微小卫星发展的若干思考

李明

(中国空间技术研究院，北京 100094)

微小卫星发展的若干思考

李明

(中国空间技术研究院，北京 100094)

微小卫星具有功能密度高、技术发展快、研制周期短、开发成本低、部署应用灵活等特点。新技术的发展、商业资本的不断投入、发射模式的多样化等因素，使微小卫星在近年来得到快速发展。微小卫星的应用模式发展多样化，技术不断创新且受互联网思维影响，将在通信、遥感、导航、深空探测和科学技术试验领域具有巨大的应用潜力。我国在发展微小卫星时应同时关注技术发展和政策机制，把握前沿技术和创新模式，考虑大规模运行可能带来的问题，并从政策机制上做好统筹规划，以推动微小卫星技术创新发展。

微小卫星；技术创新；模式创新

1 引言

近几年，微小卫星技术快速发展，使其在不同领域不断实现各类技术验证和创新应用。一般，国际上微小卫星是指质量在500 kg以下的卫星，其中，500～100 kg的称为小卫星，100～10 kg的称为微卫星，10～1 kg的称为纳卫星，1～0.1 kg的称为皮卫星，小于0.1 kg的称为飞卫星。

受限于单星的规模和资源，微小卫星在超高精度与稳定度姿态控制、长时高功耗主动探测载荷支撑及轨道机动等方面能力有限。不过，通过技术发展，微小卫星已具备自己的特点，主要表现在：①采用微机电系统(MEMS)等高科技前沿技术，使其具有较高的功能密度。②由于体积和质量小，可与大卫星一起发射，也可一箭多星发射或通过空间站部署，发射方式灵活。③由于采用较成熟的先进技术及科学的管理手段，研制成本低，研制周期短。④突破了传统的“一星多用、综合利用”的设计思想，简化单星设计，并可实现多星组网、分布式系统协同工作等新模式，应用灵活性强。

2015年，全球共成功发射微小卫星约150颗，占全年卫星发射总数的63.1%，而根据欧洲咨询公司(Euroconsult)《小卫星市场预测》报告，2015―2019年，全球将发射510颗1～500kg微小卫星[1]。近年来，微小卫星的市场商业运作不断扩大和资本的涌入，使商用微小卫星正在不断崛起，涌现出大量新兴商业小卫星公司，如美国的美丽大地(Terra Bella)公司(原天空盒子成像(Skybox Imaging)公司，于2016年3月更名)和行星(Planet)公司(原行星实验室(Planet Labs)公司，于2016年6月更名)[2]。市场繁荣也激发了以研制大卫星为主要业务的传统宇航公司对小卫星的关注力度，如波音(Boeing)、雷神(Raytheon)等公司也开始关注小卫星的研制。

本文研究总结了微小卫星发展的推动因素，重点分析了微小卫星发展的特点，并在此基础上提出了我国微小卫星发展的几点建议。

2 多元因素推动微小卫星快速发展

2.1 微小卫星技术发展，推动微小卫星业务化

新一代微小卫星在体积和质量不断减小的同时，性能和应用能力得到了大幅提升，其中微纳卫星尤为突出。美丽大地公司的天空卫星-1、2(SkySat-1、2)，以约90 kg的质量实现了1米级高分辨率视频成像。行星公司的“鸽群”(Flock)系列卫星，实现了5 kg卫星获取3.0～5.0 m分辨率的成像能力，并形成了数十颗卫星的在轨组网观测。

经过最近10年的高速发展，微小卫星的各方面能力已取得突破性进展。在星上信息管理能力方面，片上系统(SoC)技术使处理性能大幅提升，大量的商业现货产品(COTS)已通过了低轨空间环境的飞行验证。得益于太阳电池片效率、蓄电池性能及电子产品小型化的发展，供配电系统性能不断提升，太阳电池的效率达到29%～33%，锂离子和锂聚合物蓄电池的比能达到了250 W·h·kg-1[3]。通信方面，X频段和Ka频段的数据传输系统已经在100 kg或更小的卫星上应用和试验，实现了百兆比特每秒量级的星地数据传输能力。在导航姿态控制方面，MEMS星敏感器、微型化飞轮和控制力矩陀螺(CMG)技术，不断提升定位导航能力和姿态控制精度。这些技术的突破，使微小卫星的任务能力从最早的简单演示性任务向高复杂性任务，乃至可以长期在轨服役的运营性任务迈进。

2.2 信息技术催生新应用，扩大微小卫星需求

信息技术的发展正在不断地促进着航天技术的发展。随着互联网技术的应用，天基信息应用领域也会不断变革。在对地观测领域，面对全球事件的发生和发展过程动态监测将会是重要的发展方向，而这就要求解决高时间分辨率和较高空间分辨率能力同时实现的问题，微小卫星大规模星群化运行将是解决途径之一。美丽大地公司完整的星座计划由24颗卫星组成(目前已发射7颗)，采用大量现货产品技术，开展天地一体全链路设计创新，推动天基遥感从成像向视频拓展。卫星实现了0.9 m可见光和2.0 m多光谱分辨率的静态图像获取，成像幅宽8 km，并能够获取时长90 s、30帧每秒、1.1 m分辨率的高清视频数据[4]。此外，该公司基于云计算提供定制化服务，提供图像/视频数据在线浏览和分发业务，并基于图像处理和数据挖掘实现对变化信息的监测。行星公司筹划由100～150颗纳卫星组成的星座，采用对陆地连续开机的工作模式，实现覆盖区域内近实时观测。卫星对地成像分辨率为3.0～5.0 m，可获得短重访周期和近实时数据更新，实现全球“热点”与“全局”兼顾，并提供突发状况应急响应和提前预警服务[5]。微小卫星在军事应用领域也不断创新，能够缩短指挥与控制链条，直接服务战区。美国陆军“隼眼”(Kestrel Eye)星座用于向基层作战人员快速、按需提供近实时的战场图像数据，支持“按下即拍”作战模式，能在10 min内完成从前方作战用户发出任务请求到分发图像的全部操作。

2.3 微小卫星成为商业资本不断投入的切入点

互联网技术、大数据技术的发展和横向延伸，使卫星数据应用领域和商业化潜力凸现，数据应用及再开发的市场得到发展，从而吸引了更多的商业投资。微小卫星研制周期短、成本相对较低的特点，使其成为商业投资的最佳切入点。近两年，很多私营企业和小型公司进入航天领域，使商业小卫星强势崛起，其中商业对地观测小卫星是核心项目。众多商业遥感公司的目标是发展大量的微卫星并应用到更广泛的领域，包括油气资源勘探、自然灾害预报、城市规划、农业监测、交通导航和环境监测等。一网公司(One Web)提出了由600多颗卫星组网的低地球轨道宽带互联网接入星座项目，太空探索技术(Space X)公司也向美国联邦通信委员会申请了更为庞大的由4400多颗卫星组成的星座系统。微小卫星的大规模部署也推动了发射技术的改变，而Space X公司作为商业航天领域的开拓者，其低成本的商业发射计划能为大批量微小卫星的发射提供重要支撑。随着微小卫星技术的进一步发展以及与商业的深入融合，商业化将有可能成为推动空间技术发展的重要动力。

2.4 发射模式多样化，提高微小卫星的发射效率

不同于传统大卫星的运载火箭定制专用发射，微小卫星的发射模式更加灵活，搭载发射和一箭多星已成为其发射的主要方式。2014年俄罗斯“第聂伯”(Dnepr)火箭成功实现1箭37星发射，2015年我国利用长征六号火箭成功实现1箭20星发射。这种密集的发射模式降低了微小卫星的发射成本，提高了大规模、批量化部署的能力，进一步推动了微小卫星的产业化发展。空间站释放也是发射微小卫星的一种选择，行星公司就利用“国际空间站”多次释放了大量的皮卫星。针对逐渐增长的微小卫星发射需求，众多宇航公司也在专门研制低成本小型运载器。此外，美国国防先进研究计划局(DARPA)曾支持的空中发射计划(ALASA)，可以将50 kg以下的微卫星送入预定的低地球轨道，并且具有“机动、灵活、高效、廉价”的特点，发射不受地理条件的限制，能够更加充分利用运载能力，具有更高的发射效率。

3 微小卫星发展思路探讨

3.1 不同功能定位采用不同的发展模式

总体来看，小卫星在面向业务应用方面，已经具备较强的能力，成为应用卫星的重要组成部分，如何提升技术指标、应用能力，并且保证寿命与可靠性，将是关注的重点，也是研制模式改革的核心。微卫星和纳卫星则主要面向各种空间技术的创新验证，成为技术革新的前沿力量，并已开始向实用化转变，部分特殊应用领域允许对其降低技术、寿命和进入门槛，促进了新型研制模式的出现。小卫星的发展将面向实现高精度、高质量业务化需求，重点开发具有较高能力的通用性平台，提升对不同类型有效载荷的适应性。例如英国萨瑞公司的SSTL-150/300平台，能够适用于不同分辨率和不同类型的光学载荷；日本开发的“具备新系统结构的先进观测卫星”(Advanced Satellite with New System Architecture for Observation，ASNARO)平台，采用通用化平台架构设计，即在构型设计、机电接口设计和数据接口设计上采用标准化理念，并在电源、数据传输等功能上实现系列化配置，以适应可见光相机、合成孔径雷达(SAR)、红外成像仪等多种有效载荷，以及不同的任务需求[6]。微纳卫星的异军突起，使微小卫星的发展模式进一步细分，100 kg以下的微纳卫星同样具有重要的应用前景，这类卫星的发展则更注重平台载荷的一体化设计，注重信息流和能源流的统筹和动态管理，注重微传感器技术的应用，并且注重低成本现货技术体制的建立和建造标准规范的制定，以支持未来大批量生产的实现。

3.2 新理念带动微小卫星技术创新

新的理念催生新的模式，微小卫星的快速发展正是由近年来不断出现的新应用理念和新技术理念所带动的。微纳卫星的发展与新出现的应用理念更加契合，更关注低成本、短周期、平台载荷一体化的设计思想，从而在研制模式上向批量化、低成本的商用现货方向发展。美国军用微小卫星项目计划，持续推进即插即用(PnP)技术，发展快速总装、集成与测试(AIT)能力，验证快速响应发射能力，激发了一批面向战术应用的创新项目，除“作战快速响应空间”(ORS)外，还相继提出“太空对军事作战的使能效果”(Space Enabled Effects for Military Engagements，SeeMe)、“隼眼”等技术项目，以及“空间态势感知”(STARE)星座等项目，发展作战响应空间能力，与主战场大卫星系统形成能力互补。

立方体卫星(CubeSat)体现了一种新的技术理念[7]。1U的立方体卫星质量约为1 kg，一般立方体卫星不会超过10 kg，属于纳卫星。传统卫星研制和发射模式是卫星研制方根据任务开展卫星设计，并考虑如何寻找发射机遇，这两者需要较好的匹配性，因此大多是专用发射，也有少量的搭载发射机会。而立方体卫星理念的核心是标准化，不仅体现在卫星的设计和功能模块的标准化，也体现在发射接口/服务的标准化，因此卫星研制方在发射上就有了相对更为自由的选择。

近年来受到关注的还有名为芯片卫星的飞卫星。芯片卫星是集成化理念的最大胆尝试，其思想是利用10克级的芯片结构板，使其具备电源、数据处理和组网通信功能，并能作为平台携带MEMS传感器，实现在轨大量部署，执行多样探测任务。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。

3.3 星座组网将成为微小卫星发挥效能的重要途径

星座组网是微小卫星发挥效能的重要途径，也是未来微小卫星应用的主要趋势。欧洲萨瑞公司的“灾害监测星座”(DMC)系列，是微小卫星星座化应用的代表。“轨道通信”(Orbcomm)小卫星星座的第2代搭载船只自动识别系统(AIS)载荷，能够实现船只识别、跟踪、防碰撞功能，支持高效海事交通管理。此外，包括数十颗甚至上百颗的微小卫星的星群项目也层出不穷，如美国BlackSky公司提出的60颗卫星星座，可实现1.0 m分辨率成像，90 min内获得全球95%的图像。QuaDra公司2015年提出全球野火火灾监测星座，利用200颗卫星的星座，实现10.0～15.0 m分辨率成像，且具备15 min重访能力。美国Spire公司的125颗卫星的星座，基于GPS掩星技术提供商业气象数据和增值服务。这些项目的应用方式都是利用大规模卫星组网的覆盖性，实现实时敏捷全球覆盖探测。

4 微小卫星发展的启示与建议

4.1 国外微小卫星发展的启示

4.1.1 微小卫星发展是值得关注的应用方向

随着技术的发展和应用模式的改变，新一代微小卫星所具有的开放式设计理念、集群式应用方式，以及商业化的发展模式，将会在未来空间技术创新和应用领域具备巨大的应用潜力。

(1)遥感和空间探测。微小卫星所具备的星群化运行，使其具备高时空分辨率信息获取优势，实现高精度近实时气象监测、空间环境监测等系统应用，并且结合大数据技术，在构建全球地理信息大数据集方面具有巨大的应用前景。而其分布式的特点，将使应用多基地雷达的微小卫星系统、稀疏孔径综合成像及分布式微小卫星系统成为重要的发展方向。

(2)数据采集和网络通信。微小卫星标准化、低成本的特点，使其有可能实现成百上千颗卫星部署，实现全球实时覆盖，可在数据采集、移动通信及网络星群等建设上具备发展潜力。而研制周期短、部署灵活等优势，将使应急通信业务微小卫星系统具备优势。

(3)科学与技术验证。微小卫星可广泛用于众多科学目标的实现和创新技术的验证。例如：导航中的X射线脉冲星测量与导航微小卫星系统，深空探测中的数据中继微小卫星，太阳、行星及近地小行星多目标多任务探测微小飞行器等。此外，还包括空间站发射和伴飞微卫星、可返回可重复使用微小卫星、轨道或地外星球表面工作的微小智能机器人等。

4.1.2 微小卫星发展可能带来的问题

在看到微小卫星技术巨大潜力的同时，也应当充分认识和预见到大规模微小卫星系统的发展所带来的问题，这不仅表现在其对太空秩序的影响，也将表现在相关应用领域。

(1)空间安全。由于微小卫星寿命相对较短，并集中于低轨道，大量发射及寿命末期处理不当将会造成空间碎片隐患。这在以往也许并不被认为是威胁，但当低成本的微纳卫星在轨数量以几何级数增加后，必将成为受到广泛关注的重要问题。另外，部分在轨微小卫星存在未按规定占用轨位、工作频率等问题。微小卫星未来将更加市场化和大众化，使其制造和应用的“准入门槛”降低，如何规范轨道和频率资源的申请和占用，将会成为一个国际性问题，也会对空间安全造成一定的影响。

(2)卫星运行控制。大规模的组网运行模式，以及不断增加的用户数和任务量，对传统的卫星运行控制系统提出挑战。有限的集中式测控和数据接收模式，将很难适应超大规模星群的运控；而大量分散式运控系统的运行和用户指令的发布，将会带来行业管理、配套产品市场规范等新应用模式下的新问题。

4.2 对我国微小卫星发展的建议

我国应充分认识到微小卫星快速发展所带来的技术变革和创新前景，从而在技术模式和政策机制两方面都应不断创新，以适应和促进我国微小卫星技术的发展。

(1)技术与模式方面。要同时关注微小卫星实现技术和应用技术两方面的发展，关注微小卫星领域前沿及趋势，特别是高性能、智能化、网络化方向，注重开发关键性微系统部组件和微小型有效载荷，建立相关的技术标准与常态化搭载物流体系，推动标准化与产业化。同时，应发展现代信息技术，包括云计算、大数据等与卫星技术的融合交叉技术，开发新型商业模式，构建创新高效的研制模式和管理机制，激发市场活力。

(2)政策与机制方面。推动制定微小卫星发展战略及规划，营造良好的发展环境，重点包括提供微小卫星轨道资源与频率资源的协调管理，支持相关机构制定、提供技术标准与安全准则，加强微小卫星领域的政、产、学、研、用、金合作和国际交流，建立微小卫星军民融合与数据共享机制，完善微小卫星地面运营管理机制，鼓励和创新多元化投资方式来支持微小卫星创新活动，全面推动微小卫星健康、快速、创新发展。

5 结束语

微小卫星的特点决定了其一直是航天新技术和新思想的活跃地带，新的设计思想、新的技术思维和新的商业模式必将带动微小卫星研制模式的变革。微小卫星作为航天技术创新的一支重要力量，其战略影响正在显现，已逐渐成为航天新技术试验的重要载体和新概念产生的重要源泉，也将是空间系统和空间产业的重要平台。我们应当关注当前国际微小卫星的发展热潮，充分认识到微小卫星所代表的航天领域的技术创新发展，以及微小卫星所带来的机遇和挑战，建立有效机制，引领核心技术，实现创新发展。

References)

[1]Euroconsult. 510 Smallsat launches planned over next five years [EB/OL]. [2016-08-10]. http://www.euroconsult-ec.com/23_february_2015

[2]Jean K. 5 earth-imaging start-ups coming to a sky near you[J/OL]. [2016-08-10]. http://ieeexplore.ieee.org/ielx7/6/6776273/06776288.pdf？arnumber=6776288&￣origin=publication_detail

[3]Ames Research Center. Small space technology state of the art [EB/OL]. [2016-09-20]. http://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/small_space_technology_state_of_the_art_tagged.pdf

[4]Dirk R. High-resolution imagery and video from SkySat [C]//Proceedings of the 2014 JACIE Workshop. Virginia: United State Geological Survey, 2014: 1-32

[5]Robert H M, Seah P H. Global commerce in small sate-llites: trends and new business models [C]//Proceedings of the 28th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Washington D.C.: AIAA, 2014: 1-6

[6]Toshiaki Ogawa, Tetsuo Fukunaga, Shoichiro Mihara. The overview of Japanese small earth observation satellite program ASNARO (Advanced Satellite with New System Architecture for Observation)[C]//Proceedings of the 4S (Small Satellites Systems and Services) Symposium 2012. Paris： ESA, 2012: 1-6

[7]Hank H, Jordi P S, Angustus S M, et al. CubeSat: a new generation of picosat for education and industry low-cost space experimentation, SSC00-V-5 [C]// Proceedings of the 14th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Washington D.C.: AIAA, 2000: 1-19

(编辑：夏光)

Perspective on Development of Micro-small Satellites

LI Ming

(China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

Micro-small satellites have some characteristics such as high functional density, high technical performance, short R&D time, low cost and easy deployment and application. Due to the development of new technologies, the continuing commercial investment and the diversification of launch mode, micro-small satellites have gone through rapid development in recent years. Diversifications of development models, technology innovation and deep influence by internet are the characteristics of micro-small satellites development. Micro-small satellites will have great application potential in communication, remote sensing, navigation，deep space exploration and science & technology experiment fields. To promote the development of micro-small satellite innovation, we should focus both on technology and policy. Grasping the cutting edge technology and application innovation, considering the problems caused by large-scale constellation operation, and comprehensive planning of mechanism and policy are all needed.

micro-small satellite； technology innovation； mode innovation

2016-11-01；

2016-11-15

李明，男，博士，研究员，博士生导师，国际宇航科学院院士、俄罗斯宇航科学院院士，现任中国空间技术研究院副院长，科技委主任，主管空间技术研发、发展战略研究等工作。Email:htq501@139.com。

V474

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.001