趙秋艷， 胡朝斌， 陳川， 龔自正，4， 宋光明， 李明

(1. 中國空間技術(shù)研究院研發(fā)與市場部， 北京100094; 2. 探月與航天工程中心， 北京100190;3. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京100094; 4. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094; 5. 中國空間技術(shù)研究院， 北京100094)

1 引言

由于近年來圍繞航天的一系列相關(guān)技術(shù)的巨大進(jìn)步， 進(jìn)入和利用空間的門檻大幅降低， 航天的商業(yè)價(jià)值愈發(fā)凸顯， 吸引了大量新興力量。 許多試圖投身航天商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的新參與者帶來了獨(dú)特的商業(yè)模式， 進(jìn)一步促進(jìn)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 與此同時(shí)， 由于小衛(wèi)星技術(shù)的巨大進(jìn)步， 人們開始發(fā)現(xiàn)低軌大規(guī)模小衛(wèi)星星座在天基全球通信、 遙感等一系列應(yīng)用領(lǐng)域的巨大價(jià)值。 大規(guī)模低軌星座發(fā)射計(jì)劃層出不窮， 呈爆炸式發(fā)展態(tài)勢。 2020 年3 月18 日， SpaceX 第6 批60 顆星鏈衛(wèi)星發(fā)射入軌， 包括實(shí)驗(yàn)星在內(nèi)的總星座衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量已達(dá)362 顆， 代表著其42000 顆的龐大的低軌星座計(jì)劃正在逐步推進(jìn)， 也意味著大規(guī)模低軌星座已經(jīng)由方案設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。 低軌道大規(guī)模開發(fā)利用的“軌道革命” 正在發(fā)生， 航天將迎來一個(gè)前所未有的新的發(fā)展與變革時(shí)期。

然而， 大規(guī)模低軌星座也將給人類航天事業(yè)帶來一系列問題， 包括空間碎片環(huán)境面臨嚴(yán)峻的威脅、 軌位和頻率資源的惡性競爭、 密集低軌區(qū)域的潛在國際沖突風(fēng)險(xiǎn)， 以及對我國信息安全和航天產(chǎn)業(yè)安全的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)等等。

我國正處于由航天大國向航天強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期， 需要緊跟國際潮流， 把握住這一航天大發(fā)展的時(shí)代機(jī)遇， 促進(jìn)我國航天事業(yè)進(jìn)一步向前發(fā)展， 同時(shí)與國際社會一起面對、 解決大規(guī)模低軌星座帶來的一系列問題， 并盡可能保護(hù)、 爭取我國的權(quán)益。 本文從低軌大規(guī)模星座發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)， 分析了其快速發(fā)展背后的機(jī)遇和帶來的一系列問題和挑戰(zhàn)， 并從政策、 法規(guī)、 技術(shù)、 產(chǎn)業(yè)、國際應(yīng)對等方向提出了相應(yīng)的措施建議。

2 低軌大規(guī)模星座發(fā)展現(xiàn)狀

微小衛(wèi)星是指重量在500kg 以內(nèi)的航天器，按照重量可劃分為4 類: 重量在500 ～100kg 的小衛(wèi)星， 主要用于遙感、 通信； 重量在100 ～50kg的微小衛(wèi)星， 主要用于遙感、 通信、 在軌服務(wù)技術(shù)演示； 重量在50 ～10kg 的納衛(wèi)星和重量在10kg以下的皮衛(wèi)星， 主要用于概念演示探索。 過去大部分的微小衛(wèi)星都主要用于對平臺要求不高的演示性任務(wù)和簡單性探索任務(wù)。 隨著技術(shù)的發(fā)展，微小衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理能力、 導(dǎo)航姿控能力、 通信能力、 供電能力和操控能力有了巨大的進(jìn)步。 目前微小衛(wèi)星已經(jīng)開始應(yīng)用于需要高平臺能力需求的復(fù)雜性任務(wù)和需要高可靠、 長壽命的運(yùn)營型任務(wù)。

低軌大型星座在20 世紀(jì)90 年代也曾出現(xiàn)過一次大發(fā)展的浪潮。 當(dāng)時(shí)眾多低軌通信星座概念中多數(shù)沒有進(jìn)入工程研制， 僅有投入運(yùn)營的銥星系統(tǒng)、 全球星和軌道通信三個(gè)星座， 但也一度經(jīng)營慘淡， 都經(jīng)歷了破產(chǎn)保護(hù)和重組[1]。 技術(shù)新、響應(yīng)快、 應(yīng)用靈活、 成本低的微小衛(wèi)星以及航天發(fā)射技術(shù)、 新興制造技術(shù)、 新型成像探測器和圖像處理技術(shù)、 以移動通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)為代表的IT 技術(shù)在近十幾年的高速發(fā)展， 使得低軌大規(guī)模星座卷土重來。 世界各航天大國和商業(yè)公司都提出了極其龐大的小衛(wèi)星星座發(fā)射部署計(jì)劃， 如果全部成為現(xiàn)實(shí)， 未來幾年內(nèi)在軌運(yùn)行的衛(wèi)星數(shù)量將由現(xiàn)在的2000 多顆暴增到50000 多顆， 如表1。

表1 部分低軌大規(guī)模小衛(wèi)星星座計(jì)劃Table 1 SomeLEOsmallsat constellation programs

在過去幾年的航天發(fā)射活動中， 2014 -2015年， 66%的新增衛(wèi)星為微納衛(wèi)星； 2017 年全球共發(fā)射1500kg 以下小衛(wèi)星376 顆， 相比2016 年發(fā)射數(shù)量翻倍增長， 占發(fā)射航天器總數(shù)的85.5%，處于歷史最高發(fā)射水平； 2018 年， 發(fā)射航天器總數(shù)的80%以上為500kg 以下的小衛(wèi)星。 具體到通信衛(wèi)星領(lǐng)域， 最近20 年， 1000kg 以下衛(wèi)星占比從35.3%增長至40.6%， 5000kg 以上衛(wèi)星占比從6.1%增長至26.8%， 1000 ～5000kg 衛(wèi)星占比則從58.6%下降至32.7%， 在軌衛(wèi)星“大”、 “小”兩極化發(fā)展態(tài)勢明顯。

低軌星座最主要的應(yīng)用之一是寬帶通信。SpaceX 公司的低軌星座系統(tǒng)最早于2015 年提出，旨在利用大規(guī)模低軌衛(wèi)星提供全球高速寬帶接入服務(wù)。 2016 年11 月和2017 年3 月， SpaceX 公司分別提交了4425 顆衛(wèi)星的“SpaceX 非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)” (SpaceX NGSO Satellite System) 和7518 顆衛(wèi)星的“SpaceX V 頻段非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)”， 并將兩大星座系統(tǒng)統(tǒng)一命名為星鏈(Starlink)。 星座的主要應(yīng)用包括衛(wèi)星通信和傳輸服務(wù)、 高速無線寬帶服務(wù)， 以及衛(wèi)星成像服務(wù)和遙感服務(wù)等。 計(jì)劃2020 年， 部署800 顆衛(wèi)星， 開始商業(yè)運(yùn)營； 在2024 年完成4425 顆衛(wèi)星入軌， 提供全球服務(wù)， 后續(xù)追加部署7518 顆[2]。 2019 年10 月15 日， SpaceX 公司又通過美國聯(lián)邦通信委員會(FCC) 向國際電聯(lián)提交了30000 顆衛(wèi)星的申請文件。 這些衛(wèi)星將部署在328 ～580km 的軌道， 將在用于常規(guī)通信功能外， 還具備對航天器遙測、 跟蹤和控制功能。 OneWeb 公司星座由720顆衛(wèi)星組網(wǎng)， 分布于1200km 高度的18 個(gè)軌道面。 計(jì)劃通過1 年時(shí)間發(fā)射部署， 在軌運(yùn)行時(shí)間5 年后再通過5 年時(shí)間執(zhí)行任務(wù)后降軌[3]。

除以通信為目的的星座以外， 遙感星座也發(fā)展迅猛。 美國行星公司計(jì)劃建造由27 顆微小衛(wèi)星組成的SkySat 星座、 285 顆的Flock 星座、 5 顆的RapidEye 星座， 組成分辨率0.9m、 3m、 6.5m 的組合系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)全球每日覆蓋。 該公司將衛(wèi)星獲得的地球圖像或視頻數(shù)據(jù)建立大數(shù)據(jù)庫， 提供基于云平臺的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。 美國陸軍快響光學(xué)偵察衛(wèi)星Kestrel Eye -2M 是工作在450kmSSO 軌道的5 (軌道面) ×8 (衛(wèi)星) 星座， 將實(shí)現(xiàn)分辨率1.5m， 單景4km×6km 和10min 圖像交付。 美國黑天全球公司正在發(fā)展由60 顆單星質(zhì)量小于50kg， 多光譜分辨率達(dá)1m， 視場覆蓋4.4km ×6.6km 的衛(wèi)星組成的星座， 具備10 ～60min 重訪能力[4]。 此外美國赫拉系統(tǒng)公司、 加拿大地球直播公司、 阿根廷衛(wèi)星邏輯公司等也都提出了基于小成本小平臺衛(wèi)星組網(wǎng)的高分辨率短回訪周期的遙感衛(wèi)星星座。 同時(shí)， 基于小型SAR 技術(shù)的遙感衛(wèi)星星座也在蓬勃發(fā)展。 Capella 公司的SAR 微衛(wèi)星， 將在未來3 ～4 年內(nèi)發(fā)射40 顆16U (推測)尺度的衛(wèi)星， 分辨率1 ～30m， 可每3 ～6h 對全球成像一次。

低軌星座的應(yīng)用領(lǐng)域， 也在更具體、 更細(xì)致地深入發(fā)展。 Spire 公司提出了100 顆衛(wèi)星組成的Lemur 星座， 用于提供商業(yè)氣象、 海事、 空事融合監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)。 BCT 公司建設(shè)的7 星TROPICS星座將用于熱帶風(fēng)暴觀測任務(wù)。 英國SRT 公司建設(shè)的6 星Ocean-Scan 星座將用于全球海洋監(jiān)測。

除此之外， 低軌星座也有巨大的軍事應(yīng)用前景。 遙感衛(wèi)星本身就具有極高的軍民兩用性， 通過低軌星座系統(tǒng)， 進(jìn)一步提高了遙感數(shù)據(jù)的獲取、 分發(fā)速度， 縮短了重訪周期， 使其更具有軍事價(jià)值。 美國陸軍Kestrel Eye 星座具備“按下即拍” 工作模式， 在10min 內(nèi)完成從前方作戰(zhàn)用戶發(fā)出任務(wù)請求到分發(fā)圖像的全部操作。 低軌通信星座則作為高軌通信衛(wèi)星的有力補(bǔ)充， 在填補(bǔ)能力縫隙的同時(shí)， 進(jìn)一步縮短指控鏈條， 直接服務(wù)戰(zhàn)區(qū)， 并使得整個(gè)系統(tǒng)的生存能力大大提高。

大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座的地位和作用可概括為:

一是實(shí)現(xiàn)彈性化空間體系轉(zhuǎn)型的重要力量。微小衛(wèi)星具有快速響應(yīng)、 使用靈活、 分散部署等優(yōu)勢， 與中大型衛(wèi)星優(yōu)勢互補(bǔ)、 協(xié)同工作， 填補(bǔ)能力縫隙， 實(shí)現(xiàn)彈性增強(qiáng)， 提升體系對抗生存能力。

二是加快航天應(yīng)用轉(zhuǎn)型的重要推手。 單顆微小衛(wèi)星能力有限， 可通過在軌規(guī)模化應(yīng)用， 實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率、 高頻重訪、 指令及時(shí)響應(yīng)等高時(shí)效性應(yīng)用要求， 提升航天實(shí)用性。

三是推動航天研產(chǎn)轉(zhuǎn)型的重要突破口。 微小衛(wèi)星采用標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化設(shè)計(jì)， 易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)、 規(guī)?；瘧?yīng)用， 推動航天“兩作” 向“兩產(chǎn)”轉(zhuǎn)型， 降低航天成本。

大規(guī)模低軌衛(wèi)星星座發(fā)展趨勢概括為:

(1) 規(guī)模數(shù)量， 微小衛(wèi)星數(shù)量逐年增長。

(2) 應(yīng)用領(lǐng)域， 由技術(shù)試驗(yàn)向業(yè)務(wù)運(yùn)行拓展。

(3) 任務(wù)定位， 快速響應(yīng)、 戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用作用凸顯。

(4) 運(yùn)用方式， 通過多星組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)集群應(yīng)用。

(5) 發(fā)展理念， 標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化、 系列化成為趨勢。

(6) 發(fā)展途徑， 軍民商共同參與， 商業(yè)采購成為主流。

3 巨大的航天發(fā)展機(jī)遇

低軌大規(guī)模巨型星座發(fā)展預(yù)示著航天軌道革命的來臨， 其背后是技術(shù)、 商業(yè)模式、 資本、 市場等多領(lǐng)域的高速發(fā)展與高度融合， 由此帶來的是巨大的航天發(fā)展機(jī)遇。

依靠著相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的巨大進(jìn)步， 航天活動的成本和難度大幅下降， 使得航天投資門檻大幅降低， 具備了商業(yè)化運(yùn)營的空間。 首先， 商業(yè)現(xiàn)貨元器件(COTS) 的進(jìn)步和大量應(yīng)用， 衛(wèi)星產(chǎn)品平臺型譜化、 衛(wèi)星組件軟件通用化以及開源操作管理系統(tǒng)出現(xiàn)， 使得衛(wèi)星設(shè)計(jì)研制難度大幅下降。 薩瑞衛(wèi)星公司創(chuàng)始人馬丁·史威丁指出， 目前的商業(yè)現(xiàn)貨元器件(COTS) 已經(jīng)和衛(wèi)星專用器件一樣可靠。 洛馬公司和LuxSpace 都推出了型譜化、 標(biāo)準(zhǔn)化的衛(wèi)星平臺和載荷組件。 CPAW、PearlSim、 KubOS 等開源公開軟件進(jìn)一步便捷了衛(wèi)星設(shè)計(jì)過程， 使得衛(wèi)星設(shè)計(jì)一站式解決方案成為可能。 其次， 大數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)、 協(xié)作機(jī)器人、自動導(dǎo)軌傳送機(jī)器人、 智能裝配工具、 自動精準(zhǔn)耦合系統(tǒng)、 自動光學(xué)檢測系統(tǒng)、 自動加熱分配系統(tǒng)、 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具、 自動測試系統(tǒng)等數(shù)字化、 智能化、 模塊化、 批量化制造技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用到衛(wèi)星總裝、 集成和測試(AIT) 中， 使得衛(wèi)星生產(chǎn)批量化規(guī)?；?， 產(chǎn)能大幅上升的同時(shí)， 極大地降低了衛(wèi)星制造成本。 OneWeb 公司和SpaceX 公司都提出1 天至少3 顆衛(wèi)星的出廠速度， 同時(shí)單星成本不超過50 萬美元[5]。 佛羅里達(dá)工廠通過載荷、 電子設(shè)備、 推進(jìn)系統(tǒng)、 太陽帆板4 條并行獨(dú)立生產(chǎn)線生產(chǎn)衛(wèi)星， 可以60 萬美元的成本每天出廠衛(wèi)星3 ～4 顆， 年產(chǎn)量高達(dá)890 顆。 最后， 隨著一箭多星技術(shù)的常態(tài)化、 可重復(fù)使用火箭技術(shù)的實(shí)用化、 小型專用火箭的出現(xiàn)以及發(fā)射組織服務(wù)模式創(chuàng)新， 小衛(wèi)星的發(fā)射成本也大幅降低。 這些因素共同作用使得進(jìn)入航天領(lǐng)域的門檻大幅下降， 大規(guī)模星座的研制、 部署、 運(yùn)營成本大幅降低， 為新公司和新商業(yè)模式的進(jìn)入鋪平了道路。

新公司、 新技術(shù)和新商業(yè)模式， 吸引了大量民間資本進(jìn)入， 航天不再只是政府主導(dǎo)。 除了本身就資本雄厚以外， 互聯(lián)網(wǎng)公司的進(jìn)入同時(shí)也帶來了新的融資模式， 緊跟而來的是敢于投資高風(fēng)險(xiǎn)初創(chuàng)企業(yè)的商業(yè)資本。 2015 年， OneWeb 公司已經(jīng)通過A 輪融資籌集了5 億美元的資金注入，并通過與產(chǎn)業(yè)鏈利益相關(guān)方合作的方式， 獲得了包括印度和墨西哥的電信運(yùn)營商、 可口可樂公司、 空客防務(wù)與航天公司(ADS)、 國際通信衛(wèi)星公司以及法國和美國的進(jìn)出口銀行多方融資。SpaceX 公司也已經(jīng)獲得了來自谷歌公司和富達(dá)投資公司10 億美元的投資。 過去10 年， 商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)吸引了超過130 億美元的投資， 其中20%來自于投資公司和私營企業(yè)。 歐洲咨詢公司發(fā)布的《小衛(wèi)星市場預(yù)測》 中預(yù)計(jì)未來10 年內(nèi)將發(fā)射超過6200 顆小衛(wèi)星， 相應(yīng)的制造市場規(guī)模約有165億美元， 發(fā)射市場規(guī)模約有145 億美元。 到2030年， 全球大約10%的GDP 都將來自于航天。

4 低軌大規(guī)模星座帶來的挑戰(zhàn)

低軌大規(guī)模星座的爆炸式發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國際社會的原有預(yù)期， 也在逼近近地軌道空間的承載極限， 將深刻變革現(xiàn)有的航天產(chǎn)業(yè)格局。 現(xiàn)有空間環(huán)境、 國際社會以及我國都面臨一系列的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

4.1 頻率和軌位資源

低軌大規(guī)模衛(wèi)星星座由于其巨大通信容量需求， 需要同時(shí)與地球同步軌道的衛(wèi)星系統(tǒng)和其他低軌星座系統(tǒng)兼容協(xié)調(diào)， 頻率競爭形勢極其激烈。 大量密集的低軌頻譜申請已經(jīng)對現(xiàn)有用頻規(guī)則構(gòu)成巨大沖擊， 且越來越有抓住現(xiàn)有國際規(guī)則漏洞“跑馬圈地”， 搶占低軌頻譜資源的態(tài)勢[6，7]。

2017 年， 國際電聯(lián)(ITU) 正式啟動星座投入使用規(guī)則修訂的研究工作， 試圖通過設(shè)置里程碑節(jié)點(diǎn)的方法， 規(guī)范已申請星座的分階段、 分批次發(fā)射使用。 對無法按照里程碑節(jié)點(diǎn)足量發(fā)射衛(wèi)星的， 電聯(lián)將縮減其星座規(guī)模甚至刪除。 但是，目前這些新方案僅僅是在國際電聯(lián)進(jìn)行討論， 正式頒布還要等到四年后。 在此期間， 低軌頻譜軌位方面存在巨大的管理漏洞。

在該方面歐美國家通過系統(tǒng)建設(shè)、 頻軌資源申報(bào)與國際電聯(lián)議題研究互相配合、 相輔相成，已占據(jù)很大優(yōu)勢。 他們幾乎在提出建設(shè)全球低軌星座計(jì)劃的同時(shí)， 啟動向本國頻率主管機(jī)構(gòu)及國際電聯(lián)的頻軌資源申報(bào)工作。 當(dāng)其系統(tǒng)建設(shè)、 頻軌資源申報(bào)走在前列時(shí)， 他們又開始在國際電聯(lián)層面嘗試收緊政策法規(guī)， 為后續(xù)其他全球星座系統(tǒng)的建設(shè)設(shè)置較高門檻， 同時(shí)為己方星座留足空間。 特別是2019 年8 月1 日， 美國FCC 通過了簡化小衛(wèi)星審批程序文件， 該文件針對滿足特定條件的低軌星座放寬了審批要求、 降低了申請門檻、 縮減了審批程序， 大大便捷了美國公司的小衛(wèi)星申請程序， 這在讓美國公司進(jìn)一步獲得優(yōu)勢的情況下， 將進(jìn)一步加劇頻率和軌位資源領(lǐng)域的競爭和運(yùn)營商間的協(xié)調(diào)沖突。

目前我國在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的申報(bào)數(shù)量、 頻段占有率都位居世界前列。 但由于申報(bào)策略不明確， 且實(shí)際投入使用星座數(shù)量少， 受到里程碑規(guī)定的嚴(yán)格約束， 未發(fā)揮出應(yīng)有作用。 因此， 我國一方面需要根據(jù)國際電聯(lián)規(guī)定對已申請網(wǎng)絡(luò)資料充分保護(hù)、 彈性啟用， 以應(yīng)對里程碑節(jié)點(diǎn)約束。 另一方面， 需要對衛(wèi)星應(yīng)用有更為清晰的規(guī)劃， 同時(shí)通過發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)手段緩解同頻共用的競爭壓力， 真正發(fā)揮所申報(bào)資源的價(jià)值。

4.2 空間碎片環(huán)境

空間碎片環(huán)境一直在不斷惡化中， 已經(jīng)開始威脅到了LEO 軌道的安全。 目前空間碎片環(huán)境的惡化仍遠(yuǎn)未得到遏制。 根據(jù)NASA 研究推算， 如果沒有有效的控制手段， 70 年后LEO 碎片密度將達(dá)到一個(gè)臨界值， 導(dǎo)致碎片鏈?zhǔn)阶矒粜?yīng)發(fā)生(Kessler 災(zāi)難)， 進(jìn)而使得近地空間徹底不可用[8-10]。 而大規(guī)模小衛(wèi)星星座的發(fā)射部署將極大地加劇這一趨勢[11]。

首先， 由于其數(shù)量巨大， 發(fā)射過程穿越空間目標(biāo)密集區(qū)域?qū)O大地增加部署軌道空間目標(biāo)數(shù)量及撞擊概率， 同時(shí)其自身受碎片撞擊概率也較大。 2019 年6 月28 日， SpaceX 發(fā)射的60 顆微小衛(wèi)星3 顆失聯(lián)， 2 顆將主動墜落， 5%成為碎片。2019 年9 月2 日， ESA 地球觀測衛(wèi)星Aeolus 采取了機(jī)動規(guī)避， 以避免與SpaceX 發(fā)射的60 顆微小衛(wèi)星發(fā)生碰撞。

合法性是組織社會學(xué)研究的重要范疇。對組織合法性的多重界定和分類主要對應(yīng)不同的制度來源和利益相關(guān)者④，廣為認(rèn)可的分類是Scott的規(guī)制合法性、規(guī)范合法性、認(rèn)知合法性三分法，分別基于管制性規(guī)則、約束性期待和建構(gòu)性圖式三種秩序基礎(chǔ)⑤。相關(guān)研究可分為制度視角和戰(zhàn)略視角。制度視角用合法性來理解組織與制度的關(guān)系，解釋組織趨同。⑥戰(zhàn)略視角認(rèn)為，組織可以高度控制合法化進(jìn)程，并通過合法化策略獲得、維持或修復(fù)合法性。⑦

其次， 由于小衛(wèi)星相對于傳統(tǒng)衛(wèi)星可靠性低， 還面臨入軌失敗率高、 運(yùn)行中失效率高及可靠任務(wù)后離軌難以保證的問題； 最后， 由于其目標(biāo)特征小， 地面難以對其進(jìn)行有效的監(jiān)測預(yù)警和規(guī)避。

從短期看， 大型小衛(wèi)星星座發(fā)射會使LEO 軌道目標(biāo)大量增加， 從而威脅到現(xiàn)有空間目標(biāo)的安全。 以O(shè)neWeb 星座為例， 根據(jù)仿真計(jì)算和ESA及NASA 的研究結(jié)果[12，13]， 其位于1200km 軌道高度由720 顆衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)在發(fā)射部署、在軌運(yùn)行和任務(wù)后離軌三個(gè)階段與已編目空間目標(biāo)危險(xiǎn)交會次數(shù)如圖1 所示。 僅其運(yùn)行階段單年的危險(xiǎn)交會次數(shù)即已超過現(xiàn)在全部空間目標(biāo)全年危險(xiǎn)交會次數(shù)(1000 多次)。 持續(xù)5 年的任務(wù)后離軌階段更是有超過萬次的危險(xiǎn)交會。 雖然通過縮減離軌時(shí)間能顯著減少危險(xiǎn)交匯次數(shù)， 但目前碎片減緩準(zhǔn)則對此并無約束。 這僅僅是一個(gè)720顆衛(wèi)星星座的影響， 上萬顆星座的影響會更加驚人。

圖1 OneWeb 星座不同階段危險(xiǎn)交會次數(shù)Fig.1 Number of dangerous rendezvous between One Websatelliteconstellateion and catalogued space objects in different stages

從長期看， 大型小衛(wèi)星星座自身也會遭遇碎片撞擊， 使得低軌撞擊次數(shù)增加， 產(chǎn)生更多的空間碎片， 加劇碎片環(huán)境的長期惡化趨勢。 根據(jù)2016 年ESA 的研究結(jié)果[14]， 一個(gè)壽命期50 年(2021 -2071) 的典型的大型小衛(wèi)星星座(1080顆200kg 衛(wèi)星， 分布于高度1100km、 傾角80°的20 個(gè)軌道平面) 的發(fā)射運(yùn)行將導(dǎo)致LEO 軌道物體和撞擊次數(shù)在短時(shí)間內(nèi)的激增； 當(dāng)星座中衛(wèi)星任務(wù)后離軌成功率(PMD) 高達(dá)90%以上時(shí)， 軌道物體數(shù)量和撞擊次數(shù)才能在星座退役后緩慢恢復(fù)到正常水平， 而低于90%的PMD 將導(dǎo)致軌道物體持續(xù)增長， 空間環(huán)境將不可逆轉(zhuǎn)的持續(xù)惡化， 如圖2、 3。 當(dāng)達(dá)到90%PMD 成功率時(shí)， 若縮短離軌時(shí)間， LEO 區(qū)域物體數(shù)量和撞擊次數(shù)峰值將隨之縮小， 環(huán)境恢復(fù)速度也將隨之提升， 如圖4、 5。

圖2 不同PMD 執(zhí)行率下星座對LEO 軌道10cm 以上碎片數(shù)量影響[12]Fig.2 Influence of constellateion on number of LEO space objects larger than 10cm with different PMD rates

圖3 不同PMD 執(zhí)行率下星座對LEO 軌道物體相撞次數(shù)的影響[9]Fig.3 Influence of constellateion on number of collisions between LEO objects with different PMD rates

聯(lián)合國外空委(UNCOPUOS) 和國際機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(IADC) 現(xiàn)有的空間碎片減緩指南完全無法遏制大規(guī)模小衛(wèi)星星座對空間碎片環(huán)境的災(zāi)難性影響。 為此， IADC 從2015 年開始， 2016、 2017、 2018 年連續(xù)在外空委大會上提交關(guān)于大規(guī)模星座問題的聲明， 聲明指出: “大規(guī)模星座將導(dǎo)致空間碎片環(huán)境嚴(yán)重惡化， 對現(xiàn)存減緩指南構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)”。 IADC 建議: (1) 大型微小衛(wèi)星星座不要在軌道高度上重疊， 避免相互碰撞； (2) 在400km 以上軌道高度的微小衛(wèi)星必須自帶角反射器等， 能告知監(jiān)測系統(tǒng)衛(wèi)星自身的空間位置， 以避免和其他衛(wèi)星碰撞； (3) 微小衛(wèi)星在任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行迅速可靠的鈍化、 離軌處置， 在壽命結(jié)束后5 年內(nèi)必須離軌； (4) 微小衛(wèi)星制造時(shí)選用適當(dāng)?shù)牟牧希?使得衛(wèi)星在重返大氣層時(shí)能夠徹底分解、 燒毀， 確保沒有碎片到達(dá)地面， 以免對地面上的人或財(cái)產(chǎn)構(gòu)成重大風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 不同PMD 時(shí)間下星座對LEO 軌道10cm 以上碎片數(shù)量影響Fig.4 Influence of constellateion on number of LEO space objects larger than 10cm with different PMD rates

圖5 不同PMD 時(shí)間下星座對LEO 軌道物體相撞次數(shù)的影響Fig.5 Influence of constellateion on number of collisions between LEO objects with different PMD rates

4.3 信息安全

低軌通信星座將實(shí)現(xiàn)全球范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，由于其終端和接入費(fèi)用的低廉， 將很大程度上成為偏遠(yuǎn)和不發(fā)達(dá)地區(qū)的主要通信方式。 對于我國， 雖然現(xiàn)有4G 等無線通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已較為完善， 但仍存在大量偏遠(yuǎn)不發(fā)達(dá)地區(qū)適合使用星座通信網(wǎng)絡(luò)。 星座網(wǎng)絡(luò)不同于現(xiàn)有傳統(tǒng)地面通信設(shè)施， 它不受國界限制， 難以物理隔絕， 且無法監(jiān)控。 將使我國現(xiàn)有國家防火墻形同虛設(shè)， 對我國的信息安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅， 政治隱患巨大。

低軌遙感衛(wèi)星星座則本身就具有極高的軍民兩用性。 美國多家從事遙感衛(wèi)星星座的公司本身就具有一定的美國軍方和政府背景。 美國國家地理空間情報(bào)局也在針對商業(yè)遙感衛(wèi)星星座發(fā)布的《商業(yè)地理空間情報(bào)戰(zhàn)略》 中明確要求這些公司:在作戰(zhàn)要求時(shí)限內(nèi)提供多樣化圖像、 情報(bào)產(chǎn)品和服務(wù)， 保障情報(bào)用戶做出明智決策， 并建立辦公室促進(jìn)軍方對新興商業(yè)對地觀測小衛(wèi)星星座的利用。 低軌大規(guī)模星座系統(tǒng)本身就可能隱藏了軍用平臺和系統(tǒng)， 其建成后也很可能進(jìn)一步牽引產(chǎn)生新的軍事用途， 甚至直接融入軍事系統(tǒng)中， 這也將對我國的國家安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

4.4 產(chǎn)業(yè)安全

由于大規(guī)模星座規(guī)?；径荚谇ьw量級以上， 交付周期也比普通通信衛(wèi)星更短， 以傳統(tǒng)制造商的現(xiàn)有AIT 設(shè)施、 延續(xù)現(xiàn)有的研制模式， 根本無法滿足這種需求。 針對該情況， 歐美互聯(lián)網(wǎng)星座公司都開始通過和傳統(tǒng)航天企業(yè)合作， 建立新型的衛(wèi)星研制模式和AIT 流程[15]。

OneWeb 公司與佛羅里達(dá)航天公司和歐洲空客集團(tuán)分別達(dá)成協(xié)議， 在美國和歐洲建立工廠，將傳統(tǒng)飛機(jī)批量制造的方式引入衛(wèi)星制造， 利用自動生產(chǎn)、 組裝流水線進(jìn)行大規(guī)模、 低成本衛(wèi)星生產(chǎn)[2]。 SpaceX 公司也在西雅圖設(shè)立了衛(wèi)星工廠， 計(jì)劃充分利用智能裝配工具、 大數(shù)據(jù)控制、機(jī)器人、 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具以及自動測試系統(tǒng)等手段， 加速整個(gè)總裝、 集成和測試 (AIT) 流程，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的批量化、 自動化、 短周期生產(chǎn)。 這些生產(chǎn)能力具有強(qiáng)烈的軍民兩用性， 戰(zhàn)時(shí)將直接轉(zhuǎn)換為軍事衛(wèi)星的快速生產(chǎn)補(bǔ)充能力。

目前， 我國大規(guī)模星座計(jì)劃進(jìn)度落后于歐美， 產(chǎn)業(yè)發(fā)展也缺乏相應(yīng)的牽引。 而高效率、 大批量、 低成本生產(chǎn)小衛(wèi)星引起的技術(shù)產(chǎn)業(yè)變革是全方位的， 最終也必將會引起傳統(tǒng)大型衛(wèi)星研制生產(chǎn)技術(shù)的變革。 如果我們不采取果斷措施， 這種變革將顛覆傳統(tǒng)衛(wèi)星AIT 產(chǎn)業(yè)， 和平時(shí)期導(dǎo)致我國衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)喪失國際競爭力， 戰(zhàn)時(shí)導(dǎo)致衛(wèi)星生產(chǎn)補(bǔ)充能力全面落后， 屆時(shí)我國衛(wèi)星制造產(chǎn)業(yè)將可能面臨全面的落后而出局。

4.5 天文學(xué)觀測

2019 年6 月10 日美國天文學(xué)會發(fā)表立場聲明， 指出低軌大規(guī)模星座對天文學(xué)和宇宙學(xué)觀測產(chǎn)生越來越明顯不利影響:

(1) 星座反射和發(fā)射的光會嚴(yán)重影響光學(xué)和近紅外觀測；

(2) 星座通信的電磁輻射會對無線電天文觀測造成污染；

(3) 星座本身也會對天基空間天文觀測臺構(gòu)成碰撞威脅。

5 發(fā)展與應(yīng)對策略

以低軌大規(guī)模開發(fā)利用為代表的“軌道革命”是航天事業(yè)未來重大的發(fā)展機(jī)遇。 大規(guī)模衛(wèi)星星座作為未來重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施對于我國這樣一個(gè)國家利益正在全球化的大國來講， 其重要性也不言而喻。 因此， 我們需要出臺相關(guān)政策， 積極引導(dǎo)、 推進(jìn)自主可控、 服務(wù)“一帶一路” 等我國全球利益的低軌大規(guī)模星座系統(tǒng)建設(shè)， 打造自己的低軌大規(guī)模星座體系， 形成我國自主的低成本、 大規(guī)模、 批量化衛(wèi)星生產(chǎn)制造能力。

同時(shí)， 低軌大規(guī)模星座帶來的諸多挑戰(zhàn)在未來很可能相互耦合關(guān)聯(lián)作用， 引起更加復(fù)雜的問題和挑戰(zhàn)， 需要我國提前做好應(yīng)對準(zhǔn)備。

首先， 空間碎片環(huán)境惡化和頻譜、 軌位資源問題都凸顯了現(xiàn)有國際規(guī)則的不完善。 需要在現(xiàn)有國際規(guī)則情況下采取有效措施盡可能維護(hù)我國利益， 同時(shí)做好充分準(zhǔn)備在相關(guān)國際法規(guī)的修改制定中形成對我國有利的局面。

其次， 低軌大規(guī)模星座導(dǎo)致的空間碎片環(huán)境惡化必將加劇加速對空間碎片主動移除技術(shù)的需求和發(fā)展。 我國需要在加大空間碎片主動移除技術(shù)研發(fā)投入的同時(shí)， 做好應(yīng)對其他航天強(qiáng)國以此為名發(fā)展太空武器， 甚至以碎片移除為掩護(hù)攻擊我國衛(wèi)星的防范準(zhǔn)備。

最后， 低軌大規(guī)模星座系統(tǒng)是重要的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施， 本身就可能隱藏了軍用平臺和系統(tǒng)， 其建成后也很可能進(jìn)一步牽引產(chǎn)生新的軍事用途， 甚至直接融入軍事系統(tǒng)中。 我國需要提前發(fā)展相應(yīng)的應(yīng)對技術(shù)做好應(yīng)對預(yù)案。

綜上討論， 對我國發(fā)展低軌大規(guī)模星座的建議如下:

(1) 加強(qiáng)跟蹤研究

目前低軌大規(guī)模星座國際情況復(fù)雜， 技術(shù)、政策、 法律、 商業(yè)等多領(lǐng)域都存在問題， 信息量大且真假難辨， 需要組織專業(yè)研究力量， 緊盯國外發(fā)展情況和態(tài)勢， 分析其內(nèi)在動因、 目的、 技術(shù)水平和實(shí)際進(jìn)展， 同時(shí)結(jié)合國內(nèi)情況， 研究相關(guān)應(yīng)對策略， 為決策提供參考。

(2) 制定政策引導(dǎo)

相比歐美國家， 我國在大規(guī)模小衛(wèi)星星座領(lǐng)域缺乏有針對性的相關(guān)政策， 官方和民間力量都對該領(lǐng)域投入熱情不夠， 需要國家主管部門的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)， 根據(jù)我國現(xiàn)實(shí)情況， 出臺相關(guān)政策， 指引該領(lǐng)域發(fā)展。 一方面， 發(fā)揮具有完整產(chǎn)業(yè)鏈單位的整體優(yōu)勢， 設(shè)計(jì)完整的產(chǎn)業(yè)解決方案并盡快付諸實(shí)施。 另一方面鼓勵(lì)有發(fā)展意愿的民間力量， 發(fā)展合理可行的商業(yè)模式， 從而吸引民間資本市場多元化投入， 壯大該領(lǐng)域的競爭力量。

(3) 推進(jìn)法規(guī)完善

大規(guī)模小衛(wèi)星星座在空間碎片環(huán)境、 頻段軌位資源、 空間進(jìn)入利用等方面都對現(xiàn)行法律法規(guī)構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 在出臺相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的同時(shí)， 也需要進(jìn)一步完善相關(guān)法律法規(guī)， 以有效約束相關(guān)領(lǐng)域活動， 使其有序發(fā)展。 同時(shí)， 國際社會在該領(lǐng)域也存在法律法規(guī)缺位。 搶先在國內(nèi)制定并實(shí)施相關(guān)法規(guī)有助于我們在國際規(guī)則制定上搶得先機(jī)， 促使對我國有利的國際規(guī)則形成。

(4) 加大技術(shù)支撐

低軌大規(guī)模星座從設(shè)計(jì)、 研制、 生產(chǎn)到發(fā)射、 部署、 運(yùn)營都涉及大量先進(jìn)技術(shù)， 包括傳統(tǒng)航天領(lǐng)域內(nèi)的新興技術(shù)和領(lǐng)域外技術(shù)交叉融合。需要根據(jù)我國實(shí)際情況， 聯(lián)合優(yōu)勢單位， 對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行集智攻關(guān)， 以有效支撐該領(lǐng)域發(fā)展。 具體包括: 頻譜方面: 更高頻段無線電傳輸技術(shù)、無線電抗干擾技術(shù)、 在軌頻譜感知技術(shù)； 空間碎片環(huán)境方面: 低成本強(qiáng)制離軌模塊、 在軌衛(wèi)星自動規(guī)避技術(shù)、 低成本空間碎片批量移除技術(shù)； 衛(wèi)星研制方面: 衛(wèi)星智能化批量化AIT 技術(shù)； 運(yùn)載發(fā)射方面: “一箭百星” 級衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)， 衛(wèi)星運(yùn)管方面: 大規(guī)模星座運(yùn)管控技術(shù)、 星上自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)、 體系仿真技術(shù)等。

(5) 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

大規(guī)模小衛(wèi)星星座發(fā)展最終導(dǎo)致的結(jié)果是航天產(chǎn)業(yè)的巨大變革。 我國由于種種原因在該領(lǐng)域已經(jīng)落后， 因此有必要根據(jù)國內(nèi)情況和國際趨勢， 有針對性地加大對該方向優(yōu)勢單位的扶持力度， 促進(jìn)其快速轉(zhuǎn)型， 以適應(yīng)新形勢， 趕超國際先進(jìn)。

(6) 國際合作應(yīng)對

目前， 針對大規(guī)模小衛(wèi)星星座我國在言論和行動方面都缺乏動作， 需要系統(tǒng)的從多方面采取行動， 包括通過政府機(jī)構(gòu)或企業(yè)發(fā)聲表態(tài)， 譴責(zé)SpaceX 等公司利用國際規(guī)則不健全， 惡意搶占頻軌資源的行為； 組織促進(jìn)國內(nèi)企業(yè)積極參與國際頻軌資源競爭； 組織國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)積極參與國際規(guī)則制定； 從國家層面分析研究低軌大規(guī)模星座系統(tǒng)布局， 重點(diǎn)利用未被占用的軌道空白點(diǎn)配置我國大規(guī)模星座等。