微小衛星發展的若干思考

李明

(中國空間技術研究院，北京 100094)

微小衛星發展的若干思考

李明

(中國空間技術研究院，北京 100094)

微小衛星具有功能密度高、技術發展快、研制周期短、開發成本低、部署應用靈活等特點。新技術的發展、商業資本的不斷投入、發射模式的多樣化等因素，使微小衛星在近年來得到快速發展。微小衛星的應用模式發展多樣化，技術不斷創新且受互聯網思維影響，將在通信、遙感、導航、深空探測和科學技術試驗領域具有巨大的應用潛力。我國在發展微小衛星時應同時關注技術發展和政策機制，把握前沿技術和創新模式，考慮大規模運行可能帶來的問題，并從政策機制上做好統籌規劃，以推動微小衛星技術創新發展。

微小衛星；技術創新；模式創新

1 引言

近幾年，微小衛星技術快速發展，使其在不同領域不斷實現各類技術驗證和創新應用。一般，國際上微小衛星是指質量在500 kg以下的衛星，其中，500～100 kg的稱為小衛星，100～10 kg的稱為微衛星，10～1 kg的稱為納衛星，1～0.1 kg的稱為皮衛星，小于0.1 kg的稱為飛衛星。

受限于單星的規模和資源，微小衛星在超高精度與穩定度姿態控制、長時高功耗主動探測載荷支撐及軌道機動等方面能力有限。不過，通過技術發展，微小衛星已具備自己的特點，主要表現在：①采用微機電系統(MEMS)等高科技前沿技術，使其具有較高的功能密度。②由于體積和質量小，可與大衛星一起發射，也可一箭多星發射或通過空間站部署，發射方式靈活。③由于采用較成熟的先進技術及科學的管理手段，研制成本低，研制周期短。④突破了傳統的“一星多用、綜合利用”的設計思想，簡化單星設計，并可實現多星組網、分布式系統協同工作等新模式，應用靈活性強。

2015年，全球共成功發射微小衛星約150顆，占全年衛星發射總數的63.1%，而根據歐洲咨詢公司(Euroconsult)《小衛星市場預測》報告，2015―2019年，全球將發射510顆1～500kg微小衛星[1]。近年來，微小衛星的市場商業運作不斷擴大和資本的涌入，使商用微小衛星正在不斷崛起，涌現出大量新興商業小衛星公司，如美國的美麗大地(Terra Bella)公司(原天空盒子成像(Skybox Imaging)公司，于2016年3月更名)和行星(Planet)公司(原行星實驗室(Planet Labs)公司，于2016年6月更名)[2]。市場繁榮也激發了以研制大衛星為主要業務的傳統宇航公司對小衛星的關注力度，如波音(Boeing)、雷神(Raytheon)等公司也開始關注小衛星的研制。

本文研究總結了微小衛星發展的推動因素，重點分析了微小衛星發展的特點，并在此基礎上提出了我國微小衛星發展的幾點建議。

2 多元因素推動微小衛星快速發展

2.1 微小衛星技術發展，推動微小衛星業務化

新一代微小衛星在體積和質量不斷減小的同時，性能和應用能力得到了大幅提升，其中微納衛星尤為突出。美麗大地公司的天空衛星-1、2(SkySat-1、2)，以約90 kg的質量實現了1米級高分辨率視頻成像。行星公司的“鴿群”(Flock)系列衛星，實現了5 kg衛星獲取3.0～5.0 m分辨率的成像能力，并形成了數十顆衛星的在軌組網觀測。

經過最近10年的高速發展，微小衛星的各方面能力已取得突破性進展。在星上信息管理能力方面，片上系統(SoC)技術使處理性能大幅提升，大量的商業現貨產品(COTS)已通過了低軌空間環境的飛行驗證。得益于太陽電池片效率、蓄電池性能及電子產品小型化的發展，供配電系統性能不斷提升，太陽電池的效率達到29%～33%，鋰離子和鋰聚合物蓄電池的比能達到了250 W·h·kg-1[3]。通信方面，X頻段和Ka頻段的數據傳輸系統已經在100 kg或更小的衛星上應用和試驗，實現了百兆比特每秒量級的星地數據傳輸能力。在導航姿態控制方面，MEMS星敏感器、微型化飛輪和控制力矩陀螺(CMG)技術，不斷提升定位導航能力和姿態控制精度。這些技術的突破，使微小衛星的任務能力從最早的簡單演示性任務向高復雜性任務，乃至可以長期在軌服役的運營性任務邁進。

2.2 信息技術催生新應用，擴大微小衛星需求

信息技術的發展正在不斷地促進著航天技術的發展。隨著互聯網技術的應用，天基信息應用領域也會不斷變革。在對地觀測領域，面對全球事件的發生和發展過程動態監測將會是重要的發展方向，而這就要求解決高時間分辨率和較高空間分辨率能力同時實現的問題，微小衛星大規模星群化運行將是解決途徑之一。美麗大地公司完整的星座計劃由24顆衛星組成(目前已發射7顆)，采用大量現貨產品技術，開展天地一體全鏈路設計創新，推動天基遙感從成像向視頻拓展。衛星實現了0.9 m可見光和2.0 m多光譜分辨率的靜態圖像獲取，成像幅寬8 km，并能夠獲取時長90 s、30幀每秒、1.1 m分辨率的高清視頻數據[4]。此外，該公司基于云計算提供定制化服務，提供圖像/視頻數據在線瀏覽和分發業務，并基于圖像處理和數據挖掘實現對變化信息的監測。行星公司籌劃由100～150顆納衛星組成的星座，采用對陸地連續開機的工作模式，實現覆蓋區域內近實時觀測。衛星對地成像分辨率為3.0～5.0 m，可獲得短重訪周期和近實時數據更新，實現全球“熱點”與“全局”兼顧，并提供突發狀況應急響應和提前預警服務[5]。微小衛星在軍事應用領域也不斷創新，能夠縮短指揮與控制鏈條，直接服務戰區。美國陸軍“隼眼”(Kestrel Eye)星座用于向基層作戰人員快速、按需提供近實時的戰場圖像數據，支持“按下即拍”作戰模式，能在10 min內完成從前方作戰用戶發出任務請求到分發圖像的全部操作。

2.3 微小衛星成為商業資本不斷投入的切入點

互聯網技術、大數據技術的發展和橫向延伸，使衛星數據應用領域和商業化潛力凸現，數據應用及再開發的市場得到發展，從而吸引了更多的商業投資。微小衛星研制周期短、成本相對較低的特點，使其成為商業投資的最佳切入點。近兩年，很多私營企業和小型公司進入航天領域，使商業小衛星強勢崛起，其中商業對地觀測小衛星是核心項目。眾多商業遙感公司的目標是發展大量的微衛星并應用到更廣泛的領域，包括油氣資源勘探、自然災害預報、城市規劃、農業監測、交通導航和環境監測等。一網公司(One Web)提出了由600多顆衛星組網的低地球軌道寬帶互聯網接入星座項目，太空探索技術(Space X)公司也向美國聯邦通信委員會申請了更為龐大的由4400多顆衛星組成的星座系統。微小衛星的大規模部署也推動了發射技術的改變，而Space X公司作為商業航天領域的開拓者，其低成本的商業發射計劃能為大批量微小衛星的發射提供重要支撐。隨著微小衛星技術的進一步發展以及與商業的深入融合，商業化將有可能成為推動空間技術發展的重要動力。

2.4 發射模式多樣化，提高微小衛星的發射效率

不同于傳統大衛星的運載火箭定制專用發射，微小衛星的發射模式更加靈活，搭載發射和一箭多星已成為其發射的主要方式。2014年俄羅斯“第聶伯”(Dnepr)火箭成功實現1箭37星發射，2015年我國利用長征六號火箭成功實現1箭20星發射。這種密集的發射模式降低了微小衛星的發射成本，提高了大規模、批量化部署的能力，進一步推動了微小衛星的產業化發展。空間站釋放也是發射微小衛星的一種選擇，行星公司就利用“國際空間站”多次釋放了大量的皮衛星。針對逐漸增長的微小衛星發射需求，眾多宇航公司也在專門研制低成本小型運載器。此外，美國國防先進研究計劃局(DARPA)曾支持的空中發射計劃(ALASA)，可以將50 kg以下的微衛星送入預定的低地球軌道，并且具有“機動、靈活、高效、廉價”的特點，發射不受地理條件的限制，能夠更加充分利用運載能力，具有更高的發射效率。

3 微小衛星發展思路探討

3.1 不同功能定位采用不同的發展模式

總體來看，小衛星在面向業務應用方面，已經具備較強的能力，成為應用衛星的重要組成部分，如何提升技術指標、應用能力，并且保證壽命與可靠性，將是關注的重點，也是研制模式改革的核心。微衛星和納衛星則主要面向各種空間技術的創新驗證，成為技術革新的前沿力量，并已開始向實用化轉變，部分特殊應用領域允許對其降低技術、壽命和進入門檻，促進了新型研制模式的出現。小衛星的發展將面向實現高精度、高質量業務化需求，重點開發具有較高能力的通用性平臺，提升對不同類型有效載荷的適應性。例如英國薩瑞公司的SSTL-150/300平臺，能夠適用于不同分辨率和不同類型的光學載荷；日本開發的“具備新系統結構的先進觀測衛星”(Advanced Satellite with New System Architecture for Observation，ASNARO)平臺，采用通用化平臺架構設計，即在構型設計、機電接口設計和數據接口設計上采用標準化理念，并在電源、數據傳輸等功能上實現系列化配置，以適應可見光相機、合成孔徑雷達(SAR)、紅外成像儀等多種有效載荷，以及不同的任務需求[6]。微納衛星的異軍突起，使微小衛星的發展模式進一步細分，100 kg以下的微納衛星同樣具有重要的應用前景，這類衛星的發展則更注重平臺載荷的一體化設計，注重信息流和能源流的統籌和動態管理，注重微傳感器技術的應用，并且注重低成本現貨技術體制的建立和建造標準規范的制定，以支持未來大批量生產的實現。

3.2 新理念帶動微小衛星技術創新

新的理念催生新的模式，微小衛星的快速發展正是由近年來不斷出現的新應用理念和新技術理念所帶動的。微納衛星的發展與新出現的應用理念更加契合，更關注低成本、短周期、平臺載荷一體化的設計思想，從而在研制模式上向批量化、低成本的商用現貨方向發展。美國軍用微小衛星項目計劃，持續推進即插即用(PnP)技術，發展快速總裝、集成與測試(AIT)能力，驗證快速響應發射能力，激發了一批面向戰術應用的創新項目，除“作戰快速響應空間”(ORS)外，還相繼提出“太空對軍事作戰的使能效果”(Space Enabled Effects for Military Engagements，SeeMe)、“隼眼”等技術項目，以及“空間態勢感知”(STARE)星座等項目，發展作戰響應空間能力，與主戰場大衛星系統形成能力互補。

立方體衛星(CubeSat)體現了一種新的技術理念[7]。1U的立方體衛星質量約為1 kg，一般立方體衛星不會超過10 kg，屬于納衛星。傳統衛星研制和發射模式是衛星研制方根據任務開展衛星設計，并考慮如何尋找發射機遇，這兩者需要較好的匹配性，因此大多是專用發射，也有少量的搭載發射機會。而立方體衛星理念的核心是標準化，不僅體現在衛星的設計和功能模塊的標準化，也體現在發射接口/服務的標準化，因此衛星研制方在發射上就有了相對更為自由的選擇。

近年來受到關注的還有名為芯片衛星的飛衛星。芯片衛星是集成化理念的最大膽嘗試，其思想是利用10克級的芯片結構板，使其具備電源、數據處理和組網通信功能，并能作為平臺攜帶MEMS傳感器，實現在軌大量部署，執行多樣探測任務。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。

3.3 星座組網將成為微小衛星發揮效能的重要途徑

星座組網是微小衛星發揮效能的重要途徑，也是未來微小衛星應用的主要趨勢。歐洲薩瑞公司的“災害監測星座”(DMC)系列，是微小衛星星座化應用的代表。“軌道通信”(Orbcomm)小衛星星座的第2代搭載船只自動識別系統(AIS)載荷，能夠實現船只識別、跟蹤、防碰撞功能，支持高效海事交通管理。此外，包括數十顆甚至上百顆的微小衛星的星群項目也層出不窮，如美國BlackSky公司提出的60顆衛星星座，可實現1.0 m分辨率成像，90 min內獲得全球95%的圖像。QuaDra公司2015年提出全球野火火災監測星座，利用200顆衛星的星座，實現10.0～15.0 m分辨率成像，且具備15 min重訪能力。美國Spire公司的125顆衛星的星座，基于GPS掩星技術提供商業氣象數據和增值服務。這些項目的應用方式都是利用大規模衛星組網的覆蓋性，實現實時敏捷全球覆蓋探測。

4 微小衛星發展的啟示與建議

4.1 國外微小衛星發展的啟示

4.1.1 微小衛星發展是值得關注的應用方向

隨著技術的發展和應用模式的改變，新一代微小衛星所具有的開放式設計理念、集群式應用方式，以及商業化的發展模式，將會在未來空間技術創新和應用領域具備巨大的應用潛力。

(1)遙感和空間探測。微小衛星所具備的星群化運行，使其具備高時空分辨率信息獲取優勢，實現高精度近實時氣象監測、空間環境監測等系統應用，并且結合大數據技術，在構建全球地理信息大數據集方面具有巨大的應用前景。而其分布式的特點，將使應用多基地雷達的微小衛星系統、稀疏孔徑綜合成像及分布式微小衛星系統成為重要的發展方向。

(2)數據采集和網絡通信。微小衛星標準化、低成本的特點，使其有可能實現成百上千顆衛星部署，實現全球實時覆蓋，可在數據采集、移動通信及網絡星群等建設上具備發展潛力。而研制周期短、部署靈活等優勢，將使應急通信業務微小衛星系統具備優勢。

(3)科學與技術驗證。微小衛星可廣泛用于眾多科學目標的實現和創新技術的驗證。例如：導航中的X射線脈沖星測量與導航微小衛星系統，深空探測中的數據中繼微小衛星，太陽、行星及近地小行星多目標多任務探測微小飛行器等。此外，還包括空間站發射和伴飛微衛星、可返回可重復使用微小衛星、軌道或地外星球表面工作的微小智能機器人等。

4.1.2 微小衛星發展可能帶來的問題

在看到微小衛星技術巨大潛力的同時，也應當充分認識和預見到大規模微小衛星系統的發展所帶來的問題，這不僅表現在其對太空秩序的影響，也將表現在相關應用領域。

(1)空間安全。由于微小衛星壽命相對較短，并集中于低軌道，大量發射及壽命末期處理不當將會造成空間碎片隱患。這在以往也許并不被認為是威脅，但當低成本的微納衛星在軌數量以幾何級數增加后，必將成為受到廣泛關注的重要問題。另外，部分在軌微小衛星存在未按規定占用軌位、工作頻率等問題。微小衛星未來將更加市場化和大眾化，使其制造和應用的“準入門檻”降低，如何規范軌道和頻率資源的申請和占用，將會成為一個國際性問題，也會對空間安全造成一定的影響。

(2)衛星運行控制。大規模的組網運行模式，以及不斷增加的用戶數和任務量，對傳統的衛星運行控制系統提出挑戰。有限的集中式測控和數據接收模式，將很難適應超大規模星群的運控；而大量分散式運控系統的運行和用戶指令的發布，將會帶來行業管理、配套產品市場規范等新應用模式下的新問題。

4.2 對我國微小衛星發展的建議

我國應充分認識到微小衛星快速發展所帶來的技術變革和創新前景，從而在技術模式和政策機制兩方面都應不斷創新，以適應和促進我國微小衛星技術的發展。

(1)技術與模式方面。要同時關注微小衛星實現技術和應用技術兩方面的發展，關注微小衛星領域前沿及趨勢，特別是高性能、智能化、網絡化方向，注重開發關鍵性微系統部組件和微小型有效載荷，建立相關的技術標準與常態化搭載物流體系，推動標準化與產業化。同時，應發展現代信息技術，包括云計算、大數據等與衛星技術的融合交叉技術，開發新型商業模式，構建創新高效的研制模式和管理機制，激發市場活力。

(2)政策與機制方面。推動制定微小衛星發展戰略及規劃，營造良好的發展環境，重點包括提供微小衛星軌道資源與頻率資源的協調管理，支持相關機構制定、提供技術標準與安全準則，加強微小衛星領域的政、產、學、研、用、金合作和國際交流，建立微小衛星軍民融合與數據共享機制，完善微小衛星地面運營管理機制，鼓勵和創新多元化投資方式來支持微小衛星創新活動，全面推動微小衛星健康、快速、創新發展。

5 結束語

微小衛星的特點決定了其一直是航天新技術和新思想的活躍地帶，新的設計思想、新的技術思維和新的商業模式必將帶動微小衛星研制模式的變革。微小衛星作為航天技術創新的一支重要力量，其戰略影響正在顯現，已逐漸成為航天新技術試驗的重要載體和新概念產生的重要源泉，也將是空間系統和空間產業的重要平臺。我們應當關注當前國際微小衛星的發展熱潮，充分認識到微小衛星所代表的航天領域的技術創新發展，以及微小衛星所帶來的機遇和挑戰，建立有效機制，引領核心技術，實現創新發展。

References)

[1]Euroconsult. 510 Smallsat launches planned over next five years [EB/OL]. [2016-08-10]. http://www.euroconsult-ec.com/23_february_2015

[2]Jean K. 5 earth-imaging start-ups coming to a sky near you[J/OL]. [2016-08-10]. http://ieeexplore.ieee.org/ielx7/6/6776273/06776288.pdf？arnumber=6776288&￣origin=publication_detail

[3]Ames Research Center. Small space technology state of the art [EB/OL]. [2016-09-20]. http://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/small_space_technology_state_of_the_art_tagged.pdf

[4]Dirk R. High-resolution imagery and video from SkySat [C]//Proceedings of the 2014 JACIE Workshop. Virginia: United State Geological Survey, 2014: 1-32

[5]Robert H M, Seah P H. Global commerce in small sate-llites: trends and new business models [C]//Proceedings of the 28th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Washington D.C.: AIAA, 2014: 1-6

[6]Toshiaki Ogawa, Tetsuo Fukunaga, Shoichiro Mihara. The overview of Japanese small earth observation satellite program ASNARO (Advanced Satellite with New System Architecture for Observation)[C]//Proceedings of the 4S (Small Satellites Systems and Services) Symposium 2012. Paris： ESA, 2012: 1-6

[7]Hank H, Jordi P S, Angustus S M, et al. CubeSat: a new generation of picosat for education and industry low-cost space experimentation, SSC00-V-5 [C]// Proceedings of the 14th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Washington D.C.: AIAA, 2000: 1-19

(編輯：夏光)

Perspective on Development of Micro-small Satellites

LI Ming

(China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

Micro-small satellites have some characteristics such as high functional density, high technical performance, short R&D time, low cost and easy deployment and application. Due to the development of new technologies, the continuing commercial investment and the diversification of launch mode, micro-small satellites have gone through rapid development in recent years. Diversifications of development models, technology innovation and deep influence by internet are the characteristics of micro-small satellites development. Micro-small satellites will have great application potential in communication, remote sensing, navigation，deep space exploration and science & technology experiment fields. To promote the development of micro-small satellite innovation, we should focus both on technology and policy. Grasping the cutting edge technology and application innovation, considering the problems caused by large-scale constellation operation, and comprehensive planning of mechanism and policy are all needed.

micro-small satellite； technology innovation； mode innovation

2016-11-01；

2016-11-15

李明，男，博士，研究員，博士生導師，國際宇航科學院院士、俄羅斯宇航科學院院士，現任中國空間技術研究院副院長，科技委主任，主管空間技術研發、發展戰略研究等工作。Email:htq501@139.com。

V474

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.001