智能手机卫星技术和应用

林来兴 张小琳（北京控制工程研究所，北京空间飞行器总体设计部）

智能手机集当今世上的许多高新技术于一身，它功能无限（目前还在快速发展）、用途广泛、价格适宜。如果能把智能手机作为空间有效载荷，再采用21世纪刚开始出现的模块式立方体卫星（CubeSat）作为卫星平台，组成名为“智能手机小卫星”，可以说是空间技术在应用领域的又一个新创举。

1 为什么采用手机作为空间有效载荷

手机出现至今已经有40年历史，它的技术发展速度无物可比。当前手机可以说集一切高新技术于一身，例如：光、机、电、芯片、计算机技术、硬件、软件、摄像机和通信等。全世界研究开发手机（包括智能手机）至少花费几十亿到上百亿美元。采用这样一个成熟现成的高技术研究成果作为空间有效载荷，根据美国航空航天局（NASA）阿姆斯（Ames）空间中心2011年调查研究结果，有如下优势：①提高在轨信息处理机能力10～100倍；②卫星成本为原来的1/10～1/1000；③通过采用微型空间电子设备，增加有效载荷体积，从而让手机适用在立方体卫星；④验证商用现货产品成功用在卫星各分系统（电源、姿态控制与测量、通信等）。综合以上优势，能提高制造卫星能力1000～10000倍。

目前，手机卫星采用的不是一般手机，而是智能手机，最佳智能手机价格仅在500美元左右。这是因为智能手机与一般手机相比具有5个特点：①具备无线接入互联网的能力；②具备个人数字助理（PDA）功能，包括个人信息管理、日程记事、任务安排、多媒体应用、浏览网页；③具有开放性的操作系统，可以安装更多的应用程序，从而使智能手机的功能可以获得无限扩展；④个性化，可以根据个人需要扩展功能；⑤功能强大，扩展性强，能获得很多第三方软件支持。

2 智能手机卫星组成

一般卫星由2部分组成：平台和有效载荷。首先讨论平台，智能手机卫星的平台可选择近年发展起来的立方体卫星。1颗立方体卫星称为1个单元（1U），结构为10cm×10cm×10cm的立方体。我们选择3U～6U、质量为4～8kg的立方体卫星。目前立方体卫星及其分系统，例如结构、电源、姿态控制、通信、收发机等都有标准模块，在国际市场上可以根据需要选择购买。个别特殊需求还可以预先订购，价格低，交货时间快。从2003年成功发射第1颗立方体卫星至今已有10年时间，大约发射了近300颗立方体卫星，均为1U～5U结构，其中最多的是3U结构（质量3～5kg）。

当前3U立方体卫星技术水平

3 空间飞行验证

为了确保采用商用现货产品成功应用于空间，特别是像手机这类的商品，必须进行一系列地面和空间飞行试验。阿姆斯空间中心在2011年9月制定了发展手机卫星有关的一系列试验标准。

环境试验要求

1）热真空实验，压力在666.612～1333.224Pa（相当于5～10乇），温度在－35～＋40℃；

2）在轨火箭的10km（高度）试验；

3）火箭冲击和振动试验，根据美国航空航天局相关标准规定进行；

4）进行系统级气球飞行试验（上升到30km高度）。

气球飞行试验

气球飞行试验的优势：

1）类似空间环境，成本低，没有空间飞行的很多限制；

2）距离长，可以模拟空间翻滚运动；

3）没有无线电干扰环境的影响；

4）操作模拟轨道飞行；

5）可以进行有效软件实验。

通过气球飞行试验，在规定期限内，可以使产品达到空间要求。阿姆斯空间中心已经进行了3次手机卫星的气球飞行试验。

手机卫星空间飞行试验

阿姆斯空间中心在2013年4月21日成功发射了3颗智能手机卫星进行卫星空间飞行试验，搭载在“国际空间站”货运补给飞船上，卫星轨道为近地点237km、远地点258km，倾角56.1°。

第1颗和第2颗手机卫星机构功能基本相同，卫星为1U结构、质量1kg，智能手机主要用作星上计算机，其产品为Nexus智能手机和Android操作系统，测试其是否适合在轨工作。卫星在轨寿命仅为7天，由于靠蓄电池供电，寿命较短。星上手机有500万像素摄像机，总共获得有一个桌面大小的地面图像。在7天时间里约有1万次数据发送到地面，每5次发送1幅正常数据包。

手机卫星的气球飞行试验结果

气球飞行试验实物

第3次飞行试验拍摄图片

第3颗手机卫星，结构为1U，质量1kg，使用了三星电子公司的智能手机。同时增加由三星电子公司提供的一个处理器、空间电子设备和陀螺仪，并增加一个双向波段天线通信、一个磁力矩阵线圈和反作用轮，可以通过地面控制卫星指向。

这3颗手机卫星空间飞行试验证明：仅花费不到1万美元，采用现货产品，可以获得智能手机卫星在空间运行1周时间，得到许多经验。

3颗手机卫星在轨寿命都很短，因为星上电源都是自带蓄电池。但是在7天在轨飞行中，全世界各地的地面站（包括无线电爱好者）向阿姆斯空间中心发去了300多张接收到的图像。为此，阿姆斯空间中心拼成了一个巨大连接图像。

4 萨瑞大学智能手机卫星及其分系统技术性能

概述

英国萨瑞大学空间研究中心于2013年2月25日成功发射1颗智能手机小卫星，位于750km的太阳同步轨道。卫星有效载荷为商用智能手机产品（谷歌公司的Nexus One），价格为500美元。卫星平台为3U立方体卫星，质量4.5kg。有2副可以展开的太阳电池翼和1根长2m的天线。整个卫星均采用商用现货产品，其中有些元器件均为萨瑞大学研制小卫星采用过的，性能稳定，可靠性满足要求，费用成本低廉，整星费用约7万～8万美元。

智能手机小卫星全部采用CAD设计，其中有2副可展开的太阳电池翼，发射时折叠在3U顶部。

智能手机小卫星外形结构

整星CAD设计

卫星平台各分系统组成和质量功耗分配

从卫星各分系统质量占整星的比例可以看出，占比例最高的是卫星结构（30%），其次为推进器（17%），然后是有效载荷和姿态轨道控制系统（各占13%）。

卫星各分系统质量、功耗分配

卫星各分系统功耗

重要分系统技术性能

（1）姿态确定和控制系统

姿态确定采用一种立方体卫星姿态确定专用模块（由太阳与地平敏感器组成），它由2台互补金属氧化物半导体（CMOS）相机组成，一台朝着太阳光方向，另一台朝着地平方向，2台相机安装方向相对180°。姿态确定专用模块固连在星上计算机，该模块为中等精度，其质量、体积和功耗都很小，适合于立方体卫星。

姿态控制采用2种控制模式，即三轴零动量和偏置动量姿态稳定。执行机构采用3个微型反作用轮正交安装和1个偏动量轮。由三轴磁线圈提供三轴磁力矩。同时，有脉冲等离子推进器（PPT）。除了控制轨道外，还可以对偏置动量轮在饱和状态下进行卸载。

X轴指向飞行方向，Z轴指向地心，手机摄像机安装于Z轴，太阳电池翼指向地心相反方向。在三轴对地指向时，太阳电池板可能不能完全指向太阳，输出功率会有所减少。当不需要对地摄像时，可以让太阳电池板对准太阳。卫星工作寿命结束时，让太阳电池翼指向飞行方向，增加气动阻力，使卫星加速离轨。对地观测时，为保证图像质量，姿态采用三轴稳定方式（由3个反作用轮产生控制力矩），其他采用偏置动量姿态稳定方式。

（2）高性能的星上计算机

三轴姿态稳定系统姿态

这里采用一种改进型Di-wigc星上计算机，主要有3种功能：提供I2C接口；智能手机与平台卫星间通信；监视所使用的智能手机（Nexus One）性能，确保上述功能顺利实施。

（3）星上电源

星上电源分系统采用一种空间专用小型电源系统和20W蓄电池装置。上述装置与2副太阳电池翼连接，产生6.9V电压和0.9A电流。太阳电池板面积为30cm×10cm×2，共600cm2。

（4）无线电收发机和天线组合体

无线电收发机具有下列功能：①打开天线展开结构；②接收和解码从地面发来的数据；③发送信标；④发送和接收从星上计算机I2C接口信息输送到卫星总线或者反过来；⑤具有专用接口，可连接到星上计算机实现重构模式。

天线组合体通信频率上行为437.574MHz，下行为145.8MHz。天线有2个，一个用于2m波段上行链路，另一个为70cm波段下行链路。不用时可收缩在一个盒子内。

天线设计要求：①质量轻；②可展开；③有故障保护装置；④体积小，达到整体安装在3U结构的要求；⑤有足够的天线增益。

（5）微脉冲等离子体推进器（µPPT）

微脉冲等离子体推进器是一种电推进器，由卫星总线供给电能，并存储在该推进器的电容器（由2个平行陶瓷芯片组成）中。各个电容器的电极作为推进器的动力源，当电极发生短路产生大电流时，电流通过电极侵蚀产生等离子体，然后经过电磁场加速，产生推力。微脉冲等离子体推进器结构简单、质量小、功耗低。当功耗为1.5W时，产生推力为0.9μN，此时比冲为1340s。该推进器主要用于纳卫星推进系统。

5 应用

智能手机小卫星具有两大应用功能：对地观测（已有摄像功能）和空间通信。后者本来就是智能手机固有功能，区别是手机处在外层空间作轨道运动，单有手机本身缺乏通信转发器和高技能天线，为此必须适当增加相关设备。

对地观测

智能手机卫星若要用于对地观测，则需要作些修改：在智能手机摄像头前添加一个光学小镜头，视场为2°（相当加装一个固定式长焦镜头，焦距为0.6m）；同时，要求手机摄像头采用面阵最小的像元尺寸（例如6μm）。

在上述条件下，若轨道高度为500km，对地观测面积为18km×18km。当摄像机具有1300万像素（目前三星智能手机摄像头已达1600万像素，诺基亚智能手机摄像头已达4100万像素），拍照方式为往复式，其地面光学分辨率为5m。

智能手机对地观测示意图

根据相机覆盖宽度18km（或面积324km2）以及光学对地分辨率（5m），智能手机的对地观测属于中等精度，具有很多用途。

1）采用上述前后摄像头两相连结（4相机），每次对地观测面积为36km×36km≈1300km2。采用沿航向编队飞行方式，1天回归轨道，若采用3组，每组4颗3U立方体卫星，共12颗卫星，重访时间为8h，可以有覆盖面积1300km2、分辨率为5m的对地观测结果。

2）往复照相机还可以连续拍摄，也就是说按一般连拍速度，每秒拍摄约5幅，则有6500km2覆盖面积，重访时间为8h，每天3次观测。总共需要12颗手机卫星（每颗卫星的质量约为5～6kg），按每颗约10万～12万美元计算，总共花费120万～144万美元。这样不到150万美元的花费就可以获得上述观测结果。这可能是迄今为止最低的对地观测成本，而重访时间最短、每次覆盖面积最大的遥感卫星。

3）同时也可实现简单应用，即采用2颗手机卫星连结为一体。则其覆盖面积为648km2，若采用1天回归轨道，则仅布置2颗手机卫星（花费不到25万美元），重访时间为24h（每天1次），可获得648km2面积、分辨率为5m的对地观测结果。

空间数据存储和转发

智能手机在地面上作为移动电话使用，通信很方便，这是因为地面上有众多的通信网络和基站，手机通信信号可以放大和转发。但是在空间轨道上情况就完全不一样了。若要加装通信转发器和高效天线，需要增加较大的功耗、质量和体积。这对于立方体卫星来说是有很大的困难甚至不可能实现。

为此，智能手机卫星仅能依靠立方体卫星组成的纳卫星原有的收发器和天线装置来工作。此时，手机卫星仅能作一些数据量小的数据存储转发通信。仅有可能实现个人对个人的通信用途，所以有人称手机卫星为“个人卫星”。

智能手机用于小卫星近距离交会对接敏感器

交会对接敏感器一般分为远距离和近距离两种敏感器，智能手机用于小卫星近距离交会对接敏感器，也称为光学成像敏感器。它的测量原理是基于光学系统在透镜焦平面的成像规律，一般交会对接由追踪器和目标器两部分组成,智能手机安装在追踪器。在目标器上安装特征光点（例如发光装置或无源特征光点）。这两部分在前者建立追踪器三维坐标系，在后者建立目标器三维坐标系，通过对目标器上特征光点在摄像机透镜焦平面上成像和有关坐标系转换与数据处理，即可获得目标器相对于追踪器的三维位置和三轴姿态信息。

美国航空航天局马歇尔空间飞行研究中心已经成功研制出采用智能手机作为小卫星近距离交会对接用的敏感器。在目标器上安装4个不在同一个平面上的特征光点，智能手机作为追踪器。实验结果表明，在相对距离50m以下时，相对距离和姿态精度较高。特征光点数量增加，测量系统冗余度增加，精度提高，但是占据空间，功耗增加。为此应适当选择。

相对距离50m以下时的相对距离和姿态精度

交会对接近距离光学成像敏感器示意图

智能手机卫星组成多种空间网络

目前，单颗卫星仅能实现高质量的科学数据，但只提供单一的时间点重复测量。而新的科学发现需要改进观测任务目标与要求，包括随时间变化、多点时间和相关的测量，要求充分了解复杂的、波动和互动的各种现象。例如：对地观测、军事需要、突发事件等。

采用空间网络将具有以下优势：冗余可靠性高；获得分布式数据与资产；时间相关测量；随时间变化的测量；可扩展的系统；可升级系统；可扩展的覆盖范围；低成本、经济性好。

智能手机卫星组成空间网络示意图

智能手机卫星可组成多种空间网络，其具有两大功能：摄像与通信。摄像包括对地和空间目标，对地可以观测地面状态，类似对地观测卫星；对空间可以搜集与侦察空间目标。由于目前手机卫星都装有较强的WiFi、蓝牙等通信能力，完全可以承担空间网络内各颗卫星之间信息传输任务。一般空间网络分布在几千米到十几千米，空间网络所有探测获得信息集中到主星，然后传送到地面站。

此外，智能手机装有WiFi设备，可实现无线联网。目前，WiFi在开放式空间传输距离达到百米甚至千米级。近期有实验表明，若采用5G传输，可达几十千米。这表明将来WiFi技术的进一步发展，可以利用智能手机组成较大型空间局域网，例如采用10颗×10颗智能手机卫星可以组成几十到几百平方千米的局域网。这种空间局域网在军用方面可以作为战场指挥、通信。对民用也可以开发许多新用途。

一个空间网络若由10～100颗智能手机卫星组成，每颗质量约为5～6kg，按每颗10万美元计算，总共花费100万～1000万美元，这是至今最廉价的一个空间网络经济投资。

6 结论

手机卫星问世至今只有1年（首颗手机卫星于2013年2月发射），其成本低廉、用途广泛、应用普遍，其他优势以后还将逐渐显露出来。预计将来很有可能将创建一个新的概念——“个人卫星”，从此打破发射卫星和使用卫星只能依靠国家或大型公司的局面。虽然现在手机卫星还有一些技术难点需要进一步开发研究，但是不难预计其未来的应用前景是非常美好的。