现代小卫星与大众化空间时代

航天 · 2016-11-22 23:45:07

1 引言　　从1957年世界第一颗人造卫星发射成功——人类开始进入空间时代，迄今已有半个多世纪。在空间时代最初的十几年中，空间项目具有开创性、高技术和高风险的基本特点。此时正值美苏两国展开空间竞赛，在这个不计成本和投资的时代，空间技术及应用得到了很大发展，只是技术本身由极少数国家掌握，处于垄断的局面。　　20世纪80年代，冷战压力造成各国的航天预算经费急剧降低，与此同时，随着计算机、信息等高技术的不断出现，对空间技术的发展提供了有力的支持。从这个时期开始，空间项目开始与人类自身的社会、经济活动密切相关，对社会大众的工作和生活产生重要响。由此，20世纪80年代中期国际上兴起小卫星热，小卫星相比大卫星具有一系列的优势，从而得到了广泛的应用，获得巨大的效益。　　近l0年来，由于立方体星和由它组成的纳型卫星、微型卫星等技术的飞速发展，立方体星组成的航天产品实现了标准化、模块化、高可靠性和短研制周期；同时在国际互联网和大数据时代飞速发展的背景下，使得小卫星获取的各种观测数据，能够及时在人类社会实现价值应用并获得收益。　　近年来现代小卫星开始迈进新的空问时代——大众化空间(Public Space)口]。为此，本文将论述大众化空间与现代小卫星的关系，讨论现代小卫星技术发展水平和典型应用实例，展望小卫星的发展方向，即以扩大现代小卫星特点为目标的空间技术和应用的发——私人与普通民众都可参与小卫星开发项目，并总结现代小卫星技术服务于大众化空间的各项特征和成功经验。　　2 大众化空间的概念与现代小卫星　　2．1 大众化空间　　在航天领域，“大众化空间”这个名词刚刚出现，尚未得到公认的明确概念和严格定义。但是，顾名思义，大众化空问的主要特征是：空间活动是大众化和普遍性的，不再如空间时代初期，空间活动仅局限在少数国家的大型科研机构或大型企业中。大众化空间活动投资少、收益多、见效快、研制周期短、应用广泛，服务对象是不受地域限制的广大社会民众，无论是中小国家、私人企业乃至个人都可能参与空间活动并获得回报。而这一特点，只有利用现代小卫星才能完全体现，也就是说，现代小卫星快速发展到今天，已经开始迈向新的空间时代——大众化空间。　　2．2 现代小卫星　　20世纪80年代中期，国际上由于采用新技术和新设计思路所兴起的小卫星热，至今已有30年，在此期间全世界共发射了各种小卫星近2000颗，约占同期航天器发射数量的40％。小卫星技术经过30年的快速发展，取得了巨大进步，其应用向全方位发展并获得广泛效益。与传统大卫星相比，后来的小卫星具有一系列的优势。为此，把这些小卫星称为现代小卫星，以区别早期由于运载能力和空间技术限制所发射的那些水平较低的简单小卫星。　　通过对已发射的这些现代小卫星技术性能分析研究，同时又考虑当前各国所制定的开发研究小卫星计划(包括已经在研究或计划发射的小卫星)，现代小卫星具有独特的优势，具体内容可参考文献。现代小卫星也存在缺点：　　①单颗小卫星有效载荷的质量和功率有限；　　②对单点故障敏感；　　③短期运行寿命和可靠性比大卫星稍差。但是，小卫星在应用上常常采用分布式空间系统，则可发挥其优点并克服缺点。如果采用分布式空间系统，小卫星就会有如下优势：　　(1)单颗大卫星功能可由若干颗小卫星来替代(例如采用干涉原理)，甚至还可获得更好的技术性能；　　(2)可以实现低成本的全球实时对地观测；　　(3)不会由于单颗小卫星发生故障而导致系统性能受到严重影响，从而获得很强的生存能力，这点对于军事应用特别重要；　　(4)系统技术性能可以获得定期改善和提高；　　(5)系统偶然性故障较低，而消除故障费用很少。　　在航天领域曾经有人担忧，由于小卫星发射过多会增加空问碎片的危害性，但是文献的研究表明没有这样严重。　　2．3 现代小卫星分类和应用　　现代小卫星分类、特点、成本和应用概况如表1所示。

表1中共有6种小卫星分类。30年来，虽然现代小卫星已经发射近2000颗，但是它们的人轨质量差异很大，从1 kg到近1000 kg。发射数量约占同期航天器发射数量的40％，但发射人轨的质量不到发射总质量的10％，而经济成本投入不到5％。从它们在空间领域所起的作用看，可以覆盖现有大卫星的很大一部分。这也是现代小卫星正在迈向大众化空间的重要特征。　　3 现代小卫星发展水平　　现以小卫星应用实例来说明其技术发展水平；更重要的是论述大众化空间时代一些主要表现。　　3．1 对地观测　　小卫星在对地观测方面应用是最成功的，可以说在技术上获得巨大突破。　　1)“羊群星座”　　美国私营行星实验室(Plant Labs)公司研制了3U立方体星对地观测项目。2013年发射了4颗“鸽子”3U立方体星Dove一1～4，对地观测光学成像地面分辨率为3～5 rn，单颗卫星质量5 kg。2014年共发射3U立方体星4次总计93颗，其中成功发射3次(67颗卫星)，火箭发射失败1次(26颗卫星)，3U立方体星外形结构见图1。经过上述成功的空间技术试验，获得很多技术改进策略(特别是在太阳电池板方面的改进)。该公司计划在2015—2016年发射150颗3U立方体星以组成对地观测超大星座——“羊群星座”(Flock Constellation)，对地观测光学成像分辨率为3～4 ITI，单颗卫星5 kg，轨道高度500 km，实现全球覆盖，重访时间接近实时。采用长期在线(Always On)工作模式，无需对卫星下达成像指令即可自动持续获取全球图像。基本上实现多年来人类对地观测的梦想——随时随地的高分辨率对地观测。这个超大星座，卫星总质量仅约800 kg，投资成本估计在1～2亿美元左右(卫星若成批生产还会降低成本)，这仅相当于一颗普通中小型卫星的质量和投资成本。

2)“天空”卫星星座　　美国私营天空盒子公司(Skybox)研制微型对地观测星座，2013--2014年先后发射2颗“天空卫星”(SkySat)，单颗卫星质量100 kg，光学成像对地分辨率为0．8～0．9 ITI，多光谱分辨率2 m，幅宽8 km，卫星设计寿命6 a，563 km／593 km太阳同步轨道。空间飞行试验成功后，卫星经过一些设计改进，公司决定在2015年开始发射多颗微型卫星组成星座，卫星质量120 kg，采用500 km太阳同步轨道。星上具有无毒绿色燃料推进系统。“天空卫星”外形如图2所示。

“天空卫星”星座将来由24颗星组成，实现全球对地观测，重访时间为8 h，全色分辨率0．8 m，多光谱分辨率2 m[6]。若与以前传统大卫星相比，分辨率相同而重访时间缩短到1／40～1／50，整个星座卫星总质量减轻到1／2或1／4,投资成本也降低到1／2或者1/4。“天空卫星”星座的观测数据将随时传输到地面上，由地面云计算机进行数据处理，利用当前大数据时代技术和互联网，可以及时、广泛地传递到全球各地用户，数据费用低廉。　　3)高分辨率光学成像卫星以色列在2010年6月成功发射地平线一9(Ofeq-9)对地观测小卫星。全色分辨率0．5 m，多光谱分辨率2.5m，幅宽16 km，卫星质量272 kg。这种极高分辨率小卫星与传统对地观测大卫星相比(例如美国“锁眼”侦察卫星)，分辨率相同，卫星质量减轻一个数量级，投资成本降低一个数量级，研制周期缩短到1／2或1／4。　　4)合成孔径雷达小卫星　　合成孔径雷达卫星(SAR)可以实现全天时、全天候的对地观测。但是卫星功耗很大，为此传统SAR卫星每颗质量都在2～3 t以上。　　以色列在2009年和2014年分别发射地平线一8和地平线一10对地观测卫星，卫星分辨率为1 iTI，卫星质量仅260 kg。与此相似，印度也在2009年发射合成孔径小卫星RISAT一2。这是目前世界上最轻的3颗合成孔径雷达卫星。图3是以色列地平线一8与地平线一10卫星的外形图。

上述SAR小卫星比传统SAR卫星质量减轻一个数量级，对地观测分辨率提高3～4倍，成本也随之降至1／5～1／7。　　3．2 通信卫星星座和导航卫星星座　　1)通信卫星星座　　由于通信卫星星座需要无缝覆盖全球，必须采用多颗卫星组成星座，现代小卫星的出现才使得通信卫星星座容易实现。通信卫星需要在轨工作寿命较长，一般为10～15 a，同时又需要较大发射功率，以便降低地面接收设备复杂性。为此，通信卫星星座都采用广义小卫星，质量为500～800 kg。　　20世纪90年代，小卫星星座发展达到高潮，其中较为典型的移动通信卫星系统有：“全球星”(48颗)、“铱星”(66颗)、“轨道通信”(Orbcomm)(36颗)等星座。进入21世纪后，这些星座开始发射第二代卫星，例如“铱星”准备从2015年开始，星座仍然由66颗组成，每颗卫星重800 kg，寿命i0 a。　　“全球星”星座从2010一2015年完成第二代全部发射任务，星座仍然由48颗组成，单颗卫星质量700 kg，设计寿命15 a。“轨道通信”星座第二代从2012年开始至今已完成全部发射任务，星座由18颗卫星组成，单颗卫星172 kg，设计寿命5 a。数据通信能力比第一代提高了十几倍，这对大数据时代将发挥很大作用。第二代Orbcomm卫星外形如图4所示。

上述小卫星第二代通信星座实现后，智能手机有望通过连接卫星星座与全球任何地方实现话音和数据通信，基本达到“个人通信时代”，实现卫星通信的5个“任何”(5W)，即任何人(whoever)在任何地点(wherever)与任何人(whoever)于任何时间(whenever)采用任何方式(whatever)进行通信。　　2)导航卫星星座　　目前世界上有4个著名的导航卫星星座，其中欧洲伽利略星座采用广义小卫星，星座由30颗卫星组成，分布在3个轨道面，每个轨道面9颗，还有3颗备份卫星，也分别布置在3个轨道面内。卫星质量为733 kg，圆轨道的轨道高度23 616 km，轨道倾角56。，设计寿12 a。从2014年开始正式发射。在此之前，曾经发射4颗试验卫星，质量和轨道与正式卫星完全相同。由于伽利略导航星座主要用户为欧洲国家，为此导航最高精度设置于北纬75。，其他参数与GPS、俄罗斯(Glonass)导航卫星基本相同。　　3．3 小卫星编队飞行　　现代小卫星应用的特点是分布式的，分布式主要包括星座和编队飞行。前者仅能增加覆盖区域和缩短重访时间，后者构成一种新的功能卫星，可以获得小卫星星座和单颗卫星不能获得的观测效果。小卫星编队飞行现在主要还处在研究和空间飞行试验阶段，全世界估计有十几项飞行试验在预研中。下面将介绍目前的2种实例，第一种已经实现，第二种处于研制阶段。　　1)合成孔径雷达高程编队飞行　　德国分别于2007年和2010年发射了两颗雷达卫星，卫星以同轨串联编队飞行。圆轨道轨道高度514 km，轨道倾角为97．44。，卫星质量约为1000 kg，设计寿命5 a。目前其在轨已经编队飞行3～4 a。获得对地观测高程精度为1 m，这是目前世界上首个实用微波对地观测的编队飞行卫星。由于采用同轨串联编队保持队形，可获得高精度观测效果。　　2)编队飞行全球三维定位系统　　全球三维定位系统基于反GPS工作原理，反GPS工作原理是空间编队飞行的3～4颗卫星能同时收到地面目标发出的无线电信号，根据接收信号的时差与频差，获得地面目标位置，这就是电子侦察卫星的基本原理。文献ET]介绍了以“白云”电子侦察卫星为例，由3颗卫星组成的定位系统(在高纬度地区这种定位系统无法使用)，并提出一个可以连续侦察地面和海洋的4颗小卫星组成的电子侦察卫星　　系统。　　3．4 军用小卫星　　军用卫星是应用卫星开发研制最早的卫星。不少国家不惜投入重金研制军用卫星。过去大都采用中型和大型卫星。自从现代小卫星出现和技术上飞快发展，目前已有一部分军用卫星采用小卫星。小卫星技术更新快、研制周期短、生存能力强(多颗小卫星同时使用)、经济成本低、应急补充增强与组网服役快等特点都非常适用于军用卫星。　　美国是研制军用卫星最多的国家，仅军用卫星的种类就达到17种，每个种类包含若干个型号，而每个型号有多颗卫星，其中很多种类采用小卫星，特别本世纪以来采用小卫星更多，有些已开始获得良好效果，表2列出了美国一些典型的军用小卫星。

美国波音公司的研究报告指出，在未来20年小卫星(特别是在空间控制、空间攻防等方面)将是美国政府的重要财富。当前美国军方正在继续加强研制全球监视和空间攻防系统，目的是逐渐削弱传统常规武器的作用，以使其能继续独霸世界。当前军用小卫星还处在开始阶段，尚未大规模实现装备化、业务化。从未来发展来看：小卫星获得广泛军事应用将是卫星技术发展和能力需求增长的必然果。目前美国提出的小卫星设计思想：以20％成本投入，获得80％成效。小卫星军事应用将自成一派，也将打破一些陈旧思想。最终小卫星以创新技术体制，全面支持实战化应用能力，并以低成本快速集中在战术应用方面，和大卫星共同构成一个全新完整的军事航天器装备系。　　3．5 纳型卫星和微型卫星的现在和将来　　这里所讨论的纳型卫星和微型卫星，质量范围在1～50 kg。这些卫星绝大部分是由立方体星组成的纳型卫星，再由纳型卫星扩展成为微型卫星。从1999年立方体星概念的提出和2003年6颗立方体星首次成功发射以后，立方体星技术发展很快，因为卫星成本低、研制周期短、实用性强，已经由空间技术试验扩展到工程应用。同时立方体星的结构组成和许多分系统已做到标准化、模块化，可在国际空间市场上购买和订购。下面对纳型卫星和微型卫星的现状和将来做简要综述。纳型卫星和微型卫星从2009--2016年已发射和计划发射的卫星数量如图5所示。

已发射卫星(2009 2013年)称为“当下前期”，计划发射(2014--2016年)称为“当下后期”。　　……　　本文节选自《航天器工程》2015年第3期，详细内容请参阅该期刊。

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