立方体卫星应用发展研究

文|北京空间科技信息研究所 何慧东

立方体卫星应用发展研究

文|北京空间科技信息研究所 何慧东

立方体卫星（CubeSat）自概念提出以来取得了快速的发展，从早期的技术试验发展到如今的大规模商业应用。目前，每年发射的立方体卫星数量保持在100颗以上，并保持快速增长的趋势，全球有超过100家研究机构、公司、学校研制或正在研制立方体卫星。

立方体卫星的概念在1999年由加州州立理工大学（CalPoly）和斯坦福大学联合提出，目的是提供一种标准的纳卫星设计，从而降低成本、缩短研制时间，更便于发射入轨，并保持较高的发射频率。立方体卫星每个标准尺寸单元称为1U，其内核尺寸为10cm×10cm×10cm，质量不超过1.33kg，卫星可以按照一定的规则进行规格递增，常见的立方体卫星规格包括1U、1.5U、2U、3U等（见图1）。

随着立方体卫星技术能力的提升，其研制发射成本低、生产应用周期短、可批量化生产的特点逐渐展露出来，立方体卫星的应用也日渐增多。现在，立方体卫星已经超越了过去对其技术试验卫星的定位，在对地观测、通信、科学与技术试验等多个应用领域都发挥了独特的作用。

一、立方体卫星发射情况统计分析

自1999年提出立方体卫星概念以来，立方体卫星取得了快速的发展。截至2016年6月30日，全球共发射立方体卫星481颗，从应用领域看，对地观测卫星191颗，通信卫星20颗，科学卫星41颗，技术试验卫星151颗，工程教育卫星78颗。对地观测和技术试验是两个应用最大的领域，总量超过发射数量的70%（见图2）。

从历年发射数量上看，自2002年到2012年，立方体卫星发射数量稳步增长，从2013年起出现大幅增长，并保持在历史较高水平。从运营商类型和卫星用途看，所有481颗卫星中，军用卫星55颗，民用卫星45颗，大学158颗，商用卫星223颗。商业公司和大学是立方体卫星的两大类运营商，卫星数量占总数的近80%。

从立方体卫星的规格看，1U以下立方体卫星2颗，1U卫星140颗，1.5U卫星33颗，2U卫星24颗，3U卫星279颗，6U卫星3颗。1U和3U立方体卫星占绝大多数，达总数的87%。

二、立方体卫星应用现状

1.对地观测领域实现业务应用

对地观测是立方体卫星目前取得最大发展的领域，已经从能力试验阶段发展到了业务应用阶段。相对大型高分辨率对地观测卫星，立方体卫星在空间分辨率、指向精度、数据传输速率等性能上存在较大差距，但由于其成本低、研制周期短、可批量部署的特点，组成星座后系统具有全球覆盖、高重访率的特性，对于需要对各种参数进行日常监测的用户而言具有很大的意义，因而，对地观测立方体卫星取得了快速的发展，全球各公司提出了鸽群（Flock）、陆地制图（Landmapper）、Perseus-O、狐猴（Lemur）、PlanetiQ等星座计划。

美国行星（Planet）公司是在互联网理念驱动下创建的新兴商业航天公司，其商业运营的核心是利用低轨道星座采集全球近实时更新数据，提供气候监测、农作物产量预测、城市规划和灾害管理等领域相关的数据分析服务，而非传统的微纳卫星制造和图像销售业务。

Planet公司开展了大规模的Flock系列对地观测卫星制造、部署和应用（见图3）。Planet公司的主要业务是设计和制造3U立方体卫星，构建低轨遥感星座，获取全球近实时更新的中分辨率遥感卫星图像，并提供数据分析和处理服务。Flock星座单星采用3U立方体卫星设计，尺寸为10cm×10cm×30cm，具有可展开太阳翼，质量约5kg，运行在300～800km高度的低地球轨道，光学成像分辨率约为3～5m。截至2016年6月30日，Planet公司进行了3次试验性发射，将4颗鸽子（Dove）技术试验卫星送入轨道，以及11次业务星发射，成功发射了135颗Flock业务卫星。

天鹰航天（Aquila Space）公司计划建设由30颗立方体卫星组成的Landmapper星座，其中包括10颗6U的乌鸦-广覆盖（Corvus-BC）卫星和20颗非标准的16U的乌鸦-高清晰（Corvus-HD）卫星，卫星设计寿命5年。Corvus-BC和Corvus-HD两种卫星能够充分互补，Corvus-BC卫星地面采样分辨率22m，卫星每天可覆盖4000万km2的土地，用于重访感兴趣的区域；Corvus-HD卫星分辨率为2.5m，具有在蓝、红、绿、近红外、红外5个谱段成像的能力，卫星成像更清晰但幅宽略窄，每天能够覆盖900万km2土地，能够对感兴趣的区域进行确认。Aquila Space公司负责Corvus卫星制造。Landmapper星座计划在2016—2019年以2～4颗为一组发射进入轨道，Landmapper星座建设完成后将每天产生2TB的数据，数字宇航（Astro Digital）公司负责对传回地面的数据进行处理和分析。

斯派尔（Spire）公司的主要业务是研发“高频率、高精确度”气象卫星系统，利用卫星收集数据，提供商业气象和海事服务。Spire公司计划利用Lemur星座收集天气数据，填补美国天气数据的空档。Lemur-2系列卫星是3U立方体卫星，单星质量4kg，卫星的轨道高度低于650km。Lemur-2卫星搭载有STRATOS无线电掩星有效载荷和SENSE自动识别系统（AIS）有效载荷。Lemur卫星利用STRATOS载荷记录并定期提供全球范围高保真的温度、压力、湿度等数据，把这些数据输入气象模型，就能得到精确的天气预报。目前，Spire公司共发射了12颗Lemur-2卫星，按计划公司要将星座规模扩大到100颗以上，改善气象预报的准确性。

2.通信领域初步具备应用能力

美国陆军实施了空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效果（SDMC-ONE）立方体卫星计划，SMDC-ONE卫星为3U立方体卫星，尺寸为10cm×10cm×30cm，质量约为4.5kg，全部采用商业现货（COTS）器件，卫星运行寿命超过12个月，使用了UHF-VHF频段的通信收发机。SMDC-ONE星座的目标是演示快速设计和研制军用低成本航天器的能力，验证地面无人值守传感器将数据通过SMDC-ONE卫星转发到数据中心的能力，以及为战术终端提供实时话音和短报文通信的能力。

空间与导弹防御司令部纳卫星计划（SNaP）是SMDC-ONE的后续计划，SNaP卫星质量为5kg，数据率是SMDC-ONE卫星的5倍，采用3U立方体卫星设计（见图4）。此外，SNaP卫星具备推进能力，在天顶方向安装了4块可展开太阳电池阵，在天底方向有4副UHF频段天线。SNaP任务的目的是开发软件定义无线电，向偏远地区的用户提供超视距通信，增强对高价值信息的获取能力。

Spire公司的Lemur-2星座同样也开展AIS海事应用。Lemur-2卫星上搭载的SENSE自动识别系统（AIS）有效载荷是其两大主要有效载荷之一，星座通过AIS跟踪全球海域的船舶，应用于海事搜救、打击海盗、打击非法捕鱼、贸易监控、全球供应链管理、港口管理、海洋态势感知、保险权责鉴定等。

丹麦GOMSpace公司的主要业务是制造纳卫星和立方体卫星，提供相关部件和分系统，并利用天基基础设施开展商业服务。GOMSpace公司2013年和2015年先后研制了2颗广播式自动相关监视（ADS-B）立方体卫星——GOMX-1和GOMX-3（见图5）。GOMX-1发射后更名为天基监视全球空中交通感知和优化系统（GATOSS），采用2U立方体卫星规格，质量2kg，卫星携带了高灵敏度的软件定义无线电（SDR）有效载荷，能够接收跨洋航线飞机发射的ADS-B信号，提供对全球空中交通状况的感知能力，并为空中交通管理提供支持。GOMX-3卫星采用3U规格，将演示ADS-B信号接收能力。

Dunvegan航天系统（DSS）公司正在开发比特卫星（BitSat）通信卫星星座，星座由深空工业公司制造，包括24颗3U立方体卫星，每颗卫星质量4kg，最大功耗18.5W，运行寿命5年，采用S频段通信，数据上行和下行速率达1Mbit/s（见图6）。卫星每次过顶能够与地面站维持15分钟通信，每天每颗卫星对地面站过顶4～14次，平均一天24颗卫星将对全球地面站过顶超过100次，提供连续的全球覆盖。根据计划，卫星将在2017年开始发射，首先部署4颗卫星，之后逐步部署后续卫星。

BitSat星座基于开放平台设计，重点提供空间通信、数据处理、存储和广播能力，这种模式将扩展天基云计算的应用范围。金融是BitSat星座的一个重要应用，系统针对比特币和密码通信进行了优化，每颗卫星都能够在轨保持整个区块链，保存比特币完整的交易记录，并作为重要的节点为地面比特币网络提供备份。BitSat星座还能为付费用户提供专用数据存储和通信服务，用户将敏感数据存储在BitSat系统上，实现与潜在攻击的物理隔离，确保数据安全。

随着微电子技术和通信设备的快速发展，立方体卫星已经初步具备了通信应用能力。相对大型地球静止轨道通信卫星和其他中低轨道通信卫星星座，立方体卫星的通信能力存在明显差距，但其具有快速响应发射部署等特点，适用于为战区提供军事通信服务，且适用于通信市场的细分领域，例如专用存储和通信网络、AIS、ADS-B服务等，这些市场总份额相对较小，同时对通信能力的要求不高，使用立方体卫星系统具有更高的效费比，这也是促进通信领域立方体卫星发展的重要原因。

3.科学和技术试验领域扩展应用范围

MinXSS是科罗拉多大学大气层与空间物理实验室（LASP）研制的科学卫星，任务重点关注太阳闪耀和活跃区，测量0.4keV～30keV范围的软X射线光谱密度，分辨率优于0.15keV。MinXSS-1卫星项目耗时4年，2015年发射至国际空间站，并在2016年从国际空间站释放入轨。第二颗卫星MinXSS-2计划于2017年发射至寿命更长的极轨道。

美国军事和民用航天机构都针对开展技术试验的微小卫星提出了支持计划。美国国家航空航天局航天技术任务部（STMD）推出小卫星技术计划（SSTP），计划的主要目标是识别和支持新型小卫星系统和分系统技术的发展，提升小卫星的能力，重点支持全新的革命性的技术，提升其技术成熟度等级，并使用小卫星测试和验证未来可以应用于更大型卫星的相关技术和能力，降低最新技术的成本、风险、复杂性和研发时间。SSTP计划内的立方体卫星任务包括立方体卫星抵近操作演示验证（CPOD）、爱迪生小卫星网演示（EDSN）、综合太阳电池阵和反射阵列天线（ISARA）、节点（Nodes）、激光通信和遥感器演示（OCSD）、手机卫星（PhoneSat）等。大学纳卫星计划（UNP）由美国空军联合多家机构共同管理，支持各大学开展卫星设计与制造竞赛，UNP计划的目标是训练未来的航天领域从业人员，每个项目为期4年，支持大学开展小卫星的研发、集成和飞行测试。自1999年起，将近4500名大学生和33个研究机构参与这项计划，UNP计划内的立方体卫星任务包括极立方卫星（PolarCube）、低轨姿态相关机动和碎片监测仪器（ARMADILLO）。

群落（Colony）系列立方体卫星是美国国家侦察局（NRO）利用立方体卫星作为平台开展的新技术验证计划。美国国家侦察局首批订购了12颗立方体卫星，每颗卫星采用3U规格，尺寸为30cm×10cm×10cm，质量4kg。计划的初期对高光谱传感器、标准化姿态控制系统、无线电频率模块和无结构天线阵技术进行验证，降低侦查卫星的研制风险。

立方体卫星在科学和技术试验领域得到广泛的应用，包括空间物理探测、天文学研究、地球科学研究、太空生物学研究，以及新型系统、分系统、有效载荷试验等。利用立方体卫星开展科学应用，能够通过组网探测的方式提供全新的视角，同时在多个位置对某一参数进行测量，拓展科学应用的认识。立方体卫星还能够低成本、快速地为新技术提供在轨验证机会，降低研发风险，提高使用效益，提高技术的成熟度等级和可用性，促进新技术向应用方向发展。

三、立方体卫星应用能力提升原因分析

1.立方体卫星填补各应用领域需求缺口

在对地观测领域，国土资源管理、气象预报、农业管理、火灾监测等应用需要对特定区域快速更新数据，而对图像的分辨率要求并不高，立方体卫星星座具有高重访率，短时间内实现全球覆盖，能够满足这类业务需求。在通信领域，山地区域通信信号可能被地形遮挡，作战部队需要借助战术通信卫星实现战区通信，立方体卫星具有快速响应能力，根据需要快速发射入轨并组成通信星座，在特殊区域提供通信能力，为现有卫星通信体系提供能力补充。在科学和技术试验领域，目前的发射机会有限，等待周期长，立方体卫星能够提供快速和价格低廉的入轨机会，便于各机构进行空间科学实验或提升相关技术和系统的成熟度。此外，大学等机构也有利用立方体卫星开展工程教育、培养航天技术人才的需要，学生能够通过参与项目获得直接的卫星设计、研制、运行的工程经验。以上这些需求缺口为立方体卫星的发展提供了重要契机。

2.立方体卫星性能提升支持更多类型应用

随着微小型化技术的进步，立方体卫星单星性能取得显著提升，卫星供电能力从瓦级提升到十瓦级，星上处理器从8～16位单片机发展到32位芯片级处理器，姿态控制从被动控制发展到三轴稳定控制，轨道控制能力从无到有，通信系统从最早的UHF/VHF频段扩展到S/X/Ka/激光等多个频段，数据率从kbit/s级提升到Mbit/s级。尽管单颗立方体卫星效能相对大型卫星存在很大差距，但其效能的提高仍促进了其作为平台开展多种应用。此外，通过部署立方体卫星星座，利用星座实现对多个位置的近实时探测，能够改变过去的探测模式，以全新的视角观测地球和人类的活动，提升对地球的认知，增加对重要活动和事件（船舶航行、飞机飞行、火灾等）的监测能力。

3.成本优势推动立方体卫星广泛应用

立方体卫星研制和运行成本低廉，例如MinXSS-1科学卫星的设计、制造、AIT及运行费用总计为100万美元，而OCSD卫星研发及运营费用约360万美元。在发射成本方面，由于立方体卫星质量小，其发射成本也很低，例如火箭实验室（Rocket Labs）公司电子（Electron）火箭发射1U立方体卫星的价格为7～8万美元，发射3U立方体卫星的价格为20～24万美元。小卫星产业链向更完整的方向发展，出现了火箭实验室公司、萤火虫（Firefly）公司等提供小卫星专用发射服务，以及KSAT公司、Leaf Space公司等提供小卫星专用地面站，开展运管服务。立方体卫星能够以低成本方式获得配套服务，避免与大卫星竞争发射、运管、频率等资源。

4.政策环境良好支持立方体卫星推广

各国对立方体卫星的发展提供了良好的发展政策环境。美国国家海洋与大气管理局商业遥感管理事务办公室为商业遥感系统颁发许可证，目前已经为数十个立方体卫星计划颁发了许可证。欧盟出资支持了“QB50”计划，将一次发射50颗立方体卫星进入低地球轨道，实现对低热层大气（90～300km）进行探测。美国国家航空航天局还推出了立方体卫星发射计划（CSLI），通过CSLI计划选择立方体卫星项目并在教育纳卫星发射任务（ELaNa）中发射入轨。新兴航天国家也借助立方体卫星开展技术试验等航天活动，新加坡发射了维洛斯（VELOX）系列立方体卫星，帮助大学生获取设计、制造和运行卫星的工程实践经验，同时验证平台各分系统和有效载荷的功能，进行星间通信演示。

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