微小卫星技术发展和应用前景

林来兴 （北京控制工程研究所）

1 概述

近年来，小卫星质量越来越小，发射数量越来越多。据统计，小卫星发射数量占全球航天器发射数量约70%，而小于50kg的微小卫星占小卫星总数约80%，由此可见，小于50kg的微小卫星已经开始成为发射的主流。当前，微小卫星星座如雨后春笋涌现，微小卫星应用正处于蓬勃发展阶段。

2 微小卫星科学与技术飞行试验和编队飞行

微小卫星成本低，研制周期短，易获得飞行试验结果，因此，约有1/3的微小卫星作为科学与技术飞行试验卫星，推动空间技术水平迅速提升。

“纳眼”飞行试验卫星

2012年，美国陆军空间与导弹防御部门提出研制“纳眼”(Nano Eye)飞行试验卫星，要求在300km轨道高度提供优于0.5m对地观测分辨率。“纳眼”卫星成本低于500万美元，包括有效载荷、卫星平台、发射和运行操作费用。有效载荷包含超轻量望远镜与相机，卫星质量为10kg，贮箱推力系统为15kg。卫星目前还处在研制和飞行试验阶段。

加拿大纳型卫星编队飞行

“先进航天试验纳卫星”（CanX-4/5）由加拿大空间局（CSA）资助、多伦多大学研制，两颗卫星前后相隔距离由1000m调整到500m。卫星质量为7kg，星上姿态控制系统由三轴磁力器、6个粗精太阳敏感器、3个速率陀螺和3个正交安装的反作用轮等组成，姿态控制精度为1°。卫星轨道位置由GPS接收机测量，精度为1m。星上装有4个冷气推力器，速度增量为14m/s。2014年，成功实现纳型卫星编队飞行自主控制飞行演示试验，保持编队飞行队形距离从1000m到500m。

3 微小卫星优越性

21世纪以来，微小卫星得到飞快发展，得益于其以下优越性。

1）微小卫星大量应用于星座，这是最佳工作模式，因为其应用效益好，成本小，研制周期短，进入门坎低，易于吸收商家参加等；

2）微小卫星绝大部分采用市场现成电子商品，甚至包括有效载荷、电源设备等，市场现货价格低，供货快，经过筛选，上天可靠性可得到保证；

3）小于50kg微小卫星，大部分由多个立方体卫星组成，它们有1U、2U……一直到25～30U，都是标准化模块化，由工厂生产，若有特殊要求还可订货，从而达到成本低，可靠性可达到要求, 当前每天可产卫星数量4～ 5颗；

4)微米纳米技术、光学技术快速发展，新技术新材料不断涌现，在微小卫星获得成功应用；

5)微小卫星星座大部分都是覆盖全球的，例如：对地观测、数据通信与气象观测等，这对实现全球经济共同发展，实现全球互连互通都有积极推动作用。

4 微小卫星星座典型应用实例

热带气旋观测

热带气旋是一种低气压天气系统，给人类生命财产造成巨大危害。人们采用气象卫星和“旋风全球导航卫星系统”（CYGNSS）星座，观测预报热带气旋的发生。CYGNSS星座由8颗微小卫星组成，它们串联分布在同一个轨道平面。但由于覆盖区域有限，该星座存在预报不及时与精度不高等缺点。

2018年，美国麻省理工学院提出了应用小卫星星座观测热带降雨水量变化与风暴强度时间分辨率（TROPICS）研制任务，由6颗3U立方体卫星组成，分布在3个轨道平面，每个轨道平面有2颗卫星。3U立方体卫星质量为6kg，轨道高度为600km，倾角为30°。星座覆盖全球绝大部分区域，重访时间30min，可以通过增加卫星数量减少重访时间，星座具有很强适应性。

卫星物联网

瑞士ELSE公司计划组建由64颗6U立方体卫星组成的物联网（Astrocast）星座，分布在8个轨道平面，每个轨道平面有8颗卫星，每颗卫星质量为10kg，卫星工作在L频段。2018年12月成功发射其试验卫星，轨道高度574km/590km，倾角为97.8°。2019年计划发射10颗，星座总成本预计5000万美元。

澳大利亚阿德莱德公司（Adelaide）计划创建由100颗纳型卫星组成的空间物联网星座，分布在20个轨道平面，每个轨道平面有5颗卫星。纳型卫星为12U立方体卫星结构，质量为20kg，轨道高度为580km，卫星设计寿命为15年。整个星座卫星和发射费预计1亿多美元，计划2019-2022年建成。

对地观测

阿根廷Satellogic公司计划创建一个由300颗卫星组成的大型对地观测星座。每颗卫星质量为37kg，轨道高度500km，覆盖全球。星座分三期建成，第一期由16颗卫星组成，称为Aleph-1星座，重访时间为2h；第二期由100颗卫星组成，重访时间为15min；第三期由300颗卫星组成，重访时间为5min。卫星数量与重访时间关系基本上成反比。Aleph-1星座卫星已经于2017－2018年搭载中国长征-4火箭先后两次成功发射。该公司计划2019年再发射13颗，预计2023年完成星座建设。

CYGNSS卫星示意图

Aleph-1星座卫星示意图

芬兰冰眼公司（ICEYE）于2018年12月成功发射一颗SAR微型卫星。该卫星是一颗飞行试验演示卫星，位于500km高的太阳同步轨道，卫星质量为80kg,分辨率为3m。冰眼公司计划2019年发射3颗SAR卫星，最终计划创建由18颗微型卫星组成的SAR星座，采用超轻型天线，卫星质量有望降到50～60kg，分辨率2～3m。

海运和天气监测

美国斯派尔公司（Spire）研制了由125颗3U立方体卫星组成的卫星星座，名为“孤猴”（Lemur），用于海运和天气监测。卫星质量为4kg，轨道高度为611km/696km，倾角为97.8°。每颗卫星成本约40万～50万美元，整个星座成本约7000万～8000万美元。“孤猴”卫星左右两侧设有可展开太阳帆板，顶上有4根可展开天线。星上携带2个有效载荷：GPS无线电掩星探测仪和船舶跟踪监测设备。2015－2018年，“孤猴”卫星已成功发射83颗，预计到2020年全部部署完成。

5 微小卫星应用发展需要解决的问题

微小卫星今后要成为良好应用前景，必须解决如下问题。

1)开发低价小型运载火箭，以适应当前微小卫星星座发展，因为大部分微小卫星没有推力系统，必须依靠末级火箭设有卫星轨道分配器，并且有轨道机动能力，能把卫星送到需要轨道位置。

2)研制微型推力系统，微小卫星发展到现在近20年历史，不能还处在初期状态，星上应配有推力系统。技术指标:推力系统质量4～5kg，△V为 50～ 60m/s。

3）研制超轻型可展开太阳帆板，提高光电转换效率和电源分系统功能密度集，需要设计太阳帆板具有俯仰角度变化功能，从而产生气动阻力差，用于保持星座位置。

4）开放商业航天市场，吸收民间投资，让微小卫星触手可及，据不完全统计，仅2017年全球民间航天投资有40多亿美元，中国占不到1/10。

通过上述办法，微小卫星将获得更加广泛应用，并且带来巨大的经济效益。