微小衛星技術發展和應用前景

林來興 （北京控制工程研究所）

1 概述

近年來，小衛星質量越來越小，發射數量越來越多。據統計，小衛星發射數量占全球航天器發射數量約70%，而小于50kg的微小衛星占小衛星總數約80%，由此可見，小于50kg的微小衛星已經開始成為發射的主流。當前，微小衛星星座如雨后春筍涌現，微小衛星應用正處于蓬勃發展階段。

2 微小衛星科學與技術飛行試驗和編隊飛行

微小衛星成本低，研制周期短，易獲得飛行試驗結果，因此，約有1/3的微小衛星作為科學與技術飛行試驗衛星，推動空間技術水平迅速提升。

“納眼”飛行試驗衛星

2012年，美國陸軍空間與導彈防御部門提出研制“納眼”(Nano Eye)飛行試驗衛星，要求在300km軌道高度提供優于0.5m對地觀測分辨率。“納眼”衛星成本低于500萬美元，包括有效載荷、衛星平臺、發射和運行操作費用。有效載荷包含超輕量望遠鏡與相機，衛星質量為10kg，貯箱推力系統為15kg。衛星目前還處在研制和飛行試驗階段。

加拿大納型衛星編隊飛行

“先進航天試驗納衛星”（CanX-4/5）由加拿大空間局（CSA）資助、多倫多大學研制，兩顆衛星前后相隔距離由1000m調整到500m。衛星質量為7kg，星上姿態控制系統由三軸磁力器、6個粗精太陽敏感器、3個速率陀螺和3個正交安裝的反作用輪等組成，姿態控制精度為1°。衛星軌道位置由GPS接收機測量，精度為1m。星上裝有4個冷氣推力器，速度增量為14m/s。2014年，成功實現納型衛星編隊飛行自主控制飛行演示試驗，保持編隊飛行隊形距離從1000m到500m。

3 微小衛星優越性

21世紀以來，微小衛星得到飛快發展，得益于其以下優越性。

1）微小衛星大量應用于星座，這是最佳工作模式，因為其應用效益好，成本小，研制周期短，進入門坎低，易于吸收商家參加等；

2）微小衛星絕大部分采用市場現成電子商品，甚至包括有效載荷、電源設備等，市場現貨價格低，供貨快，經過篩選，上天可靠性可得到保證；

3）小于50kg微小衛星，大部分由多個立方體衛星組成，它們有1U、2U……一直到25～30U，都是標準化模塊化，由工廠生產，若有特殊要求還可訂貨，從而達到成本低，可靠性可達到要求, 當前每天可產衛星數量4～ 5顆；

4)微米納米技術、光學技術快速發展，新技術新材料不斷涌現，在微小衛星獲得成功應用；

5)微小衛星星座大部分都是覆蓋全球的，例如：對地觀測、數據通信與氣象觀測等，這對實現全球經濟共同發展，實現全球互連互通都有積極推動作用。

4 微小衛星星座典型應用實例

熱帶氣旋觀測

熱帶氣旋是一種低氣壓天氣系統，給人類生命財產造成巨大危害。人們采用氣象衛星和“旋風全球導航衛星系統”（CYGNSS）星座，觀測預報熱帶氣旋的發生。CYGNSS星座由8顆微小衛星組成，它們串聯分布在同一個軌道平面。但由于覆蓋區域有限，該星座存在預報不及時與精度不高等缺點。

2018年，美國麻省理工學院提出了應用小衛星星座觀測熱帶降雨水量變化與風暴強度時間分辨率（TROPICS）研制任務，由6顆3U立方體衛星組成，分布在3個軌道平面，每個軌道平面有2顆衛星。3U立方體衛星質量為6kg，軌道高度為600km，傾角為30°。星座覆蓋全球絕大部分區域，重訪時間30min，可以通過增加衛星數量減少重訪時間，星座具有很強適應性。

衛星物聯網

瑞士ELSE公司計劃組建由64顆6U立方體衛星組成的物聯網（Astrocast）星座，分布在8個軌道平面，每個軌道平面有8顆衛星，每顆衛星質量為10kg，衛星工作在L頻段。2018年12月成功發射其試驗衛星，軌道高度574km/590km，傾角為97.8°。2019年計劃發射10顆，星座總成本預計5000萬美元。

澳大利亞阿德萊德公司（Adelaide）計劃創建由100顆納型衛星組成的空間物聯網星座，分布在20個軌道平面，每個軌道平面有5顆衛星。納型衛星為12U立方體衛星結構，質量為20kg，軌道高度為580km，衛星設計壽命為15年。整個星座衛星和發射費預計1億多美元，計劃2019-2022年建成。

對地觀測

阿根廷Satellogic公司計劃創建一個由300顆衛星組成的大型對地觀測星座。每顆衛星質量為37kg，軌道高度500km，覆蓋全球。星座分三期建成，第一期由16顆衛星組成，稱為Aleph-1星座，重訪時間為2h；第二期由100顆衛星組成，重訪時間為15min；第三期由300顆衛星組成，重訪時間為5min。衛星數量與重訪時間關系基本上成反比。Aleph-1星座衛星已經于2017－2018年搭載中國長征-4火箭先后兩次成功發射。該公司計劃2019年再發射13顆，預計2023年完成星座建設。

CYGNSS衛星示意圖

Aleph-1星座衛星示意圖

芬蘭冰眼公司（ICEYE）于2018年12月成功發射一顆SAR微型衛星。該衛星是一顆飛行試驗演示衛星，位于500km高的太陽同步軌道，衛星質量為80kg,分辨率為3m。冰眼公司計劃2019年發射3顆SAR衛星，最終計劃創建由18顆微型衛星組成的SAR星座，采用超輕型天線，衛星質量有望降到50～60kg，分辨率2～3m。

海運和天氣監測

美國斯派爾公司（Spire）研制了由125顆3U立方體衛星組成的衛星星座，名為“孤猴”（Lemur），用于海運和天氣監測。衛星質量為4kg，軌道高度為611km/696km，傾角為97.8°。每顆衛星成本約40萬～50萬美元，整個星座成本約7000萬～8000萬美元。“孤猴”衛星左右兩側設有可展開太陽帆板，頂上有4根可展開天線。星上攜帶2個有效載荷：GPS無線電掩星探測儀和船舶跟蹤監測設備。2015－2018年，“孤猴”衛星已成功發射83顆，預計到2020年全部部署完成。

5 微小衛星應用發展需要解決的問題

微小衛星今后要成為良好應用前景，必須解決如下問題。

1)開發低價小型運載火箭，以適應當前微小衛星星座發展，因為大部分微小衛星沒有推力系統，必須依靠末級火箭設有衛星軌道分配器，并且有軌道機動能力，能把衛星送到需要軌道位置。

2)研制微型推力系統，微小衛星發展到現在近20年歷史，不能還處在初期狀態，星上應配有推力系統。技術指標:推力系統質量4～5kg，△V為 50～ 60m/s。

3）研制超輕型可展開太陽帆板，提高光電轉換效率和電源分系統功能密度集，需要設計太陽帆板具有俯仰角度變化功能，從而產生氣動阻力差，用于保持星座位置。

4）開放商業航天市場，吸收民間投資，讓微小衛星觸手可及，據不完全統計，僅2017年全球民間航天投資有40多億美元，中國占不到1/10。

通過上述辦法，微小衛星將獲得更加廣泛應用，并且帶來巨大的經濟效益。