微型衛(wèi)星 異軍突起

李忠東

拉庫(kù)納太空公司的每顆衛(wèi)星大約只有一個(gè)公文包大小。

20世紀(jì)50年代以來(lái)，人造地球衛(wèi)星形成了通信、氣象、導(dǎo)航、資源環(huán)境、軍事偵察和科學(xué)研究等系列，并向高性能、高集成方向發(fā)展。衛(wèi)星功能的綜合集成和衛(wèi)星質(zhì)量的不斷提升，加之火箭運(yùn)載能力的不斷提高，為大衛(wèi)星的發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著衛(wèi)星技術(shù)與應(yīng)用的不斷發(fā)展，在降低衛(wèi)星成本、減少風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，加快衛(wèi)星開(kāi)發(fā)研制周期也被提到了議事日程上。特別是對(duì)于執(zhí)行單一任務(wù)的專用衛(wèi)星以及衛(wèi)星組網(wǎng)，開(kāi)發(fā)投資小、見(jiàn)效快的衛(wèi)星技術(shù)更是迫在眉睫，小衛(wèi)星技術(shù)因此應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)人造衛(wèi)星的質(zhì)量，500千克以上的被稱為“大衛(wèi)星”，500千克以下的為“小衛(wèi)星”。小衛(wèi)星又分成4個(gè)等級(jí)：100～500千克為小型衛(wèi)星，10～100千克為微型衛(wèi)星，1～10千克為納米衛(wèi)星，0.1～1千克為皮衛(wèi)星（又稱為“立方體星”）。

別看小衛(wèi)星質(zhì)量小，含金量可不低。它們運(yùn)用的是高度集成化技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，裝備有能源、通信、星上數(shù)據(jù)處理和衛(wèi)星姿態(tài)控制等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了星上控制與處理計(jì)算機(jī)小型化。完成小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)、制造、發(fā)射、在軌運(yùn)行全過(guò)程，耗時(shí)一般不到一年，包括發(fā)射在內(nèi)的價(jià)格約3000萬(wàn)元。它們不一定需要固定的發(fā)射塔，可在飛機(jī)上等地點(diǎn)發(fā)射，十分靈活。小衛(wèi)星不僅物美價(jià)廉，而且風(fēng)險(xiǎn)很小，使用壽命一般超過(guò)10年。它們用途廣泛，可用于通信、對(duì)地觀測(cè)、空間遙感、氣象觀測(cè)、海洋探測(cè)和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。其中，利用小衛(wèi)星進(jìn)行移動(dòng)通信，已成為當(dāng)今發(fā)展的熱點(diǎn)。此外，它們還能根據(jù)軍事需要快速研制，快速發(fā)射，及時(shí)投入使用，滿足戰(zhàn)時(shí)的特殊要求。

“皮星三號(hào)A星”由一個(gè)邊長(zhǎng)25厘米的立方體主體和一個(gè)直徑30厘米的球形載荷組成。

拉庫(kù)納太空公司正著手在近地軌道部署一個(gè)由32顆納米衛(wèi)星組成的星座，以形成隨時(shí)能覆蓋整個(gè)地球的拉庫(kù)納網(wǎng)絡(luò)。

“皮星三號(hào)A星”大顯神通

微電子技術(shù)的進(jìn)步、輕型材料的研制以及高功率太陽(yáng)能電池的問(wèn)世，保證了衛(wèi)星研制的小型化和微型化，使得開(kāi)發(fā)出來(lái)的衛(wèi)星具有體積小、重量輕、能耗小、可靠性高等特點(diǎn)。納米技術(shù)的發(fā)展和掃描隧道顯微鏡加工技術(shù)的應(yīng)用，使科研人員有條件進(jìn)行原子和分子量級(jí)的加工，制造出各種微型機(jī)電設(shè)備。在小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的早期，納米衛(wèi)星只被用于做些簡(jiǎn)單的空間實(shí)驗(yàn)，皮衛(wèi)星幾乎僅作為物理概念存在，發(fā)射數(shù)量極少。1999年，美國(guó)斯坦福大學(xué)教授湯姆·肯尼根據(jù)對(duì)皮衛(wèi)星多年研究積累的經(jīng)驗(yàn)，提出了一種新概念的皮衛(wèi)星，它呈正立體，質(zhì)量為1千克，結(jié)構(gòu)尺寸為10厘米×10厘米×10厘米，被稱為“1個(gè)立方體星單元”，若干個(gè)單元可以組成納米衛(wèi)星。

在皮衛(wèi)星概念誕生之時(shí)至2003年的3年多時(shí)間里，全球約有60～70所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)加入到開(kāi)發(fā)皮衛(wèi)星的行列中，其中包括美國(guó)波音公司空間研究中心、美國(guó)宇航局和艾姆斯研究中心等。研制皮衛(wèi)星經(jīng)濟(jì)成本低，周期短，不需要大型的實(shí)驗(yàn)設(shè)施和高跨度廠房，并且技術(shù)易于更新，能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。從2003年至今，全世界發(fā)射了200多顆皮衛(wèi)星，失敗的不到10%，其中還有不少是運(yùn)載火箭及其分離機(jī)構(gòu)故障造成的。

皮衛(wèi)星因具備發(fā)射不需要使用高成本運(yùn)載工具和應(yīng)急反應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)，被航天科技界稱為緊急狀態(tài)下的“突擊隊(duì)”。我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，在應(yīng)急救援和搶險(xiǎn)救災(zāi)時(shí)期，皮衛(wèi)星可以擔(dān)當(dāng)起應(yīng)急通信和地形勘測(cè)等多項(xiàng)職責(zé)。它們適合大批量地生產(chǎn)和發(fā)射，形成衛(wèi)星群。我們可以把每一顆皮衛(wèi)星視為一塊“積木”，單獨(dú)看功能比較單薄，但是就像“搭積木”一樣，當(dāng)皮衛(wèi)星批量發(fā)射形成衛(wèi)星群后，就能發(fā)揮重要的作用。比如，在500～600千米高度的軌道上，衛(wèi)星環(huán)繞地球一圈約100分鐘，單顆衛(wèi)星可能需要兩三天才能重訪同一個(gè)地方。但由24顆皮衛(wèi)星組成的衛(wèi)星集群，在1～2分鐘之內(nèi)就可以重訪任意一個(gè)點(diǎn)。

自2000年起，浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心致力于皮納衛(wèi)星技術(shù)的研究，開(kāi)展皮納衛(wèi)星整星、測(cè)控通信、姿軌控制、星間通信及編隊(duì)組網(wǎng)等領(lǐng)域的研究工作，開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)皮衛(wèi)星領(lǐng)域的研究，有力推動(dòng)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的發(fā)展?！捌ば侨?hào)A星”是浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心自主研制且在軌運(yùn)營(yíng)的第5顆皮衛(wèi)星，代表著我國(guó)航空航天事業(yè)的新生力量。2020年6月17日，在甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，它和“高分九號(hào)03衛(wèi)星”及“和德五號(hào)衛(wèi)星”一起，由“長(zhǎng)征二號(hào)丁”運(yùn)載火箭送入預(yù)定軌道，對(duì)多模式測(cè)控應(yīng)答機(jī)和星載綜合電子系統(tǒng)等皮納衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行在軌試驗(yàn)。

“龍江二號(hào)”質(zhì)量為47千克、主體如2個(gè)家用微波爐大小。

“龍江二號(hào)”拍攝的“地月相擁”合影美如畫。

“皮星三號(hào)A星”身形輕盈嬌小，由一個(gè)邊長(zhǎng)25厘米的立方體主體和一個(gè)直徑30厘米的球形載荷組成，體積與2個(gè)籃球相近，總重量?jī)H20千克。別看它個(gè)子不大，用處卻不小，主要功能是雷達(dá)標(biāo)校，因此也被稱作“雷達(dá)標(biāo)校星”。它就像是太空中的一把“尺子”，只不過(guò)測(cè)量的對(duì)象不是生活中的小物件，而是衛(wèi)星地面站的位置和相對(duì)距離。

浙江大學(xué)微小衛(wèi)星研究中心最早研制的“皮星一號(hào)”是一對(duì)孿生衛(wèi)星，它們填補(bǔ)了我國(guó)在皮衛(wèi)星研究領(lǐng)域的空白。“皮星一號(hào)”每96分鐘繞地球一圈，每天與西安衛(wèi)星測(cè)控中心保持一次通信聯(lián)系，并傳回衛(wèi)星軌道定位和健康管理數(shù)據(jù)等信息?！捌ば嵌?hào)”和“皮星三號(hào)”2顆皮衛(wèi)星不僅功能更復(fù)雜，而且體積小、能量大，載荷能夠達(dá)到50%，即自重20千克卻能承擔(dān)10千克及以上的載荷。而大衛(wèi)星的載荷為30%。

“龍江二號(hào)”不負(fù)眾望?

在我國(guó)航天事業(yè)中，出現(xiàn)了許多“功勛卓著”的衛(wèi)星。2018年5月21日，“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器的中繼星“鵲橋號(hào)”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。同年12月8日，又成功發(fā)射了“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器。2019年1月3日，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了人類探測(cè)器在月球背面首次軟著陸。這期間，“鵲橋號(hào)”給“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器提供通信支持。依靠它提供的數(shù)據(jù)鏈路的支撐，睡了醒、醒了又睡的“玉兔二號(hào)”月球車才能在遙遠(yuǎn)的月球背面進(jìn)入更長(zhǎng)的工作周期。2019年4月6日，當(dāng)陽(yáng)光再次鋪灑在“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器和“玉兔二號(hào)”月球車上，它們分別于當(dāng)日21時(shí)43分和3時(shí)54分結(jié)束月夜休眠，受光照自主喚醒進(jìn)入第29月晝工作期。與“鵲橋號(hào)”衛(wèi)星一起發(fā)射升天的還有一個(gè)微型衛(wèi)星，名叫“龍江二號(hào)”。盡管它貌不驚人，然而卻毫不遜色，創(chuàng)造了震驚世界的奇跡。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外率先進(jìn)行微型衛(wèi)星的研究工作。從20世紀(jì)90年代起，我國(guó)也開(kāi)始著手微型衛(wèi)星的自主研發(fā)。“龍江二號(hào)”衛(wèi)星由哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制，雖然它的質(zhì)量只有47千克（其中15千克是燃料），主體只有2個(gè)家用微波爐大小（765×570×420毫米），但設(shè)計(jì)有全新的推進(jìn)系統(tǒng)、星箭分離系統(tǒng)和天線結(jié)構(gòu)等?！褒埥?hào)”衛(wèi)星發(fā)射成功后，成為全球首個(gè)獨(dú)立完成地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行的微型衛(wèi)星。在軌期間，它共計(jì)完成30次拍攝成像，成功拍攝出清晰的月球雨海局部影像圖，完成波斯灣、紅海、地中海、阿拉伯半島等區(qū)域的地月合影等多幅科學(xué)探測(cè)圖像。中東多國(guó)對(duì)它取得的這些豐碩成果贊嘆不已。

特別值得一提的是，“龍江二號(hào)”衛(wèi)星于2019年2月3日拍攝的一幅“地月相擁”圖像，登上了《科學(xué)》雜志。這張?jiān)虑蚺c地球同框、擁有完整月球背面的圖像在國(guó)外流傳甚廣?！堵槭±砉た萍荚u(píng)論》等外媒對(duì)此進(jìn)行的追蹤報(bào)道稱：“我們?cè)?jīng)見(jiàn)過(guò)它，但從未像今天這樣興奮，這應(yīng)該是有史以來(lái)最棒、最清晰的照片！”一些媒體甚至稱其“讓人想起美國(guó)宇航局（NASA）的‘阿波羅8號(hào)任務(wù)中拍攝到的一張著名圖片——‘地球升起”。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在描述“地月相擁”的拍攝過(guò)程時(shí)這樣寫道：“當(dāng)‘龍江二號(hào)衛(wèi)星到達(dá)月球附近時(shí)，需要將其運(yùn)行速度降下來(lái)，這樣就自然被月球捕獲成為月球的一顆衛(wèi)星。通過(guò)精準(zhǔn)的控制調(diào)整衛(wèi)星，將相機(jī)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，從而成功完成了拍攝?！?/p>

“龍江二號(hào)”衛(wèi)星在太空實(shí)際工作了437天，超過(guò)預(yù)定1年的設(shè)計(jì)壽命。在它以優(yōu)異成績(jī)完成任務(wù)后，國(guó)家航天局決定將其受控撞月，結(jié)束其使命。它在成功脫離運(yùn)行軌道后，在月球表面墜毀。整個(gè)受控撞月過(guò)程順利，為探月任務(wù)畫上了一個(gè)圓滿的句號(hào)。根據(jù)圖像資料，它在月球表面形成了一個(gè)大約4 ×5米的撞擊坑，這個(gè)撞擊坑與科學(xué)家預(yù)計(jì)的撞擊地點(diǎn)偏差不大，僅為328米。業(yè)余科學(xué)家丹尼爾·埃斯特維茲一直跟蹤“龍江二號(hào)”衛(wèi)星的進(jìn)展。在“龍江二號(hào)”墜毀后，他通過(guò)一系列的運(yùn)行資料及精密計(jì)算找到了它在月球的精確墜毀點(diǎn)：位于月球表面康斯坦汀諾夫隕石坑?xùn)|南部的一處火山口中。如今，“龍江二號(hào)”衛(wèi)星的成就已可列入“明星”衛(wèi)星行列，它的低質(zhì)量及高精度的表現(xiàn)，為國(guó)際空間探測(cè)衛(wèi)星的研制及發(fā)展提供了更低成本的選擇。

天基物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)萬(wàn)物

據(jù)世界銀行數(shù)據(jù)表明，目前地面物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在陸地的覆蓋率僅為20%，而在海洋的覆蓋率則不到5%。在人跡罕至卻又需要通信的區(qū)域，建設(shè)基站和鋪設(shè)線路難度大，成本高，降低了實(shí)現(xiàn)“萬(wàn)物互聯(lián)”的可能性。而衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)不受地理和氣候環(huán)境的影響，能夠突破因地面基站所不能及而帶來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)覆蓋限制，具備全天候的服務(wù)能力。據(jù)美國(guó)權(quán)威衛(wèi)星行業(yè)咨詢公司NSR預(yù)測(cè)，2022年將有1億～2億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有接入衛(wèi)星的需求。另?yè)?jù)麥肯錫公司預(yù)測(cè)，天基物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)值在2025年可達(dá)5600億～8500億美元。

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)向太空進(jìn)軍的勢(shì)頭開(kāi)始增強(qiáng)，全球十多家初創(chuàng)公司的上百顆微型衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射升空。他們沒(méi)有與亞馬遜和太空探索技術(shù)公司等大企業(yè)正面競(jìng)爭(zhēng)，而是使用只需耗資數(shù)千萬(wàn)美元的微型衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)，向家庭和企業(yè)提供直接服務(wù)。專家指出，這種新興微型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能促成真正的全球“物聯(lián)網(wǎng)”。

拉庫(kù)納太空公司是一家英國(guó)衛(wèi)星通信提供商。這家小型初創(chuàng)公司首先在英國(guó)哈維爾的歐洲航天局企業(yè)孵化中心對(duì)新興微型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，然后制造出低成本的微型衛(wèi)星。目前，該公司已有3顆通信衛(wèi)星在軌運(yùn)行，還有2顆正在進(jìn)入軌道的途中。每顆衛(wèi)星大約只有一個(gè)公文包大小，衛(wèi)星平臺(tái)和天線分別由納米衛(wèi)星集成商——納米航空電子公司和牛津航天系統(tǒng)公司提供。微型衛(wèi)星利用長(zhǎng)距離無(wú)線電通信廣域網(wǎng)與地面上的設(shè)備連接，可以方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)備終端的數(shù)據(jù)互聯(lián)并輸送到網(wǎng)絡(luò)中，再經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)椒?wù)器，相應(yīng)的應(yīng)用客戶端可以從中獲取數(shù)據(jù)。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力是一種稀缺資源，因而傳統(tǒng)的連通性在商業(yè)上是不可行的。而微型衛(wèi)星可以在將“物”的連通性擴(kuò)展到偏遠(yuǎn)地區(qū)方面發(fā)揮重要作用。該公司正著手在近地軌道部署一個(gè)由32顆納米衛(wèi)星組成的星座，以形成拉庫(kù)納網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)覆蓋整個(gè)地球。

目前，雖然許多測(cè)試該公司技術(shù)的客戶每天只能連接衛(wèi)星2～4次，但是應(yīng)用于監(jiān)控遠(yuǎn)程基礎(chǔ)設(shè)施，比如觀測(cè)企鵝的攝像頭等綽綽有余?？茖W(xué)家需要經(jīng)常跟蹤南極洲冰原上阿德利企鵝的健康狀況，不過(guò)他們這次是通過(guò)在人們頭頂上運(yùn)行的微型衛(wèi)星，從數(shù)千千米之外操作攝像頭進(jìn)行的。

此外，荷蘭的智慧公園公司也利用長(zhǎng)距離無(wú)線電通信廣域網(wǎng)，將犀牛和大象與某個(gè)巨型動(dòng)物網(wǎng)相連。這對(duì)野生動(dòng)物保護(hù)區(qū)的管理人員來(lái)說(shuō)很有用，因?yàn)樗麄冃枰獙?duì)這些動(dòng)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以防偷獵，并且在動(dòng)物游蕩到國(guó)家公園以外的地方時(shí)，及時(shí)把它們趕回去。他們?cè)隈R拉維測(cè)試的一種大象項(xiàng)圈與那里的長(zhǎng)距離無(wú)線電通信廣域網(wǎng)地面站連接，同時(shí)也能與拉庫(kù)納的衛(wèi)星連接。一旦衛(wèi)星群全面部署，公司將利用這種項(xiàng)圈追蹤進(jìn)入沙漠、森林和在非洲南部國(guó)家之間跨境的動(dòng)物。在那些偏僻的地方，沒(méi)有其他的無(wú)線信號(hào)。長(zhǎng)距離無(wú)線電通信廣域網(wǎng)系統(tǒng)需要的耗電量相對(duì)較少，非常適合安裝在大象項(xiàng)圈上。