立方體衛(wèi)星的發(fā)展與應(yīng)用

李曉寧 竇 驕 任廣偉 （航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

立方體衛(wèi)星的發(fā)展與應(yīng)用

Development and Application of CubeSat

李曉寧 竇 驕 任廣偉 （航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

隨著微型器件與部件、一體化多功能結(jié)構(gòu)、空間即插即用、集成化綜合電子等技術(shù)的發(fā)展及其在微小衛(wèi)星上的大量應(yīng)用，給微小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。立方體衛(wèi)星（CubeSat）是近年來微小衛(wèi)星領(lǐng)域的熱點(diǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前小衛(wèi)星發(fā)展最具活力的是立方體衛(wèi)星，近年來微小衛(wèi)星發(fā)射形成井噴態(tài)勢，2013年全球成功發(fā)射了75顆立方體衛(wèi)星，2014年全球共成功發(fā)射103顆立方體衛(wèi)星。

在國內(nèi)，目前立方體衛(wèi)星的實(shí)用價(jià)值還沒有真正得到體現(xiàn)。為此，我們調(diào)研了近幾年幾種典型立方體衛(wèi)星的發(fā)展情況，對(duì)立方體衛(wèi)星的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，預(yù)測了立方體衛(wèi)星的應(yīng)用前景，立方體衛(wèi)星在許多應(yīng)用領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展空間。

1 發(fā)展概況

立方體衛(wèi)星是在1 9 9 9年由美國斯坦福大學(xué)Tom Kenny教授提出的一種新概念的皮衛(wèi)星規(guī)范，即尺寸為10cm×10cm×10cm、質(zhì)量約1.33kg的1U立方體納衛(wèi)星；尺寸為10cm×10cm×22cm、質(zhì)量約2.6 6 k g的2 U立方體納衛(wèi)星；尺寸為10cm×10cm×34cm、質(zhì)量約4kg的3U立方體納衛(wèi)星。最早的立方體衛(wèi)星于2003年6月30日發(fā)射，包括丹麥的“奧爾堡大學(xué)”（AUU）立方體衛(wèi)星和“丹麥科技大學(xué)衛(wèi)星”（DTUsat）、日本東京工業(yè)大學(xué)立方體工程試驗(yàn)衛(wèi)星－1（CUTE－1）和“立方體小衛(wèi)星Ⅺ-Ⅳ”（Cubesat Ⅺ-Ⅳ）、加拿大先進(jìn)航天試驗(yàn)納衛(wèi)星－1（CanX－1）和美國的“地震衛(wèi)星”（QuakeSat）立方體衛(wèi)星，共6顆。

與傳統(tǒng)的航天器相比，立方體衛(wèi)星主要具有3個(gè)特點(diǎn)：

1）標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化，產(chǎn)品的通用性強(qiáng)。目前，國際上有多家研究單位專門研制、生產(chǎn)和供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的立方體衛(wèi)星及其部件，因此縮短了其研制周期，而且功能易于擴(kuò)展，能夠快速滿足任務(wù)需要，即時(shí)需要，即時(shí)發(fā)射。

2）以工業(yè)級(jí)器件為主研制。立方體衛(wèi)星采用了大量微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、商用現(xiàn)貨（COTS）等先進(jìn)技術(shù)，現(xiàn)代電子器件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝與以前相比有了大幅提高，通用的工業(yè)器件能夠滿足部分應(yīng)用型航天器的需求。

3）易于組網(wǎng)，適應(yīng)空間應(yīng)用發(fā)展的趨勢。立方體衛(wèi)星體積小、費(fèi)用低、發(fā)射方式靈活，一般可多星搭載發(fā)射，易于組成衛(wèi)星星座，完成一些需要大量分布式衛(wèi)星協(xié)同工作的應(yīng)用和科學(xué)研究任務(wù)，譬如，對(duì)地觀測遙感衛(wèi)星星座、通信衛(wèi)星星座等。

隨著微機(jī)電、微光電技術(shù)等微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，立方體衛(wèi)星的性能得到了進(jìn)一步的提高，使衛(wèi)星信息處理能力得到增強(qiáng)，上下行帶寬增大，控制精度提高，有效載荷能力增強(qiáng)，最重要的是提高了可靠性。

立方體衛(wèi)星關(guān)鍵系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展

立方體衛(wèi)星關(guān)鍵性能參數(shù)現(xiàn)狀

2 近期典型的立方星項(xiàng)目

根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，立方體衛(wèi)星可以分為以下三大類：

1）以空間科學(xué)研究和教學(xué)為核心目標(biāo)。各大學(xué)設(shè)計(jì)建造的立方體納衛(wèi)星，如歐盟的QB50項(xiàng)目、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Delfi－c3、東京工業(yè)大學(xué)的“立方體工程試驗(yàn)衛(wèi)星”系列等。

2）以載荷任務(wù)為核心目標(biāo)。例如，鴿群－1（Flock－1）遙感衛(wèi)星星座；戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)應(yīng)用；搭載生物實(shí)驗(yàn)載荷的“孢子衛(wèi)星”（SporeSat）、搭載10m2的太陽帆納星－D（NanoSail－D）。

3）以新技術(shù)演示驗(yàn)證為核心目標(biāo)。例如，進(jìn)行空間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演示驗(yàn)證的“愛迪生”小衛(wèi)星網(wǎng)（EDSN）演示計(jì)劃系列、進(jìn)行交會(huì)對(duì)接技術(shù)演示驗(yàn)證的德州農(nóng)工大學(xué)AggieSat－2。

本節(jié)將對(duì)QB50、鴿群－1、“愛迪生”小衛(wèi)星網(wǎng)等近期典型的立方體衛(wèi)星項(xiàng)目進(jìn)行介紹。

太陽帆納星－D衛(wèi)星在軌飛行示意圖

QB50項(xiàng)目

QB50項(xiàng)目由馮-卡門流體動(dòng)力學(xué)研究所（VKI）聯(lián)合歐洲航天局（ESA）及高等院校多個(gè)研究機(jī)構(gòu)共同提出，全稱是“50顆立方體衛(wèi)星組成的用于開展低熱層探測和再入返回研究的國際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目。該項(xiàng)目采用50顆2U立方體衛(wèi)星組成空間網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低層大氣的多點(diǎn)在軌測量，同時(shí)在星座中開展衛(wèi)星再入大氣層過程的一些相關(guān)研究。星座中各顆衛(wèi)星的距離相差幾百千米，每顆衛(wèi)星均攜帶相同的傳感器，并且在一些特定的衛(wèi)星上開展一些技術(shù)驗(yàn)證：

1）在2顆安裝微推力器的3U立方體衛(wèi)星之間開展編隊(duì)飛行試驗(yàn)；

2）在1顆2U立方體衛(wèi)星上安裝離格材料的熱防護(hù)罩，驗(yàn)證衛(wèi)星再入技術(shù)；

3）在1顆2U立方體衛(wèi)星上測試衛(wèi)星和全球操作教育網(wǎng)絡(luò)（GENSO）地面站的數(shù)據(jù)鏈接質(zhì)量；

4）γ-衛(wèi)星，在3顆2U立方體衛(wèi)星之間驗(yàn)證星間通信；

5）在1顆3U立方體衛(wèi)星上進(jìn)行大氣和空間環(huán)境監(jiān)測試驗(yàn)；

6）在1顆3U立方體衛(wèi)星上進(jìn)行GPS信號(hào)測試；

7）在1顆3U立方體衛(wèi)星上進(jìn)行微重力環(huán)境下的生物試驗(yàn)；

8）在1顆3U立方體衛(wèi)星上進(jìn)行空間碎片的離軌試驗(yàn)。

所有的5 0顆納衛(wèi)星將由俄羅斯的靜海－2.1（Shtil－2.1）火箭一次發(fā)射，屆時(shí)由國際空間教育部發(fā)起的、促成其成員教育機(jī)構(gòu)教育事項(xiàng)合作全球教育網(wǎng)絡(luò)將全面運(yùn)行，將在世界各地建立100多個(gè)地面站，將為所有立方體衛(wèi)星提供近似連續(xù)的上行和下行通信能力。

鴿群－1星座

2014年1月9日，鴿群－1搭載美國安塔瑞斯－120（Antares－120）火箭發(fā)射升空，鴿群－1由編號(hào)為鴿子－5～32（Dove－5～32）共28顆立方體衛(wèi)星組成，是目前世界上最大的遙感衛(wèi)星星座。衛(wèi)星軌道高度400km，傾角52°（涵蓋人類主要活動(dòng)區(qū)域、農(nóng)業(yè)區(qū)域和商業(yè)區(qū)域），分辨率3～5m，由“國際空間站”在軌部署。

“集群”計(jì)劃

“集群”（Colony）計(jì)劃由美國國家偵察局（NRO）啟動(dòng)，主要利用立方體納衛(wèi)星作為空間試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行新技術(shù)驗(yàn)證，衛(wèi)星采用集群－1和2立方體衛(wèi)星平臺(tái)。2008年，美國國家偵察局從帕姆金公司（Pumpkin）訂購了首批12顆集群－1平臺(tái)；2010－2011年從波音公司訂購了20顆集群－2平臺(tái)。美國國家偵察局立方體衛(wèi)星計(jì)劃初期將對(duì)高光譜傳感器、標(biāo)準(zhǔn)化姿態(tài)控制系統(tǒng)、無線電頻率模塊和無結(jié)構(gòu)（structureless）天線陣技術(shù)進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。

2010年12月8日發(fā)射的立方體衛(wèi)星試驗(yàn)－1、2（QbX－1、2）是美國國家偵察局集群－1計(jì)劃的首批2顆3U納衛(wèi)星，采用集群－1平臺(tái)，完成低速調(diào)制解調(diào)器通信試驗(yàn)和特高頻（UHF）通信試驗(yàn)。2012年9月13日發(fā)射的美國國家偵察局的“伊尼亞斯”（Aeneas）3U立方體衛(wèi)星也采用集群－1平臺(tái)，質(zhì)量4kg，用于集裝箱貨船信息采集和下一代抗輻射加固處理器在軌試驗(yàn)。

集群－I平臺(tái)

鴿子－5衛(wèi)星

“伊尼亞斯”3U立方體衛(wèi)星

“孢子衛(wèi)星”

“孢子衛(wèi)星”于2 0 1 4年4月1 8日由“龍”（Dragon）飛船運(yùn)往“國際空間站”，其軌道為近圓軌道，高度400km，傾角51.6°。

“孢子衛(wèi)星”為10cm×10cm×34cm、質(zhì)量5.5kg的3U立方體衛(wèi)星。其姿態(tài)控制由永磁體和具有磁滯的特性棒來實(shí)現(xiàn)控制。通信系統(tǒng)采用S頻段和業(yè)余無線電愛好者的頻段，S頻段鏈路采用商業(yè)的Microhard M H X－2 4 2 0 C O T S通信機(jī)；U H F工作頻率為437.100MHz，信標(biāo)每隔5s發(fā)送1次AX.25數(shù)據(jù)包。

“孢子衛(wèi)星”借助3個(gè)“片上試驗(yàn)室”設(shè)備完成試驗(yàn)。該設(shè)備通過實(shí)時(shí)測量在不同人造重力條件下的鈣離子聚集度水平等信號(hào)，來研究重力場對(duì)蕨類植物孢子的影響。

“孢子衛(wèi)星”透視圖顯示出3個(gè)“片上試驗(yàn)室”設(shè)備

“片上試驗(yàn)室”的設(shè)計(jì)圖和原型照片，內(nèi)含孢子測量裝置

NASA“愛迪生”小衛(wèi)星網(wǎng)計(jì)劃

2012年美國NASA啟動(dòng)了“愛迪生”小衛(wèi)星網(wǎng)計(jì)劃，目的是演示驗(yàn)證立方體衛(wèi)星星座適用于更廣泛的商業(yè)科學(xué)研究等載荷的潛在價(jià)值。每顆衛(wèi)星搭載相同的載荷，用于測量宇宙輻射。

“愛迪生”小衛(wèi)星網(wǎng)由8～12顆1.5U立方體衛(wèi)星組成空間編隊(duì)飛行網(wǎng)絡(luò)，分兩組部署在軌道高度為450～550km的近地軌道，軌道傾角98°，壽命不小于60天。星座具備星地和星間通信能力，分別采用UHF和S頻段。UHF頻段碼速率9.6kbit/s,數(shù)據(jù)量5.76Mbyte/10min；S頻段數(shù)據(jù)碼速率38.4kbit/s，數(shù)據(jù)量11.52Mbyte/5min。每顆衛(wèi)星的質(zhì)量是2kg，體積10cm×10cm×15cm。NASA計(jì)劃在后期將其提升為3U以上的立方體衛(wèi)星，運(yùn)行壽命提高到4年以上。

國內(nèi)立方體衛(wèi)星的現(xiàn)狀

目前，我國對(duì)于立方體衛(wèi)星還處于前期的論證和研究階段，具有類似設(shè)計(jì)理念的衛(wèi)星也已發(fā)射成功。

2010年9月22日，浙江大學(xué)發(fā)射了皮星－1衛(wèi)星，衛(wèi)星未采用標(biāo)準(zhǔn)的立方體衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，尺寸為15mm×15mm×15mm，質(zhì)量3.5kg，整星正常功耗3.5W，主要采用工業(yè)級(jí)器件。其飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了星上裝載的半球成像全景光學(xué)相機(jī)、微機(jī)電系統(tǒng)加速度傳感器和角速度傳感器在空間環(huán)境條件下的適應(yīng)性。另外，也對(duì)GaAs太陽電池在空間環(huán)境中的性能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)測試。

另外，我國西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、南京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等6所高校參加了QB50項(xiàng)目，西北工業(yè)大學(xué)作為QB50項(xiàng)目的亞洲區(qū)唯一發(fā)起單位和亞洲區(qū)總協(xié)調(diào)單位，除了自己研制一顆立方體衛(wèi)星外，還要負(fù)責(zé)完成QB50項(xiàng)目亞洲區(qū)的任務(wù)控制中心的建設(shè)任務(wù)。

NASA“愛迪生”小衛(wèi)星網(wǎng)計(jì)劃

“愛迪生”小衛(wèi)星網(wǎng)空間組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)

教學(xué)與科學(xué)試驗(yàn)

在工程培訓(xùn)和大學(xué)教育方面，立方體衛(wèi)星發(fā)揮了巨大作用，加速了先進(jìn)科學(xué)技術(shù)向工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化進(jìn)程，促進(jìn)了產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。近年來，國外宇航專家又提出了“口袋立方體”（PocketCube）衛(wèi)星概念，并已在2013年完成多次發(fā)射。以立方體衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀推斷，“口袋立方體”衛(wèi)星也必將具有廣闊的應(yīng)用前景。

軍事應(yīng)用

立方體衛(wèi)星具有潛在的軍事應(yīng)用價(jià)值，其具有功能擴(kuò)展性好、可快速組網(wǎng)、生存能力強(qiáng)、系統(tǒng)可靠性高、實(shí)用靈活方便、適合應(yīng)急發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)都非常適合應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。譬如，2013年12月6日，美國成功發(fā)射了戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星－6（TacSat－6）立方體納衛(wèi)星，其質(zhì)量5kg，主要用于測試戰(zhàn)術(shù)通信技術(shù)。立方體衛(wèi)星也可以用于執(zhí)行子母星任務(wù)，從而實(shí)施空間態(tài)勢感知和空間控制任務(wù)。一顆立方體母衛(wèi)星可攜帶多顆立方體子衛(wèi)星，這些子衛(wèi)星以不同方式組合排列進(jìn)行編隊(duì)飛行，可以與其他太空資產(chǎn)對(duì)接，提供高質(zhì)量成像，并完成對(duì)其他衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)視、干擾和攻擊等任務(wù)。

空間分布式應(yīng)用

立方體衛(wèi)星可通過星座組網(wǎng)、編隊(duì)飛行等途徑，顯著提高系統(tǒng)的時(shí)間分辨率和覆蓋區(qū)域。通過對(duì)星座衛(wèi)星的分布式靈活部署及在軌重構(gòu)，大幅提高空間系統(tǒng)的生存能力和空間體系的彈性。星座多星、多任務(wù)和多模式綜合應(yīng)用形成新的工作體制，可實(shí)現(xiàn)單顆衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的功能和性能。目前，國外在遙感、戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用、通信、科學(xué)試驗(yàn)等領(lǐng)域均提出了大規(guī)模的立方體衛(wèi)星星座計(jì)劃?？臻g分布式應(yīng)用已經(jīng)成為立方體衛(wèi)星發(fā)揮效能的重要途徑，也是未來立方體衛(wèi)星發(fā)展的主要趨勢。

挑戰(zhàn)

立方體衛(wèi)星已經(jīng)在技術(shù)試驗(yàn)、工程培訓(xùn)、商業(yè)應(yīng)用等各方面發(fā)揮了重要的作用，未來也將發(fā)揮更重要的作用。

立方體衛(wèi)星的應(yīng)用還面臨著幾方面的挑戰(zhàn)：

1）由于使用的器件微型化，因此立方體衛(wèi)星的發(fā)展主要依賴于微機(jī)械、微電子，以及材料、工藝等基礎(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。能否解決衛(wèi)星的可靠性問題是制約立方體衛(wèi)星進(jìn)一步走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵，因此在使用新技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)關(guān)注和提高衛(wèi)星的可靠性，為立方體衛(wèi)星進(jìn)一步發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

2）隨著立方體衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量的不斷增加，也增加了空間碎片的危險(xiǎn)性，因此必須同時(shí)開展有關(guān)立方體衛(wèi)星空間碎片清理的研究。

3）由于立方體衛(wèi)星的質(zhì)量僅有幾千克，大大限制了對(duì)成熟載荷的選擇范圍，對(duì)電源功率、通信距離以及推進(jìn)效能也是極大的約束。因此，還需要新技術(shù)的發(fā)展才能得到更廣泛的應(yīng)用。