小衛(wèi)星發(fā)展對空間技術(shù)和應(yīng)用產(chǎn)生深刻影響

林來興（北京控制工程研究所）

1 概述

1)小衛(wèi)星越來越小，發(fā)射量越來越多，投資成本大幅度下降，發(fā)展商業(yè)小衛(wèi)星良機(jī)呈現(xiàn)；

2)應(yīng)用方式提升，采用多星聯(lián)合使用，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，收效日益增高；

3)衛(wèi)星設(shè)計(jì)思想新穎，技術(shù)不斷創(chuàng)新，部件模塊化與系統(tǒng)組件化、智能化，支持快速衛(wèi)星制造與檢測；

4)運(yùn)載費(fèi)用降低，采用一箭多星（上百顆衛(wèi)星）發(fā)射進(jìn)一步降低成本。

從布賴斯（BRYCE）公布的數(shù)據(jù)可以看出：①小衛(wèi)星發(fā)射量越來越多。20世紀(jì)80年代小衛(wèi)星占航天器總發(fā)射量25%；到90年代上升到30%；本世紀(jì)初增加到40%～50%，從2013年開始劇增；最近5年（2013－2017年）已經(jīng)增到65%～75%，如2017年小衛(wèi)星發(fā)射量為347顆，占航天器總發(fā)射量77%，預(yù)計(jì)今后5～10年小衛(wèi)星占航天器總發(fā)射量的比例將上升到80%～90%。②小衛(wèi)星質(zhì)量越來越小。20世紀(jì)小衛(wèi)星低端部分僅有幾顆，到21世紀(jì)初期也只有十來顆，從2003年出現(xiàn)立方體衛(wèi)星以后才漸漸增加，最近5年（2013－2017年）小衛(wèi)星低端部分上升到80%。

美國聯(lián)邦航空管理局給出的現(xiàn)代小衛(wèi)星分類表

2012－2017年發(fā)射的各類衛(wèi)星質(zhì)量分布

小衛(wèi)星發(fā)射量的越來越多和小衛(wèi)星質(zhì)量的越來越小，兩者相互促進(jìn)、互相配合，對發(fā)展商業(yè)小衛(wèi)星提供極好機(jī)會。除此以外，其他影響體現(xiàn)在具體應(yīng)用實(shí)例中，為此按小衛(wèi)星質(zhì)量把小衛(wèi)星分為高端、低端兩部分，分別論述它們當(dāng)前發(fā)展情況與今后5～10年發(fā)展計(jì)劃，并且從中分析有哪些具體影響。

2.3 高溫高濕脅迫對青菜葉綠素含量的影響 高溫高濕脅迫下，青菜的葉綠素含量變化總體呈降低趨勢。由圖1可知，處理前結(jié)球生菜、日本全能大葉菠菜和香港速生大葉菠菜、矮箕蘇州青和東方18青梗菜在3種不同類別的青菜中綠色素含量較高。但熱害濕害脅迫對美國四季油麥菜、日本全能大葉菠菜和香港速生大葉菠菜、東方18青梗菜的影響顯著低于其他品種。

2 小衛(wèi)星高端部分發(fā)展水平和應(yīng)用前景

現(xiàn)代小衛(wèi)星當(dāng)前應(yīng)用概況

現(xiàn)代小衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域日益增大。

應(yīng)用領(lǐng)域中，商業(yè)公司和政府機(jī)構(gòu)為主要用戶，其中2012－2017年商業(yè)小衛(wèi)星共發(fā)射495顆,占小衛(wèi)星發(fā)射量的一半。商業(yè)應(yīng)用中，遙感衛(wèi)星430顆,占86%；通信衛(wèi)星27顆。

現(xiàn)代小衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域分布

商業(yè)小衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域分布

小衛(wèi)星高端部分典型項(xiàng)目

大部分集中在低軌道的空間互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)通信衛(wèi)星和遙感衛(wèi)星，均以星座形式出現(xiàn)，按最近幾年發(fā)布的信息，大約有數(shù)十個星座計(jì)劃，發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量在萬顆以上，在計(jì)劃實(shí)施過程中可能會有變化，但即使減少一半數(shù)量也是相當(dāng)可觀。下面介紹4個實(shí)現(xiàn)可能性較大的應(yīng)用實(shí)例。

（1）Space X公司全球互聯(lián)網(wǎng)大型星座

美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）計(jì)劃創(chuàng)建全球互聯(lián)網(wǎng)大型星座，由10000多顆小衛(wèi)星組成，對全球連續(xù)無縫覆蓋。整個星座的衛(wèi)星研制與發(fā)射費(fèi)用約100多億美元。衛(wèi)星與信關(guān)站之間的通信采用Ka頻段，衛(wèi)星與用戶終端之間的通信則采用Ku頻段。衛(wèi)星之間采用激光鏈路，完全實(shí)現(xiàn)無縫網(wǎng)絡(luò)管理和連續(xù)服務(wù)。SpaceX公司的互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座具有高容量、高適應(yīng)性、短延遲、終端小、低成本等特點(diǎn)。SpaceX公司于2018年2月成功發(fā)射2顆試驗(yàn)衛(wèi)星，每顆質(zhì)量400kg。星座部署計(jì)劃在2019－2023年完成。

（2）OneWeb星座

一網(wǎng)公司（OneWeb）計(jì)劃組成大型通信衛(wèi)星星座，共20個軌道平面，每個軌道平面分布30顆衛(wèi)星和2顆備份衛(wèi)星，共640顆微型衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道高度為1200km，實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋。衛(wèi)星工作在Ku頻段，配備相控陣天線，每顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸率為50Mbit/s。一網(wǎng)公司的首批6顆衛(wèi)星于2019年2月28日成功發(fā)射。一網(wǎng)公司還向美國聯(lián)邦通信管理局提交申請，將衛(wèi)星發(fā)射量增至1700顆。

一網(wǎng)公司衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

（3）特亞控股星座

美國特亞控股公司（Theia Holdings）計(jì)劃建設(shè)地球觀測和通信網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星星座，由112顆衛(wèi)星組成，軌道高度800km，軌道傾角為98.6°，共8個軌道平面，每個軌道平面有14顆衛(wèi)星，再加上8顆備份星，總共120顆。星座是一個集地球觀測和通信于一體的網(wǎng)絡(luò)，一顆小衛(wèi)星上同時具有兩種不同類型的有效載荷，這是比較少見的。星座計(jì)劃在2018－2020年部署完成。

（4）地球現(xiàn)況公司巨型星座

美國地球現(xiàn)況（EarthNow）公司在2018年宣布創(chuàng)建全球最大的對地觀測星座，由500顆微衛(wèi)星組成，提供在地球任何地點(diǎn)實(shí)時、連續(xù)的視頻服務(wù)，重訪時間幾乎為零。公司已得到多個企業(yè)家投資。據(jù)公司稱，星座費(fèi)用（衛(wèi)星與運(yùn)載）預(yù)計(jì)不到10億美元，衛(wèi)星在2019年開始發(fā)射，至少需要5年完成星座計(jì)劃。

小結(jié)

小衛(wèi)星發(fā)展引起衛(wèi)星通信大變革，由地球同步軌道向低地球軌道拓展。小衛(wèi)星為實(shí)現(xiàn)天基互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)。高端小衛(wèi)星設(shè)計(jì)思想新穎，有的同時具有對地觀測和衛(wèi)星通信兩種功能，功能密度高于大衛(wèi)星。

3 小衛(wèi)星低端部分發(fā)展水平和應(yīng)用前景

小衛(wèi)星低端部分以立方體衛(wèi)星和納衛(wèi)星為代表。從2003年世界第一批立方體衛(wèi)星成功發(fā)射至今，一直不斷發(fā)展。

立方體衛(wèi)星與納衛(wèi)星發(fā)展概況

根據(jù)“nanosats.eu”網(wǎng)站“納衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫”2018年5月公布的數(shù)據(jù)，立方體衛(wèi)星與納衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量持續(xù)增長。

預(yù)計(jì)至2023年，全球?qū)l(fā)射2000多顆立方體衛(wèi)星和納衛(wèi)星。其中3U立方體衛(wèi)星數(shù)量最多。多年的實(shí)踐證明，3U以上衛(wèi)星大部分都有實(shí)際用途，正在從技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星向應(yīng)用衛(wèi)星快速轉(zhuǎn)型，商業(yè)公司已成為發(fā)展主體，占比超過50%。

小衛(wèi)星低端部分典型項(xiàng)目

立方體衛(wèi)星和納衛(wèi)星大部分將組成星座，用于對地觀測和通信，并開創(chuàng)許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。

（1）開普勒通信公司數(shù)據(jù)通信衛(wèi)星

加拿大開普勒通信公司（Kepler）計(jì)劃發(fā)射140顆3U立方體衛(wèi)星組成的數(shù)據(jù)通信衛(wèi)星星座，衛(wèi)星提供實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸和指揮控制，面向全球物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸率為1～40Mbit/s。第一顆開普勒通信衛(wèi)星于2018年1月19日搭載中國長征11號火箭成功發(fā)射。公司計(jì)劃在2022年前完成整個星座部署。

（2）卡佩拉空間公司納衛(wèi)星SAR星座

卡佩拉空間公司（Capella Space）計(jì)劃創(chuàng)建全球第一個納衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)（SAR）星座，由36顆12U納衛(wèi)星組成，帶有可展開輕型太陽能帆板和超輕大型天線，衛(wèi)星質(zhì)量約30多kg?？ㄅ謇臻g公司的首顆試驗(yàn)衛(wèi)星已于2018年12月3日成功發(fā)射，計(jì)劃今后4～5年完成整個星座部署。全球觀測重訪時間3～6h，在赤道地區(qū)重訪時間45min。

卡佩拉空間公司納衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

（3） SkyFi公司互聯(lián)網(wǎng)星座

以色列SkyFi公司計(jì)劃創(chuàng)建互聯(lián)網(wǎng)星座，由60顆6U立方體衛(wèi)星組成，實(shí)現(xiàn)可覆蓋全球的WiFi網(wǎng)絡(luò)。SkyFi公司發(fā)揮其技術(shù)特長，利用55cm口徑充氣可展開超輕型天線，從而提升了立方體衛(wèi)星的通信性能。

SkyFi 6U立方體衛(wèi)星外形結(jié)構(gòu)

（4）天空和空間全球公司納衛(wèi)星星座

天空和空間全球公司是由英國、以色列和澳大利亞三國企業(yè)合資的公司，計(jì)劃到2020年建立200顆3U立方體衛(wèi)星組成的大型星座。2017年6月23日，發(fā)射了3顆試驗(yàn)衛(wèi)星。后續(xù)星座建設(shè)分兩個階段：首先建立100顆衛(wèi)星的星座，之后衛(wèi)星增加至200顆。200顆衛(wèi)星組成的星座主要覆蓋南北緯15°地區(qū)，為幾十億人口提供窄帶通信服務(wù)。整個星座計(jì)劃花費(fèi)1.5億美元。

天空和空間全球衛(wèi)星示意圖

（5）行星實(shí)驗(yàn)室公司“鴿群”對地觀測星座

美國行星實(shí)驗(yàn)室公司（Planet Lab）正在部署“鴿群”（Flock）對地觀測星座。從2013年到2018年11月共成功發(fā)射“鴿群”衛(wèi)星343顆，到2019年初將達(dá)到400多顆。衛(wèi)星采用 3U立方體衛(wèi)星構(gòu)型，地面分辨率3～4m。

小結(jié)

星座是小衛(wèi)星的最佳應(yīng)用方式。創(chuàng)新思想、創(chuàng)新技術(shù)的引入使納衛(wèi)星單星性能實(shí)現(xiàn)了大幅度提升，如超輕型充氣式天線，星座成本大幅下降，結(jié)合流水線生產(chǎn)模式和快速測試技術(shù)，進(jìn)一步助推了立方體衛(wèi)星和納衛(wèi)星的發(fā)展。

4 結(jié)語

小衛(wèi)星發(fā)展對航天產(chǎn)業(yè)造成了深度影響，小衛(wèi)星的發(fā)展速度越來越快。后續(xù)我國航天系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)考慮以下幾個方面：政府加大對小衛(wèi)星系統(tǒng)開發(fā)力度，進(jìn)一步促進(jìn)商業(yè)小衛(wèi)星的開放競爭，由市場促發(fā)展，并健全制度，加強(qiáng)管理，確保競爭秩序；國家制定小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展規(guī)劃與計(jì)劃，統(tǒng)籌核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，為小衛(wèi)星發(fā)展打牢基礎(chǔ)，避免低水平重復(fù)；關(guān)注小衛(wèi)星數(shù)量激增引發(fā)的環(huán)境和法律問題，立法規(guī)范小衛(wèi)星的離軌和回收責(zé)任，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。