《利用商业太空进行地球和海洋遥感（2022 年）》美国国家科学、工程和医学研究院2022最新95页报告

美国国家科学、工程和医学研究院成立了用于收集科学质量的海洋和海岸数据的小型卫星系统的伙伴关系选择评估委员会，以解决任务书中的以下目标。

该研究将对建立和利用伙伴关系的可行性和意义进行独立评估，以开发、部署和运行一个卫星系统和支持性基础设施，能够传感具有足够科学质量的海洋、沿海、大气和水文数据，以建立预测模型并支持国家利益的近实时应用。它将尽可能地确定和描述这种系统的有希望的选择。委员会将确定并考虑潜在的公共和私人合作伙伴，以开发这样一个系统或主要的子系统，同时考虑到以下因素。

• 哪些国家的任务可能会从小型卫星数据收集系统的使用中获得实质性的好处，以及该任务如何取决于数据收集的频率和地理范围？这些利益可以被广泛地定义为包括军事、经济、科学、教育和环境利益。

• 在工业、政府和学术机构之间有哪些伙伴关系可以被激励来发展必要的空间平台、系统集成、发射、通信、测试、数据分配和维护功能？

• 现有的基础设施是否足以支持所需的空间平台开发和制造、系统集成、发射、通信、测试、数据分配和维护功能？为了缩短从构思到在轨的时间，应该加强或创建哪些基础设施组件？基础设施被广泛地定义为包括工业制造能力、空间系统支持结构和通信信息系统。

• 可以采用什么程序来加强技术发展管道、标准制定、以及识别和采用最佳做法？

• 开发所需技术、基础设施和程序的预期时间表是什么，这些技术、基础设施和程序将使所需的卫星系统得到发展？

在进行这项研究时，委员会将审查提供一些所需系统组件的现有系统，以及处于不同开发阶段的系统，以便在未来进行部署。在可能的范围内，委员会将收集和分析关于公共和私人组织的预期相关未来需求的信息，以及学术研究人员的相关观点。

在履行其任务说明的职责时，委员会的评估方法依赖于其成员的经验、技术知识和广泛的专业知识。委员会并没有试图报告对每一个潜在的伙伴关系选项或每一个可用的实施方法的详尽评估。委员会的第一个目标是通过确定和关注哪些政府任务领域可以最多利用和受益于商业新空间的空间接入能力（定义见下文方框S.1），从而提供持久的价值。它的第二个目标是确定当前的挑战和未来的机会，以重新定义空间基础设施，以便更有利于可持续的伙伴关系，同时确定能够为多个利益相关者服务的采购方法。

总体观察结果

本报告所讨论的机会来自于服务于商业和政府部门的新空间技术的爆炸性增长（在第2章讨论）。小卫星技术（在方框S.1中描述）已经极大地改变了政府机构采购、开发和发射商业卫星的模式。该技术和相关的空间发展继续迅速发展，在本报告中一般被称为新空间生态系统。预期的定义是仿照 "硅谷 "生态系统，其中政府是一个重要的合作伙伴，与商业部门建立一个健康和自我维持的关系，提供空间产品以及空间业务本身的相关创新。正如人们所预期的那样，有许多与这种模式转变相关的新术语，这意味着本报告中关于当前和未来趋势的讨论的术语需要仔细和具体的定义。为了保持一致性和清晰度，委员会在整个报告中使用方框S.1中列出的以下术语。

在过去的十年里，越来越多的新空间组织已经出现，它们不受传统做法和限制的束缚。通过重新想象、创造和不断改进小卫星空间技术，一个新的和不断增长的空间生态系统现在已经到位，能够为传统用户和新的或非传统用户的广泛利益相关者群体服务。就本报告而言，传统用户主要包括政府部门和机构，他们的任务是支持情报、国防和民用空间，这些任务通常局限于由政府承包商采用昂贵但成熟的开发方法开发的大型航天器。新的或非传统的用户通常是较小的科学任务、技术成熟计划或其他应用，以前往往由于缺乏经验或资源而无法进入太空。这些用户的空间准入要么不可用，要么通过依赖传统的空间伙伴而受到限制。

目前的商业实践正在扩大能力，包括技术和商业驱动的应用，为一个广泛和充满活力的生态系统打开大门，提供广泛的解决方案，能够支持越来越多的利益相关者。在传统方法的同时，与制造有关的空间基础设施，如定制的航天器总线、仪器和传感器--包括与传统系统性能相匹敌的高分辨率成像和雷达系统--正在出现，数量不断增加，能力不断提高。在运营的商业地面上，现在已经有了常规的站点，数据管理和分析也是如此，包括用于数据访问和归档的云计算。因此，如果得到适当的鼓励和滋养，一个具有广泛能力的生态系统就会出现，包括数据融合、分析和数据购买的新商业机会，以及可以使传统和非传统用户群体同样受益的地面/空间通信。

尽管这些不断发展的系统还没有进入完全可运输的商业技术状态--例如，航天器系统仍然缺乏互操作性--这些能力和服务仍然为所有类型的用户的空间业务开启了越来越多的可能性。公私合作伙伴关系（PPPs）和其他创新的采购方法可以加强以通信、遥感和军事情报为重点的国家任务，以及以海洋学、水文学、大气层、气候、监测自然和人为灾害、成像和导航等科学数据收集为重点的新任务领域，以及尚不清楚的新的和机会主义的应用。

从2011年到2020年，全世界发射的所有航天器中有75%（2972个）是小型卫星。在此期间，美国国家航空航天局（NASA）和美国国防部（DoD）在全球所有政府机构中引领了小型卫星发射的扩散。此外，商业组织在这十年间发射了2972颗小型卫星中的2013颗，为开发者提供了大量的服务，是运营小型卫星数量最多的组织。Planet公司拥有这些年发射的所有遥感小型卫星中的22%，而SpaceX公司拥有所有通信小型卫星中的47%。这两家公司目前都在低地球轨道（LEO）上飞行大型星座。第二章的表2.2提供了商业能力趋势的时间表和发展预测。

认识到这些新的进展，国防部建立了混合空间架构（HSA）作为其主要的哲学框架，以评估吸收商业系统或采购国防部独特系统之间的平衡。HSA是一个综合的基础设施，由空军研究实验室（AFRL）在2014年首次研究，并通过美国太空部队（USSF）和情报界利益相关者所做的工作进行扩展。这种新方法的目标是超越传统的项目炉灶，使各个政府利益相关者能够使用该框架来实现其独特的需求。它正在开辟新的可能性，通过利用联合和综合方法产生的协同作用，从传统空间与新空间的结合中获益。正如第3章所讨论的，HSA是一个多层系统架构，提供了从多个商业和政府系统整合能力的灵活性，以满足各种不同的和不断发展的政府用户需求。虽然仍处于早期阶段，但它已开始提供具有成本效益和弹性的空间能力，以支持广泛的国家安全任务，包括科学和技术（S&T）以及研究和开发（R&D）工作。(关于科技/研发的具体定义，请参考第3章的方框3.1)。

HSA的前提是对新空间创新的广泛利用，为第4章讨论的潜在科学机会和第五章讨论的新商业模式打开大门。当政府管理人员能够使他们的采购方法与这个新的框架保持一致时，将从美国政府和商业部门的新伙伴关系中受益。随着小卫星能力的发展和HSA的深入人心，用户将需要了解小卫星系统的优势和劣势，以确定它们在特定任务中的效用，特别是对于科学目标。对于海洋科学和沿海数据任务来说，虽然使用小卫星来测量海洋变量对于某些应用来说是一个真正的优势--例如，通过海洋模型的数据同化进行短期预测--但并不是所有的目标都可以用小卫星来实现。将大型专用任务与小型卫星群结合起来，可能是监测海洋中发生的所有过程的最佳策略。第四章概述了小型卫星的具体优势和劣势，并对其潜在的任务应用提供了指导。

商业空间和技术提供者也将受益于新的商业模式，考虑到合同安排、相互责任和伙伴关系的条款和条件，以及所提供服务的范围和程度。同时，目前缺乏综合商业服务（将能力打包以满足特定任务的需要，并包含可互操作的组件，以促进系统之间更大的适应性），阻碍了使用政府承包工具来支持任务开发和运营过程。私营部门和美国政府可以共同鼓励商业服务的整合，以促进政府任务目标和商业能力在可接受和可管理的风险态势下更好地结合。

为了实现一个有用的生态系统，政府的空间采购和管理文化需要促成一个环境，使政府管理人员能够对快速变化的环境作出快速和有效的反应。根据研究委员会成员的经验，在许多情况下，政府管理人员倾向于更大的控制；他们不愿意通过依赖商业资源或通过快速适应不断变化的生态系统中的机会来冒他们的项目和国家安全任务的风险。除了讨论新空间范式的潜在风险和感知到的挑战外，第五章还识别和讨论了与不同的组织惯例、知识产权和合同障碍有关的风险，这些障碍抑制了可以从使用创新的商业能力中获得的全部利益。在目前的环境中，政府管理人员不仅要考虑商业供应商的技术性能，而且要考虑商业可行性风险，这一点很重要。从积极的一面来看，大多数产品和服务的多个商业供应商正在出现，这使得在商业采购决策过程中可以考虑双重来源的选择（如多个供应商）。

因此，为了充分受益于新空间生态系统，政府机构将需要制定收购和采购的做法和方法，既能使管理人员与商业服务合作，又能激励他们为其项目获得最大价值。创造一个允许伙伴关系发展的环境也有好处，例如通过将商业和政府利益相关者与中介代理联系起来，他们可以通过将用户的需求与商业供应商的能力相匹配来促成这种伙伴关系。这种中介伙伴关系的结果将是一个 "双赢 "的合同安排，使供应商和用户都受益。利益相关者的工具，如商业服务管理库，可以改善利益相关者的协调，并加速有效的伙伴关系进程。

在这样一个动态和不断发展的环境中，灵活性是关键，因为工具和方法将继续适应、增长和发展。为了使一个PPP商业安排成功和可持续，它需要有一个保护双方的合同，并使公平的缓解选择得以行使，以处理利益相关者的利益变化。第5章讨论了近期内一些可适应的PPP选项，这些选项可以包括一个完整的空间系统解决方案，或根据具体的用户需求提供的选项菜单。替代模式的例子可以包括部署商业空间组件公司，它们将提供空间系统的不同元素，或者在某些情况下，简单地购买数据。正如将要讨论的那样，所有这些选择都是可能的，而且对于拟议的HSA和新空间生态系统内的传统和非传统的利益相关者都是可以支持的。

结论与对策建议

以下结论和建议是按照报告各章的顺序排列的。

第2章：结论和建议

结论：商业航天工业的巨大增长和快速演变已经产生了引人注目的成功，而且有迹象表明，这一趋势将继续加速。美国政府，包括传统的政府空间用户，可以从不太传统的关系中大大受益，如公私合作关系，使工业的技术和批量制造能力得到采用。

建议：美国政府应鼓励发展公私伙伴关系，可能包括主要租户，以促进一个新的国家空间生态系统，支持工业、政府和学术目标。

结论：现有的互操作性标准主要是由传统的系统结构驱动的，阻碍了政府获得灵活和可适应的商业服务。美国政府和商业利益相关者将越来越多地依靠综合商业服务和推进标准来建立一个基础广泛的生态系统，使航天器开发、有效载荷集成、测试、发射服务、运营管理和数据产品生产之间的过渡路径更加顺畅。由独特的商业新空间需求和关键系统的设计实践所驱动的互操作性标准的开发和采用，将增加竞争，并为当前和未来的政府用户的广泛的空间任务和操作需求实现有效的执行和管理。

建议：关键系统--那些最适合标准的系统--应该被联合开发和积极管理，以支持新空间公私伙伴关系，促进未来系统的最大接受和使用。标准和最佳实践可以在空军研究实验室的AFWERX、国家航空和航天局的小型航天器系统虚拟研究所和小型有效载荷共享协会等组织内制定，以促进新空间商业产品能力的采用。

结论：政府协调努力，促进和监督现有的政府项目，加上利用双重用途的技术（从汽车、医疗、游戏和其他行业演变而来），可以加强现有的技术管道，并有利于所有的国家空间活动。空军研究实验室的AFWERX、国家航空和航天局的小型航天器技术计划、政府的小企业创新研究计划和政府的小企业技术转让计划是这种技术注入和示范的适当场所。

建议：海军研究局应充分利用参与现有政府技术开发计划的机会，如空军研究实验室的AFWERX、小型航天器技术计划、政府的小型企业创新研究计划和政府的小型企业技术转让计划，来注入双重用途的技术。

结论：空间系统和操作知识在整个商业空间产业的迅速扩展，为混合空间架构和其他美国政府空间倡议提供了许多机会。明确的标准和最佳做法，结合解决和加快决策速度的采购机制，解决任务风险，并调整激励机制，将允许美国政府有效地获得这些新能力。针对商业模式的采购机制可以进一步支持从倡议开始到在轨能力的响应时间表。

建议：美国政府的采购机制应该进行调整，以接受不断发展的商业实践和适当的标准，以解决和加快决策速度，管理任务风险，并调整激励措施，以迅速实现政府的空间倡议。

第3章：结论和建议

结论：混合空间架构显示出巨大的潜力，作为一个新的空间生态系统的框架，整合及时、传统和新空间产业，以提供成本效益和灵活的空间能力，支持广泛的国家任务和目标。这个生态系统可以使海军研究办公室既追求其技术示范倡议，又追求其长期应用。

建议：海军研究办公室（ONR）应考虑将混合空间架构框架作为实现其长期海洋科学目标的一个机会。ONR应该与美国空军合作，调整其基于HSA的方法，作为其他美国政府和非政府用户的试点项目。

第4章：结论和建议

结论：小型卫星在国家民用任务中展示了它们在海洋学、气象学、水文学、灾害评估和其他与地球科学有关的应用方面的效用。在适用的情况下，它们通过提供更高的时间和空间分辨率以及更短的规划周期来补充混合空间结构中的传统系统，这使得新技术能够比传统方法快速插入。预计小型卫星的技术和传感器能力，以及相关的服务，将在未来扩大。

建议：美国政府应积极定位，充分利用商业空间部门不断发展和增长的能力，为最广泛的传统和非传统用户提供服务，将海洋学和沿海数据的应用作为试验新过程和程序的初步努力。

结论：美国政府和学术机构之间的小卫星任务伙伴关系已经在空间科学和技术方面产生了高价值/低成本的进步，包括卫星平台和有效载荷、地面部分通信、任务和有效载荷操作，以及科学数据产品的生成和分配。

建议：作为其与学术机构持续关系的一部分，海军研究办公室应检查新出现的先进传感器和相关技术机会，以有利于未来的海洋科学目标和任务。

第5章：结论和建议

结论：支持新空间生态系统中所需要的服务所需的技术基础设施目前已经存在，或者如果通过扩大政府采购机会而积极启用的话，预计将会出现。然而，美国政府空间界目前和未来可能对该基础设施的利用，由于缺乏对现有技术能力以及从商业空间产业的快速增长中演变出来的新能力的熟悉而受到阻碍。就海军研究办公室而言，空间科学采购做法受到传统方法的人为限制，限制了他们充分利用现有的新空间机会，这些机会与正在为国家海洋学伙伴关系计划开发的海洋和沿海传感器技术的快速示范有关。

建议：海军研究办公室与国家海洋和大气管理局，作为国家海洋学伙伴关系计划（NOPP）的联合管理者，应该探索广泛的现有合同机制，使商业空间能力能够快速部署，以实现国家海洋学伙伴关系计划的技术演示目标。它应该授权其采购人员充分利用快速发展的商业空间系统机会。

结论：联邦采购制度--包括法定和监管计划--提供了足够的灵活性，以利用不断发展的商业市场，并采用创新的方法，如公私伙伴关系（PPP）和其他形式的合同关系，包括其他交易授权（OTA）和空间企业联盟（SPEC）。

建议：美国政府应采用一系列可用的合同机制，并积极支持使用创新的商业模式，以充分参与传统空间和新空间商业产业。这包括从公共-私人伙伴关系和商业服务合同中的一系列选择，以及在快速原型和快速投入使用类别中的较新的中层采购选择。

结论：目前，没有任何现有的机制允许预测未来的政府需求，以主动告知商业空间部门，使其能够关注并优先考虑其未来的投资方向。美国国家航空和航天局的快速航天器开发办公室已经通过开发其快速航天器目录的卫星目录，解决了这个与不定期交付/不定期数量的卫星总线采购有关的预测问题。

建议：海军研究局应利用美国国家航空航天局的快速航天器目录来满足其目前的需求，并应与美国国家航空航天局的快速航天器开发办公室和空军研究实验室的AFWERX合作，以纳入其预测的未来需求。

结论：混合空间架构（HSA）框架的发展和采用提供了一个潜在的路线图，为国家需求建立小卫星系统能力的时间表。然而，建设小卫星服务的能力可以通过将商业小卫星的能力与HSA的需求相一致来加速--这将减少达到一个完全有能力的空间生态系统所需的时间。同样，市场驱动的力量和持续的政府投资项目也可以加速技术、基础设施和流程支持，以响应客户和社区的需求和要求。

建议：美国政府应该激励私人投资，通过先进的采购战略，如公私伙伴关系，与商业供应商建立无限期交付无限期数量的合同，以及政府作为稳定的促进者实现更快和更多的综合成果的锚定租约，来实现更快和更多的综合成果。

结论：商业空间部门似乎完全有能力满足国家海洋学合作计划（NOPP）的海洋传感器技术示范飞行和发射需求，正如提交给委员会的那样。今天，NOPP可以通过各种合同机制获得许多这些能力。此外，这些能力预计将在未来5年内与混合空间结构驱动的美国空军和其他政府采购一起增长和发展，与国家海洋伙伴关系计划的目标保持同步。

建议：创新的采购做法在成本和飞行速度方面都有很大的好处，以满足政府，特别是国家海洋学合作计划（NOPP）的要求。根据技术准备情况和任务要求，NOPP应该考虑以下选择：

1.让新生的商业中介能力参与进来，探索并形成适当的伙伴关系，以匹配现有的和新兴的商业能力，实现预期的技术成果。

2.探索现有的政府项目和联盟，如美国国家航空航天局国际空间站或空间企业联盟，以及其他支持技术原型和符合预期空间飞行目标的乘坐机会的项目。

3.聘请联邦资助的研究和发展中心（FFRDC）或类似的公正机构作为感兴趣的政府和商业实体之间值得信赖的中间人，以确定适当的公私合作机制，并构建这些机制以实现技术和采购能力的成功结合；以及4. 4. 同样地，聘请FFRDC或类似的可信赖的代理机构来制定技术和商业参与的准则，以积极弥补政府和行业之间的现有差距和新差距。

图2.4 支持小卫星开发、发射和产品采购的一般流程。对满足客户需求的商业服务的评估可能包括购买现有的数据产品或制定一个新的任务来创造这种产品。目前，进行商业数据购买的能力是有限的，然而可以支持任务开发各个阶段的商业组织的数量正在迅速增加。了解横跨仪器和航天器开发、系统集成、发射服务、远程地面站（RGS）服务和任务运营的商业选择的成熟度，对于使用商业服务来生产满足任务要求的飞行系统至关重要。在本图中，"独立 "指的是独立的商业产品--它们不与其他任务产品捆绑或集成；"增值 "包指的是商业产品，它是由多个任务段解决方案组成的更广泛、更综合的商业包的一部分。

图4.7 HARP宽视场成像偏振计立方体卫星飞行验证任务，展示了从空间进行的多角度气溶胶和云属性测量。这项技术已经从机载系统成熟到空间版本，在南美洲的的喀喀湖上空的400幅图像的长数据采集被后处理成推波助澜图像。还显示了由Aqua和Terra卫星上的中分辨率成像光谱仪（MODIS）仪器拍摄的类似图像，证实了HARP数据中看到的大气和陆地特征。的的喀喀湖是该偏振成像仪的一个很好的清洁空气替代校准源，因为该湖的高海拔为太阳在表面的反射和大气的偏振提供了很好的可见度。资料来源。马里兰大学巴尔的摩县分校HARP团队。