小衛星和微納衛星應用現狀與挑戰

陸 震

(北京航空航天大學, 北京 100191)

人造衛星在國計民生和國防建設中具有重要作用，全球定位系統衛星(如美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的 GLONASS、歐洲的GALILEO)、氣象衛星、通信衛星、情報衛星和偵察衛星等都是重要的空間資產。這些衛星質量都在500 kg以上，本身設計制造成本高，并需要用大推力火箭發射，發射成本巨大。研究和發射這樣的衛星要依托國家經濟實力和航天科技水平，只有具備足夠財力和科技水平才能參與，主要用于各大國戰略項目以及國際合作項目。一般商業用途是無法負擔的，局部軍事戰術作戰也不便使用。

按照摩爾定律，集成電路的器件密度每兩年翻一番，電子電路微型化和集成化趨勢以及微機光電系統的出現與智能產品的日新月異，為小型衛星和微納衛星提供了良好的發展基礎和廣闊的應用空間。衛星小型化、微型化大大減少衛星本身的研制成本以及發射成本，為一般商業應用和軍事戰術應用降低了使用門檻。目前微小衛星技術已發展到以微米、納米技術為基礎，得益于消費電子行業在價格和性能方面的持續改進。特別是在智能手機中： 一個典型的手機現在可能包含一個加速度計測量移動速度，一個磁力計檢測磁場并提供一個羅盤讀數，一個GPS接收器拾取衛星定位數據，多個無線電發射器和接收器，一個陀螺儀測量角速度，一個氣壓計檢測壓力，以及兩臺攝像機等。2014年世界上第一個“手機衛星”進入軌道。 這是一款結合到名為STRaND-1的三單元立方星中的Google Nexus One智能手機，其立意是在空間環境中測試智能手機的組件。這個衛星由專門從事小型衛星業務的英國薩里衛星技術公司(Surrey Satellite Technology Ltd,或 SSTL)建造的。 這款手機裝載了許多實驗性應用程序，用于在軌道拍攝照片和記錄磁場等事情。利用智能手機和其他消費電子產品提供的豐富現成技術，以及星座和集群技術可以使微納衛星執行百倍于其尺寸的大衛星的許多功能，成本大大降低。

小型衛星和微型衛星可還以多次發射，不必擔心個別失敗。由于微小型衛星質量小，可以一箭多星，或者可以作為二次負載利用大型運載火箭剩余的運力發射，進一步降低發射成本。例如2013年11月19日和21日，美、俄兩國先后以一箭29星和一箭32星的方式將多顆衛星送入軌道；2014年1月9日，美國創造一箭34星的發射紀錄，6月19日俄羅斯再次將紀錄刷新為一箭37星；2014年9月，美國SpaceX研發的龍飛船獲得美國國家宇航局(NASA)26億美元合同大單，將協助美國宇航員往返國際空間站。該公司網站披露了其目前正在醞釀的700顆微納衛星組網方案。2015年9月20日，我國新一代運載火箭“長征六號”首飛任務中一箭發射20顆星，發射的這些衛星絕大多數為微納衛星。

1 小型衛星和微納衛星的類型和發展

根據質量不同小衛星分為小型衛星或迷你衛星(Small satellite，Minisatellite)，濕質量(包括燃料)為100～500 kg(220～1 100 lb)；微型衛星(Microsatellite)，濕質量為10～100 kg(22～220 lb)；納米衛星(Nanosatellite)，濕質量為1～10 kg(2.2～22.0 lb)；皮衛星(Picosatellite)，濕質量為0.1～1 kg (0.22～2.2 lb)；和飛秒衛星(Femtosatellite)，濕質量為10～100 g (0.35～3.5oz)。其中微型衛星和納米衛星以及更小的皮衛星和飛秒衛星，可統稱為微納衛星，它們的濕質量小于100 kg，這是本文討論的重點。

近年來，小型衛星和微納衛星的性能、可靠性與壽命都得到大幅度提高，已經成功地應用在民用各領域和軍事戰術應用方面，重量輕、體積小、成本低、研制周期短，技術更新快等優點更加突出。微納衛星一般以星座(constellation)形式或組網(satellite swarm)即分級航天器(fractionated spacecraft)形式運行[1]，能夠取代發射與研制成本高昂的單個大型衛星，并且具有所謂優雅的退化能力，即不會因為任何一次發射失敗或衛星故障會導致整個衛星星座或衛星網完全失去服務功能。這涉及到幾個關鍵技術，即：1)集群編隊控制，解決衛星(航天器)在飛行過程中形成編隊，實現自組織任務規劃、決策與執行；2)多源協同感知和信息融合； 3)高效大容量數據鏈路技術，形成各節點之間的組網通信，實現各節點異構資源的協同和共享。

微納衛星星座是是較為簡單的衛星組合形式，為完成某一特定空間任務而協同工作的多顆微納衛星的集合，主要目的是通過星座中的多星協同增加對地面的覆蓋面積或者縮短重訪時間。由于星座執行任務過程中沒有固定的分布構型需求，通過單星軌道控制保持對地覆蓋特性，不需要在星間實施閉路控制，各星之間也可以不存在任何信息交換和服務。而衛星組網(也稱為分級航天器)這種衛星架構，把單個傳統衛星的功能通過無線鏈路的交互作用分配在多個衛星模塊上。與其他衛星集合(如衛星星座和衛星群)不同，分級航天器的模塊很大程度上是異構的，并且執行與傳統衛星的各個子系統元件相對應的不同功能。采用多顆衛星協同工作，可以顯著發揮微納衛星的優勢，同時可以克服其單星工作存在的缺點，也是微納衛星相關技術研究中最具應用價值和潛力的發展方向。與單純的分布式衛星群的概念不同，分級航天器更加注重結構功能，即多顆衛星相互配合完成任務。分級航天器的定義是：由多顆(2顆或2顆以上)微納衛星按一定要求分布在一種或多種軌道上，共同協作完成某項空間飛行任務(例如：觀測、通信、偵察、導航等)，從而使空間飛行獲得更大的應用價值。

微納衛星的靈活性、分散性和強壯生命力等優點使之能迅速適應現場的實際需要。甚至可以單人在室外獨立操作，只涉及筆記本電腦和手持無線電設備。在軍事行動中可實時地向旅或更下級的指揮官和士兵提供圖像和數據，能持久地覆蓋各種手持設備。由于成本低，微納衛星可以隨時替換和更新，可快速發射，可以通過數量的增加對地面提供全方位的支持。衛星的在軌機動性和拍攝地面指定目標能力，能夠實時或半實時地將圖像傳回地面操作人員，可在同一次衛星過頂(satellite pass)間隔中將圖像傳回地面(少于10 min)。低成本、寬容差和容錯性允許更快地構建更多納米衛星，并允許更大的失敗風險。納米衛星的壽命相對較短，在重新進入大氣和燃燒之前，在低地球軌道可能不超過一年或兩年,但這也為不斷更新和升級提供了需求和可能。例如，行星實驗室(Planet Labs)希望每年都會淘汰舊的衛星，用納米衛星的新版本取代一些舊的。微納衛星可以應用在衛星通信、衛星遙感、全球定位和導航、地面圖像識別、天氣預報及災害監視等領域。

小型衛星和微納衛星的研發起初是20世紀八九十年代在一些商業企業和大學實驗室開始的，最初是基于西班牙90年代以來研發的低成本制造商用和通信衛星。隨后，小型衛星和微納衛星的產業得到了迅速增長，1～50 kg(2.2～110.2 lb)的衛星開發活動超過了50～100 kg(110.2～220 lb)的。在1～50 kg范圍內，2000—2005年間每年發射的衛星數量不到15顆，2006年為34顆，2007—2011年間每年發射的衛星數量接近30顆，2012年上升到34個，2013年上升到92個[2]。這些技術進步首先是在大學里試圖以很低的成本發射衛星用于教學目的。立方體衛星或立方星成為許多大學和學術機構研制微納衛星的標準選擇。歐洲咨詢公司Euroconsult的分析表明在2015—2019年期間發送了或將發送500多個小型衛星和微型衛星，市場價值估計為74億美元[3]。

在2015年中期，更多的發射方案已經可用于微納衛星，越來越多的發射向微納衛星開放。微納衛星作為次級載荷的搭載發射方式成為一種既能提高發射質量又能滿足較快發射需求的方式[4]。早期微納衛星如：Astrid-1和Astrid-2，以及英國維京銀河(Virgin Galactic)公司的LauncherOne火箭發射的一組衛星[5]。Astrid-1和Astrid-2是瑞典航天公司為瑞典國家空間局設計和開發的兩種微納衛星。它們搭載從俄羅斯Plesetsk發射的Cosmos-3M運載火箭。Astrid-1 (國際衛星識別符號為1995-002B) 在1995年1月24日發射，Astrid-2 (國際衛星識別符號為1998-072B)在1998年12月10日發射。Astrid-1為27 kg (60 lb)，Astrid-2小于30 kg (66 lb)。最初大多數傳統衛星開發商和用戶都對立方體衛星的實用價值并不看好。近地軌道LEO衛星的主要缺點之一是它們不能在地球的特定地理區域上空持久地存在。為此，持久性存在只能通過使用多個衛星實現。

微電子技術的迅速發展，為能承受高負荷的微納衛星另辟蹊徑。特別是隨著智能手機和個人數字助理(PDA)技術的進步，電子元件微型化和集成化趨勢極大地推動了納米衛星(1～10 kg)和微型衛星(10～100 kg)的發展。從單個衛星的角度來看，這些很小的航天器單位成本非常低，可以在一年內快速開發。然而納米衛星和微型衛星可以低成本地擴展成星座和組網，從而在多個區域實現有效的和負擔得起的持久性覆蓋。可在有些應用(如軍事戰術應用)不需要提供全球覆蓋，只需覆蓋一定緯度范圍，解決特定的感興趣區域的需要。所以納米衛星和微型衛星具有足夠的經濟性。

2013年11月19日，美國軌道科學(Orbital Sciences)公司從弗吉尼亞州的沃洛普斯(Wallops,Virginia)飛行基地發射了一枚火箭。 它攜帶29顆納米衛星，將它們發射到低地球軌道。三十個小時后，俄羅斯企業科斯莫特拉斯(Kosmotras)將32顆納米衛星進入類似的軌道。 2014年1月，軌道科學公司又將33顆衛星運往國際空間站(ISS)。這94顆衛星中的大多數都是以立方星(CubeSat)的標準形式制造的，為質量1.3 kg(2.9 lb)邊長10 cm(4inch)的立方體，由兩個或三個立方體單元組成。經過十年的適應與啟動，在這期間發射了大約75個立方星，這類衛星和其他小型衛星正從試驗轉向實用的科學數據和商業服務。舊金山的一家公司Planet Lab在2014年1月將 28個納米衛星送到國際空間站，通過NanoRacks開發的衛星發射裝置批量釋放，每個是標準的立方體尺寸(即長30 cm)。這些納米衛星比傳統衛星更頻繁地掃描地球和拍攝的照片，成本只是傳統衛星的一小部分，當然分辨率較低。Planet Labs聲稱，其納米衛星承擔了傳統衛星的很多功能，而成本只是后者的一小部分。Nanosatisfi正在開發的ArduSats是個開放平臺，已經升空了兩個。它們將包含一系列傳感器，并可以執行各種任務，如定位物體。現在超過250 000艘船舶在約50海里以外播放自動識別信號。 低軌道上的小型衛星群可以接收這些信號，并提供頻繁更新的有關船舶位置，而無需船舶使用昂貴的專用衛星上行鏈路。SkySat是由Planet Labs擁有的亞米級分辨率地球觀測衛星的星座，能提供圖像和高清視頻分析服務。

隨著電子技術的小型化和能力的不斷提高以及衛星星座的使用，納米衛星越來越能夠執行以前需要微型衛星的商業任務。 例如，已經提出6U CubeSat標準，以便以相同的任務成本使35 kg(18 lb)的地球圖像衛星星座替換一組五個156 kg(344 lb)的快眼(RapidEye)地球成像衛星， 重訪時間顯著增加：全球每個區域可以每3.5 h成像一次，而不是快眼星座每24 h一次。 對于進行救災的國家而言，更快速的重訪時間是一項重大改進。 此外，納米選項將允許更多國家擁有自己的衛星，用于非高峰(非災害)成像數據收集[6]。在接下來的五年左右，預計將會有約1 000個1～10 kg的納米衛星被發射。 包括制造和發射，CubeSat尺寸的納米尺寸可能需要15萬美元至100萬美元，而不是大尺寸衛星的1億到10億美元[7]。有的會比立方星小，另一些會大些。 有的就像一個俄羅斯套娃：俄羅斯發射了一個衛星，它又發射了八個較小的衛星，包括四個PocketQubes(一個5 cm的立方星)。

2017年11月21日，英國的Earth-I公司宣布已經向SSTL(薩里衛星技術有限公司)訂購了第一批五顆衛星用于其新的地球觀測(EO)星座[8]。而Earth-I正在建造世界上第一個能夠提供全彩色視頻的星座，是第一個擁有歐洲所有權的星座，能夠提供視頻和靜止圖像。這個星座將是地球觀測行業的一次重大飛躍，提供許多創新能力，包括：

1) 為地球上任何位置提供分辯率優于1 m的高幀率圖像。

2) 能夠以超高清彩色視頻拍攝移動物體，如車輛，船只和飛機。

3) 敏捷衛星(致力于觀測宇宙伽馬射線的衛星)每天多次重復訪問相同位置，可以指向特定感興趣區域。

4) 快速給衛星下達任務拍攝圖像或視頻，并在獲取后幾分鐘內快速下載數據。

Earth-I的衛星隊列記錄的影片將在拍攝后的幾分鐘內提供分析，并將在從對象的變化檢測到對象識別的各種場景中，改善決策制定和響應時間，從災難響應到基礎設施監控等各種場景的決策和響應時間。Earth-I星座始于即將發射的衛星樣機，它是與SSTL合作設計和制造的。將演示和證明未來星座的技術和過程，包括下達任務到地面站的數據下載，空間畫面和視頻質量控制。 目前訂購的五顆SSTL衛星計劃于2019年發射。Earth-I星座源于SSTL于2015年7月發射的仍在全面運行的Carbonite 1演示衛星。 Earth-I訂購的一批生產衛星將以即將發射到軌道的第二顆原型衛星為基礎，還整合了SSTL為Earth-I開發的大量改進。

目前從事微納衛星的研發已不限于幾個航天大國的政府和軍事機構，有不少企業從事納米衛星的研制和生產。如瑞典的GomSpace[9],美國的從事航天科技和其他尖端技術的非盈利基金會NanoSpace[10],Spire Global，Inc.是一家美國私營公司，專門從小型衛星網絡收集數據。它已成功地將50多顆地球觀測立方體衛星部署到低地球軌道,英國的Surrey Satellite Technology(SSTL)是設計，制造和發射小型衛星的世界頂級公司[11]。 它率先降低了衛星的尺寸和成本，使新一代商業衛星星座成為可能[12]。NovaWurks[13]是位于美國加州Los Alamitos的一家專門從事小型微型和空間技術商業化的孵化創業機構,俄羅斯的Dauria Aerospace[14]等。

皮衛星(picosatellite,或 picosat，意為微微米衛星)是濕質量在0.1～1 kg(0.22～2.2 lb)的人造衛星[15-16]，它有時也泛指發射質量小于1 kg(2.2 lb)的任何衛星。皮衛星通常也以編隊(即swarm形式)一起工作。 這種結構需要更大的母衛星與地面控制器進行通信，或與皮衛星進行對接和發射。立方星(CubeSat) 就是一個大型皮衛星(或最小納米衛星)的例子，質量大約是1 kg(2.2 lb)。皮衛星現成為DIY套件制造商的新選擇，皮衛星目前在0.1～1 kg(0.22～2.2 lb)都可以買到。現在皮衛星的發射費用為12 000～18 000美元，用于小于1 kg皮衛星的有效載荷大約是易拉罐的大小[17]。

飛秒衛星(Femtosatellite,或femtosat，意為毫微微米衛星)是濕重在10～100 g(0.35～3.5oz)的人造衛星。和皮衛星一樣，飛秒衛星需要一個更大的母衛星與地面控制器進行通信。2011年5月，奮進號航天飛機在它最后一次升空中，將三個“芯片衛星”送入國際空間站上的外部平臺，進行“材料國際空間站實驗”[18]，研究材料長期暴露于惡劣空間環境的影響。2014年3月，KickSat納米衛星由著名的獵鷹9號(Falcon 9)火箭發射，釋放104個飛秒衛星大小的芯片“Sprites,意為精靈,”[19]。ThumbSat是另一個計劃，在2017年4月18日NASA的Atlas V火箭往空間站發射38個飛秒衛星[20]。

微納衛星在通信、遙感、電子偵察等領域獲得了較為廣泛的應用，目前已經拓展到了導航領域、技術試驗領域、空間對抗領域、體系概念創新領域、工程培訓領域[21]。隨著能力不斷提升，微納衛星開始走出實驗室，邁入實用化、裝備化運營階段，應用領域不斷擴展到對地觀測、電子偵察、通信、空間目標監視、在軌服務、戰術快速響應、空間科學探測、氣象監測等領域。微納衛星業務能力不斷提升，在軍事領域和商業領域的應用前景已獲得各方高度關注。

我國在2008年發射的神舟7號飛船時，曾從飛船上釋放了一顆微型衛星伴隨1號(CX-1)[22]。它是一個非常小的立方體，邊長大約40 cm(16 inch)，重約40 kg(90 lb)。BX-1的目的是提供神舟7號(SH-7)艙的圖像，演示檢查軌道艙的能力，并進行一些有限的接近操作。 它還進行了數據中繼實驗。在發射后約四小時，BX-1距離國際空間站(ISS)最近約25 km。 不久之后，神舟7號飛船在國際空間站36 km范圍內作出了自己的接近飛行。國際空間站的最低點(近地點)為347 km，神舟7號軌道的最高點(遠地點)為336 km。 神舟7號/BX-1和國際空間站有不同的傾角：分別為42.4°和51.6°。 這意味著它們不僅處于不同的高度，而且它們的軌道以大約10°的角度相交。 沒有碰撞的危險。2015年9月20日長征六號在太原發射，將20顆衛星送入距離地球524 km的軌道[23]。據了解，20顆衛星中的“紫丁香二號”(如圖1所示)是我國首顆由高校學生自主設計、研制與管控的納衛星。2009年，國防科技大學開展了“納星集群飛行計劃”項目，2017年6月27日國防科技大學研制的第10顆微納衛星發射升空，參與歐盟QB50計劃，首次開展低層大氣探測[24]。

“珠海一號”遙感微納衛星(運行軌道如圖2所示)星座是由我國珠海市歐比特公司規劃、航天東方紅衛星股份有限公司研制的。星座由12顆視頻微納衛星、4顆高光譜微納衛星及2顆SAR微納衛星組成，在空間形成一個高效的遙感微納衛星星座，預計將在未來2～3年內發射部署完成。其首批兩顆歐比特視頻衛星-1A和1B(OVS-1A和1B)于2017年6月在酒泉衛星發射中心搭載長征四號B運載火箭發射升空。這兩顆衛星為視頻成像衛星，可實現大范圍側擺、快速凝視，單顆衛星質量55 kg，光學分辨率1.98 m，具有凝視視頻和條帶成像兩種工作模式，目前兩顆星每年可覆蓋地球2次。星座部署完成后，珠海一號星座將實現對全球遙感數據每5天更新一次。2018年1月25日中國成功發射了第四組三顆小型遙感-30衛星和一顆微納-1A納米衛星，這是今年第五次發射太空。三個遙感-30衛星主要用于電磁環境監測和相關技術測試。中國航天集團證實，衛星已經在大約40 min后進入了預定的軌道。同時發射的第四個乘員，微納-1A或NanoSat-1A。三顆遙感-30衛星主要用于電磁環境監測和相關技術測試。

2 美國微納衛星的現狀與應用

美國擁有世界最強的天基能力，可以支持其軍隊不同級別的作戰任務。但是，五角大樓并不滿足，他們認為這些支持大部分都集中在戰略和戰役層面上。在戰術層面上，還需要可供戰術使用的小型的廉價的小衛星和微納衛星。五角大樓的決策者制定了發展戰術衛星的計劃，這份計劃即TacSat計劃[25](意為戰術衛星)源自五角大樓的軍事轉型辦公室(The DOD’s Office of Force Transformation (OFT))，以開發一種能夠在相對較短的時間內(與傳統衛星相比)提供衛星的作戰響應空間(ORS)能力，以滿足戰場指揮官急需的C4ISR(Command,Control,Communications,Computers,Intelligence,Surveillance and Reconnaissance)需求。五角大樓在2007年向國會提交的報告中稱，作戰響應空間方面的努力有三個目標：“第一，快速開發和注入空間技術或作戰創新; 其次，在需要擴大作戰能力時迅速調整或增強現有的空間力量; 第三，迅速重建或補充關鍵空間能力以保持作戰能力”。最終推動作戰響應空間的概念，即“以提高現有空間能力(例如空間部分，發射部分，地面部分)的響應能力，開發互補的，更實惠的可在作戰相關的時間框架內進行部署的小型衛星/運載火箭組合和相關的地面系統”。TacSat計劃包括8個TacSat，包括來自海軍研究實驗室(NRL)，空軍研究實驗室(AFRL)，陸軍空間和導彈防御司令部(SMDC/ARSTRAT)，空軍空間司令部(Air Force Space Command)以及ORS辦公室(Operationally Responsive Space Office)。在2003年和2004年期間，TacSat-1的開發，生產和測試成本不到1 000萬美元。 該衛星是具有電子智能能力的220磅級微型衛星，包括特定發射器識別(SEI)，可見光和紅外成像以及跨平臺能力。 SEI和跨平臺任務有效載荷均使用低成本接收器(LCR-100)設計。其中，TacSat-4由美國海軍研究實驗室(NRL)負責。

其中規模最大的是美國陸軍空間和導彈防御司令部/陸軍部隊戰略司令部(U.S.Army Space & Missile Defense Command/Army Forces Strategic Command,USASMDC/ARSTRAT)正在進行一系列技術示范項目的[26]。目前包括幾個非常小的衛星，即空間和導彈防御司令部-作戰效能納米衛星 (Space & Missile Defense Command-Operational Nanosatellite Effect，即SMDC-ONE，如圖3所示)，紅隼眼(Kestrel Eye，如圖4所示)，納米眼(NanoEye)和小型敏捷戰術航天器(SATS)。相關的啟用能力包括用戶友好的地面部分和多用途納米導彈系統(MNMS)提供的專用發射能力。通過這些示范，可以通過低成本，快速發展的納衛星/微衛星星座，為戰術陸地作戰人員提供低廉的空間力量支持。

美國陸軍SMDC/ARSTRAT曾進行八個納米衛星(3U CubeSats)的通信演示任務。 主要目標是從地面發射機接收數據并將該數據中繼到地面站。 這被稱為戰術BLOS(Be-yond-Line-Of-Sight)通信。 這項技術演示的目的是建立一些相同的衛星，并將它們一起部署到LEO(低地球軌道)中，以模擬增強的戰術通信能力并評估納米衛星性能。出于多種考慮，輕量級別衛星采用了3U立方星。 這些需求都促使開發專為納米衛星設計的低成本發射器。SMDC-ONE的設計在軌壽命為一年，最低6個月。

圖片來源：SMDC

2009年，SMDC-ONE計劃完成了一個納米衛星的制造和測試工作，其后又制造了八個納米衛星。這些衛星在主承包商和美國國家航空航天局所在地進行了嚴格的沖擊，隨機振動和熱真空測試。 在主承包商處的熱真空測試時進行熱平衡和天線展開測試。 無線電頻率特性測試用美國陸軍設備進行。

美國陸軍空間與導彈防御司令部的技術研究部門先后研發了多種供地面旅和旅以下的作戰單位使用的微納衛星，它們能大大提高其快速反應能力和精確打擊能力。正在開發的紅隼眼 (Kestrel Eye)是一種微型光電圖像衛星，Kestrel Eye也被稱為Kestrel Eye-2M，是美國陸軍空間和導彈防御司令部的陸軍部隊戰略司令部(SMDC/ARSTRAT)的技術中心(在美國的Alabama州Huntsville市)的一個小型成像技術示范航天器項目。目前的KE計劃開始是從KE Block I(Kestrel Eye的概念驗證或探索醒目)設計中衍生出KE Block II的改進型。 2012年，陸軍與OSD/JCTD(國防部長辦公室/聯合能力技術示范)計劃一起，啟動了Kestrel Eye Block II，作為微型光電-橢圓軌道圖像衛星，以支持地面戰術作戰人員。用于執行地面戰術級作戰任務，它能夠快速攝取有用的戰術圖像。Kestrel Eye的數據可以通過數據中繼網絡直接下行到同一個戰斗單位，這個數據中繼網絡也可以為同一戰區中其他部門使用，而不需要通過美國本土的中繼網絡。Kestrel Eye是一種空基的戰術圖像微型衛星。與傳統的天基設施相比,Kestrel Eye衛星星座顯著降低了單位成本。可以以這樣低的成本購買大量的衛星,適合戰術部隊廣泛使用。

作為2017財政年度空間站物資運輸任務之一，Kestrel Eye在2017年度發射到國際空間站。Kestrel Eye衛星(如圖5所示)發射后將在部署之前花費一段時間等待日本的國際空間站上密封艙模塊實驗的進展。一旦進入軌道，將對其運行效果進行全面綜合地評估。Kestrel Eye-II的主要優勢包括：① 規模更小，數量更多，負擔得起，持續存在，發現概率更低，不易受到反衛星武器的傷害；② 優雅的退化：不會因為個別的幾次發射失敗或個別衛星的失效導致系統完全失去服務能力[26]。

技術中心還在開發NanoEye作為一種低成本，機動，電光學的微型衛星級的圖像衛星，直接由地面戰術部隊作戰人員使用，他們在幾分鐘后就能收到所需的圖像。機載推進系統可以使衛星降低高度，能獲得更高分辨率的地面圖像，以支持其作戰任務。納眼從低地球軌道為地面部隊作戰人員提供反應更為靈敏分辨率更高的戰術圖像。納眼具有顯著的V字三角形，允許航天器改變高度，提供所需要分辨率的地面圖像。 太陽陣列結構的空氣動力學構型在航天器速度方向上降低了阻力因子，可保證更長的在軌壽命。這些綜合因素為現場戰術部隊人員提供低成本的戰術圖像支持。

NanoEye是一種最先進的微納衛星系統，能夠在最低點提供優于0.5 m的分辨率，其結構如圖6所示，其總任務成本低于500萬美元-包括有效載荷，航天發射器，發射和3年任務操作。 NanoEye基于獨特的輕量級望遠鏡，由ITT構建和測試IR&D，這是一種獨特的結構設計，也是由Microcosm在IR&D，以及Pumpkin公司現有的成熟CubeSat組件上創建的。該系統的干質量小于10 kg，小于15 kg的先進系統具有增強的總線能力和推進系統。由于該系統可以承載干質量的兩倍，因此在速度可達2公里/秒的情況下非常靈活。這允許航天器長時間低飛，并根據需要改變其軌道，以調整覆蓋范圍，觀察時間和角度，并提供阻力補償。

3 微納衛星面臨的挑戰

對于小型衛星所完成的任務來說，經濟實惠和響應時間快速是重要的，以合理的技術和程序化的方法應對這些要求，要求研發者不斷尋求創新方法和多樣化的設計技巧、自主高效的流程，才有助于識別和化解潛在問題。與傳統衛星相比，微納衛星的質量、尺寸、功率等相差一個甚至幾個數量級，星上資源和空間非常有限，這也是制約其研究與應用的國際性難題。在微納衛星設計方面，因為尺寸、質量、功率等設計參數受到嚴格限制，微型化與低成本需求更迫切，因而采用大衛星小型化的設計方法很難實現，必須采用先進的設計，實現微納衛星的低成本和高功能密度。微納衛星需要對其推進系統，姿態控制系統，通信系統和星載計算機進行革新，這無法照搬大衛星的技術。大衛星通常用單一推進系統或雙組元推進系統來完成推進和姿態控制任務，這些系統是復雜的。這些系統僅能在較大的小型衛星使用，而微型衛星只能使用諸如電力推進，壓縮氣體推進，液體推進，如丁烷或二氧化碳這類簡單的便宜的可擴展的推進系統。在電源方面，改進的鋰離子和鋰碳離子是目前能量密度最高的，但是存在起火燃燒的問題，有必要進一步研究。太陽能電池的量子點技術和多結光伏電池，硅基太陽能電池是值得研究的。

小型衛星可以使用傳統的無線電系統的超高頻、甚高頻、S波段和X波段，微型衛星缺乏傳統無線電所需電源供應或質量，雖然各種小型化的創新通信系統已被提出，如激光接收器，天線陣列和衛星到衛星通信網絡。這些技術還沒有在實踐中得到充分證明。在天線領域，要找到成本低、工作可靠的高增益系統。電子產品需要經過嚴格測試和修改，監測其抵抗外部空間環境(真空，微重力，極端溫度和輻射暴露)的能力。當然微型衛星提供了一個廉價的測試新硬件的機會。此外，由于任務中的總體成本風險低得多，因此可以將更多的最新但較少空間驗證的技術投入到微米和納米級衛星任務中，從而降低未來在更大，更昂貴的任務中的風險。

由于微納衛星都以星座、集群方式運行，面臨的通信問題突出，信道容量小、發射功率低等特點，使地面匹配要求更特殊，導致使用傳統衛星的任務支持模式很難實現微納衛星的靈活管理，必須實現靈活便捷的微納衛星通信任務支持。

在微納衛星應用方面，我國微納衛星實用化的問題亟待突破，迫切需要發展適合微納衛星的有效載荷技術，需要探索適應組網、集群等特點的新型應用模式，沿用傳統衛星的有效載荷很難實現微納衛星的新型應用，必須提高微納衛星的實用化水平。

由于發射數量巨大，各國競相研制和發射，這就牽扯到一個微納衛星監管的法律問題。微納衛星壽命短，造成大量空間碎片，使日益嚴重的空間垃圾問題雪上加霜。因此發展微納衛星不斷受到關注空間環境和宇航員安全人士的質疑。這就面臨微納衛星的離軌系統，目前需要尋找新的高能效/成本比的離軌手段。除了技術手段，還需要加強監管，解決空間碎片以及有毒火箭燃料所造成的安全隱患，需要各有關國家政府和企業制定一些公約，有序地進行微納衛星的發射和釋放、離軌和回收，保護地面和空間環境。

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