王存恩（北京空間科技信息研究所）

1 引言

2019年1月18日9：50（東京時間），日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）用艾普斯龍-4火箭把“革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃”首發(fā)的7顆衛(wèi)星—革新技術(shù)驗證衛(wèi)星-1（RAPIS-1）、3顆搭載發(fā)射的微衛(wèi)星和3顆立方體衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，這也是日本技術(shù)驗證系列星的第7組衛(wèi)星。

日本重視并采用民用技術(shù)開發(fā)的元器件在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。2002－2012年，已發(fā)射了6顆有代表性的技術(shù)驗證衛(wèi)星：技術(shù)性能驗證衛(wèi)星-1（MDS-1）、下一代不載人空間實驗系統(tǒng)（USERS）、微實驗室衛(wèi)星 -1（μ-Lab Sat-1）、“創(chuàng)新小衛(wèi)星”（INDES）、小型驗證衛(wèi)星-1和4（SDS-1和4），用其驗證了18項日本國內(nèi)領(lǐng)先國際水平的新技術(shù)，并確認(rèn)都能在航天領(lǐng)域應(yīng)用；執(zhí)行24項飛行任務(wù)，均獲成功；驗證了采用領(lǐng)先國際水平技術(shù)開發(fā)的41種飛行任務(wù)儀器均能在航天器上使用；驗證了63種采用國際領(lǐng)先水平的民用技術(shù)開發(fā)的元器件和儀器，確認(rèn)有62種能在航天領(lǐng)域應(yīng)用。

如果把確認(rèn)可在航天領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)、元器件和儀器，再搭載在技術(shù)試驗衛(wèi)星上做進(jìn)一步驗證，就可推廣到各類航天器上使用。實踐證明這樣做不僅加快了航天技術(shù)發(fā)展，縮小了航天技術(shù)與領(lǐng)先于世界水平的民用技術(shù)、航天元器件和儀器與民用元器件和儀器間的差別，還加快了航天元器件微小型化的進(jìn)程，大幅度降低了開發(fā)成本，提高了日本航天技術(shù)和產(chǎn)品在國際市場上的競爭力，產(chǎn)生了明顯的社會效益和較高的經(jīng)濟(jì)效益。基于此，日本政府在2015年1月9日公布的《航天開發(fā)基本計劃》中決定：2017年重啟技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃，而且以后每兩年都要發(fā)射1顆“革新技術(shù)驗證衛(wèi)星”。革新技術(shù)驗證衛(wèi)星-1是日本“革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃”的首組衛(wèi)星。

2 衛(wèi)星計劃概況

“革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃”既繼承了前6顆技術(shù)驗證衛(wèi)星的設(shè)計、研制、發(fā)射和在軌運(yùn)行管理經(jīng)驗，也大膽地采用了研究機(jī)構(gòu)、民間企業(yè)、大學(xué)，乃至風(fēng)險企業(yè)等開發(fā)微衛(wèi)星等所積累的新知識、新技術(shù)、新工藝、新方法，全部在規(guī)定的時域內(nèi)完成既定任務(wù)，確定了主衛(wèi)星——革新技術(shù)驗證衛(wèi)星-1驗證的關(guān)鍵元器件、部件和搭載發(fā)射的微衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星要驗證的技術(shù)。

計劃的目的

“革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃”的三個目的是：

1）通過執(zhí)行“革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃”，在太空實驗和驗證航天器所需的各項關(guān)鍵技術(shù)，確保國家航天技術(shù)持續(xù)發(fā)展，鞏固支撐航天發(fā)展所需的關(guān)鍵技術(shù)，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競爭力，達(dá)到增強(qiáng)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)在國際市場上競爭力的目的。

2）吸引民間企業(yè)等主動按照新標(biāo)準(zhǔn)參與航天開發(fā)，政府定期為民間企業(yè)和大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，乃至風(fēng)險企業(yè)提供搭載發(fā)射機(jī)會，促進(jìn)達(dá)到國際領(lǐng)先水平的民用技術(shù)及采用這些技術(shù)開發(fā)的元器件在航天領(lǐng)域的應(yīng)用；同時要求參與航天開發(fā)的企業(yè)，特別是風(fēng)險企業(yè)，按照新標(biāo)準(zhǔn)參與開發(fā)，做到取有豐富航天開發(fā)經(jīng)驗企業(yè)之長，補(bǔ)己之短，互相提攜，揚(yáng)長避短，共同前進(jìn)，達(dá)到不斷創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展的目的。

3）確保向開發(fā)者提供足夠的技術(shù)支持，以及搭載驗證有效載荷的機(jī)會，促進(jìn)風(fēng)險企業(yè)下決心致力于航天產(chǎn)業(yè)開發(fā)與經(jīng)營，培育出更多致力于航天事業(yè)的優(yōu)秀人才。

計劃實現(xiàn)的目標(biāo)

“革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃”要實現(xiàn)兩大目標(biāo)：

1）準(zhǔn)確地掌握航天高技術(shù)未來發(fā)展趨勢，創(chuàng)造出能與國家和產(chǎn)業(yè)界研發(fā)目標(biāo)相對應(yīng)的、新應(yīng)用領(lǐng)域所需的飛行任務(wù)儀器和在國際航天市場上有競爭力的系統(tǒng)/分系統(tǒng)，及其相關(guān)的理念和技術(shù)，并逐一在軌驗證。

2）優(yōu)先致力于風(fēng)險性大，有望取得重大成果，有利于國家航天技術(shù)快速發(fā)展，使國家航天產(chǎn)品在日益激烈的國際市場競爭中有較強(qiáng)競爭力的“革新技術(shù)”，并在軌驗證。

3 “革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃”首發(fā)星

“革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃”的首發(fā)7顆衛(wèi)星由主衛(wèi)星、3顆微衛(wèi)星和3顆立方體衛(wèi)星組成。

1）主衛(wèi)星。革新技術(shù)驗證衛(wèi)星-1由“革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃”總負(fù)責(zé)單位日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計，借用風(fēng)險企業(yè)—空間加速公司（Accel Space）等力量開發(fā)的一顆質(zhì)量為200kg的小衛(wèi)星，計劃在軌驗證1種元器件和6種部件的功能和性能。其中，1種元器件為現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）；6種部件為：X頻段下行鏈路、綠色環(huán)保推進(jìn)劑、粒子能源分光計、革新的地球敏感器和星跟蹤器（DLAS）、超輕型太陽電池翼（TMSAP）和超小型、低能耗GNSS接收機(jī)。

2）微衛(wèi)星。共3顆衛(wèi)星，分別是慶應(yīng)大學(xué)、東北大學(xué)和ALE公司設(shè)計和研制的“微龍”（MicroDragon)衛(wèi)星、“歡騰”衛(wèi)星（RISESAT）和人造流星雨演示-1（ALE-1）衛(wèi)星。用這3顆衛(wèi)星開展衛(wèi)星開發(fā)教育拓展、實現(xiàn)高分辨率光譜攝像和放射人工流星等相關(guān)活動，具體共驗證9項技術(shù)。

3）立方體衛(wèi)星。共3顆衛(wèi)星，分別是東京工業(yè)大學(xué)、九州工業(yè)大學(xué)和日本大學(xué)設(shè)計和研制的折紙衛(wèi)星-1（OrigamiSat-1）、“月球探測技術(shù)驗證”（Aoba VELOX-IV）衛(wèi)星和“下一代無線電愛好者衛(wèi)星”（NEXUS，也稱“連接”衛(wèi)星）。計劃用這3顆衛(wèi)星進(jìn)行包括大型結(jié)構(gòu)體展開技術(shù)、觀測地球外緣超高層大氣發(fā)光現(xiàn)象和用業(yè)余無線電愛好者衛(wèi)星進(jìn)行通信實驗在內(nèi)的11項技術(shù)驗證。

革新技術(shù)驗證衛(wèi)星―1

（1）衛(wèi)星概況

革新技術(shù)驗證衛(wèi)星-1由彼此獨立設(shè)計的公用艙和有效載荷艙兩部分組成，采用三軸控制，不僅要研制高精度姿態(tài)控制，還要研制高精度軌道控制，太陽電池翼對準(zhǔn)太陽、有效載荷儀器對準(zhǔn)地面控制，確保能提供一個良好的太空實驗環(huán)境，所以，必須確保衛(wèi)星按設(shè)計要求完成各項實驗和驗證計劃。有效載荷艙內(nèi)搭載了以公開招募方式選定的7種部件和儀器，在軌按驗證計劃分別對這7種部件和儀器進(jìn)行驗證。

革新技術(shù)驗證衛(wèi)星―1的主要性能和參數(shù)

（2）在軌驗證和評價的項目明細(xì)

在軌1年時間對7種元部件和儀器進(jìn)行驗證和評價。

1）革新的現(xiàn)場可編程門陣列。它是以日本電氣公司申請的最新專利《金屬原子開關(guān)（納橋）之工作原理》為基礎(chǔ)、采用革新技術(shù)研發(fā)的革新FPGA（NBFPGA）元件，其主要特點是抗輻照能力極強(qiáng)，不需配備一邊進(jìn)行改寫，一邊存儲回路的新型存儲器。以往的FPGA只要宇宙射線一照射就會產(chǎn)生誤動作，而這種金屬“納橋”原子開關(guān)本身的抗輻照能力極強(qiáng)，不易因輻照出現(xiàn)軟件差錯（其出錯概率還不到傳統(tǒng)FPGA的1/100）。與傳統(tǒng)的FPGA的相比，這種NBFPGA還具備可大幅度地降低功耗和實現(xiàn)小型化等優(yōu)勢。在軌驗證這種新型NBFPGA不單單是要確認(rèn)其能經(jīng)受住太空環(huán)境考驗，更重要的是使其能在日本研制的各類技術(shù)試驗衛(wèi)星上選用，使國際航天界都了解并選用，為NBFPGA早日進(jìn)入并在國際航天市場占有大份額做準(zhǔn)備。

革新的現(xiàn)場可編程門陣列的外觀圖

慶應(yīng)大學(xué)等研制的X頻段快速通信機(jī)和X頻段中增益天線的外觀圖

采用環(huán)保推進(jìn)劑的推進(jìn)系統(tǒng)的外觀

2）傳輸速率為2～3Gbit/s的X頻段下行通信鏈路。用X頻段快速通信機(jī)（HXTX）以及與之配套的X頻段中增益天線(XMGA)構(gòu)成的下行鏈路進(jìn)行通信實驗，這種鏈路的主要特點是：質(zhì)量輕（整套設(shè)備還不到7kg），抗強(qiáng)降雨能力強(qiáng)，耗能低，頻率利用率極高且售價低，通過在軌確認(rèn)其傳輸速率為2～3Gbit/s的X頻段下行通信鏈路的通信能力很強(qiáng)，能把在繞地球軌道運(yùn)行衛(wèi)星搭載相機(jī)等拍攝的圖像和獲取的各種數(shù)據(jù)信息以當(dāng)今世界上最快的速度（2～3Gbit/s）傳送到地面接收系統(tǒng)。

3）采用綠色推進(jìn)劑的環(huán)保推進(jìn)系統(tǒng)。采用低毒的綠色推進(jìn)劑、適于小衛(wèi)星用的新型環(huán)保推進(jìn)系統(tǒng)（GPRCS）是宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)研制的，也是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省“空間環(huán)境可靠性驗證系統(tǒng)”（SERVIS）所支持的驗證系統(tǒng)。它有4個特點：①環(huán)保，可操作性強(qiáng)，能大幅度提高系統(tǒng)推力和處理能力，有廣闊的應(yīng)用前景；②實現(xiàn)低成本：可選用市場上采購、低售價和高品質(zhì)的材料，不僅能確保推進(jìn)系統(tǒng)可靠性，還可實現(xiàn)低成本；③推進(jìn)劑的凝固點很低，可有效地降低功耗；④采用的是高密度、高比沖的硝酸羥胺（HAN）系統(tǒng)的推進(jìn)劑，可大幅度地提高系統(tǒng)應(yīng)用范圍。

4）粒子能源分光計。航天系統(tǒng)開發(fā)利用推進(jìn)機(jī)構(gòu)提供的粒子能源分光計（SPM）是用來測量向太空所排放放射性粒子用的裝置，它形狀小、質(zhì)量輕（還不到1kg）、開發(fā)成本低、交貨期短。經(jīng)過星上實驗和驗證確認(rèn)，它既能檢測出太空的放射性粒子，也能測出這種粒子能源分光計較以往的粒子能源分光計不僅現(xiàn)狀小，質(zhì)量輕，而且測量精度非常高，還能贏得用戶青睞，會為盡快打入國際市場做好鋪墊。

5）革新的地球敏感器和星跟蹤器。東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)的適用于微小衛(wèi)星用的姿態(tài)測量用地球敏感器和星跟蹤器（DLAS）的主要特點是：采用了簡單、易操作的深層學(xué)習(xí)型人工智能（AI）技術(shù)，不僅設(shè)計和加工工藝達(dá)到國際領(lǐng)先水平，且對技術(shù)擁有知識產(chǎn)權(quán)，加之選用了國內(nèi)知名半導(dǎo)體和光學(xué)廠家定點小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品均采用最新型的高可靠性民用部件，從而大幅度降低了造價；兩種敏感器上還配備了自主開發(fā)、利用簡單的人工智能技術(shù)、可簡便操控的觀測用相機(jī)，用它不僅能對衛(wèi)星軌道“邊緣”圖像，以及整個觀測范圍內(nèi)的土地利用和植被分布情況等進(jìn)行辨識，還能利用獲取的辨識數(shù)據(jù)來驗證全新的三軸姿態(tài)估算法；更重要的是這兩種敏感器還適用于微衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的測量，因此，市場前景廣闊。

6）輕型撓性太陽電池翼。革新技術(shù)驗證衛(wèi)星-1上搭載了由宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)研制的3接撓性薄膜太陽電池翼（TMSAP），它由3接薄膜太陽電池單元、構(gòu)架式帆板、展開驅(qū)動機(jī)構(gòu)和保持與釋放機(jī)構(gòu)組成。與傳統(tǒng)的剛性太陽電池翼相比，這種輕型撓性太陽電池翼不僅質(zhì)量輕（是傳統(tǒng)的剛性太陽電池翼的1/3）、輸出質(zhì)量比達(dá)150W/kg、能量轉(zhuǎn)換效率高（大于30%），而且抗撓性震動能力極強(qiáng)。革新技術(shù)驗證衛(wèi)星-1配備了由5枚太陽電池板組成的這種撓性薄膜太陽電池翼，衛(wèi)星入軌后電池翼順利展開并提供了所需的電能。

7）超小型、低能耗GNSS接收機(jī)。該接收機(jī)是中部大學(xué)以最新型車載GNSS接收機(jī)為基礎(chǔ)研制，接收機(jī)與天線實現(xiàn)一體化的超小型星載GNSS接收機(jī)，整個接收機(jī)只有一枚郵票大小，既省電，又廉價。初始運(yùn)行證明了這種接收機(jī)確實經(jīng)受住了太空環(huán)境考驗，為加快進(jìn)入國際市場奠定了基礎(chǔ)。

地球敏感器和星跟蹤器的外觀圖

中部大學(xué)研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）接收機(jī)的外觀圖

微衛(wèi)星

“革新技術(shù)驗證計劃”首次搭載發(fā)射3顆微衛(wèi)星，分別是慶應(yīng)大學(xué)、東北大學(xué)和ALE公司設(shè)計和研制的“微龍”衛(wèi)星、“歡騰”衛(wèi)星和人造流星雨演示-1衛(wèi)星。

（1）“微龍”衛(wèi)星

慶應(yīng)大學(xué)設(shè)計和研制的“微龍”衛(wèi)星是執(zhí)行地球觀測任務(wù)的。名義上說是支持拓展新興力量國家開展航天教育活動，其實是通過推動這些國家的衛(wèi)星開發(fā)與應(yīng)用擴(kuò)大應(yīng)用需求，吸引這些國家與日本開展合作，拓展日本海外衛(wèi)星應(yīng)用市場。

重點驗證實驗4項技術(shù)：①以遙感方式獲取海洋海色信息；②采用偏光遙感手段觀測并獲取太空浮游粉塵信息；③驗證東京大學(xué)等研制、在軌運(yùn)行的“恰好”等4顆超小型遙感衛(wèi)星公用艙技術(shù)，以及4顆星各自技術(shù)改進(jìn)的穩(wěn)妥性；④測定并掌握器件上涂覆的防帶電專用膜是否會出現(xiàn)性能惡化現(xiàn)象。

（2）“歡騰”衛(wèi)星

東北大學(xué)設(shè)計和研制的“歡騰”衛(wèi)星是一顆高分辨率光譜攝像衛(wèi)星，用于確立高分辨率光譜攝像、開拓按照新標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的地球環(huán)境測量技術(shù)，并將這項技術(shù)用于農(nóng)林、水產(chǎn)和礦業(yè)領(lǐng)域，達(dá)到拓展日本海外衛(wèi)星應(yīng)用市場之目的。在軌驗證兩項技術(shù)： ①用高分辨率多光譜攝像機(jī)（HPT）進(jìn)行大氣環(huán)境觀測技術(shù)；②驗證微衛(wèi)星公用艙技術(shù)，確認(rèn)開發(fā)的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求。

（3）ALE―1衛(wèi)星

ALE公司設(shè)計和研制的ALE-1衛(wèi)星是驗證用人造流星生成裝置制造、用衛(wèi)星釋放人造流星的可能性，確認(rèn)類似這種娛樂性活動的市場前景。這次在軌驗證3項技術(shù)：

1）搞清人造流星的主要組成元素。明確釋放人造流星之源是人造衛(wèi)星，明確人造流星的組成元素，驗證能否在指定時間、從指定地點、按要求角度釋放人造流星等帶有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，觀測人造流星進(jìn)入大氣層的整個過程，調(diào)查觀光人群對這一活動是否感興趣，調(diào)研用人造衛(wèi)星釋放人造流星的市場前景。

2）掌握釋放技術(shù)。通過釋放活動掌握釋放人造流星技術(shù)，搞清高層大氣成分、大氣密度和風(fēng)速等對釋放人造流星的影響，驗證釋放人造流星和地面發(fā)生的事件、與各種演奏活動等結(jié)合起來能否達(dá)到促進(jìn)觀光事業(yè)發(fā)展的效果。

3）掌握人造流星再入大氣層后的軌道變化及其控制技術(shù)，增長與理學(xué)和工學(xué)相關(guān)的知識，為拓展新的航天應(yīng)用做貢獻(xiàn)。

革新技術(shù)驗證計劃搭載發(fā)射的微衛(wèi)星的主要性能參數(shù)

立方體衛(wèi)星

“革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃”首次發(fā)射還搭載了3顆立方體衛(wèi)星，分別是東京工業(yè)大學(xué)、九州工業(yè)大學(xué)和日本大學(xué)設(shè)計、研制的折紙-1衛(wèi)星、“月球探測技術(shù)驗證”衛(wèi)星和“下一代無線電愛好者衛(wèi)星”。

（1）折紙-1衛(wèi)星

該衛(wèi)星由東京工業(yè)大學(xué)設(shè)計和研制，是3U立方體衛(wèi)星。在軌實驗和驗證在太空這一特殊環(huán)境下的3種技術(shù)：①由伸展桿和復(fù)合膜結(jié)構(gòu)組成的“多功能展開膜結(jié)構(gòu)”等相關(guān)技術(shù)；②尺寸大小為2U+1U的“實驗衛(wèi)星平臺”技術(shù)；③下一代業(yè)余無線電愛好者衛(wèi)星的天線技術(shù)。

（2）“月球探測驗證”衛(wèi)星

該衛(wèi)星由九州工業(yè)大學(xué)設(shè)計和研制，是一顆驗證月球探測技術(shù)衛(wèi)星，不僅要利用搭載的相機(jī)拍攝月球水平線輝光，還計劃實驗和驗證3項技術(shù)：①脈沖等離子推力器（PPT）的力矩阻尼技術(shù)；②用脈沖等離子推力器進(jìn)行姿態(tài)和軌道控制技術(shù)；③用高靈敏度相機(jī)拍攝地球邊緣地帶超高層大氣的發(fā)光現(xiàn)象等技術(shù)。

（3）“下一代無線電愛好者衛(wèi)星”

該衛(wèi)星由日本大學(xué)設(shè)計和開發(fā)，在軌主要驗證下一代業(yè)余無線電愛好者衛(wèi)星所需的4項技術(shù)：①快速通信技術(shù)；②對相機(jī)進(jìn)行遙操作技術(shù)；③開啟業(yè)余無線電愛好者專家開發(fā)立方體衛(wèi)星的技術(shù)；④促進(jìn)衛(wèi)星通信技術(shù)以及星載元件、衛(wèi)星通信用地面儀器，以及與衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展和實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

"革新技術(shù)驗證計劃"搭載發(fā)射的立方體衛(wèi)星的主要性能參數(shù)

4 結(jié)束語

艾普斯龍-4火箭發(fā)射的“革新技術(shù)試驗衛(wèi)星計劃”的首發(fā)7顆衛(wèi)星按設(shè)計要求在火箭發(fā)射后51min55s分別進(jìn)入預(yù)定軌道，已進(jìn)入對7種關(guān)鍵部件和20項領(lǐng)先國際水平的技術(shù)進(jìn)行驗證階段，取得了階段性成果，對推進(jìn)先進(jìn)的民用技術(shù)和領(lǐng)先國際水平、低成本的民用元器件在航天領(lǐng)域應(yīng)用將發(fā)揮重要作用。

日本政府2015年1月制定的《航天開發(fā)基本計劃》規(guī)定：每兩年就發(fā)射一次革新的技術(shù)試驗衛(wèi)星，目的是通過不斷地采用領(lǐng)先于國際水平的民用技術(shù)和采用該技術(shù)開發(fā)的元部件提高航天所需關(guān)鍵基礎(chǔ)部件的可靠性，并確保穩(wěn)定供應(yīng)。就在宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)完成革新技術(shù)驗證衛(wèi)星計劃首發(fā)7星系統(tǒng)聯(lián)試、即將進(jìn)入發(fā)射陣地前，于2018年12月正式啟動了革新技術(shù)驗證衛(wèi)星-2計劃，明確了計劃的系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)，并確定了擬搭載實驗和驗證的元部件、儀器和技術(shù)等。革新技術(shù)驗證衛(wèi)星-2計劃由9顆衛(wèi)星組成，包括兩顆質(zhì)量為100kg級小型衛(wèi)星、3顆質(zhì)量為50kg級的微衛(wèi)星和4顆1～3U級的立方體衛(wèi)星（最大體積不超過6U）。衛(wèi)星設(shè)計制作者和驗證元部件提供者也基本確定。