立方体卫星发展及应用分析

文|何慧东 北京空间科技信息研究所

随着“新航天”大门打开，立方体卫星（CubeSat）作为一类新型航天器，取得了爆发式发展，已经成为卫星体系中的重要组成部分。立方体卫星具有通用化、标准化的特点，一方面，显著降低了航天活动的门槛，新兴航天力量借助立方体卫星开展航天活动；另一方面，其低成本、短周期的特点，为新技术验证、商业航天发展提供了重要平台。目前，立方体卫星已经超越了过去对其技术试验卫星的定位，进入了全面应用阶段。

一、立方体卫星总体发展情况

立方体卫星是一种规格化的纳卫星，该概念在1999年由加州州立理工大学和斯坦福大学联合提出，目的是提供一种标准的纳卫星设计方案，从而降低成本、缩短研制时间，便于发射入轨、保持较高的发射频率。立方体卫星每个标准尺寸单元称为1U，其内核尺寸为10cm×10cm×10cm，质量不超过1.33kg。卫星可以按照一定的规则进行规格递增，成为更大的立方体卫星（图1）。

图1 常用立方体卫星规格

1.立方体卫星发射情况

目前，全球有超过100家研究机构、公司、学校研制了或正在研制立方体卫星。截至2018年底，全球共发射1017颗立方体卫星，占发射卫星总数的11.35%；立方体卫星部署数量实现跨越式增长，尤其是最近两年，立方体卫星占据当年部署卫星总数的近半，已经成为卫星体系中的重要组成部分。

从卫星规格看，全球部署的1017颗立方体卫星中，1U卫星189颗，1.5U卫星50颗，2U卫星80颗，3U卫星631颗，6U卫星55颗，其他规格的卫星12颗。1U和3U立方体卫星占绝大多数，达总数的81%。

从技术领域看，立方体卫星已经超越了过去对其技术试验卫星的定位，在对地观测、通信、科学、技术试验、深空探测、空间安全等多个应用领域发挥了独特的作用。其中，对地观测和技术试验是两个应用最广的领域。

2.立方体卫星发展阶段

根据对立方体卫星每年发射总数、研制单位的统计，可以将立方体卫星的发展划分为四个阶段：

第一阶段，立方体卫星概念的提出。1999年立方体卫星的概念提出后，美国宇航公司、圣克拉拉大学、斯坦卫星公司（Stensat）研制并发射了皮卫星（PicoSat），对立方体卫星技术进行了早期试验，主要测试了卫星释放机构，并观测卫星上的微型机电系统在轨长期存储后的工作能力。

第二阶段，科学和工程教育立方体卫星在大学应用。2003年起，大学开始应用立方体卫星开展工程教育和科学任务，并且在长达10年的时间内在立方体卫星的应用上处于主导地位，占当年所有立方体卫星数量的一半以上。目前，大学仍是立方体卫星的主要使用者之一。

第三阶段，技术试验立方体卫星获得政府机构支持。2006年起，政府民用部门和军事部门开始逐步应用立方体卫星作为技术试验平台，开展先进技术的在轨试验工作：美国国家航空航天局（NASA）推出了小卫星技术计划，美国多家机构联合推出了大学纳卫星计划，支持开展纳卫星相关试验。利用立方体卫星开展技术试验，具有低成本、周期短的优势，能够快速提高新系统新技术的技术成熟度等级，降低风险。

第四阶段，立方体卫星向实用化发展。2012年起，立方体卫星的商业应用开始逐步展开，并且从2014年起，商业立方体卫星数量大幅增长，成为数量最多的一类立方体卫星。多家公司推出了大规模立方体卫星星座计划，规模达到数十颗甚至上百颗，这些系统现在已经从设计进入了研制和部署阶段，开展包括成像、气象、自动识别系统等多种类型的业务，为现有系统提供了有力的补充。

可以预见，立方体卫星大规模应用的趋势将继续保持，大学活跃参与研制和运行立方体卫星，政府机构持续发展民用和军事用途的科学和技术试验立方体卫星，更多的商业星座将开启全面建设。

二、立方体卫星实现全面应用

目前，立方体卫星对地观测、通信等应用全面展开，并逐步在导航增强、空间安全和深空探测领域推广。

1.立方体卫星在多领域实现业务化应用

尽管相对大型高分辨率对地观测卫星，立方体卫星在单星性能上存在差距，但由于其成本低、研制周期短、可批量部署的特点，组成星座后，系统具有全球覆盖、高重访率的特性，这对于需要对各种参数进行日常监测的用户具有重要意义。因此，对地观测立方体卫星取得了快速发展，全球各公司提出了“鸽群”（Flock）、“陆地制图”（Landmapper）、“狐猴”（Lemur）、“普奈蒂克”（PlanetiQ）等星座计划。

随着微电子技术和通信设备的快速发展，立方体卫星已经初步具备了通信应用能力。尽管立方体卫星通信容量低于大型地球静止轨道通信卫星和其他中低轨道宽带通信卫星星座，但立方体卫星具有不易被发现、战时快速响应发射部署等特点，适用于为战区提供军事通信服务。此外，在通信市场的细分领域，如专用存储和通信网络、自动识别系统、广播式自动相关监视（ADS-B）服务等，使用立方体卫星系统具有更高的效费比。典型立方体卫星项目见表1。

表1 典型立方体卫星项目

续表1

2.立方体卫星快速验证空间安全关键技术

立方体卫星体积小、机动灵活，具备快速响应能力，适合开展对空间中的目标开展监视、接近、检查、对接等活动。目前，国外开展了多项立方体卫星的态势感知和交会对接的应用能力验证项目。

可操作精化星历表天基望远镜（STARE）立方体卫星（图2左）由劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）研制，为3U立方体卫星，可对距离200km的空间目标进行探测，最终实现利用低地球轨道小卫星星座来观测空间碎片。

激光通信和遥感器演示（OCSD）系统由2颗1.5U立方体卫星组成（图2右），验证光学通信、微小卫星相对导航与控制两大关键技术。在光通信方面，项目演示利用激光通信从立方体卫星对地传输大数据量信息的技术，提高星地传输数据量。在相对导航与控制系统技术方面，两颗卫星在星载GPS位置和速度测量信息的引导下，通过轨道机动接近到相距200m以内；卫星利用冷气推进器的组合操作改变位置，并借助太阳翼的收展改变卫星气动截面，调节大气阻力；当两颗卫星近距离接近后，利用雷达单元的测距，并利用光流传感器进行横向运动探测。

图2 STARE（左）和OCSD（右）卫星项目示意图

立方体卫星抵近操作演示验证（CPOD）项目由泰瓦克（Tyvak）公司研制，由2颗3U立方体卫星组成（图3左）。两颗卫星释放入轨后，通过自主在轨处理及导航制导控制软件算法，验证多种交会操作场景的操作能力，一颗卫星将围绕另一颗卫星开展一系列的环绕机动，以测试并获取传感器系统在轨运行特性，之后两星接近，并通过对接机构完成连接。

维修卫星-原型（RSat-P）为美国海军学院卫星实验室研制的3U立方体卫星（图3右），安装2部7自由度机械臂，每部机械臂臂长60cm，验证利用立方体卫星抵近、观测、操纵其他卫星的能力。在进行维修等操作时，RSat-P的一部机械臂抓住目标航天器，另一部机械臂开展高精度的操作活动。

图3 CPOD（左）和RSat-P（右）卫星项目示意图

3.立方体卫星在月球探测任务中逐步推广

NASA计划在2020年实施的“太空发射系统”（SLS）搭载猎户座载人飞船首飞任务中，搭载发射12颗立方体卫星开展科学探索任务，例如：“月球电筒探测器”将在月球表面搜寻水冰；“近地小行星探测器”将对小行星进行近距离探测；“生物哨兵探测器”将研究深空辐射对DNA和DNA修复机制的影响等。

欧洲航天局（ESA）发起探月立方体卫星挑战赛，“月球陨石撞击探测器”（Lumio）和“月球挥发物和矿物测绘轨道器”（VMMO）两个项目最终获胜。Lumio为12U立方体卫星，运行在地月L2点附近，从月球远端探测月球夜间明亮的陨石撞击闪光，并绘制陨石撞击的全貌，提升对陨石撞击模式的理解。VMMO同样是12U立方体卫星，将聚焦月球南极附近永久阴影区，绘制沙克尔顿环形山的高分辨率水冰图；并在飞越阳光充足地区时测绘矿物等月球资源，监测背光地区的冰和其他挥发物的分布情况，以了解在长达两周的月夜中凝结物在月表的迁移情况；同时测量月球辐射，为月球移民积累数据；卫星搭载激光器开展光通信实验，通过高带宽激光链路将数据发回地球。

4.立方体卫星在火星探测领域实现突破

2018年，美国成功发射“洞察”（InSight）火星探测器，并随同发射2颗立方体卫星“火星立方一”（MarCO－A/B）（图4），这是立方体卫星首次执行深空探测任务。

图4 MarCO卫星在轨示意图

MarCO卫星紧随“洞察”独自飞行，在“洞察”火星着陆器进入、下降和着陆期间，卫星从距离火星3500km处飞越火星，利用折叠高增益天线为着陆器提供中继服务。MarCO的主要目标是测试新的小型深空通信设备，并首次在深空测试立方体卫星技术，验证立方体卫星在未来太阳系探测的工作方式，使其可以成为未来火星着陆器的“黑匣子”，帮助工程师理解着陆火星的困难过程。MarCO－A/B由喷气推进实验室（JPL）研制，总花费约为1850万美元，两者将执行相同的功能以形成互补和备份。星上携带的高增益X频段天线为平板反射阵，能够以较低功耗实现地火之间的信息传输。

三、立方体卫星发展分析

1.立方体卫星为现有航天体系提供重要补充

随着微小型化技术的进步，立方体卫星单星性能取得显著提升，已用于满足对地观测、通信、科学和技术试验等领域需求缺口，为传统的卫星系统提供性能补充，填补传统卫星系统难以覆盖到的细分领域。例如，立方体卫星星座能够提供高重访、全球覆盖的成像能力，满足国土资源管理、气象探测、农业评估、火灾监测等用户的特殊需求；在战术作战中，能够为山地区域提供通信信号，支持一线部队作战；同时，能够以低风险的方式开展各类新概念、新技术、新系统在轨演示验证，快速提升相关技术和系统的成熟度。此外，以立方体卫星为代表的小卫星能够为各国军事航天体系提供补充，增强系统弹性，应对空间安全威胁；大学等机构也利用立方体卫星开展工程教育、培养航天技术人才。

2.成本优势促进立方体卫星取得广泛应用

立方体卫星成本优势明显。在发射方面，火箭实验室公司（Rocket Lab）“电子”（Electron）火箭发射1U立方体卫星的价格不到10万美元；卫星制造方面，每颗“普罗米修斯”通信立方体卫星的成本不到10万美元，“群落”（Colony）系列技术试验立方体卫星每颗约为25万美元。立方体卫星研制商通过大量采用商用现货，能够将时间精力集中在与任务相关的研制上，降低研制成本和减少任务研发时间。引入批量制造技术，通过流水线规模化生产，可进一步提高效率、降低研制成本。依托全球航天产业链，立方体卫星产业也逐步向更完整的方向发展，专用发射服务、专用地面站等配套服务能力持续改善，为立方体卫星发展提供更多便利。

3.政策和资金支持为立方体卫星营造良好发展环境

各国为立方体卫星的发展提供了良好的发展政策环境和资金支持。美国国家海洋与大气管理局空间商业化办公室通过改善航天投资环境、促进政府采购商业航天产品与服务，促成了众多立方体卫星项目孵化。美国空军联合多家机构支持了大学纳卫星计划，支持各大学开展卫星设计与制造竞赛，计划中的立方体卫星任务包括极立方卫星、低轨姿态相关机动和碎片监测仪器。NASA还推出立方体卫星发射计划（CSLI），通过立方体卫星发射计划选择立方体卫星项目并在教育纳卫星发射任务（ELaNa）中发射入轨。在市场运作上，多家公司提出的立方体卫星星座计划得到了资金支持。新兴航天国家也借助立方体卫星开展技术试验等航天活动，一方面开展航天工程教育和系统在轨试验，另一方面建立了与国内外相关团体之间的合作关系。