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現(xiàn)在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星嘗試流水線生產(chǎn)，將為今后高效批量生產(chǎn)衛(wèi)星奠定基礎(chǔ)，“未來(lái)我們也許會(huì)像生產(chǎn)汽車一樣生產(chǎn)衛(wèi)星”

規(guī)劃建設(shè)民商發(fā)射場(chǎng)或發(fā)射工位，豐富發(fā)射場(chǎng)資源正當(dāng)其時(shí)

中國(guó)星間通信在基礎(chǔ)材料、軟硬件核心零部件等方面仍有一定依賴，增強(qiáng)供應(yīng)鏈的自主可控，是接下來(lái)要重點(diǎn)研究的問(wèn)題

文 |《瞭望》新聞周刊記者李亞彪 吳慧珺 鄒樂(lè) 林翔

把一顆承接互聯(lián)網(wǎng)功能的衛(wèi)星鑲嵌到太空，究竟要分多少步？天地兩端需要哪些技術(shù)支撐？接下來(lái)還要做哪些準(zhǔn)備？

回答這些問(wèn)題，首先要清楚：低軌衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)主要包括衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)、衛(wèi)星制造技術(shù)、星間通信技術(shù)、用戶終端相控陣技術(shù)等，其中發(fā)射環(huán)節(jié)格外關(guān)鍵。

2022年初發(fā)布的《中國(guó)航天科技活動(dòng)藍(lán)皮書(shū)（2021年）》數(shù)據(jù)顯示，全球2021年實(shí)施的發(fā)射任務(wù)次數(shù)、航天器發(fā)射總數(shù)量，均為歷史最高。然而專家認(rèn)為，這些發(fā)射密度尚未達(dá)到峰值，現(xiàn)在還只是世界各國(guó)諸多星座天基組網(wǎng)計(jì)劃大規(guī)模實(shí)施的前夜。

隨著國(guó)內(nèi)外相應(yīng)技術(shù)壁壘逐漸消除，通過(guò)衛(wèi)星提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，已不存在難以逾越的技術(shù)瓶頸，低軌道、高帶寬衛(wèi)星星座建設(shè)正在步入快車道。

在這場(chǎng)激烈的競(jìng)賽當(dāng)中，中國(guó)準(zhǔn)備好了嗎？

銀河航天批量研制的低軌寬帶通信衛(wèi)星 銀河航天供圖

突破星座建設(shè)瓶頸

在一張張環(huán)布地球的巨大太空網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星是構(gòu)成其中的最基礎(chǔ)要素，衛(wèi)星制造是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的根本。

“衛(wèi)星制造成本正在不斷降低?！苯衲?月在合肥舉辦的空天信息與數(shù)字地球創(chuàng)新峰會(huì)上，中科院院士、中科院空天信息創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)吳一戎談到，當(dāng)單顆衛(wèi)星的制造成本降到100萬(wàn)美元以內(nèi)時(shí)，也將極大地降低發(fā)射成本。

目前，國(guó)際上大部分低軌衛(wèi)星已可以做到在總質(zhì)量不到500千克情況下，每顆成本控制在100萬(wàn)美元以內(nèi)。

據(jù)中國(guó)電科發(fā)展戰(zhàn)略研究中心戰(zhàn)略與規(guī)劃研究部高級(jí)工程師鄒明介紹，近年來(lái)，衛(wèi)星天線系統(tǒng)、自主避撞系統(tǒng)、星敏感器等方面以及材料、工藝的技術(shù)進(jìn)步，使衛(wèi)星集成度更高，小型化、模塊化、批量化成為可能，極大降低了衛(wèi)星體積、質(zhì)量和制造成本，縮短了生產(chǎn)周期。

在上海松江，一個(gè)年產(chǎn)300顆衛(wèi)星的生產(chǎn)線正在建設(shè)。上海航天技術(shù)研究院副院長(zhǎng)李昕對(duì)《瞭望》新聞周刊記者說(shuō)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星嘗試流水線生產(chǎn)，將為今后高效批量生產(chǎn)衛(wèi)星奠定基礎(chǔ)，“未來(lái)我們也許會(huì)像生產(chǎn)汽車一樣生產(chǎn)衛(wèi)星”。

2021年初，國(guó)內(nèi)的銀河航天就啟動(dòng)了衛(wèi)星小批量研制工作，不到一年時(shí)間，就完成小批量衛(wèi)星的全部設(shè)計(jì)、總裝、測(cè)試、試驗(yàn)和出廠工作，這是中國(guó)首次成批量研制低軌寬帶通信衛(wèi)星。

今年初，銀河航天的6顆低軌寬帶通信衛(wèi)星順利下線，完成出廠評(píng)審，運(yùn)抵發(fā)射場(chǎng)。銀河航天擬通過(guò)該批衛(wèi)星構(gòu)建可以提供寬帶通信服務(wù)的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，為大規(guī)模組網(wǎng)應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

即便如此，產(chǎn)能依然是中國(guó)低軌衛(wèi)星制造需要突破的瓶頸之一。低軌道星座建設(shè)需要在較短時(shí)間內(nèi)建造成百上千顆衛(wèi)星，對(duì)產(chǎn)能要求高。國(guó)內(nèi)一些實(shí)力雄厚的衛(wèi)星工廠正在建設(shè)的具備每月生產(chǎn)30顆小型衛(wèi)星的生產(chǎn)線，已經(jīng)接近英國(guó)“一網(wǎng)”公司產(chǎn)能，但和太空探索技術(shù)公司每月120顆相比仍有差距。

從地面到空間，大規(guī)模星座工程建設(shè)面臨全新挑戰(zhàn)。在建設(shè)經(jīng)驗(yàn)方面，北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航是中國(guó)目前在軌規(guī)模較大的星座系統(tǒng)，積累了衛(wèi)星、運(yùn)載火箭中等規(guī)模批產(chǎn)批次發(fā)射經(jīng)驗(yàn)，也具備長(zhǎng)期管理、異常處置等在軌管理能力。然而，專家認(rèn)為，同北斗系統(tǒng)相比，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)規(guī)模更大、功能更復(fù)雜，目前中國(guó)還缺少數(shù)百顆甚至上千顆衛(wèi)星所構(gòu)成星座的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

星座建設(shè)的投入也不容忽視。國(guó)內(nèi)低軌衛(wèi)星星座建設(shè)主體齊全，但研究部門從已規(guī)劃的星座建設(shè)需求測(cè)算，預(yù)計(jì)投入規(guī)模將超過(guò)800億元，這是一筆巨大的前期投入。此外，按單星設(shè)計(jì)壽命5年計(jì)算，即便星座組網(wǎng)成功，維持星座運(yùn)營(yíng)還需要不停發(fā)射補(bǔ)網(wǎng)衛(wèi)星，預(yù)計(jì)每年補(bǔ)網(wǎng)硬投入也在百億元左右。

中國(guó)電科發(fā)展戰(zhàn)略研究中心工程師吳明閣等專家認(rèn)為，國(guó)外發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的多是商業(yè)部門，追求的是互聯(lián)網(wǎng)接入帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)利益。但衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座除商業(yè)用途之外，不應(yīng)忽視其具有的公益屬性。因此，構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)資源共享的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座，走出一條具有中國(guó)特色的建設(shè)之路，需要盡快破題。

衛(wèi)星發(fā)射能力不斷增強(qiáng)

衛(wèi)星發(fā)射在低軌星座建設(shè)成本中比重較大，如果沒(méi)有高效、充足的太空發(fā)射能力，大規(guī)模星座建設(shè)難以實(shí)現(xiàn)。

太空發(fā)射有賴于火箭技術(shù)的進(jìn)步。在國(guó)際上，最新的可重復(fù)利用火箭技術(shù)已大幅降低了發(fā)射成本，提升了大規(guī)模星座建設(shè)效率。來(lái)自相關(guān)國(guó)際大公司的實(shí)踐表明，在實(shí)現(xiàn)火箭回收重新利用之前，每次發(fā)射費(fèi)用在數(shù)千萬(wàn)美元；而實(shí)現(xiàn)火箭回收可重復(fù)利用后，單次發(fā)射成本平均可望降至600萬(wàn)美元。

對(duì)火箭而言，“大推力”和“低成本”相輔相成。上海航天技術(shù)研究院產(chǎn)業(yè)發(fā)展部副部長(zhǎng)陳昌敢認(rèn)為，在這兩方面，目前較成功的技術(shù)案例是太空探索技術(shù)公司的“獵鷹9”火箭。

早在2018年2月，太空探索技術(shù)公司就以一枚“獵鷹9”火箭將一顆西班牙衛(wèi)星送入軌道，同時(shí)還將該公司衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目首批原型衛(wèi)星送入太空，為搭建由上萬(wàn)顆衛(wèi)星組成的“星鏈”做準(zhǔn)備。

有分析指出，“獵鷹9”火箭將其太空運(yùn)費(fèi)削減到每千克2600美元，同20年前的運(yùn)費(fèi)相比下降了四分之三。下一代“獵鷹”重型運(yùn)載火箭有可能把成本進(jìn)一步降至每千克1500美元?！矮C鷹9”火箭具備一箭搭載60星能力，其下一代重型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)能力為每次可將400顆“星鏈”衛(wèi)星送至相應(yīng)軌道，發(fā)射成本將降至原來(lái)的五分之一。

其他的方法也在探索之中。在英國(guó)，維珍銀河公司設(shè)計(jì)的做法是，由白騎士特種飛機(jī)將發(fā)射者火箭帶到離地面15千米高度后，再由發(fā)射者火箭點(diǎn)火將小型衛(wèi)星帶到近地軌道。如此一來(lái)，發(fā)射費(fèi)用可以做到只有太空探索技術(shù)公司報(bào)價(jià)的六分之一。

“一箭多星”和可重復(fù)利用火箭技術(shù)在中國(guó)太空發(fā)射領(lǐng)域同樣方興未艾。

在以長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭為主的中國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)中，多種運(yùn)載火箭可“一箭多星”。今年2月，長(zhǎng)征八號(hào)運(yùn)載火箭在文昌成功將22顆衛(wèi)星發(fā)射升空，創(chuàng)造中國(guó)“一箭多星”新紀(jì)錄。

可重復(fù)的液體燃料火箭燃料成本最低僅為固體燃料的二百分之一，雖然目前尚無(wú)發(fā)射記錄，但隨著可重復(fù)商業(yè)火箭的關(guān)鍵技術(shù)近期不斷取得突破，國(guó)內(nèi)可重復(fù)的液體燃料商業(yè)運(yùn)載火箭首飛時(shí)間也未來(lái)可期。

“推力決定運(yùn)載能力，國(guó)內(nèi)的火箭噸位與國(guó)際巨頭相比有差距?！崩铌空f(shuō)。在剛剛過(guò)去的2021年，美國(guó)共完成了51次航天發(fā)射，發(fā)射載荷總質(zhì)量403.34噸，超過(guò)其他各國(guó)總和。中國(guó)執(zhí)行55次發(fā)射任務(wù)，次數(shù)居世界首位，但總質(zhì)量不足美國(guó)一半。

衛(wèi)星發(fā)射還需要準(zhǔn)備好的是發(fā)射場(chǎng)——航天器進(jìn)入空間的最后一站。

《2021中國(guó)的航天》白皮書(shū)指出，酒泉、太原、西昌發(fā)射場(chǎng)適應(yīng)性改造全面完成，酒泉發(fā)射場(chǎng)新增液體火箭商業(yè)發(fā)射工位，文昌航天發(fā)射場(chǎng)進(jìn)入業(yè)務(wù)化應(yīng)用階段，基本建成沿海內(nèi)陸相結(jié)合、高低緯度相結(jié)合、各種射向范圍相結(jié)合的航天發(fā)射格局，能夠滿足包括各類衛(wèi)星在內(nèi)的多樣化發(fā)射需求。

中國(guó)海上發(fā)射也有了新的突破。2021年，海上發(fā)射平臺(tái)投入使用，填補(bǔ)了中國(guó)海上發(fā)射火箭的空白。從理論上看，隨著低傾角衛(wèi)星的需求越來(lái)越旺盛，衛(wèi)星發(fā)射距離赤道越近，運(yùn)載能力損失就越小，發(fā)射成本也就越低，選擇機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)的海上發(fā)射，值得重視。

據(jù)陳昌敢等專家觀察，綜合現(xiàn)有發(fā)射計(jì)劃，未來(lái)3年剩余工位總運(yùn)載能力仍存不足，還不能充分滿足衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座大規(guī)模發(fā)射任務(wù)需求。中關(guān)村領(lǐng)創(chuàng)商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟、錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的《中國(guó)商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告（2021年）》指出，隨著商業(yè)火箭型號(hào)的發(fā)展，當(dāng)前發(fā)射場(chǎng)能力難以滿足民商航天發(fā)射需求。

國(guó)家“十四五”規(guī)劃明確提出，要“打造全球覆蓋、高效運(yùn)行的通信、導(dǎo)航、遙感空間基礎(chǔ)設(shè)施體系，建設(shè)商業(yè)航天發(fā)射場(chǎng)”，因此規(guī)劃建設(shè)民商發(fā)射場(chǎng)或發(fā)射工位，豐富發(fā)射場(chǎng)資源正當(dāng)其時(shí)。

星圖地球GEOVIS Earth視角下的海南三亞 受訪者供圖

星間通信技術(shù)逐漸成熟

隨著低軌互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座的加速建設(shè)，星間通信的話題也逐漸被提上日程。

從衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈看，衛(wèi)星通信系統(tǒng)由空間段、地面段、用戶段組成?？臻g段包括衛(wèi)星制造、衛(wèi)星發(fā)射、星座建設(shè)等環(huán)節(jié)。地面段指衛(wèi)星地面關(guān)口站、地面衛(wèi)星控制中心、指令站等，可以完成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的連通，分配資源并計(jì)費(fèi)。用戶段指的是各種用戶終端，包括車載、機(jī)載、船載終端以及手機(jī)、電腦等移動(dòng)終端。

研究資料顯示，基于毫米波、激光通信的星際鏈路等星間通信技術(shù)逐漸成熟，可以實(shí)現(xiàn)星座天基組網(wǎng)，既減少了地面站數(shù)量，也降低了通信時(shí)延。在關(guān)鍵的用戶終端相控陣技術(shù)方面，近年來(lái)國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一批民營(yíng)企業(yè)。

合肥若森智能科技有限公司總經(jīng)理桂萬(wàn)如對(duì)記者說(shuō)，大規(guī)模天線陣列和波束成形技術(shù)逐步成熟，大幅提升了終端性能，減少了體積、功耗和成本，進(jìn)一步推動(dòng)終端小型化。國(guó)際上，可移動(dòng)終端也在研制中。不過(guò)，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)所需的快速跟蹤、高集成和低成本相控陣天線，以及新型高集成基帶芯片、地面核心網(wǎng)產(chǎn)品和運(yùn)控管理系統(tǒng)等，國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟產(chǎn)品，需盡快部署研制。

專家表示，從供應(yīng)鏈看，中國(guó)星間通信在基礎(chǔ)材料、軟硬件核心零部件等方面仍有一定依賴，如何增強(qiáng)供應(yīng)鏈的自主可控，是接下來(lái)要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

另一個(gè)值得關(guān)注的事是，在地面移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化演進(jìn)中，中國(guó)實(shí)現(xiàn)3G跟隨、4G趕超、5G領(lǐng)跑，為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化的突破提供了技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。而中國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)尚未全面開(kāi)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化等相關(guān)工作，對(duì)國(guó)際衛(wèi)星電視廣播標(biāo)準(zhǔn)、第三代合作伙伴計(jì)劃非地面網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的跟蹤和參與還有所不足。

讓衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景直接觸達(dá)C端，是無(wú)數(shù)“星網(wǎng)人”的夢(mèng)想。抬首問(wèn)天，星河燦爛。征途漫漫，未有窮期……■