2014年国外小卫星回顾

张召才 朱鲁青（北京空间科技信息研究所）

2014年，全球小卫星（本文中提及的小卫星专指发射质量低于500kg的卫星）活动延续了2013年高速发展态势，年度发射总数再创新高，小卫星能力再上新台阶，小卫星应用再创新模式。同时，小卫星继续发挥航天技术创新的引领作用，国外依托小卫星开展了大量前沿技术和创新概念在轨飞行验证项目。

1 发射统计分析

2014年，全球共成功发射小卫星162颗，占全球同期入轨航天器总数的61.8%，相较2013年同比增长22.7%。近两年来，小卫星年度占比均超过60%。这表明，小卫星已成为世界航天活动高速发展的主要驱动力和重要发展领域。

2014年，小卫星年度占比结束连续4年的高速增长势头，自2011年以来首次下滑，其主要原因是2014年10月28日，美国安塔瑞斯－120（Antares－120）火箭发射失败，造成29颗立方体卫星未能成功发射入轨。

2000年以来全球成功入轨小卫星统计

年度星均质量持续降低，微纳卫星发展高度活跃

随着小卫星发射数量不断增长，全球每年的星均发射质量（每年成功发射的航天器总质量除以每年成功发射的航天器总数量）呈持续降低趋势。据美国空间作品（SpaceWorks）咨询公司预测，2016年全球星均质量相比2012年将降低79%，届时星均质量大约为500kg。

年度星均发射质量变化趋势

50kg以下微纳卫星发射数据统计

美国小卫星发射数量大幅增长

随着微电子、微光机电和集成电路技术不断发展，卫星小型化趋势不断加速，微纳卫星性能快速提升，成为小卫星领域发展最为活跃的组成部分。尤其是50kg以下微纳卫星发展高度活跃，成为航天技术创新和航天应用变革的重要突破点。2014年，全球共成功发射该类卫星130颗。其中，立方体卫星因其标准化、模块化、低成本优势而广受高校与初创航天公司青睐，发射数量快速攀升，2014年全球共成功发射立方体卫星103颗。未来，在应用需求和市场活力不断增长的驱动下，全球微纳卫星发射数量将继续攀高。据SEI咨询公司预测，2014－2016年期间，全球50kg以下微纳卫星发射总数将达到650颗以上。

美国发射数量高居首位，日本发射数量跃居次席

从所属国家看，美国2014年成功发射90颗小卫星，相较2013年同比增长了45%，发射总数高居全球首位；日本成功发射了21颗小卫星，是全球小卫星发射数量第二多的国家；欧洲小卫星发射数量有所回落；俄罗斯小卫星发射数量与2013年基本持平。此外，更多的中小国家借助小卫星开展了本国航天活动，匈牙利、立陶宛和乌拉圭均在2014年发射了本国首颗卫星，推动了航天技术在全球的普及，加深了航天在世界范围内的影响。

宇航公司关注力度加大，新兴商业公司大量涌现

从研制商看，宇航公司对小卫星关注力度逐步加大，超越大学和科研机构，成为2014年度全球小卫星研制的主要力量。2014年，全球共有106颗小卫星由宇航公司研制，与2013年相比增长近108%。

一方面，以研制大卫星为主的宇航公司开始关注小卫星业务。波音公司推出了“幻影凤凰”（Phantom Phoenix）系列小卫星平台，并获得首个业务卫星订单；雷神公司（Raytheon）构建了小卫星自动化和批量化生产线；劳拉空间系统公司（SS/L）也以承研天空盒子公司（Skybox）13颗“天空卫星”（SkySat）为契机，建立了专门的小卫星产品线。

宇航公司对小卫星关注力度加大

业务型小卫星数量增长3倍

小卫星资产属性分布

另一方面，国外近年涌现出大量新兴商业小卫星公司，如美国天空盒子公司、行星实验室公司（Planet Labs）以及俄罗斯达斡利亚宇航公司（Dauria Aerospace）、阿根廷卫星逻辑公司（Satellogic）等。这些新兴公司均提出商业小卫星星座计划，发展面向定制化需求的创新应用和商业运营模式，推动了全球范围内小卫星活动的发展与繁荣。

业务型小卫星数量激增，对地观测成为核心驱动

从应用领域看，随着小卫星能力不断提升，小卫星应用不再只局限于科学与技术试验，开始迈入业务化、装备化运营阶段，应用领域不断扩展。2014年，全球共成功发射对地观测小卫星77颗，通信广播小卫星18颗，小型深孔探测器1个，科学与技术试验小卫星66颗。业务型小卫星占比达到59.3%，总量相较2013年增长3倍。

小卫星业务能力不断提升，在军事领域和商业领域的应用前景已获得各方高度关注。2014年，俄罗斯发布的《俄罗斯2030军事技术装备发展战略》提出，俄罗斯面临的主要军事威胁之一是“主要国家加紧发展包括以各种（作战、侦察、电子压制）小型卫星和纳米卫星为基础的航天技术”。美国航天基金会2014年6月发布的《2014年航天报告》也指出，“未来几年一个可能的趋势是小卫星将占据更多的市场份额。”

商业资本大量涌入，商用小卫星强势崛起

得益于小卫星业务能力不断提升，商业资本开始大量涌入，国外出现众多初创商业小卫星公司。这些公司以云计算、大数据等信息技术为驱动，面向用户提供专业化、定制化服务，催生全新商业应用模式。在商业资本推动下，商用小卫星强势崛起，发射数量急速攀升。2014年，商用小卫星发射总数达到80颗，占小卫星年度发射总数的49.4%。其中，以行星实验室公司的“鸽群”（Flock）星座为突出代表，对地观测小卫星成为商业资本的首要聚焦点。

在轨数量占比接近1/3，美欧俄小卫星位列前三

截至2014年底，全球在轨运营航天器总计1317颗，其中500kg以下小卫星达到414颗，占比接近1/3。

从所属国家看，美国、欧洲和俄罗斯在轨运营小卫星数量位列全球前三，分别是159颗、60颗和54颗。日本和中国位居第四和第五位，在轨运营小卫星数量分别是30颗和22颗。

各国在轨运营小卫星数量统计

在轨小卫星资产属性对比

携带小卫星的美国“天鹅座”货运飞船飞往“国际空间站”

从资产属性看，民用小卫星数量最多，占比约为48%。长期以来，小卫星主要用于科学与技术试验，并尤其受到大学和科研机构的青睐，使得在轨民用小卫星总数远高于商用和军用小卫星数量。商用小卫星占比反超军用小卫星占比，侧面凸显出近两年来小卫星商业化应用的快速发展势头。

“一箭超多星”发射成新常态，空间站释放数量再创新高

近两年来，小卫星发射方式逐渐由“一箭多星”向“一箭超多星”延伸，“一箭超多星”发射渐成新常态。2014年6月19日，俄罗斯“第聂伯”（Dnepr）火箭成功完成了“一箭三十八星”发射，创造了“一箭多星”发射的新记录。这也是在不到1年的时间里第4次打破该项记录。此前，美国安塔瑞斯－120火箭在发射轨道科学公司（OSC）“天鹅座”（Cygnus）飞船时，将33颗小卫星发射到“国际空间站”，并随后从“国际空间站”释放入轨。

空间站释放小卫星技术也渐趋成熟，成为小卫星低成本发射的重要手段。空间站渐成“天基发射场”，丰富了微纳卫星部署手段，实现了卫星在轨批量储备、按需发射和及时补网。2014年，全球通过空间站的“小卫星轨道部署器”（SSOD）共成功释放67颗立方体卫星。

2 年度小卫星最新发展

2014年，各类型小卫星发展实现重大突破。对地观测领域，小卫星性能不断提升，创新技术逐步成熟，低轨商业遥感小卫星星座大量涌现，催生全新商业运营模式和服务模式；通信广播领域，低轨商用通信小卫星星座开始新一轮更新换代，战术通信小卫星逐步面向基层作战部队，提供作战支持服务；预警监视领域，基于小卫星的低成本空间目标监视技术成为发展热点；空间攻防领域，低轨空间攻防技术已经成熟，目前重点发展高轨道小卫星空间攻防能力。

近年“一箭多星”发射记录统计

美国“天空卫星”示意图

新型对地观测卫星系统大量部署，卫星应用业务模式全面创新

（1）美国低轨商用小卫星批量入轨，开启航天大数据时代

在“新航天经济”驱动下，美国大量硅谷互联网企业开始进入航天领域，如天空盒子公司和行星实验室公司等，相继提出“小卫星、大数据”、“小卫星、大星座”商业计划，发展低轨新型商业对地观测系统。

继天空盒子公司“天空卫星”星座首发星2013年底发射入轨后，2014年7月8日，“天空卫星”星座第二颗卫星天空卫星－2成功进入倾角97.2°、高为623km×637km的太阳同步轨道。天空卫星－2与天空卫星－1采用完全相同的设计方案，单星质量91kg，设计寿命4年，星下点全色图像分辨率优于1m（天空卫星－1分辨率0.9m，天空卫星－2分辨率0.95m），多光谱分辨率2m，成像幅宽8km，并能够获取时长90s、30帧/秒的高清视频。星下点视频分辨率为1.1m，标准覆盖为2km×1.1km。截至2014年底，天空卫星－1和2均在轨正常工作。天空盒子公司计划构建由24颗小卫星组成的“天空卫星”星座，届时将具备对全球指定区域8h数据更新能力。

美国“天空卫星”指令成像工作模式（左）与“长期在线”工作模式（右）

行星实验室公司初步完成了全球首个运营级微纳卫星星座“鸽群”的部署工作。“鸽群”是全球最大的对地观测卫星星座，对地分辨率达到3～5m。截至2014年底，行星实验室公司共成功发射了71颗3U立方体卫星。“鸽群”星座采用“长期在线”（Always On）工作模式，无需对星上相机下达特定区域的成像指令即可成像。这种“长期在线”工作模式可持续获取图像数据，提供全球变化监测服务。

与传统对地观测系统相比，“天空卫星”和“鸽群”等新兴商业对地观测系统呈现出一些新的技术特点与运营模式：①星座所属公司均以互联网企业自居，引入大数据、云计算等互联网理念，并提供在线数据浏览、直销和分发等业务；②提供云服务平台，鼓励用户或第三方开发专业化应用程序（App），尝试天基对地观测应用的近实时响应和定制化服务模式；③除提供天基对地观测图像数据外，还可提供变化监测信息，驱动天基对地观测产品从图像向信息发展；④系统重访周期高，对地观测数据更新快，能实现全球近实时观测，兼顾全球“热点”地区和“非热点”地区；⑤部分系统具备视频成像能力；⑥大量使用“商用现货”（COTS）器件，降低系统建设成本。

（2）欧洲萨瑞公司小卫星性能升级，发布视频成像卫星平台

英国萨瑞卫星技术公司的S频段“新型合成孔径雷达卫星”

英国萨瑞卫星技术公司（SSTL）的“灾害监测星座”（DMC）性能不断提升，规模不断扩大，开辟了多国合作共赢的低轨小卫星发展模式。自2011年300kg、2.5m分辨率光学成像小卫星投入使用后，萨瑞卫星技术公司已研制出新一代350kg、1m分辨率光学成像小卫星灾害监测星座－3和首颗400kg、分辨率6m的S频段“新型合成孔径雷达卫星”（NovaSAR）成像验证小卫星，并计划于2015年相继发射入轨。

2014年4月，萨瑞卫星技术美国公司（SSTUS）发布了基于其“入门级”（Entry Level）的X50系列平台研制的具有彩色视频成像能力的V1C型小卫星。V1C型小卫星设计紧凑，单星价格低于2000万美元，能够获得高清晰画质的真彩色（红、绿、蓝）视频，星下点指向时地面分辨率优于1m，地面幅宽为10km，帧频高达100帧/秒。

V1C型小卫星具有任务可再配置能力，能应用在多种情报采集领域，如监视、探测和确认等，向需要快速获取和分析卫星数据的组织，提供快速变化的地面人群或基础设施的态势感知和实时情报（ABI）信息。根据卫星发射数量不同，V1C型小卫星可构成多种不同的星座构型，如以30～60min的时间间隔部署在同一轨道，以便在每天特定时段提供近实时的视频覆盖。

（3）日本发射新型通用平台首发星，最高分辨率优于0.5m

英国V1C型小卫星外形图

日本积极推动对地观测小卫星技术发展，成功发射了基于新一代通用平台的高分辨率光学成像遥感卫星。2014年11月6日，日本利用俄罗斯“第聂伯”火箭成功发射具备新系统结构的先进观测卫星－1（ASNARO－1）。该卫星质量约495kg，全色分辨率优于0.5m，多光谱分辨率优于2m，幅宽10km，星下点侧摆能力±45°。该卫星平台基于通用化架构和标准接口设计，采用SpaceWire协议，具有柔性化、开放式特点，能够搭载不同对地观测载荷，快速满足多种对地观测任务需求，如包括高分辨率光学成像载荷、高分辨率合成孔径雷达、多光谱遥感器和红外遥感器等。该卫星平台具有高分辨率、高敏捷、低成本、短周期和小型化的特点，能够快速响应用户需求，是日本未来发展低成本、低轨对地观测系统的重要力量。

俄罗斯继续维持军用存储转发星座运营，美国商用通信星座开启新一轮换代

美国军用通信小卫星维持既有能力，2014年度未有新卫星发射入轨。“作战响应空间”（ORS）计划下发展的战术卫星－4（Tacsat－4）继续在轨工作，提供“动中通”、“数据渗漏”（Data-X）和“蓝军跟踪系统”（BFT）等服务。2008年启动的“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效果”（SMDC-ONE）计划延续4星在轨状态，规划的8星星座尚有3颗纳卫星等待发射。俄罗斯继续维持低轨存储转发军用小卫星星座，2014年度共发射3颗“泉”（Rodnik）系列小卫星，单星225kg，设计寿命5年，主要用于军事和情报信息的中继通信。

美国商用低轨通信小卫星开启新一轮更新换代。2014年7月14日，美国第二代“轨道通信卫星”（Orbcomm－OG2）星座的首批6颗卫星成功发射入轨，开启了国外低轨商业通信小卫星星座新一轮更新换代。该卫星采用SN－100A平台，发射质量157kg，设计寿命5年。与第一代“轨道通信卫星”相比，第二代增加了船只“自动识别系统”（AIS），可用于海上资产跟踪与管理。据预测，随着6颗第二代卫星的发射入轨，轨道通信公司（ORBCOMM）“自动识别系统”业务的年收入将达到600万美元，并将逐渐提升至1000万～1500万美元。

日本具备新系统结构的先进观测卫星－1在轨飞行示意图

美国第二代“轨道通信卫星”进行太阳电池板测试

美国启动作战响应空间－5卫星项目，聚焦发展小卫星空间目标监视能力

在预警监视领域，美国“作战响应空间”计划正式提出发展空间目标监视能力，授出作战响应空间－5卫星任务研制合同。

2014年7月30日，“作战响应空间”办公室宣布授予麻省理工学院林肯实验室作战响应空间－5任务的研究合同。林肯实验室负责为“作战响应空间”办公室设计并建造一颗演示验证卫星，用于弥补在轨空间物体监视能力的潜在缺口。作战响应空间－5卫星将从低地球轨道（LEO）对地球静止轨道（GEO）带进行连续扫描，卫星质量90～110kg，轨道高600km、倾角0°，预计2017年发射。作战响应空间－5任务验证的前沿技术将转移到美国“天基空间监测系统”（SBSS）后续任务中。

小卫星空间攻防应用迈向高轨，“凤凰”计划力争2015年完成首飞

试验”（ANGELS）卫星，重点发展高轨道空间预警和防护技术。2014年7月，该卫星成功发射进入地球静止轨道，为地球静止轨道大卫星提供巡视防护，执行绕飞巡视、周围环境探测任务，探测人为干扰、感知接近受保护航天器周围的未知物体等。该卫星质量约100kg，具备自主制导、导航与控制能力和广域监视能力。

“凤凰”（Phoenix）计划继续稳步实施，力争2015年完成首次在轨演示验证。2014年4月，“凤凰”计划完成第一阶段研究项目，重点论证了空间机器人和“细胞卫星”（Satlet）的概念可行性。随后，“凤凰”计划进入第二阶段，对空间机器人、“细胞卫星”和“有效载荷轨道交付系统”（PODS）关键技术展开研究。11月，参与“凤凰”计划的诺瓦克斯公司（NovaWurks）宣布将于2015年第三季度发射由多颗“细胞卫星”聚合形成的卫星，在轨验证“凤凰”概念和关键技术。

小卫星创新概念层出不穷，“芯片卫星”应用前景 获得多方关注

近年来，美国利用小卫星开展了一系列交会对接、在轨巡视、在轨维修、部件替换与燃料加注等关键技术演示验证，探索了小卫星空间攻防应用的潜力。目前，美国低轨道空间攻防技术相对成熟，正逐步发展高轨道空间攻防能力，重点关注高轨高价值目标在轨巡视与保护技术。

美国空军在“试验卫星系统”（XSS）计划成功的基础上，提出并研制了“局部空间自主导航制导

小卫星是航天技术创新实践与应用的主要载体。2014年，国外基于小卫星开展了大量创新概念和前沿技术研究，其中美国“芯片卫星”（ChipSat）项目是典型代表。

“芯片卫星”是指将航天器全部功能集成在单个集成电路上的一类卫星，能够在轨执行特定任务，并与地面进行通信。“芯片卫星”使微系统技术在航天中的应用从部件级跃升到整星级，加速了航天器超小型化趋势。2014年4月18日，康奈尔大学领导研制的104颗“精灵”（Sprite）芯片卫星装载在凯克卫星－1（KickSat－1）中，并发射进入低地球轨道，计划执行全球首次“芯片卫星”在轨飞行任务，验证“芯片卫星”对地通信、姿态测量等关键技术。4月30日，由于受单粒子翻转事件影响，凯克卫星－1装载的“精灵”卫星释放装置发生故障，导致原计划于5月3日进行的“精灵”卫星在轨释放任务无法如期开展。5月14日，凯克卫星－1再入大气层，宣告本次“芯片卫星”在轨释放任务彻底失败。

美国“芯片卫星”执行深空探测任务示意图

尽管“芯片卫星”目前还处于研究起步阶段，但其超轻量化、超小型化、超低成本等突出特点已获得多方关注。2014年10月，“NASA创新先进概念”（NIAC）计划授予美国德雷珀（Draper）实验室价值10万美元的合同，要求其基于康奈尔大学研制的“芯片卫星”开展关键论证研究，探讨“芯片卫星”用于探测木卫二（Europa）或其他行星的可行性。

3 总结与趋势展望

总体来看，国外小卫星发展高度活跃，连续3年占比超过年度入轨航天器总数的30%，近两年更是高于60%。小卫星已成为世界航天活动的重要构成部分，并呈现出以下特点：①大卫星小型化、小卫星微型化趋势明显加速；②微纳卫星发展高度活跃，立方体卫星发展前景广阔；③小卫星业务能力不断提升，应用领域不断扩展，成为宇航公司业务发展的新增长点；④商用小卫星发展势头劲猛，催生全新的卫星应用模式和商业运营模式；⑤“一箭多星”发射成为小卫星低成本进入空间的主要手段。展望未来，小卫星发展呈现出如下趋势。

（1）与信息技术深度融合，催生卫星应用颠覆式变革

小卫星技术高速发展降低了人类利用空间的准入门槛，信息技术普及应用变革了人类的信息交互模式。移动互联网时代，在云计算、大数据技术驱动下，小卫星与信息技术深度融合，催生出更多创新理念，使卫星商业运营模式和商业服务模式发生颠覆式变革。以对地观测为例，低轨小卫星星座将具备全球持续覆盖和数据实时更新能力，面向用户开放基于云平台的遥感数据远程在线访问服务，可根据用户需求提供定制化、近实时的数据获取和分析及提醒服务，并可利用大数据挖掘技术，分析潜在事件发生概率，兼备应急响应和提前预警能力。

（2）小卫星发展力量和投资主体更趋多元化

微纳卫星高速发展，尤其是立方体卫星技术和相关标准不断成熟，大幅降低了利用空间门槛。“一箭多星”发射、搭载发射等又降低了小卫星进入空间成本。低成本进入空间和利用空间技术发展，将使小卫星发展力量更趋多样化，越来越多的中小国家、小微团队甚至个人都能够独立研制小卫星并开展航天活动，使航天不再只是大国“精英俱乐部”，更是成为全民参与的一场“轨道革命”。在此背景下，小卫星商业市场规模将急剧增长，应用模式和商业市场将得到更好地开发，政府投资、商业资本、风投、众筹等多种投资模式将共存，使得小卫星投资主体更趋多元化。