国外甚小卫星发展研究

航天 · 2016-11-22 23:48:08

近年来，全球小卫星（发射质量低于500kg）发展态势强劲，发射数量逐年大幅增长，已成为世界航天活动的主要构成部分之一。随着微光机电系统技术、微纳加工技术以及创新系统设计理念、创新系统运营模式不断发展，小卫星进一步朝着微小型化发展，在成本更低、周期更短、发射更便捷等需求驱动下，200kg以下小卫星逐渐成为发展最活跃的领域。　　1 国外甚小卫星呈持续高涨发展态势　　国际上对小卫星（SmallSat）的分类主要以卫星质量为依据，一般情况下，将迷你卫星（MiniSat）、微卫星（MicroSat）、纳卫星（NanoSat）、皮卫星（PicoSat）和飞卫星（FemoSat）统称为小卫星，即质量低于500kg的卫星称为小卫星。美国航空航天局（NASA）在实施小卫星技术计划时提出，质量低于440磅（约合200kg）的甚小卫星（Very Small Satellite）在创新技术验证、创新卫星应用等方面具有较大优势，是小卫星的重要发展领域。笔者在本文中采纳甚小卫星概念，以200kg以下甚小卫星为研究对象。　　2010—2014年，全球航天器发射数量呈快速增长趋势，甚小卫星是全球航天快速发展的主要驱动力量和重点发展领域。5年间，全球共成功将857个航天器发射进入预定轨道，其中，甚小卫星共计359颗，约占同期入轨航天器总数的42%，占比超过40%。

2010—2014年全球成功发射甚小卫星数量统计　　微、纳、皮、飞卫星发展高度活跃，推动甚小卫星总量骤涨　　2013年和2014年，甚小卫星发射总数骤然跃升，占比达到全年发射总数的50%以上。其中，微卫星、纳卫星、皮卫星和飞卫星发展高度活跃，推动甚小卫星发射总数骤涨。2015年6月，美国北方天空研究所（NSR）咨询公司发布了其第二版《微纳卫星市场》报告，预测未来十年全球将发射100kg以下微纳卫星超过2500颗。老牌和新兴航天公司均涌向小卫星市场，利用低成本微纳卫星发展对地观测、科学、空间态势感知等业务。

2010—2014年全球成功发射甚小卫星质量分布统计　　　　美、欧是甚小卫星发射主力军，新兴国家借此打破航天空白　　从甚小卫星所属国家看，美国、欧洲和日本近5年发射的甚小卫星数量最多，依次位列全球前三位。其中，美国发射数量遥遥领先其他国家，约占同期全球发射甚小卫星总数的53.5%，彰显出美国利用甚小卫星创新空间技术和发展创新应用的全球引领地位。此外，秘鲁、奥地利、厄瓜多尔、乌拉圭等新兴航天国家开始借助甚小卫星开展本国航天活动，实现了本国卫星发射零的突破，推动了航天技术在全球普及，加深了航天在世界范围内的影响，在全球掀起一场“轨道革命”。

2010—2014年各主要航天国家发射甚小卫星占比　　甚小卫星从技术试验迈向业务化发展　　随着甚小卫星单星性能、在轨寿命不断提高，以及星地一体化设计理念、星座编队飞行能力发展，甚小卫星应用领域不断拓展，开始从技术试验向对地观测、通信广播、空间科学与深空探测等领域延展。一方面，尽管科学与技术试验仍是甚小卫星主要的应用领域，但其不再只局限于元器件、部组件测试等传统应用，开始为业务型对地观测、通信广播等应用卫星系统开展全系统空间试验和功能验证。另一方面，甚小卫星在中高分辨率光学遥感成像、存储转发通信和数据采集等领域中的应用显著发展。

2010—2014年甚小卫星应用领域占比　　　　甚小卫星商业应用是未来最大增长极　　由于成本低、周期短、发射便捷等特点，甚小卫星是各国政府研究机构和高校开展前沿技术创新的重要领域。同时，随着业务能力不断提升，甚小卫星的军事应用和商业价值也获得广泛关注。2014年，俄罗斯发布的《俄罗斯2030军事技术装备发展战略》提出，俄罗斯面临的主要军事威胁之一是“主要国家加紧发展包括以各种（作战、侦察等）小型卫星和纳米卫星为基础的航天技术”。2010—2014年，全球共发射100颗商用甚小卫星、59颗军用甚小卫星和200颗民用甚小卫星，占比分别为28%、16%和56%。特别是随着风投、众筹等多元化投融资方式在航天领域兴起，未来商用甚小卫星发展将进一步呈现繁荣增长趋势。　　2 国外甚小卫星迈入实用化发展阶段　　早在2008年，美国富创咨询公司就发布了一篇关于低成本甚小卫星的市场调研报告，认为100～200kg范围小卫星“技术发展开辟了除传统的技术论证领域之外的其他市场”。富创咨询公司对30多个潜在的应用领域进行调查后提出，甚小卫星最具发展前景的6个领域包括军事科学和技术，情报、监视和侦察，偏远地区通信，数据采集，高分辨率地球观测以及环境监测。　　目前，国外甚小卫星已发展为卫星体系的重要构成部分。各类应用卫星向更加注重效费比的小型化方向发展已成趋势，甚小卫星逐步突破以科学与技术试验为主要用途的传统思维，应用领域不断拓宽。并且，随着云计算、大数据等信息技术与空间技术相结合，国外涌现出大量基于甚小卫星的大规模星座，发展面向消费市场的创新卫星应用模式和服务模式。　　甚小卫星星座组网，可大幅缩短对地观测重访周期　　在对地观测领域，甚小卫星可以星座组网方式大幅减小重访周期乃至实现全球实时观测。美国天空盒子成像公司（Skybox Imaging）计划构建由24颗单星质量仅91kg的小卫星构成的高分辨率对地观测星座——“天空卫星”（SkySat），具备8h全球数据更新能力，可拍摄0.9m分辨率的可见光图像和1.1m分辨率的高清视频，提供基于云平台的遥感数据在线服务，推动对地观测数据应用从单幅图像处理向时序数据分析转变；美国行星实验室公司（Planet Labs）构建了全球首个运营级纳卫星光学遥感星座，分辨率3～5m，采用“永远在线”（Always On）工作模式，星座可自动对陆地成像，并基于硅谷敏捷开发、敏捷测试等互联网思维研制卫星，开辟了甚小卫星低成本研制的新模式；日本东北大学发射了雷神—2（Rising—2）对地观测卫星，多光谱分辨率5m，用于研究地球积雨云和上层大气闪电现象。　　此外，美国地理光学公司（GeoOptics）、尖顶公司（Spire）等均计划于近两年发射基于无线电掩星技术的商业气象多星星座，面向美国政府和大众市场提供商业气象数据及相关服务。地理光学公司计划发展由24颗单星质量低于100kg的甚小卫星构成的“连续地球遥感观测一致性倡议”（CICERO）星座；尖顶公司计划于2015年底部署完成由20颗3U立方体卫星构成的商业气象卫星星座，并随后逐步将星座规模扩展至100颗卫星以上，以改善气象预报的准确性。　　甚小卫星一般聚焦用户实际需求，面向任务设计，具有功能专一化优势，可以提供任务定制和快速响应服务。美国陆军在“作战响应空间”（ORS）计划及快响理念带动下，启动了“隼眼”（Kestrel Eye）卫星项目，以30kg甚小卫星为平台支撑军兵种能力需求，发展快速响应空间能力，探索验证了航天装备直接服务战区、满足战术需求的新型应用模式。“隼眼”星座由30颗卫星组成，分辨率1.5m，从基层作战部队提出成像请求到分发图像可在10min内完成，支持基于“虚拟任务操作中心”（VMOC）系统的“即指即拍”（Point and shoot）作战概念，基层指挥官利用界面化便捷终端即可完成作战任务规划、数据接收、处理和分发操作。2015年6月，美国黑天全球公司（BlackSky Global）提出发展60星低轨光学遥感成像星座，单星质量60kg，设计寿命3年，轨道高度450km。卫星具有在轨推进能力，采用工业级相机，分辨率约1m，侧摆角±30°。星座预计将于2019年建设完成，届时可以在90min内获得全球95%区域的卫星遥感图像。此外，黑天全球公司构建了基于互联网的卫星指控系统，用户只需登录系统，即可通过地图点选的方式直接对卫星下达成像指令。整体看，黑天全球公司提出的商业星座堪称美国国防高级研究计划局（DARPA）“军事作战使能效果”（SeeMe）星座的商用版本。

美国“隼眼”卫星图　　通信应用发展活跃，大规模互联网星座发展最为瞩目　　在通信领域，甚小卫星在降低成本和通信时延方面优势显著，美国和欧洲基于甚小卫星发展了存储转发、宽带互联网接入以及数据采集服务。　　美国“轨道通信”（Orbcomm）星座开启新一轮更新换代，第2代“轨道通信卫星”（Orbcomm－OG2）星座首批6颗卫星成功发射入轨，单星质量157kg，卫星功率670W，在保持数据存储转发能力的基础上，增加“自动船只识别系统”（AIS），用于海上客轮和货轮（300t以上）跟踪与识别。据预测，随着6颗第2代卫星发射入轨，轨道通信公司“自动识别系统”业务的年收入将达到600万美元，并将逐渐提升至1000万～1500万美元。欧洲大力发展甚小卫星“广播式自动相关监视”（ADS-B）系统，扩大民航飞机监视范围，尤其是海域和极地上方，提高空中交通安全水平、空域容量与运行效率，目前已完成星载载荷验证，后续将逐步推进低轨道甚小卫星星座业务化应用。　　除存储转发、数据采集业务外，通信领域掀起超大规模星座发展热潮，聚焦发展天基宽带互联网接入业务。一网公司（Oneweb）继续推动其低轨Ku频段通信星座项目，计划在1200km高的轨道部署648颗小卫星，单星质量低于150kg，成本低于50万美元。这些卫星将运行在20个轨道面，提供全球覆盖服务。2015年6月22日，一网公司将其低轨宽带互联网星座研制合同授予欧洲空客防务与航天公司。该合同是迄今为止全球最大的商业卫星制造订单。根据合同协议，双方将组建一家合资企业建造900颗互联网广播卫星，星座计划于2018年开始发射。此外，美国太空探索技术公司（SpaceX）创始人伊隆·马斯克（Elon Musk）宣布，将在美国西雅图建造卫星制造厂，计划制造并发射由4000颗小卫星构成的低轨通信星座，提供全球宽带互联网服务。据马斯克透露，太空探索技术公司已向国际电信联盟（ITU）递交了频率申请书。

一网公司的互联网广播卫星示意图　　　　3 结束语　　迅速增长的市场需求、不断变革的新兴技术给甚小卫星发展带来了前所未有的机遇，推动着世界航天技术的发展和在更大范围内的应用。随着信息技术与空间技术不断融合，未来将涌现更多基于甚小卫星的创新应用模式，推动卫星应用从面向专业用户，逐步向行业用户和消费用户发展。但也要看到，甚小卫星作为当前卫星体系的重要补充部分，其任务设计与大、中型卫星各有分工，发展甚小卫星不应以取代大卫星为前提。并且，质量低于10kg的甚小卫星姿态轨道控制技术尚不成熟，一般不具备主动离轨能力，亟需高度关注此类甚小卫星的轨道设计，避免产生空间碎片，影响其他在轨航天器安全。　　上文选自《国际太空》，如需详情请查阅该期刊。

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