2014年國外小衛星回顧

張召才 朱魯青（北京空間科技信息研究所）

2014年，全球小衛星（本文中提及的小衛星專指發射質量低于500kg的衛星）活動延續了2013年高速發展態勢，年度發射總數再創新高，小衛星能力再上新臺階，小衛星應用再創新模式。同時，小衛星繼續發揮航天技術創新的引領作用，國外依托小衛星開展了大量前沿技術和創新概念在軌飛行驗證項目。

1 發射統計分析

2014年，全球共成功發射小衛星162顆，占全球同期入軌航天器總數的61.8%，相較2013年同比增長22.7%。近兩年來，小衛星年度占比均超過60%。這表明，小衛星已成為世界航天活動高速發展的主要驅動力和重要發展領域。

2014年，小衛星年度占比結束連續4年的高速增長勢頭，自2011年以來首次下滑，其主要原因是2014年10月28日，美國安塔瑞斯－120（Antares－120）火箭發射失敗，造成29顆立方體衛星未能成功發射入軌。

2000年以來全球成功入軌小衛星統計

年度星均質量持續降低，微納衛星發展高度活躍

隨著小衛星發射數量不斷增長，全球每年的星均發射質量（每年成功發射的航天器總質量除以每年成功發射的航天器總數量）呈持續降低趨勢。據美國空間作品（SpaceWorks）咨詢公司預測，2016年全球星均質量相比2012年將降低79%，屆時星均質量大約為500kg。

年度星均發射質量變化趨勢

50kg以下微納衛星發射數據統計

美國小衛星發射數量大幅增長

隨著微電子、微光機電和集成電路技術不斷發展，衛星小型化趨勢不斷加速，微納衛星性能快速提升，成為小衛星領域發展最為活躍的組成部分。尤其是50kg以下微納衛星發展高度活躍，成為航天技術創新和航天應用變革的重要突破點。2014年，全球共成功發射該類衛星130顆。其中，立方體衛星因其標準化、模塊化、低成本優勢而廣受高校與初創航天公司青睞，發射數量快速攀升，2014年全球共成功發射立方體衛星103顆。未來，在應用需求和市場活力不斷增長的驅動下，全球微納衛星發射數量將繼續攀高。據SEI咨詢公司預測，2014－2016年期間，全球50kg以下微納衛星發射總數將達到650顆以上。

美國發射數量高居首位，日本發射數量躍居次席

從所屬國家看，美國2014年成功發射90顆小衛星，相較2013年同比增長了45%，發射總數高居全球首位；日本成功發射了21顆小衛星，是全球小衛星發射數量第二多的國家；歐洲小衛星發射數量有所回落；俄羅斯小衛星發射數量與2013年基本持平。此外，更多的中小國家借助小衛星開展了本國航天活動，匈牙利、立陶宛和烏拉圭均在2014年發射了本國首顆衛星，推動了航天技術在全球的普及，加深了航天在世界范圍內的影響。

宇航公司關注力度加大，新興商業公司大量涌現

從研制商看，宇航公司對小衛星關注力度逐步加大，超越大學和科研機構，成為2014年度全球小衛星研制的主要力量。2014年，全球共有106顆小衛星由宇航公司研制，與2013年相比增長近108%。

一方面，以研制大衛星為主的宇航公司開始關注小衛星業務。波音公司推出了“幻影鳳凰”（Phantom Phoenix）系列小衛星平臺，并獲得首個業務衛星訂單；雷神公司（Raytheon）構建了小衛星自動化和批量化生產線；勞拉空間系統公司（SS/L）也以承研天空盒子公司（Skybox）13顆“天空衛星”（SkySat）為契機，建立了專門的小衛星產品線。

宇航公司對小衛星關注力度加大

業務型小衛星數量增長3倍

小衛星資產屬性分布

另一方面，國外近年涌現出大量新興商業小衛星公司，如美國天空盒子公司、行星實驗室公司（Planet Labs）以及俄羅斯達斡利亞宇航公司（Dauria Aerospace）、阿根廷衛星邏輯公司（Satellogic）等。這些新興公司均提出商業小衛星星座計劃，發展面向定制化需求的創新應用和商業運營模式，推動了全球范圍內小衛星活動的發展與繁榮。

業務型小衛星數量激增，對地觀測成為核心驅動

從應用領域看，隨著小衛星能力不斷提升，小衛星應用不再只局限于科學與技術試驗，開始邁入業務化、裝備化運營階段，應用領域不斷擴展。2014年，全球共成功發射對地觀測小衛星77顆，通信廣播小衛星18顆，小型深孔探測器1個，科學與技術試驗小衛星66顆。業務型小衛星占比達到59.3%，總量相較2013年增長3倍。

小衛星業務能力不斷提升，在軍事領域和商業領域的應用前景已獲得各方高度關注。2014年，俄羅斯發布的《俄羅斯2030軍事技術裝備發展戰略》提出，俄羅斯面臨的主要軍事威脅之一是“主要國家加緊發展包括以各種（作戰、偵察、電子壓制）小型衛星和納米衛星為基礎的航天技術”。美國航天基金會2014年6月發布的《2014年航天報告》也指出，“未來幾年一個可能的趨勢是小衛星將占據更多的市場份額。”

商業資本大量涌入，商用小衛星強勢崛起

得益于小衛星業務能力不斷提升，商業資本開始大量涌入，國外出現眾多初創商業小衛星公司。這些公司以云計算、大數據等信息技術為驅動，面向用戶提供專業化、定制化服務，催生全新商業應用模式。在商業資本推動下，商用小衛星強勢崛起，發射數量急速攀升。2014年，商用小衛星發射總數達到80顆，占小衛星年度發射總數的49.4%。其中，以行星實驗室公司的“鴿群”（Flock）星座為突出代表，對地觀測小衛星成為商業資本的首要聚焦點。

在軌數量占比接近1/3，美歐俄小衛星位列前三

截至2014年底，全球在軌運營航天器總計1317顆，其中500kg以下小衛星達到414顆，占比接近1/3。

從所屬國家看，美國、歐洲和俄羅斯在軌運營小衛星數量位列全球前三，分別是159顆、60顆和54顆。日本和中國位居第四和第五位，在軌運營小衛星數量分別是30顆和22顆。

各國在軌運營小衛星數量統計

在軌小衛星資產屬性對比

攜帶小衛星的美國“天鵝座”貨運飛船飛往“國際空間站”

從資產屬性看，民用小衛星數量最多，占比約為48%。長期以來，小衛星主要用于科學與技術試驗，并尤其受到大學和科研機構的青睞，使得在軌民用小衛星總數遠高于商用和軍用小衛星數量。商用小衛星占比反超軍用小衛星占比，側面凸顯出近兩年來小衛星商業化應用的快速發展勢頭。

“一箭超多星”發射成新常態，空間站釋放數量再創新高

近兩年來，小衛星發射方式逐漸由“一箭多星”向“一箭超多星”延伸，“一箭超多星”發射漸成新常態。2014年6月19日，俄羅斯“第聶伯”（Dnepr）火箭成功完成了“一箭三十八星”發射，創造了“一箭多星”發射的新記錄。這也是在不到1年的時間里第4次打破該項記錄。此前，美國安塔瑞斯－120火箭在發射軌道科學公司（OSC）“天鵝座”（Cygnus）飛船時，將33顆小衛星發射到“國際空間站”，并隨后從“國際空間站”釋放入軌。

空間站釋放小衛星技術也漸趨成熟，成為小衛星低成本發射的重要手段。空間站漸成“天基發射場”，豐富了微納衛星部署手段，實現了衛星在軌批量儲備、按需發射和及時補網。2014年，全球通過空間站的“小衛星軌道部署器”（SSOD）共成功釋放67顆立方體衛星。

2 年度小衛星最新發展

2014年，各類型小衛星發展實現重大突破。對地觀測領域，小衛星性能不斷提升，創新技術逐步成熟，低軌商業遙感小衛星星座大量涌現，催生全新商業運營模式和服務模式；通信廣播領域，低軌商用通信小衛星星座開始新一輪更新換代，戰術通信小衛星逐步面向基層作戰部隊，提供作戰支持服務；預警監視領域，基于小衛星的低成本空間目標監視技術成為發展熱點；空間攻防領域，低軌空間攻防技術已經成熟，目前重點發展高軌道小衛星空間攻防能力。

近年“一箭多星”發射記錄統計

美國“天空衛星”示意圖

新型對地觀測衛星系統大量部署，衛星應用業務模式全面創新

（1）美國低軌商用小衛星批量入軌，開啟航天大數據時代

在“新航天經濟”驅動下，美國大量硅谷互聯網企業開始進入航天領域，如天空盒子公司和行星實驗室公司等，相繼提出“小衛星、大數據”、“小衛星、大星座”商業計劃，發展低軌新型商業對地觀測系統。

繼天空盒子公司“天空衛星”星座首發星2013年底發射入軌后，2014年7月8日，“天空衛星”星座第二顆衛星天空衛星－2成功進入傾角97.2°、高為623km×637km的太陽同步軌道。天空衛星－2與天空衛星－1采用完全相同的設計方案，單星質量91kg，設計壽命4年，星下點全色圖像分辨率優于1m（天空衛星－1分辨率0.9m，天空衛星－2分辨率0.95m），多光譜分辨率2m，成像幅寬8km，并能夠獲取時長90s、30幀/秒的高清視頻。星下點視頻分辨率為1.1m，標準覆蓋為2km×1.1km。截至2014年底，天空衛星－1和2均在軌正常工作。天空盒子公司計劃構建由24顆小衛星組成的“天空衛星”星座，屆時將具備對全球指定區域8h數據更新能力。

美國“天空衛星”指令成像工作模式（左）與“長期在線”工作模式（右）

行星實驗室公司初步完成了全球首個運營級微納衛星星座“鴿群”的部署工作。“鴿群”是全球最大的對地觀測衛星星座，對地分辨率達到3～5m。截至2014年底，行星實驗室公司共成功發射了71顆3U立方體衛星。“鴿群”星座采用“長期在線”（Always On）工作模式，無需對星上相機下達特定區域的成像指令即可成像。這種“長期在線”工作模式可持續獲取圖像數據，提供全球變化監測服務。

與傳統對地觀測系統相比，“天空衛星”和“鴿群”等新興商業對地觀測系統呈現出一些新的技術特點與運營模式：①星座所屬公司均以互聯網企業自居，引入大數據、云計算等互聯網理念，并提供在線數據瀏覽、直銷和分發等業務；②提供云服務平臺，鼓勵用戶或第三方開發專業化應用程序（App），嘗試天基對地觀測應用的近實時響應和定制化服務模式；③除提供天基對地觀測圖像數據外，還可提供變化監測信息，驅動天基對地觀測產品從圖像向信息發展；④系統重訪周期高，對地觀測數據更新快，能實現全球近實時觀測，兼顧全球“熱點”地區和“非熱點”地區；⑤部分系統具備視頻成像能力；⑥大量使用“商用現貨”（COTS）器件，降低系統建設成本。

（2）歐洲薩瑞公司小衛星性能升級，發布視頻成像衛星平臺

英國薩瑞衛星技術公司的S頻段“新型合成孔徑雷達衛星”

英國薩瑞衛星技術公司（SSTL）的“災害監測星座”（DMC）性能不斷提升，規模不斷擴大，開辟了多國合作共贏的低軌小衛星發展模式。自2011年300kg、2.5m分辨率光學成像小衛星投入使用后，薩瑞衛星技術公司已研制出新一代350kg、1m分辨率光學成像小衛星災害監測星座－3和首顆400kg、分辨率6m的S頻段“新型合成孔徑雷達衛星”（NovaSAR）成像驗證小衛星，并計劃于2015年相繼發射入軌。

2014年4月，薩瑞衛星技術美國公司（SSTUS）發布了基于其“入門級”（Entry Level）的X50系列平臺研制的具有彩色視頻成像能力的V1C型小衛星。V1C型小衛星設計緊湊，單星價格低于2000萬美元，能夠獲得高清晰畫質的真彩色（紅、綠、藍）視頻，星下點指向時地面分辨率優于1m，地面幅寬為10km，幀頻高達100幀/秒。

V1C型小衛星具有任務可再配置能力，能應用在多種情報采集領域，如監視、探測和確認等，向需要快速獲取和分析衛星數據的組織，提供快速變化的地面人群或基礎設施的態勢感知和實時情報（ABI）信息。根據衛星發射數量不同，V1C型小衛星可構成多種不同的星座構型，如以30～60min的時間間隔部署在同一軌道，以便在每天特定時段提供近實時的視頻覆蓋。

（3）日本發射新型通用平臺首發星，最高分辨率優于0.5m

英國V1C型小衛星外形圖

日本積極推動對地觀測小衛星技術發展，成功發射了基于新一代通用平臺的高分辨率光學成像遙感衛星。2014年11月6日，日本利用俄羅斯“第聶伯”火箭成功發射具備新系統結構的先進觀測衛星－1（ASNARO－1）。該衛星質量約495kg，全色分辨率優于0.5m，多光譜分辨率優于2m，幅寬10km，星下點側擺能力±45°。該衛星平臺基于通用化架構和標準接口設計，采用SpaceWire協議，具有柔性化、開放式特點，能夠搭載不同對地觀測載荷，快速滿足多種對地觀測任務需求，如包括高分辨率光學成像載荷、高分辨率合成孔徑雷達、多光譜遙感器和紅外遙感器等。該衛星平臺具有高分辨率、高敏捷、低成本、短周期和小型化的特點，能夠快速響應用戶需求，是日本未來發展低成本、低軌對地觀測系統的重要力量。

俄羅斯繼續維持軍用存儲轉發星座運營，美國商用通信星座開啟新一輪換代

美國軍用通信小衛星維持既有能力，2014年度未有新衛星發射入軌。“作戰響應空間”（ORS）計劃下發展的戰術衛星－4（Tacsat－4）繼續在軌工作，提供“動中通”、“數據滲漏”（Data-X）和“藍軍跟蹤系統”（BFT）等服務。2008年啟動的“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效果”（SMDC-ONE）計劃延續4星在軌狀態，規劃的8星星座尚有3顆納衛星等待發射。俄羅斯繼續維持低軌存儲轉發軍用小衛星星座，2014年度共發射3顆“泉”（Rodnik）系列小衛星，單星225kg，設計壽命5年，主要用于軍事和情報信息的中繼通信。

美國商用低軌通信小衛星開啟新一輪更新換代。2014年7月14日，美國第二代“軌道通信衛星”（Orbcomm－OG2）星座的首批6顆衛星成功發射入軌，開啟了國外低軌商業通信小衛星星座新一輪更新換代。該衛星采用SN－100A平臺，發射質量157kg，設計壽命5年。與第一代“軌道通信衛星”相比，第二代增加了船只“自動識別系統”（AIS），可用于海上資產跟蹤與管理。據預測，隨著6顆第二代衛星的發射入軌，軌道通信公司（ORBCOMM）“自動識別系統”業務的年收入將達到600萬美元，并將逐漸提升至1000萬～1500萬美元。

日本具備新系統結構的先進觀測衛星－1在軌飛行示意圖

美國第二代“軌道通信衛星”進行太陽電池板測試

美國啟動作戰響應空間－5衛星項目，聚焦發展小衛星空間目標監視能力

在預警監視領域，美國“作戰響應空間”計劃正式提出發展空間目標監視能力，授出作戰響應空間－5衛星任務研制合同。

2014年7月30日，“作戰響應空間”辦公室宣布授予麻省理工學院林肯實驗室作戰響應空間－5任務的研究合同。林肯實驗室負責為“作戰響應空間”辦公室設計并建造一顆演示驗證衛星，用于彌補在軌空間物體監視能力的潛在缺口。作戰響應空間－5衛星將從低地球軌道（LEO）對地球靜止軌道（GEO）帶進行連續掃描，衛星質量90～110kg，軌道高600km、傾角0°，預計2017年發射。作戰響應空間－5任務驗證的前沿技術將轉移到美國“天基空間監測系統”（SBSS）后續任務中。

小衛星空間攻防應用邁向高軌，“鳳凰”計劃力爭2015年完成首飛

試驗”（ANGELS）衛星，重點發展高軌道空間預警和防護技術。2014年7月，該衛星成功發射進入地球靜止軌道，為地球靜止軌道大衛星提供巡視防護，執行繞飛巡視、周圍環境探測任務，探測人為干擾、感知接近受保護航天器周圍的未知物體等。該衛星質量約100kg，具備自主制導、導航與控制能力和廣域監視能力。

“鳳凰”（Phoenix）計劃繼續穩步實施，力爭2015年完成首次在軌演示驗證。2014年4月，“鳳凰”計劃完成第一階段研究項目，重點論證了空間機器人和“細胞衛星”（Satlet）的概念可行性。隨后，“鳳凰”計劃進入第二階段，對空間機器人、“細胞衛星”和“有效載荷軌道交付系統”（PODS）關鍵技術展開研究。11月，參與“鳳凰”計劃的諾瓦克斯公司（NovaWurks）宣布將于2015年第三季度發射由多顆“細胞衛星”聚合形成的衛星，在軌驗證“鳳凰”概念和關鍵技術。

小衛星創新概念層出不窮，“芯片衛星”應用前景 獲得多方關注

近年來，美國利用小衛星開展了一系列交會對接、在軌巡視、在軌維修、部件替換與燃料加注等關鍵技術演示驗證，探索了小衛星空間攻防應用的潛力。目前，美國低軌道空間攻防技術相對成熟，正逐步發展高軌道空間攻防能力，重點關注高軌高價值目標在軌巡視與保護技術。

美國空軍在“試驗衛星系統”（XSS）計劃成功的基礎上，提出并研制了“局部空間自主導航制導

小衛星是航天技術創新實踐與應用的主要載體。2014年，國外基于小衛星開展了大量創新概念和前沿技術研究，其中美國“芯片衛星”（ChipSat）項目是典型代表。

“芯片衛星”是指將航天器全部功能集成在單個集成電路上的一類衛星，能夠在軌執行特定任務，并與地面進行通信。“芯片衛星”使微系統技術在航天中的應用從部件級躍升到整星級，加速了航天器超小型化趨勢。2014年4月18日，康奈爾大學領導研制的104顆“精靈”（Sprite）芯片衛星裝載在凱克衛星－1（KickSat－1）中，并發射進入低地球軌道，計劃執行全球首次“芯片衛星”在軌飛行任務，驗證“芯片衛星”對地通信、姿態測量等關鍵技術。4月30日，由于受單粒子翻轉事件影響，凱克衛星－1裝載的“精靈”衛星釋放裝置發生故障，導致原計劃于5月3日進行的“精靈”衛星在軌釋放任務無法如期開展。5月14日，凱克衛星－1再入大氣層，宣告本次“芯片衛星”在軌釋放任務徹底失敗。

美國“芯片衛星”執行深空探測任務示意圖

盡管“芯片衛星”目前還處于研究起步階段，但其超輕量化、超小型化、超低成本等突出特點已獲得多方關注。2014年10月，“NASA創新先進概念”（NIAC）計劃授予美國德雷珀（Draper）實驗室價值10萬美元的合同，要求其基于康奈爾大學研制的“芯片衛星”開展關鍵論證研究，探討“芯片衛星”用于探測木衛二（Europa）或其他行星的可行性。

3 總結與趨勢展望

總體來看，國外小衛星發展高度活躍，連續3年占比超過年度入軌航天器總數的30%，近兩年更是高于60%。小衛星已成為世界航天活動的重要構成部分，并呈現出以下特點：①大衛星小型化、小衛星微型化趨勢明顯加速；②微納衛星發展高度活躍，立方體衛星發展前景廣闊；③小衛星業務能力不斷提升，應用領域不斷擴展，成為宇航公司業務發展的新增長點；④商用小衛星發展勢頭勁猛，催生全新的衛星應用模式和商業運營模式；⑤“一箭多星”發射成為小衛星低成本進入空間的主要手段。展望未來，小衛星發展呈現出如下趨勢。

（1）與信息技術深度融合，催生衛星應用顛覆式變革

小衛星技術高速發展降低了人類利用空間的準入門檻，信息技術普及應用變革了人類的信息交互模式。移動互聯網時代，在云計算、大數據技術驅動下，小衛星與信息技術深度融合，催生出更多創新理念，使衛星商業運營模式和商業服務模式發生顛覆式變革。以對地觀測為例，低軌小衛星星座將具備全球持續覆蓋和數據實時更新能力，面向用戶開放基于云平臺的遙感數據遠程在線訪問服務，可根據用戶需求提供定制化、近實時的數據獲取和分析及提醒服務，并可利用大數據挖掘技術，分析潛在事件發生概率，兼備應急響應和提前預警能力。

（2）小衛星發展力量和投資主體更趨多元化

微納衛星高速發展，尤其是立方體衛星技術和相關標準不斷成熟，大幅降低了利用空間門檻。“一箭多星”發射、搭載發射等又降低了小衛星進入空間成本。低成本進入空間和利用空間技術發展，將使小衛星發展力量更趨多樣化，越來越多的中小國家、小微團隊甚至個人都能夠獨立研制小衛星并開展航天活動，使航天不再只是大國“精英俱樂部”，更是成為全民參與的一場“軌道革命”。在此背景下，小衛星商業市場規模將急劇增長，應用模式和商業市場將得到更好地開發，政府投資、商業資本、風投、眾籌等多種投資模式將共存，使得小衛星投資主體更趨多元化。