微小卫星技术发展和应用前景

★前沿技术
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技术发展和应用前景
林来兴 （北京控制工程研究所）
1 概述
近年来，小卫星质量越来越小，发射数量越来
越多。

据统计，小卫星发射数量占全球航天器发射数量约70%，而小于50kg 的微小卫星占小卫星总数约80%，由此可见，小于50kg 的微小卫星已经开始成为发射的主流。

当前，微小卫星星座如雨后春笋涌现，微小卫星应用正处于蓬勃发展阶段。

2 微小卫星科学与技术飞行试验和编队飞行
微小卫星成本低，研制周期短，易获得飞行试
验结果，因此，约有1/3的微小卫星作为科学与技术飞行试验卫星，推动空间技术水平迅速提升。

“纳眼”飞行试验卫星
2012年，美国陆军空间与导弹防御部门提出研制“纳眼”(Nano Eye)飞行试验卫星，要求在300km 轨道高度提供优于0.5m 对地观测分辨率。

“纳眼”卫星成本低于500万美元，包括有效载荷、卫星平台、发射和运行操作费用。

有效载荷包含超轻量望远镜与相机，卫星质量为10kg，贮箱推力系统
为15kg。

卫星目前还处在研制和飞行试验阶段。

加拿大纳型卫星编队飞行
“先进航天试验纳卫星”（CanX-4/5）由加拿大空间局（CSA）资助、多伦多大学研制，两颗卫星前后相隔距离由1000m 调整到500m。

卫星质量为7kg，星上姿态控制系统由三轴磁力器、6个粗精太阳敏感器、3个速率陀螺和3个正交安装的反作用轮等组成，姿态控制精度为1°。

卫星轨道位置由GPS 接收机测量，精度为1m。

星上装有4个冷气推力器，速度增量为14m/s。

2014年，成功实现纳型卫星编队飞行自主控制飞行演示试验，保持编队飞行队形距离从1000m 到500m。

3 微小卫星优越性
21世纪以来，微小卫星得到飞快发展，得益于其以下优越性。

1）微小卫星大量应用于星座，这是最佳工作模式，因为其应用效益好，成本小，研制周期短，进入门坎低，易于吸收商家参加等；
2）微小卫星绝大部分采用市场现成电子商品，
微小卫星
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卫星组成的大型对地观测星座。

每颗卫星质量为37kg，轨道高度500km，覆盖全球。

星座分三期建成，第一期由16颗卫星组成，称为Aleph-1星座，重访时间为2h；第二期由100颗卫星组成，重访时间为15min；第三期由300颗卫星组成，重访时间为5min。

卫星数量与重访时间关系基本上成反比。

Aleph-1星座卫星已经于2017－2018年搭载中国长征-4火箭先后两次成功发射。

该公司计划2019年再发射13颗，预计2023年完成星座建设。

芬兰冰眼公司（ICEYE）于2018年12月成功发射一颗SAR 微型卫星。

该卫星是一颗飞行试验演示卫星，位于500km 高的太阳同步轨道，卫星质量为80kg,分辨率为3m。

冰眼公司计划2019年发射3颗SAR 卫星，最终计划创建由18颗微型卫星组成的SAR 星座，采用超轻型天线，卫星质量有望降到50～60kg，分辨率2～3m。

海运和天气监测
美国斯派尔公司（Spire）研制了由125颗3U 立方体卫星组成的卫星星座，名为“孤猴”（Lemur），用于海运和天气监测。

卫星质量为4kg，轨道高度为611km/696km，倾角为97.8°。

每颗卫星成本约40万～50万美元，整个星座成本约7000万～8000万美元。

“孤猴”卫星左右两侧设有可展开太阳帆板，顶上有4根可展开天线。

星上携带2个有效载
Aleph-1星座卫星示意图
荷：GPS 无线电掩星探测仪和船舶跟踪监测设备。

2015－2018年，“孤猴”卫星已成功发射83颗，预计到2020年全部部署完成。

5 微小卫星应用发展需要解决的问题
微小卫星今后要成为良好应用前景，必须解决
如下问题。

1)开发低价小型运载火箭，以适应当前微小卫星星座发展，因为大部分微小卫星没有推力系统，必须依靠末级火箭设有卫星轨道分配器，并且有轨道机动能力，能把卫星送到需要轨道位置。

2)研制微型推力系统，微小卫星发展到现在近20年历史，不能还处在初期状态，星上应配有推力系统。

技术指标:推力系统质量4～5kg，△V 为 50～60m/s。

3）研制超轻型可展开太阳帆板，提高光电转换效率和电源分系统功能密度集，需要设计太阳帆板具有俯仰角度变化功能，从而产生气动阻力差，用于保持星座位置。

4）开放商业航天市场，吸收民间投资，让微小卫星触手可及，据不完全统计，仅2017年全球民间航天投资有40多亿美元，中国占不到1/10。

通过上述办法，微小卫星将获得更加广泛应用，并且带来巨大的经济效益。

Lemur 卫星。