小衛星近期熱點應用綜述

過去十幾年中，隨著計算機技術、微納技術和微電子機械系統（MEMS）技術的不斷進步，小衛星技術得到快速發展，小衛星已成為空間系統的一個重要組成部分。

小衛星通常指質量低於1000kg的衛星，其中又包括微衛星（10～100kg）、納衛星（1～10kg）、皮衛星（0.1～1kg）等。由於這種衛星具備成本低、研發快和應用效果好等優勢，因而很快就突破了教學和技術試驗的範疇，沖向遙感、科學、通信、深空探測等空間系統主流應用領域。下面總結了小衛星在民用和軍用領域的近期熱點應用，並分析了其未來發展所面臨的一些挑戰。

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民用領域

（1）「空間互聯網」為農村地區提供可負擔衛星接入

目前，世界上一半以上的人口無法訪問互聯網，而這樣的人口大多處於農村地區。將互聯網連接擴展到農村地區最大的障礙來自於提供服務的成本。而小衛星的發展為提供經濟可負擔的互聯網接入提供了機會。

2015年初，高通公司與維珍公司合作創辦了OneWeb公司，計劃部署一個由648顆重量僅約114kg的微衛星組成的近地軌道星座，通過Wi-Fi、LTE、3G或2G連接為農村地區提供低延遲的高速互聯網接入，每顆衛星將能夠提供至少8Gb/s的吞吐量。此外，這一新型衛星星座還將為全球應急與「第一響應者」訪問提供網路。OneWeb公司已開始進行終端的研發，終端將採用機械指向和相控陣天線相結合的天線方案。它們將提供50Mb/s的互聯網接入。該公司計劃於2017年發射首個衛星群，並於該年晚些時候或2018年前開始系統運行。

SpaceX公司的空間互聯網方案更是野心勃勃。該公司計劃在15年內發射約4000餘顆微衛星，從空間為全球提供高速互聯網接入。每顆衛星重約113kg，軌道高度為35,000km。與現有衛星互聯網500ms的延遲相比，低軌道服務的延遲時間將縮短為30ms。

三星公司在其一份名為「來自天空的移動互聯網」的報告中也提出了自己的空間互聯網方案。報告認為，到2028年前，全世界將有50億互聯網用戶總共需要至少1ZB/月的數據，並提出需要大約4600顆微衛星來滿足這些需求。三星公司的方案是在近地軌道部署低成本微衛星，每顆衛星都能提供Tb/s的數據率，信號延遲優於或等於地基系統。

（2）商業小衛星助力地理空間情報新戰略

地球觀測是商業小衛星的一個主要應用領域。與以往的大衛星相比，由大量低成本小衛星構成的衛星星座可以快速重訪成像，能靈活補充太空資源，保持數據連續性。

小衛星的發展促使新一代商業衛星運營機構及數據分析企業開始積極挖掘地理空間數據的可能性，低成本成像的快速擴散直接促使一批商業機構充分利用大數據分析技術開展海量數據分析。

美國國家地理空間情報局（NGA）看到了其中的新機遇，在其新版《商業地理空間情報戰略》中，NGA表示將與多家小衛星公司簽定個性化合同，與其合作開展小衛星星座成像產品的多項試驗。NGA認為，雖然新興企業的小衛星成像產品在空間解析度和地理空間精度上無法達到大衛星的水平，但它們能通過更大的衛星星座提供更頻繁的重訪以及全動態視頻等新穎技術，而更高的衛星重訪率有利於對具體區域的變化進行更準確的監視。該戰略還強調了NGA對響應速度的要求，這與其強調圖像精度的傳統相比是一個顯著變化，因為一些用戶願意犧牲圖像精度換取速度來支持作戰及政治決策周期需求。這無疑也是小衛星的優勢之一。

（3）晶元衛星有望提供科學探測新方法

晶元衛星是指將航天器全部功能集成在單片集成電路上的一類衛星。晶元衛星質量一般低於0.01kg，屬於飛衛星（質量在0.1kg以下的衛星）範疇。晶元衛星體積極小、質量極輕、功能密度高，可以利用商用流水線批量化生產，易於大規模製造且成本低廉。但受質量、體積和功率的制約，晶元衛星單星功能有限，通常以星群和編隊組網方式執行任務，一般需要母衛星作為載體進行軌道布撒。

美國晶元衛星研究處於世界領先地位，在理論概念、系統設計和加工工藝等領域均取得了技術突破，其中康奈爾大學研製的「精靈」（Sprite）晶元衛星已分別於2011年5月和2014年4月率先進行了在軌環境試驗和飛行試驗。

2016年7月，新一批約100個便利貼大小的「精靈」晶元衛星將被發射到國際空間站。這批晶元衛星邊長約為3.2厘米，重約5克，帶有一對60毫安的太陽能電池、一個收音機及一架天線。在短短几天的測試中，這些衛星將傳輸有關其能量載荷和方位的數據，然後漂移出軌道，在地球大氣層燒毀。

研究人員表示，這些小衛星有望為科學家提供探測太陽系的新方法。它們可用於多項科學探測，如驗證太空碎片的行為模型、繪製地球磁場高空間解析度圖像等。不過，對於長期的星際探索任務來說，晶元衛星還需具備更好的激光通信能力。

2

軍用領域

（1）分解系統實現更具彈性的空間體系結構

為了應對空間域的快速變化特性，美軍近年來開始提倡構建一種分解的國家安全空間體系結構。美空軍空間司令部將「分解」定義為：將天基任務、功能或感測器分散到跨越一個或多個軌道平面、平台、宿主或域的多個系統中，也就是說，要將以往集中在少數複雜大衛星上的能力分散到由數量眾多的小衛星構成的衛星群中，建立代替大型單體衛星的網路。在這樣的戰略思想指導下，必將會有更多的小衛星承擔更多、更重要的任務。

分解空間體系結構的優點主要體現在以下幾點：

彈性。將任務能力分配給數量更大的衛星群來完成，就可通過系統級冗餘限制任一衛星發生故障造成的影響，從而實現彈性能力。

成本。衛星系統空間段的成本與衛星尺寸和複雜度密切相關，利用簡單小衛星構建分解體系，從開發成本、生產成本、發射成本以及成本確定性上來說都比集合體系更具優勢。

安全。數量眾多的小衛星可以使對手的攻擊決策計算更加複雜，並提高攻擊結果的不確定性。體積較小、成本較低的衛星，其製造和發射頻率更高，從而使空間系統受到攻擊後更容易進行重構。

技術更新。分解體系更容易插入新的技術和能力，並降低每次技術插入帶來的風險。隨著新型威脅系統的開發和裝備，也比較容易更新相應的對抗措施。

（2）與無人系統相整合，填補超視距和反介入/區域拒止作戰缺口

目前，美軍從戰略級到戰術邊緣採用了無人系統提供通信服務。為了更好地滿足無人系統通信傳輸的需要，美軍正試圖將小衛星星座與各軍種的無人系統發展路線圖相整合，填補無人系統通信能力缺口，增強其現有體系結構，確保戰術邊緣的信息利用。

需要小衛星來滿足的最緊迫需求是為處於不利條件下的用戶提供超視距和反介入/區域拒止（A2/AD）作戰支持。

目前，無人機可為美軍處於不利環境中的徒步士兵提供超視距通信中繼服務，但由於帶寬、覆蓋範圍以及接入條件限制，許多戰術邊緣用戶根本無法實現可靠、持續的超視距通信。

而裝有軟體無線電的小衛星星座能為這類用戶快速提供全球保密通信接入，並極大地擴展傳輸和跟蹤時間關鍵性信息和目標的通信窗口和數據率。小衛星星座提供此類服務可不受地理條件、政治邊界、天氣或敵方戰術的限制。

而在A2/AD作戰支持方面，按需發射或者在事件發生前提前部署的小衛星星座可以充分填補偵察和指揮控制缺口，降低A2/AD環境中的風險。即使在競爭性最強的空間/空中環境中，小衛星也能夠生存下來，同樣也不會受到天氣和政治邊界的影響。

3

面臨挑戰

從目前看，小衛星的發展正處於一個關鍵時期。每年都有越來越多的小衛星被發射，更有經驗和更有實力的廠商不斷進入這一領域，技術快速發展，應用模式也不斷創新。然而要使小衛星的潛在優勢得到充分利用，在其發展過程中，一些關鍵性的問題和挑戰必須引起高度重視。

（1）互連問題

小衛星雖然具有快速可擴展的靈活性，但亦有其自身局限，它們需要進行相互連接才能發揮其最大效能。每顆衛星只有有限時間的通信窗口與地面站進行聯絡，因此星間必須建立內部鏈路，通過信息交互形成完整無縫的信息網路，且必須與同步軌道上的衛星連接。在如此小型的衛星上裝載可提供該連接能力的大型天線並不現實。目前可行的解決方案是採用激光進行星間通信。

美國國防高級研究計劃局（DARPA）正在通過「星間通信鏈路」項目研究開發輕型、低功耗的小衛星間激光通信鏈路，為小衛星之間提供與其小體積、有限功耗相一致的切實可行的高速率數據傳輸。項目的目標之一是成功演示研發硬體，產生數據速率超過1Mbps的星間通信鏈路，同時滿足較小重量和功率的限制。衛星之間通信的距離預期約1250至2500英里。

2016年5月，DARPA將開發輕型低功耗光通信終端的研發合同授予LGS Innovations公司，根據該協議，LGS將負責開發一對用於DARPA兩個小型衛星的激光通信終端。每個激光模塊需輕於0.9kg，運行功率低於3W，並具備在小型衛星上的可管理性。要在如此嚴格的重量和功耗限制前提下實現可能的最高通信速率，需要採取一系列技術，提高發射功效和接收機靈敏度，將系統待機功耗和靜態功耗降至最低，以提高數據鏈路的整體功率效率。

（2）控制問題

小衛星用於支持戰術用戶時，最大的挑戰之一是讓用戶可以充分利用小衛星技術的所有優勢。而戰術部隊往往不會配置衛星專家，也無法運輸大型地面設備，必須降低戰術用戶對運營衛星的要求，使他們能夠把精力集中在自己的任務上。因此，簡單、標準化的地面控制系統及簡單自動化的任務分派功能是必須努力解決的關鍵問題之一。

小衛星運營的另一項挑戰是所有衛星的內部管理問題。如果某一衛星有問題，需要對反作用輪、太陽能板陣列或供電分系統進行調整，這些工作不能由戰術用戶完成。需要自動化後台完成。

為滿足這些需求，Kratos防務和安全解決方案公司2014年初發布了量子CMD，將測控和跟蹤功能統一到一個單一貨架產品中。量子CMD可支持動態運行概念的完全自動化能力，甚至是必要時全自動「立即運行」工作。

（3）碰撞和軌道安全問題

由於小衛星在低軌道運行時地面的可視時間很短，這就需要發展更多衛星的星座，但軌道的擁擠和軌道碎片的增加，使得碰撞問題和軌道安全問題成為一項難題。

Airbus公司發言人曾經指出：如果新的商業模式將小衛星發射數量提高到超過每年1000次，那麼在軌碰撞風險將開始成為所發射衛星數量的關鍵限制。如果發射衛星數量確實超過每年1000次，則有可能需要限制小衛星的高度。這樣就會要求專門發射小衛星，而不是採用目前這樣小衛星搭乘較大衛星被注入軌道的模式。

這種專門發射要求對規模較大的小衛星星座來說不是問題，但對於單個小衛星和小星座來說，其發射成本會大大增加。

此外，由於大量小衛星被發射入軌，衛星壽命期結束後的軌道處理問題成為關係到軌道安全的大問題。由於小衛星大多不攜帶軌道推進系統，衛星軌道壽命結束後，如何使其不會成為軌道碎片源是一個亟待解決的問題。

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