迎接“軌道革命”
——微小衛(wèi)星的飛速發(fā)展

林來(lái)興 張小琳

（1北京控制工程研究所，北京 100190）

（2北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

迎接“軌道革命”
——微小衛(wèi)星的飛速發(fā)展

林來(lái)興1張小琳2

（1北京控制工程研究所，北京 100190）

（2北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

根據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)十年（2016—2025）將發(fā)射2000～3000顆微小衛(wèi)星，將是一個(gè)微小衛(wèi)星飛速發(fā)展的時(shí)期。文章回顧了微小衛(wèi)星發(fā)展過(guò)程，分析其飛速發(fā)展的原因，以10個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例論證了微小衛(wèi)星今后的應(yīng)用前景。微小衛(wèi)星的飛速發(fā)展將引起一場(chǎng)“軌道革命”，可能會(huì)像IT技術(shù)那樣，再一次改變?nèi)祟惖纳鐣?huì)活動(dòng)，并深刻影響著每個(gè)普通人的生活。

“軌道革命”；微小衛(wèi)星；飛速發(fā)展；遙感星座；通信星座

1 引言

“軌道革命”（Revolution in Orbit）這個(gè)概念最早是在2014年美囯外交政策網(wǎng)刊出現(xiàn)的［1］，它的核心內(nèi)容是：飛速發(fā)展的微小衛(wèi)星與低成本火箭，極大地降低了進(jìn)入空間和利用空間活動(dòng)的門(mén)檻，也使空間技術(shù)和空間活動(dòng)開(kāi)始邁向新的時(shí)代——大眾空間時(shí)代［2］。

為此，本文著重論述微小衛(wèi)星飛速發(fā)展的原因以及應(yīng)用前景（低成本火箭作為飛速發(fā)展原因之一），微小衛(wèi)星的飛速發(fā)展必將引起一場(chǎng)“軌道革命”，可能會(huì)像IT技術(shù)那樣，再一次對(duì)人類的社會(huì)活動(dòng)、信息傳播和生活方式造成巨大的影響。

2 微小衛(wèi)星發(fā)展過(guò)程的回顧

現(xiàn)代小衛(wèi)星出現(xiàn)至今已有30年歷史，20年前根據(jù)我國(guó)國(guó)情和當(dāng)時(shí)國(guó)際上小衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)，把150kg以下的小衛(wèi)星劃分為微小衛(wèi)星。微小衛(wèi)星是一個(gè)統(tǒng)稱，按照衛(wèi)星質(zhì)量范圍又可分為以下4類：微型衛(wèi)星（質(zhì)量100kg量級(jí)，但不超過(guò)150kg）；納型衛(wèi)星（質(zhì)量在10kg量級(jí)）；皮型衛(wèi)星或立方體星（質(zhì)量在1kg量級(jí)）；飛型衛(wèi)星（質(zhì)量在100g量級(jí)）［2］。

在2000年前，除了20世紀(jì)80年代蘇聯(lián)發(fā)射一批納型衛(wèi)星作為被動(dòng)雷達(dá)校準(zhǔn)星以外，世界上對(duì)上述衛(wèi)星發(fā)射量很少，它們主要用于空間簡(jiǎn)單技術(shù)飛行試驗(yàn)和教學(xué)培訓(xùn)。直到2003年發(fā)射成功首顆立方體星后，微小衛(wèi)星中的納型/微型衛(wèi)星的發(fā)射量才逐漸增加。

特別是最近幾年世界上納型/微型衛(wèi)星發(fā)射量劇增。根據(jù)2015年6月美國(guó)北方空間研究所（NSR）咨詢公司發(fā)布的第二版小衛(wèi)星市場(chǎng)預(yù)測(cè)報(bào)告，未來(lái)10年（2016—2025）全球?qū)l(fā)射100kg以下微小衛(wèi)星2500多顆，若按我們對(duì)微小衛(wèi)星（150kg以下）的定義，則未來(lái)10年有望發(fā)射3000顆以上微小衛(wèi)星。以這樣速度發(fā)射微小衛(wèi)星應(yīng)該稱為飛速發(fā)展。

在這里，可把微小衛(wèi)星最近十多年的發(fā)展分為三個(gè)階段，參見(jiàn)圖1和圖2所示的微小衛(wèi)星（1～50kg）歷年發(fā)射數(shù)量預(yù)測(cè)［3－4］。（［注］微小衛(wèi)星，英文譯為Micro－small Satellite，國(guó)外沒(méi)有完全相適應(yīng)的名詞。目前國(guó)內(nèi)有些報(bào)刊往往把國(guó)外MicroSat（微型衛(wèi)星）或者Nano/MicroSat（納型/微型衛(wèi)星）都譯成微小衛(wèi)星，這是不確切的。它們僅為微小衛(wèi)星的一部分。微小衛(wèi)星是個(gè)統(tǒng)稱，確切意義應(yīng)包括前述四類。）

圖1 微小衛(wèi)星歷年發(fā)射量與預(yù)測(cè)量Fig．1 Number of micro－small satellite launched and to be lauhched

圖2 微小衛(wèi)星歷年發(fā)射量Fig．2 Number of micro－small satellite launched

（1）第一階段：2000—2011年，這12年間每年平均發(fā)射量為18顆左右。這反映了立方體星2003年首次發(fā)射成功以后，人們開(kāi)始認(rèn)識(shí)到立方體星和由它組成納型/微型衛(wèi)星所具有的優(yōu)勢(shì)。世界各國(guó)，特別是高校和研究機(jī)構(gòu)積極投入研究、研制與試驗(yàn)開(kāi)發(fā)工作。這個(gè)時(shí)期可以稱為納型/微型衛(wèi)星研究、研制與技術(shù)水平提高階段，也可稱為飛速發(fā)展準(zhǔn)備階段。

（2）第二階段：2012—2015年，這4年稱為快速發(fā)展階段。從發(fā)射數(shù)量來(lái)統(tǒng)計(jì)：2011年為20顆；2012年為36顆，是2011年的1．8倍；2013年為92顆，是2012年的2．5倍；2014年為158顆，是2013年的1．7倍；2015年預(yù)測(cè)約為200顆，是2014年的1．3倍［5］。這4年平均每年發(fā)射數(shù)量為120顆。

（3）第三階段：2016—2020年，這5年是預(yù)測(cè)階段，也稱為飛速發(fā)展階段。按美國(guó)Space Works咨詢公司預(yù)測(cè)，這5年總發(fā)射數(shù)量按通常情況估計(jì)為1440顆，每年平均為360顆；若按理想情況預(yù)測(cè)總發(fā)射數(shù)量1984顆，則每年平均為496顆。

分析上述三個(gè)發(fā)展階段：第一與第二階段，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了（僅有2015年發(fā)射量是估計(jì)的，而根據(jù)現(xiàn)有資料和2014年以前發(fā)射量來(lái)判斷，可以說(shuō)是有根據(jù)的）［56］。第三階段完全是預(yù)測(cè)的，這個(gè)預(yù)測(cè)能否實(shí)現(xiàn)，作者認(rèn)為將取決于下列三個(gè)因素：①各種計(jì)劃發(fā)射的大小星座，所需要納型/微型衛(wèi)星研制是否順利按時(shí)完成；②所需要資金是否及時(shí)獲得保證，每顆微小衛(wèi)星雖然成本低，但是整個(gè)星座所需要資金還是比較大的；③能否及時(shí)找到合適的運(yùn)載火箭和保證運(yùn)載火箭發(fā)射成功率。比如羊群（Flock）星座已有幾次火箭發(fā)射失敗和衛(wèi)星丟失。運(yùn)載火箭發(fā)射失敗，對(duì)星座組成不會(huì)造成太大影響，因?yàn)榛鸺l(fā)射都有保險(xiǎn)，發(fā)射單位可以獲得賠償。另外隨著時(shí)間推移，能夠發(fā)射微小衛(wèi)星的火箭越來(lái)越多，因此因素③的影響僅能推遲星座的組成時(shí)間。

綜上所述，最后結(jié)論是：未來(lái)微小衛(wèi)星的預(yù)測(cè)發(fā)射數(shù)量有可能發(fā)生一些波動(dòng)，發(fā)射時(shí)間可能有變化，但是發(fā)射數(shù)量不會(huì)有較大下降，未來(lái)微小衛(wèi)星飛速發(fā)展的大趨勢(shì)應(yīng)該是肯定的。

3 微小衛(wèi)星飛速發(fā)展的原因

微小衛(wèi)星飛速發(fā)展原因可以歸納成為兩方面：客觀原因和主觀原因。

1）客觀原因

微小衛(wèi)星投資成本低，研制周期短；應(yīng)用效益越來(lái)越好，效益與投資比日益升高?，F(xiàn)在微小衛(wèi)星開(kāi)發(fā)研制在國(guó)外已經(jīng)有許多私人企業(yè)在承擔(dān)，這說(shuō)明其具有很好的商業(yè)價(jià)值。除此以外，由于進(jìn)入微小衛(wèi)星門(mén)檻低，全世界許多高校和科研機(jī)構(gòu)都積極參與研究開(kāi)發(fā)，形成一支巨大科研力量，而且相互競(jìng)爭(zhēng)，從而將使技術(shù)水平快速提高。

2）主觀原因

（1）芯片技術(shù)、電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)（包括軟件）和信息技術(shù)等迅速發(fā)展至今依然遵循著摩爾定律。在市場(chǎng)上這些產(chǎn)品與設(shè)備性能日益提高，而價(jià)格持續(xù)下降。微小衛(wèi)星充分利用這些產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)一定篩選后完全符合上天要求。這是保證微小衛(wèi)星飛速發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。

（2）立方體星組成納型/微型衛(wèi)星，易于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。目前國(guó)際上已經(jīng)有多家企業(yè)專門(mén)制作出售1U，2U，3U…等立方體星結(jié)構(gòu)部件，還有些典型模塊，例如星敏感器、微小型飛輪等產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)需要選購(gòu)，也可以定購(gòu)（根據(jù)用戶新的要求），采用這些標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化產(chǎn)品，既方便又經(jīng)濟(jì)，而且可靠性也得到保證。

（3）低成本運(yùn)載火箭。過(guò)去對(duì)小衛(wèi)星來(lái)說(shuō)最大的難點(diǎn)是，適合的運(yùn)載火箭搭載機(jī)會(huì)少，且費(fèi)用昂貴，發(fā)射費(fèi)用一般會(huì)超過(guò)小衛(wèi)星本身的成本。而現(xiàn)在開(kāi)始出現(xiàn)的低成本火箭，將極大地增加小衛(wèi)星發(fā)射機(jī)會(huì)，且運(yùn)送微小衛(wèi)星的運(yùn)載工具也有許多形式［5］（一箭多星，多到幾十顆衛(wèi)星，將來(lái)還有上百顆微小衛(wèi)星可以同時(shí)上天）。除此以外，還有飛機(jī)和退役火箭改造成為發(fā)射微小衛(wèi)星的運(yùn)載工具。最典型實(shí)例是：美囯國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）提出采用火箭裝上多顆微型衛(wèi)星，搭載在飛機(jī)上，然后從飛機(jī)上釋放出火箭，最后由火箭把衛(wèi)星射入軌道，無(wú)須使用發(fā)射場(chǎng)；此計(jì)劃稱為“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”，它的目標(biāo)是在24h內(nèi)將45．4kg的衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入低地球軌道，而且每次發(fā)射成本約幾十萬(wàn)美元，這計(jì)劃已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施，若成功，則發(fā)射微小衛(wèi)星的費(fèi)用將降至每千克少于1萬(wàn)美元。另外，還有專門(mén)為小衛(wèi)星發(fā)射用的火箭，例如我國(guó)長(zhǎng)征六號(hào)等。最近美國(guó)空間探索公司（Space X）的獵鷹（Falcon－9）火箭發(fā)射回收的試驗(yàn)獲得成功，Space X公司宣稱今后衛(wèi)星發(fā)射費(fèi)用將有一個(gè)數(shù)量級(jí)的降低。

（4）微型推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，可以順利用到微小衛(wèi)星。過(guò)去許多微小衛(wèi)星基本沒(méi)有推力系統(tǒng)，使其應(yīng)用價(jià)值大打折扣。然而，無(wú)毒綠色推進(jìn)器已經(jīng)成功應(yīng)用到微小衛(wèi)星，例如SkySat衛(wèi)星。推進(jìn)系統(tǒng)一個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)是每千克質(zhì)量能提供的速度增量ΔV的大小?，F(xiàn)在微小衛(wèi)星冷氣推進(jìn)已經(jīng)達(dá)到20～30m/s，其他推進(jìn)系統(tǒng)將來(lái)有望達(dá)到上百米/秒。

（5）微小衛(wèi)星姿態(tài)確定和控制系統(tǒng)已成熟，基本上已經(jīng)從被動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定（自旋、重力梯度、磁穩(wěn)定）走向主動(dòng)三軸姿態(tài)控制，指向精度優(yōu)于0．1°～0．01°，在實(shí)驗(yàn)室可達(dá)到秒級(jí)。僅有一些特殊需求，才采用被動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定，而且姿控系統(tǒng)質(zhì)量也大為減輕。過(guò)去姿態(tài)確定和控制精度不高，曾極大限制微小衛(wèi)星的應(yīng)用價(jià)值。例如對(duì)地觀測(cè)，當(dāng)?shù)孛娣直媛蕛?yōu)于1m時(shí)，則相應(yīng)的要求指向精度優(yōu)于0．01°，同時(shí)還要求姿態(tài)穩(wěn)定度達(dá)到10－4（°）/s的水平?，F(xiàn)在由于輕型、微型姿態(tài)敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)，加上星上控制計(jì)算機(jī)硬、軟件發(fā)展，以上這些要求均已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，詳情可參閱文獻(xiàn)［6］。

（6）微米納米技術(shù)快速發(fā)展，使得微/納型機(jī)電系統(tǒng)（Micro/Nano Electromechanical Systems）在微小衛(wèi)星獲得成功應(yīng)用。

（7）星上電源技術(shù)得到突破?，F(xiàn)在微小衛(wèi)星星上電源已采用如下技術(shù)：三結(jié)輕型太陽(yáng)電池片，效率在30%左右；蓄電池采用鋰電池，技術(shù)指標(biāo)為200～300Wh/kg；電源控制采用星上計(jì)算機(jī)和軟件，從而達(dá)到最佳電源功率分配使用，合理充放電，使電源達(dá)到最好使用狀態(tài)。若將來(lái)進(jìn)一步發(fā)展，石墨烯電池能用于衛(wèi)星，則星上電源將有極大提升。除此以外，太陽(yáng)能電池翼采用輕型、靈巧展開(kāi)機(jī)構(gòu)。目前立方體星已有采用放射性同位素電源，可解決過(guò)去電源功率受限制的難題。

（8）微小衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展能達(dá)到過(guò)去常規(guī)衛(wèi)星無(wú)法完成空間任務(wù)的階段，這也是其飛速發(fā)展的重要原因，例如：①微小衛(wèi)星通信星座，采用眾多微小衛(wèi)星（甚至幾百顆）可以連續(xù)無(wú)縫覆蓋全球，衛(wèi)星又處在低軌道，通信發(fā)射功率降低近三個(gè)數(shù)量級(jí)，為此地面通信收發(fā)設(shè)備的體積、質(zhì)量和功耗需求大大降低，例如智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)、簡(jiǎn)易移動(dòng)通信收發(fā)設(shè)備都可以加入星座實(shí)現(xiàn)通信業(yè)務(wù)。②遙感星座，采用眾多微小衛(wèi)星，可連續(xù)覆蓋全球，重訪時(shí)間可以達(dá)到幾分鐘，甚至接近實(shí)時(shí)，現(xiàn)在遙感器無(wú)論微波和光學(xué)分辨率都能達(dá)到優(yōu)于1m，真正達(dá)到對(duì)地觀測(cè)近實(shí)時(shí)高精度的水平。③編隊(duì)飛行，利用幾顆微小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行，可以獲得單顆衛(wèi)星無(wú)法獲得的結(jié)果，例如星載干涉儀、全球三維定位系統(tǒng)等；如全球三維定位系統(tǒng)，采用20顆電子偵察衛(wèi)星，分成5組，每組4顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行；根據(jù)時(shí)差與頻差綜合定位原理，對(duì)地面雷達(dá)站位置可獲得0．5km的三維定位精度，比美囯“白云”電子偵察衛(wèi)星定位精度高近一個(gè)數(shù)量級(jí)，詳情可參考文獻(xiàn)［7］。

4 微小衛(wèi)星應(yīng)用前景

未來(lái)微小衛(wèi)星飛速發(fā)展的應(yīng)用前景，可以通過(guò)典型應(yīng)用實(shí)例來(lái)說(shuō)明?；趪?guó)際上近年發(fā)表的文獻(xiàn)和有關(guān)預(yù)測(cè)報(bào)告［8－9］，下面介紹國(guó)外10個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例。

4．1 羊群星座

美國(guó)行星實(shí)驗(yàn)室（Planet Labs）研制3U立方體星對(duì)地觀測(cè)羊群衛(wèi)星（Flock）。從2013年11月26日開(kāi)始發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星，經(jīng)過(guò)2014年和2015年兩年總共已成功發(fā)射95顆。發(fā)射工具有多種形式，有搭載、一箭多星和從“國(guó)際空間站”釋放入軌（事前先搭載貨運(yùn)飛船進(jìn)入空間站）等。公司計(jì)劃在2016年繼續(xù)發(fā)射，準(zhǔn)備由150顆星組成大型星座。軌道高度500km，可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，重訪時(shí)間接近實(shí)時(shí)（幾十分鐘）；采用長(zhǎng)期在線（Always on）工作模式，無(wú)須對(duì)衛(wèi)星下達(dá)成像指令，即可自動(dòng)持續(xù)獲取全球圖像。

羊群衛(wèi)星外形見(jiàn)圖3所示。衛(wèi)星姿態(tài)采用三軸控制。姿態(tài)測(cè)量由磁強(qiáng)計(jì)、速率陀螺和光電二極管組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由磁力棒和微型飛輪完成。星上電源由可展開(kāi)大面積太陽(yáng)能電池板和8個(gè)20Ah鋰蓄電池組成，電源功率使用分配由電源計(jì)算機(jī)執(zhí)行。通信為S頻段，頻率為2．4GHz，地面分辨率為3～5m。

羊群星座可基本上實(shí)現(xiàn)人類多年對(duì)地觀測(cè)的夢(mèng)想——廉價(jià)且隨時(shí)隨地能獲得高分辨的遙感信息。

圖3 羊群衛(wèi)星Fig．3 Flock satellite

4．2 一網(wǎng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座

一網(wǎng)（One Web）公司宣布將在2019年以前創(chuàng)建一個(gè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座——一網(wǎng)衛(wèi)星星座（One Web Satellite Constellation），計(jì)劃采用640顆微型衛(wèi)星組成大型通信衛(wèi)星星座。軌道高度為1200km，有20個(gè)軌道平面，每個(gè)軌道平面分布30顆衛(wèi)星，加上每個(gè)軌道平面必須有2顆備份衛(wèi)星，總共640顆微型衛(wèi)星。星座各顆衛(wèi)星軌道分布見(jiàn)圖4所示，基本上達(dá)到全球無(wú)縫覆蓋。衛(wèi)星通信為Ku頻段，采用相控陣天線，每顆衛(wèi)星可向互聯(lián)網(wǎng)輸入數(shù)據(jù)速率為50Mbit/s。一網(wǎng)衛(wèi)星外形見(jiàn)圖5。

圖4 One Web衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座Fig．4 One Web Satellite Constellation

圖5 One Web衛(wèi)星外形Fig．5 One Web satellite

由于衛(wèi)星處在低軌道，是地球同步軌道距離的1/30，通信發(fā)射功率與距離平方成反比，在1200km軌道的通信衛(wèi)星發(fā)射功率將降低3個(gè)數(shù)量級(jí)，即只須1/1000左右，為此，One Web衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座在地面接收可以采用簡(jiǎn)單收發(fā)設(shè)備，例如智能手機(jī)和筆記本電腦等都可以接收到衛(wèi)星下傳的信息。

此星座還有一個(gè)特色：將采用發(fā)射者－1（Launcher－1）火箭以上文所述的“空中發(fā)射輔助太空進(jìn)入”方式，發(fā)射這樣大數(shù)量的衛(wèi)星。

One Web衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座建立后，將使全世界70%以上的人口受益。它將成為屆時(shí)世界上最大的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以最低的通信遲延和最少的投入成本實(shí)現(xiàn)最快的通信數(shù)據(jù)傳輸。

4．3 天空衛(wèi)星星座

美國(guó)天空盒子公司（Skybox）研制的天空衛(wèi)星（SkySat），在2013—2014年先后發(fā)射了2顆試驗(yàn)衛(wèi)星，原計(jì)劃2015年發(fā)射3顆SkySat－3組成星座，進(jìn)行空間飛行試驗(yàn)，但至今尚未實(shí)現(xiàn)。

已發(fā)射的試驗(yàn)衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命4年，質(zhì)量100kg，光學(xué)成像全色分辨率0．8～0．9m，多光譜分辨率2m，太陽(yáng)同步軌道高度600km，相機(jī)由三片面陣拼接構(gòu)成，幅寬8km。

SkySat的最大一個(gè)特點(diǎn)，能夠?qū)δ骋坏孛孢M(jìn)行凝視觀測(cè)，即視頻錄像。每顆衛(wèi)星可以每次拍攝90s高清視頻，分辨率為1．1m，標(biāo)準(zhǔn)覆蓋為2km× 1．1km。經(jīng)過(guò)這些試驗(yàn)衛(wèi)星后，正式計(jì)劃在2016年以后開(kāi)始發(fā)射由24顆衛(wèi)星組成的星座，覆蓋全球，重訪時(shí)間為8小時(shí)。因增加有推進(jìn)系統(tǒng)，每顆衛(wèi)星質(zhì)量為120kg。SkySat首先在軌使用無(wú)毒綠色推進(jìn)系統(tǒng)。SkySat外形見(jiàn)圖6所示。

SkySat與過(guò)去分辨率相當(dāng)?shù)男l(wèi)星相比較，其成本低，每顆衛(wèi)星約5000萬(wàn)美元，是傳統(tǒng)衛(wèi)星的1/2～1/4。

天空盒子成像公司將對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用水平提升到一個(gè)新的高度，創(chuàng)建新的商業(yè)價(jià)值。為此谷歌公司（Google）以5億美元收購(gòu)了天空盒子成像公司，以拓展其衛(wèi)星照片和視頻服務(wù)能力。

4．4 外聯(lián)網(wǎng)立方體星星座

美國(guó)媒體發(fā)展投資基金（MDIF）公司計(jì)劃在2016年開(kāi)始在450km高的地球低軌道發(fā)射150顆立方體星，均勻分布覆蓋全球，并附有WiFi設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)除南北極地球圈以外的全球覆蓋，創(chuàng)建一個(gè)外聯(lián)網(wǎng)全球無(wú)線網(wǎng)絡(luò)星座（Outernet CubeSat Constellation）（見(jiàn)圖7），實(shí)現(xiàn)全球免費(fèi)WiFi。立方體星外形為1U立方體，如圖8所示。這種衛(wèi)星成本低，每顆衛(wèi)星包括發(fā)射費(fèi)在內(nèi)大約十幾萬(wàn)美元。

全世界到目前為止，大約還有2/5的人們無(wú)法享受到快速穩(wěn)定的固定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，這種外聯(lián)網(wǎng)星座的重要意義在于，能夠?yàn)榫幼∮谄h(yuǎn)山區(qū)、不發(fā)達(dá)地區(qū)以及負(fù)擔(dān)不起昂貴網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費(fèi)的人們，提供互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。

由于立方體星體積小，質(zhì)量?jī)H有2kg，星上功率3～4W，使外聯(lián)網(wǎng)僅能單向發(fā)送地面廣播信號(hào)。它類似于短波電臺(tái)，用戶可以免費(fèi)接收國(guó)內(nèi)外新聞和各種需要而不受限制的信息。

這里立方體星僅充當(dāng)中繼站，數(shù)據(jù)信息最終仍通過(guò)地面基站到達(dá)接收終端，則衛(wèi)星只是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)“無(wú)線路由器”而已。與此類似，還有谷歌公司的熱氣球天線網(wǎng)絡(luò)也是可取方案，無(wú)線信號(hào)收發(fā)載體換成熱氣球；由于其成本低，可使用功率大，可以實(shí)現(xiàn)用戶具有雙向收發(fā)功能，但是熱氣球覆蓋面積有限，難以達(dá)到全球覆蓋。

外聯(lián)網(wǎng)立方體星星座計(jì)劃分為兩個(gè)階段：空間飛行試驗(yàn)階段和全球無(wú)線網(wǎng)絡(luò)星座運(yùn)行階段。第一階段空間飛行試驗(yàn)，計(jì)劃發(fā)射14顆立方體星，在赤道平面組成低軌道星座；若試驗(yàn)獲得滿意結(jié)果，則開(kāi)始發(fā)射150顆立方體星組成星座，軌道高度450km（是地球同步軌道的1/80，通信功率可降低到1/6400），每顆立體星質(zhì)量為2kg。此計(jì)劃將在2018年左右完成。

如果試驗(yàn)結(jié)果不理想，不符合要求。估計(jì)可能與以下兩個(gè)原因有關(guān)：一個(gè)是立方體星功率太小或天線結(jié)構(gòu)不合適；另一個(gè)是立方體星發(fā)射數(shù)量不夠覆蓋全球。解決辦法有：加大星上功率與改進(jìn)天線結(jié)構(gòu)；另者增加發(fā)射立方體星數(shù)量。這兩條目前在技術(shù)上都可以解決而預(yù)計(jì)成本不會(huì)有太多增加，有可能由開(kāi)始設(shè)想的免費(fèi)改為廉價(jià)收費(fèi)。

4．5 提克衛(wèi)星－1和芯片衛(wèi)星組成星群

美國(guó)康奈爾大學(xué)于2014年成功研制提克衛(wèi)星－1（KickSat－1）和提克衛(wèi)星釋放的104顆芯片衛(wèi)星，如圖9所示。這些芯片衛(wèi)星組成一個(gè)星群（Swarm of ChipSats），分布在提克衛(wèi)星周圍。提克衛(wèi)星是3U結(jié)構(gòu)立方星，質(zhì)量5．5kg。芯片衛(wèi)星體積為3．5cm× 3．5cm正方形，厚度2．5mm，質(zhì)量5g，裝有星上電源、傳感器和通信系統(tǒng)的印刷電路板等，準(zhǔn)備進(jìn)行空間飛行試驗(yàn)。

提克衛(wèi)星于2014年4月18日由獵鷹（Falcon－9）火箭發(fā)射入軌。到4月30日提克衛(wèi)星計(jì)算機(jī)發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)事故。原來(lái)計(jì)劃在5月3日釋放芯片衛(wèi)星未能成功。幾天后提克衛(wèi)星又由于軌道太低（299km/331km，傾角為51．56°）很快墜入大氣層，最后整個(gè)任務(wù)失敗。雖然這次飛行任務(wù)沒(méi)有成功，但是已經(jīng)表明芯片衛(wèi)星能夠把衛(wèi)星各部分功能集成在單片集成電路上，同時(shí)也說(shuō)明微系統(tǒng)技術(shù)在空間應(yīng)用從部件級(jí)已上升到整星級(jí)。KickSat－2已準(zhǔn)備在2016年發(fā)射，將繼續(xù)進(jìn)行芯片衛(wèi)星空間飛行試驗(yàn)。

4．6 隼眼衛(wèi)星星座

美國(guó)陸軍在作戰(zhàn)響應(yīng)空間（ORS）計(jì)劃下，啟動(dòng)研制隼眼衛(wèi)星（Kestrel Eye），該任務(wù)有多種型式，這里僅介紹一種（Kestrel Eye BlockⅠ型）。隼眼衛(wèi)星質(zhì)量18kg，地面分辨率1．5m，軌道高度450km，每顆隼眼衛(wèi)星估計(jì)為130萬(wàn)美元，衛(wèi)星外形見(jiàn)圖10所示。星座包括5個(gè)軌道面，每個(gè)軌道面有8顆衛(wèi)星，星座共有40顆納型衛(wèi)星，其衛(wèi)星分布見(jiàn)圖11所示［10］。衛(wèi)星在滾動(dòng)軸可以左右轉(zhuǎn)±30°，最大轉(zhuǎn)動(dòng)速度滾動(dòng)軸為3（°）/s，俯仰軸為1．2（°）/s。

圖10 隼眼衛(wèi)星Fig．10 Kestrel Eye satellite

隼眼衛(wèi)星星座對(duì)地觀測(cè)可以拍攝由前線部隊(duì)指定地點(diǎn)的圖像，還可以單獨(dú)拍攝帶狀圖像，每幀圖像的地面面積為5．8km×3．8km，這些圖像可以在幾秒鐘時(shí)間送達(dá)用戶。

圖11 隼眼衛(wèi)星星座Fig．11 Kestrel Eye Constellation

4．7 黑天全球?qū)Φ赜^測(cè)星座

美國(guó)黑天全球公司計(jì)劃發(fā)射60顆微型衛(wèi)星組成的黑天全球?qū)Φ赜^測(cè)星座（Black Sky Global Earth Observation Constellation），如圖12所示。衛(wèi)星質(zhì)量50kg，星座對(duì)地觀測(cè)光學(xué)全色分辨率為1m，全球覆蓋重訪時(shí)間大約幾小時(shí)，并且有視頻圖像，每秒一幀。計(jì)劃在2016年底完成研制2顆試驗(yàn)衛(wèi)星，并發(fā)射進(jìn)行空間飛行試驗(yàn)，星座在2019年完成。軌道高度450～550km。黑天全球衛(wèi)星外形如圖13所示。

4．8 阿根廷遙感星座

阿根廷Satellogic公司為了設(shè)計(jì)研制對(duì)地觀測(cè)星座——阿根廷遙感星座（Satellogic），從2010年開(kāi)始研制納型衛(wèi)星，并于2014年6月發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星BugSat－1，該試驗(yàn)衛(wèi)星已成功驗(yàn)證納型衛(wèi)星技術(shù)。BugSat－1對(duì)地觀測(cè)精度為中分辨率，質(zhì)量22kg，外形尺寸為275mm×500mm×500mm，軌道高度570km/616km。公司宣布后續(xù)將計(jì)劃研制并發(fā)射300顆納型衛(wèi)星（質(zhì)量25kg，軌道高度630km）組成大型遙感星座（Satellogic）。Satellogic基本可以達(dá)到連續(xù)覆蓋全球，重訪時(shí)間大約10min，對(duì)地觀測(cè)為高分辨率，約2～3m［11］。

4．9 美國(guó)埃隆·馬斯克公司衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座

埃隆·馬斯克（Elon Musk）公司準(zhǔn)備研制700顆微型衛(wèi)星組成的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座［8］，資金由太空探索（Space X）公司承擔(dān)。公司名稱也是以Space X公司創(chuàng)始人命名。該星座與One Web通信衛(wèi)星星座（本文實(shí)例2），無(wú)論軌道高度、衛(wèi)星質(zhì)量、發(fā)射時(shí)間、星座要求和達(dá)到目標(biāo)等，幾乎完全一樣。這使人們感到兩者星座好像在進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。該星座也是Space X公司過(guò)去宣布要發(fā)射4000顆衛(wèi)星的一部分。

4．10 氣象衛(wèi)星星座

目前氣象衛(wèi)星有極軌道和地球靜止軌道兩種形式。前者可以覆蓋全球，即預(yù)報(bào)全球氣象，但是預(yù)報(bào)精度差，因?yàn)楦采w全球一次要幾天，少量氣象衛(wèi)星解決不了這個(gè)問(wèn)題，而地球靜止軌道氣象衛(wèi)星可以對(duì)某地區(qū)較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)氣象，但是僅在一個(gè)地區(qū)，其覆蓋面積有限，且衛(wèi)星質(zhì)量大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、發(fā)射費(fèi)用高。

最近美國(guó)有兩家公司提出了下面新的氣象衛(wèi)星星座。

1）地球光學(xué)公司星座

地球光學(xué)公司（Geo Optics）計(jì)劃近兩年，創(chuàng)建商業(yè)氣象業(yè)務(wù)，發(fā)射基于GPS無(wú)線電掩星（GPS Radio Occultation）技術(shù)的多顆衛(wèi)星組成星座，向美國(guó)政府和大眾市場(chǎng)提供高精度商業(yè)氣象數(shù)據(jù)與相關(guān)服務(wù)。該計(jì)劃由24顆微型衛(wèi)星組成星座，衛(wèi)星質(zhì)量為100kg，分布在地球低軌道，構(gòu)成“連續(xù)地球遙感觀測(cè)一致性倡議”（CICERO）星座，衛(wèi)星外形見(jiàn)圖14所示。

2）塔尖公司星座

塔尖公司（Spire）計(jì)劃在2016年以后第一批發(fā)射20顆3U立方體星座組成星座，立方體星質(zhì)量4kg，第二批擴(kuò)展到100顆以上，進(jìn)一步提高氣象預(yù)報(bào)精度。

圖14 地球光學(xué)公司“連續(xù)地球遙感觀測(cè)一致性倡議”衛(wèi)星外形Fig．14 Configurations of CICERO

2015年公司在2015年9月28日已經(jīng)成功發(fā)射4顆Lemu立方體星試驗(yàn)衛(wèi)星，軌道高度為650km/650km，傾角為6°，據(jù)報(bào)道試驗(yàn)結(jié)果良好。Lemu立方體星外形見(jiàn)圖15所示。

4．11 小結(jié)

綜上所述，所列出的這10個(gè)應(yīng)用實(shí)例，可分為兩類：第一類為正在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制或發(fā)射階段；第二類為設(shè)計(jì)研究與試驗(yàn)、方案論證或計(jì)劃階段，如表1所示。第一類成熟度較高，達(dá)到預(yù)計(jì)結(jié)果可能性較大，第二類成熟度稍差。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所舉出的實(shí)例僅為微小衛(wèi)星的一部分。若以表1為基礎(chǔ)來(lái)分析，再加上其他因素，則全部微小衛(wèi)星（150kg以下）未來(lái)十年預(yù)測(cè)發(fā)射數(shù)量將在3000顆以上。根據(jù)實(shí)際研制和需求調(diào)查分析，未來(lái)十年全部微小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量最少也應(yīng)在2500顆左右。若按此數(shù)量，其將占屆時(shí)的全球航天器總發(fā)射數(shù)量1/2以上。這對(duì)航天技術(shù)來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的變化，同時(shí)也給出了一個(gè)明確預(yù)告：當(dāng)前應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的“軌道革命”做好一切技術(shù)準(zhǔn)備，以求未來(lái)可站在“軌道革命”的前列。

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（編輯：張小琳）

To Meet“Revolution in Orbit”：Rapid Development of Micro－small Satellite

LIN Laixing1ZHANG Xiaolin2
（1Beijing Institute of control engineering，Beijing 100190，China）
（2Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

According to the forecast，the next ten years（2016—2025）will have 2～3thousand micro－small satellite to be launched，which can be referred to as the rapid development of microsmall satellite．To this end，this paper first reviews the development process of micro－small satellite，discusses the reasons for the rapid development，and finally demonstrate the future application prospects of micro－small satellite with 10typical application examples．This article belives we will meet a coming“Revolution in Orbit”．“Revolution in Orbit”will，like the IT technology，once again change the social activities of people，and impact deeply the lives of ordinary people．

“Revolution in Orbit”；micro－small satellite；rapid development；remote sensing constellation；communication constellation

V11

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．013

2016－02－05；

2016－03－01

林來(lái)興（1932－），男，研究員，從事航天控制、小衛(wèi)星編隊(duì)飛行研究。Email：laixing＿lin@sina．com。