立方體衛星發展及應用分析

文|何慧東 北京空間科技信息研究所

隨著“新航天”大門打開，立方體衛星（CubeSat）作為一類新型航天器，取得了爆發式發展，已經成為衛星體系中的重要組成部分。立方體衛星具有通用化、標準化的特點，一方面，顯著降低了航天活動的門檻，新興航天力量借助立方體衛星開展航天活動；另一方面，其低成本、短周期的特點，為新技術驗證、商業航天發展提供了重要平臺。目前，立方體衛星已經超越了過去對其技術試驗衛星的定位，進入了全面應用階段。

一、立方體衛星總體發展情況

立方體衛星是一種規格化的納衛星，該概念在1999年由加州州立理工大學和斯坦福大學聯合提出，目的是提供一種標準的納衛星設計方案，從而降低成本、縮短研制時間，便于發射入軌、保持較高的發射頻率。立方體衛星每個標準尺寸單元稱為1U，其內核尺寸為10cm×10cm×10cm，質量不超過1.33kg。衛星可以按照一定的規則進行規格遞增，成為更大的立方體衛星（圖1）。

圖1 常用立方體衛星規格

1.立方體衛星發射情況

目前，全球有超過100家研究機構、公司、學校研制了或正在研制立方體衛星。截至2018年底，全球共發射1017顆立方體衛星，占發射衛星總數的11.35%；立方體衛星部署數量實現跨越式增長，尤其是最近兩年，立方體衛星占據當年部署衛星總數的近半，已經成為衛星體系中的重要組成部分。

從衛星規格看，全球部署的1017顆立方體衛星中，1U衛星189顆，1.5U衛星50顆，2U衛星80顆，3U衛星631顆，6U衛星55顆，其他規格的衛星12顆。1U和3U立方體衛星占絕大多數，達總數的81%。

從技術領域看，立方體衛星已經超越了過去對其技術試驗衛星的定位，在對地觀測、通信、科學、技術試驗、深空探測、空間安全等多個應用領域發揮了獨特的作用。其中，對地觀測和技術試驗是兩個應用最廣的領域。

2.立方體衛星發展階段

根據對立方體衛星每年發射總數、研制單位的統計，可以將立方體衛星的發展劃分為四個階段：

第一階段，立方體衛星概念的提出。1999年立方體衛星的概念提出后，美國宇航公司、圣克拉拉大學、斯坦衛星公司（Stensat）研制并發射了皮衛星（PicoSat），對立方體衛星技術進行了早期試驗，主要測試了衛星釋放機構，并觀測衛星上的微型機電系統在軌長期存儲后的工作能力。

第二階段，科學和工程教育立方體衛星在大學應用。2003年起，大學開始應用立方體衛星開展工程教育和科學任務，并且在長達10年的時間內在立方體衛星的應用上處于主導地位，占當年所有立方體衛星數量的一半以上。目前，大學仍是立方體衛星的主要使用者之一。

第三階段，技術試驗立方體衛星獲得政府機構支持。2006年起，政府民用部門和軍事部門開始逐步應用立方體衛星作為技術試驗平臺，開展先進技術的在軌試驗工作：美國國家航空航天局（NASA）推出了小衛星技術計劃，美國多家機構聯合推出了大學納衛星計劃，支持開展納衛星相關試驗。利用立方體衛星開展技術試驗，具有低成本、周期短的優勢，能夠快速提高新系統新技術的技術成熟度等級，降低風險。

第四階段，立方體衛星向實用化發展。2012年起，立方體衛星的商業應用開始逐步展開，并且從2014年起，商業立方體衛星數量大幅增長，成為數量最多的一類立方體衛星。多家公司推出了大規模立方體衛星星座計劃，規模達到數十顆甚至上百顆，這些系統現在已經從設計進入了研制和部署階段，開展包括成像、氣象、自動識別系統等多種類型的業務，為現有系統提供了有力的補充。

可以預見，立方體衛星大規模應用的趨勢將繼續保持，大學活躍參與研制和運行立方體衛星，政府機構持續發展民用和軍事用途的科學和技術試驗立方體衛星，更多的商業星座將開啟全面建設。

二、立方體衛星實現全面應用

目前，立方體衛星對地觀測、通信等應用全面展開，并逐步在導航增強、空間安全和深空探測領域推廣。

1.立方體衛星在多領域實現業務化應用

盡管相對大型高分辨率對地觀測衛星，立方體衛星在單星性能上存在差距，但由于其成本低、研制周期短、可批量部署的特點，組成星座后，系統具有全球覆蓋、高重訪率的特性，這對于需要對各種參數進行日常監測的用戶具有重要意義。因此，對地觀測立方體衛星取得了快速發展，全球各公司提出了“鴿群”（Flock）、“陸地制圖”（Landmapper）、“狐猴”（Lemur）、“普奈蒂克”（PlanetiQ）等星座計劃。

隨著微電子技術和通信設備的快速發展，立方體衛星已經初步具備了通信應用能力。盡管立方體衛星通信容量低于大型地球靜止軌道通信衛星和其他中低軌道寬帶通信衛星星座，但立方體衛星具有不易被發現、戰時快速響應發射部署等特點，適用于為戰區提供軍事通信服務。此外，在通信市場的細分領域，如專用存儲和通信網絡、自動識別系統、廣播式自動相關監視（ADS-B）服務等，使用立方體衛星系統具有更高的效費比。典型立方體衛星項目見表1。

表1 典型立方體衛星項目

續表1

2.立方體衛星快速驗證空間安全關鍵技術

立方體衛星體積小、機動靈活，具備快速響應能力，適合開展對空間中的目標開展監視、接近、檢查、對接等活動。目前，國外開展了多項立方體衛星的態勢感知和交會對接的應用能力驗證項目。

可操作精化星歷表天基望遠鏡（STARE）立方體衛星（圖2左）由勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）研制，為3U立方體衛星，可對距離200km的空間目標進行探測，最終實現利用低地球軌道小衛星星座來觀測空間碎片。

激光通信和遙感器演示（OCSD）系統由2顆1.5U立方體衛星組成（圖2右），驗證光學通信、微小衛星相對導航與控制兩大關鍵技術。在光通信方面，項目演示利用激光通信從立方體衛星對地傳輸大數據量信息的技術，提高星地傳輸數據量。在相對導航與控制系統技術方面，兩顆衛星在星載GPS位置和速度測量信息的引導下，通過軌道機動接近到相距200m以內；衛星利用冷氣推進器的組合操作改變位置，并借助太陽翼的收展改變衛星氣動截面，調節大氣阻力；當兩顆衛星近距離接近后，利用雷達單元的測距，并利用光流傳感器進行橫向運動探測。

圖2 STARE（左）和OCSD（右）衛星項目示意圖

立方體衛星抵近操作演示驗證（CPOD）項目由泰瓦克（Tyvak）公司研制，由2顆3U立方體衛星組成（圖3左）。兩顆衛星釋放入軌后，通過自主在軌處理及導航制導控制軟件算法，驗證多種交會操作場景的操作能力，一顆衛星將圍繞另一顆衛星開展一系列的環繞機動，以測試并獲取傳感器系統在軌運行特性，之后兩星接近，并通過對接機構完成連接。

維修衛星-原型（RSat-P）為美國海軍學院衛星實驗室研制的3U立方體衛星（圖3右），安裝2部7自由度機械臂，每部機械臂臂長60cm，驗證利用立方體衛星抵近、觀測、操縱其他衛星的能力。在進行維修等操作時，RSat-P的一部機械臂抓住目標航天器，另一部機械臂開展高精度的操作活動。

圖3 CPOD（左）和RSat-P（右）衛星項目示意圖

3.立方體衛星在月球探測任務中逐步推廣

NASA計劃在2020年實施的“太空發射系統”（SLS）搭載獵戶座載人飛船首飛任務中，搭載發射12顆立方體衛星開展科學探索任務，例如：“月球電筒探測器”將在月球表面搜尋水冰；“近地小行星探測器”將對小行星進行近距離探測；“生物哨兵探測器”將研究深空輻射對DNA和DNA修復機制的影響等。

歐洲航天局（ESA）發起探月立方體衛星挑戰賽，“月球隕石撞擊探測器”（Lumio）和“月球揮發物和礦物測繪軌道器”（VMMO）兩個項目最終獲勝。Lumio為12U立方體衛星，運行在地月L2點附近，從月球遠端探測月球夜間明亮的隕石撞擊閃光，并繪制隕石撞擊的全貌，提升對隕石撞擊模式的理解。VMMO同樣是12U立方體衛星，將聚焦月球南極附近永久陰影區，繪制沙克爾頓環形山的高分辨率水冰圖；并在飛越陽光充足地區時測繪礦物等月球資源，監測背光地區的冰和其他揮發物的分布情況，以了解在長達兩周的月夜中凝結物在月表的遷移情況；同時測量月球輻射，為月球移民積累數據；衛星搭載激光器開展光通信實驗，通過高帶寬激光鏈路將數據發回地球。

4.立方體衛星在火星探測領域實現突破

2018年，美國成功發射“洞察”（InSight）火星探測器，并隨同發射2顆立方體衛星“火星立方一”（MarCO－A/B）（圖4），這是立方體衛星首次執行深空探測任務。

圖4 MarCO衛星在軌示意圖

MarCO衛星緊隨“洞察”獨自飛行，在“洞察”火星著陸器進入、下降和著陸期間，衛星從距離火星3500km處飛越火星，利用折疊高增益天線為著陸器提供中繼服務。MarCO的主要目標是測試新的小型深空通信設備，并首次在深空測試立方體衛星技術，驗證立方體衛星在未來太陽系探測的工作方式，使其可以成為未來火星著陸器的“黑匣子”，幫助工程師理解著陸火星的困難過程。MarCO－A/B由噴氣推進實驗室（JPL）研制，總花費約為1850萬美元，兩者將執行相同的功能以形成互補和備份。星上攜帶的高增益X頻段天線為平板反射陣，能夠以較低功耗實現地火之間的信息傳輸。

三、立方體衛星發展分析

1.立方體衛星為現有航天體系提供重要補充

隨著微小型化技術的進步，立方體衛星單星性能取得顯著提升，已用于滿足對地觀測、通信、科學和技術試驗等領域需求缺口，為傳統的衛星系統提供性能補充，填補傳統衛星系統難以覆蓋到的細分領域。例如，立方體衛星星座能夠提供高重訪、全球覆蓋的成像能力，滿足國土資源管理、氣象探測、農業評估、火災監測等用戶的特殊需求；在戰術作戰中，能夠為山地區域提供通信信號，支持一線部隊作戰；同時，能夠以低風險的方式開展各類新概念、新技術、新系統在軌演示驗證，快速提升相關技術和系統的成熟度。此外，以立方體衛星為代表的小衛星能夠為各國軍事航天體系提供補充，增強系統彈性，應對空間安全威脅；大學等機構也利用立方體衛星開展工程教育、培養航天技術人才。

2.成本優勢促進立方體衛星取得廣泛應用

立方體衛星成本優勢明顯。在發射方面，火箭實驗室公司（Rocket Lab）“電子”（Electron）火箭發射1U立方體衛星的價格不到10萬美元；衛星制造方面，每顆“普羅米修斯”通信立方體衛星的成本不到10萬美元，“群落”（Colony）系列技術試驗立方體衛星每顆約為25萬美元。立方體衛星研制商通過大量采用商用現貨，能夠將時間精力集中在與任務相關的研制上，降低研制成本和減少任務研發時間。引入批量制造技術，通過流水線規?；a，可進一步提高效率、降低研制成本。依托全球航天產業鏈，立方體衛星產業也逐步向更完整的方向發展，專用發射服務、專用地面站等配套服務能力持續改善，為立方體衛星發展提供更多便利。

3.政策和資金支持為立方體衛星營造良好發展環境

各國為立方體衛星的發展提供了良好的發展政策環境和資金支持。美國國家海洋與大氣管理局空間商業化辦公室通過改善航天投資環境、促進政府采購商業航天產品與服務，促成了眾多立方體衛星項目孵化。美國空軍聯合多家機構支持了大學納衛星計劃，支持各大學開展衛星設計與制造競賽，計劃中的立方體衛星任務包括極立方衛星、低軌姿態相關機動和碎片監測儀器。NASA還推出立方體衛星發射計劃（CSLI），通過立方體衛星發射計劃選擇立方體衛星項目并在教育納衛星發射任務（ELaNa）中發射入軌。在市場運作上，多家公司提出的立方體衛星星座計劃得到了資金支持。新興航天國家也借助立方體衛星開展技術試驗等航天活動，一方面開展航天工程教育和系統在軌試驗，另一方面建立了與國內外相關團體之間的合作關系。