小卫星发展对空间技术和应用产生深刻影响

林来兴（北京控制工程研究所）

1 概述

1)小卫星越来越小，发射量越来越多，投资成本大幅度下降，发展商业小卫星良机呈现；

2)应用方式提升，采用多星联合使用，应用领域不断扩大，收效日益增高；

3)卫星设计思想新颖，技术不断创新，部件模块化与系统组件化、智能化，支持快速卫星制造与检测；

4)运载费用降低，采用一箭多星（上百颗卫星）发射进一步降低成本。

从布赖斯（BRYCE）公布的数据可以看出：①小卫星发射量越来越多。20世纪80年代小卫星占航天器总发射量25%；到90年代上升到30%；本世纪初增加到40%～50%，从2013年开始剧增；最近5年（2013－2017年）已经增到65%～75%，如2017年小卫星发射量为347颗，占航天器总发射量77%，预计今后5～10年小卫星占航天器总发射量的比例将上升到80%～90%。②小卫星质量越来越小。20世纪小卫星低端部分仅有几颗，到21世纪初期也只有十来颗，从2003年出现立方体卫星以后才渐渐增加，最近5年（2013－2017年）小卫星低端部分上升到80%。

美国联邦航空管理局给出的现代小卫星分类表

2012－2017年发射的各类卫星质量分布

小卫星发射量的越来越多和小卫星质量的越来越小，两者相互促进、互相配合，对发展商业小卫星提供极好机会。除此以外，其他影响体现在具体应用实例中，为此按小卫星质量把小卫星分为高端、低端两部分，分别论述它们当前发展情况与今后5～10年发展计划，并且从中分析有哪些具体影响。

2.3 高温高湿胁迫对青菜叶绿素含量的影响 高温高湿胁迫下，青菜的叶绿素含量变化总体呈降低趋势。由图1可知，处理前结球生菜、日本全能大叶菠菜和香港速生大叶菠菜、矮箕苏州青和东方18青梗菜在3种不同类别的青菜中绿色素含量较高。但热害湿害胁迫对美国四季油麦菜、日本全能大叶菠菜和香港速生大叶菠菜、东方18青梗菜的影响显著低于其他品种。

2 小卫星高端部分发展水平和应用前景

现代小卫星当前应用概况

现代小卫星应用领域日益增大。

应用领域中，商业公司和政府机构为主要用户，其中2012－2017年商业小卫星共发射495颗,占小卫星发射量的一半。商业应用中，遥感卫星430颗,占86%；通信卫星27颗。

现代小卫星应用领域分布

商业小卫星应用领域分布

小卫星高端部分典型项目

大部分集中在低轨道的空间互联网物联网通信卫星和遥感卫星，均以星座形式出现，按最近几年发布的信息，大约有数十个星座计划，发射卫星数量在万颗以上，在计划实施过程中可能会有变化，但即使减少一半数量也是相当可观。下面介绍4个实现可能性较大的应用实例。

（1）Space X公司全球互联网大型星座

美国太空探索技术公司（SpaceX）计划创建全球互联网大型星座，由10000多颗小卫星组成，对全球连续无缝覆盖。整个星座的卫星研制与发射费用约100多亿美元。卫星与信关站之间的通信采用Ka频段，卫星与用户终端之间的通信则采用Ku频段。卫星之间采用激光链路，完全实现无缝网络管理和连续服务。SpaceX公司的互联网卫星星座具有高容量、高适应性、短延迟、终端小、低成本等特点。SpaceX公司于2018年2月成功发射2颗试验卫星，每颗质量400kg。星座部署计划在2019－2023年完成。

（2）OneWeb星座

一网公司（OneWeb）计划组成大型通信卫星星座，共20个轨道平面，每个轨道平面分布30颗卫星和2颗备份卫星，共640颗微型卫星。卫星轨道高度为1200km，实现全球无缝覆盖。卫星工作在Ku频段，配备相控阵天线，每颗卫星的数据传输率为50Mbit/s。一网公司的首批6颗卫星于2019年2月28日成功发射。一网公司还向美国联邦通信管理局提交申请，将卫星发射量增至1700颗。

一网公司卫星外形结构

（3）特亚控股星座

美国特亚控股公司（Theia Holdings）计划建设地球观测和通信网络卫星星座，由112颗卫星组成，轨道高度800km，轨道倾角为98.6°，共8个轨道平面，每个轨道平面有14颗卫星，再加上8颗备份星，总共120颗。星座是一个集地球观测和通信于一体的网络，一颗小卫星上同时具有两种不同类型的有效载荷，这是比较少见的。星座计划在2018－2020年部署完成。

（4）地球现况公司巨型星座

美国地球现况（EarthNow）公司在2018年宣布创建全球最大的对地观测星座，由500颗微卫星组成，提供在地球任何地点实时、连续的视频服务，重访时间几乎为零。公司已得到多个企业家投资。据公司称，星座费用（卫星与运载）预计不到10亿美元，卫星在2019年开始发射，至少需要5年完成星座计划。

小结

小卫星发展引起卫星通信大变革，由地球同步轨道向低地球轨道拓展。小卫星为实现天基互联网物联网提供物质基础。高端小卫星设计思想新颖，有的同时具有对地观测和卫星通信两种功能，功能密度高于大卫星。

3 小卫星低端部分发展水平和应用前景

小卫星低端部分以立方体卫星和纳卫星为代表。从2003年世界第一批立方体卫星成功发射至今，一直不断发展。

立方体卫星与纳卫星发展概况

根据“nanosats.eu”网站“纳卫星和立方体卫星数据库”2018年5月公布的数据，立方体卫星与纳卫星发射数量持续增长。

预计至2023年，全球将发射2000多颗立方体卫星和纳卫星。其中3U立方体卫星数量最多。多年的实践证明，3U以上卫星大部分都有实际用途，正在从技术试验卫星向应用卫星快速转型，商业公司已成为发展主体，占比超过50%。

小卫星低端部分典型项目

立方体卫星和纳卫星大部分将组成星座，用于对地观测和通信，并开创许多新的应用领域。

（1）开普勒通信公司数据通信卫星

加拿大开普勒通信公司（Kepler）计划发射140颗3U立方体卫星组成的数据通信卫星星座，卫星提供实时数据传输和指挥控制，面向全球物联网应用服务。卫星数据传输率为1～40Mbit/s。第一颗开普勒通信卫星于2018年1月19日搭载中国长征11号火箭成功发射。公司计划在2022年前完成整个星座部署。

（2）卡佩拉空间公司纳卫星SAR星座

卡佩拉空间公司（Capella Space）计划创建全球第一个纳卫星合成孔径雷达（SAR）星座，由36颗12U纳卫星组成，带有可展开轻型太阳能帆板和超轻大型天线，卫星质量约30多kg。卡佩拉空间公司的首颗试验卫星已于2018年12月3日成功发射，计划今后4～5年完成整个星座部署。全球观测重访时间3～6h，在赤道地区重访时间45min。

卡佩拉空间公司纳卫星外形结构

（3） SkyFi公司互联网星座

以色列SkyFi公司计划创建互联网星座，由60颗6U立方体卫星组成，实现可覆盖全球的WiFi网络。SkyFi公司发挥其技术特长，利用55cm口径充气可展开超轻型天线，从而提升了立方体卫星的通信性能。

SkyFi 6U立方体卫星外形结构

（4）天空和空间全球公司纳卫星星座

天空和空间全球公司是由英国、以色列和澳大利亚三国企业合资的公司，计划到2020年建立200颗3U立方体卫星组成的大型星座。2017年6月23日，发射了3颗试验卫星。后续星座建设分两个阶段：首先建立100颗卫星的星座，之后卫星增加至200颗。200颗卫星组成的星座主要覆盖南北纬15°地区，为几十亿人口提供窄带通信服务。整个星座计划花费1.5亿美元。

天空和空间全球卫星示意图

（5）行星实验室公司“鸽群”对地观测星座

美国行星实验室公司（Planet Lab）正在部署“鸽群”（Flock）对地观测星座。从2013年到2018年11月共成功发射“鸽群”卫星343颗，到2019年初将达到400多颗。卫星采用 3U立方体卫星构型，地面分辨率3～4m。

小结

星座是小卫星的最佳应用方式。创新思想、创新技术的引入使纳卫星单星性能实现了大幅度提升，如超轻型充气式天线，星座成本大幅下降，结合流水线生产模式和快速测试技术，进一步助推了立方体卫星和纳卫星的发展。

4 结语

小卫星发展对航天产业造成了深度影响，小卫星的发展速度越来越快。后续我国航天系统发展应考虑以下几个方面：政府加大对小卫星系统开发力度，进一步促进商业小卫星的开放竞争，由市场促发展，并健全制度，加强管理，确保竞争秩序；国家制定小卫星技术发展规划与计划，统筹核心关键技术研发，为小卫星发展打牢基础，避免低水平重复；关注小卫星数量激增引发的环境和法律问题，立法规范小卫星的离轨和回收责任，引导产业良性发展。