国外立方体卫星的发展及应用模式分析

航天 · 2016-11-22 23:56:07

近年来，国外立方体卫星(简称立方星)的发展态势强劲。立方星采用商用现货部件和标准、模块化的设计，比其他小卫星研制发射成本更低，周期更短；发射灵活，可快速组网；分布式空间体系可同时获得较高的空间分辨率和时间分辨率，正成为军民用航天发展不可忽视的重要系统。　　立方星的发展现状　　目前，只有美国开展了直接的立方星的军事应用研究，其他国家只进行了相关使能技术试验。欧空局(ESA)在2012年才拥有了首颗在轨立方星。迄今未见有特殊价值的俄制立方星。美国国家航空航天局(NASA)从2010年起，每年发起一次“立方星发射倡议” (CSLI)。CSLI是目前规模最大、提供发射机会最多的倡议。NASA还通过“立方星探索挑战赛”为立方星提供搭载深空探测任务的机会。　　　　1．空间安全和战术通信等军星处于演示验证阶段　　美国正积极探索将立方星用于地面作战及太空安全任务。2010年，美国发射两颗“空间与导弹防御司令部一作战纳卫星效用” (SMDC—ONE)立方星，演示快速设计和研制低成本军事航天器和战术通信能力。2012年，美国国家侦察办公室(NRO)与海军研究生院研制的两颗用于空间态势感知的“用于星历精调的天基望远镜”(STARE)探路者卫星成功发射。2014年10月，Tyvak纳卫星系统公司完成“立方星逼近操作演示验证” (CPOD)的研发。　　2．商业对地观测星座率先建成，通信、气象星座处于计划设计阶段　　私营公司和创业团体正探索立方星的商业化发展。2014年1月，美国行星实验室公司部署了由28颗立方星构成的世界首个商业纳卫星遥感星座“鸽群” (Flock)1；美国外联网(Outemet)公司与英国克莱德航天公司拟通过Outernet计划于2016年以数百颗立方星向全球提供免费的无线网络连接服务；201 5年2月，美国Spire公司宣布拟于2017年底完成由100颗以上立方星构成的气象观测星座“斯特拉托斯” (Stratos)的部署。　　二、立方星的技术特点　　　　1．采用商用现货，标准模块化　　立方星的部件更依赖商用现货，遵守严格的技术设计标准。由斯坦福大学和加州理工学院提出的《立方星设计标准》(CDS)中明确定义了立方星的外部尺寸和设计规范草图、力学、电力、操作及试验等标准。　　具有标准模块化的结构是立方星有别于其他微小卫星的重要特点。传统立方星(图1)与即插即用卫星(图2)，以及“凤凰计划”中的“细胞星” (图3)在模块化程度和尺寸扩展性方面的联系与区别见图4。

图1普通立方星装配示意图

图2即插即用立方星装配示意图

图3细胞星概念图

图4三种卫星特点的区别与联系　　2．近地轨道或太阳同步轨道运行，搭乘发射后从适配器或国际空间站在轨释放　　立方星的脱轨能力尚不成熟，多采用800千米以下的低轨道，主要作为次级有效载荷搭乘发射。立方星通过适配器与运载器连接，设计时不需考虑立方星与运载器的接口，所以在选定运载器前即可开始，甚至完成设计工作，还可保护主任务有效载荷和运载器的安全，发射入轨后立方星从适配器中弹出。加州理工学院研制了首个皮卫星部署器——P-POD(只能容纳lU～3U立方星)，随着立方星技术的提升，功能的扩展，6U以上多单元构型立方星愈多，适配器也呈现多样化发展。除通过适配器部署外，也有相对少量立方星通过国际空间站的机械臂吊舱释放(例如“鸽群”星座)。　　3．立方星星座同时具有较高的空间分辨率和时间分辨率　　立方星通常采用近地轨道，多颗甚至上百颗立方星组成星座不仅具有较高的空间分辨率，更可提高重访速率。“鸽群”l星座的空间分辨率当前为3～5米，重访时间为90分钟，计划实现1米的空间分辨率，1天更新一次全球影像数据库；英国克兰菲尔德大学的研究人员按照“快眼”星座的设计要求，设计了由35颗6U立方星组成的星座。该星座在相同的对地观测分辨率、相等星座数据下传总量、相同经济投资条件下，覆盖全球重访周期仅为“快眼”星座的I／7。　　4．地面系统采用现货，控制中心集成一体化　　以低成本为驱动目标的立方星地面站多采用商用现货硬件设备和政府现货软件，以高校为主负责运营。为降低成本，目前立方星地面系统通常将传统的控制中心(MCC、SOCC、POCC)集成为一个单元，地面站通常采用标准缆线将固定的或者移动的商用现货天线接到任务控制中心；通信频段通常采用甚高频或特高频；只需通过一台台式电脑即可对平台和有效载荷实施跟踪、遥测与控制。　　5．便于飞行演示验证创新技术和设计思想　　立方星的研制发射成本低、周期短，非常适合某些创新技术率先通过立方星得到飞行演示验证，例如“纳帆” (NanoSafl)D2、“光帆”(LizhtSail)、“系绳卫星” (TetherSat)验证的先进太阳帆推进和系绳电推进技术，以及“隼星”(FalconSat)7验证的光子筛薄膜衍射成像技术。“隼星”7虽然用于太阳观测，但正在发展空间监视能力，展现出军民两用的设计思想。　　三、应用模式分析　　立方星现已从单纯的技术演示验证迈向各领域的功能应用，但后者尚处于初期发展阶段，仅在几个领域显示出不甚成熟的应用模式。　　1．分布式空间体系应用模式　　立方星尺寸功率小，单星可靠性和能力有限，主要用于技术演示验证、教学培训，或者空间对抗。所以大多以分布式空间网络，如星座、编队飞行等方式提供遥感与通信等服务。充分利用立方星的低成本、低轨道高度、易组网补网的优势，采用分布式空间体系，以获得高时间分辨率、较高的空间分辨率和整体抗毁性，是立方星的重要应用模式。　　2．用户按需实时访问、下载、处理数据模式　　立方星重访率高，更适于获取实时数据，通过用户终端或在线访问，便于用户按需求，实时访问、下载、处理数据。战术侦察立方星“军事作战空间使能效果” (SEEME)、SMDC—ONE面向最低作战单元(士兵)采用智能移动终端直接指令卫星，实现按需实时访问指定区域成像数据或完成实时音频、文本数据通信； “鸽群”l用户可从云端访问下载实时原始图像直接使用或进行二次处理。　　3．军民数据共享或军民两用模式　　多个立方星项目呈现出军民数据共享或军民两用的应用模式。“鸽群”1星座明确表示可服务政府、个人，甚至政府和军队亦可充分利用高时间分辨率影像数据监视敌对势力的地面资产和活动；S1、ARE不仅可用来辅助监视他国空间资产，提升定位精度，亦可用于预警，防止空间资产与空间碎片等发生碰撞；CPOD验证的逼近操作能力不仅可用于执行在轨侦察、守卫主星，还可用于清除轨道碎　　片；用于太阳环境监测的“隼星”7亦正在发展空间态势感知等能力，将成为真正的军民两用卫星。　　四、发展趋势　　1．技术发展趋势　　(1)标准模块化程度更高，结构单元数量更灵活　　标准模块ft是立方星区别于其他微小卫星的最重要特点，标准模块化程度朝着更高的方向发展将是立方星保持和提升自身地位的重要途径。一方面，作战快速响应航天(ORS)办公室研制的即插即用立方星更适合战时快速响应；NRO自,9“集群” (Colony)通用标准化平台已被用于STARE和SMDC—ONE等军用立方星。另一方面，立方星的结构单元将不再限于传统的1 U～3U构型，多单元构型使立方星能支持更多功能更复杂的大型有效载荷。在研的诸多深空探测立方星均采用6U构型；英国克兰菲尔德大学设计的对地观测星座同样采用6U构型；美国国防高级研究项目局(DARPA)的侦察验证卫星SEEME甚至采用27U构型。　　综合以上模块化程度和单元扩展的发展方向，立方星将在高度模块化和一定程度上“无限”扩展模块数量方面与“细胞星”趋同。但1U、3U构型仍然在空间技术演示验证、教学培训方面发挥不可替代的重要作用。　　(2)发展专用运载器技术和空中发射等多种技术满足快响需求　　作为次级有效载荷搭乘火箭发射的方式已不能满足立方星的蓬勃发展需求。多种新型发射技术(例如立方星专用发射火箭技术和空中发射技术)将为立方星提供更为广阔的应用空间，尤其是使立方星更加适应低成本快速响应发射组网或补网的军事需求。2013年NASA发布“发射服务使能探索与技术” (NEXT)招标书，拟为立方星建造专门的运载器；2015年5月，NASA通过“纳卫星教育发射”(ELaNa)项目征求包括立方星在内的小卫星专用发射火箭技术方案；DA砌)A正在开发的“空中发射辅助太空进入” (ALASA)项目拟用少于100万美元的成本发射包括立方星在内的质量低于45千克的小型卫星，能在24小时内完成发射准备工作。　　(3)通过增材制造技术率先实现卫星的在轨制造部署　　立方星的研制周期短，更适合率先实现在太空中制造组装。2015年8月美国太空制造公司与纳型支架(NanoRacks)公司合作为立方星研发商提供一项变革性的卫星部署服务——“存储与部署”。该服务将结合增材制造技术提供在太空环境下按需制造、组装与部署卫星的服务。在轨建造部署将为卫星的设计、制造、部署开启新的范式，真正实现快速响应能力。　　2．应用发展趋势　　(1)组网辅助大卫星构成快速响应、抗毁空间体系架构　　未来立方星将可快速发射组网，响应战时需求，以发射入轨或在轨机动的形式补充缺失轨位，具有抗毁性和经济可承受性，主要表现在以下几方面：①立方星研制成本低、周期短，可批量快速生产；②NASA与其他小卫星研制公司正在研制若干具有低任务成本的立方星专用运载器，以及空中辅助发射项目，可迅速发射补网；③各国正积极发展立方星推力器及编队飞行技术，可立即调度附近卫星补充缺失轨位。但由于立方星的尺寸及功率短期内不能支持机构级任务有效载荷，立方星将辅助大卫星共同构成快速响应、抗毁空间体系架构。　　(2)单颗立方星将扩充空间攻防力量，亦将成为低成本深空探测新方案　　美国正计划发展立方星的侦察能力和逼近操作技术，能使立方星悄悄逼近敌方航天器进行信息搜集、发起攻击和守卫大卫星。“纳帆”D2、“光帆”、“系绳卫星”等验证的太阳帆推进和系绳电推进技术亦可用于使卫星脱轨。先进微型推进技术的不断发展以及立方星的低成本、便于搭乘等优点将使立方星成为深空探测的新方案。NASA和ESA将在未来的深空探测任务(“洞察号”任务(NASA2016)、“探索任务” (NASA，2017)、小行星撞击任务(ESA，2020))中搭载若干深空探测立方星。　　(3)民商用中分辨率遥感与通信星座挑战传统微小卫星星座　　超大规模立方星星座在不增加成本的情况下，相比目前的小规模微小卫星星座具有更高的时间分辨率，商业价值巨大。“鸽群”l计划未来通过100颗以上立方星实现1米的空间分辨率，每天更新一次数据库；按“快眼”星座的目标设计的35颗6U立方星对地观测星座的时间分辨率更高； “斯特拉托斯”星座将提供全球最大的私营气象数据库。　　五、结束语　　立方星技术难度低、成本低，使得各大学、民营机构甚至个人皆可参与研制应用。鉴于此，开放民营立方星市场，充分利用民商资本发展“军民融合”立方星，不仅有利于暗中发展军事航天技术，更有利于节约成本。此外，立方星若能突破尺寸和功率限制，从目前的1U～3U构型按需求灵活地扩展至更多单元构型，支持进一步小型化的高性能有效载荷，并向高度模块化即插即用方向发展，将在遥感、通信、空间安全等领域成为小卫星发展的主流，甚至变革下一代航天器的设计、研制与部署方式。

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