“长征”系列火箭发射国际低轨卫星星座的思考
在高轨卫星市场日渐饱和的今天 ， 中低轨小卫星星座已成为航天产业发展的新增长点 。 自1997年起 ， 美国铱星公司发射了66颗用于手机全球通信的人造卫星 ， 成为20年前最著名的卫星星座之一 。 近年来 ， 随着卫星通量及制造技术的大幅提升 ， 使用众多中低轨道卫星实现通信、对地观测的公司日渐火爆 。 中低轨卫星星座因其距离地面近、通信延时小的特点 ， 可以在机载互联网、发展中国家互联网接入、灾害检测等多方面发挥独特作用 ， 也催生了国际上一大批低轨卫星星座服务供应商 。
一、国际低轨卫星星座布局情况
卫星星座是指由一系列绕地小型卫星组成的、以实现特定应用为目的的卫星群 ， 国际上通常将质量小于500kg的卫星称为小卫星 。 与传统的同步轨道卫星相比 ， 组建星座的小卫星通常在中低地轨道（LEO、MEO）绕地球飞行 ， 在卫星之间、星地之间形成通信网络 。 根据德国宇航研究院（DLR）的文献资料 ， 在2017年全球发射（含失败）的452颗卫星中 ， 质量在500kg以下的占73% ， 其中以通信、遥感为应用背景的低轨星座发射为主 。 2017年全球发射卫星数量分布如图1所示 。
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图12017年全球发射卫星数量分布
【“长征”系列火箭发射国际低轨卫星星座的思考】目前 ， 业界对低轨星座的增长态势同样持积极态度 ， 如欧洲咨询公司（Euroconsult）预计 ， 在2018—2027年将有超过7000颗卫星需要发射 ， 是前10年实际发射数量（1200颗左右）的近6倍 ， 相当于157亿美元的产值 。 按照应用类别分类 ， 这些星座中50%为通信星座 ， 20%为对地观测星座 ， 剩余30%涉及物联网、机械通信、自动辨识系统等工业信息技术应用 。
1．通信卫星星座
美国一网公司（Oneweb）和太空探索技术公司（SpaceX）的2个大型通信卫星星座共计划发射至少3200颗卫星 ， 占据通信卫星总数的90% ， 国际四大通信卫星运营商也纷纷布局低轨卫星通信星座 。
Oneweb公司的星座计划 。 Oneweb公司是2012年创立的全球通信公司 ， 其卫星星座计划由650多颗低地轨道卫星组成 ， 最终实现全球无缝接入互联网 ， 大幅降低网络信号延迟的愿景 。 星座1代将包含648颗卫星 ， 每颗质量约150kg；星座2代将多达2000颗卫星 。 该公司已于2019年2月27日成功发射了6颗宽带卫星 ， 2020年底前还将依托欧洲阿里安航天公司（Arianespace） ， 使用“联盟”号火箭发射20次 ， 每次至少将34~36颗卫星发射到500km轨道高度 ， 最终达到客户演示服务所需的超过648颗卫星 ， 在2021—2022年提供完整的全球商业覆盖 。 Oneweb公司的星座计划概念如图2所示 ， 已执行任务及未来任务规划见表1 。
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图2Oneweb公司星座计划概念图
表1Oneweb公司已执行任务及未来任务规划
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SpaceX公司的星链计划 。 星链计划是SpaceX公司在2015年提出的天基互联网通信计划 ， 计划在2020年开始商业化运营 。 该计划与Oneweb公司的主营业务互为竞争关系 ， 但卫星数量更大 。 SpaceX公司总裁马斯克称 ， 将用12000颗卫星为全球人类提供颠覆性卫星通信业务 。 按照计划 ， 初期的400颗卫星部署后 ， SpaceX公司即可开始提供服务 ， 在2021年部署完800颗卫星后可满足北美地区的天基互联网需求 。 当超过4000颗卫星被成功部署后 ， 剩余的7518颗卫星会被陆续发射至340km高的超低轨道 ， 以完成在全球空间无死角Wi-Fi覆盖 。 目前 ， 已经发射的卫星包括2颗试验星及60颗卫星 ， 分别在2018年3月和2019年5月由“猎鹰”9号运载火箭发射 。 首批60颗卫星采用批量生产 ， 质量为227kg ， 后续发射的卫星质量为386kg 。 SpaceX公司已执行任务及未来任务规划见表2 。
表2SpaceX公司已执行任务及未来任务规划
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四大通信卫星运营商对低轨卫星星座的布局调整 。 传统的通信卫星运营商对于新兴通信模式变化带来的布局和调整 ， 必将影响整个通信行业未来的发展 。 国际电信公司（Intelsat）将与Oneweb公司联合提供一体化通信服务解决方案；欧洲通信卫星公司（Eutelsat）计划发射低轨物联网星座；欧洲卫星公司（ESE）收购了O3b公司 ， 成为全球首个拥有GEO+MEO系统的运营商；加拿大通信卫星公司（Telesat）成功部署了自主低轨星座首颗试验星 。
2．遥感、对地观测卫星星座
在遥感、对地观测卫星星座方面 ， 各个公司的星座计划较为分散 ， 通常在100~300颗卫星之内 ， 主要包括Planet、Spire、Blacksky、Satellogic等公司 ， 星座卫星质量也较小 ， 如Planet和Spire公司的星座为立方星 。
Planet公司的星云计划 。 Planet公司的主营业务为对地观测服务 ， 2017年收购了SkyboxImaging公司 ， 合并后公司的卫星星座由Skybox和Dove组成 。 合并之前 ， SkyboxImaging公司和Planet公司都在开发具备一定对地观测能力的微型遥感卫星 ， SkyboxImaging公司的星座计划是发射12~24颗SkySat卫星 ， 而Planet公司的星座计划是发射几百颗Dove卫星来获取稳定的地球表面图像 。 这2家公司开发的卫星类型并不相同 ， Skybox的卫星质量为120kg ， 拥有更高分辨率（1m） ， 而Planet的卫星则是3U立方体小卫星 ， 分辨率一般（3~5m） ， 但数量非常多 。 Skybox目前共发射了7颗高分辨率卫星 ， 而Planet已经在轨207颗 ， Planet公司的Dove星座是目前世界上最大的遥感星座 ， 每天可以重访任意地点2次 。 Skybox发射的7颗高分辨率SkySat卫星与Planet原有的中分辨率卫星合作 ， 为Planet的对地观测业务带来独特而有价值的影像 。 Planet和SkyboxImaging公司已执行任务及未来任务规划见表3 。
表3Planet和SkyboxImaging公司已执行任务及未来任务规划
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Spire公司的Lemur星座 。 Spire公司是一家小型卫星技术方案公司 ， 其卫星可跟踪船只和飞机 ， 并收集大气数据以预测天气 。 2015年开始发射组建遥感卫星星座 ， 星座由125颗3U立方星组成 ， 单星质量约4kg 。 Lemur-2通过搭载“天鹅座”货运飞船、H-2运载火箭和PSLVXL运载火箭发射 ， 目前该系列卫星已经成功发射了28颗 。 Spire公司已执行任务及未来任务规划见表4 。
表4Spire公司已执行任务及未来任务规划
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Blacksky公司的卫星星座 。 Blacksky公司的主要业务为对地观测 ， 其客户之一为美国情报部门 。 从2016年开始 ， 已经发射3颗卫星 ， 拟组建一个由60颗卫星构成的星座 。 星座可实现在一些主要城市上空重复拍摄40~70次 ， 将影像获取时间缩短至几个小时甚至更短 。 由于成像条件有限和优先级别约束 ， 传统公司获取商业卫星影像的周期一般为几周或几天 ， 而BlackSky可以将这一时间缩短至90分钟 。 Blacksky公司已执行任务及未来任务规划见表5 。
表5Blacksky公司已执行任务及未来任务规划
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