立方體衛(wèi)星發(fā)展及應(yīng)用分析

文|何慧東 北京空間科技信息研究所

隨著“新航天”大門打開，立方體衛(wèi)星（CubeSat）作為一類新型航天器，取得了爆發(fā)式發(fā)展，已經(jīng)成為衛(wèi)星體系中的重要組成部分。立方體衛(wèi)星具有通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點，一方面，顯著降低了航天活動的門檻，新興航天力量借助立方體衛(wèi)星開展航天活動；另一方面，其低成本、短周期的特點，為新技術(shù)驗證、商業(yè)航天發(fā)展提供了重要平臺。目前，立方體衛(wèi)星已經(jīng)超越了過去對其技術(shù)試驗衛(wèi)星的定位，進入了全面應(yīng)用階段。

一、立方體衛(wèi)星總體發(fā)展情況

立方體衛(wèi)星是一種規(guī)格化的納衛(wèi)星，該概念在1999年由加州州立理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)聯(lián)合提出，目的是提供一種標(biāo)準(zhǔn)的納衛(wèi)星設(shè)計方案，從而降低成本、縮短研制時間，便于發(fā)射入軌、保持較高的發(fā)射頻率。立方體衛(wèi)星每個標(biāo)準(zhǔn)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，成為更大的立方體衛(wèi)星（圖1）。

圖1 常用立方體衛(wèi)星規(guī)格

1.立方體衛(wèi)星發(fā)射情況

目前，全球有超過100家研究機構(gòu)、公司、學(xué)校研制了或正在研制立方體衛(wèi)星。截至2018年底，全球共發(fā)射1017顆立方體衛(wèi)星，占發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)的11.35%；立方體衛(wèi)星部署數(shù)量實現(xiàn)跨越式增長，尤其是最近兩年，立方體衛(wèi)星占據(jù)當(dāng)年部署衛(wèi)星總數(shù)的近半，已經(jīng)成為衛(wèi)星體系中的重要組成部分。

從衛(wèi)星規(guī)格看，全球部署的1017顆立方體衛(wèi)星中，1U衛(wèi)星189顆，1.5U衛(wèi)星50顆，2U衛(wèi)星80顆，3U衛(wèi)星631顆，6U衛(wèi)星55顆，其他規(guī)格的衛(wèi)星12顆。1U和3U立方體衛(wèi)星占絕大多數(shù)，達總數(shù)的81%。

從技術(shù)領(lǐng)域看，立方體衛(wèi)星已經(jīng)超越了過去對其技術(shù)試驗衛(wèi)星的定位，在對地觀測、通信、科學(xué)、技術(shù)試驗、深空探測、空間安全等多個應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮了獨特的作用。其中，對地觀測和技術(shù)試驗是兩個應(yīng)用最廣的領(lǐng)域。

2.立方體衛(wèi)星發(fā)展階段

根據(jù)對立方體衛(wèi)星每年發(fā)射總數(shù)、研制單位的統(tǒng)計，可以將立方體衛(wèi)星的發(fā)展劃分為四個階段：

第一階段，立方體衛(wèi)星概念的提出。1999年立方體衛(wèi)星的概念提出后，美國宇航公司、圣克拉拉大學(xué)、斯坦衛(wèi)星公司（Stensat）研制并發(fā)射了皮衛(wèi)星（PicoSat），對立方體衛(wèi)星技術(shù)進行了早期試驗，主要測試了衛(wèi)星釋放機構(gòu)，并觀測衛(wèi)星上的微型機電系統(tǒng)在軌長期存儲后的工作能力。

第二階段，科學(xué)和工程教育立方體衛(wèi)星在大學(xué)應(yīng)用。2003年起，大學(xué)開始應(yīng)用立方體衛(wèi)星開展工程教育和科學(xué)任務(wù)，并且在長達10年的時間內(nèi)在立方體衛(wèi)星的應(yīng)用上處于主導(dǎo)地位，占當(dāng)年所有立方體衛(wèi)星數(shù)量的一半以上。目前，大學(xué)仍是立方體衛(wèi)星的主要使用者之一。

第三階段，技術(shù)試驗立方體衛(wèi)星獲得政府機構(gòu)支持。2006年起，政府民用部門和軍事部門開始逐步應(yīng)用立方體衛(wèi)星作為技術(shù)試驗平臺，開展先進技術(shù)的在軌試驗工作：美國國家航空航天局（NASA）推出了小衛(wèi)星技術(shù)計劃，美國多家機構(gòu)聯(lián)合推出了大學(xué)納衛(wèi)星計劃，支持開展納衛(wèi)星相關(guān)試驗。利用立方體衛(wèi)星開展技術(shù)試驗，具有低成本、周期短的優(yōu)勢，能夠快速提高新系統(tǒng)新技術(shù)的技術(shù)成熟度等級，降低風(fēng)險。

第四階段，立方體衛(wèi)星向?qū)嵱没l(fā)展。2012年起，立方體衛(wèi)星的商業(yè)應(yīng)用開始逐步展開，并且從2014年起，商業(yè)立方體衛(wèi)星數(shù)量大幅增長，成為數(shù)量最多的一類立方體衛(wèi)星。多家公司推出了大規(guī)模立方體衛(wèi)星星座計劃，規(guī)模達到數(shù)十顆甚至上百顆，這些系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)從設(shè)計進入了研制和部署階段，開展包括成像、氣象、自動識別系統(tǒng)等多種類型的業(yè)務(wù)，為現(xiàn)有系統(tǒng)提供了有力的補充。

可以預(yù)見，立方體衛(wèi)星大規(guī)模應(yīng)用的趨勢將繼續(xù)保持，大學(xué)活躍參與研制和運行立方體衛(wèi)星，政府機構(gòu)持續(xù)發(fā)展民用和軍事用途的科學(xué)和技術(shù)試驗立方體衛(wèi)星，更多的商業(yè)星座將開啟全面建設(shè)。

二、立方體衛(wèi)星實現(xiàn)全面應(yīng)用

目前，立方體衛(wèi)星對地觀測、通信等應(yīng)用全面展開，并逐步在導(dǎo)航增強、空間安全和深空探測領(lǐng)域推廣。

1.立方體衛(wèi)星在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用

盡管相對大型高分辨率對地觀測衛(wèi)星，立方體衛(wèi)星在單星性能上存在差距，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，這對于需要對各種參數(shù)進行日常監(jiān)測的用戶具有重要意義。因此，對地觀測立方體衛(wèi)星取得了快速發(fā)展，全球各公司提出了“鴿群”（Flock）、“陸地制圖”（Landmapper）、“狐猴”（Lemur）、“普奈蒂克”（PlanetiQ）等星座計劃。

隨著微電子技術(shù)和通信設(shè)備的快速發(fā)展，立方體衛(wèi)星已經(jīng)初步具備了通信應(yīng)用能力。盡管立方體衛(wèi)星通信容量低于大型地球靜止軌道通信衛(wèi)星和其他中低軌道寬帶通信衛(wèi)星星座，但立方體衛(wèi)星具有不易被發(fā)現(xiàn)、戰(zhàn)時快速響應(yīng)發(fā)射部署等特點，適用于為戰(zhàn)區(qū)提供軍事通信服務(wù)。此外，在通信市場的細分領(lǐng)域，如專用存儲和通信網(wǎng)絡(luò)、自動識別系統(tǒng)、廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）服務(wù)等，使用立方體衛(wèi)星系統(tǒng)具有更高的效費比。典型立方體衛(wèi)星項目見表1。

表1 典型立方體衛(wèi)星項目

續(xù)表1

2.立方體衛(wèi)星快速驗證空間安全關(guān)鍵技術(shù)

立方體衛(wèi)星體積小、機動靈活，具備快速響應(yīng)能力，適合開展對空間中的目標(biāo)開展監(jiān)視、接近、檢查、對接等活動。目前，國外開展了多項立方體衛(wèi)星的態(tài)勢感知和交會對接的應(yīng)用能力驗證項目。

可操作精化星歷表天基望遠鏡（STARE）立方體衛(wèi)星（圖2左）由勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）研制，為3U立方體衛(wèi)星，可對距離200km的空間目標(biāo)進行探測，最終實現(xiàn)利用低地球軌道小衛(wèi)星星座來觀測空間碎片。

激光通信和遙感器演示（OCSD）系統(tǒng)由2顆1.5U立方體衛(wèi)星組成（圖2右），驗證光學(xué)通信、微小衛(wèi)星相對導(dǎo)航與控制兩大關(guān)鍵技術(shù)。在光通信方面，項目演示利用激光通信從立方體衛(wèi)星對地傳輸大數(shù)據(jù)量信息的技術(shù)，提高星地傳輸數(shù)據(jù)量。在相對導(dǎo)航與控制系統(tǒng)技術(shù)方面，兩顆衛(wèi)星在星載GPS位置和速度測量信息的引導(dǎo)下，通過軌道機動接近到相距200m以內(nèi)；衛(wèi)星利用冷氣推進器的組合操作改變位置，并借助太陽翼的收展改變衛(wèi)星氣動截面，調(diào)節(jié)大氣阻力；當(dāng)兩顆衛(wèi)星近距離接近后，利用雷達單元的測距，并利用光流傳感器進行橫向運動探測。

圖2 STARE（左）和OCSD（右）衛(wèi)星項目示意圖

立方體衛(wèi)星抵近操作演示驗證（CPOD）項目由泰瓦克（Tyvak）公司研制，由2顆3U立方體衛(wèi)星組成（圖3左）。兩顆衛(wèi)星釋放入軌后，通過自主在軌處理及導(dǎo)航制導(dǎo)控制軟件算法，驗證多種交會操作場景的操作能力，一顆衛(wèi)星將圍繞另一顆衛(wèi)星開展一系列的環(huán)繞機動，以測試并獲取傳感器系統(tǒng)在軌運行特性，之后兩星接近，并通過對接機構(gòu)完成連接。

維修衛(wèi)星-原型（RSat-P）為美國海軍學(xué)院衛(wèi)星實驗室研制的3U立方體衛(wèi)星（圖3右），安裝2部7自由度機械臂，每部機械臂臂長60cm，驗證利用立方體衛(wèi)星抵近、觀測、操縱其他衛(wèi)星的能力。在進行維修等操作時，RSat-P的一部機械臂抓住目標(biāo)航天器，另一部機械臂開展高精度的操作活動。

圖3 CPOD（左）和RSat-P（右）衛(wèi)星項目示意圖

3.立方體衛(wèi)星在月球探測任務(wù)中逐步推廣

NASA計劃在2020年實施的“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）搭載獵戶座載人飛船首飛任務(wù)中，搭載發(fā)射12顆立方體衛(wèi)星開展科學(xué)探索任務(wù)，例如：“月球電筒探測器”將在月球表面搜尋水冰；“近地小行星探測器”將對小行星進行近距離探測；“生物哨兵探測器”將研究深空輻射對DNA和DNA修復(fù)機制的影響等。

歐洲航天局（ESA）發(fā)起探月立方體衛(wèi)星挑戰(zhàn)賽，“月球隕石撞擊探測器”（Lumio）和“月球揮發(fā)物和礦物測繪軌道器”（VMMO）兩個項目最終獲勝。Lumio為12U立方體衛(wèi)星，運行在地月L2點附近，從月球遠端探測月球夜間明亮的隕石撞擊閃光，并繪制隕石撞擊的全貌，提升對隕石撞擊模式的理解。VMMO同樣是12U立方體衛(wèi)星，將聚焦月球南極附近永久陰影區(qū)，繪制沙克爾頓環(huán)形山的高分辨率水冰圖；并在飛越陽光充足地區(qū)時測繪礦物等月球資源，監(jiān)測背光地區(qū)的冰和其他揮發(fā)物的分布情況，以了解在長達兩周的月夜中凝結(jié)物在月表的遷移情況；同時測量月球輻射，為月球移民積累數(shù)據(jù)；衛(wèi)星搭載激光器開展光通信實驗，通過高帶寬激光鏈路將數(shù)據(jù)發(fā)回地球。

4.立方體衛(wèi)星在火星探測領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破

2018年，美國成功發(fā)射“洞察”（InSight）火星探測器，并隨同發(fā)射2顆立方體衛(wèi)星“火星立方一”（MarCO－A/B）（圖4），這是立方體衛(wèi)星首次執(zhí)行深空探測任務(wù)。

圖4 MarCO衛(wèi)星在軌示意圖

MarCO衛(wèi)星緊隨“洞察”獨自飛行，在“洞察”火星著陸器進入、下降和著陸期間，衛(wèi)星從距離火星3500km處飛越火星，利用折疊高增益天線為著陸器提供中繼服務(wù)。MarCO的主要目標(biāo)是測試新的小型深空通信設(shè)備，并首次在深空測試立方體衛(wèi)星技術(shù)，驗證立方體衛(wèi)星在未來太陽系探測的工作方式，使其可以成為未來火星著陸器的“黑匣子”，幫助工程師理解著陸火星的困難過程。MarCO－A/B由噴氣推進實驗室（JPL）研制，總花費約為1850萬美元，兩者將執(zhí)行相同的功能以形成互補和備份。星上攜帶的高增益X頻段天線為平板反射陣，能夠以較低功耗實現(xiàn)地火之間的信息傳輸。

三、立方體衛(wèi)星發(fā)展分析

1.立方體衛(wèi)星為現(xiàn)有航天體系提供重要補充

隨著微小型化技術(shù)的進步，立方體衛(wèi)星單星性能取得顯著提升，已用于滿足對地觀測、通信、科學(xué)和技術(shù)試驗等領(lǐng)域需求缺口，為傳統(tǒng)的衛(wèi)星系統(tǒng)提供性能補充，填補傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)難以覆蓋到的細分領(lǐng)域。例如，立方體衛(wèi)星星座能夠提供高重訪、全球覆蓋的成像能力，滿足國土資源管理、氣象探測、農(nóng)業(yè)評估、火災(zāi)監(jiān)測等用戶的特殊需求；在戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中，能夠為山地區(qū)域提供通信信號，支持一線部隊作戰(zhàn)；同時，能夠以低風(fēng)險的方式開展各類新概念、新技術(shù)、新系統(tǒng)在軌演示驗證，快速提升相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)的成熟度。此外，以立方體衛(wèi)星為代表的小衛(wèi)星能夠為各國軍事航天體系提供補充，增強系統(tǒng)彈性，應(yīng)對空間安全威脅；大學(xué)等機構(gòu)也利用立方體衛(wèi)星開展工程教育、培養(yǎng)航天技術(shù)人才。

2.成本優(yōu)勢促進立方體衛(wèi)星取得廣泛應(yīng)用

立方體衛(wèi)星成本優(yōu)勢明顯。在發(fā)射方面，火箭實驗室公司（Rocket Lab）“電子”（Electron）火箭發(fā)射1U立方體衛(wèi)星的價格不到10萬美元；衛(wèi)星制造方面，每顆“普羅米修斯”通信立方體衛(wèi)星的成本不到10萬美元，“群落”（Colony）系列技術(shù)試驗立方體衛(wèi)星每顆約為25萬美元。立方體衛(wèi)星研制商通過大量采用商用現(xiàn)貨，能夠?qū)r間精力集中在與任務(wù)相關(guān)的研制上，降低研制成本和減少任務(wù)研發(fā)時間。引入批量制造技術(shù)，通過流水線規(guī)?；a(chǎn)，可進一步提高效率、降低研制成本。依托全球航天產(chǎn)業(yè)鏈，立方體衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)也逐步向更完整的方向發(fā)展，專用發(fā)射服務(wù)、專用地面站等配套服務(wù)能力持續(xù)改善，為立方體衛(wèi)星發(fā)展提供更多便利。

3.政策和資金支持為立方體衛(wèi)星營造良好發(fā)展環(huán)境

各國為立方體衛(wèi)星的發(fā)展提供了良好的發(fā)展政策環(huán)境和資金支持。美國國家海洋與大氣管理局空間商業(yè)化辦公室通過改善航天投資環(huán)境、促進政府采購商業(yè)航天產(chǎn)品與服務(wù)，促成了眾多立方體衛(wèi)星項目孵化。美國空軍聯(lián)合多家機構(gòu)支持了大學(xué)納衛(wèi)星計劃，支持各大學(xué)開展衛(wèi)星設(shè)計與制造競賽，計劃中的立方體衛(wèi)星任務(wù)包括極立方衛(wèi)星、低軌姿態(tài)相關(guān)機動和碎片監(jiān)測儀器。NASA還推出立方體衛(wèi)星發(fā)射計劃（CSLI），通過立方體衛(wèi)星發(fā)射計劃選擇立方體衛(wèi)星項目并在教育納衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)（ELaNa）中發(fā)射入軌。在市場運作上，多家公司提出的立方體衛(wèi)星星座計劃得到了資金支持。新興航天國家也借助立方體衛(wèi)星開展技術(shù)試驗等航天活動，一方面開展航天工程教育和系統(tǒng)在軌試驗，另一方面建立了與國內(nèi)外相關(guān)團體之間的合作關(guān)系。