甚小型卫星发展综述

苏瑞丰 张科科 宋海伟

（上海微小卫星工程中心，上海 201203）

1 引言

从苏联1957年发射第一颗人造卫星开始，随着各应用领域任务需求的日益增加，卫星质量由最初的84kg已发展到超过6000kg的大型卫星。卫星的制造成本和复杂度大幅提升，1颗1000kg以上的大型卫星，其成本为1亿～20亿美元；1颗100kg以下的小卫星，成本也需要200万～1000万美元。与此相反，小型化、高性价比卫星技术也正在蓬勃发展。目前，1颗1kg以下的皮卫星成本为2万～20万美元，1颗0．1kg以下的飞卫星成本甚至不到1万美元［1］。质量在1kg以下的卫星统称为甚小型卫星（Very Small Satellite），主要包括皮卫星、飞卫星，起源于科学或学术研究，追求性价比，注重验证、发展和提升技术。甚小型卫星能借助电子产业大规模工业生产的基础和架构，以尽可能小的质量、体积和可批量化生产的方式实现任务需求，主要面向教学与科研、低轨通信、新技术验证，以及未来空间遥感组网、空间碎片监测等任务［2］。随着新技术、新材料、新工艺的不断出现，未来将有更多数量的甚小卫星得到更广泛的应用。

本文介绍了立方星（CubeSat）、片上卫星（Space-Chip）、印制电路板卫星（PCBSat）和多芯片组件卫星（MCMSat）4种甚小型卫星，通过综合分析比较它们的优缺点，提出了适用于我国情况的甚小型卫星技术发展思路。

2 甚小型卫星类型

2．1 立方星（CubeSat）

CubeSat技术是目前甚小型卫星设计的主流技术之一，卫星设计标准体积为10cm×10cm×10cm，质量为1kg。CubeSat技术源于美国国防预先研究计划局（DARPA）出资、由多所大学负责开发的CubeSat皮卫星项目，其目标是制定皮卫星的设计标准。 美国加州州立理科综合大学（C．P．S．University）在该计划中负责开发“多皮卫星轨道部署器”（Poly Pico-satellite Orbital Deployer，P-POD），定义了卫星与P-POD 的相关接口，以及P-POD 与 运载火箭的接口［3］。2003年，俄罗 斯用1枚火箭发射了6 颗CubeSat皮卫星，其中包括来自加拿大多伦多大学的Canx-1、丹麦奥尔堡大学的AAU CubeSat、丹麦技术大学的DTUSat、QuakeFinder公司的QuakeSat、日本东京工业大学的CUTE-1 和日本东京大学的CubeSat XI-IV。2010年11月，NASA 从“快速、经济可承受、科学与技术卫星”（FASTSAT）上成功释放一颗立方星——纳帆-D（NanoSail-D）。此外，欧盟在第七研发框架计划（FP7）下实施了“50颗立方星组成的用于开展低热层探测和再入返回研究的国际卫星网络”项目（简称QB50项目）。该项目由冯·卡门流体动力学研究所（VKI）联合欧洲航天局（ESA）等多个研究机构共同提出，采用50颗2U 立方星组网，实现对低层大气的多点在轨测量，同时在星座中开展卫星再入大气层过程的一些相关研究。QB50立方星预计在2015年发射。图1给出了CubeSat的部署器和外观图。

图1 Cubesat的部署器和卫星外观图Fig．1 Deployer and configurations of Cubesat

美国加州州立理科综合大学和斯坦福大学联合制定了CubeSat皮卫星设计标准［4］，其目的在于向不同学校和不同机构的开发者提供最基本的、必要的设计大纲和指导，保证CubeSat系列中的每一颗皮卫星，都能与释放装置P-POD 正确接口。标准中明确定义了皮卫星的外部尺寸、推荐使用的制造材料、关键约束条件，还列出了设计者必须遵守的卫星组装、集成、发射等的时间进度节点安排。该标准实际上奠定了整个皮卫星或更小卫星的设计基础，成为实际设计通用的标准。此外，美国Pumpkin公司按照CubeSat技术标准中电器、机械方面的要求，设计了CubeSat的开发平台CubeSatkit，它能对美国得克萨斯仪器公司（Texas Instruments，TI）基于精简指令集处理器（RISC）架构的低功耗微控制器MSP430（宇航级）进行开发设计。另外，它们还为CubeSat专门设计了星上实时操作系统。到2012年为止，Pumpkin公司至少卖出了40个开发平台［5］。

2．2 片上卫星（SpaceChip）

SpaceChip目前还没有统一的定义，一般将其界定为“建立在单片集成电路上，能够发射到空间执行任务，并可以和地面站通信的最小卫星”。Space-Chip的集成度高，实现复杂，一直被认为是卫星小型化技术所要实现的最终目标。

美国学者Keller在1994年最早提出SpaceChip（或者Satellite-on-a-chip）的概念，他认为可以将整个卫星集成在一个CMOS的芯片上［6］。1998年，Joshi等人进一步提出“集成卫星”的概念，考虑当时的技术限制，认为可以将卫星所有电子系统的功能集成到一块或多块晶圆（wafer）上，以达到卫星甚小型化的目标［7-8］，并在同年申请了美国专利［9］。NASA也在1997年启动了“新盛世”计划和深空系统项目，以开展片上航天器（Spacecraft-on-a-chip）的研究。

英国萨瑞大学空间技术研究中心（SSC）在1999年也提出类似的概念——ChipSat。ChipSat是SpaceChip的简化版，卫星系统的部分功能集成到ChipSat，最终实现SpaceChip 的要求。SSC 通过片上系统（SoC）的设计方法，率先将数据处理、通信、特定载荷任务（遥感）集成到Xilinx公司的FPGA 中；但是对于其他卫星分系统，如电源系统等未实现集成［10］。在2006年，SSC 重新对该卫星甚小型设计技术进行可行性评估，提出利用芯片自充电技术实现电源系统的集成，并重新对SpaceChip作出定义：建立在两个单片集成电路（一个作为备份）上，同时有最少的外部元件，能够发射到空间执行任务，并可与地面站通信的最小卫星［11-12］。文献［11-12］中的研究，是SpaceChip技术发展的一个里程碑，解决了电源系统集成这个难题。随后，SSC 又提出了SpaceChip概念设计框图（见图2），利用基于硅锗双极互补金属氧化半导体（SiGe BiCOMS）工艺实现单片太阳电池片集成，并获得了3．4%的能源效率，同时还提出利用异步逻辑实现SpaceChip中抗辐射加固。SSC虽然在SpaceChip上取得了突破，但是并未将执行遥感任务卫星的所有功能集成在一个芯片上。由于SpaceChip的功率非常有限，其有效通信距离很短，因此，即使SSC 实现利用SpaceChip技术设计的卫星，还要继续研究如何实现卫星与地面站的远距离通信。

图2 SpaceChip概念设计Fig．2 SpaceChip conceptual design

2．3 印制电路板卫星（PCBSat）

PCBSat直译为印制电路板卫星，就是将卫星上各个物理分离的系统，变成多个独立的电路模块集成到印制电路板（PCB）上，其优点是能实现成本和性能较好的折中。因为PCB的设计方法较为成熟，并有多款电子设计自动化（EDA）软件可对其进行设计，所以增加了可实现性；而且，利用PCB技术可有效实现多个卫星分系统高密度集成，减小卫星的体积和质量，并可采用商用现货（COTS）元器件降低成本。

英国萨瑞大学开展了大量的研究，目前共开发了A、B、C三款PCBSat的原理样机，以及成熟度最高的FM 型PCBSat。A 款PCBSat原理样机见图3。其正面如图3（a）所示，集成了通信、电源、姿态控制、数据处理、载荷（CMOS机相等）；背面如图3（b）所示，排放的是太阳电池板［1，13］。整个PCBSat质量为70g左右。A 款的问题是未考虑空间辐射和热环境，整个PCB板均裸露在外；采用的是镍氢充电电池，电池容量只有80mA·h，使得整个卫星功率较小，通信距离有限。

图3 A 款PCBSat结构图Fig．3 Configuration of PCBSat edition A

B款和C 款是A 款的改进型，这两款差别较小，其正面如图4所示。它们增加了定轨功能，可通过GPS接收机来确定自身轨道。同时，为了克服A款中电池容量小的问题，C款改用了锂电池，电池容量可达300 mA·h，提升了通信能力。同样，B、C款仍未考虑空间环境，而且太阳电池只安装在背面，增加了姿态控制的难度。

在以上三款原理样机的基础上，考虑到采用P-POD部署多颗PCBSat的情况，萨瑞大学在PCBSat的设计上采用了CubeSat的相关标准，研制了FM 型PCBSat（见图5）。从图5（a）可以看出：太阳电池板分成两块，而不是原来的只有背面排放；通信天线设计也考虑实际发射情况，设计成可伸展型；左右两块铝板对核心电路板进行封装，保持电路的温度在正常范围内。其核心电路板如图5（b）所示，集成了执行载荷任务卫星所有的子系统电路。有效载荷部分包括图5（a）中的两个载荷传感器，以及载荷控制采集电路，主要分布在核心电路板的背面；数据处理系统采用的是Atmel公司低功耗AVR 微控制器，并采取了抗辐射加固措施；通信系统包括射频模块、可伸展天线；电源系统包括锂电池、峰值功率跟踪器（PPT）、电池充电调节器；姿态控制和轨道确定器主要包括GPS模块、GPS接收天线、姿态控制电路等；此外，还包括地面支持设备，用于地面软件开发、接口测试等。装配后的FM 型PCBSat如图5（c）所示，总质量为311g，尺寸为10cm×10cm×2．5cm。经过飞行测试，其各项指标均符合要求。PCBSat易于设计，体积小，且元器件均有商用现货可供应，成本较低，是未来皮卫星、飞卫星的一种重要实现技术。

图4 B款、C款PCBsat俯视图Fig．4 Top view of PCBSat editions B and C

图5 FM 型PCBSatFig．5 PCBSat flight model

2．4 多芯片组件卫星（MCMSat）

MCMSat甚小型化技术源于多芯片组件（Multi-Chip Module，MCM）技术，在20世纪90年代提出。MCM 没有统一定义，一般认为是由不少于两个裸芯片或芯片大小的集成电路封装到一块高密度多层布线的基板上。将MCM 技术和卫星设计技术相结合，即将卫星多个分系统的功能封装成芯片或集成电路，然后集成到高密度多层布线基板上，就是MCMSat。MCMSat技术实际上综合了PCBSat和SpaceChip技术，其特点是芯片距离近，装配密度大，质量小，元器件可采用商用现货。

NASA 在1995年为实现航天器小型和微型化提出先进飞行计算机（AFC）技术，将MCM 技术作为关键技术研究，并提出了集成通用组件（Integrated Utility Module，IUM）概念。IUM 是将结构、热控、电源管理、数据和信号传输、防辐射、防宇宙尘埃以及其他电子和机械功能都集成在一个质量和体积都很小的无电缆连接的封装中，从而形成一个大功能块。IUM 是系统集成，它既可用单层MCM，也可以是三维堆积MCM，即将单个MCM 块在平面排布后多层堆积。

目前，MCM 主要有3种类型：MCM-L（由高密度多层印制线路板构成），它成本低，工艺成熟，但布线密度不高，组装效率和性能都较差；MCM-C（由高密度多层陶瓷基板构成），它最高布线可达80层，每层膜厚150μm，互联小孔直径只有100μm，面积可达150mm×150mm；MCM-D（由高密度淀积薄膜多层布线基板构成，较多采用硅基材料），它是布线密度、组装效率最高的结构，采用集成电路工艺实现，线宽可以小至5μm，但成本较高。由于甚小型技术主要针对1kg以下的卫星，因此，MCM-L相对传统的PCB设计并无优势，MCMSat设计主要考虑采用MCM-C或MCM-D。文献［1］提出利用MCM-D技术设计甚小型卫星，如图6所示。图6（a）为MCMSat概念设计框图；图6（b）是MCMSat正面图，包含射频子系统，使用4个1．5mm×82mm 的交叉偶极子，电源子系统采用8个20mm×40mm 的GaAs太阳电池；图6（c）是MCMSat背面图，安装了充电电池和电路等。所有微电子器件，包括有效载荷，均排放在3个高密度基板上。

图6 MCMSat设计Fig．6 MCMSat design

3 中国甚小型卫星现状

目前，我国对于甚小型卫星主要还处于前期论证和研究阶段，但是具有类似设计理念的纳卫星已有成功实例。

2010年9月22日，浙江大学搭载发射了两颗皮星一号A 卫星（见图7），其采用150mm×150mm×150mm 的立方体体装式结构，质量3．5kg，功率仅3．5W，90%以上元器件采用工业级组件筛选及加固，具备卫星热控、姿态控制、测控、能源、星务管理等多项功能。飞行试验验证了星上装载的半球成像全景光学相机、MEMS加速度传感器和角速度传感器在空间环境条件下的适应性。此外，对高效率三结GaAs太阳电池在空间环境中的性能也进行了测试。

2012年5月10日，国防科技大学成功发射了一颗自主设计与研制的天拓一号技术实验卫星（见图8）。该卫星尺寸为425mm×410mm×80mm，质量9．3kg，实现了将星务管理、电源控制、姿态确定与控制、测控数据传输等基本功能部件集成在单块电路板上，主要任务是开展星载船舶自动识别系统（AIS）接收、光学成像、空间环境探测等在轨科学试验。

另外，我国西北工业大学、浙江大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学、台湾成功大学等多所高校参与了QB50项目。西北工业大学作为QB50项目的亚洲区唯一发起单位和亚洲区总协调单位，主要承担两大任务：一是配合项目总体要求，自主完成一颗立方星的设计、研制与地面测试；二是完成QB50项目的亚洲区任务控制中心（MCC）的建设。

图7 皮星一号A 卫星Fig．7 ZDPS-1Apico-satellite

图8 天拓一号卫星Fig．8 SpacePioneer-1satellite

4 甚小型卫星的主要应用领域

4．1 教学与科研实验

甚小型卫星起源于高校和研究机构的学术研究：一是其系统复杂度比大型卫星低，研发周期较短，可进行搭载发射，所需成本远低于常规卫星，适合教学与科研实验；二是无实际应用的严格约束，可跳出常规研制规范流程的框架，大量的设计新概念、应用新设想及商用组件等可得到支持和使用；三是通过参与，激发学生对航天技术的热爱，牵引整个航天学科的发展。例如：英国萨瑞大学以低成本（百万英镑）、短周期（研制周期1～2年）、高效益、高效率、技术先进和管理现代化为突破口，形成商业现货产品应用的技术规范和流程，打造通用化、系列化的小微卫星平台，先后将26颗各类小微卫星送入太空，引领卫星技术发展趋势，完成了面向分布式空间任务的甚小型卫星设计的深入研究，成为卫星教学与科研实验领域的佼佼者。

4．2 空间技术演示验证平台

甚小型卫星虽小，却是非常重要的新技术演示验证平台，可经济、快速地提供新技术空间飞行试验和演示，特别是对微米技术，包括专用集成微型机械装置（ASIM）、微机电技术（MEMS）、微光电机系统（MOEM）和其他微型机械装置，以及纳米技术（分子尺度或原子尺度的装置）、FPGA 技术、片上系统（SoC）或可编程片上系统（SoPC）技术、单片式微波集成电路技术（MMICs）和主动电子扫描阵列技术（AESA）等进行太空演示验证。充分利用这些微纳技术和集成技术，不仅能大大减少卫星质量、体积、功耗以及研制成本，而且能大大提高系统的可靠性和卫星功能密度。最终，可使甚小型卫星各个子系统完全一体化，并形成相应模块，适应未来批量化生产，形成卫星商业化产业。此外，还可开展诸如卫星编队飞行、星群间无线通信、空间环境的科学测量、空间碎片监测以及深空探测等任务。据报道［13］，美国德雷伯实验室与麻省理工学院共同研制的甚小型卫星，用于发现太阳系之外适宜居住的行星，只有面包大小，宽约10cm，长约30cm，造价379 000英镑，可勘测当一颗环绕轨道运行的行星位于凌日位置的恒星亮度变化。科学家希望未来发射卫星编队飞行来勘测数百颗恒星，探索是否存在类地系外行星。

4．3 分布式空间任务应用

甚小型卫星体积非常小，功能单一，但是能够在较短的研发时间内实现低成本的批量生产，并且一次可用火箭发射几十甚至上百颗，因此，在以星座组网或星群编队的形式执行分布式空间任务方面，具有极大的优势。甚小型卫星在组网条件下，能充分利用星群网络下卫星数据可互为辅助补充和增强的特点，将某些复杂的卫星功能分布化和组合化，进行功能协同，资源共享。分布式甚小型卫星系统可执行的典型空间任务包括分布式通信、分布式导航，以及编队飞行光学遥感或测量等。例如，NASA 设想在低地球轨道密布甚小型卫星，构建一个基于互联网及相关服务的“第5代通信和网络系统”（5G）卫星星座，大幅提高移动通信服务能力。

4．4 空间安全任务

甚小型卫星在执行空间安全任务方面有其特有的优势。由于单星体积小，难以跟踪和摧毁，其隐蔽性和生存能力强；低成本的批量生产和星群部署，使其具有系统可重组性和再生性。美国陆军航天与导弹防御司令部（SMDC）纳卫星技术项目经理约翰·兰顿（John London）在2011年国际太空发展会议上就曾指出：“我们认为能在一个很小的装置内封装许多功能模块，目前正在快速朝这一方向发展。”可见，甚小型卫星在空间军事应用上具有很好的前景。例如，甚小型卫星可用于执行子母星任务，平时利用组合排列在母星上的多颗完全相同的甚小型卫星，分别对相同地区获取多幅低分辨率图像，然后通过图像处理得到高质量图像；还可释放这些甚小型卫星，让它们分布在目标星周围（绕飞）进行监视、干扰和攻击。

以上是甚小型卫星比较明确或可预见的发展方向，不过，其有效应用还面临着两大方面的挑战。一是在自由飞行或编队组网时，面对的是复杂的空间环境和轨道动力学环境；二是小于1kg 的质量限制，大大压缩了成熟载荷的选择范围，对电源功率、通信距离以及推进效能也是极大的约束。因此，还要进一步发展提高，才能使其得到更广泛的应用。

5 启示与建议

当前，小微卫星的发展是以高性能部件的微小型化和航天器总体设计的一体化为特征，甚小型卫星作为其中一个前沿分支，以快速发展的新一代微米、纳米技术为基础，重点突破研制以微硅卫星为代表的皮、纳卫星，同时也将实现更好的三维集成化和一体化。因此，作为新兴的卫星研发和应用领域，我国将对甚小型卫星的需求越来越大。新技术和集成度水平的提高，将进一步推动甚小型卫星的发展。

文献［14］从成本的角度综合考量了CubeSat、SpaceChip、PCBSat和MCMSat卫星技术。设定以探测电离层闪烁现象为卫星任务，设计10颗甚小型卫星形成星座进行探测。假设初始投入900 万美元，评价标准为单颗卫星成本、每瓦功率成本、每体积载荷成本，其结果如表1所示。

表1 4种甚小型卫星成本比较Table 1 Cost comparison of four kinds of very small satellite 美元

从前文分析和表1可以看出，4种甚小型卫星技术各有特点：SpaceChip 体积最小，功耗很小，但是通信距离较短，且成本最低，但是实现复杂，国际上还未出现使用该技术的卫星初样；CubeSat虽然设计成熟，但体积固定，成本最高；MCMSat综合了PCBSat和SpaceChip的技术特点，芯片距离近，装配密度大，质量小，但还没有卫星初样，技术复杂，相比PCBSat来说成本也较高。综合而言，PCBSat相对易于设计，体积小，且有商用现货元器件，成本较低，是一种比较适合我国发展和实现高性价比皮、飞卫星的重要技术。因此，PCBSat技术可作为我国甚小型卫星发展主要考虑的方向。

在我国甚小型卫星技术的发展中，建议重点着眼于商用现货元器件筛选及应用技术，提高空间应用的可靠性和安全性，有效降低开发和制造成本。试验验证一体化姿态控制技术、新型微推进技术、轻型高效的蓄电池和太阳电池技术等，进一步提升卫星的集成度和性价比，使甚小型卫星既廉价又好用。此外，通过编队组网的形式，还可使甚小型卫星形成一个功能更加完善、性能更加强大的系统，能在更广阔的领域得到应用。

（References）

［1］Barnhart D J，Vladimirova T，Sweeting M N．Verysmall-satellite design for distributed space missions［J］．Journal of Spacecraft and Rockets，2007，44（6）：1294-1306

［2］Barnhart D J．Very small satellite design for space sensor networks［D］．London：University of Surrey，2008

［3］Chin A，Coelho R，Brooks L，et al．Standardization promotes flexibility：a review of CubeSats’success［C］／／Proceedings of the 6th Responsive Space Conference．Washington D．C．：AIAA，2008

［4］Lee S，Toorian A，Munakata R，et al．CubeSat design specification［S］．Oklahoma：C．P．S．University，2009

［5］Kalman A．Begin your CubeSat mission with the Cube-Sat kit［EB／OL］．［2012-11-20］．http：／／www．cubesatkit．com

［6］Keller J．Startup to develop satellite-on-a-chip［J］．Military ＆Aerospace Electrionics，1994，5（2）：1

［7］Joshi A M．Design of an integrated satellite（INT-SAT）using advanced semiconductor technology ［C］／／AIP Conference Proceedings．Albuquerque：American Institute of Physics（AIP），1998：153-154

［8］Liang Xuwen，Li Li，Li Huawang，et al．Silicon solidstate small satellite design based on IC and MEMS［C］／／Proceedings of the 5th International Conference on Solid-state and Integrated Circuit Technology．New York：IEEE，1998：932-935

［9］Joshi A M．Lightweight miniaturized integrated microsatellite employing advanced semiconductor processing and packaging technology：U．S．，6137171A［P］．2000-10-24

［10］Vladimirova T，Underwood C I，Tiggeler H，et al．ChipSat：a system-on-a-chip for small satellite data processing and control［R］．London：Surrey Space Center，2003

［11］Barnhart D J，Vladimirova T，Sweeting M N．Satellite-on-a-chip：a feasibility study ［C］／／ Proc．5th Round Table on Micro／Nano Technologies for Space Workshop．Paris：ESA，2005：728-735

［12］Barnhart D J，Vladimirova T，Sweeting M N．Systemon-a-chip design of self-powered wireless sensor nodes for hostile environments［C］／／Proceedings of IEEE Aerospace Conference．New York：IEEE，2007

［13］The Daily Mail．The loaf is out there：the bread-sized satellite that’s searching for alien life ［EB／OL］．［2011-05-19］．http：／／www．dailymai．co．uk／scienceetach／article-1387706／Nano-satellite-size-loaf-breadsent-search-alien-life．html

［14］Barnhart D J，Vladimirova T，Sweeting M N．Satellite miniaturization techniques for space sensor networks［J］．Journal of Spacecraft and Rockets，2009，46（2）：469-472