張召才（北京空間科技信息研究所）

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著微米、納米技術(shù)的發(fā)展，使納衛(wèi)星和皮衛(wèi)星等微小衛(wèi)星的實(shí)現(xiàn)成為可能，并逐漸成為空間系統(tǒng)的重要組成部分，開始由科學(xué)探索與技術(shù)試驗(yàn)階段向業(yè)務(wù)化運(yùn)營階段過渡。同時，由于質(zhì)量、體積和功耗的嚴(yán)格限制，美歐提出并開始發(fā)展芯片衛(wèi)星（ChipSat），這一創(chuàng)新方向可以使衛(wèi)星成本更低，研制更快速，發(fā)射更便捷。

大量芯片衛(wèi)星在軌構(gòu)成分布式測量系統(tǒng)

1 芯片衛(wèi)星概念及特點(diǎn)

芯片衛(wèi)星概念于20世紀(jì)90年代首次提出。英國薩瑞航天中心（SSC）給出的定義為，將航天器全部功能集成在單個集成電路上的一類衛(wèi)星，這類衛(wèi)星能夠在軌執(zhí)行特定任務(wù)，并與地面進(jìn)行通信。芯片衛(wèi)星質(zhì)量一般低于0.01kg，屬于飛衛(wèi)星（質(zhì)量在0.1kg以下的衛(wèi)星）范疇，其研究與發(fā)展將推動實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星從小型化設(shè)計向甚小型化設(shè)計過渡。

目前，芯片衛(wèi)星正處于研究試驗(yàn)階段，還未實(shí)現(xiàn)單個芯片級集成，現(xiàn)正利用印刷電路板衛(wèi)星（PCBSat）進(jìn)行原理和技術(shù)驗(yàn)證，即在一塊印刷電路板上集成航天器全部功能。一般情況下，國外也將這種用于驗(yàn)證芯片衛(wèi)星技術(shù)的印刷電路板衛(wèi)星稱為芯片衛(wèi)星。

芯片衛(wèi)星使微系統(tǒng)技術(shù)在航天中的應(yīng)用從部件級躍升到整星級，它通過集成微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEM S）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）等單元來實(shí)現(xiàn)。因此芯片衛(wèi)星體積極小、質(zhì)量極輕、功能密度高，可以利用商用流水線批量化生產(chǎn)，易于大規(guī)模制造且成本低廉。但受質(zhì)量、體積和功率的制約，芯片衛(wèi)星單星功能有限，通常以星群和編隊組網(wǎng)方式執(zhí)行任務(wù)，一般需要母衛(wèi)星作為載體進(jìn)行軌道布撒。

2 芯片衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀

芯片衛(wèi)星概念自從一提出就廣受關(guān)注，美國航空航天局、美國宇航公司、康奈爾大學(xué)、密歇根大學(xué)以及英國薩瑞航天中心、克萊德大學(xué)和劍橋大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)相繼對芯片衛(wèi)星工程設(shè)計技術(shù)、編隊飛行理論和實(shí)際應(yīng)用價值等開展了研究。從2005年開始，以美國康奈爾大學(xué)和英國薩瑞航天中心為代表的科研機(jī)構(gòu)，開始由概念研究轉(zhuǎn)入技術(shù)可行性研究和工程試驗(yàn)階段，在芯片衛(wèi)星工程設(shè)計方面進(jìn)行了實(shí)踐并取得了顯著成果。

“精靈”衛(wèi)星空間暴露試驗(yàn)左為“國際空間站”暴露試驗(yàn)平臺；右為“精靈”衛(wèi)星

美國芯片衛(wèi)星發(fā)展

美國芯片衛(wèi)星研究處于世界領(lǐng)先地位，在理論概念、系統(tǒng)設(shè)計和加工工藝等領(lǐng)域均取得了技術(shù)突破，并率先完成全球首次芯片衛(wèi)星空間暴露試驗(yàn)和在軌飛行試驗(yàn)。如美國航空航天局實(shí)現(xiàn)了將電腦的中央處理器（CPU）封裝到單個芯片的工藝技術(shù)；密歇根大學(xué)對電動力繩系系統(tǒng)（EDT）在芯片衛(wèi)星推進(jìn)方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究；康奈爾大學(xué)更是在世界范圍內(nèi)率先完成了芯片衛(wèi)星的在軌環(huán)境試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。

芯片衛(wèi)星發(fā)展過程中的里程碑事件

（1）完成全球首次空間暴露試驗(yàn)

2011年5月16日，康奈爾大學(xué)利用奮進(jìn)號航天飛機(jī)執(zhí)行最后一次飛行任務(wù)的機(jī)會，將其研制的3顆名為“精靈”（Sp rite）的芯片衛(wèi)星樣機(jī)送入太空。出于成本考慮，康奈爾大學(xué)選擇了只有郵票大小的印刷電路板衛(wèi)星作為芯片衛(wèi)星的驗(yàn)證樣機(jī)。雖然這3顆“精靈”衛(wèi)星并未開展獨(dú)立飛行任務(wù)，但在“國際空間站”外置空間暴露平臺上進(jìn)行了對地通信試驗(yàn)，并經(jīng)受了真實(shí)空間環(huán)境的檢驗(yàn)。

用于暴露試驗(yàn)的3顆“精靈”衛(wèi)星外形一樣，尺寸均為38mm×38mm×1mm，質(zhì)量約8g，各有7個微型太陽電池片，通信頻率為902MH z，發(fā)射功率10mW。星地通信采用碼分多址（CDMA）調(diào)制模式，以易于地面站捕獲“精靈”衛(wèi)星的微弱下傳信號。受發(fā)射功率限制，“精靈”衛(wèi)星發(fā)射的每比特數(shù)據(jù)分割為512位相移序列信號才能在地面完整接收到。512位相移序列信號的發(fā)射時間一般需要幾毫秒?！熬`”衛(wèi)星發(fā)射信號分割成相移序列的位數(shù)與其距地球的距離正相關(guān)，即“精靈”衛(wèi)星離地球越遠(yuǎn)，其發(fā)射信號分割的相移序列位數(shù)越多。假設(shè)“精靈”衛(wèi)星位于木星軌道，地球接收到“精靈”衛(wèi)星信號的時間將需要近一整天。

此次空間暴露試驗(yàn)取得了圓滿成功，驗(yàn)證了“精靈”衛(wèi)星樣機(jī)在空間環(huán)境的生存能力和星地通信能力等預(yù)設(shè)任務(wù)。

裝載了“精靈”衛(wèi)星的凱克衛(wèi)星-1：左為概念設(shè)計圖；右為實(shí)物圖

執(zhí)行在軌飛行任務(wù)的“精靈”衛(wèi)星

（2）執(zhí)行全球首次在軌飛行試驗(yàn)

2011年10月初，康奈爾大學(xué)啟動了凱克衛(wèi)星-1（K ick Sat-1）衛(wèi)星項目，用于在軌釋放芯片衛(wèi)星，測試芯片衛(wèi)星在軌通信能力、在軌時間以及星上電子器件在太空環(huán)境下的工作狀態(tài)。凱克衛(wèi)星-1是通過公眾募資網(wǎng)站K ickstar ter發(fā)起、由315位獨(dú)立投資人集資研制的3U立方體衛(wèi)星。該衛(wèi)星采用美國航空航天局手機(jī)衛(wèi)星-2.0（PhoneSat-2.0）立方體衛(wèi)星平臺，其中1U作為功能艙，采用商用現(xiàn)貨（COTS）部件提供衛(wèi)星電源、通信、指令和數(shù)據(jù)處理、姿控等功能，并以Nexus S智能手機(jī)作為衛(wèi)星飛行控制計算機(jī)，2U作為母艙用于儲運(yùn)、釋放芯片衛(wèi)星。衛(wèi)星設(shè)計軌道為325km×315km，傾角51.5°，質(zhì)量5.5kg。

凱克衛(wèi)星-1于2014年4月18日利用獵鷹-9（Falcon-9）火箭發(fā)射龍-3（Dragon-3）飛船的機(jī)會，以搭載發(fā)射的方式進(jìn)入太空。為避免對“國際空間站”造成潛在威脅，凱克衛(wèi)星-1計劃在軌飛行16天后才會釋放芯片衛(wèi)星。

在項目執(zhí)行過程中，受立方體衛(wèi)星艙體空間限制，凱克衛(wèi)星-1中搭載的芯片衛(wèi)星數(shù)量大幅減少，從初始計劃的200余顆降低至104顆。研究人員把本次執(zhí)行在軌飛行任務(wù)的芯片衛(wèi)星也命名為“精靈”，并且仍采用印刷電路板衛(wèi)星作為芯片衛(wèi)星驗(yàn)證樣機(jī)以降低成本，但在衛(wèi)星設(shè)計方面進(jìn)行了升級。一方面，在衛(wèi)星外形設(shè)計方面進(jìn)一步小型化，新的“精靈”衛(wèi)星尺寸約為32mm×32mm×4mm，質(zhì)量約為5g；另一方面，在衛(wèi)星任務(wù)設(shè)計方面增加了姿態(tài)測量功能，將電源、天線、敏感器和控制器等單元包括在單個集成電路上。此外，為提高太陽能轉(zhuǎn)化效率，新的“精靈”衛(wèi)星在正反兩面都安置了斯派克實(shí)驗(yàn)室TASC型太陽電池片，可提供60m A、2.2V能量輸出。

“精靈”衛(wèi)星微控制器采用德州儀器公司的商業(yè)現(xiàn)貨器件CC430型處理器，時鐘頻率為8MH z，隨機(jī)存取存儲器（RAM）容量為4kB，閃存容量為32k B。通信采用CC1101型特高頻（UHF）無線電收發(fā)機(jī)，工作頻率為437.24MHz，最大發(fā)射功率為10mW，最大數(shù)據(jù)率為500kbit/s。地面接收站接收到的“精靈”衛(wèi)星信號強(qiáng)度約為1.2×10-16W。如果不考慮天線差異，這個信號強(qiáng)度是地面接收到的GPS信號強(qiáng)度的2.6倍以上。星上陀螺儀和磁強(qiáng)計都具有三軸測量能力。其中，陀螺儀為霍尼韋爾公司的HMC5883L型微機(jī)電系統(tǒng)陀螺儀，可用于測量衛(wèi)星在軌姿態(tài)；磁強(qiáng)計為應(yīng)美勝公司ITG-3200型微磁強(qiáng)計，可用于測量地球磁場分布。星上天線是V型半波振子天線，阻抗50Ω，不需要地面專用的匹配接收網(wǎng)絡(luò)。

“精靈”衛(wèi)星在軌釋放后，康奈爾大學(xué)地面站會接收到每顆衛(wèi)星的遙測信號和傳感器測量數(shù)據(jù)。同時，下傳信號也向世界各地的其他業(yè)余無線電地面站開放，以供航天愛好者參與信號接收。執(zhí)行飛行任務(wù)的“精靈”衛(wèi)星在軌壽命預(yù)計不超過3周，隨后將會再入地球大氣層燒毀。

芯片衛(wèi)星在軌釋放概念圖

2014年4月30日，受空間輻射單粒子翻轉(zhuǎn)事件影響，凱克衛(wèi)星-1的電壓降低至通信鏈路最低工作電壓8V以下，無法接收地面上傳控制指令，且“精靈”衛(wèi)星釋放裝置定時器也發(fā)生重置，重新開始16天倒計時，導(dǎo)致原計劃于5月3日進(jìn)行的“精靈”衛(wèi)星在軌釋放任務(wù)無法如期開展。5月14日，凱克衛(wèi)星-1再入大氣層，宣告了本次芯片衛(wèi)星在軌釋放任務(wù)徹底失敗。據(jù)最新報道，研制團(tuán)隊已啟動凱克衛(wèi)星-2方案論證工作，繼續(xù)實(shí)施芯片衛(wèi)星在軌飛行驗(yàn)證任務(wù)。

薩瑞航天中心對芯片衛(wèi)星分系統(tǒng)技術(shù)成熟度的評價

歐洲芯片衛(wèi)星發(fā)展

歐洲芯片衛(wèi)星發(fā)展研究主要集中在英國薩瑞航天中心、克萊德大學(xué)和劍橋大學(xué)。其中，薩瑞航天中心處于歐洲領(lǐng)先地位，開展了芯片衛(wèi)星技術(shù)可行性研究和系統(tǒng)方案設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上提出并研制了印刷電路板衛(wèi)星；克萊德大學(xué)則主要研究了芯片衛(wèi)星編隊飛行理論；劍橋大學(xué)于2012年啟動了“芯片衛(wèi)星-火星大氣層探測器”（Ch ipSat-MAX）項目，計劃利用芯片衛(wèi)星對火星大氣層實(shí)現(xiàn)原位測量。此外，歐洲航天局在微機(jī)電系統(tǒng)工藝、片上系統(tǒng)等芯片衛(wèi)星基礎(chǔ)技術(shù)方面也有所建樹，研制了薄膜太陽能電池片、片上太陽敏感器、片上星敏感器以及流片加工和微封裝技術(shù)等。

（1）完成芯片衛(wèi)星技術(shù)成熟度評級和方案設(shè)計

薩瑞航天中心在2005年啟動了“空間芯片”（SpaceCh ip）衛(wèi)星項目，按照傳統(tǒng)大型衛(wèi)星劃分衛(wèi)星分系統(tǒng)的方式，對包括機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)、有效載荷、電源分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)、通信分系統(tǒng)、姿軌控分系統(tǒng)、推進(jìn)分系統(tǒng)和熱控分系統(tǒng)在內(nèi)的關(guān)鍵技術(shù)展開可行性研究。2008年，薩瑞航天中心公布了“空間芯片”衛(wèi)星項目研究結(jié)果，對芯片衛(wèi)星涉及的9項分系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)給出了技術(shù)成熟度（TRL）評級。

此外，薩瑞航天中心依托當(dāng)時的技術(shù)能力，利用鍺化硅雙極CMOS工藝完成了“空間芯片”衛(wèi)星系統(tǒng)方案設(shè)計，包括射頻通信、熱控制、數(shù)據(jù)處理、太陽能電池和姿軌控等功能系統(tǒng)。根據(jù)該設(shè)計方案，衛(wèi)星上集成有一個CM OS成像器件，并用一個集成顯微鏡頭代替芯片外置的大鏡頭。衛(wèi)星設(shè)計尺寸為20mm×20mm×3mm，質(zhì)量約10g，太陽電池轉(zhuǎn)換效率約為1%～3%，單星制造成本僅2400美元，發(fā)射成本300美元。薩瑞航天中心對芯片衛(wèi)星技術(shù)的研究僅停留在方案設(shè)計層面，并未開展相關(guān)的工程研制和飛行試驗(yàn)。

（2）立足現(xiàn)有能力，提出研制印刷電路板衛(wèi)星

英國薩瑞航天中心在完成芯片衛(wèi)星技術(shù)可行性研究后認(rèn)為，基于當(dāng)時的技術(shù)能力研制芯片衛(wèi)星難度較大。因此該中心提出了印刷電路板衛(wèi)星概念，以印刷電路板衛(wèi)星為低成本驗(yàn)證手段，首先在一塊印刷電路板上集成航天器的全部功能，積累芯片衛(wèi)星設(shè)計和研制經(jīng)驗(yàn)，待技術(shù)突破后再開展芯片衛(wèi)星研制。

薩瑞航天中心先后設(shè)計了多個印刷電路板衛(wèi)星原型樣機(jī)，并完成了振動、熱真空、輻射等地面環(huán)境模擬試驗(yàn)和無線電通信、姿軌控等功能測試。與美國康奈爾大學(xué)將印刷電路板衛(wèi)星完全用作芯片衛(wèi)星驗(yàn)證樣機(jī)不同，薩瑞航天中心發(fā)展印刷電路板衛(wèi)星兼顧了積累芯片衛(wèi)星研制經(jīng)驗(yàn)和研發(fā)具有實(shí)用價值微小衛(wèi)星的目的。因此，薩瑞航天中心研制的印刷電路板衛(wèi)星尺寸相對較大，尺寸達(dá)到100mm×100mm×2.5mm，質(zhì)量約350g。衛(wèi)星采用640×480分辨率的CMOS成像器件，通信速率為9.6kbit/s。薩瑞航天中心先后設(shè)計了多個印刷電路板衛(wèi)星原型樣機(jī)，并完成了振動、熱真空、輻射等地面環(huán)境模擬試驗(yàn)和無線電通信、姿軌控等功能測試，但沒有進(jìn)行在軌試驗(yàn)。

3 芯片衛(wèi)星應(yīng)用展望

除了為高校師生和業(yè)余愛好者研究航天提供了新的經(jīng)濟(jì)可承受方式外，芯片衛(wèi)星一旦取得技術(shù)突破，還將擁有廣闊應(yīng)用潛景。美國研究人員提出了芯片衛(wèi)星在未來可能的3個業(yè)務(wù)應(yīng)用方向。

環(huán)境探測

由于制造和發(fā)射成本極其低廉，且易于一次性大批量發(fā)射入軌，將大量芯片衛(wèi)星送入軌道后，能夠組成節(jié)點(diǎn)密集的空間分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對地球空間環(huán)境要素展開全方位、立體化探測，獲得全局空間的時間一致性原位測量數(shù)據(jù)。如可發(fā)射到低地球軌道，對地球空間粒子分布進(jìn)行大范圍的原位同步探測；或搭乘行星探測器，在著陸過程布撒并降落至行星表面，探測行星是否存在某些特定的化學(xué)元素。

深空探測

由于芯片衛(wèi)星具有較高的面質(zhì)比和荷質(zhì)比，康奈爾大學(xué)研究人員在模擬仿真后認(rèn)為，太陽輻射壓力和空間磁場洛倫茲力能為芯片衛(wèi)星提供持續(xù)推進(jìn)力，如厚20μm、質(zhì)量7.5m g的芯片衛(wèi)星在太陽輻射壓力作用下可以獲得0.06mm/s2的加速度；尺寸為10mm×10mm×0.5mm、質(zhì)量150mg的芯片衛(wèi)星在地球磁場環(huán)境可以每天獲得18m的位移量。因此，芯片衛(wèi)星可以借助太陽輻射壓力和洛倫茲力進(jìn)行深空探測。

在軌巡視

在解決芯片衛(wèi)星空間姿態(tài)與軌道控制技術(shù)以及編隊飛行技術(shù)后，大批量芯片衛(wèi)星可以與主衛(wèi)星，如大型業(yè)務(wù)衛(wèi)星一起發(fā)射入軌。芯片衛(wèi)星在繞飛大衛(wèi)星時，可以持續(xù)測量主衛(wèi)星的熱輻射狀態(tài)、射頻狀態(tài)和空間粒子環(huán)境，利用測量數(shù)據(jù)評估主衛(wèi)星的健康狀態(tài)，進(jìn)行故障預(yù)判。

4 結(jié)束語

盡管芯片衛(wèi)星在未來存在諸多應(yīng)用可能，但從發(fā)展現(xiàn)狀看，國外芯片衛(wèi)星研究尚處于起步階段，還未實(shí)現(xiàn)真正意義上的芯片化，主要以印刷電路板衛(wèi)星的形式進(jìn)行原理驗(yàn)證和技術(shù)試驗(yàn)，也沒有針對具體應(yīng)用進(jìn)行工程化研制。從投資主體來看，芯片衛(wèi)星還停留在科研機(jī)構(gòu)自主發(fā)展階段。而且需要注意的是，由于目前還不具備姿軌控和推進(jìn)能力，芯片衛(wèi)星大批量發(fā)射入軌自由飛行，還會造成在外太空軌道形成大量空間碎片的隱患。