全球小衛星發展回顧

何慧東（北京空間科技信息研究所）

全球小衛星發展回顧

2016 Year in Review: World Small Satellites

何慧東
（北京空間科技信息研究所）

2016年，全球共發射500kg以下的小衛星121顆。盡管發射數量連續第二年出現下降，但仍是各國航天計劃的重要組成部分，連續4年成功發射的衛星過半為小衛星。在各個領域，既有小衛星星座加速部署，新型小衛星星座繼續涌現，創新概念和技術受到廣泛關注，又有應用模式的加速創新，各界繼續看好小衛星市場發展。

1 2016年全球小衛星發射統計

全球小衛星發射數量再次回落

在2016年全球發射的小衛星中，0～10kg衛星78顆，10～100kg衛星23顆，100～500kg衛星20顆，小衛星數量占同期入軌航天器總數的57.89%，是各國航天重要的發展領域。從衛星發射數量上看，高潮繼2015年首度回落后，2016年小衛星發射數量再次減少，但依舊處于歷史較高發射水平，連續4年保持在120顆以上。

2 0 1 6年9月1日，美國太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falcon－9）運載火箭在發射臺上測試時發生爆炸，使該型火箭后續發射計劃受到影響，也使小衛星的部署進度產生拖延。另一方面，小衛星領域重要參與者美國行星公司（Planet）在衛星部署上進入周期性下降階段，2016年分2批共發射了32顆“鴿群”（Flock）衛星，而在前2年分別成功部署了67顆和42顆。目前看來，發射機會、星座周期性部署等因素都對小衛星發射數量產生影響，而發射機會有限更是成為限制小衛星發展的重要因素。

近5年全球成功入軌小衛星數量統計

10kg以下納衛星數量占絕對優勢

近5年全球成功入軌小衛星質量分布

將小衛星質量分為0～10kg、10～100kg、100～500kg進行統計，可以看出∶自2013年小衛星數量大幅增長以來，0～10kg的小衛星數量占據絕對優勢，商業公司和大學是這些納衛星的主要研制和運營方。10～100kg和100～500kg的小衛星發展較為均衡，數量保持在20顆上下。

美國發射數量減少，日本、印度發射數量顯著增長

從衛星所屬國家看，美國共發射66顆小衛星，占總數的55%，位居首位，但相較2015年的93顆大幅減少。中國發射17顆小衛星，位居次席。日本、歐洲、印度、俄羅斯分別發射9顆、8顆、5顆、2顆小衛星，列3～6位，2016年日本、印度發射小衛星數量較2015年顯著增長。其他國家和地區發射14顆小衛星，其中，菲律賓發射了該國首顆微衛星，阿根廷的首批商業對地觀測衛星開始部署，以色列和秘魯以小衛星為平臺部署了偵察衛星。此外，阿爾及利亞、印度尼西亞和新加坡等國繼續在小衛星領域保持良好發展勢頭，通過自主研發或國際合作的方式獲得航天能力。

對地觀測小衛星繼續增長，通信小衛星部署處于低谷

從小衛星應用領域看，對地觀測衛星在整體發射數量回落的情況下仍保持增長，從2015年的69顆增至2016年的77顆，占小衛星總數的64%；通信小衛星在部署層面處于低谷階段，發射數量大幅減少，從2015年的21顆減少至2016年的1顆，大量新提出的通信系統正處于設計和研制階段，尚未開展部署；技術試驗仍是小衛星重要的應用領域，2016年共發射40顆；科學衛星3顆，開展了基本物理原理、大氣科學和電離層相關的研究。

軍民商小衛星數量均下降，民商小衛星比例增加

小衛星應用領域統計

小衛星所屬國家統計（單位：顆）

小衛星資產屬性分布

從小衛星資產屬性看，2016年發射的軍用、民用和商用小衛星數量分別是11顆、51顆和59顆，占總數的42%、49%和9%，發射數量整體下降，民用、商用小衛星比例略有增加。2016年，商用小衛星發展趨勢較為平緩。值得注意的是，與2015年主要依靠“鴿群”、“軌道通信衛星-第二代”（OG2）和“災害監測星座”（DMC）三大系統不同，2016年，“鴿群”、“狐猴”（Lemur）、“天空衛星”（SkySat）系統成為商業小衛星新的三駕馬車，分別發射了32顆、13顆和5顆，共占所有商業衛星的84.7%。

2 2016年小衛星重要進展

對地觀測市場持續繁榮，既有星座加速部署，亦有新型星座不斷涌現

（1）新興商業遙感發展強勁

天空盒子成像公司（Skybox Imaging）2016年初更名為特拉貝拉公司（Terra Bella），并加速星座建設步伐。2016年6月發射了新一代天空衛星－C1，9月又發射了后續4顆衛星。新一代“天空衛星”由勞拉空間系統公司（SS/L）制造，分辨率0.9m，質量約120kg，具備推進能力，設計壽命超過10年。“天空衛星”星座建設完成后，該公司將對大多數地區實現每天3次重訪，部分地區實現4次重訪，高緯度地區的重訪率會稍低。

印度制圖衛星－2C

2 0 1 6年5月，阿根廷衛星邏輯公司（Satellogic）發射了“阿列夫”[Aleph-1，即新衛星－1（NewSat－1）]對地觀測衛星星座的首批2顆業務衛星。單星質量37kg，能夠獲得1m分辨率的多光譜圖像。該公司是一家小衛星創業公司，計劃制造和發射300顆對地觀測小衛星并構建星座，將能實現5min內對全球任意位置重訪。

美國白宮2016年10月發布《利用小衛星革命》倡議，提出了一系列措施促進小衛星發展，其中部分措施在數月前已經開始實施。美國國家地理空間情報局（NGA）加大力度推進商業地理空間情報采辦戰略落地實施，利用大規模低軌商業遙感星座滿足軍方對高時效性地理空間情報的需求。2016年9月，行星公司獲得美國國家地理空間情報局2000萬美元采購合同，成為其推行商業地理空間情報戰略的重要服務商。行星公司將基于“鴿群”星座采集的全球中分辨率遙感圖像，為美國國家地理空間情報局快速高效地提供地理空間情報信息支持服務。“鴿群”星座由美國行星公司構建，單星質量約5kg，分辨率3～5m，自首顆業務衛星發射入軌以來，截至2016年底累計成功發射141顆3U立方體衛星，其中2016年完成2次發射，共部署32顆。

美國初創公司黑天全球公司（BSG）推出的高分辨率光學遙感星座首顆驗證星探路者－1（Pathfinder－1）成功發射，該星座由60顆小衛星構成。9月26日，該衛星搭乘印度“極軌衛星運載火箭”（PSLV）發射進入太陽同步軌道，衛星質量44kg，分辨率1m，設計壽命3年，安裝有推進系統。后續計劃于2017年發射3顆業務衛星，并于2020年完成60顆衛星星座的建設，屆時可在90min內響應用戶的成像需求。黑天全球公司商業遙感衛星和美國軍用“鷹眼”（Kestrel Eye）衛星設計均由該公司的母公司美國空間飛行工業公司（Spaceflight Industry）完成，衛星平臺性能、有效載荷能力均高度相似。

（2）傳統航天機構強勢進軍小衛星對地觀測市場

2 0 1 6年2月，美國數字地球公司（DigitalGlobe）與沙特阿拉伯政府簽訂合作協議，聯合研制光學對地觀測小衛星星座，衛星數量至少6顆，分辨率優于1m，計劃于2018和2019年發射。星座能夠使用數字地球公司現有的地面設施進行簡易操作，并為該公司的地理空間大數據平臺提供圖像數據來源。數字地球公司表示將會使用其現有的圖像生產能力提高小衛星圖像的固有精度。數字地球公司、沙特科技發展與投資公司（TAQNIA）、阿卜杜勒阿齊茲國王科技城（KACST）3個合作方將分割生產、銷售和市場責任∶阿卜杜勒阿齊茲國王科技城負責制造、集成和發射衛星，并擁有沙特和周邊地區50%的成像能力；沙特科技發展與投資公司擁有沙特和周邊地區50%的市場銷售權；數字地球公司擁有剩余的衛星成像能力和市場銷售權。

2016年9月，空客防務與航天公司（ADS）研制的秘魯衛星－1（PeruSat－1）成功發射，該衛星是秘魯首顆偵察監視衛星，由秘魯軍方負責運行管理。衛星基于緊湊型天體平臺－S（AstroBus－S）研制，采用創新的碳化硅光學成像系統，發射質量430kg，設計壽命10年，分辨率0.7m。秘魯衛星－1研制周期低于2年，其發射成功標志著空客防務與航天公司在快速研制高分辨率小衛星方面的能力進一步提升。

2016年9月，以色列“沙維特”（Shavit）運載火箭從帕爾瑪奇姆空軍基地升空，將地平線－11（Ofeq－11）光學成像偵察衛星送入高380km×600km、傾角142°的低地球軌道。“地平線”系列衛星是以色列研制的成像偵察小衛星，由以色列國防部投資并運行，為以色列情報部門和軍事作戰部門提供戰略和戰術圖像情報。該系列衛星一直堅持走小衛星的發展道路，地平線－11是新型光學成像偵察衛星的首發星，采用OPSAT－3000衛星平臺和“木星高分辨率成像系統”（Jupiter），該成像系統口徑70cm，幅寬15km，全色分辨率0.5m，多光譜分辨率2m。

美國“颶風全球導航衛星系統”在軌飛行示意圖

2016年12月，美國航空航天局（NASA）利用飛馬座－XL（Pegasus－XL）運載火箭成功發射“颶風全球導航衛星系統”（CYGNSS），這是NASA首個科學小衛星星座，該星座由8顆小衛星組成。“颶風全球導航衛星系統”將通過測量此前未知的重要信息，深入認識熱帶氣旋和颶風的形成以及強度，改善對颶風強度、軌跡和風暴潮的預報。每顆小衛星的尺寸為51cm×38cm×28cm，太陽電池翼翼展1.68m，質量29kg。

低軌通信星座再掀熱潮，巨型星座項目邁入研制階段

全球泛在的網絡接入、物聯網連接服務需求持續高漲，推動低軌通信衛星星座發展掀起新一輪熱潮，數百顆乃至數千顆的巨型通信衛星星座項目相繼涌現。

繼美國陸軍發展了“空間與導彈防御司令部-作戰納衛星效果”（SMDC-ONE）通信納衛星后，美國海軍也啟動實施了“綜合通信能力延伸”（ICECap）衛星項目。該衛星是3U立方體衛星，單星質量約5kg，可采用標準寬帶碼分多址（WCDMA）技術與美軍“移動用戶目標系統”（MUOS）衛星通信，保障美軍大型通信衛星無法覆蓋區域的通信能力，如極地地區的特高頻（UHF）數據中繼能力。

美國“一網”衛星在軌飛行示意圖

在商業市場，低軌寬帶互聯網接入衛星星座繼續推進。2016年1月，空客防務與航天公司與一網公司（ONEWEB）宣布建立合資公司—一網衛星公司（ONEWEB Satellite），雙方對合資公司擁有相等的股權。一網衛星公司將設計和制造900顆OneWeb星座衛星，包括648顆業務衛星和若干顆備份星，提供全球高速互聯網接入服務。每顆衛星質量小于150kg，并將運行在低地球軌道。一網衛星公司將在法國圖盧茲建立一條生產線原型，生產前10顆衛星，測試工業化批量生產方式，隨后在美國佛羅里達州的工廠制造其余衛星。2016年6月，一網衛星公司與加拿大麥德公司（MDA）、法國索登公司（Sodern）、英國特利丹防務公司（Teledyne Defence）簽訂了供應合同，分別從這3家公司獲得3600套天線分系統、1800套星敏感器以及通信中繼器設備。衛星預計從2018年開始由阿里安空間公司（Arianespace）和維珍銀河公司（Virgin Galactic）發射入軌，并使用自帶的電推進系統到達各自的軌道位置。

2016年6月，美國波音公司（Boeing）向美國聯邦通信委員會（FCC）申請運行低地球軌道系統的許可和與之相應的頻段（50.4～51.4GHz和51.4～52.4GHz），同時披露了建立一個低地球軌道衛星星座的意圖。9月，波音公司公開為其提出的非地球同步軌道V頻段寬帶星座尋求合作伙伴。波音公司計劃的星座規模達2956顆衛星，初期將部署1396顆，衛星運行在高1200km的軌道。

2016年7月，美國全球空天公司（SSG）公布了200顆微衛星組成的低成本窄帶通信衛星星座計劃，向全球提供話音傳送、即時通信和數據轉發服務。公司計劃將整個星座的制造、發射和運行成本控制在1.2億～1.6億美元，相當于1顆地球同步軌道通信衛星的制造或者發射成本。目前，前3顆衛星已經獲得了投資，將用于驗證后續業務衛星的技術參數，衛星計劃采用S和L頻段，首發衛星計劃2017年發射，業務衛星計劃在2018年發射。星座引入網絡管理軟件實現自我管理，能夠減少地面站對星座的干涉。

2016年9月，歐洲泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）與低軌衛星公司（LEOSAT）簽署研發“低軌衛星”（LeoSat）星座的B階段合同。該星座將由在低地球軌道上的78～108顆高功率Ka頻段衛星構成，為大型企業和政府機構提供全球范圍的高速率、低時延寬帶服務。初始階段完成了對“低軌衛星”星座的初步定義，并確定了系統的技術可行性和與其他Ka頻段服務的兼容性，之后的B階段要對整個系統構建和性能指標進行詳細定義，包括地面段和空間段兩個部分。

美國“低軌衛星”星座示意圖

空間碎片移除和在軌服務技術廣受關注，創新概念相繼獲得政府資助

2016年5月，歐洲空客防務與航天公司獲得歐盟委員會（EC）資助，研發“航天器自移除技術”（TeSeR）。“航天器自移除技術”是一項空間碎片移除計劃，用于應對失效和失控衛星對現役衛星產生的威脅，為期2年，耗資310萬美元。該計劃將對高效費比、高可靠的移除模塊初樣進行初始研究，測試和驗證固體推進系統、阻力增強系統、電動力系繩等3種不同的移除技術。移除模塊將確保航天器名義運行壽命結束后得到處置，并可用于移除在軌失控的航天器。“航天器自移除技術”將為政府和商業運營商提供模塊化、標準、可靠、低成本的解決方案。該計劃已于2016年2月啟動，并預計在2018年完成地面初樣。

2016年，英國有效航天解決方案公司（ESS）與一家靜止軌道通信衛星運營商簽訂了為期數年的延壽服務意向書。公司計劃部署大量具有通用對接系統的小衛星，以此向衛星運營商提供衛星延壽、再定位、軌道修正、傾斜修正、投入使用（BIU）、離軌等服務。

小衛星在軌服務系統示意圖

2 01 6年6月，N A S A向美國航空航天公司（Aerospace）撥款，研究利用超薄航天器包裹空間碎片并移除的可行性。這個創新概念稱作“膜衛星”（Brane Craft），衛星尺寸1m×1m×30μm，質量50g，可利用其較大的能量-質量比和口徑-質量比等物理特性實現空間機動，并利用靜電變形原理包裹并移除空間碎片。

衛星平臺型譜不斷完善，微推進技術持續進行驗證

國外研究機構、商業公司持續投入，不斷完善小衛星平臺型譜，加緊研制微推進系統、微型成像載荷等關鍵技術，推動小衛星業務化應用能力繼續提升。

新型微納衛星平臺型譜不斷涌現，更低成本、更短周期、更具靈活性的100kg以下微納衛星成為關注熱點。2016年，英國薩瑞衛星技術公司（SSTL）推出薩瑞衛星技術公司－12納衛星平臺，采用三軸穩定控制，安裝有單粒子翻轉（SEU）容錯星載計算機，使用VxWorks操作系統，具有S頻段發射和接收機，適用于3～25kg的衛星任務。該納衛星平臺能夠與世界上主要運載火箭的發射部署器兼容，相較其他公司的同級別平臺，具有更大的功率、更小的質量和更強的有效載荷能力。美國約克空間系統公司（YSS）穩步推進AESV-S級衛星平臺的開發，平臺采用三軸穩定控制，質量65kg，可承載90kg的有效載荷，可為載荷提供的軌道平均功率達100W，庫存平臺的交付時間僅需1周。S級衛星平臺可進行批量制造，構建星座，能夠支持成像偵察、氣象和通信等多種類型的任務，可將衛星成本降低1個數量級。

小衛星空間機動能力頗受關注，新型推進系統不斷在軌驗證。2016年1月，航空噴氣-洛克達因公司（Aerojet Rocketdyne）與NASA建立公私合營關系（PPP），聯合研發MPS－130型立方體衛星推進系統，使用AF－M315E綠色燃料，相對傳統肼推進劑，更安全、更有效、性能更高。新型推進系統能提高立方體衛星的在軌任務能力，延長任務的壽命，提高架構的彈性，衛星通過軌道機動能夠執行復雜的接近操作和編隊飛行任務。4月，NASA馬歇爾航天飛行中心（MSFC）開始對“電動帆”（E-Sail）推進系統概念進行測試，測試結果將為“太陽風層頂靜電快速運輸系統”（HERTS）提供建模數據。“電動帆”是一種不借助燃料的、利用太陽風進行星際航行的推進系統，系統從航天器伸出10～20根鋁制裸露的充電導線，導線直徑僅1mm，長度近20km，形成一個很大的圓形“電動帆”，充正電的導線與太陽風中質子靜電排斥，獲得空間推力。該推進系統能以前所未有的速度將航天器送至太陽系邊緣—太陽風層頂。目前，“電動帆”綜合推進系統所需技術的成熟度仍處于較低水平，試驗為期2年，得到了NASA創新先進概念（NIAC）的資助。

美國“電動帆”示意圖

3 結束語

在政府、軍方、商業市場的需求牽引下，小衛星系統技術高速發展，市場持續看漲，單顆衛星和星座性能快速提升，衛星制造環節引入批量化、流水線理念，發射、運行管理、應用等上下游產業多點開花，應用領域不斷細分，推動應用模式加速創新。未來，隨著小衛星平臺不斷成熟，微小型化載荷技術不斷發展，以及低成本、多樣化的進入空間技術相繼投入服務，小衛星將獲得更廣泛的應用與發展，其技術理念、應用模式將更加開放和創新。