微型卫星 异军突起

李忠东

拉库纳太空公司的每颗卫星大约只有一个公文包大小。

20世纪50年代以来，人造地球卫星形成了通信、气象、导航、资源环境、军事侦察和科学研究等系列，并向高性能、高集成方向发展。卫星功能的综合集成和卫星质量的不断提升，加之火箭运载能力的不断提高，为大卫星的发展提供了技术基础。随着卫星技术与应用的不断发展，在降低卫星成本、减少风险的同时，加快卫星开发研制周期也被提到了议事日程上。特别是对于执行单一任务的专用卫星以及卫星组网，开发投资小、见效快的卫星技术更是迫在眉睫，小卫星技术因此应运而生。根据人造卫星的质量，500千克以上的被称为“大卫星”，500千克以下的为“小卫星”。小卫星又分成4个等级：100～500千克为小型卫星，10～100千克为微型卫星，1～10千克为纳米卫星，0.1～1千克为皮卫星（又称为“立方体星”）。

别看小卫星质量小，含金量可不低。它们运用的是高度集成化技术和自动化技术，装备有能源、通信、星上数据处理和卫星姿态控制等系统，实现了星上控制与处理计算机小型化。完成小卫星的设计、制造、发射、在轨运行全过程，耗时一般不到一年，包括发射在内的价格约3000万元。它们不一定需要固定的发射塔，可在飞机上等地点发射，十分灵活。小卫星不仅物美价廉，而且风险很小，使用寿命一般超过10年。它们用途广泛，可用于通信、对地观测、空间遥感、气象观测、海洋探测和科学研究等各个领域。其中，利用小卫星进行移动通信，已成为当今发展的热点。此外，它们还能根据军事需要快速研制，快速发射，及时投入使用，满足战时的特殊要求。

“皮星三号A星”由一个边长25厘米的立方体主体和一个直径30厘米的球形载荷组成。

拉库纳太空公司正着手在近地轨道部署一个由32颗纳米卫星组成的星座，以形成随时能覆盖整个地球的拉库纳网络。

“皮星三号A星”大显神通

微电子技术的进步、轻型材料的研制以及高功率太阳能电池的问世，保证了卫星研制的小型化和微型化，使得开发出来的卫星具有体积小、重量轻、能耗小、可靠性高等特点。纳米技术的发展和扫描隧道显微镜加工技术的应用，使科研人员有条件进行原子和分子量级的加工，制造出各种微型机电设备。在小卫星技术发展的早期，纳米卫星只被用于做些简单的空间实验，皮卫星几乎仅作为物理概念存在，发射数量极少。1999年，美国斯坦福大学教授汤姆·肯尼根据对皮卫星多年研究积累的经验，提出了一种新概念的皮卫星，它呈正立体，质量为1千克，结构尺寸为10厘米×10厘米×10厘米，被称为“1个立方体星单元”，若干个单元可以组成纳米卫星。

在皮卫星概念诞生之时至2003年的3年多时间里，全球约有60～70所大学和研究机构加入到开发皮卫星的行列中，其中包括美国波音公司空间研究中心、美国宇航局和艾姆斯研究中心等。研制皮卫星经济成本低，周期短，不需要大型的实验设施和高跨度厂房，并且技术易于更新，能实现标准化和模块化。从2003年至今，全世界发射了200多颗皮卫星，失败的不到10%，其中还有不少是运载火箭及其分离机构故障造成的。

皮卫星因具备发射不需要使用高成本运载工具和应急反应快等优势，被航天科技界称为紧急状态下的“突击队”。我国是地质灾害频发的国家，在应急救援和抢险救灾时期，皮卫星可以担当起应急通信和地形勘测等多项职责。它们适合大批量地生产和发射，形成卫星群。我们可以把每一颗皮卫星视为一块“积木”，单独看功能比较单薄，但是就像“搭积木”一样，当皮卫星批量发射形成卫星群后，就能发挥重要的作用。比如，在500～600千米高度的轨道上，卫星环绕地球一圈约100分钟，单颗卫星可能需要两三天才能重访同一个地方。但由24颗皮卫星组成的卫星集群，在1～2分钟之内就可以重访任意一个点。

自2000年起，浙江大学微小卫星研究中心致力于皮纳卫星技术的研究，开展皮纳卫星整星、测控通信、姿轨控制、星间通信及编队组网等领域的研究工作，开创了我国皮卫星领域的研究，有力推动了国内该领域的发展。“皮星三号A星”是浙江大学微小卫星研究中心自主研制且在轨运营的第5颗皮卫星，代表着我国航空航天事业的新生力量。2020年6月17日，在甘肃酒泉卫星发射中心，它和“高分九号03卫星”及“和德五号卫星”一起，由“长征二号丁”运载火箭送入预定轨道，对多模式测控应答机和星载综合电子系统等皮纳卫星技术进行在軌试验。

“龙江二号”质量为47千克、主体如2个家用微波炉大小。

“龙江二号”拍摄的“地月相拥”合影美如画。

“皮星三号A星”身形轻盈娇小，由一个边长25厘米的立方体主体和一个直径30厘米的球形载荷组成，体积与2个篮球相近，总重量仅20千克。别看它个子不大，用处却不小，主要功能是雷达标校，因此也被称作“雷达标校星”。它就像是太空中的一把“尺子”，只不過测量的对象不是生活中的小物件，而是卫星地面站的位置和相对距离。

浙江大学微小卫星研究中心最早研制的“皮星一号”是一对孪生卫星，它们填补了我国在皮卫星研究领域的空白。“皮星一号”每96分钟绕地球一圈，每天与西安卫星测控中心保持一次通信联系，并传回卫星轨道定位和健康管理数据等信息。“皮星二号”和“皮星三号”2颗皮卫星不仅功能更复杂，而且体积小、能量大，载荷能够达到50%，即自重20千克却能承担10千克及以上的载荷。而大卫星的载荷为30%。

“龙江二号”不负众望 

在我国航天事业中，出现了许多“功勋卓著”的卫星。2018年5月21日，“嫦娥四号”探测器的中继星“鹊桥号”在西昌卫星发射中心发射成功。同年12月8日，又成功发射了“嫦娥四号”探测器。2019年1月3日，我国实现了人类探测器在月球背面首次软着陆。这期间，“鹊桥号”给“嫦娥四号”探测器提供通信支持。依靠它提供的数据链路的支撑，睡了醒、醒了又睡的“玉兔二号”月球车才能在遥远的月球背面进入更长的工作周期。2019年4月6日，当阳光再次铺洒在“嫦娥四号”探测器和“玉兔二号”月球车上，它们分别于当日21时43分和3时54分结束月夜休眠，受光照自主唤醒进入第29月昼工作期。与“鹊桥号”卫星一起发射升天的还有一个微型卫星，名叫“龙江二号”。尽管它貌不惊人，然而却毫不逊色，创造了震惊世界的奇迹。

自20世纪80年代以来，国外率先进行微型卫星的研究工作。从20世纪90年代起，我国也开始着手微型卫星的自主研发。“龙江二号”卫星由哈尔滨工业大学研制，虽然它的质量只有47千克（其中15千克是燃料），主体只有2个家用微波炉大小（765×570×420毫米），但设计有全新的推进系统、星箭分离系统和天线结构等。“龙江二号”卫星发射成功后，成为全球首个独立完成地月转移、近月制动、环月飞行的微型卫星。在轨期间，它共计完成30次拍摄成像，成功拍摄出清晰的月球雨海局部影像图，完成波斯湾、红海、地中海、阿拉伯半岛等区域的地月合影等多幅科学探测图像。中东多国对它取得的这些丰硕成果赞叹不已。

特别值得一提的是，“龙江二号”卫星于2019年2月3日拍摄的一幅“地月相拥”图像，登上了《科学》杂志。这张月球与地球同框、拥有完整月球背面的图像在国外流传甚广。《麻省理工科技评论》等外媒对此进行的追踪报道称：“我们曾经见过它，但从未像今天这样兴奋，这应该是有史以来最棒、最清晰的照片！”一些媒体甚至称其“让人想起美国宇航局（NASA）的‘阿波罗8号任务中拍摄到的一张著名图片——‘地球升起”。哈尔滨工业大学研究团队在描述“地月相拥”的拍摄过程时这样写道：“当‘龙江二号卫星到达月球附近时，需要将其运行速度降下来，这样就自然被月球捕获成为月球的一颗卫星。通过精准的控制调整卫星，将相机对准目标，从而成功完成了拍摄。”

“龙江二号”卫星在太空实际工作了437天，超过预定1年的设计寿命。在它以优异成绩完成任务后，国家航天局决定将其受控撞月，结束其使命。它在成功脱离运行轨道后，在月球表面坠毁。整个受控撞月过程顺利，为探月任务画上了一个圆满的句号。根据图像资料，它在月球表面形成了一个大约4 ×5米的撞击坑，这个撞击坑与科学家预计的撞击地点偏差不大，仅为328米。业余科学家丹尼尔·埃斯特维兹一直跟踪“龙江二号”卫星的进展。在“龙江二号”坠毁后，他通过一系列的运行资料及精密计算找到了它在月球的精确坠毁点：位于月球表面康斯坦汀诺夫陨石坑东南部的一处火山口中。如今，“龙江二号”卫星的成就已可列入“明星”卫星行列，它的低质量及高精度的表现，为国际空间探测卫星的研制及发展提供了更低成本的选择。

天基物联网互联万物

据世界银行数据表明，目前地面物联网业务在陆地的覆盖率仅为20%，而在海洋的覆盖率则不到5%。在人迹罕至却又需要通信的区域，建设基站和铺设线路难度大，成本高，降低了实现“万物互联”的可能性。而卫星物联网通信技术不受地理和气候环境的影响，能够突破因地面基站所不能及而带来的物联网覆盖限制，具备全天候的服务能力。据美国权威卫星行业咨询公司NSR预测，2022年将有1亿～2亿台物联网设备有接入卫星的需求。另据麦肯锡公司预测，天基物联网的产值在2025年可达5600亿～8500亿美元。

近年来，物联网向太空进军的势头开始增强，全球十多家初创公司的上百颗微型卫星陆续发射升空。他们没有与亚马逊和太空探索技术公司等大企业正面竞争，而是使用只需耗资数千万美元的微型卫星组成的网络，向家庭和企业提供直接服务。专家指出，这种新兴微型卫星网络能促成真正的全球“物联网”。

拉库纳太空公司是一家英国卫星通信提供商。这家小型初创公司首先在英国哈维尔的欧洲航天局企业孵化中心对新兴微型卫星网络进行研究开发，然后制造出低成本的微型卫星。目前，该公司已有3颗通信卫星在轨运行，还有2颗正在进入轨道的途中。每颗卫星大约只有一个公文包大小，卫星平台和天线分别由纳米卫星集成商——纳米航空电子公司和牛津航天系统公司提供。微型卫星利用长距离无线电通信广域网与地面上的设备连接，可以方便地实现设备终端的数据互联并输送到网络中，再经过互联网传输到服务器，相应的应用客户端可以从中获取数据。在偏远地区，电力是一种稀缺资源，因而传统的连通性在商业上是不可行的。而微型卫星可以在将“物”的连通性扩展到偏远地区方面发挥重要作用。该公司正着手在近地轨道部署一个由32颗纳米卫星组成的星座，以形成拉库纳网络，随时覆盖整个地球。

目前，虽然许多测试该公司技术的客户每天只能连接卫星2～4次，但是应用于监控远程基础设施，比如观测企鹅的摄像头等绰绰有余。科学家需要经常跟踪南极洲冰原上阿德利企鹅的健康状况，不过他们这次是通过在人们头顶上运行的微型卫星，从数千千米之外操作摄像头进行的。

此外，荷兰的智慧公园公司也利用长距离无线电通信广域网，将犀牛和大象与某个巨型动物网相连。这对野生动物保护区的管理人员来说很有用，因为他们需要对这些动物进行监测，以防偷猎，并且在动物游荡到国家公园以外的地方时，及时把它们赶回去。他们在马拉维测试的一种大象项圈与那里的长距离无线电通信广域网地面站连接，同时也能与拉库纳的卫星连接。一旦卫星群全面部署，公司将利用这种项圈追踪进入沙漠、森林和在非洲南部国家之间跨境的动物。在那些偏僻的地方，没有其他的无线信号。长距离无线电通信广域网系统需要的耗电量相对较少，非常适合安装在大象项圈上。