哈工大现代小卫星专题课课程报告

年季学期研究生课程考核
（读书报告、研究报告）
考核科目:现代小卫星系统技术专题课学生所在院（系）:
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现代小卫星发展现状及其关键技术
本文从卫星发展历程出发，介绍了现代小卫星的研究背景、分类以及国内外发展现状，阐述了现代小卫星技术的特点，并对现代小卫星技术的发展趋势进行了一定的展望。

1 研究背景
1957年4月10日，苏联发射了人类历史上第一颗小型人造卫星“斯普特尼克号”(Sputnik)，这让人类首次意识到人造卫星可以被放入地球轨道。

自此之后，美国和苏联不断提升空间技术，将火箭有效载荷的大小和功率从原先的几十公斤和几十瓦特提高为上千公斤和上千瓦特。

同时，通过规模经济，在设计、制造、测试、检验、发射等多个环节适当降低成本，使得大型远程遥感卫星或大型通信卫星比小型卫星在成本效率上更具有优势。

以通信卫星为例，一个抛物面反射器只要通过一个小型多波束馈源就可以产生几十甚至几百的点波束用以支持密集的频率复用。

此外，空间科技发展过程中开发的大光圈和天线增益系统、接纳宇航员的空间装置以及大型科学仪器如哈勃望远镜等多种技术，都使得卫星大型化成为需要和可能。

因此，在首枚小型人造卫星发射成功之后的几十年中，卫星尤其是商业卫星的发展主流是不断制造和发射更大、更强、更具成本效益的卫星。

然而，随着科学技术和设计思路的革新，上世纪80年代中期，国际社会兴起了小卫星热潮。

这一时期的小卫星被称为现代小卫星，以区别于之前由于受到运载能力和技术水平限制生产的简单小卫星。

与以往的卫星相比，现代小卫星具有若干优势，例如重量轻、体积小、研制周期短(1~2年，甚至几个月)、技术更新快、性能好(功能密度高)、生存能力强(可多颗小卫星组成编队飞行或组成星座)。

近20年来，全世界总共发射了各种各样的现代小卫星约700颗，约占同期航天器发射量的20%。

小卫星不仅在军事领域发挥重要的作用，还在教育等领域被越来越广泛地应用。

小卫星的发射数量不断增多。

根据美国SpaceWorks公司(简称SEI)做出的2014年纳卫星/微卫星市场分析报告，仅2013年一年，重量在1~50公斤的纳卫星/微卫星的发射数量就多达92颗。

该报告还预测，至2020年全球范围内纳卫星/微卫星的发射数量将达到410~543颗。

根据上述分析，现对现代小卫星技术和发展进行研究，主要围绕现代小卫星的分类、国内外研究现状、现代小卫星的关键技术以及发展趋势等关键问题展开。

2 现代小卫星的分类
过去小卫星分类大部分都是按质量来划分，个人认为质量是一个依据，但不是惟一的。

更主要是技术含量和可能获得哪些应用。

为此，本文按质量、技术支承和应用这三个要素对小卫星进行分类，在应用方面又考虑到现在与将来的发展关系。

现代小卫星大体可以分为三大类：小卫星、微卫星和纳卫星，这三类都分别由高新技术、微型技术和纳米技术作为技术支承，每类质量差别在一个数量级左右。

这说明采用不同的技术层次支承和新的设计思想，可使小卫星具有的功能大致相当，而质量能大幅度降低。

这里一个很重要的论点是：小卫星质量越来越轻是基于技术含量迅速地提高和设计思想不断改进，以及开发新的应用领域(例如虚拟卫星)所驱动。

离开上述观点，单纯比较某颗卫星的质量大小是没有什么实际意义的。

现把上述三类小卫星概念分述如下。

小卫星：它是应用新技术和新的设计思想研制出来的一种人造卫星，具有质量轻、体积小、成本低、周期短和性能好等特点，又称现代小卫星。

微卫星：其所有的系统和分系统都全面体现了微型技术(包括采用微米技术)，并且至少实现一种应用功能。

纳卫星：这种卫星是尺寸减到最低限度的微卫星(包括采用纳米技术)，在应用领域主要是依赖分布式星座(编队飞行)来实现其功能。

小于lkg的卫星称为皮卫星。

目前皮卫星大部分是用作空间技术试验或功能演示，还没有突破新的技术层次，将来可能在全固态硅卫星基础上发展。

纳卫星在技术实现时间阶段上可分为现在和将来两阶段。

“现在纳卫星”主要基于微机电系统(MEMS)技术和其他有关小型化与微型化器件。

这种卫星具有一定应用功能，更多的是进行空间技术试验，或者作为空间技术研究工具。

其质量大部分在上限，即l0kg级(甚至达20~30kg)，功耗在十几瓦。

“将来纳卫星”应用纳米技术和纳米材料，更多的是使用硅材料制成三维集成多芯片模块，由有限几个模块组成具有实际功能的卫星，模块之间联系不用电缆。

它又称固态卫星，质量在下限，即1~2kg，功耗几瓦。

其应用更多有赖于一种分布式星座来实现其功能。

3 国内外发展现状
美国和英国首先跨入小卫星领域。

1984年，美国国防高级研究计划局(DARPA)实施“全球低轨道信息中继”计划(GLOMR)，制造了一颗重67.5kg的数字存储转发中继小卫星，这是小卫星发展史上的一个里程碑。

此后美国DARPA，NASA、海军以及一些大学和公司，相继研制了一系列的小卫星，包括之后其开发的母子星(JAWSAT)、纳卫星(先锋一号)、皮卫星(OPAL)，本世纪初美国军方研制了军用卫星MightySat系列多功能小卫星。

美国也成功实施了包括Iriduium，
Globalstar和Orbcomm等星座系统。

美国NASA与哥达德航天中心(GSFC)的由100颗微小卫星组成“磁层星座”计划于2007年发射，其主要目标是微型卫星化。

美国的“21世纪技术卫星”计划TechSat21主要完成编队飞行试验和稀疏口径遥感研究，并准备实施SBR计划，验证虚拟卫星的可行性。

英国萨瑞大学率先成立小卫星技术公司SSTL，成功研制了“UoSAT”大学卫星系列，由此在全球掀起了一股研制应用小卫星的热潮。

在萨瑞大学发射的数十颗小卫星中，典型卫星有UoSAT12用于高分辨力对地观测技术、通信、推进及姿态技术研究，SNAP-1微小卫星演示航天器应用微机电器件的可能性和编队飞行。

目前世界上有十多个国家涉足小卫星研制领域，美国、俄罗斯、法国、英国、意大利都有自己的小卫星平台或星座。

印度、韩国、瑞典、丹麦、巴西、西班牙、以色列等许多中小国家也以研制小卫星为切入点，带动航天技术的发展，发展自己的空间能力。

经过多年的努力，我国在小卫星技术方面也取得了长足的进步，从1970年东方红1号的升空到目前已发送了五十余颗小卫星，取得了大量的科学数据。

目前我国进行小卫星研制的单位和成果主要有：航天东方红卫星有限公司研制的实践5号和海洋1号等；清华大学与英国萨瑞大学合作的清华1号；哈尔滨工业大学研制的探索系列号；上海微小卫星工程中心的创新1号；我国台湾地区在小卫星的研制和应用领域也很活跃，有中华卫星1号和中华卫星2号。

4 现代小卫星技术的特点
目前国际上对于小卫星尚无确切定义，所用名称也不太统一。

简单地说，凡采用高新技术，具有重量轻、体积小、研制发射成本低、性能好、研制周期短、发射灵活、低轨运行等特点，重量在1000kg以下者，都可称为小卫星。

小卫星有以下技术特点：
1.设计标准化和产品模块化
大卫星为单个设计，从设计、试验到研制成功需8~12年时间，而小卫星只需3~4年。

随着小卫星技术日趋成熟，规格统一、设计标准化、装配模块化以及试验程序简化，使设计生产仅需几个月至1年就能完成。

2.技术集成化
①装置集成化。

整个小卫星没有分系统概念，而是将整个卫星看成一个大的单机，通过高密度电子电路、微机械和微器件组合成一个整体。

②无线电路软件化。

在小卫星上将使用无线电路软件化设计，这样就去除了一些电子电路的硬件设施。

③电缆网路印刷化。

卫星内的一部分分布式电缆可作成印刷电路板，将各种电路板连接起来，减轻重量，减少插拨空间和提高可靠性。

3.快速吸纳新技术
小卫星工作寿命相对于大卫星来说要短，这为小卫星技术改进、快速吸纳新技术，不断创造发展提供了可能。

4.发射灵活、启用速度快、杭毁能力强
现代小卫星可利用多种形式的运载和发射工具，从准备到发射乃至起用仅需几天时间。

由于可以利用多颗小卫星组成星座，形成互为备份形式，所以当某颗卫星失效或在战争中被敌方毁伤时，均能快速地发射补充上去，使抗毁性能大大增强。

5.便于卫星组网
小卫星适于多颗组网，组网形式主要有：随机相位星座、固定相位星座、网络星座。

5 小卫星发展趋势
（1）卫星平台的通用化和系列化。

卫星平台系列化是形成批生产能力、支持卫星星座系统发展的基础。

英国萨瑞大学开发的50 kg级微小卫星平台在世界范围内得到广泛应用。

研制更加先进的公用平台是现代小卫星发展的关键。

（2）小型化和一体化技术。

小型化和一体化的直接效果是高可靠性、低成本和实用性，一体化设计包括星箭一体化、结构一体化，更高的目标是星地一体设计。

所涉及的技术十分广泛，主要有空间微机电技术、空间微光电技术、微纳技术、专用集成微器件、以及轻型高效电池研制技术和构建星体的新型复合材料技术等。

（3）卫星的自主能力。

包括自主导航和测控、自主解除星体异常、小卫星星群根据地面授予的任务自动调整构形。

提高卫星的自主能力可以在大大简化地面测控网的设计、节约系统费用的同时，提高测控的精度。

未来的发展趋势是采用智能计算机进行星上全面管理，实现卫星高度自主性。

利用结构自适应神经控制器随任意变化的情况自主改变算法，通过结构状况的监视和神经控制器的再配置，实现卫星结构的高度自主控制。

同时，尽量利用软件来实现硬件的功能，卫星软件可以在卫星飞行过程中不断升级，提高卫星的自主能力。

（4）编队飞行技术和虚似卫星。

虚拟卫星指由若干不同用途的小卫星按网络分布式概念组合，通过多颗卫星之间的协同来实现通信侦察和导航等任务的一种功能卫星，又被称为“网络卫星”虚拟卫星与Iridium系统和GPS系统有本质区别。

虚拟卫星可以利用微机电技术降低卫星的成本，通过卫星互联和功能分布，可以获得更好的性能，如雷达成像卫星通过互联获得大尺寸的等效孔径，得到高分辨力。

整个系统灵活性更强，容忍单点故障，并且通过改变各虚拟卫星之间的拓扑结构，重新组合，实时改变系统的性能指标，获得最适合当前任务的能力。

这都是大卫星所无法相比的。

高级编队飞行技术是实现虚拟卫星的一个主要关键
技术。

美国“21世纪卫星”计划TechSat21，将实现三维非线性编队飞行。

总之，现代小卫星将进一步扩大应用领域，采用更先进的技术，成本更低、研制周期更短、功能更强的现代小卫星将得到进一步的发展。

6 结束语
20年来的飞行实践证明，小卫星今后将继续发挥其优势和特点。

它将类似于上世纪70年代个人计算机的出现，从而引起当今世界信息革命和信息时代的到来。

同样地，小卫星技术的发展也将引起空间技术和空间应用一场巨大的变化。

今天对我们来说，小卫星没有过时，我们应该继续不断地提高小卫星本身的技术水平和深入研究与开拓小卫星在空间的应用。