調(diào)資源配置。

NASA“小型航天器技術(shù)計劃”資助發(fā)展的立方體衛(wèi)星項目

商業(yè)公司主導的小衛(wèi)星項目圍繞業(yè)務(wù)化應(yīng)用展開

近年，大量互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)轉(zhuǎn)向航天，催生了大量新興初創(chuàng)小衛(wèi)星公司，其自身具備衛(wèi)星研制能力，既是項目需求方，也是項目研制方，為商業(yè)公司小衛(wèi)星項目組織管理模式帶來新變化。新興商業(yè)公司主導的小衛(wèi)星項目有三類發(fā)展模式：一是商業(yè)公司自主研制小衛(wèi)星，如美國行星實驗室公司（Planet Labs）發(fā)射運行的所有“鴿群”（Flock）衛(wèi)星均由該公司自行研制；二是商業(yè)公司自行設(shè)計小衛(wèi)星并交由專業(yè)的小衛(wèi)星制造商負責批量化制造，如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）采用天地一體化創(chuàng)新設(shè)計理念設(shè)計天空衛(wèi)星-1、2（SkySat-1、2）兩顆衛(wèi)星，經(jīng)在軌運行驗證衛(wèi)星設(shè)計方案可行后，天空盒子成像公司與勞拉空間系統(tǒng)公司（SS/L）簽訂商業(yè)合同，將設(shè)計方案和衛(wèi)星批量化制造任務(wù)授予后者，天空盒子成像公司則重點負責星座商業(yè)運行和衛(wèi)星應(yīng)用；三是商業(yè)公司提出任務(wù)需求，由衛(wèi)星制造商提供設(shè)計方案并競標獲得衛(wèi)星制造合同，如一網(wǎng)公司（OneWeb）的低軌互聯(lián)網(wǎng)接入星座。

這些新興商業(yè)公司多以互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)自居，在衛(wèi)星研制管理過程中大量引入硅谷互聯(lián)網(wǎng)理念，以實現(xiàn)快速、低成本、批量化研制，其衛(wèi)星研制管理的主要特點如下：

1）秉持“早發(fā)射、常發(fā)射”理念，實現(xiàn)設(shè)計方案快速迭代更新。行星實驗室公司認為“軌道測試優(yōu)于地面模擬”，通過大量發(fā)射立方體衛(wèi)星入軌，以在軌飛行驗證的方式不斷迭代優(yōu)化設(shè)計方案，避免過多的地面模擬測試增加經(jīng)費和時間成本。在這一理念驅(qū)動下，行星實驗室公司在3年時間內(nèi)完成了12輪的衛(wèi)星設(shè)計方案迭代優(yōu)化。此外，該公司還借鑒了硅谷互聯(lián)網(wǎng)公司的“A/B測試”理念，同時把2顆不同設(shè)計方案的衛(wèi)星發(fā)射入軌，同步比較2種不同衛(wèi)星的在軌性能以確定最終設(shè)計方案。

2）把現(xiàn)代信息技術(shù)與空間技術(shù)相結(jié)合，以天地一體化全鏈路設(shè)計理念優(yōu)化衛(wèi)星設(shè)計方案。天空盒子成像公司提出“小衛(wèi)星、大數(shù)據(jù)”模式，充分考慮小衛(wèi)星的功能限制，簡化星上功能設(shè)計，采用“時間積分延遲”（TDI）的地面處理技術(shù)提高數(shù)據(jù)分辨率。

3）優(yōu)化衛(wèi)星制造模式，引入智能制造和流水線技術(shù)?？湛头绖?wù)與航天公司憑借其在飛機組裝生產(chǎn)線方面的經(jīng)驗優(yōu)勢獲得一網(wǎng)公司大規(guī)模星座訂單，并將更新其衛(wèi)星生產(chǎn)線以實現(xiàn)每天制造4顆衛(wèi)星的目標。美國雷神公司（Raytheon）也宣布，將大量使用自動化機械臂、3D打印制造技術(shù)構(gòu)建納衛(wèi)星批量化制造生產(chǎn)線，以滿足大規(guī)模星座制造需求。

2　美國小衛(wèi)星發(fā)射管理案例分析

政府為小衛(wèi)星任務(wù)提供免費或廉價搭載發(fā)射機會

殷明，漸漸平靜下來，呼吸也慢慢緩和起來。金絲眼鏡又發(fā)話了，“小伙子，你來大致談一談未來廣告的發(fā)展方向吧?！?/p>

美國為推動小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展，增加先進技術(shù)在軌驗證機會，利用官方采辦的火箭運力余量或新研火箭首發(fā)機會，為小衛(wèi)星提供搭載發(fā)射服務(wù)。NASA于2010年啟動了“立方體衛(wèi)星發(fā)射倡議”（CSLI），為1U～6U立方體衛(wèi)星提供免費搭載發(fā)射機會。該計劃由NASA空間運行任務(wù)部負責管理和運行，NASA和國防部各中心、美國非贏利組織、大學和教育研究機構(gòu)可提出申請。截至2014年底，“立方體衛(wèi)星發(fā)射倡議”已經(jīng)從美國29個州選定了114個立方體衛(wèi)星項目，已有17個任務(wù)成功發(fā)射入軌。

“立方體衛(wèi)星發(fā)射倡議”項目管理機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

“立方體衛(wèi)星發(fā)射倡議”項目的組織管理流程如下：

1）NASA發(fā)布立方體衛(wèi)星搭載發(fā)射機會：NASA發(fā)布信息征詢，NASA和國防部各中心、美國非贏利組織、大學和教育研究機構(gòu)可向空間運行任務(wù)部提出申請。

2）申請該項目服務(wù)的各機構(gòu)向NASA提交申請文件，包括提交衛(wèi)星任務(wù)名稱、衛(wèi)星質(zhì)量、尺寸、預(yù)期的軌道高度和傾角、可接受的軌道高度和傾角范圍、向NASA轉(zhuǎn)交衛(wèi)星的日期、衛(wèi)星設(shè)計壽命、衛(wèi)星用途、學生參與程度、衛(wèi)星研制是否接受NASA資助、任務(wù)發(fā)起方等信息。

3）NASA評審：NASA成立由空間運行任務(wù)部（包括發(fā)射服務(wù)供應(yīng)方）、空間技術(shù)任務(wù)部、科學任務(wù)理事會（SMD）以及教育部門構(gòu)成的評選委員會；選擇委員會對所提交的小衛(wèi)星研究計劃是否滿足NASA戰(zhàn)略計劃和教育戰(zhàn)略協(xié)作框架（權(quán)重40%），及其科學、教育和技術(shù)價值（權(quán)重30%）和可行性（權(quán)重30%）進行評審；NASA宣布篩選結(jié)果。

5）NASA協(xié)調(diào)立方體衛(wèi)星發(fā)射機會：NASA協(xié)調(diào)有運力余量的發(fā)射機會，并提供給選定的立方體衛(wèi)星任務(wù)。

航天飛行公司提供小衛(wèi)星“一箭多星”搭載發(fā)射服務(wù)模式

“一箭多星”成為小衛(wèi)星商業(yè)化發(fā)射的主流方式

隨著小衛(wèi)星快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，尤其是商業(yè)小衛(wèi)星公司不斷提出大規(guī)模星座計劃，使得全球?qū)π⌒l(wèi)星商業(yè)發(fā)射服務(wù)的需求快速增長，“一箭多星”搭載發(fā)射已成為小衛(wèi)星發(fā)射的主流方式，越來越多的發(fā)射服務(wù)商開始通過發(fā)射服務(wù)代理商面向全球用戶提供小衛(wèi)星搭載發(fā)射機會。作為全球知名的小衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)解決方案提供商，美國航天飛行公司（SpaceFlight）根據(jù)經(jīng)濟可承受能力、發(fā)射周期需求不同，為小衛(wèi)星用戶提供不同的發(fā)射服務(wù)：

航天飛行公司提供小衛(wèi)星“一箭多星”搭載發(fā)射費用

1）溝通協(xié)商?？蛻襞c航天飛行公司溝通，明確衛(wèi)星軌道、發(fā)射時間等方面的需求，提出希望采用的發(fā)射方式和費用的期望值。如果航天飛行公司認為任務(wù)條件可行，客戶需向公司提供授權(quán)書，確認公司代表客戶利益開展后續(xù)業(yè)務(wù)。

2）簽訂合同。雙方簽訂發(fā)射服務(wù)協(xié)議，航天飛行公司將根據(jù)客戶需求，提供多個備選發(fā)射方案以及對應(yīng)的大致費用金額?？蛻舸_定發(fā)射方式后，公司與發(fā)射方溝通最終報價；客戶和發(fā)射方在費用金額上達成一致后，公司將協(xié)助客戶與發(fā)射方簽訂一份備忘錄，確定費用金額并執(zhí)行發(fā)射服務(wù)協(xié)議。

3）履行合同。執(zhí)行發(fā)射服務(wù)協(xié)議，航天飛行公司將提供協(xié)調(diào)、咨詢、管理、金融、通關(guān)以及保險等方面的服務(wù)和支持，確保發(fā)射服務(wù)協(xié)議的執(zhí)行并最終實施發(fā)射。

3　美國小衛(wèi)星運行管理案例分析

美國NASA、國家科學基金會（NSF）和高校研制發(fā)射了大量立方體衛(wèi)星。在運行管理方面，一般由立方體衛(wèi)星研究機構(gòu)負責任務(wù)運管，并通過與其他高校、研究機構(gòu)聯(lián)合的方式實現(xiàn)衛(wèi)星工程運管。在單星運管方面，美國開展立方體衛(wèi)星研制的高校和研究機構(gòu)除自建簡易地面測控站外，NASA現(xiàn)有的地面測控站為立方體衛(wèi)星運行管理提供了重要輔助。如NASA沃羅普斯測控站就利用其特高頻（UHF）地面站為“螢火蟲”（FireFly）等多顆立方體衛(wèi)星提供測控服務(wù)。

美國商業(yè)航天公司則通過自主運管和租用商業(yè)運管服務(wù)相結(jié)合的方式運行管理小衛(wèi)星星座。單純依靠商業(yè)公司自有的衛(wèi)星運管網(wǎng)絡(luò)無法滿足同時運管數(shù)十顆、數(shù)百顆小衛(wèi)星的需求。因此，商業(yè)公司多選擇以自主運行和租用商業(yè)服務(wù)相結(jié)合的方式，運行管理其構(gòu)建的小衛(wèi)星星座。同時，國際上提供商業(yè)衛(wèi)星運行管理服務(wù)的公司也不斷增加。

截至2015年底，美國行星實驗室公司累計發(fā)射135顆“鴿群”衛(wèi)星?！傍澣骸毙亲捎谩坝肋h在線”工作模式，無需地面上傳指令即可對陸地連續(xù)開機成像。這種設(shè)計理念極大簡化了衛(wèi)星有效載荷運管操作。行星實驗室公司通過自建地面站和租用地面站相結(jié)合的方式實現(xiàn)“鴿群”星座運行管理，遠程在線操作并監(jiān)測各地面站情況，地面站普遍采用無人值守、自主運行的工作模式。

航天飛行網(wǎng)絡(luò)公司（Spaceflight Networks）是全球知名的小衛(wèi)星商業(yè)運管服務(wù)提供商，計劃在近3年內(nèi)建設(shè)11個專用地面站提供小衛(wèi)星商業(yè)運管服務(wù)。該公司認為，隨著越來越多的公司開始構(gòu)建小衛(wèi)星星座，這些公司會需要一個分布式地面站網(wǎng)絡(luò)，以用于分發(fā)各自星座采集的數(shù)據(jù)。2015年7月17日，航天飛行網(wǎng)絡(luò)公司與美國頂尖公司（Spire）宣布聯(lián)合發(fā)展小衛(wèi)星地面站網(wǎng)絡(luò)，用于為低軌道小衛(wèi)星提供測控服務(wù)。按照航天飛行網(wǎng)絡(luò)公司預(yù)期，將提供“常規(guī)”、“專用”和“按需”三類商業(yè)運管服務(wù)。“常規(guī)”運管服務(wù)使用X和S頻段拋物面天線以及特高頻頻段八木（Yagi）天線；“專用”運管服務(wù)由全天時專用天線提供測控服務(wù)，費用按月支付；“按需”運管服務(wù)由用戶在指定時段提供服務(wù)，費用按服務(wù)分鐘數(shù)付費。

4　結(jié)束語

就目前發(fā)展態(tài)勢看，美國將小衛(wèi)星作為構(gòu)建未來空間優(yōu)勢的重要部分，注重發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，保持并不斷增強小衛(wèi)星發(fā)展支持力度。美國國防部、NASA等政府部門均表現(xiàn)出極大熱情，成為推動小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的主要力量。傳統(tǒng)航天公司和新興航天公司也紛紛聚焦小衛(wèi)星市場，推出創(chuàng)新小衛(wèi)星系統(tǒng)解決方案，旨在推動小衛(wèi)星業(yè)務(wù)應(yīng)用，提供創(chuàng)新衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)。未來，隨著小衛(wèi)星任務(wù)更趨復(fù)雜、更具挑戰(zhàn)性，小衛(wèi)星項目組織管理模式也將不斷創(chuàng)新，組織管理水平將持續(xù)提升。

王曉宇/本文編輯