2013年 國外微小衛星回顧

朱魯青 張召才（北京空間科技信息研究所）

2013年 國外微小衛星回顧

朱魯青 張召才（北京空間科技信息研究所）

近年來，全球年衛星發射總數穩中有升，2013年更是實現飛躍，全年共成功發射208個航天器。小衛星數量激增是2013年衛星發射大幅增長的主要驅動力。2013年，全年共成功發射1000kg以下小衛星146顆，占年發射總量的70%。隨著一體化多功能結構、空間即插即用、集成化綜合電子等技術的發展和衛星設計思想的創新，衛星小型化趨勢將愈發明顯，小衛星能力不斷提升，并成為推進概念技術重大創新和探索航天轉型發展的前沿陣地。

1 年度小衛星發射統計

2013年，全球小衛星呈爆發式增長態勢，共成功發射小衛星146顆，相較2012年同比增幅達148.28%。另外，2013年還有1顆小衛星發射失敗，41顆計劃發射的小衛星因故推遲。

2000－2013年全球小衛星發射數量統計

由于本文的數據統計全部來自于國外網絡，所以在下面的分析中，除國家維度包含中國外，其他質量分布、應用領域、發射方式等統計對象僅限于2013年國外成功發射的135顆小衛星。

小衛星發射國家進一步擴大，美、歐仍是小衛星發射主力

2013年共有30個國家發射小衛星，除伊朗的黎明－3（Fajr－3）衛星發射失敗外，其余29個國家合計成功發射小衛星146顆。其中，秘魯和奧地利兩個國家借助納衛星實現本國衛星發射的零突破。在主要航天國家中，美國、歐洲仍是小衛星發射主力，俄羅斯、中國、日本和印度分列第三、第四、第五和第六位。

1～50kg微納衛星發展活躍，發射數量顯著增加

2013年發射的小衛星主要集中于微衛星和納衛星范疇，尤其是1～50kg小衛星發展活躍，占國外小衛星發射總數的近2/3。其中，發展最具活力的是立方體衛星，2013年成功發射1U、1.5U、2U和3U立方體衛星共計75顆，超過小衛星發射總數的50%。

美國SpaceWorks咨詢公司在2013年2月發布全球微、納衛星市場評估報告預測，未來10年微、納衛星仍將保持高速發展態勢。到2020年，全球對1～50kg小衛星的需求量將達188顆。

2013年成功發射小衛星所屬國家統計

2013年成功發射小衛星質量分布統計

業務型小衛星相對比例有所下降，科學和技術試驗衛星增長迅猛

2013年發射的小衛星涵蓋對地觀測、通信廣播、深空探測以及科學與技術試驗4個領域。相較2012年，2013年國外發射的業務型小衛星絕對數量增長，但相對比例有所下降，僅占國外發射總數的23.70%。其中，對地觀測衛星8顆，占5.93%；通信廣播衛星23顆，占17.04%；深空探測衛星1顆，占0.74%；科學與技術試驗衛星103顆，占76.03%。

“一箭多星”已成為小衛星發射主流方式，發射記錄屢創新高

2013年，國外通過20次發射任務成功將135顆小衛星送入太空。其中，“一箭五星”及以上發射共8次，共成功發射小衛星102顆。“一箭多星”發射已成為目前小衛星發射的主流方式。另外，2013年8月4日發射的4顆納衛星在“國際空間站”駐留3個月后，于2013年11月19日從“國際空間站”日本艙在軌釋放。

2013年11月，美國和俄羅斯相繼完成“一箭二十九星”和“一箭三十二星”發射；12月，美國又完成“一箭十三星”發射。此外，美國在2014年1月成功完成了“一箭三十四器”發射，將部署全球首個商業對地觀測納衛星星座。

2013年成功發射小衛星的發射方式統計

組裝天空衛星－1

2 年度小衛星最新發展

業務型小衛星性能持續提升，應用領域和功能不斷拓展

小衛星逐漸突破以科學與技術試驗為主要用途的傳統思維，應用領域不斷拓寬，業務能力逐步提升。

（1）遙感領域

2013年，美國新興小衛星公司推出了大量商業小衛星星座計劃。美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）首次提出大數據、小衛星概念，將建造由24顆小衛星組成的商業遙感衛星星座。2013年11月，首顆天空衛星－1（SkySat－1）商用衛星發射入軌，整星質量90kg，分辨率優于1m，首次實現微衛星級高分辨率成像能力。同時，該項目還將利用海量數據處理技術，采用基于軟件的地面圖像重構和拼接提升衛星圖像應用價值，提供超高分辨率圖像和全動態視頻。同時，天空盒子成像公司計劃構建開放式的公共服務平臺，供第三方開發個人定制應用，鼓勵用戶挖掘海量遙感數據的潛在應用價值。

28顆鴿群-1于2014年1月升空

美國另一家新興小衛星公司—行星實驗室公司（Planet Labs）在2013年分別發射了鴿子－1、2（Dove－1、2）和鴿子－3、4技術驗證星，并于2014年1月發射了由28顆納衛星組成的世界上最大的遙感衛星星座—鴿群－1（Flock－1）。鴿群-1軌道高度400km，傾角52°，分辨率3～5m，搭乘新研制的火箭，成本低廉，由“國際空間站”在軌部署。目前，該行星實驗室公司已籌集到6500萬美元的風險投資進行全球首個商業納衛星星座的建造。相較傳統對地觀測衛星，該衛星星座的分辨率不夠高，但在納衛星層面已實現突破；大部分硬件未進行長期飛行驗證，但星座規模已超過實現全球覆蓋所需的衛星數量，足以保證運行可靠性；無需對星上相機下達特定區域的成像指令，即可滿足用戶需求；可提供高重訪、低成本的全球衛星圖像。

目前，美國雖有10余家企業擁有私營遙感衛星系統的運營許可，但僅有數字全球公司（GigitalGlobe）擁有在軌系統，天空盒子成像公司和行星實驗室公司的加入有望改變北美乃至全球商業遙感產業布局，具有里程碑意義。

（2）通信領域

美國第二代“全球星”（Globalstar）星座已率先完成部署，“銥”星（Iridium）星座和“軌道通信”（Orbcomm）星座也即將啟動更新換代。低軌通信小衛星星座性能和功能均大幅提升，第二代“軌道通信”衛星增加了“自動船只識別系統”（AIS），單星質量僅150kg，單價約630萬美元。“銥星下一代”（Iridium NEXT）增加了IP通信能力，還將搭載美軍基于“銥”星增強的“全球定位系統”（iGPS）有效載荷，它已于2013年10月完成關鍵設計評審，預計2015年首飛。美國陸軍正逐步實施“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效果”（SMDC-ONE）計劃，2013年12月，該衛星的后續2顆納衛星發射入軌，計劃形成支持戰術作戰的多星低軌通信衛星星座，提供無人臺站數據采集和戰場短報文通信。

作戰響應空間－3任務中的空間試驗項目衛星－3

（3）導航領域

2013年1月，美國空軍研究實驗室（AFRL）與薩瑞衛星技術美國公司（SSTL）簽署合同，論證小衛星在導航領域的應用前景，研究小衛星如何融入GPS星座系統，開展中地球軌道（MEO）導航小衛星概念論證，提供信號輔助增強，降低系統成本，提高系統的強健性、覆蓋范圍和精度。

“作戰響應空間”思想推動美軍發展戰術小衛星熱潮

2013年，“作戰響應空間”（ORS）計劃共完成2次任務，包括作戰響應空間－3發射任務和戰術衛星－6（TacSat－6）。2013年11月19日，美國作戰響應空間－3任務利用人牛怪－1（Minotaur－1）火箭完成“一箭二十九星”發射，其中包括1顆180kg的空間試驗項目衛星－3（STPSat－3）和28顆立方體衛星。2013年12月6日，美國戰術衛星－6成功發射入軌，該衛星是立方體納衛星，質量5kg，用于測試戰術通信技術。

與此同時，“作戰響應空間”計劃在2014財年僅獲得1000萬美元撥款，該計劃如何推進存在疑問。但“作戰響應空間”在創新理念和管理模式方面的經驗已被普遍認可。美國空軍航天司令部司令威廉姆·謝爾頓認為“‘作戰響應空間’的思想正在成為設計軍用系統的主流思想”。“作戰響應空間”計劃不等同于“快響能力建設”，快速響應衛星也不僅限于“作戰響應空間”計劃下發展的一系列衛星項目。“作戰響應空間”計劃雖然存在變動，但美軍快速響應能力仍在發展。美國各軍兵種在該計劃驅動下，相繼提出面向戰術應用的小衛星項目，發展作戰響應空間能力，與主戰場大衛星系統形成能力互補。

多個前沿體系計劃面臨取消，“鳳凰”計劃得到持續推進

美國國防高級研究計劃局（DARPA）的任務主要是探索高風險、高回報且未來能有利于軍事應用的技術發展項目，這類項目中，有許多（甚至大多數）都可能面臨取消。2013年5月，美國國防高級研究計劃局正式宣布取消F6分離模塊計劃。F6項目已經累計投資超過2億美元，已完成概念設計，處于系統設計和軟硬件初樣開發階段。雖然分離模塊航天器具有諸多優勢，但目前該技術仍處于概念階段，距離工程實現存在許多難以逾越的技術困難。F6項目迄今所開發和試驗過的技術成果，將融入國防部的其他太空項目，如美國國防高級研究計劃局的“空中發射輔助太空進入”（ALASA）項目（驗證低成本衛星運載火箭），以及海軍牽頭的“鳳凰”（衛星部件重復使用驗證）項目。

2012年3月，美國國防高級研究計劃局提出的面向戰術應用的低成本小衛星星座—“提高軍事作戰效能的空間系統”（SeeMe）計劃也面臨取消的命運，美國已確定2014財年停止投資該計劃，原授出合同繼續執行。該計劃2013年10月完成高空飛行試驗，測試平臺性能及手持終端直接規劃衛星載荷任務的能力。

2011年12月，美國國際高級研究計劃局啟動“鳳凰”（Phoenix）項目，計劃利用母星攜帶小衛星進入靜止軌道，抓捕、接管衛星部件。2013年，美國國防高級研究計劃局持續推進“鳳凰”計劃，力求3年內實現在軌驗證，并計劃在2015年或2016年進行首次在軌演示驗證試驗，從140顆退役衛星中選出10顆衛星作為抓捕對象，進行演示驗證，將空間攻防能力擴展至靜止軌道，高軌道空間攻防潛力巨大。

美國面向戰術應用的小衛星項目

美國空軍航天司令部發布《彈性和分散空間體系》白皮書

為突破現有衛星體系架構在成本、研發周期、技術更新、抗毀能力等方面存在的局限性，美軍提出“彈性”與“分散”概念，力圖塑造全新的空間體系架構和發展模式。2013年8月，美國空軍航天司令部發布《彈性和分散空間體系》白皮書，將“分散”確定為美軍空間系統未來發展的戰略之一，提出未來美國將轉變當前高度集成的、以大型空間系統為主的發展模式，通過多種方式將原有系統分散成若干功能更單一、規模更小、成本更低的衛星系統，組成綜合體系提供所需能力，以提升空間系統的彈性。分散主要通過系統分解、功能分散、有效載荷搭載、多軌分散和多域分散等5種手段實現，可以提高空間系統的抗毀能力和經濟可承受性，增加技術更新的機會，提振航天工業基礎。1）多軌分散：利用多個軌道平面來提高彈性；2）多域分散：將能力分散于海、陸、空、天、網多域，相互冗余和備份；

3）載荷搭載：將一些有效載荷搭載在其他類型衛星上；

4）系統分解：由多個以無線方式相互作用的模塊提供單一系統的功能；

5）功能分散：將一顆衛星上的多個載荷或多項任務分散到多顆衛星上。

該白皮書是美國空軍航天司令部發布的第一部白皮書，明確了未來美國軍事航天系統發展的頂層思路和航天體系轉型方向，將全面推進空間體系向“彈性和分散”體系的轉型。

首顆采用3D打印零件進入太空的“手機衛星”

技術試驗衛星增長迅速，智能手機衛星首次發射

在技術試驗領域，2013年全球科學與技術試驗衛星共發射109顆，實現爆炸式增長。分離模塊衛星技術、立方體衛星技術、芯片衛星（ChipSat）技術、皮衛星技術等新技術和新概念層出不窮，相關前沿技術的突破和發展將從體系結構層面變革衛星技術發展的方向，進而對衛星體系結構產生顛覆性影響。

2013年2月25日，全球的第一顆智能手機衛星，由薩瑞衛星公司研制的薩瑞培訓研究和納衛星驗證星－1（STRaND－1）發射升空，該衛星是一顆3U立方體衛星，質量4.27kg，采用谷歌Nexus One手機對衛星進行控制。除了太陽電池翼和推進系統外，該衛星具有傳統衛星的所有部件和功能，也是全球第一個采用3D打印零件進入太空的航天器。

繼薩瑞培訓研究和納衛星驗證星－1之后，2013年4月美國航空航天局（NASA）的3顆智能手機衛星（PhoneSat v1a、v1b和PhoneSat v2）發射升空。這3顆手機衛星均為1U立方體衛星，體積為10cm×10cm×10cm，質量1kg，設計壽命7天，在距地面大約241km高度的軌道繞地球飛行。手機衛星采用商業級智能手機，操作系統為谷歌的安卓系統，將智能手機芯片組作為星載計算機，手機傳感器（三軸加速度計和三軸磁強計）用于姿態測量，500萬像素手機攝像頭用于拍攝地球影像。由于采用了消費級智能手機作為主要載荷，PhoneSat v1a成本僅3500美元，PhoneSat v2成本僅8000美元。手機衛星在軌飛行期間，完成了如下任務：①將衛星“健康數據”（包括電池狀況、溫度、磁強度傳感器數據和加速度計數據）傳回地面；②利用手機攝像頭拍攝地球圖片并回傳到地面；③PhoneSat v1b與“銥”星星座進行數據通信試驗。2013年11月19日，美國新一代的PhoneSat v2發射入軌，質量1kg，設計壽命2年，裝有無線電收發裝置和反作用輪，將長時間在軌測量輻射對衛星的影響。

與此同時，美、歐也相繼開展了芯片衛星的研究。目前芯片衛星正處于研究試驗階段，還未實現單個芯片級集成，普遍利用印刷電路板衛星（PCBSat）進行原理和技術驗證，即在一塊印刷電路板上集成航天器全部功能。芯片衛星質量一般在0.01kg以下，屬于飛衛星（質量在0.1kg以下的衛星）范疇。2013年8月，美國康奈爾大學與太空技術探索公司（SpaceX）達成協議，2014年將利用獵鷹－9（Falcon－9）火箭發射龍－3（Dragon－3）飛船的機會搭載發射其研制的凱克衛星－1（KickSat－1）納衛星。凱克衛星－1將在軌釋放200顆名為“精靈”（Sprite）的芯片衛星，完成全球首次芯片衛星在軌飛行試驗。“精靈”衛星的發射標志著芯片衛星從概念向某些領域實用化邁出了重要一步。早在2011年5月，“精靈”驗證芯片衛星被搭載運到“國際空間站”，進行托盤暴露空間試驗。

3 小衛星發展趨勢

微納衛星發展活躍，衛星小型化趨勢愈加明顯

隨著微納技術、一體化多功能結構、空間即插即用、集成化綜合電子等技術的發展和衛星設計思想的創新，衛星小型化趨勢將愈發明顯，小衛星能力不斷提升。近年來，1～50kg微納衛星發射數量呈逐年增長的趨勢，尤其是2013年微、納衛星發射形成井噴態勢。

到2020年，全球對1～50kg衛星的年需求量巨大。立方體衛星是微、納衛星的突出代表，自提出至今已引起廣泛關注和研究。隨著技術和標準逐漸成熟，國外相繼制定并實施了大規模的基于立方體衛星的空間試驗驗證計劃。

此外，在微機電系統（MEMS）、微光機電系統（MOEMS）和CMOS等工藝技術推動下，甚小衛星中的皮衛星技術逐漸成熟，飛衛星也實現技術突破。繼2000年全球首顆皮衛星發射入軌之后，美國將于2014年完成全球首次飛衛星在軌部署，使人類進入飛衛星時代。國外衛星體系也將隨之進一步完善，由大、小、微衛星延伸至納、皮、飛衛星。

多樣化發射模式將帶動小衛星創新及產業化發展新航天經濟將驅動小衛星商業運行模式的重大轉變

衛星部署主要通過火箭直接發射入軌和在軌航天器二次釋放兩種手段實現，并隨著航天技術發展呈現多樣化態勢。目前，“一箭多星”已成為小衛星發射的主流方式，在軌釋放也逐漸細分為空間站釋放、母子衛星釋放和在軌分離等多種手段。衛星在軌釋放手段也逐漸豐富多樣，除2012年首次投入應用的空間站釋放外，2013年又新增了在軌分離和母子衛星釋放等新興方式。

在標準化星箭接口、標準化火箭適配器技術驅動下，美國、歐洲、俄羅斯和印度都具備了“一箭多星”的發射能力。隨著微、納衛星發展日益活躍，美、歐等國積極開展政府資助計劃，為驗證先進概念和先進技術的微小衛星提供免費進入空間的機會，這使得“一箭多星”發射成為常態化模式，發射記錄頻頻更新。“一箭多星”密集發射極大地提高了衛星低成本、大規模、批量化部署能力，又能增加航天創新技術在軌驗證機會，同時也突破了制約小衛星發展的瓶頸，必將進一步推動小衛星產業化發展。

自20世紀90年代起，在硅谷地區出現了大量新興商業航天公司。與傳統航天公司不同，這些新興商業航天公司不依賴美國航空航天局和政府機構，主要利用私有資金發展宇航能力，用戶主要集中在商業航天領域。20世紀90年代末期，此類公司大幅增長，形成了類似于互聯網時代早期的新航天（NewSpace）經濟。新航天經濟最初主要集中在進入空間領域，隨著新航天經濟的發展，小衛星公司開始成為新航天公司的新生力量，并帶來了一系列顛覆性的新理念、新模式。這些新興的小衛星公司借助風險投資起步，通過創新技術構建低成本、強健的航天系統，或是利用商業現貨技術和產品，通過創新的方式集成低成本、高性能的航天系統。

新興小衛星公司的典型代表是美國天空盒子成像公司和行星實驗室公司。天空盒子成像公司提出小衛星、大數據概念，計劃建造由24顆微衛星組成的對地觀測星座，提供基于云平臺的遙感數據訪問服務，顛覆傳統的由代理商負責數據銷售的理念。同時，天空盒子成像公司計劃構建開放式的公共服務平臺，供第三方開發個人定制應用，鼓勵用戶挖掘海量遙感數據的潛在應用價值。行星實驗室公司發射的全球首個對地觀測納衛星星座鴿群－1，主要用于提供高重訪、低成本的全球衛星圖像。該星座由28顆納衛星構成，衛星硬件主要是商用現貨器件。

行星實驗室公司及其全新的商業運行模式將衛星對地觀測從1.0時代推動到2.0時代，并會隨著其低成本星座的逐步建立和完善，進一步對全球商業遙感衛星市場產生深遠影響。

星座組網將成為小衛星發揮作用的重要途徑

小衛星單星性能相對較低，通過星座組網、編隊飛行等途徑，可顯著提高系統的時間分辨率和覆蓋區域。通過快速、靈活、大規模部署及在軌重構，可大幅提高空間系統的生存能力和空間體系的彈性。星座多星、多任務、多路徑和多模式綜合應用，可形成新的工作體制，實現單顆大衛星難以實現的功能和性能。

目前，國外在通信、遙感、戰術應用、技術試驗等領域均提出了大規模的小衛星星座計劃。星座組網已經成為小衛星發揮效能的重要途徑，也是未來小衛星發展的主要趨勢。