現(xiàn)代小衛(wèi)星與大眾化空間時代

林來興張小琳

（1北京控制工程研究所，北京 100190）

（2北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

現(xiàn)代小衛(wèi)星與大眾化空間時代

林來興1張小琳2

（1北京控制工程研究所，北京 100190）

（2北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

通過論述現(xiàn)代小衛(wèi)星技術30年的發(fā)展歷程，總結其技術發(fā)展水平并舉出現(xiàn)階段的典型應用實例，討論小衛(wèi)星未來的發(fā)展方向，論述大眾化空間與現(xiàn)代小衛(wèi)星的關系，總結現(xiàn)代小衛(wèi)星技術服務于大眾化空間的各項特征。

現(xiàn)代小衛(wèi)星；大眾化空間；小衛(wèi)星優(yōu)勢；小衛(wèi)星應用；發(fā)展方向

1 引言

從1957年世界第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功——人類開始進入空間時代，迄今已有半個多世紀。在空間時代最初的十幾年中，空間項目具有開創(chuàng)性、高技術和高風險的基本特點。此時正值美蘇兩國展開空間競賽，在這個不計成本和投資的時代，空間技術及應用得到了很大發(fā)展，只是技術本身由極少數(shù)國家掌握，處于壟斷的局面。

20世紀80年代，冷戰(zhàn)壓力造成各國的航天預算經費急劇降低，與此同時，隨著計算機、信息等高技術的不斷出現(xiàn)，對空間技術的發(fā)展提供了有力的支持。從這個時期開始，空間項目開始與人類自身的社會、經濟活動密切相關，對社會大眾的工作和生活產生重要影響。由此，20世紀80年代中期國際上興起小衛(wèi)星熱，小衛(wèi)星相比大衛(wèi)星具有一系列的優(yōu)勢，從而得到了廣泛的應用，獲得巨大的效益。

近10年來，由于立方體星和由它組成的納型衛(wèi)星、微型衛(wèi)星等技術的飛速發(fā)展，立方體星組成的航天產品實現(xiàn)了標準化、模塊化、高可靠性和短研制周期；同時在國際互聯(lián)網和大數(shù)據時代飛速發(fā)展的背景下，使得小衛(wèi)星獲取的各種觀測數(shù)據，能夠及時在人類社會實現(xiàn)價值應用并獲得收益。

近年來現(xiàn)代小衛(wèi)星開始邁進新的空間時代——大眾化空間（Public Space）［1］。為此，本文將論述大眾化空間與現(xiàn)代小衛(wèi)星的關系，討論現(xiàn)代小衛(wèi)星技術發(fā)展水平和典型應用實例，展望小衛(wèi)星的發(fā)展方向，即以擴大現(xiàn)代小衛(wèi)星特點為目標的空間技術和應用的開發(fā)——私人與普通民眾都可參與小衛(wèi)星開發(fā)項目，并總結現(xiàn)代小衛(wèi)星技術服務于大眾化空間的各項特征和成功經驗。

2 大眾化空間的概念與現(xiàn)代小衛(wèi)星

2.1 大眾化空間

在航天領域，“大眾化空間”這個名詞剛剛出現(xiàn)，尚未得到公認的明確概念和嚴格定義。但是，顧名思義，大眾化空間的主要特征是：空間活動是大眾化和普遍性的，不再如空間時代初期，空間活動僅局限在少數(shù)國家的大型科研機構或大型企業(yè)中。大眾化空間活動投資少、收益多、見效快、研制周期短、應用廣泛，服務對象是不受地域限制的廣大社會民眾，無論是中小國家、私人企業(yè)乃至個人都可能參與空間活動并獲得回報［1］。而這一特點，只有利用現(xiàn)代小衛(wèi)星才能完全體現(xiàn)，也就是說，現(xiàn)代小衛(wèi)星快速發(fā)展到今天，已經開始邁向新的空間時代——大眾化空間。

2.2 現(xiàn)代小衛(wèi)星

20世紀80年代中期，國際上由于采用新技術和新設計思路所興起的小衛(wèi)星熱，至今已有30年，在此期間全世界共發(fā)射了各種小衛(wèi)星近2000顆，約占同期航天器發(fā)射數(shù)量的40%。小衛(wèi)星技術經過30年的快速發(fā)展，取得了巨大進步，其應用向全方位發(fā)展并獲得廣泛效益。與傳統(tǒng)大衛(wèi)星相比，后來的小衛(wèi)星具有一系列的優(yōu)勢。為此，把這些小衛(wèi)星稱為現(xiàn)代小衛(wèi)星，以區(qū)別早期由于運載能力和空間技術限制所發(fā)射的那些水平較低的簡單小衛(wèi)星。

通過對已發(fā)射的這些現(xiàn)代小衛(wèi)星技術性能分析研究，同時又考慮當前各國所制定的開發(fā)研究小衛(wèi)星計劃（包括已經在研究或計劃發(fā)射的小衛(wèi)星），現(xiàn)代小衛(wèi)星具有獨特的優(yōu)勢，具體內容可參考文獻［2］?，F(xiàn)代小衛(wèi)星也存在缺點：①單顆小衛(wèi)星有效載荷的質量和功率有限；②對單點故障敏感；③短期運行壽命和可靠性比大衛(wèi)星稍差。但是，小衛(wèi)星在應用上常常采用分布式空間系統(tǒng)，則可發(fā)揮其優(yōu)點并克服缺點。如果采用分布式空間系統(tǒng)，小衛(wèi)星就會有如下優(yōu)勢：

（1）單顆大衛(wèi)星功能可由若干顆小衛(wèi)星來替代（例如采用干涉原理），甚至還可獲得更好的技術性能；

（2）可以實現(xiàn)低成本的全球實時對地觀測；

（3）不會由于單顆小衛(wèi)星發(fā)生故障而導致系統(tǒng)性能受到嚴重影響，從而獲得很強的生存能力，這點對于軍事應用特別重要；

（4）系統(tǒng)技術性能可以獲得定期改善和提高；

（5）系統(tǒng)偶然性故障較低，而消除故障費用很少。

在航天領域曾經有人擔憂，由于小衛(wèi)星發(fā)射過多會增加空間碎片的危害性，但是文獻［3］的研究表明沒有這樣嚴重。

2.3 現(xiàn)代小衛(wèi)星分類和應用

現(xiàn)代小衛(wèi)星分類、特點、成本和應用概況如表1所示［4］。

表1 現(xiàn)代小衛(wèi)星分類、特點、成本和應用概況Table 1 Classification，feature，cost and application of modern small satellites

續(xù)表

表1中共有6種小衛(wèi)星分類。30年來，雖然現(xiàn)代小衛(wèi)星已經發(fā)射近2000顆，但是它們的入軌質量差異很大，從1 kg到近1000 kg。發(fā)射數(shù)量約占同期航天器發(fā)射數(shù)量的40%，但發(fā)射入軌的質量不到發(fā)射總質量的10%，而經濟成本投入不到5%。從它們在空間領域所起的作用看，可以覆蓋現(xiàn)有大衛(wèi)星的很大一部分。這也是現(xiàn)代小衛(wèi)星正在邁向大眾化空間的重要特征。

3 現(xiàn)代小衛(wèi)星發(fā)展水平

現(xiàn)以小衛(wèi)星應用實例來說明其技術發(fā)展水平；更重要的是論述大眾化空間時代一些主要表現(xiàn)。

3.1 對地觀測

小衛(wèi)星在對地觀測方面應用是最成功的，可以說在技術上獲得巨大突破。

1）“羊群星座”

美國私營行星實驗室（Plant Labs）公司研制了3U立方體星對地觀測項目。2013年發(fā)射了4顆“鴿子”3U立方體星Dove-1～4，對地觀測光學成像地面分辨率為3～5 m，單顆衛(wèi)星質量5 kg。2014年共發(fā)射3U立方體星4次總計93顆，其中成功發(fā)射3次（67顆衛(wèi)星），火箭發(fā)射失敗1次（26顆衛(wèi)星），3U立方體星外形結構見圖1。經過上述成功的空間技術試驗，獲得很多技術改進策略（特別是在太陽電池板方面［5］的改進）。該公司計劃在2015—2016年發(fā)射150顆3U立方體星以組成對地觀測超大星座——“羊群星座”（Elock Constellation），對地觀測光學成像分辨率為3～4 m，單顆衛(wèi)星5 kg，軌道高度500 km，實現(xiàn)全球覆蓋，重訪時間接近實時。采用長期在線（Always On）工作模式，無需對衛(wèi)星下達成像指令即可自動持續(xù)獲取全球圖像?；旧蠈崿F(xiàn)多年來人類對地觀測的夢想——隨時隨地的高分辨率對地觀測。這個超大星座，衛(wèi)星總質量僅約800 kg，投資成本估計在1～2億美元左右（衛(wèi)星若成批生產還會降低成本），這僅相當于一顆普通中小型衛(wèi)星的質量和投資成本。

圖1 3U立方體星外形Eig.1 Configuration of 3U CubeSat

2）“天空”衛(wèi)星星座

美國私營天空盒子公司（Skybox）研制微型對地觀測星座，2013—2014年先后發(fā)射2顆“天空衛(wèi)星”（SkySat），單顆衛(wèi)星質量100 kg，光學成像對地分辨率為0.8～0.9 m，多光譜分辨率2 m，幅寬8 km，衛(wèi)星設計壽命6 a，563 km/593 km太陽同步軌道?？臻g飛行試驗成功后，衛(wèi)星經過一些設計改進，公司決定在2015年開始發(fā)射多顆微型衛(wèi)星組成星座，衛(wèi)星質量120 kg，采用500 km太陽同步軌道。星上具有無毒綠色燃料推進系統(tǒng)?！疤炜招l(wèi)星”外形如圖2所示。

圖2 “天空衛(wèi)星”外形Eig.2 Configurations of SkySat

“天空衛(wèi)星”星座將來由24顆星組成，實現(xiàn)全球對地觀測，重訪時間為8 h，全色分辨率0.8 m，多光譜分辨率2 m［6］。若與以前傳統(tǒng)大衛(wèi)星相比，分辨率相同而重訪時間縮短到1/40～1/50，整個星座衛(wèi)星總質量減輕到1/2或1/4，投資成本也降低到1/2或1/4。

“天空衛(wèi)星”星座的觀測數(shù)據將隨時傳輸?shù)降孛嫔?，由地面云計算機進行數(shù)據處理，利用當前大數(shù)據時代技術和互聯(lián)網，可以及時、廣泛地傳遞到全球各地用戶，數(shù)據費用低廉。

3）高分辨率光學成像衛(wèi)星

以色列在2010年6月成功發(fā)射地平線-9（Ofeq-9）對地觀測小衛(wèi)星。全色分辨率0.5 m，多光譜分辨率2.5 m，幅寬16 km，衛(wèi)星質量272 kg。這種極高分辨率小衛(wèi)星與傳統(tǒng)對地觀測大衛(wèi)星相比（例如美國“鎖眼”偵察衛(wèi)星），分辨率相同，衛(wèi)星質量減輕一個數(shù)量級，投資成本降低一個數(shù)量級，研制周期縮短到1/2或1/4。

4）合成孔徑雷達小衛(wèi)星

合成孔徑雷達衛(wèi)星（SAR）可以實現(xiàn)全天時、全天候的對地觀測。但是衛(wèi)星功耗很大，為此傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星每顆質量都在2～3 t以上。

以色列在2009年和2014年分別發(fā)射地平線-8和地平線-10對地觀測衛(wèi)星，衛(wèi)星分辨率為1 m，衛(wèi)星質量僅260 kg。與此相似，印度也在2009年發(fā)射合成孔徑小衛(wèi)星RISAT-2。這是目前世界上最輕的3顆合成孔徑雷達衛(wèi)星。圖3是以色列地平線-8與地平線-10衛(wèi)星的外形圖。

圖3 地平線-8與地平線-10衛(wèi)星的外形Eig.3 Configuration of Ofeq-8 and Ofeq-10

上述SAR小衛(wèi)星比傳統(tǒng)SAR衛(wèi)星質量減輕一個數(shù)量級，對地觀測分辨率提高3～4倍，成本也隨之降至1/5～1/7。

3.2 通信衛(wèi)星星座和導航衛(wèi)星星座

1）通信衛(wèi)星星座

由于通信衛(wèi)星星座需要無縫覆蓋全球，必須采用多顆衛(wèi)星組成星座，現(xiàn)代小衛(wèi)星的出現(xiàn)才使得通信衛(wèi)星星座容易實現(xiàn)。通信衛(wèi)星需要在軌工作壽命較長，一般為10～15 a，同時又需要較大發(fā)射功率，以便降低地面接收設備復雜性。為此，通信衛(wèi)星星座都采用廣義小衛(wèi)星，質量為500～800 kg。

20世紀90年代，小衛(wèi)星星座發(fā)展達到高潮，其中較為典型的移動通信衛(wèi)星系統(tǒng)有：“全球星”（48顆）、“銥星”（66顆）、“軌道通信”（Orbcomm）（36顆）等星座。進入21世紀后，這些星座開始發(fā)射第二代衛(wèi)星，例如“銥星”準備從2015年開始，星座仍然由66顆組成，每顆衛(wèi)星重800 kg，壽命10 a?！叭蛐恰毙亲鶑?010—2015年完成第二代全部發(fā)射任務，星座仍然由48顆組成，單顆衛(wèi)星質量700 kg，設計壽命15 a?！败壍劳ㄐ拧毙亲诙鷱?012年開始至今已完成全部發(fā)射任務，星座由18顆衛(wèi)星組成，單顆衛(wèi)星172 kg，設計壽命5 a。數(shù)據通信能力比第一代提高了十幾倍，這對大數(shù)據時代將發(fā)揮很大作用。第二代Orbcomm衛(wèi)星外形如圖4所示。

圖4 第二代Orbcomm衛(wèi)星外形Eig.4 Configuration of 2nd generation（OG2）satellites

上述小衛(wèi)星第二代通信星座實現(xiàn)后，智能手機有望通過連接衛(wèi)星星座與全球任何地方實現(xiàn)話音和數(shù)據通信，基本達到“個人通信時代”，實現(xiàn)衛(wèi)星通信的5個“任何”（5W），即任何人（whoever）在任何地點（wherever）與任何人（whoever）于任何時間（whenever）采用任何方式（whatever）進行通信。

2）導航衛(wèi)星星座

目前世界上有4個著名的導航衛(wèi)星星座，其中歐洲伽利略星座采用廣義小衛(wèi)星，星座由30顆衛(wèi)星組成，分布在3個軌道面，每個軌道面9顆，還有3顆備份衛(wèi)星，也分別布置在3個軌道面內。衛(wèi)星質量為733 kg，圓軌道的軌道高度23 616 km，軌道傾角56°，設計壽命12 a。從2014年開始正式發(fā)射。在此之前，曾經發(fā)射4顆試驗衛(wèi)星，質量和軌道與正式衛(wèi)星完全相同。

由于伽利略導航星座主要用戶為歐洲國家，為此導航最高精度設置于北緯75°，其他參數(shù)與GPS、俄羅斯（Glonass）導航衛(wèi)星基本相同。

3.3 小衛(wèi)星編隊飛行

現(xiàn)代小衛(wèi)星應用的特點是分布式的，分布式主要包括星座和編隊飛行。前者僅能增加覆蓋區(qū)域和縮短重訪時間，后者構成一種新的功能衛(wèi)星，可以獲得小衛(wèi)星星座和單顆衛(wèi)星不能獲得的觀測效果。

小衛(wèi)星編隊飛行現(xiàn)在主要還處在研究和空間飛行試驗階段，全世界估計有十幾項飛行試驗在預研中。下面將介紹目前的2種實例，第一種已經實現(xiàn)，第二種處于研制階段。

1）合成孔徑雷達高程編隊飛行

德國分別于2007年和2010年發(fā)射了兩顆雷達衛(wèi)星，衛(wèi)星以同軌串聯(lián)編隊飛行。圓軌道軌道高度514 km，軌道傾角為97.44°，衛(wèi)星質量約為1000 kg，設計壽命5 a。目前其在軌已經編隊飛行3～4 a。獲得對地觀測高程精度為1 m，這是目前世界上首個實用微波對地觀測的編隊飛行衛(wèi)星。由于采用同軌串聯(lián)編隊保持隊形，可獲得高精度觀測效果。

2）編隊飛行全球三維定位系統(tǒng)

全球三維定位系統(tǒng)基于反GPS工作原理，反GPS工作原理是空間編隊飛行的3～4顆衛(wèi)星能同時收到地面目標發(fā)出的無線電信號，根據接收信號的時差與頻差，獲得地面目標位置，這就是電子偵察衛(wèi)星的基本原理。文獻［7］介紹了以“白云”電子偵察衛(wèi)星為例，由3顆衛(wèi)星組成的定位系統(tǒng)（在高緯度地區(qū)這種定位系統(tǒng)無法使用），并提出一個可以連續(xù)偵察地面和海洋的4顆小衛(wèi)星組成的電子偵察衛(wèi)星系統(tǒng)。

3.4 軍用小衛(wèi)星

軍用衛(wèi)星是應用衛(wèi)星開發(fā)研制最早的衛(wèi)星。不少國家不惜投入重金研制軍用衛(wèi)星。過去大都采用中型和大型衛(wèi)星。自從現(xiàn)代小衛(wèi)星出現(xiàn)和技術上飛快發(fā)展，目前已有一部分軍用衛(wèi)星采用小衛(wèi)星。小衛(wèi)星技術更新快、研制周期短、生存能力強（多顆小衛(wèi)星同時使用）、經濟成本低、應急補充增強與組網服役快等特點都非常適用于軍用衛(wèi)星。

美國是研制軍用衛(wèi)星最多的國家，僅軍用衛(wèi)星的種類就達到17種，毎個種類包含若干個型號，而每個型號有多顆衛(wèi)星，其中很多種類采用小衛(wèi)星，特別本世紀以來采用小衛(wèi)星更多，有些已開始獲得良好效果，表2列出了美國一些典型的軍用小衛(wèi)星［8］。

表2 美國軍用小衛(wèi)星Table 2 Military small satellites in USA

美國波音公司的研究報告指出，在未來20年小衛(wèi)星（特別是在空間控制、空間攻防等方面）將是美國政府的重要財富。當前美國軍方正在繼續(xù)加強研制全球監(jiān)視和空間攻防系統(tǒng)，目的是逐漸削弱傳統(tǒng)常規(guī)武器的作用，以使其能繼續(xù)獨霸世界。

當前軍用小衛(wèi)星還處在開始階段，尚未大規(guī)模實現(xiàn)裝備化、業(yè)務化。從未來發(fā)展來看：小衛(wèi)星獲得廣泛軍事應用將是衛(wèi)星技術發(fā)展和能力需求增長的必然結果。目前美國提出的小衛(wèi)星設計思想：以20%成本投入，獲得80%成效。小衛(wèi)星軍亊應用將自成一派，也將打破一些陳舊思想。最終小衛(wèi)星以創(chuàng)新技術體制，全面支持實戰(zhàn)化應用能力，并以低成本快速集中在戰(zhàn)術應用方面，和大衛(wèi)星共同構成一個全新完整的軍事航天器裝備系統(tǒng)［9］。

3.5 納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星的現(xiàn)在和將來

這里所討論的納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星，質量范圍在1～50 kg。這些衛(wèi)星絕大部分是由立方體星組成的納型衛(wèi)星，再由納型衛(wèi)星擴展成為微型衛(wèi)星。從1999年立方體星概念的提出和2003年6顆立方體星首次成功發(fā)射以后，立方體星技術發(fā)展很快，因為衛(wèi)星成本低、研制周期短、實用性強，已經由空間技術試驗擴展到工程應用。同時立方體星的結構組成和許多分系統(tǒng)已做到標準化、模塊化，可在國際空間市場上購買和訂購。下面對納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星的現(xiàn)狀和將來做簡要綜述［10-11］。

納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星從2009—2016年已發(fā)射和計劃發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)量如圖5所示［11］。已發(fā)射衛(wèi)星（2009—2013年）稱為“當下前期”，計劃發(fā)射（2014—2016年）稱為“當下后期”。

圖5 已發(fā)射和計劃發(fā)射的納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星Eig.5 Number of NanoSats and MicroSats launched and to be launched

圖5中左側表示2009—2013年5年間，納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星成功發(fā)射的總量為202顆，平均每年發(fā)射40余顆。右側表示從2014—2016年3年計劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量為650顆，每年平均為216顆。其中有一個數(shù)據是，2012年發(fā)射量為34顆，而2013年發(fā)射量為93顆，增加了269%。從2009—2016年，可以認為是納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星技術的“當下”的狀態(tài)。它們將來的發(fā)展狀態(tài)為2017—2020年，這4年間的國際空間市場預測表由在圖右側的虛線表示，未來平均每年發(fā)射量在360顆左右。若考慮市場理想的情況，預測每年平均發(fā)射量可達490顆。

目前的納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星應用領域分類如圖6所示［11］。圖6（a）表示“當下前期”（2009—2013年），圖6（b）表示“當下后期”（2014—2016年）。從圖6中可看出，前期空間技術試驗占202顆的55%，到后期下降為20%，而對地觀測從前期12%上升到后期52%。由此可見納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星已經走向實際應用階段。

圖6 目前的納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星應用領域分類Eig.6 Application of NanoSats and MicroSats

納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星歷年發(fā)射量如圖7所示［11］。從2006—2013年，歷年納型衛(wèi)星發(fā)射量比微型衛(wèi)星多，特別是在2012年到2013年，納型衛(wèi)星發(fā)射量從26顆上升到86顆，這主要是“羊群星座”發(fā)射成功所造成的。

圖7 納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星歷年發(fā)射量Eig.7 Number of NanoSats and MicroSats launched

納型衛(wèi)星與微型衛(wèi)星在7個領域的典型應用實例如圖8所示。這7個領域包括：通信、遙感、科學研究、生物實驗、技術驗證、軍事應用、高校培訓。每個領域列出了其典型衛(wèi)星的名稱及質量。2013年的納型衛(wèi)星在各領域典型應用實例如圖9所示，由于2013年發(fā)射納型衛(wèi)星與微型衛(wèi)星的數(shù)量比2012年增加2.7倍，所以有必要對該年所發(fā)射衛(wèi)星進行深入了解［10-11］。

對納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星可得如下結論：

（1）現(xiàn)代小衛(wèi)星分類中，納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星，每年發(fā)射量增加速度是最快的，例如現(xiàn)在年發(fā)射量為137顆（2013—2016年的年平均值），專家預測未來5年（2017—2020年）納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星年平均發(fā)射量將增至350顆左右，也就是說比現(xiàn)在發(fā)射量劇增2.5倍［10-11］。

（2）納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星已經從空間技術試驗階段，逐漸走向實際工程應用階段。

（3）從2000—2012年，歷年全球各類小衛(wèi)星，從每年發(fā)射量來看，納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星發(fā)射量占據主導地位，51～200 kg的微型衛(wèi)星發(fā)射量相對較少。具體數(shù)字見圖10。

圖8 納型衛(wèi)星與皮型衛(wèi)星在7個領域的典型應用實例Eig.8 NanoSats and PicoSats instance

圖9 2013年發(fā)射的皮型衛(wèi)星的典型應用實例Eig.9 PicoSats instance in 2013

圖10 微小衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量Eig.10 Number of Mirco-SmallSats of launched

3.6 空間技術試驗

為了確保航天器在軌道能按設計壽命安全、正常運行，以及需要不斷采用新技術與新設計思想，提高空間技術水平，航天器在研制過程和發(fā)射前都要進行一些空間飛行試驗與演示驗證?，F(xiàn)代小衛(wèi)星出現(xiàn)后，就為此提供了既經濟又快速的物質條件。估計全世界發(fā)射小衛(wèi)星的總數(shù)有1/3都用于進行空間飛行試驗。為此，最近十幾年來，航天器技術水平和運行安全、可靠性不斷提高與此有密切關系。技術試驗衛(wèi)星水平隨時代前進也在不斷提高。

3.7 納型/微型航天器深空探測

近期國內外應用納型/微型航天器進行深空探測的研究成果，有如下兩個實例。雖然這2個航天器尚未發(fā)射，但是其創(chuàng)新性和技術水平是很高的，將來所獲得的觀測成果也有可能是以往的深空探測器所不能及的。

1）“空間超低頻射電觀測臺”

“空間超低頻射電觀測臺”（Space Ulta-Low Erequency Radio Observatory，SULERO）在日地間的拉格朗日點L2上，由13顆納型/微型航天器組成一個編隊飛行系統(tǒng)［12］。該系統(tǒng)由2部分組成：12顆納型航天器組成編隊飛行稱為子星，一顆微型航天器稱為母星。系統(tǒng)結構組成如圖11所示（圖左側為子星，圖右側為母星）。

子星編隊飛行分布在30 km×30 km的正方形區(qū)域，每顆納型航天器設有3根雙極小天線。整個12顆編隊飛行納型航天器組成射電望遠鏡陣列。這些天線檢測超低頻的無線電波，并把數(shù)據傳輸給母星，經過數(shù)據關聯(lián)和信號處理后，壓縮傳輸數(shù)據容量，然后傳遞到地球。

母星為微型航天器，質量為幾十千克量級，子星為納型航天器，質量為幾千克量級。采用中國“長征”系列火箭發(fā)射到L2點，由于L2點基本處于失重狀態(tài)，各顆子星在編隊飛行狀態(tài)軌道攝動差很小，同時編隊飛行是離散形的，對隊形保持要求不嚴格，每年需要保持航天器間軌道位置的燃料消耗很少，速度增量約為幾米/秒。

該系統(tǒng)所謂超低頻射電觀測臺檢測的射電頻率為1～100 MHz。這個頻段在地表上由于受到地球上面電離層影響和地表各種人為無線電干擾，是無法實現(xiàn)檢測的。地面上射電天文檢測頻率都在100 MHz以上的高頻段。為此，這個編隊飛行空間超低頻射電觀測臺正好彌補地面射電檢測不足，將獲得地面觀測尚未得到的檢測結果。

圖11 空間超低頻射電觀測臺系統(tǒng)結構組成Eig.11 Space Ulta-Low Erequency Radio Observatory

2）自主納型技術群星

在太陽系中，火星軌道與木星軌道之間，存在一條小行星帶。這些小行星是未能成形的巖質行星的殘余，約有50多萬顆小行星。體積大小差異很大，最小的直徑僅有1 km左右，最大的直徑有上千千米。它們與太陽的平均距離為2.8天文單位（AU）。過去很長歷史時期對小行星帶的探測收獲很小，由于缺乏有效的觀測手段。為此，NASA計劃在2020—2030年在小行星帶建立一個“自主納星技術群星”（Autonomous Nano Technology Swarm，ANTS），從而可以長期探測小行星帶。這個自主群星準備由1000顆納型航天器組成，每顆航天器質量為幾千克。它分批由火箭發(fā)射在太陽與木星間的拉格朗日點上，然后擇機進入小行星帶，組成自主納型航天器群星（Swarm）。所謂群星是類似于被動編隊飛行，它依靠一種仿自然界昆蟲的組織方式，例如螞蟻覓食、蜜蜂筑巢行為的人工智能方法，使群星內所有納型航天器可以自主保持松散隊形，也就是說不會發(fā)生某些航天器走失，而且不消耗燃料。ANTS具體如何探測小行星和如何把處理數(shù)據送回地面接收站可參閱文獻［13］。

這項飛行任務，目前還處在研究階段，將來群星性能如何尚需等待空間飛行試驗來驗證。

4 現(xiàn)代小衛(wèi)星今后發(fā)展方向

現(xiàn)代小衛(wèi)星今后主要發(fā)展方向如下：

（1）充分應用先進信息技術，在衛(wèi)星內部將更換小衛(wèi)星信息結構，時刻要保持與快速發(fā)展的信息和計算機技術同步，甚至在某些方面超前應用；在衛(wèi)星外部，要與信息技術全面、深度融合，從而使小衛(wèi)星應用發(fā)生革命性變化。具體地說，采用地面云計算機和互聯(lián)網進行數(shù)據處理和數(shù)據傳輸，確保及時、廉價獲得小衛(wèi)星所獲得的成果?，F(xiàn)代小衛(wèi)星要適應不斷發(fā)展的大數(shù)據時代的需求。

（2）現(xiàn)代小衛(wèi)星的“大眾化空間”。其主要標志與特點就是小衛(wèi)星成本低、研制周期短、能獲得較大的應用效果。為此有人把某些小衛(wèi)星稱為“個人衛(wèi)星”或“公民衛(wèi)星”。私人可以參與研制開發(fā)和應用。促進小衛(wèi)星更快發(fā)展，使投資主體多元化。

小衛(wèi)星設計思想和研制方式要有所創(chuàng)新。例如：NASA 2014年已經把3D打印機送上“國際空間站”，進行空間飛行試驗，其目的是了解3D打印機如何適應在失重環(huán)境下工作。若能成功，則有人假想將來可應用3D打印機在空間站內制造納型與微型衛(wèi)星的結構分系統(tǒng)，因為這類小衛(wèi)星大都采用立方體星組成，結構較簡單，許多部件在地面都已經標準化、模塊化，而且已積累許多研制成功的經驗。然后在空間站把這些分系統(tǒng)和相關部件組成一顆衛(wèi)星，之后逐步提高3D打印機制造小衛(wèi)星的能力。

在空間站內制造出納型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星，可以節(jié)省一大批發(fā)射費用和許多地面試驗（例如失重、力學試驗等），做到又省、又快研制小衛(wèi)星。

（3）降低小衛(wèi)星運載費用。今后要降低小衛(wèi)星運載費用會采用各種模式的運載方式。

①一箭多星發(fā)射，目前已有一箭運載30多顆小衛(wèi)星的方式，主要需要解決小衛(wèi)星安裝適配器及釋放機構。

②在發(fā)射主衛(wèi)星的運載器上搭載，其問題是還要等待合適的發(fā)射時間，要適應剩余空間和允許質量的約束。

③由退役武器（導彈）或退役噴氣式飛機改裝為發(fā)射小衛(wèi)星的運載器。美國的納型發(fā)射器公司（Nano Launcher）已經成功把退役噴氣式飛機改裝為小衛(wèi)星發(fā)射器，將在2015年下半年接受發(fā)射任務。

④鼓勵私人公司創(chuàng)辦小型火箭與小衛(wèi)星公司，使研制和發(fā)射小衛(wèi)星實現(xiàn)多元化，從而促進技術發(fā)展和降低成本。目前國內外都有這種公司，例如國外有美國SpaceX公司，國內有剛剛創(chuàng)建于深圳的翎客航天公司。前者已經取得了一些成功，并且開始像正規(guī)航天公司承擔正式發(fā)射任務。后者才剛開始，估計需要一些時間才能見分曉。

以上這些發(fā)射方式，總的目的是希望對小衛(wèi)星發(fā)射費用，能夠從目前上萬美元每千克，逐步降低到幾千美元每千克。

（4）小衛(wèi)星最大應用特點是分布式系統(tǒng)，為此今后應積極研究和開發(fā)5S技術。所謂5S是協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)和服務（Synergic Small Satellites Systems and Services），具體關于5S的概念和內容可參閱文獻［2］。

（5）小衛(wèi)星能源和推進分系統(tǒng)是發(fā)展小衛(wèi)星功能密度的最大關卡。建議將來有條件時，能源系統(tǒng)采用空間無線能量傳輸，目前日本已先后兩次成功進行了微波無線輸電試驗，這說明不久將來無線輸電商業(yè)化已成為可能。除此外還應積極開發(fā)研究輕型大容量電源系統(tǒng)，推進系統(tǒng)采用電磁力和電推進。

（6）采用先進的微型機電系統(tǒng)（Micro Electromechanical Systems，MEMS）和納型機電系統(tǒng)（Nano Electromechanical Systems，NEMS）。

（7）采用GPS或類似導航星座（如GLONASS、Galileo、“北斗”等）為星上提供時標、位置、速度與姿態(tài)測量等信息。

（8）充分運用微型、納型和皮型衛(wèi)星進行空間飛行演示驗證，積極采用新技術和創(chuàng)新設計思想，從而迅速促進小衛(wèi)星分類中的各種小衛(wèi)星更新?lián)Q代。也就是說：每隔2～3年，大衛(wèi)星小型化（部分大衛(wèi)星由小衛(wèi)星替代）、小衛(wèi)星由微型衛(wèi)星替代、微型衛(wèi)星由納型衛(wèi)星替代等等。

（9）未來，小衛(wèi)星（特別是納型衛(wèi)星與微型衛(wèi)星）每年發(fā)射數(shù)量將有可能達到300～400顆，可占衛(wèi)星年總發(fā)射量的50%以上，這就是大眾化空間時代即將到來的標志。

（10）現(xiàn)在就應準備不久將來在小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量巨增時，逐步解決空間廢棄衛(wèi)星的回收問題，從而保證地球軌道環(huán)境的清潔與安全。

5 結束語

現(xiàn)代小衛(wèi)星從出現(xiàn)到快速發(fā)展至今已有30年歷史，它所具有的特點，以及應用的廣泛性和普遍性已得到充分體現(xiàn)，它正在邁向大眾化空間時代，這與半個多世紀前計算機的發(fā)展非常相似。大眾化空間時代對民用與軍用都具有重大意義，應引起足夠重視，以便在大眾化空間時代高潮到來的時候，能夠站在最前列。

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［1］J Adam.Towards the second space age—Public Space［C］//9thIAA Symposium on Small Satellites for Earth Observation.Berlin：IAA，2013

［2］林來興.協(xié)同小衛(wèi)星系統(tǒng)和服務［J］.航天器工程，2013，22（5）：110-118 Lin Laixing.Synergic small satellites systems and services［J］.Spacecraft Engineering，2013，22（5）：110-118（in Chinese）

［3］林來興.空間碎片現(xiàn)狀與清理［J］.航天器工程，2012，21（3）：1-10 Lin Laixing.Status and removal of space debris［J］.Spacecraft Engineering，2012，21（3）：1-10（in Chinese）

［4］林來興.小衛(wèi)星技術發(fā)展和應用前景［J］.航天器工程，2006，15（3）：14-18 Lin Laixing.Development and application prospects of small satellite technology［J］.Spacecraft Engineering，2006，15（3）：14-18（in Chinese）

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［9］張召才.美國深挖小衛(wèi)星潛力，欲提升軍事航天能力［J］.衛(wèi)星應用，2015（2）：37-44 Zhang Zhaocai.America is developing the technology of small satellites to improving the capability of military space activities［J］.Satellite Application，2015（2）：37-44（in Chinese）

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［11］Dominic Depasqule，Jhon Bradford.2013 Nano/Micro satellite market assessment［R］.Atlanta：SEI Inc，2014

［12］Shufan Wu，Wen Chen，Yonghe Zhang.SULERO：a swarm of Nano-/Micro-satellite at SE L2 for space ultra-low frequency radio observatory，SSC14-III-9［R］.Surrey，UK：SSC，2014

（編輯：張小琳）

Modern Small Satellites and Public Space Age

LIN Laixing1ZHANG Xiaolin2
（1 Beijing Institute of Control Enginerring，Beijing 100190，China）
（2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

The 30-year retrospect on the development of modern small satellite technology is discussed systematically.Therefore，this paper discusses the modern small satellite technology development level and the typical application examples，introduces the development direction of small satellite，and summes up the characteristics of the modern small satellite technology and services in public space.Small satellites are moving towards the Public Space Age，so the paper deduces the relationship between Public Space and modern small satellites.

modern small satellite；Public Space；small satellite advantage；small satellite application；development direction

V11

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.013

2015-04-10；

2015-05-04

林來興，男，研究員，從事航天控制、小衛(wèi)星編隊飛行研究。Email：laixing-lin@sina.com。