微小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景

林來興 （北京控制工程研究所）

1 概述

近年來，小衛(wèi)星質(zhì)量越來越小，發(fā)射數(shù)量越來越多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量占全球航天器發(fā)射數(shù)量約70%，而小于50kg的微小衛(wèi)星占小衛(wèi)星總數(shù)約80%，由此可見，小于50kg的微小衛(wèi)星已經(jīng)開始成為發(fā)射的主流。當(dāng)前，微小衛(wèi)星星座如雨后春筍涌現(xiàn)，微小衛(wèi)星應(yīng)用正處于蓬勃發(fā)展階段。

2 微小衛(wèi)星科學(xué)與技術(shù)飛行試驗(yàn)和編隊(duì)飛行

微小衛(wèi)星成本低，研制周期短，易獲得飛行試驗(yàn)結(jié)果，因此，約有1/3的微小衛(wèi)星作為科學(xué)與技術(shù)飛行試驗(yàn)衛(wèi)星，推動(dòng)空間技術(shù)水平迅速提升。

“納眼”飛行試驗(yàn)衛(wèi)星

2012年，美國(guó)陸軍空間與導(dǎo)彈防御部門提出研制“納眼”(Nano Eye)飛行試驗(yàn)衛(wèi)星，要求在300km軌道高度提供優(yōu)于0.5m對(duì)地觀測(cè)分辨率?！凹{眼”衛(wèi)星成本低于500萬美元，包括有效載荷、衛(wèi)星平臺(tái)、發(fā)射和運(yùn)行操作費(fèi)用。有效載荷包含超輕量望遠(yuǎn)鏡與相機(jī)，衛(wèi)星質(zhì)量為10kg，貯箱推力系統(tǒng)為15kg。衛(wèi)星目前還處在研制和飛行試驗(yàn)階段。

加拿大納型衛(wèi)星編隊(duì)飛行

“先進(jìn)航天試驗(yàn)納衛(wèi)星”（CanX-4/5）由加拿大空間局（CSA）資助、多倫多大學(xué)研制，兩顆衛(wèi)星前后相隔距離由1000m調(diào)整到500m。衛(wèi)星質(zhì)量為7kg，星上姿態(tài)控制系統(tǒng)由三軸磁力器、6個(gè)粗精太陽敏感器、3個(gè)速率陀螺和3個(gè)正交安裝的反作用輪等組成，姿態(tài)控制精度為1°。衛(wèi)星軌道位置由GPS接收機(jī)測(cè)量，精度為1m。星上裝有4個(gè)冷氣推力器，速度增量為14m/s。2014年，成功實(shí)現(xiàn)納型衛(wèi)星編隊(duì)飛行自主控制飛行演示試驗(yàn)，保持編隊(duì)飛行隊(duì)形距離從1000m到500m。

3 微小衛(wèi)星優(yōu)越性

21世紀(jì)以來，微小衛(wèi)星得到飛快發(fā)展，得益于其以下優(yōu)越性。

1）微小衛(wèi)星大量應(yīng)用于星座，這是最佳工作模式，因?yàn)槠鋺?yīng)用效益好，成本小，研制周期短，進(jìn)入門坎低，易于吸收商家參加等；

2）微小衛(wèi)星絕大部分采用市場(chǎng)現(xiàn)成電子商品，甚至包括有效載荷、電源設(shè)備等，市場(chǎng)現(xiàn)貨價(jià)格低，供貨快，經(jīng)過篩選，上天可靠性可得到保證；

3）小于50kg微小衛(wèi)星，大部分由多個(gè)立方體衛(wèi)星組成，它們有1U、2U……一直到25～30U，都是標(biāo)準(zhǔn)化模塊化，由工廠生產(chǎn)，若有特殊要求還可訂貨，從而達(dá)到成本低，可靠性可達(dá)到要求, 當(dāng)前每天可產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)量4～ 5顆；

4)微米納米技術(shù)、光學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，新技術(shù)新材料不斷涌現(xiàn)，在微小衛(wèi)星獲得成功應(yīng)用；

5)微小衛(wèi)星星座大部分都是覆蓋全球的，例如：對(duì)地觀測(cè)、數(shù)據(jù)通信與氣象觀測(cè)等，這對(duì)實(shí)現(xiàn)全球經(jīng)濟(jì)共同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全球互連互通都有積極推動(dòng)作用。

4 微小衛(wèi)星星座典型應(yīng)用實(shí)例

熱帶氣旋觀測(cè)

熱帶氣旋是一種低氣壓天氣系統(tǒng)，給人類生命財(cái)產(chǎn)造成巨大危害。人們采用氣象衛(wèi)星和“旋風(fēng)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”（CYGNSS）星座，觀測(cè)預(yù)報(bào)熱帶氣旋的發(fā)生。CYGNSS星座由8顆微小衛(wèi)星組成，它們串聯(lián)分布在同一個(gè)軌道平面。但由于覆蓋區(qū)域有限，該星座存在預(yù)報(bào)不及時(shí)與精度不高等缺點(diǎn)。

2018年，美國(guó)麻省理工學(xué)院提出了應(yīng)用小衛(wèi)星星座觀測(cè)熱帶降雨水量變化與風(fēng)暴強(qiáng)度時(shí)間分辨率（TROPICS）研制任務(wù)，由6顆3U立方體衛(wèi)星組成，分布在3個(gè)軌道平面，每個(gè)軌道平面有2顆衛(wèi)星。3U立方體衛(wèi)星質(zhì)量為6kg，軌道高度為600km，傾角為30°。星座覆蓋全球絕大部分區(qū)域，重訪時(shí)間30min，可以通過增加衛(wèi)星數(shù)量減少重訪時(shí)間，星座具有很強(qiáng)適應(yīng)性。

衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)

瑞士ELSE公司計(jì)劃組建由64顆6U立方體衛(wèi)星組成的物聯(lián)網(wǎng)（Astrocast）星座，分布在8個(gè)軌道平面，每個(gè)軌道平面有8顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星質(zhì)量為10kg，衛(wèi)星工作在L頻段。2018年12月成功發(fā)射其試驗(yàn)衛(wèi)星，軌道高度574km/590km，傾角為97.8°。2019年計(jì)劃發(fā)射10顆，星座總成本預(yù)計(jì)5000萬美元。

澳大利亞阿德萊德公司（Adelaide）計(jì)劃創(chuàng)建由100顆納型衛(wèi)星組成的空間物聯(lián)網(wǎng)星座，分布在20個(gè)軌道平面，每個(gè)軌道平面有5顆衛(wèi)星。納型衛(wèi)星為12U立方體衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，質(zhì)量為20kg，軌道高度為580km，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命為15年。整個(gè)星座衛(wèi)星和發(fā)射費(fèi)預(yù)計(jì)1億多美元，計(jì)劃2019-2022年建成。

對(duì)地觀測(cè)

阿根廷Satellogic公司計(jì)劃創(chuàng)建一個(gè)由300顆衛(wèi)星組成的大型對(duì)地觀測(cè)星座。每顆衛(wèi)星質(zhì)量為37kg，軌道高度500km，覆蓋全球。星座分三期建成，第一期由16顆衛(wèi)星組成，稱為Aleph-1星座，重訪時(shí)間為2h；第二期由100顆衛(wèi)星組成，重訪時(shí)間為15min；第三期由300顆衛(wèi)星組成，重訪時(shí)間為5min。衛(wèi)星數(shù)量與重訪時(shí)間關(guān)系基本上成反比。Aleph-1星座衛(wèi)星已經(jīng)于2017－2018年搭載中國(guó)長(zhǎng)征-4火箭先后兩次成功發(fā)射。該公司計(jì)劃2019年再發(fā)射13顆，預(yù)計(jì)2023年完成星座建設(shè)。

CYGNSS衛(wèi)星示意圖

Aleph-1星座衛(wèi)星示意圖

芬蘭冰眼公司（ICEYE）于2018年12月成功發(fā)射一顆SAR微型衛(wèi)星。該衛(wèi)星是一顆飛行試驗(yàn)演示衛(wèi)星，位于500km高的太陽同步軌道，衛(wèi)星質(zhì)量為80kg,分辨率為3m。冰眼公司計(jì)劃2019年發(fā)射3顆SAR衛(wèi)星，最終計(jì)劃創(chuàng)建由18顆微型衛(wèi)星組成的SAR星座，采用超輕型天線，衛(wèi)星質(zhì)量有望降到50～60kg，分辨率2～3m。

海運(yùn)和天氣監(jiān)測(cè)

美國(guó)斯派爾公司（Spire）研制了由125顆3U立方體衛(wèi)星組成的衛(wèi)星星座，名為“孤猴”（Lemur），用于海運(yùn)和天氣監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星質(zhì)量為4kg，軌道高度為611km/696km，傾角為97.8°。每顆衛(wèi)星成本約40萬～50萬美元，整個(gè)星座成本約7000萬～8000萬美元。“孤猴”衛(wèi)星左右兩側(cè)設(shè)有可展開太陽帆板，頂上有4根可展開天線。星上攜帶2個(gè)有效載荷：GPS無線電掩星探測(cè)儀和船舶跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備。2015－2018年，“孤猴”衛(wèi)星已成功發(fā)射83顆，預(yù)計(jì)到2020年全部部署完成。

5 微小衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)展需要解決的問題

微小衛(wèi)星今后要成為良好應(yīng)用前景，必須解決如下問題。

1)開發(fā)低價(jià)小型運(yùn)載火箭，以適應(yīng)當(dāng)前微小衛(wèi)星星座發(fā)展，因?yàn)榇蟛糠治⑿⌒l(wèi)星沒有推力系統(tǒng)，必須依靠末級(jí)火箭設(shè)有衛(wèi)星軌道分配器，并且有軌道機(jī)動(dòng)能力，能把衛(wèi)星送到需要軌道位置。

2)研制微型推力系統(tǒng)，微小衛(wèi)星發(fā)展到現(xiàn)在近20年歷史，不能還處在初期狀態(tài)，星上應(yīng)配有推力系統(tǒng)。技術(shù)指標(biāo):推力系統(tǒng)質(zhì)量4～5kg，△V為 50～ 60m/s。

3）研制超輕型可展開太陽帆板，提高光電轉(zhuǎn)換效率和電源分系統(tǒng)功能密度集，需要設(shè)計(jì)太陽帆板具有俯仰角度變化功能，從而產(chǎn)生氣動(dòng)阻力差，用于保持星座位置。

4）開放商業(yè)航天市場(chǎng)，吸收民間投資，讓微小衛(wèi)星觸手可及，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅2017年全球民間航天投資有40多億美元，中國(guó)占不到1/10。

通過上述辦法，微小衛(wèi)星將獲得更加廣泛應(yīng)用，并且?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益。