□ 林來興 羅 鷹

未來是否可以像寫信一樣訂制一顆小衛(wèi)星

對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的分辨率重訪時(shí)間

小衛(wèi)星在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從單顆小衛(wèi)星，到小衛(wèi)星星座和分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)編隊(duì)飛行，從小衛(wèi)星采用全新的推進(jìn)劑等先進(jìn)的技術(shù)，到采取創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思想，未來小衛(wèi)星將有優(yōu)于大衛(wèi)星的功能和成本效益，其發(fā)展前景將無法估量。

未來小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展原則

科學(xué)家預(yù)測(cè)，小衛(wèi)星的未來發(fā)展將有十大原則：

一、更換小衛(wèi)星信息結(jié)構(gòu)，時(shí)刻保持和快速發(fā)展的信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)同步，甚至在某些方面超前應(yīng)用。要改變現(xiàn)有航天器在信息技術(shù)方面往往落后5年~8年的狀態(tài)。

二、采用分布式系統(tǒng)，特別是發(fā)展具有創(chuàng)新應(yīng)用的小衛(wèi)星編隊(duì)飛行。采用相互密切，協(xié)同工作的多顆小衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)稀疏合成孔經(jīng)（幾十米到幾千米）。

三、能源和信息傳輸不再按以前那樣花費(fèi)沉重質(zhì)量來獲得，而是改由空間傳輸。

四、采用電磁力和電推進(jìn)來代替化學(xué)推進(jìn)。當(dāng)然，這些電磁力和電推進(jìn)的功耗與質(zhì)量需要符合小衛(wèi)星要求。

五、采用先進(jìn)納米技術(shù)，微米機(jī)電系統(tǒng) (MENS)和納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）。

六、采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航星座來為星上提供時(shí)標(biāo)、位置、速度與姿態(tài)測(cè)量信息。

七、充分運(yùn)用微星、納星和皮星的空間飛行演示驗(yàn)證，從而迅速促進(jìn)小衛(wèi)星分類中各種小衛(wèi)星（例如：微星，納星，皮星等）逐級(jí)提升替換。

八、不斷提高小衛(wèi)星功能密集度，包括提高有效載荷與整星比重和小衛(wèi)星分系統(tǒng)與部件功能密集度。

九、設(shè)計(jì)和研制低成本、高可靠性、批生產(chǎn)的公共部件，以及系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化模塊。未來小衛(wèi)星將開始實(shí)現(xiàn)F6的功能模塊和設(shè)計(jì)思想。

十、在可能情況下，實(shí)現(xiàn)空間消耗品的回收，保持地球軌道環(huán)境的干凈。

未來小衛(wèi)星的應(yīng)用預(yù)測(cè)

在2025年之前，對(duì)地觀測(cè)（包括光學(xué)和微波）地面分辨率有望提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)地分辨率的提高和重訪時(shí)間縮短將有非常明顯的改變。如對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的分辨率重訪時(shí)間圖所示：在圖中分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)由目前幾米地面分辨率和20小時(shí)~30小時(shí)的重訪時(shí)間，將提高到分辨率優(yōu)于1米，少于幾小時(shí)的重訪時(shí)間，將來進(jìn)一步發(fā)展可接近實(shí)時(shí)。預(yù)計(jì)在2年后，可首先實(shí)現(xiàn)小衛(wèi)星分辨率1米，質(zhì)量200千克左右，每顆造價(jià)1500萬美元，由10顆衛(wèi)星組成的星座可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，重訪時(shí)間為1天，做到每日成像。全球陸地面積約5億平方千米，每平方千米每日成像1米分辨率，其成本為30美分。這可滿足民用絕大部分的要求，對(duì)軍用也有巨大意義，而且經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)很輕。

sseti-express-1(歐洲學(xué)生皮衛(wèi)星）

日本小衛(wèi)星xi-4

可能今年搭載在長四乙火箭發(fā)射的vesselsat-2-1重29千克

ION-F編隊(duì)飛行示意圖：這三顆衛(wèi)星之間的間距為2千米，其軌道參數(shù)為：高度370千米、傾角51.6度、壽命為約4個(gè)月、速度7.37千米、周期90分鐘

全球數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信，主要將由納型衛(wèi)星組成星座來承擔(dān)。

在今后若干年全世界將完成數(shù)十項(xiàng)小衛(wèi)星編隊(duì)飛行空間實(shí)驗(yàn)和技術(shù)演示驗(yàn)證，它們包括地球軌道，太陽系各行星軌道和拉格朗日平動(dòng)點(diǎn)軌道。若這些項(xiàng)目演示驗(yàn)證成功的話，則將來太陽系各行星空間探測(cè)任務(wù)，將大部分由小衛(wèi)星編隊(duì)飛行來承擔(dān)。再進(jìn)一步轉(zhuǎn)向地球軌道小衛(wèi)星編隊(duì)飛行，因?yàn)榈厍蜍壍谰庩?duì)飛行所需要關(guān)鍵技術(shù)，估計(jì)那時(shí)已經(jīng)獲得初步解決。

研究人員和衛(wèi)星框架

在地球同步軌道衛(wèi)星編隊(duì)飛行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高分辨率光學(xué)成像。由于軌道高度離地面3.6萬千米，采用普通光學(xué)成像，則需要光學(xué)口徑30米~40米，僅相機(jī)質(zhì)量近十噸，單顆衛(wèi)星是無法實(shí)現(xiàn)。若采用編隊(duì)飛行，有望能把這個(gè)理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。這個(gè)理想主要目標(biāo)是實(shí)時(shí)高分辨率對(duì)地觀測(cè)，特別對(duì)軍用具有重大意義。

預(yù)計(jì)每隔五六年將有可能進(jìn)行一次升級(jí)替換：微星替換小衛(wèi)星；納型衛(wèi)星替換微型衛(wèi)星；立方體星替換納星。雖然在各應(yīng)用領(lǐng)域升級(jí)替換不盡完全相同，但是隨著小衛(wèi)星技術(shù)不斷發(fā)展和功能提高，升級(jí)替換一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，現(xiàn)代小衛(wèi)星將逐漸替換目前一部分質(zhì)量在1000千克~2000千克量級(jí)的大衛(wèi)星。將來除了空間站、載人飛船和一些特殊用途的航天器以外，類似目前功能的大衛(wèi)星數(shù)量將逐漸減少。今后空間技術(shù)和應(yīng)用也會(huì)按“摩爾定律”去發(fā)展。

發(fā)展“納星/立方體”（Nanosat/Cubesat）技術(shù)。主要應(yīng)用于研究開發(fā)新技術(shù)與研制新衛(wèi)星空間演示驗(yàn)證。

相關(guān)鏈接

ION-F 電離層觀測(cè)納星

ION-F 電離層觀測(cè)納星編隊(duì)由三顆重量為10千克的納星組成，是由華盛頓大學(xué)、猶他州大學(xué)和維吉尼亞工藝學(xué)院聯(lián)合開發(fā)的一個(gè)電離層測(cè)量項(xiàng)目，其科研目標(biāo)是探索電離層密度結(jié)構(gòu)及其對(duì)無線電波的影響。星上裝備有等離子體阻抗探測(cè)器、電子飽和流探測(cè)器，分別用于測(cè)量等離子體的絕對(duì)和相對(duì)密度。另外，還備有GPS裝置以提供衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間位置信息。電源子系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的太陽電池板和商用鎳鎘電池組成，衛(wèi)星外表面都覆蓋著太陽電池板。衛(wèi)星采用的新技術(shù)包括微推進(jìn)器、磁控制、系繩布署、衛(wèi)星之間交互式通信、以及國際互聯(lián)網(wǎng)操作等。

ION-F計(jì)劃最基本的任務(wù)是調(diào)查電離層對(duì)天基雷達(dá)和衛(wèi)星的分布式系統(tǒng)的影響。還將要驗(yàn)證衛(wèi)星編隊(duì)飛行和星間通信，包括從三星增加為四星編隊(duì)飛行時(shí)的情況，以及先進(jìn)的空間分布式系統(tǒng)，包括m-脈沖等離子體推進(jìn)器、萬向節(jié)式磁姿態(tài)控制裝置、先進(jìn)的系繩系統(tǒng)。另外還要開發(fā)一個(gè)以國際互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的衛(wèi)星控制中心，使得各個(gè)大學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)在本校內(nèi)獨(dú)自控制自己的衛(wèi)星，為學(xué)生、研究人員、工程師提供航天操作體驗(yàn)。

ION-F計(jì)劃標(biāo)志

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)呈六邊形，直徑45厘米，配置可以根據(jù)需要改變