小卫星发展趋势及各种低轨卫星通信星座大盘点

航拍

1.当前小卫星发展概况       现代小卫星定义：广义小卫星在1000kg以下，狭义小卫星在500kg以下。自从上世纪80年代初期，国际上兴起小卫星热，至今近40年历史，据统计到2020年初已成功发射5000多颗，占同期全部航天器总发射量近2/3。       这些小卫星应用，现已包括几乎所有部门，除了大型有效载荷以外，例如中国暗物质粒子探测卫星(2015年12月发射),有效载荷重量1400kg，平台重量500kg，总共1.9吨；还有哈勃天文卫卫星。由此可见小卫星现在已经对空间技术和应用产生深刻影响。在此基础上讨论现代小卫星未来发展，首先在低轨卫星通信和对地观测领域引发一场技术大革命，其次波及其它领域，最后提出小卫星未来发展方向。  2. 低轨小卫星通信星座成为主流       在应用卫星领域，卫星通信应用范围最广；应用效果最大；收益/投资比最高；公众需求最多；通信卫星技术发展速度最快。上世纪卫星通信基本上采用地球同步轨道，其因有3：地球同步轨道既可实现区域通信（单颗卫星）也可全球通信（3颗卫星）；采用卫星数量少；虽然要求大火箭发射，但在冷战时期与大国发展武器相吻合。另者低轨道通信卫星星座还具有下列优势：1)通信发射功率低，比地球同步轨道低1000多倍；2)宽带服务延时仅有25毫秒；3)地面接收设备简单，使用方便；4)投资成本较低；5)发射方式简便等。       为此低轨小卫星通信星座已成为当前卫星通信最大热点，说明小卫星发展引发技术革命正在开始。据不完全统计,全球至少有20来个有名通信卫星公司,组成星座的卫星，多者上几万颗,少者也有几十颗,一般上百成千颗,其中SpaceX公司星链（Starlink）和一网星座进展最快，也是目前发射通信卫星最多。为了说明卫星通信正在开展一场技术大革命，下面举出典型实例：（1）Space X全球互联网大型星座       美国太空探索技术(Space X)公司计划创建全球互联网大型星座。2016 年第一次向美国联邦通讯委员会（FCC)申请发射4425颗小卫星,组成低轨通信卫星星座,采用Ku与Ka频段,三个月后又第二次申请7518颗小卫星,采用V 频段,总共1.2万颗小卫星,这两次都获得批准,称为星链（StarLink）星座，但是必须在2024年完成发射一半6000颗 发射任务,其余一半在年2030前完成。第三次又申请增加3万颗，总共4.2万颗卫星。这个疯狂计划，即超出人们想象，也超出实际的需要；是否公司企图抢占低轨卫星通信星座有利轨道和频段，或者还有其它目的。现在这里不讨论，待今后事实来说明。下面介绍第一次批准的4425颗小卫星星座，它具有一些实际意义，而且在2019-2020年已多次成功发射200多颗卫星，今后完成第一次计划（部分或全部）可能性较大。       第一次批准由4425颗小卫星组成星座,分两期建成,初期为1600颗，终期为2825颗，两期轨道和卫星分布参见表-1。表-1

参数	初期部署（1600颗）	终期（2825颗）
轨道面数	32	32	8	5	6
每个轨道面卫星数	50	50	50	75	75
高度	1150km	1150km	1130km	1275km	1325km
倾角	53°	53.8°	74°	81°	70°

       星链星座卫星质量为227kg，外形结构见图-1A所示，每次发射60颗,称为一组,由公司研制的火箭发射,星座卫星分布如图-1B,卫星以40度的最小仰角,对全球无缝覆盖。


     图-1A 工作卫星     

  图-1B 第一期星座卫星分布       根据第一次批准要求，4425颗小卫星组成星座，大约需要在2023上半年前完成发射,因为2024年前星链星座要求完成6000颗。为此在4年时间要完成第一次批准任务,平均每年要发射1千多颗卫星，包括卫星生产、卫星测试、卫星发射、组成星座和建设几万个地面信关站,这是一个非常巨大的工程,若与当前卫星生产和发射量相对比,前者提升几十到近百倍。      整个星链星座的卫星与发射费，以及几万个地面信关站费用,大约150亿美元右。（2）一网(OneWeb)大型星座       一网（One Web）公司计划创建卫星互联网星座，采用640颗卫星组成通信星座。由20个轨道平面，每个轨道平面分布30颗卫星，加上每个轨道平面必须有2颗备份卫星，总共640颗卫星，轨道为1200 km，卫星重120 kg。卫星通信为Ku波段，相控阵天线，采用星间链路。但在2018年7月，OneWeb出于监管原因决定不采用星间链路,取而代之的是全球40多个信关站，每个站都能连接到卫星。OneWeb卫星先发射到在500公里的高度一个近地轨道，然后自己提升到1200公里的运行轨道。2016年6月OneWeb与Arianespace签署了21枚联盟号火箭的合同，这些火箭将从库鲁、拜科努尔和沃斯托奇尼地区发射，每次发射36或34颗卫星。       一网星座在2019年已发射6颗工作试验卫星，2020年2月一网又成功发射正式工作卫星,采用联盟火箭,一箭34颗,OneWeb工作卫星外形结构见图-2A,卫星质量147kg。按计划大约每一个多月发射一次，预计在2021年完成一网640颗卫星星座初步部署，2022年提供覆盖全球的宽带通信服务。

图-2A  OneWeb工作卫星外形结构     一网卫星在星座中分布图见图2-B。最初估计每颗一网卫星50万美元 目前卫星重量增加,技术结构也複杂,成本会超过50万美元。

图-2B  One Web卫星互联网星座      OneWeb公司在完成648颗卫星任务后,后续计划将再发射1700颗，OneWeb星座增加到2400颗卫星，提高宽带互联网服务能力。现在OneWeb公司和铱星公司合并,从而提高公司竞争力。       除此以外，中国也在积极开展低轨卫星通信星座研制，例如虹云和鸿雁通信星座，两者分别属于航天科工和科技集团。虹云通信星座由156颗卫星组成一个宽带全球移动互联网络，每颗卫星重约500kg，运行在1000km的地球轨道上。卫星采用Ka波段通信，每颗卫星有4Gb 带宽的吞吐量。在 2018年12月用固体火箭成功发射实验卫星，其外形结构见图-3A。虹云通信星座计划于2022-2023年建成。鸿雁星座包含一个移动通信星座和一个宽带通信星座，其中移动通信星座将由数十颗窄带卫星组成，宽带通信星座将由数百颗宽带星组成，并辅以全球数据业务处理中心。鸿雁星座的建设分为两个阶段，一期工程由60余颗骨干卫星构成，优先提供全球移动通信业务和重点地区的宽带互联网业务；二期拓展为 300余颗补网卫星，将宽带业务也拓展至全球。鸿雁星座实验卫星重庆号在2018年12月成功发射，卫星外形构见图-3B。鸿雁星座公司设在重庆市两江新区。整个星座计划在2024年后完成。

图-3A 虹云卫星外形结构　

图-3B 鸿雁卫星（重庆号外形结构）3.对地观测领域开始技术大革命       本世纪初期对地观测领域开始实现技术大革命，体现在下列各部分;3-1 光学与微波对地观测       光学与微波对地观测几乎完全可由微型或纳型卫星来完成，时间分辨率取于卫星数量，需要任何时间分辨率都可以满足。空间分辨率光学与微波两种，光学实现小于50kg，分辨率0.5度。美国赫拉系统（Hera system）公司，近期计划开发100kg量级微小卫星，对地观测光学分辨率提升到0.22m。合成孔径雷达卫星，今后有望实现微型卫星分辨率0.5-1度，芬兰冰眼公司现在己发射5颗合成孔径雷达卫星，重量小于100kg，分辨率3-5度，美国卡佩拉空间公司已发射一颗实验合成孔径雷达卫星，重量40kg，分辨率为1度。       光学卫星重量与空间分辨率都优于合成孔径雷达卫星，但是每天只能工作8-9小时，合成孔径雷达卫星可以全天时全天候工作。       中国零重空间公司计划创建灵鹊星座，初期计划由132颗6U立方体星组成，光学分辨率优于4米，分别运行在500公里高度的太阳同步轨道(SSO)与低地球轨道(LEO)上。灵鹊星座设计有特点，以五颗卫星为一组的编队飞行模式，能够在对地球某一区域观测，实现幅宽加大、立体成像等多种模式，从而形成更丰富的数据产品类型。对重点区域实现30分钟重访时间，而覆盖全球实现12小时重访时间。       灵鹊星座初期每颗卫星均为6U立方体结构，重约10kg，配备RGB全彩空间相机。将来公司将为卫星配置全自主的先进电推和星间通信设备，卫星可在轨实行姿态、轨道机动和星间数据传输，这使得卫星具备较高的机动和协同工作能力。未来星座卫星数量增到378颗（卫星具体重量尚未公布），届时将实现对热点区域10分钟重访近实时观测效果。灵鹊星座实验卫星（灵鹊-1A）于2019年1月由固体火箭成功发射，卫星外形结构见图-4所示，完成星座建设预计在2023-2024年。

图-4　灵鹊星座实验卫星3-2  军用小卫星       美国应用小卫星为军事服务为全球之冠。最近美国国防计划局（DARPA）发起“黑杰克”（Blackjiack）项目，有三个主要目标：1）研发有效载荷和任务层面的自主软件，将采用分布式的在轨决策处理器，能够在轨进行数据处理，在轨自主运行并执行共同任务；2）运用先进的商业制造能力，比如使用商业现货（COTS）零部件，减少对每个航天器的筛选和验收测试，降低航天器生产周期；3）在低轨演示验证卫星有效载荷，其能力与当前地球同步轨道系统相当，而单颗卫星的成本低于600万美元。       项目最终目标是发展一种由60-200颗小卫星组成各种军用星座，这些小卫星分别为微小卫星，微型卫星，微纳卫星，取决于有效载荷大小与数量，轨道高度500-1300千米，可以满足各种军用要求。该项目计划在2020-2025年完成，图-5表示其中某一种卫星和星座外形结构图。       这些项目，若能胜利完成，可节约巨大经费，同时又快速满足各种军用卫星要求，改变以前过于倚重大卫星，因为大卫星易受攻击，安全性低。

图-5 “黑杰克”小卫星

小卫星在星座分布（右边）3-3 空间物联网       在2020-2025 年这段时间，世上要建立多个空间物联网星座，典型实例如下：1）太阳神线路(Helios Wire)空间物联网星座       加拿大太阳神线路公司计划组建空间物联网星座,由30颗16U立方体星组成,，用于实现空间物联网，有效克服地面物联网存在缺点，达到覆盖地域广，不受天气与地理条件影响，系统抗毁性强等，公司研制专用软件,从而使空间物联网用户在使用时 ,达到网络连通性和易用性,太阳神卫星外形结构见图-6所示。

图-6 太阳神卫星外形结构太阳神空间物联网星座使用30MHz的S波段频谱接收来自数十亿传感器的小数据包。2）希伯（Hiber）物联网星座       荷兰希伯卫星公司计划发射48颗卫星,组成物联网星座 ,卫星为6U立方体星,重量约10kg, 卫星外形结构见图-7所示。

图-7 希伯卫星外形结构       希伯物联网星座为全球提供低成本，低容量的数据物联网服务，发送小数据包：140个字符，包括时间标记；识别；位置。卫星轨道600km, 星座预计在2021年建成。3）中国私营九天微星公司物联网星座        公司计划在全球部署72颗小卫星，成为中国第一个商用低轨物联网星座，进行全球数据采集及重型资产监控，服务全球物资监控、智能物流、环境监控等多种物联网应用场景。       在2018年12月7日，公司成功发射“瓢虫系列”七颗实验卫星，其中一颗主星，重量为100kg，其中三颗6U立方体星与三颗3U立方体星为附星，详见图-8。

图-8 “瓢虫系列”七颗实验卫星       物联网星座部署完成后，可服务于物流运输、重型机械、固定资产、农林牧渔等多个领域，与地面电信网络一起，在全球范围内，特别是无地面网络覆盖区域(海陆空天)的各类资产提供“万物智联”的实时通信服务。整个星座计划2022年建成。       根据对物联网调查研究分析结果：物联终端达到百万个以上，建立星座才不亏本，几百万个以上有赢利，几千万到上亿个将有大赢利。预计在2021年以后，将出现这种赢利局面。3-4 气象卫星--温室气体卫星       温室效应对生态系统和人类生活与工作产生严重影响，主要控制排放量，二氧化碳和甲烷，通过微纳星座近实时对全球进行观测，加拿大多伦多大学研制GHGSat卫星（参见图-9所示），该星经过飞行验证，性能达到要求，计划创建温室气体卫星星座，由10颗卫星组成，轨道高度515公里。每颗重量15kg，有效载荷6kg，覆盖全球重访时间十几小时，2020年开始发射２颗，预计星座在2022年左右建成。

图-9 GHGSat卫星       概括起来以上这些实例的技术水平和应用效果，估计将提升一个数量级左右。4.小卫星未来发展方向       当今世上计算机和航天都在向两端（向大与向小）发展，对航天来说，向小也是向小卫星。小卫星未来发展对国民经济和军事应用，绝大部分都能得到满足，而且投资小效果大。为此概括起来一句话：未来小卫星将推动革命，这是在美国犹他大学2019年8月第33届小卫星会议主题词，“推动革命”，它包含多方面内容：首先引发空间技术一场大革命，其次对人类工作方式和人类生活状态的改善等．实现这个目标，小卫星未来需要对下列问题，进行开发和研究,并要求保持小卫星低成本特点。  （1）微型推进器       根据目前推进器技术，为未来小卫星开发微型推进器， 最为可能也最有前途的是电推进器，特别是霍尔推进器。       日本东京大学研制水离子推进器，采用6U立方体星，重量8kg，△Ⅴ为1km/s（2019年在实验室已达到△Ⅴ为505m/s），推力为0.226Ｎ， 比冲384s，功耗36.5w，推进剂1kg，最后将达到预定技术指标。今后研制微型电推进器，应分挡进行，以满足各类型小卫星要求：1）速度增量为100m/秒，功耗为10w，重量为0.8kg；2）速度增量为100m-1km/秒，功耗为15w，重量为1.5kg；3）速度增量为1km-2km/秒，功耗为2５w，重量为3-5kg。　（2）微型星上电源系统　       研究项目：超轻型可展开折叠式太阳帆板；高转换效率太阳电池片；轻型锂蓄电池等。技术要求：在实现计算机最佳电源系统使用分配条件下，电源系统（功率300-500w）要求占整星重量＜3%；（3）发展小卫星设计原则       设计原则为有效载荷为主，平台为附，但也不是要求每个有效载荷要设计一个平台。像立方体星目前已经成功组合到30个，这样既适合有效载荷为主，也适用平台，又符合小卫星设计原则。这适合微纳卫星（50kg以下）。对小卫星来说，应开发研究一种智能化灵活组合平台，可便于适应有效载荷；对有效载荷设计要求低功耗，轻型紧凑结构，还要求考虑现有平台一些特点；（4）延长小卫星寿命       当前一些卫星发射成本相当于与卫星等重的黄金的价值，而工作寿命仅有2-3年时间，瑞士手表可用40-50年，这一方说明空间环境恶劣，另一方面也要求，卫星寿命延长。低轨道（500km-1000km）小卫星寿命希望能达到7-8年。方法与途径：软件采用自修复功能，硬件不采用多重备分，这样导致卫星重量加大，成本提高，而是开发研究一种先进智能化结构组合，以及采用一些自修复材料，如柔性层合板、聚氨酯复合材料、金属材料和半导体聚合物等，星体外形设计达到气动阻力最小。有条件情况下，可以采用推进器提升轨道高度，延长卫星寿命；（5）小卫星最佳应用模式--多星联合工作       多星联合工作，目前主要星座与编队飞行两种模式，星座主要增加覆盖区域，对地观测提高时间分辨率，对通信可以达到无缝覆盖，星座中各颗卫星完全相同，目前应用小卫星组成星座，使用非常普遍。开展最佳星座设计原则研究，要求达到同样覆盖效果，使用星数最小。       编队飞行和星座有很大区别，编队飞行可构成空间应用的一种新概念--虚拟卫星，由若干颗卫星以分布方式构成编队飞行，共同观测一个目标,其功能为任何一颗大卫星也无法达到；（6）提高小卫星生产流水线速度       将来小卫星星座发展数量越来越多，每个星座卫星数量，少者几十颗，多者上百上千颗。必须提高小卫星出厂率。在本世纪初期，全球星（GlobalStar）在意大利罗马建一条生产流水线，每周生产1-2颗全球星；目前一网小卫星生产流水线，每天生产1颗小卫星，现又在新建两条流水生产线；SpaceX公司每次发射量小卫星60颗，整个星座计划10年建成，流水生产线每天至少也要生产7-8颗小卫星，小卫星生产流水线产量要大幅度提高，最终也使小卫星成本降底。       小卫星生产流水线要求卫星结构组成标准化，模块化，上流水线卫星的分系统与部件质量要确保。（7）研制小型运载器与降低发射费用       研制低价小型运载器，满足各类小卫星需要，运载能力3-5吨，小卫星绝大部分发射到低轨，发射费用争取比现在降低1-2倍，也可采用固体火箭，其特点发射间隔很短，发射点可机动，这些非常适合军用要求。现在国内外已有十多家在研制小型运载器。另外有条件，可利用退役火箭，经适当改造，用大型运输机升空，然后再由火箭把卫星送入轨，其特点仅用普通机场就可发射。       已经发展起来大火箭，可以采用一箭多星发射，多至上百颗以上，要求末级火箭入轨，负责把小卫送至星座需要位置。       发展多种发射方式，最终目的降低发射费，便于更好发展各种小卫星。5.结束语       上世纪出现三项技术将改变人类未来命运：计算机，核能，航天。计算机发展速度最快，它已经深刻改变人类的现实生活与工作，核能发展最慢（可能与放射性有关），航天通过小卫星技术发展，已经从“高技术、高投资、高风险”,走出来，经过近40年飞快发展，首先在卫星通信对地观测领域引发一场技术大革命，然后广泛快速全面波及，从而说明小卫星未来发展，也将像计算机那样，改变人类命运，提高人民工作水平，改善人民生活状态。
写在后面的话

最近的二十年来，微小卫星重新兴起，并且快速发展，在一些领域中产生了颠覆性的影响。我非常有幸在这个蓬勃发展的时期参与到这项事业中来。早在我还是学生的时期就已经看过不少林来兴先生的论文、著作。正式在卫星行业工作后，也一直看到他关于微小卫星技术、分布式卫星编队组网技术等方面的文章，自己的发表的论文也多次引用他的文章。后来逐渐了解到林老先生其实是已快90高龄，之前一直是863相关领域专家，长期以来一直关注微小卫星的发展。作为一个在微小卫星领域工作的后辈，看到林老先生以此年纪在这前后十余年里一直持续高产，写出大量关于微小卫星的文章（在知网搜索林老，粗粗数过都有几十篇），真的可谓是不忘初心。此次有机会经推荐，在我这个小小平台和大家分享林老先生近期创造的这篇文章，与我也真的是一种荣幸。

来源：宇聊


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