微型衛星 異軍突起

李忠東

拉庫納太空公司的每顆衛星大約只有一個公文包大小。

20世紀50年代以來，人造地球衛星形成了通信、氣象、導航、資源環境、軍事偵察和科學研究等系列，并向高性能、高集成方向發展。衛星功能的綜合集成和衛星質量的不斷提升，加之火箭運載能力的不斷提高，為大衛星的發展提供了技術基礎。隨著衛星技術與應用的不斷發展，在降低衛星成本、減少風險的同時，加快衛星開發研制周期也被提到了議事日程上。特別是對于執行單一任務的專用衛星以及衛星組網，開發投資小、見效快的衛星技術更是迫在眉睫，小衛星技術因此應運而生。根據人造衛星的質量，500千克以上的被稱為“大衛星”，500千克以下的為“小衛星”。小衛星又分成4個等級：100～500千克為小型衛星，10～100千克為微型衛星，1～10千克為納米衛星，0.1～1千克為皮衛星（又稱為“立方體星”）。

別看小衛星質量小，含金量可不低。它們運用的是高度集成化技術和自動化技術，裝備有能源、通信、星上數據處理和衛星姿態控制等系統，實現了星上控制與處理計算機小型化。完成小衛星的設計、制造、發射、在軌運行全過程，耗時一般不到一年，包括發射在內的價格約3000萬元。它們不一定需要固定的發射塔，可在飛機上等地點發射，十分靈活。小衛星不僅物美價廉，而且風險很小，使用壽命一般超過10年。它們用途廣泛，可用于通信、對地觀測、空間遙感、氣象觀測、海洋探測和科學研究等各個領域。其中，利用小衛星進行移動通信，已成為當今發展的熱點。此外，它們還能根據軍事需要快速研制，快速發射，及時投入使用，滿足戰時的特殊要求。

“皮星三號A星”由一個邊長25厘米的立方體主體和一個直徑30厘米的球形載荷組成。

拉庫納太空公司正著手在近地軌道部署一個由32顆納米衛星組成的星座，以形成隨時能覆蓋整個地球的拉庫納網絡。

“皮星三號A星”大顯神通

微電子技術的進步、輕型材料的研制以及高功率太陽能電池的問世，保證了衛星研制的小型化和微型化，使得開發出來的衛星具有體積小、重量輕、能耗小、可靠性高等特點。納米技術的發展和掃描隧道顯微鏡加工技術的應用，使科研人員有條件進行原子和分子量級的加工，制造出各種微型機電設備。在小衛星技術發展的早期，納米衛星只被用于做些簡單的空間實驗，皮衛星幾乎僅作為物理概念存在，發射數量極少。1999年，美國斯坦福大學教授湯姆·肯尼根據對皮衛星多年研究積累的經驗，提出了一種新概念的皮衛星，它呈正立體，質量為1千克，結構尺寸為10厘米×10厘米×10厘米，被稱為“1個立方體星單元”，若干個單元可以組成納米衛星。

在皮衛星概念誕生之時至2003年的3年多時間里，全球約有60～70所大學和研究機構加入到開發皮衛星的行列中，其中包括美國波音公司空間研究中心、美國宇航局和艾姆斯研究中心等。研制皮衛星經濟成本低，周期短，不需要大型的實驗設施和高跨度廠房，并且技術易于更新，能實現標準化和模塊化。從2003年至今，全世界發射了200多顆皮衛星，失敗的不到10%，其中還有不少是運載火箭及其分離機構故障造成的。

皮衛星因具備發射不需要使用高成本運載工具和應急反應快等優勢，被航天科技界稱為緊急狀態下的“突擊隊”。我國是地質災害頻發的國家，在應急救援和搶險救災時期，皮衛星可以擔當起應急通信和地形勘測等多項職責。它們適合大批量地生產和發射，形成衛星群。我們可以把每一顆皮衛星視為一塊“積木”，單獨看功能比較單薄，但是就像“搭積木”一樣，當皮衛星批量發射形成衛星群后，就能發揮重要的作用。比如，在500～600千米高度的軌道上，衛星環繞地球一圈約100分鐘，單顆衛星可能需要兩三天才能重訪同一個地方。但由24顆皮衛星組成的衛星集群，在1～2分鐘之內就可以重訪任意一個點。

自2000年起，浙江大學微小衛星研究中心致力于皮納衛星技術的研究，開展皮納衛星整星、測控通信、姿軌控制、星間通信及編隊組網等領域的研究工作，開創了我國皮衛星領域的研究，有力推動了國內該領域的發展?！捌ば侨朅星”是浙江大學微小衛星研究中心自主研制且在軌運營的第5顆皮衛星，代表著我國航空航天事業的新生力量。2020年6月17日，在甘肅酒泉衛星發射中心，它和“高分九號03衛星”及“和德五號衛星”一起，由“長征二號丁”運載火箭送入預定軌道，對多模式測控應答機和星載綜合電子系統等皮納衛星技術進行在軌試驗。

“龍江二號”質量為47千克、主體如2個家用微波爐大小。

“龍江二號”拍攝的“地月相擁”合影美如畫。

“皮星三號A星”身形輕盈嬌小，由一個邊長25厘米的立方體主體和一個直徑30厘米的球形載荷組成，體積與2個籃球相近，總重量僅20千克。別看它個子不大，用處卻不小，主要功能是雷達標校，因此也被稱作“雷達標校星”。它就像是太空中的一把“尺子”，只不過測量的對象不是生活中的小物件，而是衛星地面站的位置和相對距離。

浙江大學微小衛星研究中心最早研制的“皮星一號”是一對孿生衛星，它們填補了我國在皮衛星研究領域的空白?！捌ば且惶枴泵?6分鐘繞地球一圈，每天與西安衛星測控中心保持一次通信聯系，并傳回衛星軌道定位和健康管理數據等信息?！捌ば嵌枴焙汀捌ば侨枴?顆皮衛星不僅功能更復雜，而且體積小、能量大，載荷能夠達到50%，即自重20千克卻能承擔10千克及以上的載荷。而大衛星的載荷為30%。

“龍江二號”不負眾望?

在我國航天事業中，出現了許多“功勛卓著”的衛星。2018年5月21日，“嫦娥四號”探測器的中繼星“鵲橋號”在西昌衛星發射中心發射成功。同年12月8日，又成功發射了“嫦娥四號”探測器。2019年1月3日，我國實現了人類探測器在月球背面首次軟著陸。這期間，“鵲橋號”給“嫦娥四號”探測器提供通信支持。依靠它提供的數據鏈路的支撐，睡了醒、醒了又睡的“玉兔二號”月球車才能在遙遠的月球背面進入更長的工作周期。2019年4月6日，當陽光再次鋪灑在“嫦娥四號”探測器和“玉兔二號”月球車上，它們分別于當日21時43分和3時54分結束月夜休眠，受光照自主喚醒進入第29月晝工作期。與“鵲橋號”衛星一起發射升天的還有一個微型衛星，名叫“龍江二號”。盡管它貌不驚人，然而卻毫不遜色，創造了震驚世界的奇跡。

自20世紀80年代以來，國外率先進行微型衛星的研究工作。從20世紀90年代起，我國也開始著手微型衛星的自主研發?！褒埥枴毙l星由哈爾濱工業大學研制，雖然它的質量只有47千克（其中15千克是燃料），主體只有2個家用微波爐大?。?65×570×420毫米），但設計有全新的推進系統、星箭分離系統和天線結構等?！褒埥枴毙l星發射成功后，成為全球首個獨立完成地月轉移、近月制動、環月飛行的微型衛星。在軌期間，它共計完成30次拍攝成像，成功拍攝出清晰的月球雨海局部影像圖，完成波斯灣、紅海、地中海、阿拉伯半島等區域的地月合影等多幅科學探測圖像。中東多國對它取得的這些豐碩成果贊嘆不已。

特別值得一提的是，“龍江二號”衛星于2019年2月3日拍攝的一幅“地月相擁”圖像，登上了《科學》雜志。這張月球與地球同框、擁有完整月球背面的圖像在國外流傳甚廣。《麻省理工科技評論》等外媒對此進行的追蹤報道稱：“我們曾經見過它，但從未像今天這樣興奮，這應該是有史以來最棒、最清晰的照片！”一些媒體甚至稱其“讓人想起美國宇航局（NASA）的‘阿波羅8號任務中拍攝到的一張著名圖片——‘地球升起”。哈爾濱工業大學研究團隊在描述“地月相擁”的拍攝過程時這樣寫道：“當‘龍江二號衛星到達月球附近時，需要將其運行速度降下來，這樣就自然被月球捕獲成為月球的一顆衛星。通過精準的控制調整衛星，將相機對準目標，從而成功完成了拍攝?！?/p>

“龍江二號”衛星在太空實際工作了437天，超過預定1年的設計壽命。在它以優異成績完成任務后，國家航天局決定將其受控撞月，結束其使命。它在成功脫離運行軌道后，在月球表面墜毀。整個受控撞月過程順利，為探月任務畫上了一個圓滿的句號。根據圖像資料，它在月球表面形成了一個大約4 ×5米的撞擊坑，這個撞擊坑與科學家預計的撞擊地點偏差不大，僅為328米。業余科學家丹尼爾·埃斯特維茲一直跟蹤“龍江二號”衛星的進展。在“龍江二號”墜毀后，他通過一系列的運行資料及精密計算找到了它在月球的精確墜毀點：位于月球表面康斯坦汀諾夫隕石坑東南部的一處火山口中。如今，“龍江二號”衛星的成就已可列入“明星”衛星行列，它的低質量及高精度的表現，為國際空間探測衛星的研制及發展提供了更低成本的選擇。

天基物聯網互聯萬物

據世界銀行數據表明，目前地面物聯網業務在陸地的覆蓋率僅為20%，而在海洋的覆蓋率則不到5%。在人跡罕至卻又需要通信的區域，建設基站和鋪設線路難度大，成本高，降低了實現“萬物互聯”的可能性。而衛星物聯網通信技術不受地理和氣候環境的影響，能夠突破因地面基站所不能及而帶來的物聯網覆蓋限制，具備全天候的服務能力。據美國權威衛星行業咨詢公司NSR預測，2022年將有1億～2億臺物聯網設備有接入衛星的需求。另據麥肯錫公司預測，天基物聯網的產值在2025年可達5600億～8500億美元。

近年來，物聯網向太空進軍的勢頭開始增強，全球十多家初創公司的上百顆微型衛星陸續發射升空。他們沒有與亞馬遜和太空探索技術公司等大企業正面競爭，而是使用只需耗資數千萬美元的微型衛星組成的網絡，向家庭和企業提供直接服務。專家指出，這種新興微型衛星網絡能促成真正的全球“物聯網”。

拉庫納太空公司是一家英國衛星通信提供商。這家小型初創公司首先在英國哈維爾的歐洲航天局企業孵化中心對新興微型衛星網絡進行研究開發，然后制造出低成本的微型衛星。目前，該公司已有3顆通信衛星在軌運行，還有2顆正在進入軌道的途中。每顆衛星大約只有一個公文包大小，衛星平臺和天線分別由納米衛星集成商——納米航空電子公司和牛津航天系統公司提供。微型衛星利用長距離無線電通信廣域網與地面上的設備連接，可以方便地實現設備終端的數據互聯并輸送到網絡中，再經過互聯網傳輸到服務器，相應的應用客戶端可以從中獲取數據。在偏遠地區，電力是一種稀缺資源，因而傳統的連通性在商業上是不可行的。而微型衛星可以在將“物”的連通性擴展到偏遠地區方面發揮重要作用。該公司正著手在近地軌道部署一個由32顆納米衛星組成的星座，以形成拉庫納網絡，隨時覆蓋整個地球。

目前，雖然許多測試該公司技術的客戶每天只能連接衛星2～4次，但是應用于監控遠程基礎設施，比如觀測企鵝的攝像頭等綽綽有余。科學家需要經常跟蹤南極洲冰原上阿德利企鵝的健康狀況，不過他們這次是通過在人們頭頂上運行的微型衛星，從數千千米之外操作攝像頭進行的。

此外，荷蘭的智慧公園公司也利用長距離無線電通信廣域網，將犀牛和大象與某個巨型動物網相連。這對野生動物保護區的管理人員來說很有用，因為他們需要對這些動物進行監測，以防偷獵，并且在動物游蕩到國家公園以外的地方時，及時把它們趕回去。他們在馬拉維測試的一種大象項圈與那里的長距離無線電通信廣域網地面站連接，同時也能與拉庫納的衛星連接。一旦衛星群全面部署，公司將利用這種項圈追蹤進入沙漠、森林和在非洲南部國家之間跨境的動物。在那些偏僻的地方，沒有其他的無線信號。長距離無線電通信廣域網系統需要的耗電量相對較少，非常適合安裝在大象項圈上。