林來(lái)興張小琳

（1北京控制工程研究所，北京 100190）

（2北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

現(xiàn)代小衛(wèi)星與大眾化空間時(shí)代

林來(lái)興1張小琳2

（1北京控制工程研究所，北京 100190）

（2北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

通過(guò)論述現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)30年的發(fā)展歷程，總結(jié)其技術(shù)發(fā)展水平并舉出現(xiàn)階段的典型應(yīng)用實(shí)例，討論小衛(wèi)星未來(lái)的發(fā)展方向，論述大眾化空間與現(xiàn)代小衛(wèi)星的關(guān)系，總結(jié)現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)服務(wù)于大眾化空間的各項(xiàng)特征。

現(xiàn)代小衛(wèi)星；大眾化空間；小衛(wèi)星優(yōu)勢(shì)；小衛(wèi)星應(yīng)用；發(fā)展方向

1 引言

從1957年世界第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功——人類開(kāi)始進(jìn)入空間時(shí)代，迄今已有半個(gè)多世紀(jì)。在空間時(shí)代最初的十幾年中，空間項(xiàng)目具有開(kāi)創(chuàng)性、高技術(shù)和高風(fēng)險(xiǎn)的基本特點(diǎn)。此時(shí)正值美蘇兩國(guó)展開(kāi)空間競(jìng)賽，在這個(gè)不計(jì)成本和投資的時(shí)代，空間技術(shù)及應(yīng)用得到了很大發(fā)展，只是技術(shù)本身由極少數(shù)國(guó)家掌握，處于壟斷的局面。

20世紀(jì)80年代，冷戰(zhàn)壓力造成各國(guó)的航天預(yù)算經(jīng)費(fèi)急劇降低，與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)、信息等高技術(shù)的不斷出現(xiàn)，對(duì)空間技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支持。從這個(gè)時(shí)期開(kāi)始，空間項(xiàng)目開(kāi)始與人類自身的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)密切相關(guān)，對(duì)社會(huì)大眾的工作和生活產(chǎn)生重要影響。由此，20世紀(jì)80年代中期國(guó)際上興起小衛(wèi)星熱，小衛(wèi)星相比大衛(wèi)星具有一系列的優(yōu)勢(shì)，從而得到了廣泛的應(yīng)用，獲得巨大的效益。

近10年來(lái)，由于立方體星和由它組成的納型衛(wèi)星、微型衛(wèi)星等技術(shù)的飛速發(fā)展，立方體星組成的航天產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、高可靠性和短研制周期；同時(shí)在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時(shí)代飛速發(fā)展的背景下，使得小衛(wèi)星獲取的各種觀測(cè)數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)在人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)價(jià)值應(yīng)用并獲得收益。

近年來(lái)現(xiàn)代小衛(wèi)星開(kāi)始邁進(jìn)新的空間時(shí)代——大眾化空間（Public Space）［1］。為此，本文將論述大眾化空間與現(xiàn)代小衛(wèi)星的關(guān)系，討論現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展水平和典型應(yīng)用實(shí)例，展望小衛(wèi)星的發(fā)展方向，即以擴(kuò)大現(xiàn)代小衛(wèi)星特點(diǎn)為目標(biāo)的空間技術(shù)和應(yīng)用的開(kāi)發(fā)——私人與普通民眾都可參與小衛(wèi)星開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，并總結(jié)現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)服務(wù)于大眾化空間的各項(xiàng)特征和成功經(jīng)驗(yàn)。

2 大眾化空間的概念與現(xiàn)代小衛(wèi)星

2.1 大眾化空間

在航天領(lǐng)域，“大眾化空間”這個(gè)名詞剛剛出現(xiàn)，尚未得到公認(rèn)的明確概念和嚴(yán)格定義。但是，顧名思義，大眾化空間的主要特征是：空間活動(dòng)是大眾化和普遍性的，不再如空間時(shí)代初期，空間活動(dòng)僅局限在少數(shù)國(guó)家的大型科研機(jī)構(gòu)或大型企業(yè)中。大眾化空間活動(dòng)投資少、收益多、見(jiàn)效快、研制周期短、應(yīng)用廣泛，服務(wù)對(duì)象是不受地域限制的廣大社會(huì)民眾，無(wú)論是中小國(guó)家、私人企業(yè)乃至個(gè)人都可能參與空間活動(dòng)并獲得回報(bào)［1］。而這一特點(diǎn)，只有利用現(xiàn)代小衛(wèi)星才能完全體現(xiàn)，也就是說(shuō)，現(xiàn)代小衛(wèi)星快速發(fā)展到今天，已經(jīng)開(kāi)始邁向新的空間時(shí)代——大眾化空間。

2.2 現(xiàn)代小衛(wèi)星

20世紀(jì)80年代中期，國(guó)際上由于采用新技術(shù)和新設(shè)計(jì)思路所興起的小衛(wèi)星熱，至今已有30年，在此期間全世界共發(fā)射了各種小衛(wèi)星近2000顆，約占同期航天器發(fā)射數(shù)量的40%。小衛(wèi)星技術(shù)經(jīng)過(guò)30年的快速發(fā)展，取得了巨大進(jìn)步，其應(yīng)用向全方位發(fā)展并獲得廣泛效益。與傳統(tǒng)大衛(wèi)星相比，后來(lái)的小衛(wèi)星具有一系列的優(yōu)勢(shì)。為此，把這些小衛(wèi)星稱為現(xiàn)代小衛(wèi)星，以區(qū)別早期由于運(yùn)載能力和空間技術(shù)限制所發(fā)射的那些水平較低的簡(jiǎn)單小衛(wèi)星。

通過(guò)對(duì)已發(fā)射的這些現(xiàn)代小衛(wèi)星技術(shù)性能分析研究，同時(shí)又考慮當(dāng)前各國(guó)所制定的開(kāi)發(fā)研究小衛(wèi)星計(jì)劃（包括已經(jīng)在研究或計(jì)劃發(fā)射的小衛(wèi)星），現(xiàn)代小衛(wèi)星具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具體內(nèi)容可參考文獻(xiàn)［2］?，F(xiàn)代小衛(wèi)星也存在缺點(diǎn)：①單顆小衛(wèi)星有效載荷的質(zhì)量和功率有限；②對(duì)單點(diǎn)故障敏感；③短期運(yùn)行壽命和可靠性比大衛(wèi)星稍差。但是，小衛(wèi)星在應(yīng)用上常常采用分布式空間系統(tǒng)，則可發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)并克服缺點(diǎn)。如果采用分布式空間系統(tǒng)，小衛(wèi)星就會(huì)有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）單顆大衛(wèi)星功能可由若干顆小衛(wèi)星來(lái)替代（例如采用干涉原理），甚至還可獲得更好的技術(shù)性能；

（2）可以實(shí)現(xiàn)低成本的全球?qū)崟r(shí)對(duì)地觀測(cè)；

（3）不會(huì)由于單顆小衛(wèi)星發(fā)生故障而導(dǎo)致系統(tǒng)性能受到嚴(yán)重影響，從而獲得很強(qiáng)的生存能力，這點(diǎn)對(duì)于軍事應(yīng)用特別重要；

（4）系統(tǒng)技術(shù)性能可以獲得定期改善和提高；

（5）系統(tǒng)偶然性故障較低，而消除故障費(fèi)用很少。

在航天領(lǐng)域曾經(jīng)有人擔(dān)憂，由于小衛(wèi)星發(fā)射過(guò)多會(huì)增加空間碎片的危害性，但是文獻(xiàn)［3］的研究表明沒(méi)有這樣嚴(yán)重。

2.3 現(xiàn)代小衛(wèi)星分類和應(yīng)用

現(xiàn)代小衛(wèi)星分類、特點(diǎn)、成本和應(yīng)用概況如表1所示［4］。

表1 現(xiàn)代小衛(wèi)星分類、特點(diǎn)、成本和應(yīng)用概況Table 1 Classification，feature，cost and application of modern small satellites

續(xù)表

表1中共有6種小衛(wèi)星分類。30年來(lái)，雖然現(xiàn)代小衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射近2000顆，但是它們的入軌質(zhì)量差異很大，從1 kg到近1000 kg。發(fā)射數(shù)量約占同期航天器發(fā)射數(shù)量的40%，但發(fā)射入軌的質(zhì)量不到發(fā)射總質(zhì)量的10%，而經(jīng)濟(jì)成本投入不到5%。從它們?cè)诳臻g領(lǐng)域所起的作用看，可以覆蓋現(xiàn)有大衛(wèi)星的很大一部分。這也是現(xiàn)代小衛(wèi)星正在邁向大眾化空間的重要特征。

3 現(xiàn)代小衛(wèi)星發(fā)展水平

現(xiàn)以小衛(wèi)星應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明其技術(shù)發(fā)展水平；更重要的是論述大眾化空間時(shí)代一些主要表現(xiàn)。

3.1 對(duì)地觀測(cè)

小衛(wèi)星在對(duì)地觀測(cè)方面應(yīng)用是最成功的，可以說(shuō)在技術(shù)上獲得巨大突破。

1）“羊群星座”

美國(guó)私營(yíng)行星實(shí)驗(yàn)室（Plant Labs）公司研制了3U立方體星對(duì)地觀測(cè)項(xiàng)目。2013年發(fā)射了4顆“鴿子”3U立方體星Dove-1～4，對(duì)地觀測(cè)光學(xué)成像地面分辨率為3～5 m，單顆衛(wèi)星質(zhì)量5 kg。2014年共發(fā)射3U立方體星4次總計(jì)93顆，其中成功發(fā)射3次（67顆衛(wèi)星），火箭發(fā)射失敗1次（26顆衛(wèi)星），3U立方體星外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。經(jīng)過(guò)上述成功的空間技術(shù)試驗(yàn)，獲得很多技術(shù)改進(jìn)策略（特別是在太陽(yáng)電池板方面［5］的改進(jìn)）。該公司計(jì)劃在2015—2016年發(fā)射150顆3U立方體星以組成對(duì)地觀測(cè)超大星座——“羊群星座”（Elock Constellation），對(duì)地觀測(cè)光學(xué)成像分辨率為3～4 m，單顆衛(wèi)星5 kg，軌道高度500 km，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，重訪時(shí)間接近實(shí)時(shí)。采用長(zhǎng)期在線（Always On）工作模式，無(wú)需對(duì)衛(wèi)星下達(dá)成像指令即可自動(dòng)持續(xù)獲取全球圖像?；旧蠈?shí)現(xiàn)多年來(lái)人類對(duì)地觀測(cè)的夢(mèng)想——隨時(shí)隨地的高分辨率對(duì)地觀測(cè)。這個(gè)超大星座，衛(wèi)星總質(zhì)量?jī)H約800 kg，投資成本估計(jì)在1～2億美元左右（衛(wèi)星若成批生產(chǎn)還會(huì)降低成本），這僅相當(dāng)于一顆普通中小型衛(wèi)星的質(zhì)量和投資成本。

圖1 3U立方體星外形Eig.1 Configuration of 3U CubeSat

2）“天空”衛(wèi)星星座

美國(guó)私營(yíng)天空盒子公司（Skybox）研制微型對(duì)地觀測(cè)星座，2013—2014年先后發(fā)射2顆“天空衛(wèi)星”（SkySat），單顆衛(wèi)星質(zhì)量100 kg，光學(xué)成像對(duì)地分辨率為0.8～0.9 m，多光譜分辨率2 m，幅寬8 km，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命6 a，563 km/593 km太陽(yáng)同步軌道?？臻g飛行試驗(yàn)成功后，衛(wèi)星經(jīng)過(guò)一些設(shè)計(jì)改進(jìn)，公司決定在2015年開(kāi)始發(fā)射多顆微型衛(wèi)星組成星座，衛(wèi)星質(zhì)量120 kg，采用500 km太陽(yáng)同步軌道。星上具有無(wú)毒綠色燃料推進(jìn)系統(tǒng)。“天空衛(wèi)星”外形如圖2所示。

圖2 “天空衛(wèi)星”外形Eig.2 Configurations of SkySat

“天空衛(wèi)星”星座將來(lái)由24顆星組成，實(shí)現(xiàn)全球?qū)Φ赜^測(cè)，重訪時(shí)間為8 h，全色分辨率0.8 m，多光譜分辨率2 m［6］。若與以前傳統(tǒng)大衛(wèi)星相比，分辨率相同而重訪時(shí)間縮短到1/40～1/50，整個(gè)星座衛(wèi)星總質(zhì)量減輕到1/2或1/4，投資成本也降低到1/2或1/4。

“天空衛(wèi)星”星座的觀測(cè)數(shù)據(jù)將隨時(shí)傳輸?shù)降孛嫔?，由地面云?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)，可以及時(shí)、廣泛地傳遞到全球各地用戶，數(shù)據(jù)費(fèi)用低廉。

3）高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星

以色列在2010年6月成功發(fā)射地平線-9（Ofeq-9）對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星。全色分辨率0.5 m，多光譜分辨率2.5 m，幅寬16 km，衛(wèi)星質(zhì)量272 kg。這種極高分辨率小衛(wèi)星與傳統(tǒng)對(duì)地觀測(cè)大衛(wèi)星相比（例如美國(guó)“鎖眼”偵察衛(wèi)星），分辨率相同，衛(wèi)星質(zhì)量減輕一個(gè)數(shù)量級(jí)，投資成本降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，研制周期縮短到1/2或1/4。

4）合成孔徑雷達(dá)小衛(wèi)星

合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星（SAR）可以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的對(duì)地觀測(cè)。但是衛(wèi)星功耗很大，為此傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星每顆質(zhì)量都在2～3 t以上。

以色列在2009年和2014年分別發(fā)射地平線-8和地平線-10對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，衛(wèi)星分辨率為1 m，衛(wèi)星質(zhì)量?jī)H260 kg。與此相似，印度也在2009年發(fā)射合成孔徑小衛(wèi)星RISAT-2。這是目前世界上最輕的3顆合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星。圖3是以色列地平線-8與地平線-10衛(wèi)星的外形圖。

圖3 地平線-8與地平線-10衛(wèi)星的外形Eig.3 Configuration of Ofeq-8 and Ofeq-10

上述SAR小衛(wèi)星比傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星質(zhì)量減輕一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)地觀測(cè)分辨率提高3～4倍，成本也隨之降至1/5～1/7。

3.2 通信衛(wèi)星星座和導(dǎo)航衛(wèi)星星座

1）通信衛(wèi)星星座

由于通信衛(wèi)星星座需要無(wú)縫覆蓋全球，必須采用多顆衛(wèi)星組成星座，現(xiàn)代小衛(wèi)星的出現(xiàn)才使得通信衛(wèi)星星座容易實(shí)現(xiàn)。通信衛(wèi)星需要在軌工作壽命較長(zhǎng)，一般為10～15 a，同時(shí)又需要較大發(fā)射功率，以便降低地面接收設(shè)備復(fù)雜性。為此，通信衛(wèi)星星座都采用廣義小衛(wèi)星，質(zhì)量為500～800 kg。

20世紀(jì)90年代，小衛(wèi)星星座發(fā)展達(dá)到高潮，其中較為典型的移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)有：“全球星”（48顆）、“銥星”（66顆）、“軌道通信”（Orbcomm）（36顆）等星座。進(jìn)入21世紀(jì)后，這些星座開(kāi)始發(fā)射第二代衛(wèi)星，例如“銥星”準(zhǔn)備從2015年開(kāi)始，星座仍然由66顆組成，每顆衛(wèi)星重800 kg，壽命10 a?！叭蛐恰毙亲鶑?010—2015年完成第二代全部發(fā)射任務(wù)，星座仍然由48顆組成，單顆衛(wèi)星質(zhì)量700 kg，設(shè)計(jì)壽命15 a?！败壍劳ㄐ拧毙亲诙鷱?012年開(kāi)始至今已完成全部發(fā)射任務(wù)，星座由18顆衛(wèi)星組成，單顆衛(wèi)星172 kg，設(shè)計(jì)壽命5 a。數(shù)據(jù)通信能力比第一代提高了十幾倍，這對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代將發(fā)揮很大作用。第二代Orbcomm衛(wèi)星外形如圖4所示。

圖4 第二代Orbcomm衛(wèi)星外形Eig.4 Configuration of 2nd generation（OG2）satellites

上述小衛(wèi)星第二代通信星座實(shí)現(xiàn)后，智能手機(jī)有望通過(guò)連接衛(wèi)星星座與全球任何地方實(shí)現(xiàn)話音和數(shù)據(jù)通信，基本達(dá)到“個(gè)人通信時(shí)代”，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的5個(gè)“任何”（5W），即任何人（whoever）在任何地點(diǎn)（wherever）與任何人（whoever）于任何時(shí)間（whenever）采用任何方式（whatever）進(jìn)行通信。

2）導(dǎo)航衛(wèi)星星座

目前世界上有4個(gè)著名的導(dǎo)航衛(wèi)星星座，其中歐洲伽利略星座采用廣義小衛(wèi)星，星座由30顆衛(wèi)星組成，分布在3個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面9顆，還有3顆備份衛(wèi)星，也分別布置在3個(gè)軌道面內(nèi)。衛(wèi)星質(zhì)量為733 kg，圓軌道的軌道高度23 616 km，軌道傾角56°，設(shè)計(jì)壽命12 a。從2014年開(kāi)始正式發(fā)射。在此之前，曾經(jīng)發(fā)射4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，質(zhì)量和軌道與正式衛(wèi)星完全相同。

由于伽利略導(dǎo)航星座主要用戶為歐洲國(guó)家，為此導(dǎo)航最高精度設(shè)置于北緯75°，其他參數(shù)與GPS、俄羅斯（Glonass）導(dǎo)航衛(wèi)星基本相同。

3.3 小衛(wèi)星編隊(duì)飛行

現(xiàn)代小衛(wèi)星應(yīng)用的特點(diǎn)是分布式的，分布式主要包括星座和編隊(duì)飛行。前者僅能增加覆蓋區(qū)域和縮短重訪時(shí)間，后者構(gòu)成一種新的功能衛(wèi)星，可以獲得小衛(wèi)星星座和單顆衛(wèi)星不能獲得的觀測(cè)效果。

小衛(wèi)星編隊(duì)飛行現(xiàn)在主要還處在研究和空間飛行試驗(yàn)階段，全世界估計(jì)有十幾項(xiàng)飛行試驗(yàn)在預(yù)研中。下面將介紹目前的2種實(shí)例，第一種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，第二種處于研制階段。

1）合成孔徑雷達(dá)高程編隊(duì)飛行

德國(guó)分別于2007年和2010年發(fā)射了兩顆雷達(dá)衛(wèi)星，衛(wèi)星以同軌串聯(lián)編隊(duì)飛行。圓軌道軌道高度514 km，軌道傾角為97.44°，衛(wèi)星質(zhì)量約為1000 kg，設(shè)計(jì)壽命5 a。目前其在軌已經(jīng)編隊(duì)飛行3～4 a。獲得對(duì)地觀測(cè)高程精度為1 m，這是目前世界上首個(gè)實(shí)用微波對(duì)地觀測(cè)的編隊(duì)飛行衛(wèi)星。由于采用同軌串聯(lián)編隊(duì)保持隊(duì)形，可獲得高精度觀測(cè)效果。

2）編隊(duì)飛行全球三維定位系統(tǒng)

全球三維定位系統(tǒng)基于反GPS工作原理，反GPS工作原理是空間編隊(duì)飛行的3～4顆衛(wèi)星能同時(shí)收到地面目標(biāo)發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)，根據(jù)接收信號(hào)的時(shí)差與頻差，獲得地面目標(biāo)位置，這就是電子偵察衛(wèi)星的基本原理。文獻(xiàn)［7］介紹了以“白云”電子偵察衛(wèi)星為例，由3顆衛(wèi)星組成的定位系統(tǒng)（在高緯度地區(qū)這種定位系統(tǒng)無(wú)法使用），并提出一個(gè)可以連續(xù)偵察地面和海洋的4顆小衛(wèi)星組成的電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)。

3.4 軍用小衛(wèi)星

軍用衛(wèi)星是應(yīng)用衛(wèi)星開(kāi)發(fā)研制最早的衛(wèi)星。不少國(guó)家不惜投入重金研制軍用衛(wèi)星。過(guò)去大都采用中型和大型衛(wèi)星。自從現(xiàn)代小衛(wèi)星出現(xiàn)和技術(shù)上飛快發(fā)展，目前已有一部分軍用衛(wèi)星采用小衛(wèi)星。小衛(wèi)星技術(shù)更新快、研制周期短、生存能力強(qiáng)（多顆小衛(wèi)星同時(shí)使用）、經(jīng)濟(jì)成本低、應(yīng)急補(bǔ)充增強(qiáng)與組網(wǎng)服役快等特點(diǎn)都非常適用于軍用衛(wèi)星。

美國(guó)是研制軍用衛(wèi)星最多的國(guó)家，僅軍用衛(wèi)星的種類就達(dá)到17種，毎個(gè)種類包含若干個(gè)型號(hào)，而每個(gè)型號(hào)有多顆衛(wèi)星，其中很多種類采用小衛(wèi)星，特別本世紀(jì)以來(lái)采用小衛(wèi)星更多，有些已開(kāi)始獲得良好效果，表2列出了美國(guó)一些典型的軍用小衛(wèi)星［8］。

表2 美國(guó)軍用小衛(wèi)星Table 2 Military small satellites in USA

美國(guó)波音公司的研究報(bào)告指出，在未來(lái)20年小衛(wèi)星（特別是在空間控制、空間攻防等方面）將是美國(guó)政府的重要財(cái)富。當(dāng)前美國(guó)軍方正在繼續(xù)加強(qiáng)研制全球監(jiān)視和空間攻防系統(tǒng)，目的是逐漸削弱傳統(tǒng)常規(guī)武器的作用，以使其能繼續(xù)獨(dú)霸世界。

當(dāng)前軍用小衛(wèi)星還處在開(kāi)始階段，尚未大規(guī)模實(shí)現(xiàn)裝備化、業(yè)務(wù)化。從未來(lái)發(fā)展來(lái)看：小衛(wèi)星獲得廣泛軍事應(yīng)用將是衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展和能力需求增長(zhǎng)的必然結(jié)果。目前美國(guó)提出的小衛(wèi)星設(shè)計(jì)思想：以20%成本投入，獲得80%成效。小衛(wèi)星軍亊應(yīng)用將自成一派，也將打破一些陳舊思想。最終小衛(wèi)星以創(chuàng)新技術(shù)體制，全面支持實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用能力，并以低成本快速集中在戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用方面，和大衛(wèi)星共同構(gòu)成一個(gè)全新完整的軍事航天器裝備系統(tǒng)［9］。

3.5 納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星的現(xiàn)在和將來(lái)

這里所討論的納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星，質(zhì)量范圍在1～50 kg。這些衛(wèi)星絕大部分是由立方體星組成的納型衛(wèi)星，再由納型衛(wèi)星擴(kuò)展成為微型衛(wèi)星。從1999年立方體星概念的提出和2003年6顆立方體星首次成功發(fā)射以后，立方體星技術(shù)發(fā)展很快，因?yàn)樾l(wèi)星成本低、研制周期短、實(shí)用性強(qiáng)，已經(jīng)由空間技術(shù)試驗(yàn)擴(kuò)展到工程應(yīng)用。同時(shí)立方體星的結(jié)構(gòu)組成和許多分系統(tǒng)已做到標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，可在國(guó)際空間市場(chǎng)上購(gòu)買和訂購(gòu)。下面對(duì)納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星的現(xiàn)狀和將來(lái)做簡(jiǎn)要綜述［10-11］。

納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星從2009—2016年已發(fā)射和計(jì)劃發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量如圖5所示［11］。已發(fā)射衛(wèi)星（2009—2013年）稱為“當(dāng)下前期”，計(jì)劃發(fā)射（2014—2016年）稱為“當(dāng)下后期”。

圖5 已發(fā)射和計(jì)劃發(fā)射的納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星Eig.5 Number of NanoSats and MicroSats launched and to be launched

圖5中左側(cè)表示2009—2013年5年間，納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星成功發(fā)射的總量為202顆，平均每年發(fā)射40余顆。右側(cè)表示從2014—2016年3年計(jì)劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量為650顆，每年平均為216顆。其中有一個(gè)數(shù)據(jù)是，2012年發(fā)射量為34顆，而2013年發(fā)射量為93顆，增加了269%。從2009—2016年，可以認(rèn)為是納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星技術(shù)的“當(dāng)下”的狀態(tài)。它們將來(lái)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)為2017—2020年，這4年間的國(guó)際空間市場(chǎng)預(yù)測(cè)表由在圖右側(cè)的虛線表示，未來(lái)平均每年發(fā)射量在360顆左右。若考慮市場(chǎng)理想的情況，預(yù)測(cè)每年平均發(fā)射量可達(dá)490顆。

目前的納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域分類如圖6所示［11］。圖6（a）表示“當(dāng)下前期”（2009—2013年），圖6（b）表示“當(dāng)下后期”（2014—2016年）。從圖6中可看出，前期空間技術(shù)試驗(yàn)占202顆的55%，到后期下降為20%，而對(duì)地觀測(cè)從前期12%上升到后期52%。由此可見(jiàn)納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星已經(jīng)走向?qū)嶋H應(yīng)用階段。

圖6 目前的納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域分類Eig.6 Application of NanoSats and MicroSats

納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星歷年發(fā)射量如圖7所示［11］。從2006—2013年，歷年納型衛(wèi)星發(fā)射量比微型衛(wèi)星多，特別是在2012年到2013年，納型衛(wèi)星發(fā)射量從26顆上升到86顆，這主要是“羊群星座”發(fā)射成功所造成的。

圖7 納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星歷年發(fā)射量Eig.7 Number of NanoSats and MicroSats launched

納型衛(wèi)星與微型衛(wèi)星在7個(gè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用實(shí)例如圖8所示。這7個(gè)領(lǐng)域包括：通信、遙感、科學(xué)研究、生物實(shí)驗(yàn)、技術(shù)驗(yàn)證、軍事應(yīng)用、高校培訓(xùn)。每個(gè)領(lǐng)域列出了其典型衛(wèi)星的名稱及質(zhì)量。2013年的納型衛(wèi)星在各領(lǐng)域典型應(yīng)用實(shí)例如圖9所示，由于2013年發(fā)射納型衛(wèi)星與微型衛(wèi)星的數(shù)量比2012年增加2.7倍，所以有必要對(duì)該年所發(fā)射衛(wèi)星進(jìn)行深入了解［10-11］。

對(duì)納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星可得如下結(jié)論：

（1）現(xiàn)代小衛(wèi)星分類中，納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星，每年發(fā)射量增加速度是最快的，例如現(xiàn)在年發(fā)射量為137顆（2013—2016年的年平均值），專家預(yù)測(cè)未來(lái)5年（2017—2020年）納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星年平均發(fā)射量將增至350顆左右，也就是說(shuō)比現(xiàn)在發(fā)射量劇增2.5倍［10-11］。

（2）納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星已經(jīng)從空間技術(shù)試驗(yàn)階段，逐漸走向?qū)嶋H工程應(yīng)用階段。

（3）從2000—2012年，歷年全球各類小衛(wèi)星，從每年發(fā)射量來(lái)看，納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星發(fā)射量占據(jù)主導(dǎo)地位，51～200 kg的微型衛(wèi)星發(fā)射量相對(duì)較少。具體數(shù)字見(jiàn)圖10。

圖8 納型衛(wèi)星與皮型衛(wèi)星在7個(gè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用實(shí)例Eig.8 NanoSats and PicoSats instance

圖9 2013年發(fā)射的皮型衛(wèi)星的典型應(yīng)用實(shí)例Eig.9 PicoSats instance in 2013

圖10 微小衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量Eig.10 Number of Mirco-SmallSats of launched

3.6 空間技術(shù)試驗(yàn)

為了確保航天器在軌道能按設(shè)計(jì)壽命安全、正常運(yùn)行，以及需要不斷采用新技術(shù)與新設(shè)計(jì)思想，提高空間技術(shù)水平，航天器在研制過(guò)程和發(fā)射前都要進(jìn)行一些空間飛行試驗(yàn)與演示驗(yàn)證?，F(xiàn)代小衛(wèi)星出現(xiàn)后，就為此提供了既經(jīng)濟(jì)又快速的物質(zhì)條件。估計(jì)全世界發(fā)射小衛(wèi)星的總數(shù)有1/3都用于進(jìn)行空間飛行試驗(yàn)。為此，最近十幾年來(lái)，航天器技術(shù)水平和運(yùn)行安全、可靠性不斷提高與此有密切關(guān)系。技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星水平隨時(shí)代前進(jìn)也在不斷提高。

3.7 納型/微型航天器深空探測(cè)

近期國(guó)內(nèi)外應(yīng)用納型/微型航天器進(jìn)行深空探測(cè)的研究成果，有如下兩個(gè)實(shí)例。雖然這2個(gè)航天器尚未發(fā)射，但是其創(chuàng)新性和技術(shù)水平是很高的，將來(lái)所獲得的觀測(cè)成果也有可能是以往的深空探測(cè)器所不能及的。

1）“空間超低頻射電觀測(cè)臺(tái)”

“空間超低頻射電觀測(cè)臺(tái)”（Space Ulta-Low Erequency Radio Observatory，SULERO）在日地間的拉格朗日點(diǎn)L2上，由13顆納型/微型航天器組成一個(gè)編隊(duì)飛行系統(tǒng)［12］。該系統(tǒng)由2部分組成：12顆納型航天器組成編隊(duì)飛行稱為子星，一顆微型航天器稱為母星。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖11所示（圖左側(cè)為子星，圖右側(cè)為母星）。

子星編隊(duì)飛行分布在30 km×30 km的正方形區(qū)域，每顆納型航天器設(shè)有3根雙極小天線。整個(gè)12顆編隊(duì)飛行納型航天器組成射電望遠(yuǎn)鏡陣列。這些天線檢測(cè)超低頻的無(wú)線電波，并把數(shù)據(jù)傳輸給母星，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和信號(hào)處理后，壓縮傳輸數(shù)據(jù)容量，然后傳遞到地球。

母星為微型航天器，質(zhì)量為幾十千克量級(jí)，子星為納型航天器，質(zhì)量為幾千克量級(jí)。采用中國(guó)“長(zhǎng)征”系列火箭發(fā)射到L2點(diǎn)，由于L2點(diǎn)基本處于失重狀態(tài)，各顆子星在編隊(duì)飛行狀態(tài)軌道攝動(dòng)差很小，同時(shí)編隊(duì)飛行是離散形的，對(duì)隊(duì)形保持要求不嚴(yán)格，每年需要保持航天器間軌道位置的燃料消耗很少，速度增量約為幾米/秒。

該系統(tǒng)所謂超低頻射電觀測(cè)臺(tái)檢測(cè)的射電頻率為1～100 MHz。這個(gè)頻段在地表上由于受到地球上面電離層影響和地表各種人為無(wú)線電干擾，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的。地面上射電天文檢測(cè)頻率都在100 MHz以上的高頻段。為此，這個(gè)編隊(duì)飛行空間超低頻射電觀測(cè)臺(tái)正好彌補(bǔ)地面射電檢測(cè)不足，將獲得地面觀測(cè)尚未得到的檢測(cè)結(jié)果。

圖11 空間超低頻射電觀測(cè)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Eig.11 Space Ulta-Low Erequency Radio Observatory

2）自主納型技術(shù)群星

在太陽(yáng)系中，火星軌道與木星軌道之間，存在一條小行星帶。這些小行星是未能成形的巖質(zhì)行星的殘余，約有50多萬(wàn)顆小行星。體積大小差異很大，最小的直徑僅有1 km左右，最大的直徑有上千千米。它們與太陽(yáng)的平均距離為2.8天文單位（AU）。過(guò)去很長(zhǎng)歷史時(shí)期對(duì)小行星帶的探測(cè)收獲很小，由于缺乏有效的觀測(cè)手段。為此，NASA計(jì)劃在2020—2030年在小行星帶建立一個(gè)“自主納星技術(shù)群星”（Autonomous Nano Technology Swarm，ANTS），從而可以長(zhǎng)期探測(cè)小行星帶。這個(gè)自主群星準(zhǔn)備由1000顆納型航天器組成，每顆航天器質(zhì)量為幾千克。它分批由火箭發(fā)射在太陽(yáng)與木星間的拉格朗日點(diǎn)上，然后擇機(jī)進(jìn)入小行星帶，組成自主納型航天器群星（Swarm）。所謂群星是類似于被動(dòng)編隊(duì)飛行，它依靠一種仿自然界昆蟲(chóng)的組織方式，例如螞蟻覓食、蜜蜂筑巢行為的人工智能方法，使群星內(nèi)所有納型航天器可以自主保持松散隊(duì)形，也就是說(shuō)不會(huì)發(fā)生某些航天器走失，而且不消耗燃料。ANTS具體如何探測(cè)小行星和如何把處理數(shù)據(jù)送回地面接收站可參閱文獻(xiàn)［13］。

這項(xiàng)飛行任務(wù)，目前還處在研究階段，將來(lái)群星性能如何尚需等待空間飛行試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

4 現(xiàn)代小衛(wèi)星今后發(fā)展方向

現(xiàn)代小衛(wèi)星今后主要發(fā)展方向如下：

（1）充分應(yīng)用先進(jìn)信息技術(shù)，在衛(wèi)星內(nèi)部將更換小衛(wèi)星信息結(jié)構(gòu)，時(shí)刻要保持與快速發(fā)展的信息和計(jì)算機(jī)技術(shù)同步，甚至在某些方面超前應(yīng)用；在衛(wèi)星外部，要與信息技術(shù)全面、深度融合，從而使小衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)生革命性變化。具體地說(shuō)，采用地面云計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸，確保及時(shí)、廉價(jià)獲得小衛(wèi)星所獲得的成果。現(xiàn)代小衛(wèi)星要適應(yīng)不斷發(fā)展的大數(shù)據(jù)時(shí)代的需求。

（2）現(xiàn)代小衛(wèi)星的“大眾化空間”。其主要標(biāo)志與特點(diǎn)就是小衛(wèi)星成本低、研制周期短、能獲得較大的應(yīng)用效果。為此有人把某些小衛(wèi)星稱為“個(gè)人衛(wèi)星”或“公民衛(wèi)星”。私人可以參與研制開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。促進(jìn)小衛(wèi)星更快發(fā)展，使投資主體多元化。

小衛(wèi)星設(shè)計(jì)思想和研制方式要有所創(chuàng)新。例如：NASA 2014年已經(jīng)把3D打印機(jī)送上“國(guó)際空間站”，進(jìn)行空間飛行試驗(yàn)，其目的是了解3D打印機(jī)如何適應(yīng)在失重環(huán)境下工作。若能成功，則有人假想將來(lái)可應(yīng)用3D打印機(jī)在空間站內(nèi)制造納型與微型衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)，因?yàn)檫@類小衛(wèi)星大都采用立方體星組成，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，許多部件在地面都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，而且已積累許多研制成功的經(jīng)驗(yàn)。然后在空間站把這些分系統(tǒng)和相關(guān)部件組成一顆衛(wèi)星，之后逐步提高3D打印機(jī)制造小衛(wèi)星的能力。

在空間站內(nèi)制造出納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星，可以節(jié)省一大批發(fā)射費(fèi)用和許多地面試驗(yàn)（例如失重、力學(xué)試驗(yàn)等），做到又省、又快研制小衛(wèi)星。

（3）降低小衛(wèi)星運(yùn)載費(fèi)用。今后要降低小衛(wèi)星運(yùn)載費(fèi)用會(huì)采用各種模式的運(yùn)載方式。

①一箭多星發(fā)射，目前已有一箭運(yùn)載30多顆小衛(wèi)星的方式，主要需要解決小衛(wèi)星安裝適配器及釋放機(jī)構(gòu)。

②在發(fā)射主衛(wèi)星的運(yùn)載器上搭載，其問(wèn)題是還要等待合適的發(fā)射時(shí)間，要適應(yīng)剩余空間和允許質(zhì)量的約束。

③由退役武器（導(dǎo)彈）或退役噴氣式飛機(jī)改裝為發(fā)射小衛(wèi)星的運(yùn)載器。美國(guó)的納型發(fā)射器公司（Nano Launcher）已經(jīng)成功把退役噴氣式飛機(jī)改裝為小衛(wèi)星發(fā)射器，將在2015年下半年接受發(fā)射任務(wù)。

④鼓勵(lì)私人公司創(chuàng)辦小型火箭與小衛(wèi)星公司，使研制和發(fā)射小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)多元化，從而促進(jìn)技術(shù)發(fā)展和降低成本。目前國(guó)內(nèi)外都有這種公司，例如國(guó)外有美國(guó)SpaceX公司，國(guó)內(nèi)有剛剛創(chuàng)建于深圳的翎客航天公司。前者已經(jīng)取得了一些成功，并且開(kāi)始像正規(guī)航天公司承擔(dān)正式發(fā)射任務(wù)。后者才剛開(kāi)始，估計(jì)需要一些時(shí)間才能見(jiàn)分曉。

以上這些發(fā)射方式，總的目的是希望對(duì)小衛(wèi)星發(fā)射費(fèi)用，能夠從目前上萬(wàn)美元每千克，逐步降低到幾千美元每千克。

（4）小衛(wèi)星最大應(yīng)用特點(diǎn)是分布式系統(tǒng)，為此今后應(yīng)積極研究和開(kāi)發(fā)5S技術(shù)。所謂5S是協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)和服務(wù)（Synergic Small Satellites Systems and Services），具體關(guān)于5S的概念和內(nèi)容可參閱文獻(xiàn)［2］。

（5）小衛(wèi)星能源和推進(jìn)分系統(tǒng)是發(fā)展小衛(wèi)星功能密度的最大關(guān)卡。建議將來(lái)有條件時(shí)，能源系統(tǒng)采用空間無(wú)線能量傳輸，目前日本已先后兩次成功進(jìn)行了微波無(wú)線輸電試驗(yàn)，這說(shuō)明不久將來(lái)無(wú)線輸電商業(yè)化已成為可能。除此外還應(yīng)積極開(kāi)發(fā)研究輕型大容量電源系統(tǒng)，推進(jìn)系統(tǒng)采用電磁力和電推進(jìn)。

（6）采用先進(jìn)的微型機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electromechanical Systems，MEMS）和納型機(jī)電系統(tǒng)（Nano Electromechanical Systems，NEMS）。

（7）采用GPS或類似導(dǎo)航星座（如GLONASS、Galileo、“北斗”等）為星上提供時(shí)標(biāo)、位置、速度與姿態(tài)測(cè)量等信息。

（8）充分運(yùn)用微型、納型和皮型衛(wèi)星進(jìn)行空間飛行演示驗(yàn)證，積極采用新技術(shù)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)思想，從而迅速促進(jìn)小衛(wèi)星分類中的各種小衛(wèi)星更新?lián)Q代。也就是說(shuō)：每隔2～3年，大衛(wèi)星小型化（部分大衛(wèi)星由小衛(wèi)星替代）、小衛(wèi)星由微型衛(wèi)星替代、微型衛(wèi)星由納型衛(wèi)星替代等等。

（9）未來(lái)，小衛(wèi)星（特別是納型衛(wèi)星與微型衛(wèi)星）每年發(fā)射數(shù)量將有可能達(dá)到300～400顆，可占衛(wèi)星年總發(fā)射量的50%以上，這就是大眾化空間時(shí)代即將到來(lái)的標(biāo)志。

（10）現(xiàn)在就應(yīng)準(zhǔn)備不久將來(lái)在小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量巨增時(shí)，逐步解決空間廢棄衛(wèi)星的回收問(wèn)題，從而保證地球軌道環(huán)境的清潔與安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代小衛(wèi)星從出現(xiàn)到快速發(fā)展至今已有30年歷史，它所具有的特點(diǎn)，以及應(yīng)用的廣泛性和普遍性已得到充分體現(xiàn)，它正在邁向大眾化空間時(shí)代，這與半個(gè)多世紀(jì)前計(jì)算機(jī)的發(fā)展非常相似。大眾化空間時(shí)代對(duì)民用與軍用都具有重大意義，應(yīng)引起足夠重視，以便在大眾化空間時(shí)代高潮到來(lái)的時(shí)候，能夠站在最前列。

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（編輯：張小琳）

Modern Small Satellites and Public Space Age

LIN Laixing1ZHANG Xiaolin2
（1 Beijing Institute of Control Enginerring，Beijing 100190，China）
（2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The 30-year retrospect on the development of modern small satellite technology is discussed systematically.Therefore，this paper discusses the modern small satellite technology development level and the typical application examples，introduces the development direction of small satellite，and summes up the characteristics of the modern small satellite technology and services in public space.Small satellites are moving towards the Public Space Age，so the paper deduces the relationship between Public Space and modern small satellites.

modern small satellite；Public Space；small satellite advantage；small satellite application；development direction

V11

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.013

2015-04-10；

2015-05-04

林來(lái)興，男，研究員，從事航天控制、小衛(wèi)星編隊(duì)飛行研究。Email：laixing-lin@sina.com。