文|北京空間科技信息研究所 何慧東

立方體衛(wèi)星應用發(fā)展研究

文|北京空間科技信息研究所 何慧東

立方體衛(wèi)星（CubeSat）自概念提出以來取得了快速的發(fā)展，從早期的技術試驗發(fā)展到如今的大規(guī)模商業(yè)應用。目前，每年發(fā)射的立方體衛(wèi)星數(shù)量保持在100顆以上，并保持快速增長的趨勢，全球有超過100家研究機構、公司、學校研制或正在研制立方體衛(wèi)星。

立方體衛(wèi)星的概念在1999年由加州州立理工大學（CalPoly）和斯坦福大學聯(lián)合提出，目的是提供一種標準的納衛(wèi)星設計，從而降低成本、縮短研制時間，更便于發(fā)射入軌，并保持較高的發(fā)射頻率。立方體衛(wèi)星每個標準尺寸單元稱為1U，其內(nèi)核尺寸為10cm×10cm×10cm，質(zhì)量不超過1.33kg，衛(wèi)星可以按照一定的規(guī)則進行規(guī)格遞增，常見的立方體衛(wèi)星規(guī)格包括1U、1.5U、2U、3U等（見圖1）。

隨著立方體衛(wèi)星技術能力的提升，其研制發(fā)射成本低、生產(chǎn)應用周期短、可批量化生產(chǎn)的特點逐漸展露出來，立方體衛(wèi)星的應用也日漸增多。現(xiàn)在，立方體衛(wèi)星已經(jīng)超越了過去對其技術試驗衛(wèi)星的定位，在對地觀測、通信、科學與技術試驗等多個應用領域都發(fā)揮了獨特的作用。

一、立方體衛(wèi)星發(fā)射情況統(tǒng)計分析

自1999年提出立方體衛(wèi)星概念以來，立方體衛(wèi)星取得了快速的發(fā)展。截至2016年6月30日，全球共發(fā)射立方體衛(wèi)星481顆，從應用領域看，對地觀測衛(wèi)星191顆，通信衛(wèi)星20顆，科學衛(wèi)星41顆，技術試驗衛(wèi)星151顆，工程教育衛(wèi)星78顆。對地觀測和技術試驗是兩個應用最大的領域，總量超過發(fā)射數(shù)量的70%（見圖2）。

從歷年發(fā)射數(shù)量上看，自2002年到2012年，立方體衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量穩(wěn)步增長，從2013年起出現(xiàn)大幅增長，并保持在歷史較高水平。從運營商類型和衛(wèi)星用途看，所有481顆衛(wèi)星中，軍用衛(wèi)星55顆，民用衛(wèi)星45顆，大學158顆，商用衛(wèi)星223顆。商業(yè)公司和大學是立方體衛(wèi)星的兩大類運營商，衛(wèi)星數(shù)量占總數(shù)的近80%。

從立方體衛(wèi)星的規(guī)格看，1U以下立方體衛(wèi)星2顆，1U衛(wèi)星140顆，1.5U衛(wèi)星33顆，2U衛(wèi)星24顆，3U衛(wèi)星279顆，6U衛(wèi)星3顆。1U和3U立方體衛(wèi)星占絕大多數(shù)，達總數(shù)的87%。

二、立方體衛(wèi)星應用現(xiàn)狀

1.對地觀測領域?qū)崿F(xiàn)業(yè)務應用

對地觀測是立方體衛(wèi)星目前取得最大發(fā)展的領域，已經(jīng)從能力試驗階段發(fā)展到了業(yè)務應用階段。相對大型高分辨率對地觀測衛(wèi)星，立方體衛(wèi)星在空間分辨率、指向精度、數(shù)據(jù)傳輸速率等性能上存在較大差距，但由于其成本低、研制周期短、可批量部署的特點，組成星座后系統(tǒng)具有全球覆蓋、高重訪率的特性，對于需要對各種參數(shù)進行日常監(jiān)測的用戶而言具有很大的意義，因而，對地觀測立方體衛(wèi)星取得了快速的發(fā)展，全球各公司提出了鴿群（Flock）、陸地制圖（Landmapper）、Perseus-O、狐猴（Lemur）、PlanetiQ等星座計劃。

美國行星（Planet）公司是在互聯(lián)網(wǎng)理念驅(qū)動下創(chuàng)建的新興商業(yè)航天公司，其商業(yè)運營的核心是利用低軌道星座采集全球近實時更新數(shù)據(jù)，提供氣候監(jiān)測、農(nóng)作物產(chǎn)量預測、城市規(guī)劃和災害管理等領域相關的數(shù)據(jù)分析服務，而非傳統(tǒng)的微納衛(wèi)星制造和圖像銷售業(yè)務。

Planet公司開展了大規(guī)模的Flock系列對地觀測衛(wèi)星制造、部署和應用（見圖3）。Planet公司的主要業(yè)務是設計和制造3U立方體衛(wèi)星，構建低軌遙感星座，獲取全球近實時更新的中分辨率遙感衛(wèi)星圖像，并提供數(shù)據(jù)分析和處理服務。Flock星座單星采用3U立方體衛(wèi)星設計，尺寸為10cm×10cm×30cm，具有可展開太陽翼，質(zhì)量約5kg，運行在300～800km高度的低地球軌道，光學成像分辨率約為3～5m。截至2016年6月30日，Planet公司進行了3次試驗性發(fā)射，將4顆鴿子（Dove）技術試驗衛(wèi)星送入軌道，以及11次業(yè)務星發(fā)射，成功發(fā)射了135顆Flock業(yè)務衛(wèi)星。

天鷹航天（Aquila Space）公司計劃建設由30顆立方體衛(wèi)星組成的Landmapper星座，其中包括10顆6U的烏鴉-廣覆蓋（Corvus-BC）衛(wèi)星和20顆非標準的16U的烏鴉-高清晰（Corvus-HD）衛(wèi)星，衛(wèi)星設計壽命5年。Corvus-BC和Corvus-HD兩種衛(wèi)星能夠充分互補，Corvus-BC衛(wèi)星地面采樣分辨率22m，衛(wèi)星每天可覆蓋4000萬km2的土地，用于重訪感興趣的區(qū)域；Corvus-HD衛(wèi)星分辨率為2.5m，具有在藍、紅、綠、近紅外、紅外5個譜段成像的能力，衛(wèi)星成像更清晰但幅寬略窄，每天能夠覆蓋900萬km2土地，能夠?qū)Ω信d趣的區(qū)域進行確認。Aquila Space公司負責Corvus衛(wèi)星制造。Landmapper星座計劃在2016—2019年以2～4顆為一組發(fā)射進入軌道，Landmapper星座建設完成后將每天產(chǎn)生2TB的數(shù)據(jù)，數(shù)字宇航（Astro Digital）公司負責對傳回地面的數(shù)據(jù)進行處理和分析。

斯派爾（Spire）公司的主要業(yè)務是研發(fā)“高頻率、高精確度”氣象衛(wèi)星系統(tǒng)，利用衛(wèi)星收集數(shù)據(jù)，提供商業(yè)氣象和海事服務。Spire公司計劃利用Lemur星座收集天氣數(shù)據(jù)，填補美國天氣數(shù)據(jù)的空檔。Lemur-2系列衛(wèi)星是3U立方體衛(wèi)星，單星質(zhì)量4kg，衛(wèi)星的軌道高度低于650km。Lemur-2衛(wèi)星搭載有STRATOS無線電掩星有效載荷和SENSE自動識別系統(tǒng)（AIS）有效載荷。Lemur衛(wèi)星利用STRATOS載荷記錄并定期提供全球范圍高保真的溫度、壓力、濕度等數(shù)據(jù)，把這些數(shù)據(jù)輸入氣象模型，就能得到精確的天氣預報。目前，Spire公司共發(fā)射了12顆Lemur-2衛(wèi)星，按計劃公司要將星座規(guī)模擴大到100顆以上，改善氣象預報的準確性。

2.通信領域初步具備應用能力

美國陸軍實施了空間與導彈防御司令部-作戰(zhàn)納衛(wèi)星效果（SDMC-ONE）立方體衛(wèi)星計劃，SMDC-ONE衛(wèi)星為3U立方體衛(wèi)星，尺寸為10cm×10cm×30cm，質(zhì)量約為4.5kg，全部采用商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）器件，衛(wèi)星運行壽命超過12個月，使用了UHF-VHF頻段的通信收發(fā)機。SMDC-ONE星座的目標是演示快速設計和研制軍用低成本航天器的能力，驗證地面無人值守傳感器將數(shù)據(jù)通過SMDC-ONE衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心的能力，以及為戰(zhàn)術終端提供實時話音和短報文通信的能力。

空間與導彈防御司令部納衛(wèi)星計劃（SNaP）是SMDC-ONE的后續(xù)計劃，SNaP衛(wèi)星質(zhì)量為5kg，數(shù)據(jù)率是SMDC-ONE衛(wèi)星的5倍，采用3U立方體衛(wèi)星設計（見圖4）。此外，SNaP衛(wèi)星具備推進能力，在天頂方向安裝了4塊可展開太陽電池陣，在天底方向有4副UHF頻段天線。SNaP任務的目的是開發(fā)軟件定義無線電，向偏遠地區(qū)的用戶提供超視距通信，增強對高價值信息的獲取能力。

Spire公司的Lemur-2星座同樣也開展AIS海事應用。Lemur-2衛(wèi)星上搭載的SENSE自動識別系統(tǒng)（AIS）有效載荷是其兩大主要有效載荷之一，星座通過AIS跟蹤全球海域的船舶，應用于海事搜救、打擊海盜、打擊非法捕魚、貿(mào)易監(jiān)控、全球供應鏈管理、港口管理、海洋態(tài)勢感知、保險權責鑒定等。

丹麥GOMSpace公司的主要業(yè)務是制造納衛(wèi)星和立方體衛(wèi)星，提供相關部件和分系統(tǒng)，并利用天基基礎設施開展商業(yè)服務。GOMSpace公司2013年和2015年先后研制了2顆廣播式自動相關監(jiān)視（ADS-B）立方體衛(wèi)星——GOMX-1和GOMX-3（見圖5）。GOMX-1發(fā)射后更名為天基監(jiān)視全球空中交通感知和優(yōu)化系統(tǒng)（GATOSS），采用2U立方體衛(wèi)星規(guī)格，質(zhì)量2kg，衛(wèi)星攜帶了高靈敏度的軟件定義無線電（SDR）有效載荷，能夠接收跨洋航線飛機發(fā)射的ADS-B信號，提供對全球空中交通狀況的感知能力，并為空中交通管理提供支持。GOMX-3衛(wèi)星采用3U規(guī)格，將演示ADS-B信號接收能力。

Dunvegan航天系統(tǒng)（DSS）公司正在開發(fā)比特衛(wèi)星（BitSat）通信衛(wèi)星星座，星座由深空工業(yè)公司制造，包括24顆3U立方體衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星質(zhì)量4kg，最大功耗18.5W，運行壽命5年，采用S頻段通信，數(shù)據(jù)上行和下行速率達1Mbit/s（見圖6）。衛(wèi)星每次過頂能夠與地面站維持15分鐘通信，每天每顆衛(wèi)星對地面站過頂4～14次，平均一天24顆衛(wèi)星將對全球地面站過頂超過100次，提供連續(xù)的全球覆蓋。根據(jù)計劃，衛(wèi)星將在2017年開始發(fā)射，首先部署4顆衛(wèi)星，之后逐步部署后續(xù)衛(wèi)星。

BitSat星座基于開放平臺設計，重點提供空間通信、數(shù)據(jù)處理、存儲和廣播能力，這種模式將擴展天基云計算的應用范圍。金融是BitSat星座的一個重要應用，系統(tǒng)針對比特幣和密碼通信進行了優(yōu)化，每顆衛(wèi)星都能夠在軌保持整個區(qū)塊鏈，保存比特幣完整的交易記錄，并作為重要的節(jié)點為地面比特幣網(wǎng)絡提供備份。BitSat星座還能為付費用戶提供專用數(shù)據(jù)存儲和通信服務，用戶將敏感數(shù)據(jù)存儲在BitSat系統(tǒng)上，實現(xiàn)與潛在攻擊的物理隔離，確保數(shù)據(jù)安全。

隨著微電子技術和通信設備的快速發(fā)展，立方體衛(wèi)星已經(jīng)初步具備了通信應用能力。相對大型地球靜止軌道通信衛(wèi)星和其他中低軌道通信衛(wèi)星星座，立方體衛(wèi)星的通信能力存在明顯差距，但其具有快速響應發(fā)射部署等特點，適用于為戰(zhàn)區(qū)提供軍事通信服務，且適用于通信市場的細分領域，例如專用存儲和通信網(wǎng)絡、AIS、ADS-B服務等，這些市場總份額相對較小，同時對通信能力的要求不高，使用立方體衛(wèi)星系統(tǒng)具有更高的效費比，這也是促進通信領域立方體衛(wèi)星發(fā)展的重要原因。

3.科學和技術試驗領域擴展應用范圍

MinXSS是科羅拉多大學大氣層與空間物理實驗室（LASP）研制的科學衛(wèi)星，任務重點關注太陽閃耀和活躍區(qū)，測量0.4keV～30keV范圍的軟X射線光譜密度，分辨率優(yōu)于0.15keV。MinXSS-1衛(wèi)星項目耗時4年，2015年發(fā)射至國際空間站，并在2016年從國際空間站釋放入軌。第二顆衛(wèi)星MinXSS-2計劃于2017年發(fā)射至壽命更長的極軌道。

美國軍事和民用航天機構都針對開展技術試驗的微小衛(wèi)星提出了支持計劃。美國國家航空航天局航天技術任務部（STMD）推出小衛(wèi)星技術計劃（SSTP），計劃的主要目標是識別和支持新型小衛(wèi)星系統(tǒng)和分系統(tǒng)技術的發(fā)展，提升小衛(wèi)星的能力，重點支持全新的革命性的技術，提升其技術成熟度等級，并使用小衛(wèi)星測試和驗證未來可以應用于更大型衛(wèi)星的相關技術和能力，降低最新技術的成本、風險、復雜性和研發(fā)時間。SSTP計劃內(nèi)的立方體衛(wèi)星任務包括立方體衛(wèi)星抵近操作演示驗證（CPOD）、愛迪生小衛(wèi)星網(wǎng)演示（EDSN）、綜合太陽電池陣和反射陣列天線（ISARA）、節(jié)點（Nodes）、激光通信和遙感器演示（OCSD）、手機衛(wèi)星（PhoneSat）等。大學納衛(wèi)星計劃（UNP）由美國空軍聯(lián)合多家機構共同管理，支持各大學開展衛(wèi)星設計與制造競賽，UNP計劃的目標是訓練未來的航天領域從業(yè)人員，每個項目為期4年，支持大學開展小衛(wèi)星的研發(fā)、集成和飛行測試。自1999年起，將近4500名大學生和33個研究機構參與這項計劃，UNP計劃內(nèi)的立方體衛(wèi)星任務包括極立方衛(wèi)星（PolarCube）、低軌姿態(tài)相關機動和碎片監(jiān)測儀器（ARMADILLO）。

群落（Colony）系列立方體衛(wèi)星是美國國家偵察局（NRO）利用立方體衛(wèi)星作為平臺開展的新技術驗證計劃。美國國家偵察局首批訂購了12顆立方體衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星采用3U規(guī)格，尺寸為30cm×10cm×10cm，質(zhì)量4kg。計劃的初期對高光譜傳感器、標準化姿態(tài)控制系統(tǒng)、無線電頻率模塊和無結(jié)構天線陣技術進行驗證，降低偵查衛(wèi)星的研制風險。

立方體衛(wèi)星在科學和技術試驗領域得到廣泛的應用，包括空間物理探測、天文學研究、地球科學研究、太空生物學研究，以及新型系統(tǒng)、分系統(tǒng)、有效載荷試驗等。利用立方體衛(wèi)星開展科學應用，能夠通過組網(wǎng)探測的方式提供全新的視角，同時在多個位置對某一參數(shù)進行測量，拓展科學應用的認識。立方體衛(wèi)星還能夠低成本、快速地為新技術提供在軌驗證機會，降低研發(fā)風險，提高使用效益，提高技術的成熟度等級和可用性，促進新技術向應用方向發(fā)展。

三、立方體衛(wèi)星應用能力提升原因分析

1.立方體衛(wèi)星填補各應用領域需求缺口

在對地觀測領域，國土資源管理、氣象預報、農(nóng)業(yè)管理、火災監(jiān)測等應用需要對特定區(qū)域快速更新數(shù)據(jù)，而對圖像的分辨率要求并不高，立方體衛(wèi)星星座具有高重訪率，短時間內(nèi)實現(xiàn)全球覆蓋，能夠滿足這類業(yè)務需求。在通信領域，山地區(qū)域通信信號可能被地形遮擋，作戰(zhàn)部隊需要借助戰(zhàn)術通信衛(wèi)星實現(xiàn)戰(zhàn)區(qū)通信，立方體衛(wèi)星具有快速響應能力，根據(jù)需要快速發(fā)射入軌并組成通信星座，在特殊區(qū)域提供通信能力，為現(xiàn)有衛(wèi)星通信體系提供能力補充。在科學和技術試驗領域，目前的發(fā)射機會有限，等待周期長，立方體衛(wèi)星能夠提供快速和價格低廉的入軌機會，便于各機構進行空間科學實驗或提升相關技術和系統(tǒng)的成熟度。此外，大學等機構也有利用立方體衛(wèi)星開展工程教育、培養(yǎng)航天技術人才的需要，學生能夠通過參與項目獲得直接的衛(wèi)星設計、研制、運行的工程經(jīng)驗。以上這些需求缺口為立方體衛(wèi)星的發(fā)展提供了重要契機。

2.立方體衛(wèi)星性能提升支持更多類型應用

隨著微小型化技術的進步，立方體衛(wèi)星單星性能取得顯著提升，衛(wèi)星供電能力從瓦級提升到十瓦級，星上處理器從8～16位單片機發(fā)展到32位芯片級處理器，姿態(tài)控制從被動控制發(fā)展到三軸穩(wěn)定控制，軌道控制能力從無到有，通信系統(tǒng)從最早的UHF/VHF頻段擴展到S/X/Ka/激光等多個頻段，數(shù)據(jù)率從kbit/s級提升到Mbit/s級。盡管單顆立方體衛(wèi)星效能相對大型衛(wèi)星存在很大差距，但其效能的提高仍促進了其作為平臺開展多種應用。此外，通過部署立方體衛(wèi)星星座，利用星座實現(xiàn)對多個位置的近實時探測，能夠改變過去的探測模式，以全新的視角觀測地球和人類的活動，提升對地球的認知，增加對重要活動和事件（船舶航行、飛機飛行、火災等）的監(jiān)測能力。

3.成本優(yōu)勢推動立方體衛(wèi)星廣泛應用

立方體衛(wèi)星研制和運行成本低廉，例如MinXSS-1科學衛(wèi)星的設計、制造、AIT及運行費用總計為100萬美元，而OCSD衛(wèi)星研發(fā)及運營費用約360萬美元。在發(fā)射成本方面，由于立方體衛(wèi)星質(zhì)量小，其發(fā)射成本也很低，例如火箭實驗室（Rocket Labs）公司電子（Electron）火箭發(fā)射1U立方體衛(wèi)星的價格為7～8萬美元，發(fā)射3U立方體衛(wèi)星的價格為20～24萬美元。小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈向更完整的方向發(fā)展，出現(xiàn)了火箭實驗室公司、螢火蟲（Firefly）公司等提供小衛(wèi)星專用發(fā)射服務，以及KSAT公司、Leaf Space公司等提供小衛(wèi)星專用地面站，開展運管服務。立方體衛(wèi)星能夠以低成本方式獲得配套服務，避免與大衛(wèi)星競爭發(fā)射、運管、頻率等資源。

4.政策環(huán)境良好支持立方體衛(wèi)星推廣

各國對立方體衛(wèi)星的發(fā)展提供了良好的發(fā)展政策環(huán)境。美國國家海洋與大氣管理局商業(yè)遙感管理事務辦公室為商業(yè)遙感系統(tǒng)頒發(fā)許可證，目前已經(jīng)為數(shù)十個立方體衛(wèi)星計劃頒發(fā)了許可證。歐盟出資支持了“QB50”計劃，將一次發(fā)射50顆立方體衛(wèi)星進入低地球軌道，實現(xiàn)對低熱層大氣（90～300km）進行探測。美國國家航空航天局還推出了立方體衛(wèi)星發(fā)射計劃（CSLI），通過CSLI計劃選擇立方體衛(wèi)星項目并在教育納衛(wèi)星發(fā)射任務（ELaNa）中發(fā)射入軌。新興航天國家也借助立方體衛(wèi)星開展技術試驗等航天活動，新加坡發(fā)射了維洛斯（VELOX）系列立方體衛(wèi)星，幫助大學生獲取設計、制造和運行衛(wèi)星的工程實踐經(jīng)驗，同時驗證平臺各分系統(tǒng)和有效載荷的功能，進行星間通信演示。

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