全球小卫星现状及发展

唐亮 刘鸿鹏 何慧东

（1中国空间技术研究院 2东方红卫星移动通信有限公司3北京空间科技信息研究所 ）

小卫星作为“新航天”浪潮的重要组成部分，近年来发展如火如荼，并已进入新的发展阶段。根据预测，未来10年小卫星将进一步崛起，各国将在低、中地球轨道部署超过40个小卫星星座、数千颗卫星，服务全球经济建设和社会发展。

1 小卫星发射情况

全球航天发射活动进入新的高峰期，2018年全球共发射461个航天器，其中500kg以下的小卫星321颗，占年度发射卫星总数的69.6%，成为航天体系中的重要组成部分。

从整体趋势看，小卫星部署数量呈现阶梯式增长态势。2012年以前，处于技术积累阶段，每年部署数量在50颗以下；2013－2016年，进入业务化应用阶段，每年部署数量超过100颗；2017年至今，开启小卫星大规模应用推广，每年部署数量超过300颗，小卫星占比也从30%左右增长至70%左右。

2010－2018年世界航天发射情况

从质量分布看，2018年部署的321颗小卫星中，0～5kg的卫星188颗，5～10kg的卫星46颗，10～50kg的卫星27颗，50～100kg的卫星18颗，100～500kg的卫星42颗。5kg及以下的立方体卫星数量最多；100～500kg作为传统小卫星的主战场，因其高性能的特点，同样部署数量较多。

从应用领域看，2018年部署的小卫星中，154颗为技术试验卫星，123颗为对地观测卫星，25颗为通信卫星，12颗为空间科学卫星，7个为深空探测器。技术试验和对地观测为卫星数量最多的领域，二者占小卫星总数的比例达到86%；通信卫星、空间科学卫星、深空探测器尽管数量占比较少，但相较往年均取得重要突破，数量快速增长。

从卫星所属国家看，2018年，全球共有27个国家和地区部署小卫星，既包括美国、中国、欧洲、俄罗斯等传统航天国家，也包括众多新兴航天国家，覆盖亚太、独联体、中东和非洲、南美等地区。其中，美国部署小卫星数量最多，达到161颗，占全球部署数量近半；中国、欧洲居第二、第三位，分别部署52颗和37颗，俄罗斯、韩国、日本紧随其后。

从资产属性上看，2018年，军用、民用和商业小卫星数量分别为40颗、142颗和139颗。相较往年，军民小卫星数量和占比实现增长，其中，军用小卫星数量增长尤为显著，小卫星对军事航天能力的补充作用日益突出；商业卫星由于周期性部署的因素，2018年数量和占比有所回落。

2 小卫星发展环境

小卫星被视为构建弹性军事航天体系的关键环节

全球航天技术快速进步，进入空间和利用空间能力大幅提升，与此同时，反卫星技术、在轨服务技术等也对航天资产安全性带来了前所未有的威胁。以美国为例，过去美军过于倚重大型卫星，单颗卫星不具备弹性，易受攻击。为应对新的形势，美国军方和情报界提出利用小卫星星座构建弹性网络，增强航天系统架构对系统失效和对手攻击的承受能力。为此，美国陆军探索利用小卫星相互连接组成情报网络，卫星可自动切换以提供连续服务；国防高级研究计划局（DARPA）提出“黑杰克”（BlackJack）计划，目标是找到传统军用卫星的低成本替代方案（单星成本控制在600万美元以下），在一颗卫星上搭载多个载荷，并利用低轨卫星星座提供持续、覆盖全球的侦察能力，支持军事作战；国家地理空间情报局（NGA）则拓宽数据来源，通过强化机器学习和机器视觉能力处理海量数据，快速向用户提供地理空间情报。这一系列举措使对手威胁航天资产安全的尝试复杂化，从而保障航天系统安全。日本也提出了建设应对威胁的弹性航天体系架构。

政府简化航天监管，加强小卫星数据采购

世界主要航天国家制定了多项政策，加速提升航天对社会经济发展的促进作用。在美国国家航天委员会（NSC）的支持下，美国商务部大力推行商业航天制度改革，简化相关流程，为航天企业创建“一站式”服务，进而提高管理效率，促进航天产业发展。在简化监管的同时，也对违规活动进行处罚。美国联邦通信委员会（FCC）在2018年12月向蜂群技术公司（Swarm Technologies）开出90万美元罚单，处罚其未经批准在印度火箭上搭载发射4颗小卫星。英国发布《航天驱动国家繁荣战略》，鼓励航天产业发展，以此拉动国家经济建设，实现GDP倍增的宏伟目标。

此外，政府改变传统思路，加大商业小卫星数据的采购力度。例如，美国国家航空航天局（NASA）已开始向商业小卫星公司购买地球科学数据，并发布征询书为新的数据商提供机会。美国国家海洋与大气管理局（NOAA）在2018年9月向地理光学公司（GeoOptics）、普奈蒂克公司（PlanetIQ）和斯派尔公司（Spire）授出了第二轮商业卫星气象数据试验计划合同，利用这些公司的卫星获取GPS无线电掩星气象数据。

Capella雷达成像卫星

3 小卫星重要进展

雷达成像技术取得突破，光学成像面向具体应用全面发展

（1）小卫星雷达成像技术取得重大突破

芬兰冰眼公司（ICEYE）2018年成功发射2颗“冰眼”卫星，该卫星是世界上首颗100kg以下的合成孔径雷达（SAR）卫星。“冰眼”星座将用于获取近实时的SAR图像，计划由18颗微卫星组成，可监测不断变化的海洋和海冰，跟踪海洋漏油和帮助打击非法捕鱼等。完成部署后，用户可在数小时内准确对地球上某点进行成像。

美国卡佩拉空间公司（Capella Space）2018年成功发射全球最小商业雷达卫星—“卡佩拉”(Capella)星座首星。“卡佩拉”星座由36颗卫星组成，单星质量不到40kg，使用X频段SAR成像载荷，第一代卫星分辨率优于1m，第二代卫星分辨率优于0.5m，具备每小时重访一次的能力。卡佩拉空间公司计划2019年再将6颗卫星部署至两个轨道面，届时，该公司将以6h的最大重访周期，提供监测全球任意位置的能力。

（2）高性能光学成像系统快速发展

美国太空飞行工业公司（SpaceFlight Industries）2018年成功部署首批2颗“黑天全球”（BlackSky Global）业务卫星。“黑天全球”卫星主承包商为航天飞行服务公司，基于“侦察兵”（SCOUT）平台研制，载有哈里斯公司（Harris）研制的空间视野－24TM（SpaceView－24TM）光学系统，孔径为24cm，覆盖全色和多光谱谱段，多光谱分辨率达0.9～1.1m，可提供图像及视频服务。

美国实时地球公司（EarthNow）计划耗资10亿美元，打造“创新且独特的实时对地观测服务”，可以提供覆盖全球的风暴监测、自然灾害和非法渔船等信息。该公司计划借鉴一网公司（OneWeb）技术为每颗卫星配备“前所未有的强大的星上处理能力”，还将利用机器学习技术分析动态图像。

（3）全球高光谱卫星快速部署

各国国防与情报机构、农业巨头、自然资源勘探者和能源公司正在利用高光谱卫星以较低成本采集高光谱数据，卫星逻辑公司（Satellogic）、康新公司（Consine）、行星资源公司（Planetary Resources）和高光谱卫星公司（HyperSat）等多家公司宣布了高光谱成像卫星星座的计划。2018年，印度成功发射了“高光谱成像仪卫星”（HYSIS），该卫星由印度空间研究组织（ISRO）研制，采用了SSB－2卫星平台，发射质量380kg，设计寿命5年，星上搭载高光谱成像仪，可以在可见光、短波红外区域成像。美国高光谱卫星公司在2018年10月获得8500万美元融资，计划于2020年发射2颗高分辨率高光谱成像卫星，卫星质量200～300kg，运行在500～600km高的低地球轨道，将为美国政府和商业用户分别提供分辨率为4m和10m的高光谱数据。

（4）气候和环境监测卫星成为发展热点

为应对严峻的气候变化和环境污染问题，世界各国加快监管和治理步伐，天基手段为各国提供了高效准确的气候和环境监测信息，取得了快速发展。美国环境保护基金会（EDF）计划2021年前发射“甲烷星”（MethaneSAT），测量人类活动产生的甲烷排放，重点监测50个大型油气开发区域，精度将高于现有卫星或其他传感器设备。空客防务与航天公司（ADS）也启动了“空间碳观测台”（SCARBO）项目，将在小卫星星座上搭载小型静态光谱仪，解决天基监测人为温室气体的关键问题，预计该项目将在10年内作为第二代“哥白尼”（Copernicus）卫星的补充系统开展工作。

NASA成功发射“重力恢复与气候实验后续任务”（GRACE-FO）卫星，接替退役的GRACE卫星，监测全球地下储存水量变化。2颗GRACE-FO卫星在同一轨道上运行，相距220km，星载微波测距系统可测量地球引力场产生的微小距离变化，进而通过这些变化分析由南极洲、格陵兰岛冰川流失等原因造成的地球水循环流动。

美欧低轨通信星座拉开建设帷幕，中俄星座取得重要进展

（1）美国批准低轨星座项目，即将开启大规模部署

2018年11月，美国联邦通信委员会通过了美国太空探索技术公司（SpaceX）、加拿大电信卫星公司（Telesat）、加拿大开普勒公司（Kepler）以及低轨卫星公司（LEOSat）4家公司的低轨星座项目，授权了近8000颗卫星为美国提供卫星通信业务。目前，这4家公司中有3家公司已经部署了演示项目。

一网公司和ADS公司成立了合资的一网卫星公司，建造规模达900颗卫星的“一网”星座。在日本软银公司（SoftBank）、国际通信卫星公司（Intelsat）、可口可乐公司（Coca-Cola）和其他投资商的支持下，一网公司开启了卫星的批量制造，首批6颗“一网”卫星在2019年2月27日成功发射入轨，目标在2027年前让地球上每个人都能使用互联网。“一网”星座无星间链路，计划在全球建设40余座信关站，每座信关站都能连接至远在4000km之外的卫星。

（2）中国发射低轨星座首星，俄罗斯启动低轨移动星座计划

2018年，中国低轨宽带通信卫星系统建设迈出实质性一步，并借助“一带一路”倡议和卫星互联网发展契机，参与构建空间信息走廊，通过创新商业模式，支撑沿线国家互联互通。“虹云”工程首星、“鸿雁”星座首星相继成功发射并进入轨道。“鸿雁”星座预计在2022年建成骨干星座系统，提供全球通话、全球数据采集及全球无死角的互联网接入服务。

俄罗斯启动“球体”（Sfera）全球卫星星座计划，利用低轨小卫星星座为任意地点提供实时移动通信和观测服务。“球体”计划将部署约640颗卫星，于3年内发射首批6颗卫星，并于2026年建成。该计划已获得俄罗斯总统普京批准，目标是建设成为最优的卫星星座集群，目前由遥感卫星系统、通信卫星系统、“格洛纳斯”（GLONASS）导航卫星系统、“马拉松”（Marathon）物联网卫星系统等组成。

Sfera计划示意图

空间态势感知系统继续发展，在轨服务系统计划开展验证

加拿大北极星公司（NorthStar）正在开发先进的环境和近地空间监测系统，系统由40颗卫星组成，卫星利用高光谱和红外相机开展对地观测，并利用光学相机监视太空，能同时开展地理信息和空间态势感知服务，提供对地观测数据以及在轨空间碎片和物体信息。

日本宇宙规模公司（Astroscale）正在研究卫星退役和空间碎片清除服务解决方案，确保航天活动的长期安全和轨道资源的可持续性。目前，宇宙规模公司正在开展其首个碎片捕获示范验证项目——“生命终止服务-示范”（ELSA-d），该项目计划于2020年初发射，将包括“追逐航天器”（Chaser）和“目标航天器”（Target）两个部分。

深空中继通信能力成为发展热点，空间科学应用全面铺开

随着航天技术的进步，小卫星性能快速提升，应用场景逐步辐射至空间科学和深空探测领域。中国2018年成功发射“鹊桥”中继星，成为人类历史上第一颗在地月L2点上的中继卫星，协助嫦娥四号开展首次月球背面软着陆和巡视探测。英国萨瑞卫星技术公司（SSTL）正在设计名为DoT－4的月球通信卫星，质量为35kg，计划于2021年发射，旨在利用“贡希利”（Goonhilly）深空网络提供通信中继回传，并与月球表面的月球车进行通信，该公司的最终目标是建设一个完整的月球通信卫星星座。美国“洞察”（InSight）火星探测器于2018年5月5日发射，同时发射的还有2颗立方体卫星—“火星立方星一号”（MarCO），该卫星为6U立方体卫星，可为“洞察”提供及时的中继通信服务。

MarCO中继通信立方体卫星

美国2018年成功发射新一代空间望远镜“系外行星凌日卫星”（TESS），这颗卫星可探索宇宙中大部分区域，覆盖85%的视场，通过探测行星经过恒星时所发生的亮度周期变化，寻找可能存在的外星生命迹象。欧洲航天局（ESA）研制了“地外行星探测卫星”（CHEOPS），针对太阳系附近且目前已确定有行星环绕的恒星系统，通过对恒星亮度的高精度监测，探寻其周围行星的密度及内部结构，进而分析行星的形成以及轨道情况。

新型平台载荷技术获得大力投入，创新推进系统蓬勃发展

俄罗斯计划开发先进的小卫星星座系统。俄罗斯航天国家集团（Roscosmos）正在开展小卫星星座综合研究和开发项目，利用创新模式研制小卫星平台，并开发基于小卫星星座的特定功能空间系统；同时开展小卫星星载小型节能星敏感器、太阳敏感器，以及先进多光谱红外辐射计相关研究。日本ALE公司计划2020年实施“人造流星”项目，通过发射携带有众多颗粒物质的小卫星，这些颗粒在轨释放后将穿过大气层，引起等离子体发光，成为人造流星，进而开展航天文化应用。

吸气式电推进、太阳帆等新型推进技术正在快速发展，成熟度持续提高。ESA 2018年在实验中成功模拟了吸气式电推进（ABEP）技术方案，该技术通过吸入太空中的微量气体，利用电极线圈加速喷出产生推力。这项技术已提出十多年，这次在实验中的成功模拟验证了技术的可行性，未来有望在超低轨道卫星、行星探测等领域获得应用，大幅度提升航天器性能、延长航天器在轨寿命。NASA 2018年成功进行“近地小行星侦察兵小卫星”（NEA Scout）的太阳帆展开地面试验。这颗卫星是一个6U立方体卫星，依靠太阳帆推进，计划在探索任务－1（EM－1）中搭载发射。

传统航天企业关注小卫星能力，全产业链业务模式成趋势

小卫星能力的快速发展和广阔的应用前景吸引了航天业界的关注，传统航天巨头通过多种途径完善自身的小卫星业务能力，满足未来发展需求。2018年，波音公司（Boeing）宣布计划收购千禧年空间系统公司（Millennium Space Systems），以增强空间与卫星业务实力。千禧年空间系统公司在垂直整合小卫星解决方案中的优势能够对波音公司现有的卫星体系提供重要补充，满足客户群体的多样化需求。麦克萨技术公司（Maxar）2018年着手组建小卫星部门，并继续压缩劳拉空间系统公司（SS/L）的地球静止轨道卫星制造业务。雷声公司（Raytheon）2018年对鹰眼360公司（Hawkeye 360）进行战略投资，换取其天基无线电信号分析数据的访问权，进一步提升雷声公司军用数据分析服务质量。

小卫星企业正在通过发展全产业链能力提升综合效益。瑞典AAC微技术公司收购苏格兰立方体卫星制造商克莱德空间公司（Clyde Space），满足1～50kg的卫星星座市场需求，同时正在探索“把卫星作为一项服务”的业务模式，开展从任务设计到制造、发射和运营的所有业务。与AAC、克莱德空间公司类似，荷兰空间创新解决方案公司（ISIS）、英国开放宇宙公司（Open Cosmos）、轨道阁楼公司（Loft Orbital）等也提供了交钥匙解决方案，以期打通整个产业链，优化业务布局。

4 结束语

在政府、军方、商业市场用户需求的牵引，以及创新技术的推动下，小卫星进入了实用化、业务化、规模化的发展阶段，一方面为对地观测、通信等传统应用带来了创新的解决方案；另一方面也在空间安全、空间科学等领域实现了重要突破。随着创新技术的持续研发和应用，以及制造、发射、运营、应用的全产业链整合，未来，小卫星发展活力有望被进一步激发，为全球经济建设和社会发展注入新的动力。