低成本高收益！微型卫星颠覆地球观测，开启地球观测的新时代

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文/静浅说

编辑/静浅说

前言

在几十年的传统太空业务之后，太空中的卫星正在发生变化。在成本、设计和制造过程方面，新的更有效的任务方法正在培育。例如，在近地轨道（LEO）和超低地球轨道（VLEO）放置大规模的微型和纳米卫星星座，使太空社区能够以前所未有的时间分辨率实时获取大量数据。

除了技术创新之外，其他因素也促进了太空领域的创新，比如商业部门对地球观测（EO）数据的不断增加需求。从运营卫星的角度来看，EO行业是第二大市场，其中微型和纳米卫星占据了其中的大部分。

技术和市场驱动因素鼓励太空环境中新创企业的涌现，如Skybox、OneWeb、Telesat、Planet和OpenCosmos等，它们提出了新的商业模式，改变了太空产品和服务的可访问性、价格、所有权和商业化。
近地轨道卫星

尽管地球观测（EO）最初是一项只有政府或太空领域拥有巨额财力的大公司能够承受昂贵计划的活动，但它不再是一个独占和昂贵的行业。它使新兴国家、学术界和新兴国家的分支机构有机会参与，这是“新太空”的基础。

这种现象被称为太空的民主化，改变了各种类型和规模的公司访问、价格和太空产品和服务的商业化。新太空可以被理解为一种颠覆性趋势，其目标是通过利用信息技术（IT）和EO的结合将太空变成商品。尽管其起源在硅谷，但这一趋势现在已经扩展到全球。
根据关注科学家联盟（UCS）卫星数据库，截至2018年4月底，地球轨道上有1980颗运营卫星，其中684颗用于地球观测。与2014年1月仅有192颗运营EO卫星相比，这代表了250%的增长，这清楚地表明EO数据采集是一个新兴市场。

随着公司数量逐年增加以及乐观的预测，可以加强这样的观点：“EO正处于早期阶段，仍然有很多改进和问题需要解决”。观察新的基于EO的市场，可以从中观察到太空领域潜在颠覆性创新的迹象。
一些技术驱动因素推动了这种创新。例如，低成本获取地球图像的途径；高质量的空间、光谱和时间图像的可用性；计算机科学的创新，如云计算和机器学习；以及一些特定的计划，如哥白尼计划，将高技术开发从政府计划转移到其他行业和服务中。

除了技术驱动因素，其他因素也推动了太空领域的颠覆性创新，例如共享经济、商业部门对智能城市等的不断增长需求，以及政府对环境监测的兴趣。例如，Spaceflight为公司提供了全球发射机会，与全球几乎每家发射载具提供商合作。
所有这些因素鼓励新公司，如Skybox、SpaceX、OneWeb、Telesat、Planet和OpenCosmos等，开发新的商业模式，使太空对非政府组织更加可访问和价格合理，时间更短。

通过总结2001年至2017年间每年发射的微型和纳米卫星的总数。微型卫星的定义是质量在10到100千克之间的卫星，而纳米卫星质量小于10千克。它们已经按行业分类，以突显近年来商业微型和纳米卫星的发射数量大幅增加，相比之下，国防部门和政府发射的数量较少。
“颠覆性创新”这个术语由哈佛商学院教授克莱顿·M·克里斯滕森于2003年广泛使用。他区分了持续创新和颠覆性技术，将“技术”一词替换为“创新”，因为颠覆性不是来自技术，而是来自企业。

根据研究表明，持续创新促进了产品性能的改善，而颠覆性创新将一种非常不同的价值主张带入市场，其性能最初低于主流产品，但价格低廉或具有独特的特征来弥补。
此外，还对低端市场创新和新市场创新进行了区分。低端市场创新是指不提高产品性能但提供更低价格的创新，例如Walmart及其廉价零售商场。另一方面，新市场创新，如iPod，为以前没有拥有或使用过上一代产品的新用户提供了能力来执行新行为或完成新任务。

克里斯滕森从管理和产业的角度探讨了颠覆性创新。然而，他的建议仅适用于工业层面。尽管他对产品性能和商业策略进行了分析，但他的定义并没有识别创新的特征，因为它们是固有的而不是随时间改变的外部因素，如客户感知或政府法规。
在将创新的概念应用于太空环境。作者指出，一些因素会影响欧洲太空领域的创新可能性。通过识别三个创新特征来进一步完善了颠覆性创新的前述概念：功能、不连续的技术标准和所有权模式。他的定义扩大了低端市场和新市场创新的含义。

低端市场创新是通过在现有技术的创建中使用新的、更便宜的材料或新的生产过程来破坏市场的不连续技术标准的创新或新的所有权形式。这些形式决定了创新在市场中的接受程度，因为它们在价格和与创新相关的服务等方面建立了价格。

新市场创新是通过提供具有颠覆性功能的创新来为用户提供执行新行为或完成以前无法实现的新任务的能力。

通过将上述有关颠覆性微型和纳米卫星创新的特征与EO太空市场的主要特点相结合，可以确定的是关于微型和纳米太空市场颠覆。
太空部门风险水平

太空部门接受风险水平较低，这对创新的空间较小。然而，微型和纳米卫星提供了在设计和制造方面的简单和标准化。这导致了更高的风险接受水平，从而带来了更多的创新。

在主流太空平台中，设计、开发和测试活动往往是几乎唯一的，专门为特定任务量身定制的。项目的持续时间长且成本高昂，这是因为需要保证最高质量，从而最小化任务的风险。另一方面，微型和纳米卫星星座基于标准化的概念，这开辟了使用商用电子组件和选择众多技术供应商的可能性。
通过这种方式，可以以较短的时间内制造出成本较低的卫星。根据规格，微型卫星可以以几百万欧元的价格建造并投入轨道，而纳米卫星的价格几乎为25万欧元。相比之下，大型卫星的成本可能升至5亿欧元。

除了成本和尺寸之外，微型和纳米卫星的主要优点是设计和实施每个型号所需的时间。平均而言，微型或纳米卫星可以在不到2年的时间内设计、制造和发射。这意味着可以定期更新大规模的小型卫星星座，确保即使有些单位丢失或失效，仍能保持最佳性能。
这不适用于传统的卫星，它们是在昂贵且长期的项目中开发和发射的，这些项目持续5至10年，因此在没有危及整个任务的情况下无法容忍平台上的任何故障。特别值得一提的是，最近出现了许多专门设计用于将小型卫星投入轨道的微型发射器。

迄今为止，微型和纳米卫星以“顺风顺水”的方式作为传统航天器旁载有效地发射。然而，如果它们表现出可靠性和良好性能，新的微型发射器概念可能会为整个流程提供简化和标准化，从而降低发射成本。

因为微型和纳米卫星的设计和制造侧重于简单和标准的设备，最终可能会增加相关的风险接受程度。

数据可访问性和技术标准化是开启新市场机会的关键条件。 EO是一个前景广阔、快速增长的领域，受到各种经济部门的广泛应用，包括精密农业、自然资源监测、石油和天然气勘探、气象学、民事保护、保险和城市监测等。
低成本的微型和纳米卫星使EO初创公司能够吸引对其大量可访问和可负担的高分辨率图像感兴趣的新市场。此外，越来越多的国家正在投资于其EO能力，这既证实了太空的软实力维度，也为国际或地区合作开辟了新的市场机会。

不仅太空通过新的发射技术变得更加可访问，而且美国Landsat和欧洲Sentinel等项目的数据已经对所有人开放。这使第三方能够在不同的资金计划支持下开发新的服务和应用程序。
例如，OneAtlas使用高分辨率图像更新了全球的基础地图，而无需拍摄任何照片，而OneWeb计划利用小型太空技术在全球范围内提供卫星互联网。很明显，其中一些新市场最近之所以获得了EO数据的访问权，是因为其价格比以前便宜。

然而，传统的太空公司本身也是非常重要的进入壁垒，因为由国防和公共组织拥有和控制的数据无论以任何价格都不可用。可以看到，在2017年，国防占商业数据市场的60%以上，基础设施和自然资源垂直行业占了相似的份额。
此外，它们的较低成本使其可以组成大型星座，提供更频繁的观测，这对于一些应用，如气象监测和自然灾害监测，至关重要。因此，尽管微型和纳米卫星的性能有局限性，但它们在许多应用中仍然具有竞争优势。

新太空技术

新太空技术，特别是微型和纳米卫星技术，已经显著降低了EO的可负担性。如前所述，这些卫星的制造成本相对较低，而且它们的发射和运营成本也较低。这意味着更多的组织，包括学术机构、初创企业和发展中国家，都可以参与到EO领域中来。
此外，商业化和竞争的推动力促使太空公司提供更多的EO数据服务，从而为更多的客户提供了可负担的选项。因此，新太空技术确实降低了EO的可负担性，并使更多的人能够访问和利用这些数据。

传统上，EO卫星的所有权主要集中在政府和大型太空公司手中，这导致了EO数据的有限可用性。然而，新的所有权和可操作性形式已经开始崭露头角，改变了这一局面。一些新兴企业和初创企业正在建立自己的微型和纳米卫星星座，以提供高质量的EO数据服务。

此外，一些政府机构也开始与私营部门合作，以共同开发和运营卫星。这种多样化的所有权和可操作性形式为更多的组织提供了机会参与到EO领域中，从而提高了数据的可用性和可访问性。

微型和纳米卫星

微型和纳米卫星的小尺寸和低成本使它们能够提供一些新的颠覆性功能。例如，它们可以组成大型星座，实现更频繁的地球观测，从而改善了气象监测、自然灾害监测等应用的性能。此外，它们可以提供高分辨率的地球观测数据，对于城市规划、资源管理、环境监测等应用具有重要意义。

微型和纳米卫星还可以与其他传感器和数据源集成，提供更全面的信息，为用户提供更多的价值。因此，微型和纳米卫星确实提供了新的颠覆性功能，改善了EO数据的质量和可用性。

总结

微型和纳米卫星的崛起标志着地球观测领域正在经历着深刻的变革。它们以低成本、高可访问性、颠覆性功能和多样的所有权形式改变了整个行业的面貌。
尽管仍存在一些技术和操作上的挑战，但微型和纳米卫星已经为更多的组织开启了参与地球观测领域的大门，使我们能够更深入地了解我们的星球、监测自然灾害、改善资源管理、支持农业和城市规划等各种应用。

随着技术的不断进步和商业模式的创新，我们可以预期，微型和纳米卫星将继续在未来的地球观测中发挥关键作用，为我们的世界带来更多的见解和创新。这一领域的蓬勃发展将不仅仅受益于科学和商业界，还将造福全人类。
因此，我们可以乐观地期待，微型和纳米卫星将继续推动地球观测领域的不断进步，为解决全球挑战提供更多的支持和解决方案。在这个变革时代，微型和纳米卫星正在为太空科学和地球科学开辟出崭新的前景，为未来的探索和发现铺平了道路。