兵器装备工程学报

小卫星和微纳卫星应用现状与挑战

分类:主编推荐 发布时间:2018-09-28 11:31 访问量:129

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引用格式:陆震.小卫星和微纳卫星应用现状与挑战[J].兵器装备工程学报,2018,39(6):1-7.
Citation format:LU Zhen.Status and Trends of the Small Satellite and Micro-Nano Satellites[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2018,39(6):1-7.
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作者简介:陆震(1942—),本刊编委,教授,博士生导师,主要从事机械电子工程空间机器人研究,E-mail:zhenluh@buaa.edu.cn。

doi: 10.11809/bqzbgcxb2018.06.001
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小卫星和微纳卫星应用现状与挑战

陆 震

(北京航空航天大学, 北京 100191)

摘要电子电路微型化和高度集成化趋势以及微机光电系统的出现与商品化,为小型卫星和微纳卫星提供了广阔的发展空间。小型卫星和微纳卫星成本低、易使用,能快速升级和更新,在商用和军事战术层面具有广泛的应用前景。本文系统介绍微纳卫星的相关概念,分析了小型卫星主要是微纳卫星应用趋势以及所面临的挑战,介绍了国内外关于微纳卫星研究现状,以期对我国微纳卫星事业具有参考价值和借鉴作用。


关键词微纳卫星;卫星星座;卫星组网;卫星过顶




中图分类号TJ861   文献标识码:A  文章编号:2096-2304(2018)06-0001-07


Status and Trends of the Small Satellite and Micro-NanoSatellites

LU Zhen

(Beihang University, Beijing 100191, China )

Abstract: The trend towards miniaturization and highly integrated of the electronic circuits, as well as the miniaturization and the commercialization of the Optical Electrical System, provides a vast space for development of application of small satellite and micro-nano satellites. Small satellites and micro-nano satellites are easy to use and cost-effective, to rapidly update data and upgrades and have broad application prospects in commercial and military fields. This paper analyzes the status and trends of the application of small satellites, mainly micro-nano satellites, as well as the challenges they face. At the same time, the status of research on micro-nano satellites at domestic and worldwide is introduced. These are very good references for the development of micro / nano satellites in China.


Key words: micro-nanosat; satellite constellation; satellite swarm; satellite pass



人造卫星在国计民生和国防建设中具有重要作用,全球定位系统卫星(如美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的 GLONASS、欧洲的GALILEO)、气象卫星、通信卫星、情报卫星和侦察卫星等都是重要的空间资产。这些卫星质量都在500 kg以上,本身设计制造成本高,并需要用大推力火箭发射,发射成本巨大。研究和发射这样的卫星要依托国家经济实力和航天科技水平,只有具备足够财力和科技水平才能参与,主要用于各大国战略项目以及国际合作项目。一般商业用途是无法负担的,局部军事战术作战也不便使用。

按照摩尔定律,集成电路的器件密度每两年翻一番,电子电路微型化和集成化趋势以及微机光电系统的出现与智能产品的日新月异,为小型卫星和微纳卫星提供了良好的发展基础和广阔的应用空间。卫星小型化、微型化大大减少卫星本身的研制成本以及发射成本,为一般商业应用和军事战术应用降低了使用门槛。目前微小卫星技术已发展到以微米、纳米技术为基础,得益于消费电子行业在价格和性能方面的持续改进。特别是在智能手机中: 一个典型的手机现在可能包含一个加速度计测量移动速度,一个磁力计检测磁场并提供一个罗盘读数,一个GPS接收器拾取卫星定位数据,多个无线电发射器和接收器,一个陀螺仪测量角速度,一个气压计检测压力,以及两台摄像机等。2014年世界上第一个“手机卫星”进入轨道。 这是一款结合到名为STRaND-1的三单元立方星中的Google Nexus One智能手机,其立意是在空间环境中测试智能手机的组件。这个卫星由专门从事小型卫星业务的英国萨里卫星技术公司(Surrey Satellite Technology Ltd,或 SSTL)建造的。 这款手机装载了许多实验性应用程序,用于在轨道拍摄照片和记录磁场等事情。利用智能手机和其他消费电子产品提供的丰富现成技术,以及星座和集群技术可以使微纳卫星执行百倍于其尺寸的大卫星的许多功能,成本大大降低。

小型卫星和微型卫星可还以多次发射,不必担心个别失败。由于微小型卫星质量小,可以一箭多星,或者可以作为二次负载利用大型运载火箭剩余的运力发射,进一步降低发射成本。例如2013年11月19日和21日,美、俄两国先后以一箭29星和一箭32星的方式将多颗卫星送入轨道;2014年1月9日,美国创造一箭34星的发射纪录,6月19日俄罗斯再次将纪录刷新为一箭37星;2014年9月,美国SpaceX研发的龙飞船获得美国国家宇航局(NASA)26亿美元合同大单,将协助美国宇航员往返国际空间站。该公司网站披露了其目前正在酝酿的700颗微纳卫星组网方案。2015年9月20日,我国新一代运载火箭“长征六号”首飞任务中一箭发射20颗星,发射的这些卫星绝大多数为微纳卫星。

1 小型卫星和微纳卫星的类型和发展

根据质量不同小卫星分为小型卫星或迷你卫星(Small satellite,Minisatellite),湿质量(包括燃料)为100~500 kg(220~1 100 lb);微型卫星(Microsatellite),湿质量为10~100 kg(22~220 lb);纳米卫星(Nanosatellite),湿质量为1~10 kg(2.2~22.0 lb);皮卫星(Picosatellite),湿质量为0.1~1 kg (0.22~2.2 lb);和飞秒卫星(Femtosatellite),湿质量为10~100 g (0.35~3.5oz)。其中微型卫星和纳米卫星以及更小的皮卫星和飞秒卫星,可统称为微纳卫星,它们的湿质量小于100 kg,这是本文讨论的重点。

近年来,小型卫星和微纳卫星的性能、可靠性与寿命都得到大幅度提高,已经成功地应用在民用各领域和军事战术应用方面,重量轻、体积小、成本低、研制周期短,技术更新快等优点更加突出。微纳卫星一般以星座(constellation)形式或组网(satellite swarm)即分级航天器(fractionated spacecraft)形式运行[1],能够取代发射与研制成本高昂的单个大型卫星,并且具有所谓优雅的退化能力,即不会因为任何一次发射失败或卫星故障会导致整个卫星星座或卫星网完全失去服务功能。这涉及到几个关键技术,即:1)集群编队控制,解决卫星(航天器)在飞行过程中形成编队,实现自组织任务规划、决策与执行;2)多源协同感知和信息融合; 3)高效大容量数据链路技术,形成各节点之间的组网通信,实现各节点异构资源的协同和共享。

微纳卫星星座是是较为简单的卫星组合形式,为完成某一特定空间任务而协同工作的多颗微纳卫星的集合,主要目的是通过星座中的多星协同增加对地面的覆盖面积或者缩短重访时间。由于星座执行任务过程中没有固定的分布构型需求,通过单星轨道控制保持对地覆盖特性,不需要在星间实施闭路控制,各星之间也可以不存在任何信息交换和服务。而卫星组网(也称为分级航天器)这种卫星架构,把单个传统卫星的功能通过无线链路的交互作用分配在多个卫星模块上。与其他卫星集合(如卫星星座和卫星群)不同,分级航天器的模块很大程度上是异构的,并且执行与传统卫星的各个子系统元件相对应的不同功能。采用多颗卫星协同工作,可以显著发挥微纳卫星的优势,同时可以克服其单星工作存在的缺点,也是微纳卫星相关技术研究中最具应用价值和潜力的发展方向。与单纯的分布式卫星群的概念不同,分级航天器更加注重结构功能,即多颗卫星相互配合完成任务。分级航天器的定义是:由多颗(2颗或2颗以上)微纳卫星按一定要求分布在一种或多种轨道上,共同协作完成某项空间飞行任务(例如:观测、通信、侦察、导航等),从而使空间飞行获得更大的应用价值。

微纳卫星的灵活性、分散性和强壮生命力等优点使之能迅速适应现场的实际需要。甚至可以单人在室外独立操作,只涉及笔记本电脑和手持无线电设备。在军事行动中可实时地向旅或更下级的指挥官和士兵提供图像和数据,能持久地覆盖各种手持设备。由于成本低,微纳卫星可以随时替换和更新,可快速发射,可以通过数量的增加对地面提供全方位的支持。卫星的在轨机动性和拍摄地面指定目标能力,能够实时或半实时地将图像传回地面操作人员,可在同一次卫星过顶(satellite pass)间隔中将图像传回地面(少于10 min)。低成本、宽容差和容错性允许更快地构建更多纳米卫星,并允许更大的失败风险。纳米卫星的寿命相对较短,在重新进入大气和燃烧之前,在低地球轨道可能不超过一年或两年,但这也为不断更新和升级提供了需求和可能。例如,行星实验室(Planet Labs)希望每年都会淘汰旧的卫星,用纳米卫星的新版本取代一些旧的。微纳卫星可以应用在卫星通信、卫星遥感、全球定位和导航、地面图像识别、天气预报及灾害监视等领域。

小型卫星和微纳卫星的研发起初是20世纪八九十年代在一些商业企业和大学实验室开始的,最初是基于西班牙90年代以来研发的低成本制造商用和通信卫星。随后,小型卫星和微纳卫星的产业得到了迅速增长,1~50 kg(2.2~110.2 lb)的卫星开发活动超过了50~100 kg(110.2~220 lb)的。在1~50 kg范围内,2000—2005年间每年发射的卫星数量不到15颗,2006年为34颗,2007—2011年间每年发射的卫星数量接近30颗,2012年上升到34个,2013年上升到92个[2]。这些技术进步首先是在大学里试图以很低的成本发射卫星用于教学目的。立方体卫星或立方星成为许多大学和学术机构研制微纳卫星的标准选择。欧洲咨询公司Euroconsult的分析表明在2015—2019年期间发送了或将发送500多个小型卫星和微型卫星,市场价值估计为74亿美元[3]

在2015年中期,更多的发射方案已经可用于微纳卫星,越来越多的发射向微纳卫星开放。微纳卫星作为次级载荷的搭载发射方式成为一种既能提高发射质量又能满足较快发射需求的方式[4]。早期微纳卫星如:Astrid-1和Astrid-2,以及英国维京银河(Virgin Galactic)公司的LauncherOne火箭发射的一组卫星[5]。Astrid-1和Astrid-2是瑞典航天公司为瑞典国家空间局设计和开发的两种微纳卫星。它们搭载从俄罗斯Plesetsk发射的Cosmos-3M运载火箭。Astrid-1 (国际卫星识别符号为1995-002B) 在1995年1月24日发射,Astrid-2 (国际卫星识别符号为1998-072B)在1998年12月10日发射。Astrid-1为27 kg (60 lb),Astrid-2小于30 kg (66 lb)。最初大多数传统卫星开发商和用户都对立方体卫星的实用价值并不看好。近地轨道LEO卫星的主要缺点之一是它们不能在地球的特定地理区域上空持久地存在。为此,持久性存在只能通过使用多个卫星实现。

微电子技术的迅速发展,为能承受高负荷的微纳卫星另辟蹊径。特别是随着智能手机和个人数字助理(PDA)技术的进步,电子元件微型化和集成化趋势极大地推动了纳米卫星(1~10 kg)和微型卫星(10~100 kg)的发展。从单个卫星的角度来看,这些很小的航天器单位成本非常低,可以在一年内快速开发。然而纳米卫星和微型卫星可以低成本地扩展成星座和组网,从而在多个区域实现有效的和负担得起的持久性覆盖。可在有些应用(如军事战术应用)不需要提供全球覆盖,只需覆盖一定纬度范围,解决特定的感兴趣区域的需要。所以纳米卫星和微型卫星具有足够的经济性。

2013年11月19日,美国轨道科学(Orbital Sciences)公司从弗吉尼亚州的沃洛普斯(Wallops,Virginia)飞行基地发射了一枚火箭。 它携带29颗纳米卫星,将它们发射到低地球轨道。三十个小时后,俄罗斯企业科斯莫特拉斯(Kosmotras)将32颗纳米卫星进入类似的轨道。 2014年1月,轨道科学公司又将33颗卫星运往国际空间站(ISS)。这94颗卫星中的大多数都是以立方星(CubeSat)的标准形式制造的,为质量1.3 kg(2.9 lb)边长10 cm(4inch)的立方体,由两个或三个立方体单元组成。经过十年的适应与启动,在这期间发射了大约75个立方星,这类卫星和其他小型卫星正从试验转向实用的科学数据和商业服务。旧金山的一家公司Planet Lab在2014年1月将 28个纳米卫星送到国际空间站,通过NanoRacks开发的卫星发射装置批量释放,每个是标准的立方体尺寸(即长30 cm)。这些纳米卫星比传统卫星更频繁地扫描地球和拍摄的照片,成本只是传统卫星的一小部分,当然分辨率较低。Planet Labs声称,其纳米卫星承担了传统卫星的很多功能,而成本只是后者的一小部分。Nanosatisfi正在开发的ArduSats是个开放平台,已经升空了两个。它们将包含一系列传感器,并可以执行各种任务,如定位物体。现在超过250 000艘船舶在约50海里以外播放自动识别信号。 低轨道上的小型卫星群可以接收这些信号,并提供频繁更新的有关船舶位置,而无需船舶使用昂贵的专用卫星上行链路。SkySat是由Planet Labs拥有的亚米级分辨率地球观测卫星的星座,能提供图像和高清视频分析服务。

随着电子技术的小型化和能力的不断提高以及卫星星座的使用,纳米卫星越来越能够执行以前需要微型卫星的商业任务。 例如,已经提出6U CubeSat标准,以便以相同的任务成本使35 kg(18 lb)的地球图像卫星星座替换一组五个156 kg(344 lb)的快眼(RapidEye)地球成像卫星, 重访时间显着增加:全球每个区域可以每3.5 h成像一次,而不是快眼星座每24 h一次。 对于进行救灾的国家而言,更快速的重访时间是一项重大改进。 此外,纳米选项将允许更多国家拥有自己的卫星,用于非高峰(非灾害)成像数据收集[6]。在接下来的五年左右,预计将会有约1 000个1~10 kg的纳米卫星被发射。 包括制造和发射,CubeSat尺寸的纳米尺寸可能需要15万美元至100万美元,而不是大尺寸卫星的1亿到10亿美元[7]。有的会比立方星小,另一些会大些。 有的就像一个俄罗斯套娃:俄罗斯发射了一个卫星,它又发射了八个较小的卫星,包括四个PocketQubes(一个5 cm的立方星)。

2017年11月21日,英国的Earth-I公司宣布已经向SSTL(萨里卫星技术有限公司)订购了第一批五颗卫星用于其新的地球观测(EO)星座[8]。而Earth-I正在建造世界上第一个能够提供全彩色视频的星座,是第一个拥有欧洲所有权的星座,能够提供视频和静止图像。这个星座将是地球观测行业的一次重大飞跃,提供许多创新能力,包括:

1) 为地球上任何位置提供分辩率优于1 m的高帧率图像。

2) 能够以超高清彩色视频拍摄移动物体,如车辆,船只和飞机。

3) 敏捷卫星(致力于观测宇宙伽马射线的卫星)每天多次重复访问相同位置,可以指向特定感兴趣区域。

4) 快速给卫星下达任务拍摄图像或视频,并在获取后几分钟内快速下载数据。

Earth-I的卫星队列记录的影片将在拍摄后的几分钟内提供分析,并将在从对象的变化检测到对象识别的各种场景中,改善决策制定和响应时间,从灾难响应到基础设施监控等各种场景的决策和响应时间。Earth-I星座始于即将发射的卫星样机,它是与SSTL合作设计和制造的。将演示和证明未来星座的技术和过程,包括下达任务到地面站的数据下载,空间画面和视频质量控制。 目前订购的五颗SSTL卫星计划于2019年发射。Earth-I星座源于SSTL于2015年7月发射的仍在全面运行的Carbonite 1演示卫星。 Earth-I订购的一批生产卫星将以即将发射到轨道的第二颗原型卫星为基础,还整合了SSTL为Earth-I开发的大量改进。

目前从事微纳卫星的研发已不限于几个航天大国的政府和军事机构,有不少企业从事纳米卫星的研制和生产。如瑞典的GomSpace[9],美国的从事航天科技和其他尖端技术的非盈利基金会NanoSpace[10],Spire Global,Inc.是一家美国私营公司,专门从小型卫星网络收集数据。它已成功地将50多颗地球观测立方体卫星部署到低地球轨道,英国的Surrey Satellite Technology(SSTL)是设计,制造和发射小型卫星的世界顶级公司[11]。 它率先降低了卫星的尺寸和成本,使新一代商业卫星星座成为可能[12]。NovaWurks[13]是位于美国加州Los Alamitos的一家专门从事小型微型和空间技术商业化的孵化创业机构,俄罗斯的Dauria Aerospace[14]等。

皮卫星(picosatellite,或 picosat,意为微微米卫星)是湿质量在0.1~1 kg(0.22~2.2 lb)的人造卫星[15-16],它有时也泛指发射质量小于1 kg(2.2 lb)的任何卫星。皮卫星通常也以编队(即swarm形式)一起工作。 这种结构需要更大的母卫星与地面控制器进行通信,或与皮卫星进行对接和发射。立方星(CubeSat) 就是一个大型皮卫星(或最小纳米卫星)的例子,质量大约是1 kg(2.2 lb)。皮卫星现成为DIY套件制造商的新选择,皮卫星目前在0.1~1 kg(0.22~2.2 lb)都可以买到。现在皮卫星的发射费用为12 000~18 000美元,用于小于1 kg皮卫星的有效载荷大约是易拉罐的大小[17]

飞秒卫星(Femtosatellite,或femtosat,意为毫微微米卫星)是湿重在10~100 g(0.35~3.5oz)的人造卫星。和皮卫星一样,飞秒卫星需要一个更大的母卫星与地面控制器进行通信。2011年5月,奋进号航天飞机在它最后一次升空中,将三个“芯片卫星”送入国际空间站上的外部平台,进行“材料国际空间站实验”[18],研究材料长期暴露于恶劣空间环境的影响。2014年3月,KickSat纳米卫星由著名的猎鹰9号(Falcon 9)火箭发射,释放104个飞秒卫星大小的芯片“Sprites,意为精灵,” [19]。ThumbSat是另一个计划,在2017年4月18日NASA的Atlas V火箭往空间站发射38个飞秒卫星[20]

微纳卫星在通信、遥感、电子侦察等领域获得了较为广泛的应用,目前已经拓展到了导航领域、技术试验领域、空间对抗领域、体系概念创新领域、工程培训领域[21]。随着能力不断提升,微纳卫星开始走出实验室,迈入实用化、装备化运营阶段,应用领域不断扩展到对地观测、电子侦察、通信、空间目标监视、在轨服务、战术快速响应、空间科学探测、气象监测等领域。微纳卫星业务能力不断提升,在军事领域和商业领域的应用前景已获得各方高度关注。

我国在2008年发射的神舟7号飞船时,曾从飞船上释放了一颗微型卫星伴随1号(CX-1)[22]。它是一个非常小的立方体,边长大约40 cm(16 inch),重约40 kg(90 lb)。BX-1的目的是提供神舟7号(SH-7)舱的图像,演示检查轨道舱的能力,并进行一些有限的接近操作。 它还进行了数据中继实验。在发射后约四小时,BX-1距离国际空间站(ISS)最近约25 km。 不久之后,神舟7号飞船在国际空间站36 km范围内作出了自己的接近飞行。国际空间站的最低点(近地点)为347 km,神舟7号轨道的最高点(远地点)为336 km。 神舟7号/BX-1和国际空间站有不同的倾角:分别为42.4°和51.6°。 这意味着它们不仅处于不同的高度,而且它们的轨道以大约10°的角度相交。 没有碰撞的危险。2015年9月20日长征六号在太原发射,将20颗卫星送入距离地球524 km的轨道[23]。据了解,20颗卫星中的“紫丁香二号”(如图1所示)是我国首颗由高校学生自主设计、研制与管控的纳卫星。2009年,国防科技大学开展了“纳星集群飞行计划”项目,2017年6月27日国防科技大学研制的第10颗微纳卫星发射升空,参与欧盟QB50计划,首次开展低层大气探测[24]

图1 紫丁香二号

“珠海一号”遥感微纳卫星(运行轨道如图2所示)星座是由我国珠海市欧比特公司规划、航天东方红卫星股份有限公司研制的。星座由12颗视频微纳卫星、4颗高光谱微纳卫星及2颗SAR微纳卫星组成,在空间形成一个高效的遥感微纳卫星星座,预计将在未来2~3年内发射部署完成。其首批两颗欧比特视频卫星-1A和1B(OVS-1A和1B)于2017年6月在酒泉卫星发射中心搭载长征四号B运载火箭发射升空。这两颗卫星为视频成像卫星,可实现大范围侧摆、快速凝视,单颗卫星质量55 kg,光学分辨率1.98 m,具有凝视视频和条带成像两种工作模式,目前两颗星每年可覆盖地球2次。星座部署完成后,珠海一号星座将实现对全球遥感数据每5天更新一次。2018年1月25日中国成功发射了第四组三颗小型遥感-30卫星和一颗微纳-1A纳米卫星,这是今年第五次发射太空。三个遥感-30卫星主要用于电磁环境监测和相关技术测试。中国航天集团证实,卫星已经在大约40 min后进入了预定的轨道。同时发射的第四个乘员,微纳-1A或NanoSat-1A。三颗遥感-30卫星主要用于电磁环境监测和相关技术测试。

图2 珠海1号的运行轨道

2 美国微纳卫星的现状与应用

美国拥有世界最强的天基能力,可以支持其军队不同级别的作战任务。但是,五角大楼并不满足,他们认为这些支持大部分都集中在战略和战役层面上。在战术层面上,还需要可供战术使用的小型的廉价的小卫星和微纳卫星。五角大楼的决策者制定了发展战术卫星的计划,这份计划即TacSat计划[25](意为战术卫星)源自五角大楼的军事转型办公室(The DOD’s Office of Force Transformation (OFT)),以开发一种能够在相对较短的时间内(与传统卫星相比)提供卫星的作战响应空间(ORS)能力,以满足战场指挥官急需的C4ISR(Command,Control,Communications,Computers,Intelligence,Surveillance and Reconnaissance)需求。五角大楼在2007年向国会提交的报告中称,作战响应空间方面的努力有三个目标:“第一,快速开发和注入空间技术或作战创新; 其次,在需要扩大作战能力时迅速调整或增强现有的空间力量; 第三,迅速重建或补充关键空间能力以保持作战能力”。最终推动作战响应空间的概念,即“以提高现有空间能力(例如空间部分,发射部分,地面部分)的响应能力,开发互补的,更实惠的可在作战相关的时间框架内进行部署的小型卫星/运载火箭组合和相关的地面系统”。TacSat计划包括8个TacSat,包括来自海军研究实验室(NRL),空军研究实验室(AFRL),陆军空间和导弹防御司令部(SMDC/ARSTRAT),空军空间司令部(Air Force Space Command)以及ORS办公室(Operationally Responsive Space Office)。在2003年和2004年期间,TacSat-1的开发,生产和测试成本不到1 000万美元。 该卫星是具有电子智能能力的220磅级微型卫星,包括特定发射器识别(SEI),可见光和红外成像以及跨平台能力。 SEI和跨平台任务有效载荷均使用低成本接收器(LCR-100)设计。其中,TacSat-4由美国海军研究实验室(NRL)负责。

其中规模最大的是美国陆军空间和导弹防御司令部/陆军部队战略司令部(U.S.Army Space & Missile Defense Command/Army Forces Strategic Command,USASMDC/ARSTRAT)正在进行一系列技术示范项目的[26]。目前包括几个非常小的卫星,即空间和导弹防御司令部-作战效能纳米卫星 (Space & Missile Defense Command-Operational Nanosatellite Effect,即SMDC-ONE,如图3所示),红隼眼(Kestrel Eye,如图4所示),纳米眼(NanoEye)和小型敏捷战术航天器(SATS)。相关的启用能力包括用户友好的地面部分和多用途纳米导弹系统(MNMS)提供的专用发射能力。通过这些示范,可以通过低成本,快速发展的纳卫星/微卫星星座,为战术陆地作战人员提供低廉的空间力量支持。

美国陆军SMDC/ARSTRAT曾进行八个纳米卫星(3U CubeSats)的通信演示任务。 主要目标是从地面发射机接收数据并将该数据中继到地面站。 这被称为战术BLOS(Be-yond-Line-Of-Sight)通信。 这项技术演示的目的是建立一些相同的卫星,并将它们一起部署到LEO(低地球轨道)中,以模拟增强的战术通信能力并评估纳米卫星性能。出于多种考虑,轻量级别卫星采用了3U立方星。 这些需求都促使开发专为纳米卫星设计的低成本发射器。SMDC-ONE的设计在轨寿命为一年,最低6个月。

图3 SMDC-ONE

图4 Kestrel Eye-2M航天器及其部件示意图

图片来源:SMDC

2009年,SMDC-ONE计划完成了一个纳米卫星的制造和测试工作,其后又制造了八个纳米卫星。这些卫星在主承包商和美国国家航空航天局所在地进行了严格的冲击,随机振动和热真空测试。 在主承包商处的热真空测试时进行热平衡和天线展开测试。 无线电频率特性测试用美国陆军设备进行。

美国陆军空间与导弹防御司令部的技术研究部门先后研发了多种供地面旅和旅以下的作战单位使用的微纳卫星,它们能大大提高其快速反应能力和精确打击能力。正在开发的红隼眼 (Kestrel Eye)是一种微型光电图像卫星,Kestrel Eye也被称为Kestrel Eye-2M,是美国陆军空间和导弹防御司令部的陆军部队战略司令部(SMDC/ARSTRAT)的技术中心(在美国的Alabama州Huntsville市)的一个小型成像技术示范航天器项目。目前的KE计划开始是从KE Block I(Kestrel Eye的概念验证或探索醒目)设计中衍生出KE Block II的改进型。 2012年,陆军与OSD/JCTD(国防部长办公室/联合能力技术示范)计划一起,启动了Kestrel Eye Block II,作为微型光电-椭圆轨道图像卫星,以支持地面战术作战人员。用于执行地面战术级作战任务,它能够快速摄取有用的战术图像。Kestrel Eye的数据可以通过数据中继网络直接下行到同一个战斗单位,这个数据中继网络也可以为同一战区中其他部门使用,而不需要通过美国本土的中继网络。Kestrel Eye是一种空基的战术图像微型卫星。与传统的天基设施相比,Kestrel Eye卫星星座显着降低了单位成本。可以以这样低的成本购买大量的卫星,适合战术部队广泛使用。

作为2017财政年度空间站物资运输任务之一,Kestrel Eye在2017年度发射到国际空间站。Kestrel Eye卫星(如图5所示)发射后将在部署之前花费一段时间等待日本的国际空间站上密封舱模块实验的进展。一旦进入轨道,将对其运行效果进行全面综合地评估。Kestrel Eye-II的主要优势包括:① 规模更小,数量更多,负担得起,持续存在,发现概率更低,不易受到反卫星武器的伤害;② 优雅的退化:不会因为个别的几次发射失败或个别卫星的失效导致系统完全失去服务能力[26]

图5 Kestrel Eye

技术中心还在开发NanoEye作为一种低成本,机动,电光学的微型卫星级的图像卫星,直接由地面战术部队作战人员使用,他们在几分钟后就能收到所需的图像。机载推进系统可以使卫星降低高度,能获得更高分辨率的地面图像,以支持其作战任务。纳眼从低地球轨道为地面部队作战人员提供反应更为灵敏分辨率更高的战术图像。纳眼具有显著的V字三角形,允许航天器改变高度,提供所需要分辨率的地面图像。 太阳阵列结构的空气动力学构型在航天器速度方向上降低了阻力因子,可保证更长的在轨寿命。这些综合因素为现场战术部队人员提供低成本的战术图像支持。

NanoEye是一种最先进的微纳卫星系统,能够在最低点提供优于0.5 m的分辨率,其结构如图6所示,其总任务成本低于500万美元-包括有效载荷,航天发射器,发射和3年任务操作。 NanoEye基于独特的轻量级望远镜,由ITT构建和测试IR&D,这是一种独特的结构设计,也是由Microcosm在IR&D,以及Pumpkin公司现有的成熟CubeSat组件上创建的。该系统的干质量小于10 kg,小于15 kg的先进系统具有增强的总线能力和推进系统。由于该系统可以承载干质量的两倍,因此在速度可达2公里/秒的情况下非常灵活。这允许航天器长时间低飞,并根据需要改变其轨道,以调整覆盖范围,观察时间和角度,并提供阻力补偿。

图6 NanoEye的结构

3 微纳卫星面临的挑战

对于小型卫星所完成的任务来说,经济实惠和响应时间快速是重要的,以合理的技术和程序化的方法应对这些要求,要求研发者不断寻求创新方法和多样化的设计技巧、自主高效的流程,才有助于识别和化解潜在问题。与传统卫星相比,微纳卫星的质量、尺寸、功率等相差一个甚至几个数量级,星上资源和空间非常有限,这也是制约其研究与应用的国际性难题。在微纳卫星设计方面,因为尺寸、质量、功率等设计参数受到严格限制,微型化与低成本需求更迫切,因而采用大卫星小型化的设计方法很难实现,必须采用先进的设计,实现微纳卫星的低成本和高功能密度。微纳卫星需要对其推进系统,姿态控制系统,通信系统和星载计算机进行革新,这无法照搬大卫星的技术。大卫星通常用单一推进系统或双组元推进系统来完成推进和姿态控制任务,这些系统是复杂的。这些系统仅能在较大的小型卫星使用,而微型卫星只能使用诸如电力推进,压缩气体推进,液体推进,如丁烷或二氧化碳这类简单的便宜的可扩展的推进系统。在电源方面,改进的锂离子和锂碳离子是目前能量密度最高的,但是存在起火燃烧的问题,有必要进一步研究。太阳能电池的量子点技术和多结光伏电池,硅基太阳能电池是值得研究的。

小型卫星可以使用传统的无线电系统的超高频、甚高频、S波段和X波段,微型卫星缺乏传统无线电所需电源供应或质量,虽然各种小型化的创新通信系统已被提出,如激光接收器,天线阵列和卫星到卫星通信网络。这些技术还没有在实践中得到充分证明。在天线领域,要找到成本低、工作可靠的高增益系统。电子产品需要经过严格测试和修改,监测其抵抗外部空间环境(真空,微重力,极端温度和辐射暴露)的能力。当然微型卫星提供了一个廉价的测试新硬件的机会。此外,由于任务中的总体成本风险低得多,因此可以将更多的最新但较少空间验证的技术投入到微米和纳米级卫星任务中,从而降低未来在更大,更昂贵的任务中的风险。

由于微纳卫星都以星座、集群方式运行,面临的通信问题突出,信道容量小、发射功率低等特点,使地面匹配要求更特殊,导致使用传统卫星的任务支持模式很难实现微纳卫星的灵活管理,必须实现灵活便捷的微纳卫星通信任务支持。

在微纳卫星应用方面,我国微纳卫星实用化的问题亟待突破,迫切需要发展适合微纳卫星的有效载荷技术,需要探索适应组网、集群等特点的新型应用模式,沿用传统卫星的有效载荷很难实现微纳卫星的新型应用,必须提高微纳卫星的实用化水平。

由于发射数量巨大,各国竞相研制和发射,这就牵扯到一个微纳卫星监管的法律问题。微纳卫星寿命短,造成大量空间碎片,使日益严重的空间垃圾问题雪上加霜。因此发展微纳卫星不断受到关注空间环境和宇航员安全人士的质疑。这就面临微纳卫星的离轨系统,目前需要寻找新的高能效/成本比的离轨手段。除了技术手段,还需要加强监管,解决空间碎片以及有毒火箭燃料所造成的安全隐患,需要各有关国家政府和企业制定一些公约,有序地进行微纳卫星的发射和释放、离轨和回收,保护地面和空间环境。

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