小衛星讓航天不再高冷
航天技術一直以高冷的尖端科技示人，然而近年來隨著小衛星、微小衛星技術的不斷成熟和商業化，航天技術的應用也愈發接地氣：谷歌收購 Skybox Imaging 小衛星公司使得谷歌地圖的衛星圖片更加實效和清晰，北京一號小衛星用來幫助政府部門檢查垃圾堆放和違章建築，日本創意公司甚至提出用小衛星製造人造流星雨來創造浪漫場景。從2018年的世界衛星大會上，我們可以看到越來越多的小衛星公司正在積極加入市場，發出他們的聲音。隨著衛星應用門檻的不斷降低，不遠的將來我們在生活中隨時隨地使用小衛星數據，下班前看看衛星圖像家裡停車場還有沒有位置，出遊前實時觀察公園遊人多不多、那條路車少，手機信號不好臨時租個小衛星增強下信號。
1 應用領域
衛星數據在現代經濟中已經變的至關重要，其經常被用來輔助政策的制定，並用來評估效果，衛星數據對於經濟增長和國家安全都至關重要。小衛星一般用於通信、地球觀測、新技術驗證、科學研究及軍事偵查。其中通信衛星可提供人口密集地區的寬頻通信，提供移動、加密軍事通信，提供數字、高清電視轉播等。地球觀測數據可用於決策經濟增長、環境監測、應急處置及安全管理等方面；科學研究衛星一般用於太空磁場探測、宇宙環境探測等科學研究用途；新技術驗證衛星對新型載荷設備、材料等新技術進行驗證。
一般衛星圖像的精度可以分為中級精度可視圖像（ 10-100m解析度、600km*1000km面積）、高精度可視圖像（ 2-5m解析度）、超高精度可視圖像（ 1-1.5m解析度、 20km*1000km面積）。 地球觀測主要採用的載荷設備有寬場（最大660km）中級精度（ 20m解析度）光學成像設備，超高精度（ 1m解析度）光學成像設備，以及合成孔徑雷達（ Synthetic Aperture Radar, SAR）。通信衛星採用的載荷設備一般為S波段、 Ku波段、 X波段等頻段射頻轉發設備。
衛星圖像用於農業信息管理的主要領域有：作物健康管理、作物種類監測、作物保險損害評估、化肥應用管理、土地評估、違法監督、病蟲害監督、災難評估等。使用衛星圖像結合衛星定位系統可使農民更有效地使用化肥，減少管理成本，農民可以更有目的性的使用資源，防止化肥和殺蟲劑的過度使用。對作物生長周期的快速掃描結果可以被分析並傳送給農民，提供更細緻的土地評估。在英國使用衛星圖片指導化肥使用後，每公頃土地平均節省 27 歐元成本，作物產量增加 3%至 8%。
使用衛星圖像來監測作物健康， 下圖中的衛星圖像顯示了孟買郊區不同生長階段的水稻田種植區域，並採用規範化差異植被指數（ Normalized Differential Vegetation Index, NDVI）進行評估。 NDVI用於評估植被中葉綠素的含量，用以指示植被的生長情況和健康情況。農民可根據NDVI指標對作物有目的的及時補充化肥和灌溉，節約化肥成本。
蝗蟲等有害物經常摧毀作物導致嚴重破壞， 威脅食品安全。多光譜衛星圖片能幫助精確預測害蟲種群在地面的位置， 下圖紅色區域表明了害蟲的可能目標。
高解析度衛星圖像還可用於非法作物種植監控，例如鴉片種植等。衛星數據可用於支持執法部門及政府制定相關政策對非法作物種植進行限制。
衛星圖像還可用於森林面積、森林密度監測，調查評估森林健康程度，及時更新森林管理政策，評估火災、風暴等極端自然條件的破壞程度，監視森林的生長及保護情況等。
城市發展將引起公共服務、應急服務的壓力增大，衛星圖片能夠提供寶貴的數據支撐。土地將被分類劃分，便於進行監測及管理。
對於災難救援，衛星的及時響應和快速獲取數據是至關重要的。此外，衛星圖像還可用于海運、船隻監測、污染泄露、水文探測、國土安全等領域。
2 主要指標統計
根據統計結果，僅2014年全球共成功發射小衛星162顆，佔全球同期入軌航天器總數的61.8%，相較2013年同比增長22.7%。2017年，全球共發射超450顆衛星，而500kg以下的小衛星達到310顆，占同期入軌航天器總數的70.5%。從衛星發射數量上看，繼2015年和2016年連續2年回落後，2017年小衛星發射數量翻倍增長，處於歷史最高發射水平。美國行星公司（Planet）2017年通過3次發射部署了140顆「鴿群」（Flock）立方體衛星，貢獻了10kg以下衛星數量的過半，小衛星已經成為世界航天領域發展的重要領域。
隨著微電子、微光機電和集成電路技術不斷發展，衛星小型化趨勢不斷加速，微納衛星性能快速提升，成為小衛星領域發展最為活躍的組成部分。尤其是50kg以下微納衛星發展高度活躍，成為航天技術創新和航天應用變革的重要突破點。其中，立方體衛星因其標準化、模塊化、低成本優勢而廣受高校與初創航天公司青睞，發射數量快速攀升，2014年全球共成功發射立方體衛星103顆，而2017年已經達到了290顆立方星。未來，在應用需求和市場活力不斷增長的驅動下，全球微納衛星發射數量將繼續攀高。據2017年7月歐洲諮詢公司發布的《小衛星市場前景報告》稱，航天領域和整個航天生態系統正在發生重大變革，未來10年全球預計將發射6200多顆小衛星，與過去10年相比增長顯著。這些小衛星的總市值（製造和發射）預計將達到301億美元，而過去10年僅為89億美元。
對2000年至2014年美國研製、發射的1000kg以下的LEO、 SSO軌道小衛星的應用領域進行統計，結果見圖12，其中地球觀測衛星佔33%，科學研究衛星佔25%，新技術驗證衛星佔22%，通信衛星佔19%。
對同一時段小衛星的重量進行統計，結果見圖13，其中重量20kg以下的佔55%，重量100-500kg的19%，重量500-1000kg的佔17%。微小衛星主要是CubeSat立方衛星，其中按照規格有1U、 1.5U、 2U、 3U、 6U等標準（見圖14）。2017年發射的小於500kg的衛星中，0～10kg衛星276顆，10～50kg衛星17顆，50～100kg衛星4顆，100～500kg衛星13顆。
3 小衛星面臨的問題
3.1 空間碎片問題
自20世紀50年代以來空間軌道上的直徑大於10cm的碎片已經達到近萬個，大於1cm的十幾萬個，表1中列出了1957~2003年各種類型空間碎片的數量、尺寸和質量分布情況。空間碎片具有巨大的殺傷力，與衛星的撞擊將會瞬間擊穿或擊毀衛星。
由於小衛星發射數量的逐年增加，尤其是以立方星為代表的微納衛星的出現，其成本低、生產周期短， 必然導致空間碎片快速增多。
小衛星產生的空間碎片的主要特點：（ a）體積小；（ b）質量小；（ c）分布在低地球軌道（ 500~600km）；（ d）在軌道上分布密集。小衛星發射往往以星座形式發射，一次性發射幾十甚至幾百顆微納衛星，這些衛星會同時出現在1~2個軌道平面上，這樣造成撞擊的可能性會大大提高。一旦發生碰撞，產生的碎片在密集空間內不會迅速散開，又可能連續發生第2次、第3次連鎖碰撞，導致空間碎片的數量呈指數上升，最終佔據寶貴的空間資源。
在65屆國際宇航聯大會上，英國南安普頓大學的Huge Lewis博士指出隨著立方星發射數量的增加，立方星與其他衛星發生碰撞的幾率將大大增加。約超過1/3的立方星（在2003至2013年約160顆）預計在軌超過25年，自2005年以來立方星已經發生了超過36萬次與其他飛行器的近距離接觸（距離小於5km）。南安普頓大學採用其開發的碰撞分析與監測模型（ Debris Analysis and Monitoring Architecture to the Geosynchronous Environment, DAMAGE）對截至2043年立方星發射情況進行了模擬，模擬結果表明在後續30年內立方星將導致上百萬次近距離接觸，並導致大量可能的碰撞。存在最大碰撞風險的是那些在軌時間長且在750km高度SSO軌道的衛星，其主要用於地球遙感和科學衛星。此外，分析結果還表明立方星的大部分碰撞風險來自於大型高速航天器。
後續，小衛星的離軌技術將需要得到重視，用於減少軌道空間碎片，確保在小衛星迅速發展、應用的同時還能夠保持安全和可持續發展。
3.2 衛星壽命問題
由於低成本設計的目的，小衛星多採用工業級元器件，系統一般不進行冗餘設計，在軌工作時間短，在軌出現問題後恢復能力差。小衛星自帶的太陽能-蓄電池能源系統容量小、使用壽命短， 一般不具備軌道控制能力，元器件及系統的整體可靠性偏低，這些都導致小衛星的在軌壽命受到限制。對於目前最熱門的小衛星-立方星，影響軌道壽命的主要因素包括大氣密度、太陽活動、地球磁場、彈道係數、月球、太陽引力等攝動，根據大氣模型對其在軌壽命進行估算，其在軌工作時間一般為94~120天（取決於發射日期）。相對於設計壽命一般為15年左右的傳統衛星，小衛星工作時間短，可視為價格低廉的快速消耗品。因此需要在小衛星工作的有限時間內， 儘可能多的獲取數據創造價值。
3.3 發射成本問題
在 小 衛 星 研 制 領 域 領 先 的 英 國 薩 里 衛 星 技 術 公 司 （ Surrey Satellite Technology Ltd, SSTL）主席Martin Sweeting爵士在全球宇航與衛星論壇上指出市場對於小衛星的熱情過高。小衛星的成本和信息傳輸能力決定了小衛星的競爭力，為了降低成本，衛星正在變的越來越小。隨著電子信息技術的進步，以在軌數據量作為衡量標準的衛星自身成本已經減少到之前的1/10， 但是發射費用沒有隨之降低。隨著近年來SpaceX、Rocket Lab等公司的出現，未來針對小衛星發射的成本有希望得到一定程度的下降，但是否足夠讓小衛星公司獲得足夠的盈利空間仍然是制約小衛星市場發展的重要因素。
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星空拾漪
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