微小衛(wèi)星特性與應(yīng)用發(fā)展概述

周鈺哲

（中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，北京 100846）

1 基本概念

1.1 分類

從發(fā)展歷程看，微小衛(wèi)星可分為傳統(tǒng)類和現(xiàn)代類。航空航天發(fā)展的初期，受火箭運(yùn)載能力及航天技術(shù)水平限制，發(fā)射的衛(wèi)星重量低、體積小、功能少，一般稱為傳統(tǒng)微小衛(wèi)星。隨著微電子技術(shù)和制造技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星小型化進(jìn)程加快，現(xiàn)代微小衛(wèi)星具有重量低、體積小、功能堪比普通大衛(wèi)星等特點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外對(duì)微小衛(wèi)星的定義并不統(tǒng)一。國際上大多根據(jù)衛(wèi)星重量對(duì)小型衛(wèi)星進(jìn)行分類，不同國家或研究機(jī)構(gòu)劃分標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。曾有少數(shù)提出以衛(wèi)星功率等參數(shù)作為微小衛(wèi)星的分類依據(jù)。隨著對(duì)小型衛(wèi)星研究的不斷深入，僅以重量作為類型劃分依據(jù)并不合理，因此有研究機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了微小衛(wèi)星功能密度的概念，即平均每千克衛(wèi)星質(zhì)量所能提供的某項(xiàng)功能指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，國際電聯(lián)也提出了對(duì)微小衛(wèi)星重量、功率、成本等主要參數(shù)的類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 ITU-R的微小衛(wèi)星分類標(biāo)準(zhǔn)

1.2 使用頻率

微小衛(wèi)星主要涉及衛(wèi)星間業(yè)務(wù)、空間操作業(yè)務(wù)、衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)、衛(wèi)星地球探測業(yè)務(wù)、空間研究業(yè)務(wù)、衛(wèi)星氣象業(yè)務(wù)和衛(wèi)星業(yè)余業(yè)務(wù)等無線電業(yè)務(wù)。目前，微小衛(wèi)星使用的頻率集中在3MHz-33GHz（HF、VHF、UHF、L、S、C、X、Ku、Ka等）頻段。我國微小衛(wèi)星使用的頻段主要集中于測控的S頻段以及衛(wèi)星業(yè)余業(yè)務(wù)、空間操作業(yè)務(wù)的UHF、VHF頻段[1]。隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，以及新的應(yīng)用需求也在不斷擴(kuò)展微小衛(wèi)星的無線電業(yè)務(wù)領(lǐng)域和使用頻率范圍。

2 微小衛(wèi)星技術(shù)特性

微小衛(wèi)星在傳統(tǒng)衛(wèi)星技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用全新設(shè)計(jì)思路，利用微加工、微制造技術(shù)，從而進(jìn)一步提高了微小衛(wèi)星的功能密度。微小衛(wèi)星的組成結(jié)構(gòu)與大型衛(wèi)星類似，但同時(shí)又具備重量輕、體積小、發(fā)射靈活、性能好、成本低等技術(shù)特征。微小衛(wèi)星與傳統(tǒng)大衛(wèi)星典型特征的對(duì)比見表2。

2.1 輕小型化

與重達(dá)幾噸的普通衛(wèi)星相比，微小衛(wèi)星重量只有克至百千克的量級(jí)。這得益于輕型復(fù)合材料、微電子、微光電、微型計(jì)算、微型機(jī)械及高精尖加工等高新技術(shù)的發(fā)展。微電子技術(shù)、微光電技術(shù)、微型計(jì)算技術(shù)、微型機(jī)械及加工技術(shù)和集成化應(yīng)用為微小衛(wèi)星的小型化提供了重要技術(shù)前提。而輕型復(fù)合材料技術(shù)以及微型技術(shù)的集成化應(yīng)用為微小衛(wèi)星的輕型化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

表2 微小衛(wèi)星與傳統(tǒng)衛(wèi)星典型指標(biāo)對(duì)比

2.2 成本降低

微小衛(wèi)星成本降低有三個(gè)主要原因：一是輕小型化帶來的技術(shù)和材料成本節(jié)約；二是平均發(fā)射成本降低，通過一箭多星技術(shù)大幅度降低了每顆微小衛(wèi)星的發(fā)射費(fèi)用；三是生產(chǎn)研制周期縮短，減少了項(xiàng)目投資。傳統(tǒng)衛(wèi)星的研制周期一般需要5年左右，而且項(xiàng)目投資大、發(fā)射費(fèi)用高、項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)大。微小衛(wèi)星研制過程主要采用先進(jìn)成熟的技術(shù)，采用現(xiàn)成的集成化器件，以及科學(xué)、合理的管理手段，使得微小衛(wèi)星的研制周期一般為15～30個(gè)月，研制成本大大降低。普通衛(wèi)星研制、發(fā)射給發(fā)展中國家?guī)淼某杀就度雺毫?，使得微小衛(wèi)星逐漸成為國際航天市場的新寵，為發(fā)展中國家積極參與地球外層空間活動(dòng)提供了有利條件。

2.3 部署靈活

由于微小衛(wèi)星的體積小、重量輕，其發(fā)射方式也更加靈活。微小衛(wèi)星可以作為大衛(wèi)星的附屬物一起發(fā)射，也可以是幾十甚至上百個(gè)微小衛(wèi)星搭載同一個(gè)火箭一齊發(fā)射，即一箭多星技術(shù)。運(yùn)載和發(fā)射工具包括火箭、導(dǎo)彈、空間飛行器等，發(fā)射地點(diǎn)可以為地面、大氣層或太空平臺(tái)。微小衛(wèi)星靈活發(fā)射的特點(diǎn)，使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的快速部署能力和魯棒性能大大增強(qiáng)。例如，可以根據(jù)需求隨時(shí)發(fā)射微小衛(wèi)星到指定區(qū)域進(jìn)行工作。通過利用大量微小衛(wèi)星組成冗余備份，當(dāng)某顆衛(wèi)星失效或摧毀時(shí)，能夠快速補(bǔ)充衛(wèi)星。雖然單顆微小衛(wèi)星功能受限、單一，通過多顆微小衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座或編隊(duì)[2]進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，可以實(shí)現(xiàn)甚至超越同等質(zhì)量的大型衛(wèi)星所能提供的功能。例如多個(gè)微小衛(wèi)星組成立體化的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以完成單顆大衛(wèi)星難以完成的引力場測量、太空探測等多種航天任務(wù)，可大幅縮短對(duì)目標(biāo)的重訪周期，實(shí)現(xiàn)近實(shí)時(shí)（例如每10分鐘更新一次）連續(xù)觀測和成像等。

2.4 其他特點(diǎn)

微小衛(wèi)星通常不會(huì)單獨(dú)發(fā)射，且對(duì)于軌道沒有特殊要求，其發(fā)射方式可以跟隨搭載大衛(wèi)星一起發(fā)射或者通過一箭多星的方式集體發(fā)射。因此，微小衛(wèi)星一般只有在確定發(fā)射方式（例如運(yùn)載火箭）后，才能明確軌道參數(shù)，這就給衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)申報(bào)和協(xié)調(diào)帶來了不便。眾所周知，衛(wèi)星的動(dòng)力能源決定了衛(wèi)星的使用壽命。由于微小衛(wèi)星重量和尺寸的限制，微小衛(wèi)星一般沒有動(dòng)力裝置或者只有有限的能源可以用于推進(jìn)和變軌機(jī)動(dòng)。因此，微小衛(wèi)星在成功發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道后，其在軌機(jī)動(dòng)、姿態(tài)控制、位置保持能力存在明顯不足。由于微小衛(wèi)星一般沒有姿態(tài)控制能力，衛(wèi)星多采用全向天線，因此產(chǎn)生的無線電干擾也較多。

3 微小衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域

隨著微小衛(wèi)星技術(shù)和性能的提升，微小衛(wèi)星在軍事、商業(yè)和科研領(lǐng)域同步發(fā)展。

3.1 軍事應(yīng)用

以信息化為主要特征的新型作戰(zhàn)模式正在驅(qū)動(dòng)國際軍事航天發(fā)展轉(zhuǎn)型。微小衛(wèi)星在降低成本，補(bǔ)充抗毀能力等方面與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比具有絕對(duì)優(yōu)勢，又具備系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、發(fā)射靈活快捷等特點(diǎn)，能夠按需支撐作戰(zhàn)，特別適用于局部戰(zhàn)爭和信息化戰(zhàn)爭，具有巨大軍事效益。目前，微小衛(wèi)星在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用正在從技術(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)向裝備化部署過渡，在偵察監(jiān)視、空間對(duì)抗[3]、戰(zhàn)術(shù)通信、戰(zhàn)術(shù)欺騙等多個(gè)實(shí)戰(zhàn)領(lǐng)域進(jìn)行拓展，也開始在主戰(zhàn)場之外提供戰(zhàn)略支援服務(wù)等。例如，美國發(fā)布《全球地平線：美國空軍全球科學(xué)技術(shù)愿景》，提出未來微小衛(wèi)星將成為改變空間領(lǐng)域規(guī)則重要因素。因此，美國開展了一系列微小衛(wèi)星空間作業(yè)等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)，探索了微小衛(wèi)星空間作戰(zhàn)、空間偵察和電子壓制等應(yīng)用。俄羅斯發(fā)布《2030年前武器裝備與軍事技術(shù)主要發(fā)展方向》，認(rèn)為俄羅斯面臨的主要軍事威脅之一是主要國家加緊發(fā)展航天技術(shù)，特別是以微小衛(wèi)星為基礎(chǔ)的。因此計(jì)劃有針對(duì)性的優(yōu)先發(fā)展空天防御武器裝備，例如反衛(wèi)星武器。微小衛(wèi)星在軍事攻防和戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)支援領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

3.2 商業(yè)應(yīng)用

隨著微小衛(wèi)星能力的不斷提升，微小衛(wèi)星數(shù)量不斷增長，并進(jìn)入專業(yè)化、實(shí)用化發(fā)展階段，商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。2017年，全球共發(fā)射微小衛(wèi)星310 顆，占同期入軌航天器總數(shù)的70.5%。繼2015年和2016年連續(xù)兩年回落后，2017年微小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量翻倍增長，處于歷史最高點(diǎn)。微小衛(wèi)星的商業(yè)應(yīng)用主要集中在遙感、通信等領(lǐng)域，且商用微小衛(wèi)星的創(chuàng)新模式也在不斷涌現(xiàn)。

微小衛(wèi)星通過對(duì)地觀測和光學(xué)遙感設(shè)備載荷實(shí)現(xiàn)在地理、水文、氣象、測繪、資產(chǎn)管理等方面的廣泛應(yīng)用。對(duì)地觀測和遙感微小衛(wèi)星視頻成像能力已達(dá)到米級(jí)的分辨率，且衛(wèi)星星座規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，面向各類用戶提供商業(yè)服務(wù)。例如，?？召Y產(chǎn)管理可通過星載船只自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）和廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（ADS-B）對(duì)船舶和航空器進(jìn)行全球的實(shí)時(shí)識(shí)別、跟蹤與監(jiān)控，擴(kuò)大管控覆蓋范圍，提升水上和空中交通安全和運(yùn)管效率。

低軌移動(dòng)通信微小衛(wèi)星星座建設(shè)加速，目前提出的微小衛(wèi)星星座計(jì)劃已超過30個(gè)，而且仍在增加。例如，SpaceX公司計(jì)劃發(fā)射4425顆小型低成本低軌道衛(wèi)星以及7500顆甚低軌道衛(wèi)星打造全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。各航天大國和衛(wèi)星企業(yè)都在加速部署微小衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)[4]，提供遠(yuǎn)程監(jiān)測、通信定位和智能數(shù)據(jù)采集等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并進(jìn)行了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)內(nèi)外融資，這將重塑衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的格局。

3.3 科研創(chuàng)新

隨著微小衛(wèi)星在工程技術(shù)培訓(xùn)、技術(shù)實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的價(jià)值，民用微小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量也在不斷上升。民用微小衛(wèi)星主要由高校、科研院所和企業(yè)運(yùn)營，絕大多數(shù)民用微小衛(wèi)星使用衛(wèi)星業(yè)余業(yè)務(wù)頻率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約60%的微小衛(wèi)星用于教育、科學(xué)技術(shù)研究和創(chuàng)新應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)等，主要包括大氣探測、天文探測、太空垃圾清理、航天器維修等新技術(shù)試驗(yàn)。民用微小衛(wèi)星的研制周期和壽命較短、發(fā)射組網(wǎng)隨機(jī)且靈活、生產(chǎn)研制成本低等特點(diǎn)為微小衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)升級(jí)、新增應(yīng)用、更新設(shè)備等提供了更加方便快捷的渠道。微小衛(wèi)星憑借其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，可以作為傳統(tǒng)大衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和功能的補(bǔ)充，在未來將具有較高的應(yīng)用潛力和價(jià)值。

4 發(fā)展展望

隨著全球微小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，微小衛(wèi)星在技術(shù)和應(yīng)用上都不斷深化和拓展。目前，微小衛(wèi)星正在商業(yè)模式、投資主體和技術(shù)升級(jí)等方面進(jìn)行著深刻的變革。

4.1 商業(yè)模式持續(xù)創(chuàng)新

隨著微小衛(wèi)星系統(tǒng)提供業(yè)務(wù)能力的不斷提升，商業(yè)資本已經(jīng)大量投入到微小衛(wèi)星的相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。國際上已有多家互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和新型商業(yè)微小衛(wèi)星公司進(jìn)入了航天應(yīng)用領(lǐng)域，紛紛提出“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)”等商業(yè)微小衛(wèi)星星座計(jì)劃，通過將航天技術(shù)與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G等信息通信技術(shù)相結(jié)合[5]，發(fā)展新型的商業(yè)低軌對(duì)地觀測系統(tǒng)和衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。不僅如此，這些企業(yè)還積極發(fā)展面向用戶定制化、專業(yè)化需求的創(chuàng)新應(yīng)用服務(wù)，填補(bǔ)傳統(tǒng)大衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)和非熱點(diǎn)地區(qū)的覆蓋漏洞等，不斷催生全新的商業(yè)化運(yùn)營模式，促進(jìn)國際商業(yè)微小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步成熟。

4.2 投資主體多元發(fā)展

微小衛(wèi)星技術(shù)的不斷成熟和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，將逐步降低企業(yè)進(jìn)入航天領(lǐng)域的資質(zhì)門檻和投入成本[6]，將使微小衛(wèi)星的參與主體和發(fā)展力量更加多元化，政府資本，以及商業(yè)投資、眾籌等民間資本將使微小衛(wèi)星相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投資模式和投資主體呈現(xiàn)多元化發(fā)展。同時(shí)，微小衛(wèi)星的發(fā)展將使航天領(lǐng)域不再只是大國的游戲，中小國家和地區(qū)、中小企業(yè)、甚至是創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)都能獨(dú)立研制微小衛(wèi)星并開展商業(yè)航天活動(dòng)。因此，新興的微小衛(wèi)星商業(yè)市場必將成為國際投資熱點(diǎn)，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模將急劇增長。

4.3 技術(shù)應(yīng)用不斷增強(qiáng)

未來微小衛(wèi)星的技術(shù)應(yīng)用主要有三種發(fā)展方向：一是通過提升現(xiàn)有微小衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)，不斷縮小與傳統(tǒng)大衛(wèi)星功能的差距。例如，目前限制微小衛(wèi)星進(jìn)一步發(fā)展的主要因素仍然是體積和能耗。受功率和天線尺寸的限制，微小衛(wèi)星對(duì)地觀測的空間、時(shí)間和頻譜分辨率很難提升。只有通過升級(jí)現(xiàn)有的材料技術(shù)和微電子技術(shù)等才能進(jìn)一步滿足傳統(tǒng)大衛(wèi)星承載的成熟應(yīng)用的需求。二是充分利用微小衛(wèi)星獨(dú)特的優(yōu)勢，填補(bǔ)傳統(tǒng)大衛(wèi)星的應(yīng)用漏洞。例如，微小衛(wèi)星星座組網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)重訪周期比傳統(tǒng)大衛(wèi)星縮短了數(shù)倍甚至數(shù)十倍，因此可實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的對(duì)地?cái)?shù)據(jù)觀測和信息更新，提升了天氣預(yù)測和生物追蹤等應(yīng)用的及時(shí)性。三是通過結(jié)合新技術(shù)、新方法催生新型應(yīng)用。例如，通過與互聯(lián)網(wǎng)公司合作，開發(fā)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新型應(yīng)用，提供觀測數(shù)據(jù)的在線共享和分析計(jì)算、衛(wèi)星云服務(wù)平臺(tái)等，并鼓勵(lì)第三方應(yīng)用程序開發(fā)商上傳各類專業(yè)化APP，為新生業(yè)務(wù)提供廣闊的生存發(fā)展土壤。

5 結(jié)束語

微小衛(wèi)星憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢成為未來制天、制網(wǎng)、制電磁權(quán)爭奪中把握主動(dòng)權(quán)的重要手段。美國、英國、法國、日本等衛(wèi)星強(qiáng)國均制訂了微小衛(wèi)星的發(fā)展計(jì)劃，加快部署微小衛(wèi)星系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)、搶占頻軌資源，力圖占據(jù)競爭的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。我國微小衛(wèi)星發(fā)展較為迅速，但由于微機(jī)械、微電子等基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)的限制，還無法達(dá)到世界先進(jìn)水平，需要提前規(guī)劃、合理布局。