“革新技术验证卫星计划”首组卫星及其验证任务

王存恩（北京空间科技信息研究所）

1 引言

2019年1月18日9：50（东京时间），日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）用艾普斯龙-4火箭把“革新技术验证卫星计划”首发的7颗卫星—革新技术验证卫星-1（RAPIS-1）、3颗搭载发射的微卫星和3颗立方体卫星送入预定轨道，这也是日本技术验证系列星的第7组卫星。

日本重视并采用民用技术开发的元器件在航天领域的应用。2002－2012年，已发射了6颗有代表性的技术验证卫星：技术性能验证卫星-1（MDS-1）、下一代不载人空间实验系统（USERS）、微实验室卫星 -1（μ-Lab Sat-1）、“创新小卫星”（INDES）、小型验证卫星-1和4（SDS-1和4），用其验证了18项日本国内领先国际水平的新技术，并确认都能在航天领域应用；执行24项飞行任务，均获成功；验证了采用领先国际水平技术开发的41种飞行任务仪器均能在航天器上使用；验证了63种采用国际领先水平的民用技术开发的元器件和仪器，确认有62种能在航天领域应用。

如果把确认可在航天领域应用的技术、元器件和仪器，再搭载在技术试验卫星上做进一步验证，就可推广到各类航天器上使用。实践证明这样做不仅加快了航天技术发展，缩小了航天技术与领先于世界水平的民用技术、航天元器件和仪器与民用元器件和仪器间的差别，还加快了航天元器件微小型化的进程，大幅度降低了开发成本，提高了日本航天技术和产品在国际市场上的竞争力，产生了明显的社会效益和较高的经济效益。基于此，日本政府在2015年1月9日公布的《航天开发基本计划》中决定：2017年重启技术验证卫星计划，而且以后每两年都要发射1颗“革新技术验证卫星”。革新技术验证卫星-1是日本“革新技术验证卫星计划”的首组卫星。

2 卫星计划概况

“革新技术验证卫星计划”既继承了前6颗技术验证卫星的设计、研制、发射和在轨运行管理经验，也大胆地采用了研究机构、民间企业、大学，乃至风险企业等开发微卫星等所积累的新知识、新技术、新工艺、新方法，全部在规定的时域内完成既定任务，确定了主卫星——革新技术验证卫星-1验证的关键元器件、部件和搭载发射的微卫星和立方体卫星要验证的技术。

计划的目的

“革新技术验证卫星计划”的三个目的是：

1）通过执行“革新技术验证卫星计划”，在太空实验和验证航天器所需的各项关键技术，确保国家航天技术持续发展，巩固支撑航天发展所需的关键技术，增强产业竞争力，达到增强卫星产业在国际市场上竞争力的目的。

2）吸引民间企业等主动按照新标准参与航天开发，政府定期为民间企业和大学等研究机构，乃至风险企业提供搭载发射机会，促进达到国际领先水平的民用技术及采用这些技术开发的元器件在航天领域的应用；同时要求参与航天开发的企业，特别是风险企业，按照新标准参与开发，做到取有丰富航天开发经验企业之长，补己之短，互相提携，扬长避短，共同前进，达到不断创新和持续发展的目的。

3）确保向开发者提供足够的技术支持，以及搭载验证有效载荷的机会，促进风险企业下决心致力于航天产业开发与经营，培育出更多致力于航天事业的优秀人才。

计划实现的目标

“革新技术验证卫星计划”要实现两大目标：

1）准确地掌握航天高技术未来发展趋势，创造出能与国家和产业界研发目标相对应的、新应用领域所需的飞行任务仪器和在国际航天市场上有竞争力的系统/分系统，及其相关的理念和技术，并逐一在轨验证。

2）优先致力于风险性大，有望取得重大成果，有利于国家航天技术快速发展，使国家航天产品在日益激烈的国际市场竞争中有较强竞争力的“革新技术”，并在轨验证。

3 “革新技术验证卫星计划”首发星

“革新技术验证卫星计划”的首发7颗卫星由主卫星、3颗微卫星和3颗立方体卫星组成。

1）主卫星。革新技术验证卫星-1由“革新技术验证卫星计划”总负责单位日本宇宙航空研究开发机构设计，借用风险企业—空间加速公司（Accel Space）等力量开发的一颗质量为200kg的小卫星，计划在轨验证1种元器件和6种部件的功能和性能。其中，1种元器件为现场可编程门阵列（FPGA）；6种部件为：X频段下行链路、绿色环保推进剂、粒子能源分光计、革新的地球敏感器和星跟踪器（DLAS）、超轻型太阳电池翼（TMSAP）和超小型、低能耗GNSS接收机。

2）微卫星。共3颗卫星，分别是庆应大学、东北大学和ALE公司设计和研制的“微龙”（MicroDragon)卫星、“欢腾”卫星（RISESAT）和人造流星雨演示-1（ALE-1）卫星。用这3颗卫星开展卫星开发教育拓展、实现高分辨率光谱摄像和放射人工流星等相关活动，具体共验证9项技术。

3）立方体卫星。共3颗卫星，分别是东京工业大学、九州工业大学和日本大学设计和研制的折纸卫星-1（OrigamiSat-1）、“月球探测技术验证”（Aoba VELOX-IV）卫星和“下一代无线电爱好者卫星”（NEXUS，也称“连接”卫星）。计划用这3颗卫星进行包括大型结构体展开技术、观测地球外缘超高层大气发光现象和用业余无线电爱好者卫星进行通信实验在内的11项技术验证。

革新技术验证卫星―1

（1）卫星概况

革新技术验证卫星-1由彼此独立设计的公用舱和有效载荷舱两部分组成，采用三轴控制，不仅要研制高精度姿态控制，还要研制高精度轨道控制，太阳电池翼对准太阳、有效载荷仪器对准地面控制，确保能提供一个良好的太空实验环境，所以，必须确保卫星按设计要求完成各项实验和验证计划。有效载荷舱内搭载了以公开招募方式选定的7种部件和仪器，在轨按验证计划分别对这7种部件和仪器进行验证。

革新技术验证卫星―1的主要性能和参数

（2）在轨验证和评价的项目明细

在轨1年时间对7种元部件和仪器进行验证和评价。

1）革新的现场可编程门阵列。它是以日本电气公司申请的最新专利《金属原子开关（纳桥）之工作原理》为基础、采用革新技术研发的革新FPGA（NBFPGA）元件，其主要特点是抗辐照能力极强，不需配备一边进行改写，一边存储回路的新型存储器。以往的FPGA只要宇宙射线一照射就会产生误动作，而这种金属“纳桥”原子开关本身的抗辐照能力极强，不易因辐照出现软件差错（其出错概率还不到传统FPGA的1/100）。与传统的FPGA的相比，这种NBFPGA还具备可大幅度地降低功耗和实现小型化等优势。在轨验证这种新型NBFPGA不单单是要确认其能经受住太空环境考验，更重要的是使其能在日本研制的各类技术试验卫星上选用，使国际航天界都了解并选用，为NBFPGA早日进入并在国际航天市场占有大份额做准备。

革新的现场可编程门阵列的外观图

庆应大学等研制的X频段快速通信机和X频段中增益天线的外观图

采用环保推进剂的推进系统的外观

2）传输速率为2～3Gbit/s的X频段下行通信链路。用X频段快速通信机（HXTX）以及与之配套的X频段中增益天线(XMGA)构成的下行链路进行通信实验，这种链路的主要特点是：质量轻（整套设备还不到7kg），抗强降雨能力强，耗能低，频率利用率极高且售价低，通过在轨确认其传输速率为2～3Gbit/s的X频段下行通信链路的通信能力很强，能把在绕地球轨道运行卫星搭载相机等拍摄的图像和获取的各种数据信息以当今世界上最快的速度（2～3Gbit/s）传送到地面接收系统。

3）采用绿色推进剂的环保推进系统。采用低毒的绿色推进剂、适于小卫星用的新型环保推进系统（GPRCS）是宇宙航空研究开发机构研制的，也是经济产业省“空间环境可靠性验证系统”（SERVIS）所支持的验证系统。它有4个特点：①环保，可操作性强，能大幅度提高系统推力和处理能力，有广阔的应用前景；②实现低成本：可选用市场上采购、低售价和高品质的材料，不仅能确保推进系统可靠性，还可实现低成本；③推进剂的凝固点很低，可有效地降低功耗；④采用的是高密度、高比冲的硝酸羟胺（HAN）系统的推进剂，可大幅度地提高系统应用范围。

4）粒子能源分光计。航天系统开发利用推进机构提供的粒子能源分光计（SPM）是用来测量向太空所排放放射性粒子用的装置，它形状小、质量轻（还不到1kg）、开发成本低、交货期短。经过星上实验和验证确认，它既能检测出太空的放射性粒子，也能测出这种粒子能源分光计较以往的粒子能源分光计不仅现状小，质量轻，而且测量精度非常高，还能赢得用户青睐，会为尽快打入国际市场做好铺垫。

5）革新的地球敏感器和星跟踪器。东京工业大学开发的适用于微小卫星用的姿态测量用地球敏感器和星跟踪器（DLAS）的主要特点是：采用了简单、易操作的深层学习型人工智能（AI）技术，不仅设计和加工工艺达到国际领先水平，且对技术拥有知识产权，加之选用了国内知名半导体和光学厂家定点小批量生产，产品均采用最新型的高可靠性民用部件，从而大幅度降低了造价；两种敏感器上还配备了自主开发、利用简单的人工智能技术、可简便操控的观测用相机，用它不仅能对卫星轨道“边缘”图像，以及整个观测范围内的土地利用和植被分布情况等进行辨识，还能利用获取的辨识数据来验证全新的三轴姿态估算法；更重要的是这两种敏感器还适用于微卫星姿态控制系统的测量，因此，市场前景广阔。

6）轻型挠性太阳电池翼。革新技术验证卫星-1上搭载了由宇宙航空研究开发机构研制的3接挠性薄膜太阳电池翼（TMSAP），它由3接薄膜太阳电池单元、构架式帆板、展开驱动机构和保持与释放机构组成。与传统的刚性太阳电池翼相比，这种轻型挠性太阳电池翼不仅质量轻（是传统的刚性太阳电池翼的1/3）、输出质量比达150W/kg、能量转换效率高（大于30%），而且抗挠性震动能力极强。革新技术验证卫星-1配备了由5枚太阳电池板组成的这种挠性薄膜太阳电池翼，卫星入轨后电池翼顺利展开并提供了所需的电能。

7）超小型、低能耗GNSS接收机。该接收机是中部大学以最新型车载GNSS接收机为基础研制，接收机与天线实现一体化的超小型星载GNSS接收机，整个接收机只有一枚邮票大小，既省电，又廉价。初始运行证明了这种接收机确实经受住了太空环境考验，为加快进入国际市场奠定了基础。

地球敏感器和星跟踪器的外观图

中部大学研制的全球卫星导航系统（GNSS）接收机的外观图

微卫星

“革新技术验证计划”首次搭载发射3颗微卫星，分别是庆应大学、东北大学和ALE公司设计和研制的“微龙”卫星、“欢腾”卫星和人造流星雨演示-1卫星。

（1）“微龙”卫星

庆应大学设计和研制的“微龙”卫星是执行地球观测任务的。名义上说是支持拓展新兴力量国家开展航天教育活动，其实是通过推动这些国家的卫星开发与应用扩大应用需求，吸引这些国家与日本开展合作，拓展日本海外卫星应用市场。

重点验证实验4项技术：①以遥感方式获取海洋海色信息；②采用偏光遥感手段观测并获取太空浮游粉尘信息；③验证东京大学等研制、在轨运行的“恰好”等4颗超小型遥感卫星公用舱技术，以及4颗星各自技术改进的稳妥性；④测定并掌握器件上涂覆的防带电专用膜是否会出现性能恶化现象。

（2）“欢腾”卫星

东北大学设计和研制的“欢腾”卫星是一颗高分辨率光谱摄像卫星，用于确立高分辨率光谱摄像、开拓按照新标准开发的地球环境测量技术，并将这项技术用于农林、水产和矿业领域，达到拓展日本海外卫星应用市场之目的。在轨验证两项技术： ①用高分辨率多光谱摄像机（HPT）进行大气环境观测技术；②验证微卫星公用舱技术，确认开发的卫星姿态控制系统是否满足设计要求。

（3）ALE―1卫星

ALE公司设计和研制的ALE-1卫星是验证用人造流星生成装置制造、用卫星释放人造流星的可能性，确认类似这种娱乐性活动的市场前景。这次在轨验证3项技术：

1）搞清人造流星的主要组成元素。明确释放人造流星之源是人造卫星，明确人造流星的组成元素，验证能否在指定时间、从指定地点、按要求角度释放人造流星等带有挑战性的技术，观测人造流星进入大气层的整个过程，调查观光人群对这一活动是否感兴趣，调研用人造卫星释放人造流星的市场前景。

2）掌握释放技术。通过释放活动掌握释放人造流星技术，搞清高层大气成分、大气密度和风速等对释放人造流星的影响，验证释放人造流星和地面发生的事件、与各种演奏活动等结合起来能否达到促进观光事业发展的效果。

3）掌握人造流星再入大气层后的轨道变化及其控制技术，增长与理学和工学相关的知识，为拓展新的航天应用做贡献。

革新技术验证计划搭载发射的微卫星的主要性能参数

立方体卫星

“革新技术验证卫星计划”首次发射还搭载了3颗立方体卫星，分别是东京工业大学、九州工业大学和日本大学设计、研制的折纸-1卫星、“月球探测技术验证”卫星和“下一代无线电爱好者卫星”。

（1）折纸-1卫星

该卫星由东京工业大学设计和研制，是3U立方体卫星。在轨实验和验证在太空这一特殊环境下的3种技术：①由伸展杆和复合膜结构组成的“多功能展开膜结构”等相关技术；②尺寸大小为2U+1U的“实验卫星平台”技术；③下一代业余无线电爱好者卫星的天线技术。

（2）“月球探测验证”卫星

该卫星由九州工业大学设计和研制，是一颗验证月球探测技术卫星，不仅要利用搭载的相机拍摄月球水平线辉光，还计划实验和验证3项技术：①脉冲等离子推力器（PPT）的力矩阻尼技术；②用脉冲等离子推力器进行姿态和轨道控制技术；③用高灵敏度相机拍摄地球边缘地带超高层大气的发光现象等技术。

（3）“下一代无线电爱好者卫星”

该卫星由日本大学设计和开发，在轨主要验证下一代业余无线电爱好者卫星所需的4项技术：①快速通信技术；②对相机进行遥操作技术；③开启业余无线电爱好者专家开发立方体卫星的技术；④促进卫星通信技术以及星载元件、卫星通信用地面仪器，以及与卫星相关联产业技术发展和实现产业化。

"革新技术验证计划"搭载发射的立方体卫星的主要性能参数

4 结束语

艾普斯龙-4火箭发射的“革新技术试验卫星计划”的首发7颗卫星按设计要求在火箭发射后51min55s分别进入预定轨道，已进入对7种关键部件和20项领先国际水平的技术进行验证阶段，取得了阶段性成果，对推进先进的民用技术和领先国际水平、低成本的民用元器件在航天领域应用将发挥重要作用。

日本政府2015年1月制定的《航天开发基本计划》规定：每两年就发射一次革新的技术试验卫星，目的是通过不断地采用领先于国际水平的民用技术和采用该技术开发的元部件提高航天所需关键基础部件的可靠性，并确保稳定供应。就在宇宙航空研究开发机构完成革新技术验证卫星计划首发7星系统联试、即将进入发射阵地前，于2018年12月正式启动了革新技术验证卫星-2计划，明确了计划的系统基本结构，并确定了拟搭载实验和验证的元部件、仪器和技术等。革新技术验证卫星-2计划由9颗卫星组成，包括两颗质量为100kg级小型卫星、3颗质量为50kg级的微卫星和4颗1～3U级的立方体卫星（最大体积不超过6U）。卫星设计制作者和验证元部件提供者也基本确定。