2013年 国外微小卫星回顾

朱鲁青 张召才（北京空间科技信息研究所）

2013年 国外微小卫星回顾

朱鲁青 张召才（北京空间科技信息研究所）

近年来，全球年卫星发射总数稳中有升，2013年更是实现飞跃，全年共成功发射208个航天器。小卫星数量激增是2013年卫星发射大幅增长的主要驱动力。2013年，全年共成功发射1000kg以下小卫星146颗，占年发射总量的70%。随着一体化多功能结构、空间即插即用、集成化综合电子等技术的发展和卫星设计思想的创新，卫星小型化趋势将愈发明显，小卫星能力不断提升，并成为推进概念技术重大创新和探索航天转型发展的前沿阵地。

1 年度小卫星发射统计

2013年，全球小卫星呈爆发式增长态势，共成功发射小卫星146颗，相较2012年同比增幅达148.28%。另外，2013年还有1颗小卫星发射失败，41颗计划发射的小卫星因故推迟。

2000－2013年全球小卫星发射数量统计

由于本文的数据统计全部来自于国外网络，所以在下面的分析中，除国家维度包含中国外，其他质量分布、应用领域、发射方式等统计对象仅限于2013年国外成功发射的135颗小卫星。

小卫星发射国家进一步扩大，美、欧仍是小卫星发射主力

2013年共有30个国家发射小卫星，除伊朗的黎明－3（Fajr－3）卫星发射失败外，其余29个国家合计成功发射小卫星146颗。其中，秘鲁和奥地利两个国家借助纳卫星实现本国卫星发射的零突破。在主要航天国家中，美国、欧洲仍是小卫星发射主力，俄罗斯、中国、日本和印度分列第三、第四、第五和第六位。

1～50kg微纳卫星发展活跃，发射数量显著增加

2013年发射的小卫星主要集中于微卫星和纳卫星范畴，尤其是1～50kg小卫星发展活跃，占国外小卫星发射总数的近2/3。其中，发展最具活力的是立方体卫星，2013年成功发射1U、1.5U、2U和3U立方体卫星共计75颗，超过小卫星发射总数的50%。

美国SpaceWorks咨询公司在2013年2月发布全球微、纳卫星市场评估报告预测，未来10年微、纳卫星仍将保持高速发展态势。到2020年，全球对1～50kg小卫星的需求量将达188颗。

2013年成功发射小卫星所属国家统计

2013年成功发射小卫星质量分布统计

业务型小卫星相对比例有所下降，科学和技术试验卫星增长迅猛

2013年发射的小卫星涵盖对地观测、通信广播、深空探测以及科学与技术试验4个领域。相较2012年，2013年国外发射的业务型小卫星绝对数量增长，但相对比例有所下降，仅占国外发射总数的23.70%。其中，对地观测卫星8颗，占5.93%；通信广播卫星23颗，占17.04%；深空探测卫星1颗，占0.74%；科学与技术试验卫星103颗，占76.03%。

“一箭多星”已成为小卫星发射主流方式，发射记录屡创新高

2013年，国外通过20次发射任务成功将135颗小卫星送入太空。其中，“一箭五星”及以上发射共8次，共成功发射小卫星102颗。“一箭多星”发射已成为目前小卫星发射的主流方式。另外，2013年8月4日发射的4颗纳卫星在“国际空间站”驻留3个月后，于2013年11月19日从“国际空间站”日本舱在轨释放。

2013年11月，美国和俄罗斯相继完成“一箭二十九星”和“一箭三十二星”发射；12月，美国又完成“一箭十三星”发射。此外，美国在2014年1月成功完成了“一箭三十四器”发射，将部署全球首个商业对地观测纳卫星星座。

2013年成功发射小卫星的发射方式统计

组装天空卫星－1

2 年度小卫星最新发展

业务型小卫星性能持续提升，应用领域和功能不断拓展

小卫星逐渐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，业务能力逐步提升。

（1）遥感领域

2013年，美国新兴小卫星公司推出了大量商业小卫星星座计划。美国天空盒子成像公司（Skybox Imaging）首次提出大数据、小卫星概念，将建造由24颗小卫星组成的商业遥感卫星星座。2013年11月，首颗天空卫星－1（SkySat－1）商用卫星发射入轨，整星质量90kg，分辨率优于1m，首次实现微卫星级高分辨率成像能力。同时，该项目还将利用海量数据处理技术，采用基于软件的地面图像重构和拼接提升卫星图像应用价值，提供超高分辨率图像和全动态视频。同时，天空盒子成像公司计划构建开放式的公共服务平台，供第三方开发个人定制应用，鼓励用户挖掘海量遥感数据的潜在应用价值。

28颗鸽群-1于2014年1月升空

美国另一家新兴小卫星公司—行星实验室公司（Planet Labs）在2013年分别发射了鸽子－1、2（Dove－1、2）和鸽子－3、4技术验证星，并于2014年1月发射了由28颗纳卫星组成的世界上最大的遥感卫星星座—鸽群－1（Flock－1）。鸽群-1轨道高度400km，倾角52°，分辨率3～5m，搭乘新研制的火箭，成本低廉，由“国际空间站”在轨部署。目前，该行星实验室公司已筹集到6500万美元的风险投资进行全球首个商业纳卫星星座的建造。相较传统对地观测卫星，该卫星星座的分辨率不够高，但在纳卫星层面已实现突破；大部分硬件未进行长期飞行验证，但星座规模已超过实现全球覆盖所需的卫星数量，足以保证运行可靠性；无需对星上相机下达特定区域的成像指令，即可满足用户需求；可提供高重访、低成本的全球卫星图像。

目前，美国虽有10余家企业拥有私营遥感卫星系统的运营许可，但仅有数字全球公司（GigitalGlobe）拥有在轨系统，天空盒子成像公司和行星实验室公司的加入有望改变北美乃至全球商业遥感产业布局，具有里程碑意义。

（2）通信领域

美国第二代“全球星”（Globalstar）星座已率先完成部署，“铱”星（Iridium）星座和“轨道通信”（Orbcomm）星座也即将启动更新换代。低轨通信小卫星星座性能和功能均大幅提升，第二代“轨道通信”卫星增加了“自动船只识别系统”（AIS），单星质量仅150kg，单价约630万美元。“铱星下一代”（Iridium NEXT）增加了IP通信能力，还将搭载美军基于“铱”星增强的“全球定位系统”（iGPS）有效载荷，它已于2013年10月完成关键设计评审，预计2015年首飞。美国陆军正逐步实施“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效果”（SMDC-ONE）计划，2013年12月，该卫星的后续2颗纳卫星发射入轨，计划形成支持战术作战的多星低轨通信卫星星座，提供无人台站数据采集和战场短报文通信。

作战响应空间－3任务中的空间试验项目卫星－3

（3）导航领域

2013年1月，美国空军研究实验室（AFRL）与萨瑞卫星技术美国公司（SSTL）签署合同，论证小卫星在导航领域的应用前景，研究小卫星如何融入GPS星座系统，开展中地球轨道（MEO）导航小卫星概念论证，提供信号辅助增强，降低系统成本，提高系统的强健性、覆盖范围和精度。

“作战响应空间”思想推动美军发展战术小卫星热潮

2013年，“作战响应空间”（ORS）计划共完成2次任务，包括作战响应空间－3发射任务和战术卫星－6（TacSat－6）。2013年11月19日，美国作战响应空间－3任务利用人牛怪－1（Minotaur－1）火箭完成“一箭二十九星”发射，其中包括1颗180kg的空间试验项目卫星－3（STPSat－3）和28颗立方体卫星。2013年12月6日，美国战术卫星－6成功发射入轨，该卫星是立方体纳卫星，质量5kg，用于测试战术通信技术。

与此同时，“作战响应空间”计划在2014财年仅获得1000万美元拨款，该计划如何推进存在疑问。但“作战响应空间”在创新理念和管理模式方面的经验已被普遍认可。美国空军航天司令部司令威廉姆·谢尔顿认为“‘作战响应空间’的思想正在成为设计军用系统的主流思想”。“作战响应空间”计划不等同于“快响能力建设”，快速响应卫星也不仅限于“作战响应空间”计划下发展的一系列卫星项目。“作战响应空间”计划虽然存在变动，但美军快速响应能力仍在发展。美国各军兵种在该计划驱动下，相继提出面向战术应用的小卫星项目，发展作战响应空间能力，与主战场大卫星系统形成能力互补。

多个前沿体系计划面临取消，“凤凰”计划得到持续推进

美国国防高级研究计划局（DARPA）的任务主要是探索高风险、高回报且未来能有利于军事应用的技术发展项目，这类项目中，有许多（甚至大多数）都可能面临取消。2013年5月，美国国防高级研究计划局正式宣布取消F6分离模块计划。F6项目已经累计投资超过2亿美元，已完成概念设计，处于系统设计和软硬件初样开发阶段。虽然分离模块航天器具有诸多优势，但目前该技术仍处于概念阶段，距离工程实现存在许多难以逾越的技术困难。F6项目迄今所开发和试验过的技术成果，将融入国防部的其他太空项目，如美国国防高级研究计划局的“空中发射辅助太空进入”（ALASA）项目（验证低成本卫星运载火箭），以及海军牵头的“凤凰”（卫星部件重复使用验证）项目。

2012年3月，美国国防高级研究计划局提出的面向战术应用的低成本小卫星星座—“提高军事作战效能的空间系统”（SeeMe）计划也面临取消的命运，美国已确定2014财年停止投资该计划，原授出合同继续执行。该计划2013年10月完成高空飞行试验，测试平台性能及手持终端直接规划卫星载荷任务的能力。

2011年12月，美国国际高级研究计划局启动“凤凰”（Phoenix）项目，计划利用母星携带小卫星进入静止轨道，抓捕、接管卫星部件。2013年，美国国防高级研究计划局持续推进“凤凰”计划，力求3年内实现在轨验证，并计划在2015年或2016年进行首次在轨演示验证试验，从140颗退役卫星中选出10颗卫星作为抓捕对象，进行演示验证，将空间攻防能力扩展至静止轨道，高轨道空间攻防潜力巨大。

美国面向战术应用的小卫星项目

美国空军航天司令部发布《弹性和分散空间体系》白皮书

为突破现有卫星体系架构在成本、研发周期、技术更新、抗毁能力等方面存在的局限性，美军提出“弹性”与“分散”概念，力图塑造全新的空间体系架构和发展模式。2013年8月，美国空军航天司令部发布《弹性和分散空间体系》白皮书，将“分散”确定为美军空间系统未来发展的战略之一，提出未来美国将转变当前高度集成的、以大型空间系统为主的发展模式，通过多种方式将原有系统分散成若干功能更单一、规模更小、成本更低的卫星系统，组成综合体系提供所需能力，以提升空间系统的弹性。分散主要通过系统分解、功能分散、有效载荷搭载、多轨分散和多域分散等5种手段实现，可以提高空间系统的抗毁能力和经济可承受性，增加技术更新的机会，提振航天工业基础。1）多轨分散：利用多个轨道平面来提高弹性；2）多域分散：将能力分散于海、陆、空、天、网多域，相互冗余和备份；

3）载荷搭载：将一些有效载荷搭载在其他类型卫星上；

4）系统分解：由多个以无线方式相互作用的模块提供单一系统的功能；

5）功能分散：将一颗卫星上的多个载荷或多项任务分散到多颗卫星上。

该白皮书是美国空军航天司令部发布的第一部白皮书，明确了未来美国军事航天系统发展的顶层思路和航天体系转型方向，将全面推进空间体系向“弹性和分散”体系的转型。

首颗采用3D打印零件进入太空的“手机卫星”

技术试验卫星增长迅速，智能手机卫星首次发射

在技术试验领域，2013年全球科学与技术试验卫星共发射109颗，实现爆炸式增长。分离模块卫星技术、立方体卫星技术、芯片卫星（ChipSat）技术、皮卫星技术等新技术和新概念层出不穷，相关前沿技术的突破和发展将从体系结构层面变革卫星技术发展的方向，进而对卫星体系结构产生颠覆性影响。

2013年2月25日，全球的第一颗智能手机卫星，由萨瑞卫星公司研制的萨瑞培训研究和纳卫星验证星－1（STRaND－1）发射升空，该卫星是一颗3U立方体卫星，质量4.27kg，采用谷歌Nexus One手机对卫星进行控制。除了太阳电池翼和推进系统外，该卫星具有传统卫星的所有部件和功能，也是全球第一个采用3D打印零件进入太空的航天器。

继萨瑞培训研究和纳卫星验证星－1之后，2013年4月美国航空航天局（NASA）的3颗智能手机卫星（PhoneSat v1a、v1b和PhoneSat v2）发射升空。这3颗手机卫星均为1U立方体卫星，体积为10cm×10cm×10cm，质量1kg，设计寿命7天，在距地面大约241km高度的轨道绕地球飞行。手机卫星采用商业级智能手机，操作系统为谷歌的安卓系统，将智能手机芯片组作为星载计算机，手机传感器（三轴加速度计和三轴磁强计）用于姿态测量，500万像素手机摄像头用于拍摄地球影像。由于采用了消费级智能手机作为主要载荷，PhoneSat v1a成本仅3500美元，PhoneSat v2成本仅8000美元。手机卫星在轨飞行期间，完成了如下任务：①将卫星“健康数据”（包括电池状况、温度、磁强度传感器数据和加速度计数据）传回地面；②利用手机摄像头拍摄地球图片并回传到地面；③PhoneSat v1b与“铱”星星座进行数据通信试验。2013年11月19日，美国新一代的PhoneSat v2发射入轨，质量1kg，设计寿命2年，装有无线电收发装置和反作用轮，将长时间在轨测量辐射对卫星的影响。

与此同时，美、欧也相继开展了芯片卫星的研究。目前芯片卫星正处于研究试验阶段，还未实现单个芯片级集成，普遍利用印刷电路板卫星（PCBSat）进行原理和技术验证，即在一块印刷电路板上集成航天器全部功能。芯片卫星质量一般在0.01kg以下，属于飞卫星（质量在0.1kg以下的卫星）范畴。2013年8月，美国康奈尔大学与太空技术探索公司（SpaceX）达成协议，2014年将利用猎鹰－9（Falcon－9）火箭发射龙－3（Dragon－3）飞船的机会搭载发射其研制的凯克卫星－1（KickSat－1）纳卫星。凯克卫星－1将在轨释放200颗名为“精灵”（Sprite）的芯片卫星，完成全球首次芯片卫星在轨飞行试验。“精灵”卫星的发射标志着芯片卫星从概念向某些领域实用化迈出了重要一步。早在2011年5月，“精灵”验证芯片卫星被搭载运到“国际空间站”，进行托盘暴露空间试验。

3 小卫星发展趋势

微纳卫星发展活跃，卫星小型化趋势愈加明显

随着微纳技术、一体化多功能结构、空间即插即用、集成化综合电子等技术的发展和卫星设计思想的创新，卫星小型化趋势将愈发明显，小卫星能力不断提升。近年来，1～50kg微纳卫星发射数量呈逐年增长的趋势，尤其是2013年微、纳卫星发射形成井喷态势。

到2020年，全球对1～50kg卫星的年需求量巨大。立方体卫星是微、纳卫星的突出代表，自提出至今已引起广泛关注和研究。随着技术和标准逐渐成熟，国外相继制定并实施了大规模的基于立方体卫星的空间试验验证计划。

此外，在微机电系统（MEMS）、微光机电系统（MOEMS）和CMOS等工艺技术推动下，甚小卫星中的皮卫星技术逐渐成熟，飞卫星也实现技术突破。继2000年全球首颗皮卫星发射入轨之后，美国将于2014年完成全球首次飞卫星在轨部署，使人类进入飞卫星时代。国外卫星体系也将随之进一步完善，由大、小、微卫星延伸至纳、皮、飞卫星。

多样化发射模式将带动小卫星创新及产业化发展新航天经济将驱动小卫星商业运行模式的重大转变

卫星部署主要通过火箭直接发射入轨和在轨航天器二次释放两种手段实现，并随着航天技术发展呈现多样化态势。目前，“一箭多星”已成为小卫星发射的主流方式，在轨释放也逐渐细分为空间站释放、母子卫星释放和在轨分离等多种手段。卫星在轨释放手段也逐渐丰富多样，除2012年首次投入应用的空间站释放外，2013年又新增了在轨分离和母子卫星释放等新兴方式。

在标准化星箭接口、标准化火箭适配器技术驱动下，美国、欧洲、俄罗斯和印度都具备了“一箭多星”的发射能力。随着微、纳卫星发展日益活跃，美、欧等国积极开展政府资助计划，为验证先进概念和先进技术的微小卫星提供免费进入空间的机会，这使得“一箭多星”发射成为常态化模式，发射记录频频更新。“一箭多星”密集发射极大地提高了卫星低成本、大规模、批量化部署能力，又能增加航天创新技术在轨验证机会，同时也突破了制约小卫星发展的瓶颈，必将进一步推动小卫星产业化发展。

自20世纪90年代起，在硅谷地区出现了大量新兴商业航天公司。与传统航天公司不同，这些新兴商业航天公司不依赖美国航空航天局和政府机构，主要利用私有资金发展宇航能力，用户主要集中在商业航天领域。20世纪90年代末期，此类公司大幅增长，形成了类似于互联网时代早期的新航天（NewSpace）经济。新航天经济最初主要集中在进入空间领域，随着新航天经济的发展，小卫星公司开始成为新航天公司的新生力量，并带来了一系列颠覆性的新理念、新模式。这些新兴的小卫星公司借助风险投资起步，通过创新技术构建低成本、强健的航天系统，或是利用商业现货技术和产品，通过创新的方式集成低成本、高性能的航天系统。

新兴小卫星公司的典型代表是美国天空盒子成像公司和行星实验室公司。天空盒子成像公司提出小卫星、大数据概念，计划建造由24颗微卫星组成的对地观测星座，提供基于云平台的遥感数据访问服务，颠覆传统的由代理商负责数据销售的理念。同时，天空盒子成像公司计划构建开放式的公共服务平台，供第三方开发个人定制应用，鼓励用户挖掘海量遥感数据的潜在应用价值。行星实验室公司发射的全球首个对地观测纳卫星星座鸽群－1，主要用于提供高重访、低成本的全球卫星图像。该星座由28颗纳卫星构成，卫星硬件主要是商用现货器件。

行星实验室公司及其全新的商业运行模式将卫星对地观测从1.0时代推动到2.0时代，并会随着其低成本星座的逐步建立和完善，进一步对全球商业遥感卫星市场产生深远影响。

星座组网将成为小卫星发挥作用的重要途径

小卫星单星性能相对较低，通过星座组网、编队飞行等途径，可显著提高系统的时间分辨率和覆盖区域。通过快速、灵活、大规模部署及在轨重构，可大幅提高空间系统的生存能力和空间体系的弹性。星座多星、多任务、多路径和多模式综合应用，可形成新的工作体制，实现单颗大卫星难以实现的功能和性能。

目前，国外在通信、遥感、战术应用、技术试验等领域均提出了大规模的小卫星星座计划。星座组网已经成为小卫星发挥效能的重要途径，也是未来小卫星发展的主要趋势。