小衛(wèi)星和微納衛(wèi)星應用現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

陸 震

(北京航空航天大學, 北京 100191)

人造衛(wèi)星在國計民生和國防建設中具有重要作用，全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星(如美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的 GLONASS、歐洲的GALILEO)、氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、情報衛(wèi)星和偵察衛(wèi)星等都是重要的空間資產。這些衛(wèi)星質量都在500 kg以上，本身設計制造成本高，并需要用大推力火箭發(fā)射，發(fā)射成本巨大。研究和發(fā)射這樣的衛(wèi)星要依托國家經濟實力和航天科技水平，只有具備足夠財力和科技水平才能參與，主要用于各大國戰(zhàn)略項目以及國際合作項目。一般商業(yè)用途是無法負擔的，局部軍事戰(zhàn)術作戰(zhàn)也不便使用。

按照摩爾定律，集成電路的器件密度每兩年翻一番，電子電路微型化和集成化趨勢以及微機光電系統(tǒng)的出現(xiàn)與智能產品的日新月異，為小型衛(wèi)星和微納衛(wèi)星提供了良好的發(fā)展基礎和廣闊的應用空間。衛(wèi)星小型化、微型化大大減少衛(wèi)星本身的研制成本以及發(fā)射成本，為一般商業(yè)應用和軍事戰(zhàn)術應用降低了使用門檻。目前微小衛(wèi)星技術已發(fā)展到以微米、納米技術為基礎，得益于消費電子行業(yè)在價格和性能方面的持續(xù)改進。特別是在智能手機中： 一個典型的手機現(xiàn)在可能包含一個加速度計測量移動速度，一個磁力計檢測磁場并提供一個羅盤讀數，一個GPS接收器拾取衛(wèi)星定位數據，多個無線電發(fā)射器和接收器，一個陀螺儀測量角速度，一個氣壓計檢測壓力，以及兩臺攝像機等。2014年世界上第一個“手機衛(wèi)星”進入軌道。 這是一款結合到名為STRaND-1的三單元立方星中的Google Nexus One智能手機，其立意是在空間環(huán)境中測試智能手機的組件。這個衛(wèi)星由專門從事小型衛(wèi)星業(yè)務的英國薩里衛(wèi)星技術公司(Surrey Satellite Technology Ltd,或 SSTL)建造的。 這款手機裝載了許多實驗性應用程序，用于在軌道拍攝照片和記錄磁場等事情。利用智能手機和其他消費電子產品提供的豐富現(xiàn)成技術，以及星座和集群技術可以使微納衛(wèi)星執(zhí)行百倍于其尺寸的大衛(wèi)星的許多功能，成本大大降低。

小型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星可還以多次發(fā)射，不必擔心個別失敗。由于微小型衛(wèi)星質量小，可以一箭多星，或者可以作為二次負載利用大型運載火箭剩余的運力發(fā)射，進一步降低發(fā)射成本。例如2013年11月19日和21日，美、俄兩國先后以一箭29星和一箭32星的方式將多顆衛(wèi)星送入軌道；2014年1月9日，美國創(chuàng)造一箭34星的發(fā)射紀錄，6月19日俄羅斯再次將紀錄刷新為一箭37星；2014年9月，美國SpaceX研發(fā)的龍飛船獲得美國國家宇航局(NASA)26億美元合同大單，將協(xié)助美國宇航員往返國際空間站。該公司網站披露了其目前正在醞釀的700顆微納衛(wèi)星組網方案。2015年9月20日，我國新一代運載火箭“長征六號”首飛任務中一箭發(fā)射20顆星，發(fā)射的這些衛(wèi)星絕大多數為微納衛(wèi)星。

1 小型衛(wèi)星和微納衛(wèi)星的類型和發(fā)展

根據質量不同小衛(wèi)星分為小型衛(wèi)星或迷你衛(wèi)星(Small satellite，Minisatellite)，濕質量(包括燃料)為100～500 kg(220～1 100 lb)；微型衛(wèi)星(Microsatellite)，濕質量為10～100 kg(22～220 lb)；納米衛(wèi)星(Nanosatellite)，濕質量為1～10 kg(2.2～22.0 lb)；皮衛(wèi)星(Picosatellite)，濕質量為0.1～1 kg (0.22～2.2 lb)；和飛秒衛(wèi)星(Femtosatellite)，濕質量為10～100 g (0.35～3.5oz)。其中微型衛(wèi)星和納米衛(wèi)星以及更小的皮衛(wèi)星和飛秒衛(wèi)星，可統(tǒng)稱為微納衛(wèi)星，它們的濕質量小于100 kg，這是本文討論的重點。

近年來，小型衛(wèi)星和微納衛(wèi)星的性能、可靠性與壽命都得到大幅度提高，已經成功地應用在民用各領域和軍事戰(zhàn)術應用方面，重量輕、體積小、成本低、研制周期短，技術更新快等優(yōu)點更加突出。微納衛(wèi)星一般以星座(constellation)形式或組網(satellite swarm)即分級航天器(fractionated spacecraft)形式運行[1]，能夠取代發(fā)射與研制成本高昂的單個大型衛(wèi)星，并且具有所謂優(yōu)雅的退化能力，即不會因為任何一次發(fā)射失敗或衛(wèi)星故障會導致整個衛(wèi)星星座或衛(wèi)星網完全失去服務功能。這涉及到幾個關鍵技術，即：1)集群編隊控制，解決衛(wèi)星(航天器)在飛行過程中形成編隊，實現(xiàn)自組織任務規(guī)劃、決策與執(zhí)行；2)多源協(xié)同感知和信息融合； 3)高效大容量數據鏈路技術，形成各節(jié)點之間的組網通信，實現(xiàn)各節(jié)點異構資源的協(xié)同和共享。

微納衛(wèi)星星座是是較為簡單的衛(wèi)星組合形式，為完成某一特定空間任務而協(xié)同工作的多顆微納衛(wèi)星的集合，主要目的是通過星座中的多星協(xié)同增加對地面的覆蓋面積或者縮短重訪時間。由于星座執(zhí)行任務過程中沒有固定的分布構型需求，通過單星軌道控制保持對地覆蓋特性，不需要在星間實施閉路控制，各星之間也可以不存在任何信息交換和服務。而衛(wèi)星組網(也稱為分級航天器)這種衛(wèi)星架構，把單個傳統(tǒng)衛(wèi)星的功能通過無線鏈路的交互作用分配在多個衛(wèi)星模塊上。與其他衛(wèi)星集合(如衛(wèi)星星座和衛(wèi)星群)不同，分級航天器的模塊很大程度上是異構的，并且執(zhí)行與傳統(tǒng)衛(wèi)星的各個子系統(tǒng)元件相對應的不同功能。采用多顆衛(wèi)星協(xié)同工作，可以顯著發(fā)揮微納衛(wèi)星的優(yōu)勢，同時可以克服其單星工作存在的缺點，也是微納衛(wèi)星相關技術研究中最具應用價值和潛力的發(fā)展方向。與單純的分布式衛(wèi)星群的概念不同，分級航天器更加注重結構功能，即多顆衛(wèi)星相互配合完成任務。分級航天器的定義是：由多顆(2顆或2顆以上)微納衛(wèi)星按一定要求分布在一種或多種軌道上，共同協(xié)作完成某項空間飛行任務(例如：觀測、通信、偵察、導航等)，從而使空間飛行獲得更大的應用價值。

微納衛(wèi)星的靈活性、分散性和強壯生命力等優(yōu)點使之能迅速適應現(xiàn)場的實際需要。甚至可以單人在室外獨立操作，只涉及筆記本電腦和手持無線電設備。在軍事行動中可實時地向旅或更下級的指揮官和士兵提供圖像和數據，能持久地覆蓋各種手持設備。由于成本低，微納衛(wèi)星可以隨時替換和更新，可快速發(fā)射，可以通過數量的增加對地面提供全方位的支持。衛(wèi)星的在軌機動性和拍攝地面指定目標能力，能夠實時或半實時地將圖像傳回地面操作人員，可在同一次衛(wèi)星過頂(satellite pass)間隔中將圖像傳回地面(少于10 min)。低成本、寬容差和容錯性允許更快地構建更多納米衛(wèi)星，并允許更大的失敗風險。納米衛(wèi)星的壽命相對較短，在重新進入大氣和燃燒之前，在低地球軌道可能不超過一年或兩年,但這也為不斷更新和升級提供了需求和可能。例如，行星實驗室(Planet Labs)希望每年都會淘汰舊的衛(wèi)星，用納米衛(wèi)星的新版本取代一些舊的。微納衛(wèi)星可以應用在衛(wèi)星通信、衛(wèi)星遙感、全球定位和導航、地面圖像識別、天氣預報及災害監(jiān)視等領域。

小型衛(wèi)星和微納衛(wèi)星的研發(fā)起初是20世紀八九十年代在一些商業(yè)企業(yè)和大學實驗室開始的，最初是基于西班牙90年代以來研發(fā)的低成本制造商用和通信衛(wèi)星。隨后，小型衛(wèi)星和微納衛(wèi)星的產業(yè)得到了迅速增長，1～50 kg(2.2～110.2 lb)的衛(wèi)星開發(fā)活動超過了50～100 kg(110.2～220 lb)的。在1～50 kg范圍內，2000—2005年間每年發(fā)射的衛(wèi)星數量不到15顆，2006年為34顆，2007—2011年間每年發(fā)射的衛(wèi)星數量接近30顆，2012年上升到34個，2013年上升到92個[2]。這些技術進步首先是在大學里試圖以很低的成本發(fā)射衛(wèi)星用于教學目的。立方體衛(wèi)星或立方星成為許多大學和學術機構研制微納衛(wèi)星的標準選擇。歐洲咨詢公司Euroconsult的分析表明在2015—2019年期間發(fā)送了或將發(fā)送500多個小型衛(wèi)星和微型衛(wèi)星，市場價值估計為74億美元[3]。

在2015年中期，更多的發(fā)射方案已經可用于微納衛(wèi)星，越來越多的發(fā)射向微納衛(wèi)星開放。微納衛(wèi)星作為次級載荷的搭載發(fā)射方式成為一種既能提高發(fā)射質量又能滿足較快發(fā)射需求的方式[4]。早期微納衛(wèi)星如：Astrid-1和Astrid-2，以及英國維京銀河(Virgin Galactic)公司的LauncherOne火箭發(fā)射的一組衛(wèi)星[5]。Astrid-1和Astrid-2是瑞典航天公司為瑞典國家空間局設計和開發(fā)的兩種微納衛(wèi)星。它們搭載從俄羅斯Plesetsk發(fā)射的Cosmos-3M運載火箭。Astrid-1 (國際衛(wèi)星識別符號為1995-002B) 在1995年1月24日發(fā)射，Astrid-2 (國際衛(wèi)星識別符號為1998-072B)在1998年12月10日發(fā)射。Astrid-1為27 kg (60 lb)，Astrid-2小于30 kg (66 lb)。最初大多數傳統(tǒng)衛(wèi)星開發(fā)商和用戶都對立方體衛(wèi)星的實用價值并不看好。近地軌道LEO衛(wèi)星的主要缺點之一是它們不能在地球的特定地理區(qū)域上空持久地存在。為此，持久性存在只能通過使用多個衛(wèi)星實現(xiàn)。

微電子技術的迅速發(fā)展，為能承受高負荷的微納衛(wèi)星另辟蹊徑。特別是隨著智能手機和個人數字助理(PDA)技術的進步，電子元件微型化和集成化趨勢極大地推動了納米衛(wèi)星(1～10 kg)和微型衛(wèi)星(10～100 kg)的發(fā)展。從單個衛(wèi)星的角度來看，這些很小的航天器單位成本非常低，可以在一年內快速開發(fā)。然而納米衛(wèi)星和微型衛(wèi)星可以低成本地擴展成星座和組網，從而在多個區(qū)域實現(xiàn)有效的和負擔得起的持久性覆蓋?？稍谟行?如軍事戰(zhàn)術應用)不需要提供全球覆蓋，只需覆蓋一定緯度范圍，解決特定的感興趣區(qū)域的需要。所以納米衛(wèi)星和微型衛(wèi)星具有足夠的經濟性。

2013年11月19日，美國軌道科學(Orbital Sciences)公司從弗吉尼亞州的沃洛普斯(Wallops,Virginia)飛行基地發(fā)射了一枚火箭。 它攜帶29顆納米衛(wèi)星，將它們發(fā)射到低地球軌道。三十個小時后，俄羅斯企業(yè)科斯莫特拉斯(Kosmotras)將32顆納米衛(wèi)星進入類似的軌道。 2014年1月，軌道科學公司又將33顆衛(wèi)星運往國際空間站(ISS)。這94顆衛(wèi)星中的大多數都是以立方星(CubeSat)的標準形式制造的，為質量1.3 kg(2.9 lb)邊長10 cm(4inch)的立方體，由兩個或三個立方體單元組成。經過十年的適應與啟動，在這期間發(fā)射了大約75個立方星，這類衛(wèi)星和其他小型衛(wèi)星正從試驗轉向實用的科學數據和商業(yè)服務。舊金山的一家公司Planet Lab在2014年1月將 28個納米衛(wèi)星送到國際空間站，通過NanoRacks開發(fā)的衛(wèi)星發(fā)射裝置批量釋放，每個是標準的立方體尺寸(即長30 cm)。這些納米衛(wèi)星比傳統(tǒng)衛(wèi)星更頻繁地掃描地球和拍攝的照片，成本只是傳統(tǒng)衛(wèi)星的一小部分，當然分辨率較低。Planet Labs聲稱，其納米衛(wèi)星承擔了傳統(tǒng)衛(wèi)星的很多功能，而成本只是后者的一小部分。Nanosatisfi正在開發(fā)的ArduSats是個開放平臺，已經升空了兩個。它們將包含一系列傳感器，并可以執(zhí)行各種任務，如定位物體?，F(xiàn)在超過250 000艘船舶在約50海里以外播放自動識別信號。 低軌道上的小型衛(wèi)星群可以接收這些信號，并提供頻繁更新的有關船舶位置，而無需船舶使用昂貴的專用衛(wèi)星上行鏈路。SkySat是由Planet Labs擁有的亞米級分辨率地球觀測衛(wèi)星的星座，能提供圖像和高清視頻分析服務。

隨著電子技術的小型化和能力的不斷提高以及衛(wèi)星星座的使用，納米衛(wèi)星越來越能夠執(zhí)行以前需要微型衛(wèi)星的商業(yè)任務。 例如，已經提出6U CubeSat標準，以便以相同的任務成本使35 kg(18 lb)的地球圖像衛(wèi)星星座替換一組五個156 kg(344 lb)的快眼(RapidEye)地球成像衛(wèi)星， 重訪時間顯著增加：全球每個區(qū)域可以每3.5 h成像一次，而不是快眼星座每24 h一次。 對于進行救災的國家而言，更快速的重訪時間是一項重大改進。 此外，納米選項將允許更多國家擁有自己的衛(wèi)星，用于非高峰(非災害)成像數據收集[6]。在接下來的五年左右，預計將會有約1 000個1～10 kg的納米衛(wèi)星被發(fā)射。 包括制造和發(fā)射，CubeSat尺寸的納米尺寸可能需要15萬美元至100萬美元，而不是大尺寸衛(wèi)星的1億到10億美元[7]。有的會比立方星小，另一些會大些。 有的就像一個俄羅斯套娃：俄羅斯發(fā)射了一個衛(wèi)星，它又發(fā)射了八個較小的衛(wèi)星，包括四個PocketQubes(一個5 cm的立方星)。

2017年11月21日，英國的Earth-I公司宣布已經向SSTL(薩里衛(wèi)星技術有限公司)訂購了第一批五顆衛(wèi)星用于其新的地球觀測(EO)星座[8]。而Earth-I正在建造世界上第一個能夠提供全彩色視頻的星座，是第一個擁有歐洲所有權的星座，能夠提供視頻和靜止圖像。這個星座將是地球觀測行業(yè)的一次重大飛躍，提供許多創(chuàng)新能力，包括：

1) 為地球上任何位置提供分辯率優(yōu)于1 m的高幀率圖像。

2) 能夠以超高清彩色視頻拍攝移動物體，如車輛，船只和飛機。

3) 敏捷衛(wèi)星(致力于觀測宇宙伽馬射線的衛(wèi)星)每天多次重復訪問相同位置，可以指向特定感興趣區(qū)域。

4) 快速給衛(wèi)星下達任務拍攝圖像或視頻，并在獲取后幾分鐘內快速下載數據。

Earth-I的衛(wèi)星隊列記錄的影片將在拍攝后的幾分鐘內提供分析，并將在從對象的變化檢測到對象識別的各種場景中，改善決策制定和響應時間，從災難響應到基礎設施監(jiān)控等各種場景的決策和響應時間。Earth-I星座始于即將發(fā)射的衛(wèi)星樣機，它是與SSTL合作設計和制造的。將演示和證明未來星座的技術和過程，包括下達任務到地面站的數據下載，空間畫面和視頻質量控制。 目前訂購的五顆SSTL衛(wèi)星計劃于2019年發(fā)射。Earth-I星座源于SSTL于2015年7月發(fā)射的仍在全面運行的Carbonite 1演示衛(wèi)星。 Earth-I訂購的一批生產衛(wèi)星將以即將發(fā)射到軌道的第二顆原型衛(wèi)星為基礎，還整合了SSTL為Earth-I開發(fā)的大量改進。

目前從事微納衛(wèi)星的研發(fā)已不限于幾個航天大國的政府和軍事機構，有不少企業(yè)從事納米衛(wèi)星的研制和生產。如瑞典的GomSpace[9],美國的從事航天科技和其他尖端技術的非盈利基金會NanoSpace[10],Spire Global，Inc.是一家美國私營公司，專門從小型衛(wèi)星網絡收集數據。它已成功地將50多顆地球觀測立方體衛(wèi)星部署到低地球軌道,英國的Surrey Satellite Technology(SSTL)是設計，制造和發(fā)射小型衛(wèi)星的世界頂級公司[11]。 它率先降低了衛(wèi)星的尺寸和成本，使新一代商業(yè)衛(wèi)星星座成為可能[12]。NovaWurks[13]是位于美國加州Los Alamitos的一家專門從事小型微型和空間技術商業(yè)化的孵化創(chuàng)業(yè)機構,俄羅斯的Dauria Aerospace[14]等。

皮衛(wèi)星(picosatellite,或 picosat，意為微微米衛(wèi)星)是濕質量在0.1～1 kg(0.22～2.2 lb)的人造衛(wèi)星[15-16]，它有時也泛指發(fā)射質量小于1 kg(2.2 lb)的任何衛(wèi)星。皮衛(wèi)星通常也以編隊(即swarm形式)一起工作。 這種結構需要更大的母衛(wèi)星與地面控制器進行通信，或與皮衛(wèi)星進行對接和發(fā)射。立方星(CubeSat) 就是一個大型皮衛(wèi)星(或最小納米衛(wèi)星)的例子，質量大約是1 kg(2.2 lb)。皮衛(wèi)星現(xiàn)成為DIY套件制造商的新選擇，皮衛(wèi)星目前在0.1～1 kg(0.22～2.2 lb)都可以買到?，F(xiàn)在皮衛(wèi)星的發(fā)射費用為12 000～18 000美元，用于小于1 kg皮衛(wèi)星的有效載荷大約是易拉罐的大小[17]。

飛秒衛(wèi)星(Femtosatellite,或femtosat，意為毫微微米衛(wèi)星)是濕重在10～100 g(0.35～3.5oz)的人造衛(wèi)星。和皮衛(wèi)星一樣，飛秒衛(wèi)星需要一個更大的母衛(wèi)星與地面控制器進行通信。2011年5月，奮進號航天飛機在它最后一次升空中，將三個“芯片衛(wèi)星”送入國際空間站上的外部平臺，進行“材料國際空間站實驗”[18]，研究材料長期暴露于惡劣空間環(huán)境的影響。2014年3月，KickSat納米衛(wèi)星由著名的獵鷹9號(Falcon 9)火箭發(fā)射，釋放104個飛秒衛(wèi)星大小的芯片“Sprites,意為精靈,”[19]。ThumbSat是另一個計劃，在2017年4月18日NASA的Atlas V火箭往空間站發(fā)射38個飛秒衛(wèi)星[20]。

微納衛(wèi)星在通信、遙感、電子偵察等領域獲得了較為廣泛的應用，目前已經拓展到了導航領域、技術試驗領域、空間對抗領域、體系概念創(chuàng)新領域、工程培訓領域[21]。隨著能力不斷提升，微納衛(wèi)星開始走出實驗室，邁入實用化、裝備化運營階段，應用領域不斷擴展到對地觀測、電子偵察、通信、空間目標監(jiān)視、在軌服務、戰(zhàn)術快速響應、空間科學探測、氣象監(jiān)測等領域。微納衛(wèi)星業(yè)務能力不斷提升，在軍事領域和商業(yè)領域的應用前景已獲得各方高度關注。

我國在2008年發(fā)射的神舟7號飛船時，曾從飛船上釋放了一顆微型衛(wèi)星伴隨1號(CX-1)[22]。它是一個非常小的立方體，邊長大約40 cm(16 inch)，重約40 kg(90 lb)。BX-1的目的是提供神舟7號(SH-7)艙的圖像，演示檢查軌道艙的能力，并進行一些有限的接近操作。 它還進行了數據中繼實驗。在發(fā)射后約四小時，BX-1距離國際空間站(ISS)最近約25 km。 不久之后，神舟7號飛船在國際空間站36 km范圍內作出了自己的接近飛行。國際空間站的最低點(近地點)為347 km，神舟7號軌道的最高點(遠地點)為336 km。 神舟7號/BX-1和國際空間站有不同的傾角：分別為42.4°和51.6°。 這意味著它們不僅處于不同的高度，而且它們的軌道以大約10°的角度相交。 沒有碰撞的危險。2015年9月20日長征六號在太原發(fā)射，將20顆衛(wèi)星送入距離地球524 km的軌道[23]。據了解，20顆衛(wèi)星中的“紫丁香二號”(如圖1所示)是我國首顆由高校學生自主設計、研制與管控的納衛(wèi)星。2009年，國防科技大學開展了“納星集群飛行計劃”項目，2017年6月27日國防科技大學研制的第10顆微納衛(wèi)星發(fā)射升空，參與歐盟QB50計劃，首次開展低層大氣探測[24]。

“珠海一號”遙感微納衛(wèi)星(運行軌道如圖2所示)星座是由我國珠海市歐比特公司規(guī)劃、航天東方紅衛(wèi)星股份有限公司研制的。星座由12顆視頻微納衛(wèi)星、4顆高光譜微納衛(wèi)星及2顆SAR微納衛(wèi)星組成，在空間形成一個高效的遙感微納衛(wèi)星星座，預計將在未來2～3年內發(fā)射部署完成。其首批兩顆歐比特視頻衛(wèi)星-1A和1B(OVS-1A和1B)于2017年6月在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心搭載長征四號B運載火箭發(fā)射升空。這兩顆衛(wèi)星為視頻成像衛(wèi)星，可實現(xiàn)大范圍側擺、快速凝視，單顆衛(wèi)星質量55 kg，光學分辨率1.98 m，具有凝視視頻和條帶成像兩種工作模式，目前兩顆星每年可覆蓋地球2次。星座部署完成后，珠海一號星座將實現(xiàn)對全球遙感數據每5天更新一次。2018年1月25日中國成功發(fā)射了第四組三顆小型遙感-30衛(wèi)星和一顆微納-1A納米衛(wèi)星，這是今年第五次發(fā)射太空。三個遙感-30衛(wèi)星主要用于電磁環(huán)境監(jiān)測和相關技術測試。中國航天集團證實，衛(wèi)星已經在大約40 min后進入了預定的軌道。同時發(fā)射的第四個乘員，微納-1A或NanoSat-1A。三顆遙感-30衛(wèi)星主要用于電磁環(huán)境監(jiān)測和相關技術測試。

2 美國微納衛(wèi)星的現(xiàn)狀與應用

美國擁有世界最強的天基能力，可以支持其軍隊不同級別的作戰(zhàn)任務。但是，五角大樓并不滿足，他們認為這些支持大部分都集中在戰(zhàn)略和戰(zhàn)役層面上。在戰(zhàn)術層面上，還需要可供戰(zhàn)術使用的小型的廉價的小衛(wèi)星和微納衛(wèi)星。五角大樓的決策者制定了發(fā)展戰(zhàn)術衛(wèi)星的計劃，這份計劃即TacSat計劃[25](意為戰(zhàn)術衛(wèi)星)源自五角大樓的軍事轉型辦公室(The DOD’s Office of Force Transformation (OFT))，以開發(fā)一種能夠在相對較短的時間內(與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比)提供衛(wèi)星的作戰(zhàn)響應空間(ORS)能力，以滿足戰(zhàn)場指揮官急需的C4ISR(Command,Control,Communications,Computers,Intelligence,Surveillance and Reconnaissance)需求。五角大樓在2007年向國會提交的報告中稱，作戰(zhàn)響應空間方面的努力有三個目標：“第一，快速開發(fā)和注入空間技術或作戰(zhàn)創(chuàng)新; 其次，在需要擴大作戰(zhàn)能力時迅速調整或增強現(xiàn)有的空間力量; 第三，迅速重建或補充關鍵空間能力以保持作戰(zhàn)能力”。最終推動作戰(zhàn)響應空間的概念，即“以提高現(xiàn)有空間能力(例如空間部分，發(fā)射部分，地面部分)的響應能力，開發(fā)互補的，更實惠的可在作戰(zhàn)相關的時間框架內進行部署的小型衛(wèi)星/運載火箭組合和相關的地面系統(tǒng)”。TacSat計劃包括8個TacSat，包括來自海軍研究實驗室(NRL)，空軍研究實驗室(AFRL)，陸軍空間和導彈防御司令部(SMDC/ARSTRAT)，空軍空間司令部(Air Force Space Command)以及ORS辦公室(Operationally Responsive Space Office)。在2003年和2004年期間，TacSat-1的開發(fā)，生產和測試成本不到1 000萬美元。 該衛(wèi)星是具有電子智能能力的220磅級微型衛(wèi)星，包括特定發(fā)射器識別(SEI)，可見光和紅外成像以及跨平臺能力。 SEI和跨平臺任務有效載荷均使用低成本接收器(LCR-100)設計。其中，TacSat-4由美國海軍研究實驗室(NRL)負責。

其中規(guī)模最大的是美國陸軍空間和導彈防御司令部/陸軍部隊戰(zhàn)略司令部(U.S.Army Space & Missile Defense Command/Army Forces Strategic Command,USASMDC/ARSTRAT)正在進行一系列技術示范項目的[26]。目前包括幾個非常小的衛(wèi)星，即空間和導彈防御司令部-作戰(zhàn)效能納米衛(wèi)星 (Space & Missile Defense Command-Operational Nanosatellite Effect，即SMDC-ONE，如圖3所示)，紅隼眼(Kestrel Eye，如圖4所示)，納米眼(NanoEye)和小型敏捷戰(zhàn)術航天器(SATS)。相關的啟用能力包括用戶友好的地面部分和多用途納米導彈系統(tǒng)(MNMS)提供的專用發(fā)射能力。通過這些示范，可以通過低成本，快速發(fā)展的納衛(wèi)星/微衛(wèi)星星座，為戰(zhàn)術陸地作戰(zhàn)人員提供低廉的空間力量支持。

美國陸軍SMDC/ARSTRAT曾進行八個納米衛(wèi)星(3U CubeSats)的通信演示任務。 主要目標是從地面發(fā)射機接收數據并將該數據中繼到地面站。 這被稱為戰(zhàn)術BLOS(Be-yond-Line-Of-Sight)通信。 這項技術演示的目的是建立一些相同的衛(wèi)星，并將它們一起部署到LEO(低地球軌道)中，以模擬增強的戰(zhàn)術通信能力并評估納米衛(wèi)星性能。出于多種考慮，輕量級別衛(wèi)星采用了3U立方星。 這些需求都促使開發(fā)專為納米衛(wèi)星設計的低成本發(fā)射器。SMDC-ONE的設計在軌壽命為一年，最低6個月。

圖片來源：SMDC

2009年，SMDC-ONE計劃完成了一個納米衛(wèi)星的制造和測試工作，其后又制造了八個納米衛(wèi)星。這些衛(wèi)星在主承包商和美國國家航空航天局所在地進行了嚴格的沖擊，隨機振動和熱真空測試。 在主承包商處的熱真空測試時進行熱平衡和天線展開測試。 無線電頻率特性測試用美國陸軍設備進行。

美國陸軍空間與導彈防御司令部的技術研究部門先后研發(fā)了多種供地面旅和旅以下的作戰(zhàn)單位使用的微納衛(wèi)星，它們能大大提高其快速反應能力和精確打擊能力。正在開發(fā)的紅隼眼 (Kestrel Eye)是一種微型光電圖像衛(wèi)星，Kestrel Eye也被稱為Kestrel Eye-2M，是美國陸軍空間和導彈防御司令部的陸軍部隊戰(zhàn)略司令部(SMDC/ARSTRAT)的技術中心(在美國的Alabama州Huntsville市)的一個小型成像技術示范航天器項目。目前的KE計劃開始是從KE Block I(Kestrel Eye的概念驗證或探索醒目)設計中衍生出KE Block II的改進型。 2012年，陸軍與OSD/JCTD(國防部長辦公室/聯(lián)合能力技術示范)計劃一起，啟動了Kestrel Eye Block II，作為微型光電-橢圓軌道圖像衛(wèi)星，以支持地面戰(zhàn)術作戰(zhàn)人員。用于執(zhí)行地面戰(zhàn)術級作戰(zhàn)任務，它能夠快速攝取有用的戰(zhàn)術圖像。Kestrel Eye的數據可以通過數據中繼網絡直接下行到同一個戰(zhàn)斗單位，這個數據中繼網絡也可以為同一戰(zhàn)區(qū)中其他部門使用，而不需要通過美國本土的中繼網絡。Kestrel Eye是一種空基的戰(zhàn)術圖像微型衛(wèi)星。與傳統(tǒng)的天基設施相比,Kestrel Eye衛(wèi)星星座顯著降低了單位成本?？梢砸赃@樣低的成本購買大量的衛(wèi)星,適合戰(zhàn)術部隊廣泛使用。

作為2017財政年度空間站物資運輸任務之一，Kestrel Eye在2017年度發(fā)射到國際空間站。Kestrel Eye衛(wèi)星(如圖5所示)發(fā)射后將在部署之前花費一段時間等待日本的國際空間站上密封艙模塊實驗的進展。一旦進入軌道，將對其運行效果進行全面綜合地評估。Kestrel Eye-II的主要優(yōu)勢包括：① 規(guī)模更小，數量更多，負擔得起，持續(xù)存在，發(fā)現(xiàn)概率更低，不易受到反衛(wèi)星武器的傷害；② 優(yōu)雅的退化：不會因為個別的幾次發(fā)射失敗或個別衛(wèi)星的失效導致系統(tǒng)完全失去服務能力[26]。

技術中心還在開發(fā)NanoEye作為一種低成本，機動，電光學的微型衛(wèi)星級的圖像衛(wèi)星，直接由地面戰(zhàn)術部隊作戰(zhàn)人員使用，他們在幾分鐘后就能收到所需的圖像。機載推進系統(tǒng)可以使衛(wèi)星降低高度，能獲得更高分辨率的地面圖像，以支持其作戰(zhàn)任務。納眼從低地球軌道為地面部隊作戰(zhàn)人員提供反應更為靈敏分辨率更高的戰(zhàn)術圖像。納眼具有顯著的V字三角形，允許航天器改變高度，提供所需要分辨率的地面圖像。 太陽陣列結構的空氣動力學構型在航天器速度方向上降低了阻力因子，可保證更長的在軌壽命。這些綜合因素為現(xiàn)場戰(zhàn)術部隊人員提供低成本的戰(zhàn)術圖像支持。

NanoEye是一種最先進的微納衛(wèi)星系統(tǒng)，能夠在最低點提供優(yōu)于0.5 m的分辨率，其結構如圖6所示，其總任務成本低于500萬美元-包括有效載荷，航天發(fā)射器，發(fā)射和3年任務操作。 NanoEye基于獨特的輕量級望遠鏡，由ITT構建和測試IR&D，這是一種獨特的結構設計，也是由Microcosm在IR&D，以及Pumpkin公司現(xiàn)有的成熟CubeSat組件上創(chuàng)建的。該系統(tǒng)的干質量小于10 kg，小于15 kg的先進系統(tǒng)具有增強的總線能力和推進系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)可以承載干質量的兩倍，因此在速度可達2公里/秒的情況下非常靈活。這允許航天器長時間低飛，并根據需要改變其軌道，以調整覆蓋范圍，觀察時間和角度，并提供阻力補償。

3 微納衛(wèi)星面臨的挑戰(zhàn)

對于小型衛(wèi)星所完成的任務來說，經濟實惠和響應時間快速是重要的，以合理的技術和程序化的方法應對這些要求，要求研發(fā)者不斷尋求創(chuàng)新方法和多樣化的設計技巧、自主高效的流程，才有助于識別和化解潛在問題。與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，微納衛(wèi)星的質量、尺寸、功率等相差一個甚至幾個數量級，星上資源和空間非常有限，這也是制約其研究與應用的國際性難題。在微納衛(wèi)星設計方面，因為尺寸、質量、功率等設計參數受到嚴格限制，微型化與低成本需求更迫切，因而采用大衛(wèi)星小型化的設計方法很難實現(xiàn)，必須采用先進的設計，實現(xiàn)微納衛(wèi)星的低成本和高功能密度。微納衛(wèi)星需要對其推進系統(tǒng)，姿態(tài)控制系統(tǒng)，通信系統(tǒng)和星載計算機進行革新，這無法照搬大衛(wèi)星的技術。大衛(wèi)星通常用單一推進系統(tǒng)或雙組元推進系統(tǒng)來完成推進和姿態(tài)控制任務，這些系統(tǒng)是復雜的。這些系統(tǒng)僅能在較大的小型衛(wèi)星使用，而微型衛(wèi)星只能使用諸如電力推進，壓縮氣體推進，液體推進，如丁烷或二氧化碳這類簡單的便宜的可擴展的推進系統(tǒng)。在電源方面，改進的鋰離子和鋰碳離子是目前能量密度最高的，但是存在起火燃燒的問題，有必要進一步研究。太陽能電池的量子點技術和多結光伏電池，硅基太陽能電池是值得研究的。

小型衛(wèi)星可以使用傳統(tǒng)的無線電系統(tǒng)的超高頻、甚高頻、S波段和X波段，微型衛(wèi)星缺乏傳統(tǒng)無線電所需電源供應或質量，雖然各種小型化的創(chuàng)新通信系統(tǒng)已被提出，如激光接收器，天線陣列和衛(wèi)星到衛(wèi)星通信網絡。這些技術還沒有在實踐中得到充分證明。在天線領域，要找到成本低、工作可靠的高增益系統(tǒng)。電子產品需要經過嚴格測試和修改，監(jiān)測其抵抗外部空間環(huán)境(真空，微重力，極端溫度和輻射暴露)的能力。當然微型衛(wèi)星提供了一個廉價的測試新硬件的機會。此外，由于任務中的總體成本風險低得多，因此可以將更多的最新但較少空間驗證的技術投入到微米和納米級衛(wèi)星任務中，從而降低未來在更大，更昂貴的任務中的風險。

由于微納衛(wèi)星都以星座、集群方式運行，面臨的通信問題突出，信道容量小、發(fā)射功率低等特點，使地面匹配要求更特殊，導致使用傳統(tǒng)衛(wèi)星的任務支持模式很難實現(xiàn)微納衛(wèi)星的靈活管理，必須實現(xiàn)靈活便捷的微納衛(wèi)星通信任務支持。

在微納衛(wèi)星應用方面，我國微納衛(wèi)星實用化的問題亟待突破，迫切需要發(fā)展適合微納衛(wèi)星的有效載荷技術，需要探索適應組網、集群等特點的新型應用模式，沿用傳統(tǒng)衛(wèi)星的有效載荷很難實現(xiàn)微納衛(wèi)星的新型應用，必須提高微納衛(wèi)星的實用化水平。

由于發(fā)射數量巨大，各國競相研制和發(fā)射，這就牽扯到一個微納衛(wèi)星監(jiān)管的法律問題。微納衛(wèi)星壽命短，造成大量空間碎片，使日益嚴重的空間垃圾問題雪上加霜。因此發(fā)展微納衛(wèi)星不斷受到關注空間環(huán)境和宇航員安全人士的質疑。這就面臨微納衛(wèi)星的離軌系統(tǒng)，目前需要尋找新的高能效/成本比的離軌手段。除了技術手段，還需要加強監(jiān)管，解決空間碎片以及有毒火箭燃料所造成的安全隱患，需要各有關國家政府和企業(yè)制定一些公約，有序地進行微納衛(wèi)星的發(fā)射和釋放、離軌和回收，保護地面和空間環(huán)境。

[1] https://en.wikiped ia.org/wiki/Fractionated_spacecraft].

[2] 2014 Nano/Microsatellite Market Assessment (PDF).annual market assessment series.Atlanta,Georgia:SEI.January 2014:18.Retrieved 18 February 2014.http://www.sei.aero/eng/papers/uploads/archive/SpaceWorks_Nano_Microsatellite_Market_Assessment_January_2014.pdf.

[3] Messier,Doug (2 March 2015).Euroconsult Sees Large Market for Smallsats.Parabolic Arc.Retrieved 8 March 2015.

[4] Foust,Jeff (12 June 2015).Smallsat Developers Enjoy Growth In Launch Options.Space News.Retrieved 13 June 2015.

[5] Virgin Galactic relaunches its smallsat launch business.New Space Journal.12 July 2012.Retrieved 11 July 2012.http://www.newspacejournal.com/2012/07/11/virgin-galactic-relaunches-its-smallsat-launch-business/.

[6] TSITAS S R,KINGSTON J.6U CubeSat commercial applications[J].The Aeronautical Journal,2012,116 (1176):189-198.

[7] https://www.satelytics.com/resources/2015-nanosats-are-go.

[8] http://www.satellitetoday.com/innovation/2017/11/22/sstl-build-video-earth-observation-satellites-earth/undefined.

[9] https://gomspace.com/home.aspx.

[10] https://www.nanospace.org/.

[11] https://www.sstl.co.uk/.

[12] https://en.wikipedia.org/wiki/Surrey_Satellite_Technology.

[13] http://www.novawurks.com/.

[14] Cheredar,Tom (9 October 2013).Dauria Aerospace lands $20M to grow its earth-monitoring nano satellite platform.VentureBeat.Retrieved 13 October 2013.

[15] Small Is Beautiful:US Military Explores Use of Microsatellites.Defense Industry Daily.30 June 2011.Retrieved 12 December 2012.

[16] Tristancho,Joshua; Gutierrez,Jordi (2010).Implementation of a femto-satellite and a mini-launcher (PDF).Universitat Politecnica de Catalunya:3.Retrieved 12 December 2012.

[17] ISRO sets new world record,successfully places 104 satellites into Earth’s orbit.India TV News.15 February 2017.Retrieved 15 February 2017.

[18] Elizabeth Simpson.Chip satellites-designed to blow in the solar wind-depart on Endeavour’s final launch.Cornell Chronicle.Retrieved 6 December 2012.

[19] KickSat Nanosatellite Mission.European Space Agency.Retrieved 15 May 2014.

[20] https://www.wired.com/2017/04/watch-nasa-launch-38-itty-bitty-satellites-iss/.

[21] 李獻球,李春霞,蔣東方.微納衛(wèi)星在衛(wèi)星導航中的應用探討[J].現(xiàn)代導航,2015(5):391-395.

[22] 陸震，馬向京.空間武器發(fā)展態(tài)勢[J].兵器裝備工程學報，2017(9)：1-7.

[23] 陳龍,宿東.長征六號成功首飛 實現(xiàn)一箭20星[EB/OL].[2015-09-20].http://www.spacechina.com/n25/n144/n206/n214/c1033583/content.html.

[24] 王握文,趙勇.國防科技大學研制的第10顆微納衛(wèi)星發(fā)射升空[EB/OL].[ 2017-06-27].http://www.mod.gov.cn/education/2017-06/27/content_4783783.htm.

[25] https://en.wikipedia.org/wiki/Tactical_Satellite_Program.

[26] John London,Annemarie Marley,David J Weeks.Army nanosatellite technology demonstrations for the tactical land warfighter.https://www.researchgate.net/publication/235093951_Army_Nanosatellite_Technology_Demonstrations_for_the_Tactical_Land_Warfighter.

[27] 尤政.空間微系統(tǒng)與微納衛(wèi)星[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013:1-7.

[28] 陸震.美國空間態(tài)勢感知能力的過去和現(xiàn)狀[J].兵器裝備工程學報，2016(1)：1-8.