蘇瑞豐 張科科 宋海偉

（上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201203）

1 引言

從蘇聯(lián)1957年發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星開(kāi)始，隨著各應(yīng)用領(lǐng)域任務(wù)需求的日益增加，衛(wèi)星質(zhì)量由最初的84kg已發(fā)展到超過(guò)6000kg的大型衛(wèi)星。衛(wèi)星的制造成本和復(fù)雜度大幅提升，1顆1000kg以上的大型衛(wèi)星，其成本為1億～20億美元；1顆100kg以下的小衛(wèi)星，成本也需要200萬(wàn)～1000萬(wàn)美元。與此相反，小型化、高性價(jià)比衛(wèi)星技術(shù)也正在蓬勃發(fā)展。目前，1顆1kg以下的皮衛(wèi)星成本為2萬(wàn)～20萬(wàn)美元，1顆0．1kg以下的飛衛(wèi)星成本甚至不到1萬(wàn)美元［1］。質(zhì)量在1kg以下的衛(wèi)星統(tǒng)稱(chēng)為甚小型衛(wèi)星（Very Small Satellite），主要包括皮衛(wèi)星、飛衛(wèi)星，起源于科學(xué)或?qū)W術(shù)研究，追求性價(jià)比，注重驗(yàn)證、發(fā)展和提升技術(shù)。甚小型衛(wèi)星能借助電子產(chǎn)業(yè)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)和架構(gòu)，以盡可能小的質(zhì)量、體積和可批量化生產(chǎn)的方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)需求，主要面向教學(xué)與科研、低軌通信、新技術(shù)驗(yàn)證，以及未來(lái)空間遙感組網(wǎng)、空間碎片監(jiān)測(cè)等任務(wù)［2］。隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)，未來(lái)將有更多數(shù)量的甚小衛(wèi)星得到更廣泛的應(yīng)用。

本文介紹了立方星（CubeSat）、片上衛(wèi)星（Space-Chip）、印制電路板衛(wèi)星（PCBSat）和多芯片組件衛(wèi)星（MCMSat）4種甚小型衛(wèi)星，通過(guò)綜合分析比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了適用于我國(guó)情況的甚小型衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展思路。

2 甚小型衛(wèi)星類(lèi)型

2．1 立方星（CubeSat）

CubeSat技術(shù)是目前甚小型衛(wèi)星設(shè)計(jì)的主流技術(shù)之一，衛(wèi)星設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體積為10cm×10cm×10cm，質(zhì)量為1kg。CubeSat技術(shù)源于美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）出資、由多所大學(xué)負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)的CubeSat皮衛(wèi)星項(xiàng)目，其目標(biāo)是制定皮衛(wèi)星的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 美國(guó)加州州立理科綜合大學(xué)（C．P．S．University）在該計(jì)劃中負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)“多皮衛(wèi)星軌道部署器”（Poly Pico-satellite Orbital Deployer，P-POD），定義了衛(wèi)星與P-POD 的相關(guān)接口，以及P-POD 與 運(yùn)載火箭的接口［3］。2003年，俄羅 斯用1枚火箭發(fā)射了6 顆CubeSat皮衛(wèi)星，其中包括來(lái)自加拿大多倫多大學(xué)的Canx-1、丹麥奧爾堡大學(xué)的AAU CubeSat、丹麥技術(shù)大學(xué)的DTUSat、QuakeFinder公司的QuakeSat、日本東京工業(yè)大學(xué)的CUTE-1 和日本東京大學(xué)的CubeSat XI-IV。2010年11月，NASA 從“快速、經(jīng)濟(jì)可承受、科學(xué)與技術(shù)衛(wèi)星”（FASTSAT）上成功釋放一顆立方星——納帆-D（NanoSail-D）。此外，歐盟在第七研發(fā)框架計(jì)劃（FP7）下實(shí)施了“50顆立方星組成的用于開(kāi)展低熱層探測(cè)和再入返回研究的國(guó)際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱(chēng)QB50項(xiàng)目）。該項(xiàng)目由馮·卡門(mén)流體動(dòng)力學(xué)研究所（VKI）聯(lián)合歐洲航天局（ESA）等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)共同提出，采用50顆2U 立方星組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低層大氣的多點(diǎn)在軌測(cè)量，同時(shí)在星座中開(kāi)展衛(wèi)星再入大氣層過(guò)程的一些相關(guān)研究。QB50立方星預(yù)計(jì)在2015年發(fā)射。圖1給出了CubeSat的部署器和外觀圖。

圖1 Cubesat的部署器和衛(wèi)星外觀圖Fig．1 Deployer and configurations of Cubesat

美國(guó)加州州立理科綜合大學(xué)和斯坦福大學(xué)聯(lián)合制定了CubeSat皮衛(wèi)星設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［4］，其目的在于向不同學(xué)校和不同機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)者提供最基本的、必要的設(shè)計(jì)大綱和指導(dǎo)，保證CubeSat系列中的每一顆皮衛(wèi)星，都能與釋放裝置P-POD 正確接口。標(biāo)準(zhǔn)中明確定義了皮衛(wèi)星的外部尺寸、推薦使用的制造材料、關(guān)鍵約束條件，還列出了設(shè)計(jì)者必須遵守的衛(wèi)星組裝、集成、發(fā)射等的時(shí)間進(jìn)度節(jié)點(diǎn)安排。該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上奠定了整個(gè)皮衛(wèi)星或更小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，成為實(shí)際設(shè)計(jì)通用的標(biāo)準(zhǔn)。此外，美國(guó)Pumpkin公司按照CubeSat技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中電器、機(jī)械方面的要求，設(shè)計(jì)了CubeSat的開(kāi)發(fā)平臺(tái)CubeSatkit，它能對(duì)美國(guó)得克薩斯儀器公司（Texas Instruments，TI）基于精簡(jiǎn)指令集處理器（RISC）架構(gòu)的低功耗微控制器MSP430（宇航級(jí)）進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。另外，它們還為CubeSat專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了星上實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。到2012年為止，Pumpkin公司至少賣(mài)出了40個(gè)開(kāi)發(fā)平臺(tái)［5］。

2．2 片上衛(wèi)星（SpaceChip）

SpaceChip目前還沒(méi)有統(tǒng)一的定義，一般將其界定為“建立在單片集成電路上，能夠發(fā)射到空間執(zhí)行任務(wù)，并可以和地面站通信的最小衛(wèi)星”。Space-Chip的集成度高，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，一直被認(rèn)為是衛(wèi)星小型化技術(shù)所要實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)。

美國(guó)學(xué)者Keller在1994年最早提出SpaceChip（或者Satellite-on-a-chip）的概念，他認(rèn)為可以將整個(gè)衛(wèi)星集成在一個(gè)CMOS的芯片上［6］。1998年，Joshi等人進(jìn)一步提出“集成衛(wèi)星”的概念，考慮當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，認(rèn)為可以將衛(wèi)星所有電子系統(tǒng)的功能集成到一塊或多塊晶圓（wafer）上，以達(dá)到衛(wèi)星甚小型化的目標(biāo)［7-8］，并在同年申請(qǐng)了美國(guó)專(zhuān)利［9］。NASA也在1997年啟動(dòng)了“新盛世”計(jì)劃和深空系統(tǒng)項(xiàng)目，以開(kāi)展片上航天器（Spacecraft-on-a-chip）的研究。

英國(guó)薩瑞大學(xué)空間技術(shù)研究中心（SSC）在1999年也提出類(lèi)似的概念——ChipSat。ChipSat是SpaceChip的簡(jiǎn)化版，衛(wèi)星系統(tǒng)的部分功能集成到ChipSat，最終實(shí)現(xiàn)SpaceChip 的要求。SSC 通過(guò)片上系統(tǒng)（SoC）的設(shè)計(jì)方法，率先將數(shù)據(jù)處理、通信、特定載荷任務(wù)（遙感）集成到Xilinx公司的FPGA 中；但是對(duì)于其他衛(wèi)星分系統(tǒng)，如電源系統(tǒng)等未實(shí)現(xiàn)集成［10］。在2006年，SSC 重新對(duì)該衛(wèi)星甚小型設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行可行性評(píng)估，提出利用芯片自充電技術(shù)實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的集成，并重新對(duì)SpaceChip作出定義：建立在兩個(gè)單片集成電路（一個(gè)作為備份）上，同時(shí)有最少的外部元件，能夠發(fā)射到空間執(zhí)行任務(wù)，并可與地面站通信的最小衛(wèi)星［11-12］。文獻(xiàn)［11-12］中的研究，是SpaceChip技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑，解決了電源系統(tǒng)集成這個(gè)難題。隨后，SSC 又提出了SpaceChip概念設(shè)計(jì)框圖（見(jiàn)圖2），利用基于硅鍺雙極互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體（SiGe BiCOMS）工藝實(shí)現(xiàn)單片太陽(yáng)電池片集成，并獲得了3．4%的能源效率，同時(shí)還提出利用異步邏輯實(shí)現(xiàn)SpaceChip中抗輻射加固。SSC雖然在SpaceChip上取得了突破，但是并未將執(zhí)行遙感任務(wù)衛(wèi)星的所有功能集成在一個(gè)芯片上。由于SpaceChip的功率非常有限，其有效通信距離很短，因此，即使SSC 實(shí)現(xiàn)利用SpaceChip技術(shù)設(shè)計(jì)的衛(wèi)星，還要繼續(xù)研究如何實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與地面站的遠(yuǎn)距離通信。

圖2 SpaceChip概念設(shè)計(jì)Fig．2 SpaceChip conceptual design

2．3 印制電路板衛(wèi)星（PCBSat）

PCBSat直譯為印制電路板衛(wèi)星，就是將衛(wèi)星上各個(gè)物理分離的系統(tǒng)，變成多個(gè)獨(dú)立的電路模塊集成到印制電路板（PCB）上，其優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)成本和性能較好的折中。因?yàn)镻CB的設(shè)計(jì)方法較為成熟，并有多款電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件可對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以增加了可實(shí)現(xiàn)性；而且，利用PCB技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)多個(gè)衛(wèi)星分系統(tǒng)高密度集成，減小衛(wèi)星的體積和質(zhì)量，并可采用商用現(xiàn)貨（COTS）元器件降低成本。

英國(guó)薩瑞大學(xué)開(kāi)展了大量的研究，目前共開(kāi)發(fā)了A、B、C三款PCBSat的原理樣機(jī)，以及成熟度最高的FM 型PCBSat。A 款PCBSat原理樣機(jī)見(jiàn)圖3。其正面如圖3（a）所示，集成了通信、電源、姿態(tài)控制、數(shù)據(jù)處理、載荷（CMOS機(jī)相等）；背面如圖3（b）所示，排放的是太陽(yáng)電池板［1，13］。整個(gè)PCBSat質(zhì)量為70g左右。A 款的問(wèn)題是未考慮空間輻射和熱環(huán)境，整個(gè)PCB板均裸露在外；采用的是鎳氫充電電池，電池容量只有80mA·h，使得整個(gè)衛(wèi)星功率較小，通信距離有限。

圖3 A 款PCBSat結(jié)構(gòu)圖Fig．3 Configuration of PCBSat edition A

B款和C 款是A 款的改進(jìn)型，這兩款差別較小，其正面如圖4所示。它們?cè)黾恿硕ㄜ壒δ?，可通過(guò)GPS接收機(jī)來(lái)確定自身軌道。同時(shí)，為了克服A款中電池容量小的問(wèn)題，C款改用了鋰電池，電池容量可達(dá)300 mA·h，提升了通信能力。同樣，B、C款仍未考慮空間環(huán)境，而且太陽(yáng)電池只安裝在背面，增加了姿態(tài)控制的難度。

在以上三款原理樣機(jī)的基礎(chǔ)上，考慮到采用P-POD部署多顆PCBSat的情況，薩瑞大學(xué)在PCBSat的設(shè)計(jì)上采用了CubeSat的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研制了FM 型PCBSat（見(jiàn)圖5）。從圖5（a）可以看出：太陽(yáng)電池板分成兩塊，而不是原來(lái)的只有背面排放；通信天線設(shè)計(jì)也考慮實(shí)際發(fā)射情況，設(shè)計(jì)成可伸展型；左右兩塊鋁板對(duì)核心電路板進(jìn)行封裝，保持電路的溫度在正常范圍內(nèi)。其核心電路板如圖5（b）所示，集成了執(zhí)行載荷任務(wù)衛(wèi)星所有的子系統(tǒng)電路。有效載荷部分包括圖5（a）中的兩個(gè)載荷傳感器，以及載荷控制采集電路，主要分布在核心電路板的背面；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用的是Atmel公司低功耗AVR 微控制器，并采取了抗輻射加固措施；通信系統(tǒng)包括射頻模塊、可伸展天線；電源系統(tǒng)包括鋰電池、峰值功率跟蹤器（PPT）、電池充電調(diào)節(jié)器；姿態(tài)控制和軌道確定器主要包括GPS模塊、GPS接收天線、姿態(tài)控制電路等；此外，還包括地面支持設(shè)備，用于地面軟件開(kāi)發(fā)、接口測(cè)試等。裝配后的FM 型PCBSat如圖5（c）所示，總質(zhì)量為311g，尺寸為10cm×10cm×2．5cm。經(jīng)過(guò)飛行測(cè)試，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。PCBSat易于設(shè)計(jì)，體積小，且元器件均有商用現(xiàn)貨可供應(yīng)，成本較低，是未來(lái)皮衛(wèi)星、飛衛(wèi)星的一種重要實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

圖4 B款、C款PCBsat俯視圖Fig．4 Top view of PCBSat editions B and C

圖5 FM 型PCBSatFig．5 PCBSat flight model

2．4 多芯片組件衛(wèi)星（MCMSat）

MCMSat甚小型化技術(shù)源于多芯片組件（Multi-Chip Module，MCM）技術(shù)，在20世紀(jì)90年代提出。MCM 沒(méi)有統(tǒng)一定義，一般認(rèn)為是由不少于兩個(gè)裸芯片或芯片大小的集成電路封裝到一塊高密度多層布線的基板上。將MCM 技術(shù)和衛(wèi)星設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合，即將衛(wèi)星多個(gè)分系統(tǒng)的功能封裝成芯片或集成電路，然后集成到高密度多層布線基板上，就是MCMSat。MCMSat技術(shù)實(shí)際上綜合了PCBSat和SpaceChip技術(shù)，其特點(diǎn)是芯片距離近，裝配密度大，質(zhì)量小，元器件可采用商用現(xiàn)貨。

NASA 在1995年為實(shí)現(xiàn)航天器小型和微型化提出先進(jìn)飛行計(jì)算機(jī)（AFC）技術(shù)，將MCM 技術(shù)作為關(guān)鍵技術(shù)研究，并提出了集成通用組件（Integrated Utility Module，IUM）概念。IUM 是將結(jié)構(gòu)、熱控、電源管理、數(shù)據(jù)和信號(hào)傳輸、防輻射、防宇宙塵埃以及其他電子和機(jī)械功能都集成在一個(gè)質(zhì)量和體積都很小的無(wú)電纜連接的封裝中，從而形成一個(gè)大功能塊。IUM 是系統(tǒng)集成，它既可用單層MCM，也可以是三維堆積MCM，即將單個(gè)MCM 塊在平面排布后多層堆積。

目前，MCM 主要有3種類(lèi)型：MCM-L（由高密度多層印制線路板構(gòu)成），它成本低，工藝成熟，但布線密度不高，組裝效率和性能都較差；MCM-C（由高密度多層陶瓷基板構(gòu)成），它最高布線可達(dá)80層，每層膜厚150μm，互聯(lián)小孔直徑只有100μm，面積可達(dá)150mm×150mm；MCM-D（由高密度淀積薄膜多層布線基板構(gòu)成，較多采用硅基材料），它是布線密度、組裝效率最高的結(jié)構(gòu)，采用集成電路工藝實(shí)現(xiàn)，線寬可以小至5μm，但成本較高。由于甚小型技術(shù)主要針對(duì)1kg以下的衛(wèi)星，因此，MCM-L相對(duì)傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)并無(wú)優(yōu)勢(shì)，MCMSat設(shè)計(jì)主要考慮采用MCM-C或MCM-D。文獻(xiàn)［1］提出利用MCM-D技術(shù)設(shè)計(jì)甚小型衛(wèi)星，如圖6所示。圖6（a）為MCMSat概念設(shè)計(jì)框圖；圖6（b）是MCMSat正面圖，包含射頻子系統(tǒng)，使用4個(gè)1．5mm×82mm 的交叉偶極子，電源子系統(tǒng)采用8個(gè)20mm×40mm 的GaAs太陽(yáng)電池；圖6（c）是MCMSat背面圖，安裝了充電電池和電路等。所有微電子器件，包括有效載荷，均排放在3個(gè)高密度基板上。

圖6 MCMSat設(shè)計(jì)Fig．6 MCMSat design

3 中國(guó)甚小型衛(wèi)星現(xiàn)狀

目前，我國(guó)對(duì)于甚小型衛(wèi)星主要還處于前期論證和研究階段，但是具有類(lèi)似設(shè)計(jì)理念的納衛(wèi)星已有成功實(shí)例。

2010年9月22日，浙江大學(xué)搭載發(fā)射了兩顆皮星一號(hào)A 衛(wèi)星（見(jiàn)圖7），其采用150mm×150mm×150mm 的立方體體裝式結(jié)構(gòu)，質(zhì)量3．5kg，功率僅3．5W，90%以上元器件采用工業(yè)級(jí)組件篩選及加固，具備衛(wèi)星熱控、姿態(tài)控制、測(cè)控、能源、星務(wù)管理等多項(xiàng)功能。飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了星上裝載的半球成像全景光學(xué)相機(jī)、MEMS加速度傳感器和角速度傳感器在空間環(huán)境條件下的適應(yīng)性。此外，對(duì)高效率三結(jié)GaAs太陽(yáng)電池在空間環(huán)境中的性能也進(jìn)行了測(cè)試。

2012年5月10日，國(guó)防科技大學(xué)成功發(fā)射了一顆自主設(shè)計(jì)與研制的天拓一號(hào)技術(shù)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（見(jiàn)圖8）。該衛(wèi)星尺寸為425mm×410mm×80mm，質(zhì)量9．3kg，實(shí)現(xiàn)了將星務(wù)管理、電源控制、姿態(tài)確定與控制、測(cè)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ懿考稍趩螇K電路板上，主要任務(wù)是開(kāi)展星載船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）接收、光學(xué)成像、空間環(huán)境探測(cè)等在軌科學(xué)試驗(yàn)。

另外，我國(guó)西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、臺(tái)灣成功大學(xué)等多所高校參與了QB50項(xiàng)目。西北工業(yè)大學(xué)作為QB50項(xiàng)目的亞洲區(qū)唯一發(fā)起單位和亞洲區(qū)總協(xié)調(diào)單位，主要承擔(dān)兩大任務(wù)：一是配合項(xiàng)目總體要求，自主完成一顆立方星的設(shè)計(jì)、研制與地面測(cè)試；二是完成QB50項(xiàng)目的亞洲區(qū)任務(wù)控制中心（MCC）的建設(shè)。

圖7 皮星一號(hào)A 衛(wèi)星Fig．7 ZDPS-1Apico-satellite

圖8 天拓一號(hào)衛(wèi)星Fig．8 SpacePioneer-1satellite

4 甚小型衛(wèi)星的主要應(yīng)用領(lǐng)域

4．1 教學(xué)與科研實(shí)驗(yàn)

甚小型衛(wèi)星起源于高校和研究機(jī)構(gòu)的學(xué)術(shù)研究：一是其系統(tǒng)復(fù)雜度比大型衛(wèi)星低，研發(fā)周期較短，可進(jìn)行搭載發(fā)射，所需成本遠(yuǎn)低于常規(guī)衛(wèi)星，適合教學(xué)與科研實(shí)驗(yàn)；二是無(wú)實(shí)際應(yīng)用的嚴(yán)格約束，可跳出常規(guī)研制規(guī)范流程的框架，大量的設(shè)計(jì)新概念、應(yīng)用新設(shè)想及商用組件等可得到支持和使用；三是通過(guò)參與，激發(fā)學(xué)生對(duì)航天技術(shù)的熱愛(ài)，牽引整個(gè)航天學(xué)科的發(fā)展。例如：英國(guó)薩瑞大學(xué)以低成本（百萬(wàn)英鎊）、短周期（研制周期1～2年）、高效益、高效率、技術(shù)先進(jìn)和管理現(xiàn)代化為突破口，形成商業(yè)現(xiàn)貨產(chǎn)品應(yīng)用的技術(shù)規(guī)范和流程，打造通用化、系列化的小微衛(wèi)星平臺(tái)，先后將26顆各類(lèi)小微衛(wèi)星送入太空，引領(lǐng)衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，完成了面向分布式空間任務(wù)的甚小型衛(wèi)星設(shè)計(jì)的深入研究，成為衛(wèi)星教學(xué)與科研實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的佼佼者。

4．2 空間技術(shù)演示驗(yàn)證平臺(tái)

甚小型衛(wèi)星雖小，卻是非常重要的新技術(shù)演示驗(yàn)證平臺(tái)，可經(jīng)濟(jì)、快速地提供新技術(shù)空間飛行試驗(yàn)和演示，特別是對(duì)微米技術(shù)，包括專(zhuān)用集成微型機(jī)械裝置（ASIM）、微機(jī)電技術(shù)（MEMS）、微光電機(jī)系統(tǒng)（MOEM）和其他微型機(jī)械裝置，以及納米技術(shù)（分子尺度或原子尺度的裝置）、FPGA 技術(shù)、片上系統(tǒng)（SoC）或可編程片上系統(tǒng)（SoPC）技術(shù)、單片式微波集成電路技術(shù)（MMICs）和主動(dòng)電子掃描陣列技術(shù)（AESA）等進(jìn)行太空演示驗(yàn)證。充分利用這些微納技術(shù)和集成技術(shù)，不僅能大大減少衛(wèi)星質(zhì)量、體積、功耗以及研制成本，而且能大大提高系統(tǒng)的可靠性和衛(wèi)星功能密度。最終，可使甚小型衛(wèi)星各個(gè)子系統(tǒng)完全一體化，并形成相應(yīng)模塊，適應(yīng)未來(lái)批量化生產(chǎn)，形成衛(wèi)星商業(yè)化產(chǎn)業(yè)。此外，還可開(kāi)展諸如衛(wèi)星編隊(duì)飛行、星群間無(wú)線通信、空間環(huán)境的科學(xué)測(cè)量、空間碎片監(jiān)測(cè)以及深空探測(cè)等任務(wù)。據(jù)報(bào)道［13］，美國(guó)德雷伯實(shí)驗(yàn)室與麻省理工學(xué)院共同研制的甚小型衛(wèi)星，用于發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系之外適宜居住的行星，只有面包大小，寬約10cm，長(zhǎng)約30cm，造價(jià)379 000英鎊，可勘測(cè)當(dāng)一顆環(huán)繞軌道運(yùn)行的行星位于凌日位置的恒星亮度變化?？茖W(xué)家希望未來(lái)發(fā)射衛(wèi)星編隊(duì)飛行來(lái)勘測(cè)數(shù)百顆恒星，探索是否存在類(lèi)地系外行星。

4．3 分布式空間任務(wù)應(yīng)用

甚小型衛(wèi)星體積非常小，功能單一，但是能夠在較短的研發(fā)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)低成本的批量生產(chǎn)，并且一次可用火箭發(fā)射幾十甚至上百顆，因此，在以星座組網(wǎng)或星群編隊(duì)的形式執(zhí)行分布式空間任務(wù)方面，具有極大的優(yōu)勢(shì)。甚小型衛(wèi)星在組網(wǎng)條件下，能充分利用星群網(wǎng)絡(luò)下衛(wèi)星數(shù)據(jù)可互為輔助補(bǔ)充和增強(qiáng)的特點(diǎn)，將某些復(fù)雜的衛(wèi)星功能分布化和組合化，進(jìn)行功能協(xié)同，資源共享。分布式甚小型衛(wèi)星系統(tǒng)可執(zhí)行的典型空間任務(wù)包括分布式通信、分布式導(dǎo)航，以及編隊(duì)飛行光學(xué)遙感或測(cè)量等。例如，NASA 設(shè)想在低地球軌道密布甚小型衛(wèi)星，構(gòu)建一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)服務(wù)的“第5代通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”（5G）衛(wèi)星星座，大幅提高移動(dòng)通信服務(wù)能力。

4．4 空間安全任務(wù)

甚小型衛(wèi)星在執(zhí)行空間安全任務(wù)方面有其特有的優(yōu)勢(shì)。由于單星體積小，難以跟蹤和摧毀，其隱蔽性和生存能力強(qiáng)；低成本的批量生產(chǎn)和星群部署，使其具有系統(tǒng)可重組性和再生性。美國(guó)陸軍航天與導(dǎo)彈防御司令部（SMDC）納衛(wèi)星技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)理約翰·蘭頓（John London）在2011年國(guó)際太空發(fā)展會(huì)議上就曾指出：“我們認(rèn)為能在一個(gè)很小的裝置內(nèi)封裝許多功能模塊，目前正在快速朝這一方向發(fā)展?！笨梢?jiàn)，甚小型衛(wèi)星在空間軍事應(yīng)用上具有很好的前景。例如，甚小型衛(wèi)星可用于執(zhí)行子母星任務(wù)，平時(shí)利用組合排列在母星上的多顆完全相同的甚小型衛(wèi)星，分別對(duì)相同地區(qū)獲取多幅低分辨率圖像，然后通過(guò)圖像處理得到高質(zhì)量圖像；還可釋放這些甚小型衛(wèi)星，讓它們分布在目標(biāo)星周?chē)ɡ@飛）進(jìn)行監(jiān)視、干擾和攻擊。

以上是甚小型衛(wèi)星比較明確或可預(yù)見(jiàn)的發(fā)展方向，不過(guò)，其有效應(yīng)用還面臨著兩大方面的挑戰(zhàn)。一是在自由飛行或編隊(duì)組網(wǎng)時(shí)，面對(duì)的是復(fù)雜的空間環(huán)境和軌道動(dòng)力學(xué)環(huán)境；二是小于1kg 的質(zhì)量限制，大大壓縮了成熟載荷的選擇范圍，對(duì)電源功率、通信距離以及推進(jìn)效能也是極大的約束。因此，還要進(jìn)一步發(fā)展提高，才能使其得到更廣泛的應(yīng)用。

5 啟示與建議

當(dāng)前，小微衛(wèi)星的發(fā)展是以高性能部件的微小型化和航天器總體設(shè)計(jì)的一體化為特征，甚小型衛(wèi)星作為其中一個(gè)前沿分支，以快速發(fā)展的新一代微米、納米技術(shù)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)突破研制以微硅衛(wèi)星為代表的皮、納衛(wèi)星，同時(shí)也將實(shí)現(xiàn)更好的三維集成化和一體化。因此，作為新興的衛(wèi)星研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)將對(duì)甚小型衛(wèi)星的需求越來(lái)越大。新技術(shù)和集成度水平的提高，將進(jìn)一步推動(dòng)甚小型衛(wèi)星的發(fā)展。

文獻(xiàn)［14］從成本的角度綜合考量了CubeSat、SpaceChip、PCBSat和MCMSat衛(wèi)星技術(shù)。設(shè)定以探測(cè)電離層閃爍現(xiàn)象為衛(wèi)星任務(wù)，設(shè)計(jì)10顆甚小型衛(wèi)星形成星座進(jìn)行探測(cè)。假設(shè)初始投入900 萬(wàn)美元，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為單顆衛(wèi)星成本、每瓦功率成本、每體積載荷成本，其結(jié)果如表1所示。

表1 4種甚小型衛(wèi)星成本比較Table 1 Cost comparison of four kinds of very small satellite 美元

從前文分析和表1可以看出，4種甚小型衛(wèi)星技術(shù)各有特點(diǎn)：SpaceChip 體積最小，功耗很小，但是通信距離較短，且成本最低，但是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，國(guó)際上還未出現(xiàn)使用該技術(shù)的衛(wèi)星初樣；CubeSat雖然設(shè)計(jì)成熟，但體積固定，成本最高；MCMSat綜合了PCBSat和SpaceChip的技術(shù)特點(diǎn)，芯片距離近，裝配密度大，質(zhì)量小，但還沒(méi)有衛(wèi)星初樣，技術(shù)復(fù)雜，相比PCBSat來(lái)說(shuō)成本也較高。綜合而言，PCBSat相對(duì)易于設(shè)計(jì)，體積小，且有商用現(xiàn)貨元器件，成本較低，是一種比較適合我國(guó)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比皮、飛衛(wèi)星的重要技術(shù)。因此，PCBSat技術(shù)可作為我國(guó)甚小型衛(wèi)星發(fā)展主要考慮的方向。

在我國(guó)甚小型衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展中，建議重點(diǎn)著眼于商用現(xiàn)貨元器件篩選及應(yīng)用技術(shù)，提高空間應(yīng)用的可靠性和安全性，有效降低開(kāi)發(fā)和制造成本。試驗(yàn)驗(yàn)證一體化姿態(tài)控制技術(shù)、新型微推進(jìn)技術(shù)、輕型高效的蓄電池和太陽(yáng)電池技術(shù)等，進(jìn)一步提升衛(wèi)星的集成度和性價(jià)比，使甚小型衛(wèi)星既廉價(jià)又好用。此外，通過(guò)編隊(duì)組網(wǎng)的形式，還可使甚小型衛(wèi)星形成一個(gè)功能更加完善、性能更加強(qiáng)大的系統(tǒng)，能在更廣闊的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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