智能手機衛星技術和應用

林來興 張小琳（北京控制工程研究所，北京空間飛行器總體設計部）

智能手機集當今世上的許多高新技術于一身，它功能無限（目前還在快速發展）、用途廣泛、價格適宜。如果能把智能手機作為空間有效載荷，再采用21世紀剛開始出現的模塊式立方體衛星（CubeSat）作為衛星平臺，組成名為“智能手機小衛星”，可以說是空間技術在應用領域的又一個新創舉。

1 為什么采用手機作為空間有效載荷

手機出現至今已經有40年歷史，它的技術發展速度無物可比。當前手機可以說集一切高新技術于一身，例如：光、機、電、芯片、計算機技術、硬件、軟件、攝像機和通信等。全世界研究開發手機（包括智能手機）至少花費幾十億到上百億美元。采用這樣一個成熟現成的高技術研究成果作為空間有效載荷，根據美國航空航天局（NASA）阿姆斯（Ames）空間中心2011年調查研究結果，有如下優勢：①提高在軌信息處理機能力10～100倍；②衛星成本為原來的1/10～1/1000；③通過采用微型空間電子設備，增加有效載荷體積，從而讓手機適用在立方體衛星；④驗證商用現貨產品成功用在衛星各分系統（電源、姿態控制與測量、通信等）。綜合以上優勢，能提高制造衛星能力1000～10000倍。

目前，手機衛星采用的不是一般手機，而是智能手機，最佳智能手機價格僅在500美元左右。這是因為智能手機與一般手機相比具有5個特點：①具備無線接入互聯網的能力；②具備個人數字助理（PDA）功能，包括個人信息管理、日程記事、任務安排、多媒體應用、瀏覽網頁；③具有開放性的操作系統，可以安裝更多的應用程序，從而使智能手機的功能可以獲得無限擴展；④個性化，可以根據個人需要擴展功能；⑤功能強大，擴展性強，能獲得很多第三方軟件支持。

2 智能手機衛星組成

一般衛星由2部分組成：平臺和有效載荷。首先討論平臺，智能手機衛星的平臺可選擇近年發展起來的立方體衛星。1顆立方體衛星稱為1個單元（1U），結構為10cm×10cm×10cm的立方體。我們選擇3U～6U、質量為4～8kg的立方體衛星。目前立方體衛星及其分系統，例如結構、電源、姿態控制、通信、收發機等都有標準模塊，在國際市場上可以根據需要選擇購買。個別特殊需求還可以預先訂購，價格低，交貨時間快。從2003年成功發射第1顆立方體衛星至今已有10年時間，大約發射了近300顆立方體衛星，均為1U～5U結構，其中最多的是3U結構（質量3～5kg）。

當前3U立方體衛星技術水平

3 空間飛行驗證

為了確保采用商用現貨產品成功應用于空間，特別是像手機這類的商品，必須進行一系列地面和空間飛行試驗。阿姆斯空間中心在2011年9月制定了發展手機衛星有關的一系列試驗標準。

環境試驗要求

1）熱真空實驗，壓力在666.612～1333.224Pa（相當于5～10乇），溫度在－35～＋40℃；

2）在軌火箭的10km（高度）試驗；

3）火箭沖擊和振動試驗，根據美國航空航天局相關標準規定進行；

4）進行系統級氣球飛行試驗（上升到30km高度）。

氣球飛行試驗

氣球飛行試驗的優勢：

1）類似空間環境，成本低，沒有空間飛行的很多限制；

2）距離長，可以模擬空間翻滾運動；

3）沒有無線電干擾環境的影響；

4）操作模擬軌道飛行；

5）可以進行有效軟件實驗。

通過氣球飛行試驗，在規定期限內，可以使產品達到空間要求。阿姆斯空間中心已經進行了3次手機衛星的氣球飛行試驗。

手機衛星空間飛行試驗

阿姆斯空間中心在2013年4月21日成功發射了3顆智能手機衛星進行衛星空間飛行試驗，搭載在“國際空間站”貨運補給飛船上，衛星軌道為近地點237km、遠地點258km，傾角56.1°。

第1顆和第2顆手機衛星機構功能基本相同，衛星為1U結構、質量1kg，智能手機主要用作星上計算機，其產品為Nexus智能手機和Android操作系統，測試其是否適合在軌工作。衛星在軌壽命僅為7天，由于靠蓄電池供電，壽命較短。星上手機有500萬像素攝像機，總共獲得有一個桌面大小的地面圖像。在7天時間里約有1萬次數據發送到地面，每5次發送1幅正常數據包。

手機衛星的氣球飛行試驗結果

氣球飛行試驗實物

第3次飛行試驗拍攝圖片

第3顆手機衛星，結構為1U，質量1kg，使用了三星電子公司的智能手機。同時增加由三星電子公司提供的一個處理器、空間電子設備和陀螺儀，并增加一個雙向波段天線通信、一個磁力矩陣線圈和反作用輪，可以通過地面控制衛星指向。

這3顆手機衛星空間飛行試驗證明：僅花費不到1萬美元，采用現貨產品，可以獲得智能手機衛星在空間運行1周時間，得到許多經驗。

3顆手機衛星在軌壽命都很短，因為星上電源都是自帶蓄電池。但是在7天在軌飛行中，全世界各地的地面站（包括無線電愛好者）向阿姆斯空間中心發去了300多張接收到的圖像。為此，阿姆斯空間中心拼成了一個巨大連接圖像。

4 薩瑞大學智能手機衛星及其分系統技術性能

概述

英國薩瑞大學空間研究中心于2013年2月25日成功發射1顆智能手機小衛星，位于750km的太陽同步軌道。衛星有效載荷為商用智能手機產品（谷歌公司的Nexus One），價格為500美元。衛星平臺為3U立方體衛星，質量4.5kg。有2副可以展開的太陽電池翼和1根長2m的天線。整個衛星均采用商用現貨產品，其中有些元器件均為薩瑞大學研制小衛星采用過的，性能穩定，可靠性滿足要求，費用成本低廉，整星費用約7萬～8萬美元。

智能手機小衛星全部采用CAD設計，其中有2副可展開的太陽電池翼，發射時折疊在3U頂部。

智能手機小衛星外形結構

整星CAD設計

衛星平臺各分系統組成和質量功耗分配

從衛星各分系統質量占整星的比例可以看出，占比例最高的是衛星結構（30%），其次為推進器（17%），然后是有效載荷和姿態軌道控制系統（各占13%）。

衛星各分系統質量、功耗分配

衛星各分系統功耗

重要分系統技術性能

（1）姿態確定和控制系統

姿態確定采用一種立方體衛星姿態確定專用模塊（由太陽與地平敏感器組成），它由2臺互補金屬氧化物半導體（CMOS）相機組成，一臺朝著太陽光方向，另一臺朝著地平方向，2臺相機安裝方向相對180°。姿態確定專用模塊固連在星上計算機，該模塊為中等精度，其質量、體積和功耗都很小，適合于立方體衛星。

姿態控制采用2種控制模式，即三軸零動量和偏置動量姿態穩定。執行機構采用3個微型反作用輪正交安裝和1個偏動量輪。由三軸磁線圈提供三軸磁力矩。同時，有脈沖等離子推進器（PPT）。除了控制軌道外，還可以對偏置動量輪在飽和狀態下進行卸載。

X軸指向飛行方向，Z軸指向地心，手機攝像機安裝于Z軸，太陽電池翼指向地心相反方向。在三軸對地指向時，太陽電池板可能不能完全指向太陽，輸出功率會有所減少。當不需要對地攝像時，可以讓太陽電池板對準太陽。衛星工作壽命結束時，讓太陽電池翼指向飛行方向，增加氣動阻力，使衛星加速離軌。對地觀測時，為保證圖像質量，姿態采用三軸穩定方式（由3個反作用輪產生控制力矩），其他采用偏置動量姿態穩定方式。

（2）高性能的星上計算機

三軸姿態穩定系統姿態

這里采用一種改進型Di-wigc星上計算機，主要有3種功能：提供I2C接口；智能手機與平臺衛星間通信；監視所使用的智能手機（Nexus One）性能，確保上述功能順利實施。

（3）星上電源

星上電源分系統采用一種空間專用小型電源系統和20W蓄電池裝置。上述裝置與2副太陽電池翼連接，產生6.9V電壓和0.9A電流。太陽電池板面積為30cm×10cm×2，共600cm2。

（4）無線電收發機和天線組合體

無線電收發機具有下列功能：①打開天線展開結構；②接收和解碼從地面發來的數據；③發送信標；④發送和接收從星上計算機I2C接口信息輸送到衛星總線或者反過來；⑤具有專用接口，可連接到星上計算機實現重構模式。

天線組合體通信頻率上行為437.574MHz，下行為145.8MHz。天線有2個，一個用于2m波段上行鏈路，另一個為70cm波段下行鏈路。不用時可收縮在一個盒子內。

天線設計要求：①質量輕；②可展開；③有故障保護裝置；④體積小，達到整體安裝在3U結構的要求；⑤有足夠的天線增益。

（5）微脈沖等離子體推進器（μPPT）

微脈沖等離子體推進器是一種電推進器，由衛星總線供給電能，并存儲在該推進器的電容器（由2個平行陶瓷芯片組成）中。各個電容器的電極作為推進器的動力源，當電極發生短路產生大電流時，電流通過電極侵蝕產生等離子體，然后經過電磁場加速，產生推力。微脈沖等離子體推進器結構簡單、質量小、功耗低。當功耗為1.5W時，產生推力為0.9μN，此時比沖為1340s。該推進器主要用于納衛星推進系統。

5 應用

智能手機小衛星具有兩大應用功能：對地觀測（已有攝像功能）和空間通信。后者本來就是智能手機固有功能，區別是手機處在外層空間作軌道運動，單有手機本身缺乏通信轉發器和高技能天線，為此必須適當增加相關設備。

對地觀測

智能手機衛星若要用于對地觀測，則需要作些修改：在智能手機攝像頭前添加一個光學小鏡頭，視場為2°（相當加裝一個固定式長焦鏡頭，焦距為0.6m）；同時，要求手機攝像頭采用面陣最小的像元尺寸（例如6μm）。

在上述條件下，若軌道高度為500km，對地觀測面積為18km×18km。當攝像機具有1300萬像素（目前三星智能手機攝像頭已達1600萬像素，諾基亞智能手機攝像頭已達4100萬像素），拍照方式為往復式，其地面光學分辨率為5m。

智能手機對地觀測示意圖

根據相機覆蓋寬度18km（或面積324km2）以及光學對地分辨率（5m），智能手機的對地觀測屬于中等精度，具有很多用途。

1）采用上述前后攝像頭兩相連結（4相機），每次對地觀測面積為36km×36km≈1300km2。采用沿航向編隊飛行方式，1天回歸軌道，若采用3組，每組4顆3U立方體衛星，共12顆衛星，重訪時間為8h，可以有覆蓋面積1300km2、分辨率為5m的對地觀測結果。

2）往復照相機還可以連續拍攝，也就是說按一般連拍速度，每秒拍攝約5幅，則有6500km2覆蓋面積，重訪時間為8h，每天3次觀測。總共需要12顆手機衛星（每顆衛星的質量約為5～6kg），按每顆約10萬～12萬美元計算，總共花費120萬～144萬美元。這樣不到150萬美元的花費就可以獲得上述觀測結果。這可能是迄今為止最低的對地觀測成本，而重訪時間最短、每次覆蓋面積最大的遙感衛星。

3）同時也可實現簡單應用，即采用2顆手機衛星連結為一體。則其覆蓋面積為648km2，若采用1天回歸軌道，則僅布置2顆手機衛星（花費不到25萬美元），重訪時間為24h（每天1次），可獲得648km2面積、分辨率為5m的對地觀測結果。

空間數據存儲和轉發

智能手機在地面上作為移動電話使用，通信很方便，這是因為地面上有眾多的通信網絡和基站，手機通信信號可以放大和轉發。但是在空間軌道上情況就完全不一樣了。若要加裝通信轉發器和高效天線，需要增加較大的功耗、質量和體積。這對于立方體衛星來說是有很大的困難甚至不可能實現。

為此，智能手機衛星僅能依靠立方體衛星組成的納衛星原有的收發器和天線裝置來工作。此時，手機衛星僅能作一些數據量小的數據存儲轉發通信。僅有可能實現個人對個人的通信用途，所以有人稱手機衛星為“個人衛星”。

智能手機用于小衛星近距離交會對接敏感器

交會對接敏感器一般分為遠距離和近距離兩種敏感器，智能手機用于小衛星近距離交會對接敏感器，也稱為光學成像敏感器。它的測量原理是基于光學系統在透鏡焦平面的成像規律，一般交會對接由追蹤器和目標器兩部分組成,智能手機安裝在追蹤器。在目標器上安裝特征光點（例如發光裝置或無源特征光點）。這兩部分在前者建立追蹤器三維坐標系，在后者建立目標器三維坐標系，通過對目標器上特征光點在攝像機透鏡焦平面上成像和有關坐標系轉換與數據處理，即可獲得目標器相對于追蹤器的三維位置和三軸姿態信息。

美國航空航天局馬歇爾空間飛行研究中心已經成功研制出采用智能手機作為小衛星近距離交會對接用的敏感器。在目標器上安裝4個不在同一個平面上的特征光點，智能手機作為追蹤器。實驗結果表明，在相對距離50m以下時，相對距離和姿態精度較高。特征光點數量增加，測量系統冗余度增加，精度提高，但是占據空間，功耗增加。為此應適當選擇。

相對距離50m以下時的相對距離和姿態精度

交會對接近距離光學成像敏感器示意圖

智能手機衛星組成多種空間網絡

目前，單顆衛星僅能實現高質量的科學數據，但只提供單一的時間點重復測量。而新的科學發現需要改進觀測任務目標與要求，包括隨時間變化、多點時間和相關的測量，要求充分了解復雜的、波動和互動的各種現象。例如：對地觀測、軍事需要、突發事件等。

采用空間網絡將具有以下優勢：冗余可靠性高；獲得分布式數據與資產；時間相關測量；隨時間變化的測量；可擴展的系統；可升級系統；可擴展的覆蓋范圍；低成本、經濟性好。

智能手機衛星組成空間網絡示意圖

智能手機衛星可組成多種空間網絡，其具有兩大功能：攝像與通信。攝像包括對地和空間目標，對地可以觀測地面狀態，類似對地觀測衛星；對空間可以搜集與偵察空間目標。由于目前手機衛星都裝有較強的WiFi、藍牙等通信能力，完全可以承擔空間網絡內各顆衛星之間信息傳輸任務。一般空間網絡分布在幾千米到十幾千米，空間網絡所有探測獲得信息集中到主星，然后傳送到地面站。

此外，智能手機裝有WiFi設備，可實現無線聯網。目前，WiFi在開放式空間傳輸距離達到百米甚至千米級。近期有實驗表明，若采用5G傳輸，可達幾十千米。這表明將來WiFi技術的進一步發展，可以利用智能手機組成較大型空間局域網，例如采用10顆×10顆智能手機衛星可以組成幾十到幾百平方千米的局域網。這種空間局域網在軍用方面可以作為戰場指揮、通信。對民用也可以開發許多新用途。

一個空間網絡若由10～100顆智能手機衛星組成，每顆質量約為5～6kg，按每顆10萬美元計算，總共花費100萬～1000萬美元，這是至今最廉價的一個空間網絡經濟投資。

6 結論

手機衛星問世至今只有1年（首顆手機衛星于2013年2月發射），其成本低廉、用途廣泛、應用普遍，其他優勢以后還將逐漸顯露出來。預計將來很有可能將創建一個新的概念——“個人衛星”，從此打破發射衛星和使用衛星只能依靠國家或大型公司的局面。雖然現在手機衛星還有一些技術難點需要進一步開發研究，但是不難預計其未來的應用前景是非常美好的。