全球小卫星发展回顾

何慧东（北京空间科技信息研究所）

全球小卫星发展回顾

2016 Year in Review: World Small Satellites

何慧东
（北京空间科技信息研究所）

2016年，全球共发射500kg以下的小卫星121颗。尽管发射数量连续第二年出现下降，但仍是各国航天计划的重要组成部分，连续4年成功发射的卫星过半为小卫星。在各个领域，既有小卫星星座加速部署，新型小卫星星座继续涌现，创新概念和技术受到广泛关注，又有应用模式的加速创新，各界继续看好小卫星市场发展。

1 2016年全球小卫星发射统计

全球小卫星发射数量再次回落

在2016年全球发射的小卫星中，0～10kg卫星78颗，10～100kg卫星23颗，100～500kg卫星20颗，小卫星数量占同期入轨航天器总数的57.89%，是各国航天重要的发展领域。从卫星发射数量上看，高潮继2015年首度回落后，2016年小卫星发射数量再次减少，但依旧处于历史较高发射水平，连续4年保持在120颗以上。

2 0 1 6年9月1日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰－9（Falcon－9）运载火箭在发射台上测试时发生爆炸，使该型火箭后续发射计划受到影响，也使小卫星的部署进度产生拖延。另一方面，小卫星领域重要参与者美国行星公司（Planet）在卫星部署上进入周期性下降阶段，2016年分2批共发射了32颗“鸽群”（Flock）卫星，而在前2年分别成功部署了67颗和42颗。目前看来，发射机会、星座周期性部署等因素都对小卫星发射数量产生影响，而发射机会有限更是成为限制小卫星发展的重要因素。

近5年全球成功入轨小卫星数量统计

10kg以下纳卫星数量占绝对优势

近5年全球成功入轨小卫星质量分布

将小卫星质量分为0～10kg、10～100kg、100～500kg进行统计，可以看出∶自2013年小卫星数量大幅增长以来，0～10kg的小卫星数量占据绝对优势，商业公司和大学是这些纳卫星的主要研制和运营方。10～100kg和100～500kg的小卫星发展较为均衡，数量保持在20颗上下。

美国发射数量减少，日本、印度发射数量显著增长

从卫星所属国家看，美国共发射66颗小卫星，占总数的55%，位居首位，但相较2015年的93颗大幅减少。中国发射17颗小卫星，位居次席。日本、欧洲、印度、俄罗斯分别发射9颗、8颗、5颗、2颗小卫星，列3～6位，2016年日本、印度发射小卫星数量较2015年显著增长。其他国家和地区发射14颗小卫星，其中，菲律宾发射了该国首颗微卫星，阿根廷的首批商业对地观测卫星开始部署，以色列和秘鲁以小卫星为平台部署了侦察卫星。此外，阿尔及利亚、印度尼西亚和新加坡等国继续在小卫星领域保持良好发展势头，通过自主研发或国际合作的方式获得航天能力。

对地观测小卫星继续增长，通信小卫星部署处于低谷

从小卫星应用领域看，对地观测卫星在整体发射数量回落的情况下仍保持增长，从2015年的69颗增至2016年的77颗，占小卫星总数的64%；通信小卫星在部署层面处于低谷阶段，发射数量大幅减少，从2015年的21颗减少至2016年的1颗，大量新提出的通信系统正处于设计和研制阶段，尚未开展部署；技术试验仍是小卫星重要的应用领域，2016年共发射40颗；科学卫星3颗，开展了基本物理原理、大气科学和电离层相关的研究。

军民商小卫星数量均下降，民商小卫星比例增加

小卫星应用领域统计

小卫星所属国家统计（单位：颗）

小卫星资产属性分布

从小卫星资产属性看，2016年发射的军用、民用和商用小卫星数量分别是11颗、51颗和59颗，占总数的42%、49%和9%，发射数量整体下降，民用、商用小卫星比例略有增加。2016年，商用小卫星发展趋势较为平缓。值得注意的是，与2015年主要依靠“鸽群”、“轨道通信卫星-第二代”（OG2）和“灾害监测星座”（DMC）三大系统不同，2016年，“鸽群”、“狐猴”（Lemur）、“天空卫星”（SkySat）系统成为商业小卫星新的三驾马车，分别发射了32颗、13颗和5颗，共占所有商业卫星的84.7%。

2 2016年小卫星重要进展

对地观测市场持续繁荣，既有星座加速部署，亦有新型星座不断涌现

（1）新兴商业遥感发展强劲

天空盒子成像公司（Skybox Imaging）2016年初更名为特拉贝拉公司（Terra Bella），并加速星座建设步伐。2016年6月发射了新一代天空卫星－C1，9月又发射了后续4颗卫星。新一代“天空卫星”由劳拉空间系统公司（SS/L）制造，分辨率0.9m，质量约120kg，具备推进能力，设计寿命超过10年。“天空卫星”星座建设完成后，该公司将对大多数地区实现每天3次重访，部分地区实现4次重访，高纬度地区的重访率会稍低。

印度制图卫星－2C

2 0 1 6年5月，阿根廷卫星逻辑公司（Satellogic）发射了“阿列夫”[Aleph-1，即新卫星－1（NewSat－1）]对地观测卫星星座的首批2颗业务卫星。单星质量37kg，能够获得1m分辨率的多光谱图像。该公司是一家小卫星创业公司，计划制造和发射300颗对地观测小卫星并构建星座，将能实现5min内对全球任意位置重访。

美国白宫2016年10月发布《利用小卫星革命》倡议，提出了一系列措施促进小卫星发展，其中部分措施在数月前已经开始实施。美国国家地理空间情报局（NGA）加大力度推进商业地理空间情报采办战略落地实施，利用大规模低轨商业遥感星座满足军方对高时效性地理空间情报的需求。2016年9月，行星公司获得美国国家地理空间情报局2000万美元采购合同，成为其推行商业地理空间情报战略的重要服务商。行星公司将基于“鸽群”星座采集的全球中分辨率遥感图像，为美国国家地理空间情报局快速高效地提供地理空间情报信息支持服务。“鸽群”星座由美国行星公司构建，单星质量约5kg，分辨率3～5m，自首颗业务卫星发射入轨以来，截至2016年底累计成功发射141颗3U立方体卫星，其中2016年完成2次发射，共部署32颗。

美国初创公司黑天全球公司（BSG）推出的高分辨率光学遥感星座首颗验证星探路者－1（Pathfinder－1）成功发射，该星座由60颗小卫星构成。9月26日，该卫星搭乘印度“极轨卫星运载火箭”（PSLV）发射进入太阳同步轨道，卫星质量44kg，分辨率1m，设计寿命3年，安装有推进系统。后续计划于2017年发射3颗业务卫星，并于2020年完成60颗卫星星座的建设，届时可在90min内响应用户的成像需求。黑天全球公司商业遥感卫星和美国军用“鹰眼”（Kestrel Eye）卫星设计均由该公司的母公司美国空间飞行工业公司（Spaceflight Industry）完成，卫星平台性能、有效载荷能力均高度相似。

（2）传统航天机构强势进军小卫星对地观测市场

2 0 1 6年2月，美国数字地球公司（DigitalGlobe）与沙特阿拉伯政府签订合作协议，联合研制光学对地观测小卫星星座，卫星数量至少6颗，分辨率优于1m，计划于2018和2019年发射。星座能够使用数字地球公司现有的地面设施进行简易操作，并为该公司的地理空间大数据平台提供图像数据来源。数字地球公司表示将会使用其现有的图像生产能力提高小卫星图像的固有精度。数字地球公司、沙特科技发展与投资公司（TAQNIA）、阿卜杜勒阿齐兹国王科技城（KACST）3个合作方将分割生产、销售和市场责任∶阿卜杜勒阿齐兹国王科技城负责制造、集成和发射卫星，并拥有沙特和周边地区50%的成像能力；沙特科技发展与投资公司拥有沙特和周边地区50%的市场销售权；数字地球公司拥有剩余的卫星成像能力和市场销售权。

2016年9月，空客防务与航天公司（ADS）研制的秘鲁卫星－1（PeruSat－1）成功发射，该卫星是秘鲁首颗侦察监视卫星，由秘鲁军方负责运行管理。卫星基于紧凑型天体平台－S（AstroBus－S）研制，采用创新的碳化硅光学成像系统，发射质量430kg，设计寿命10年，分辨率0.7m。秘鲁卫星－1研制周期低于2年，其发射成功标志着空客防务与航天公司在快速研制高分辨率小卫星方面的能力进一步提升。

2016年9月，以色列“沙维特”（Shavit）运载火箭从帕尔玛奇姆空军基地升空，将地平线－11（Ofeq－11）光学成像侦察卫星送入高380km×600km、倾角142°的低地球轨道。“地平线”系列卫星是以色列研制的成像侦察小卫星，由以色列国防部投资并运行，为以色列情报部门和军事作战部门提供战略和战术图像情报。该系列卫星一直坚持走小卫星的发展道路，地平线－11是新型光学成像侦察卫星的首发星，采用OPSAT－3000卫星平台和“木星高分辨率成像系统”（Jupiter），该成像系统口径70cm，幅宽15km，全色分辨率0.5m，多光谱分辨率2m。

美国“飓风全球导航卫星系统”在轨飞行示意图

2016年12月，美国航空航天局（NASA）利用飞马座－XL（Pegasus－XL）运载火箭成功发射“飓风全球导航卫星系统”（CYGNSS），这是NASA首个科学小卫星星座，该星座由8颗小卫星组成。“飓风全球导航卫星系统”将通过测量此前未知的重要信息，深入认识热带气旋和飓风的形成以及强度，改善对飓风强度、轨迹和风暴潮的预报。每颗小卫星的尺寸为51cm×38cm×28cm，太阳电池翼翼展1.68m，质量29kg。

低轨通信星座再掀热潮，巨型星座项目迈入研制阶段

全球泛在的网络接入、物联网连接服务需求持续高涨，推动低轨通信卫星星座发展掀起新一轮热潮，数百颗乃至数千颗的巨型通信卫星星座项目相继涌现。

继美国陆军发展了“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效果”（SMDC-ONE）通信纳卫星后，美国海军也启动实施了“综合通信能力延伸”（ICECap）卫星项目。该卫星是3U立方体卫星，单星质量约5kg，可采用标准宽带码分多址（WCDMA）技术与美军“移动用户目标系统”（MUOS）卫星通信，保障美军大型通信卫星无法覆盖区域的通信能力，如极地地区的特高频（UHF）数据中继能力。

美国“一网”卫星在轨飞行示意图

在商业市场，低轨宽带互联网接入卫星星座继续推进。2016年1月，空客防务与航天公司与一网公司（ONEWEB）宣布建立合资公司—一网卫星公司（ONEWEB Satellite），双方对合资公司拥有相等的股权。一网卫星公司将设计和制造900颗OneWeb星座卫星，包括648颗业务卫星和若干颗备份星，提供全球高速互联网接入服务。每颗卫星质量小于150kg，并将运行在低地球轨道。一网卫星公司将在法国图卢兹建立一条生产线原型，生产前10颗卫星，测试工业化批量生产方式，随后在美国佛罗里达州的工厂制造其余卫星。2016年6月，一网卫星公司与加拿大麦德公司（MDA）、法国索登公司（Sodern）、英国特利丹防务公司（Teledyne Defence）签订了供应合同，分别从这3家公司获得3600套天线分系统、1800套星敏感器以及通信中继器设备。卫星预计从2018年开始由阿里安空间公司（Arianespace）和维珍银河公司（Virgin Galactic）发射入轨，并使用自带的电推进系统到达各自的轨道位置。

2016年6月，美国波音公司（Boeing）向美国联邦通信委员会（FCC）申请运行低地球轨道系统的许可和与之相应的频段（50.4～51.4GHz和51.4～52.4GHz），同时披露了建立一个低地球轨道卫星星座的意图。9月，波音公司公开为其提出的非地球同步轨道V频段宽带星座寻求合作伙伴。波音公司计划的星座规模达2956颗卫星，初期将部署1396颗，卫星运行在高1200km的轨道。

2016年7月，美国全球空天公司（SSG）公布了200颗微卫星组成的低成本窄带通信卫星星座计划，向全球提供话音传送、即时通信和数据转发服务。公司计划将整个星座的制造、发射和运行成本控制在1.2亿～1.6亿美元，相当于1颗地球同步轨道通信卫星的制造或者发射成本。目前，前3颗卫星已经获得了投资，将用于验证后续业务卫星的技术参数，卫星计划采用S和L频段，首发卫星计划2017年发射，业务卫星计划在2018年发射。星座引入网络管理软件实现自我管理，能够减少地面站对星座的干涉。

2016年9月，欧洲泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）与低轨卫星公司（LEOSAT）签署研发“低轨卫星”（LeoSat）星座的B阶段合同。该星座将由在低地球轨道上的78～108颗高功率Ka频段卫星构成，为大型企业和政府机构提供全球范围的高速率、低时延宽带服务。初始阶段完成了对“低轨卫星”星座的初步定义，并确定了系统的技术可行性和与其他Ka频段服务的兼容性，之后的B阶段要对整个系统构建和性能指标进行详细定义，包括地面段和空间段两个部分。

美国“低轨卫星”星座示意图

空间碎片移除和在轨服务技术广受关注，创新概念相继获得政府资助

2016年5月，欧洲空客防务与航天公司获得欧盟委员会（EC）资助，研发“航天器自移除技术”（TeSeR）。“航天器自移除技术”是一项空间碎片移除计划，用于应对失效和失控卫星对现役卫星产生的威胁，为期2年，耗资310万美元。该计划将对高效费比、高可靠的移除模块初样进行初始研究，测试和验证固体推进系统、阻力增强系统、电动力系绳等3种不同的移除技术。移除模块将确保航天器名义运行寿命结束后得到处置，并可用于移除在轨失控的航天器。“航天器自移除技术”将为政府和商业运营商提供模块化、标准、可靠、低成本的解决方案。该计划已于2016年2月启动，并预计在2018年完成地面初样。

2016年，英国有效航天解决方案公司（ESS）与一家静止轨道通信卫星运营商签订了为期数年的延寿服务意向书。公司计划部署大量具有通用对接系统的小卫星，以此向卫星运营商提供卫星延寿、再定位、轨道修正、倾斜修正、投入使用（BIU）、离轨等服务。

小卫星在轨服务系统示意图

2 01 6年6月，N A S A向美国航空航天公司（Aerospace）拨款，研究利用超薄航天器包裹空间碎片并移除的可行性。这个创新概念称作“膜卫星”（Brane Craft），卫星尺寸1m×1m×30μm，质量50g，可利用其较大的能量-质量比和口径-质量比等物理特性实现空间机动，并利用静电变形原理包裹并移除空间碎片。

卫星平台型谱不断完善，微推进技术持续进行验证

国外研究机构、商业公司持续投入，不断完善小卫星平台型谱，加紧研制微推进系统、微型成像载荷等关键技术，推动小卫星业务化应用能力继续提升。

新型微纳卫星平台型谱不断涌现，更低成本、更短周期、更具灵活性的100kg以下微纳卫星成为关注热点。2016年，英国萨瑞卫星技术公司（SSTL）推出萨瑞卫星技术公司－12纳卫星平台，采用三轴稳定控制，安装有单粒子翻转（SEU）容错星载计算机，使用VxWorks操作系统，具有S频段发射和接收机，适用于3～25kg的卫星任务。该纳卫星平台能够与世界上主要运载火箭的发射部署器兼容，相较其他公司的同级别平台，具有更大的功率、更小的质量和更强的有效载荷能力。美国约克空间系统公司（YSS）稳步推进AESV-S级卫星平台的开发，平台采用三轴稳定控制，质量65kg，可承载90kg的有效载荷，可为载荷提供的轨道平均功率达100W，库存平台的交付时间仅需1周。S级卫星平台可进行批量制造，构建星座，能够支持成像侦察、气象和通信等多种类型的任务，可将卫星成本降低1个数量级。

小卫星空间机动能力颇受关注，新型推进系统不断在轨验证。2016年1月，航空喷气-洛克达因公司（Aerojet Rocketdyne）与NASA建立公私合营关系（PPP），联合研发MPS－130型立方体卫星推进系统，使用AF－M315E绿色燃料，相对传统肼推进剂，更安全、更有效、性能更高。新型推进系统能提高立方体卫星的在轨任务能力，延长任务的寿命，提高架构的弹性，卫星通过轨道机动能够执行复杂的接近操作和编队飞行任务。4月，NASA马歇尔航天飞行中心（MSFC）开始对“电动帆”（E-Sail）推进系统概念进行测试，测试结果将为“太阳风层顶静电快速运输系统”（HERTS）提供建模数据。“电动帆”是一种不借助燃料的、利用太阳风进行星际航行的推进系统，系统从航天器伸出10～20根铝制裸露的充电导线，导线直径仅1mm，长度近20km，形成一个很大的圆形“电动帆”，充正电的导线与太阳风中质子静电排斥，获得空间推力。该推进系统能以前所未有的速度将航天器送至太阳系边缘—太阳风层顶。目前，“电动帆”综合推进系统所需技术的成熟度仍处于较低水平，试验为期2年，得到了NASA创新先进概念（NIAC）的资助。

美国“电动帆”示意图

3 结束语

在政府、军方、商业市场的需求牵引下，小卫星系统技术高速发展，市场持续看涨，单颗卫星和星座性能快速提升，卫星制造环节引入批量化、流水线理念，发射、运行管理、应用等上下游产业多点开花，应用领域不断细分，推动应用模式加速创新。未来，随着小卫星平台不断成熟，微小型化载荷技术不断发展，以及低成本、多样化的进入空间技术相继投入服务，小卫星将获得更广泛的应用与发展，其技术理念、应用模式将更加开放和创新。