Overview of Microsatellite Characteristics and Application Development

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Zhou Yuzhe

(China Center for Information Industry Development, Beijing, 100846)

Abstract: Microsatellites classification and spectrum usage status are introduced. Then, the technical characteristics and application area of microsatellites are studied. Finally, future microsatellites development direction is provided.

Keywords: microsatellite; technical characteristics; application area; business model; satellite internet

1 基本概念

1.1 分类

从发展历程看,微小卫星可分为传统类和现代类。航空航天发展的初期,受火箭运载能力及航天技术水平限制,发射的卫星重量低、体积小、功能少,一般称为传统微小卫星。随着微电子技术和制造技术的进步,卫星小型化进程加快,现代微小卫星具有重量低、体积小、功能堪比普通大卫星等特点。

目前,国内外对微小卫星的定义并不统一。国际上大多根据卫星重量对小型卫星进行分类,不同国家或研究机构划分标准也不尽相同。曾有少数提出以卫星功率等参数作为微小卫星的分类依据。随着对小型卫星研究的不断深入,仅以重量作为类型划分依据并不合理,因此有研究机构产生了微小卫星功能密度的概念,即平均每千克卫星质量所能提供的某项功能指标。在此基础上,国际电联也提出了对微小卫星重量、功率、成本等主要参数的类型划分标准,见表1。 1.2 使用频率

微小卫星主要涉及卫星间业务、空间操作业务、卫星移动业务、卫星地球探测业务、空间研究业务、卫星气象业务和卫星业余业务等无线电业务。目前,微小卫星使用的频率集中在3MHZ-33GHZ (HF、VHF、UHF、L、S、C、X、KU、KA等)频段。

我国微小卫星使用的频段主要集中于测控的S频段以及卫星业余业务、空间操作业务的UHF、VHF频

段[1]。随着微小卫星技术的不断发展和创新,以及

新的应用需求也在不断扩展微小卫星的无线电业务领域和使用频率范围。

2 微小卫星技术特性

微小卫星在传统卫星技术的基础上,采用全新

设计思路,利用微加工、微制造技术,从而进一步提高了微小卫星的功能密度。微小卫星的组成结构与大型卫星类似,但同时又具备重量轻、体积小、发射灵活、性能好、成本低等技术特征。微小卫星与传统大卫星典型特征的对比见表2。

表2 2.1 轻小型化

与重达几吨的普通卫星相比,微小卫星重量只有克至百千克的量级。这得益于轻型复合材料、微电子、微光电、微型计算、微型机械及高精尖加工等高新技术的发展。微电子技术、微光电技术、微型计算技术、微型机械及加工技术和集成化应用为微小卫星的小型化提供了重要技术前提。而轻型复合材料技术以及微型技术的集成化应用为微小卫星的轻型化的发展奠定了基础。

2.2 成本降低

微小卫星成本降低有三个主要原因:一是轻小型化带来的技术和材料成本节约;二是平均发射成本降低,通过一箭多星技术大幅度降低了每颗微小卫星的发射费用;三是生产研制周期缩短,减少了

项目投资。传统卫星的研制周期一般需要5年左右,

而且项目投资大、发射费用高、项目风险大。微小卫星研制过程主要采用先进成熟的技术,采用现成的集成化器件,以及科学、合理的管理手段,使得微

小卫星的研制周期一般为15~30个月,研制成本大

大降低。普通卫星研制、发射给发展中国家带来的成本投入压力,使得微小卫星逐渐成为国际航天市场的新宠,为发展中国家积极参与地球外层空间活动提供了有利条件。

2.3 部署灵活

由于微小卫星的体积小、重量轻,其发射方式也更加灵活。微小卫星可以作为大卫星的附属物一起发射,也可以是几十甚至上百个微小卫星搭载同一个火箭一齐发射,即一箭多星技术。运载和发射 工具包括火箭、导弹、空间飞行器等,发射地点可以为地面、大气层或太空平台。微小卫星灵活发射的特点,使卫星网络的快速部署能力和鲁棒性能大大增强。例如,可以根据需求随时发射微小卫星到指定区域进行工作。通过利用大量微小卫星组成冗余备份,当某颗卫星失效或摧毁时,能够快速补充卫星。虽然单颗微小卫星功能受限、单一,通过多颗微小卫星组成卫星星座或编队[2]进行网络部署,

可以实现甚至超越同等质量的大型卫星所能提供的功能。例如多个微小卫星组成立体化的卫星网络可以完成单颗大卫星难以完成的引力场测量、太空探测等多种航天任务,可大幅缩短对目标的重访周期,实现近实时(例如每10分钟更新一次)连续观测和成像等。

2.4 其他特点

微小卫星通常不会单独发射,且对于轨道没有特殊要求,其发射方式可以跟随搭载大卫星一起发射或者通过一箭多星的方式集体发射。因此,微小卫星一般只有在确定发射方式(例如运载火箭)后,才能明确轨道参数,这就给卫星网络申报和协调带来了不便。

众所周知,卫星的动力能源决定了卫星的使用寿命。由于微小卫星重量和尺寸的限制,微小卫星一般没有动力装置或者只有有限的能源可以用于推进和变轨机动。因此,微小卫星在成功发射进入预定轨道后,其在轨机动、姿态控制、位置保持能力存在明显不足。由于微小卫星一般没有姿态控制能力,卫星多采用全向天线,因此产生的无线电干扰也较多。

3 微小卫星应用领域

随着微小卫星技术和性能的提升,微小卫星在军事、商业和科研领域同步发展。

3.1 军事应用

以信息化为主要特征的新型作战模式正在驱动国际军事航天发展转型。微小卫星在降低成本,补充抗毁能力等方面与传统卫星相比具有绝对优势,又具备系统组网灵活、发射灵活快捷等特点,能够按需支撑作战,特别适用于局部战争和信息化战争,具有巨大军事效益。目前,微小卫星在军事领域

的应用正在从技术验证实验向装备化部署过渡,在

侦察监视、空间对抗[3]、战术通信、战术欺骗等多个

实战领域进行拓展,也开始在主战场之外提供战略支援服务等。例如,美国发布《全球地平线:美国空军全球科学技术愿景》,提出未来微小卫星将成为改变空间领域规则重要因素。因此,美国开展了一系列微小卫星空间作业等关键技术实验,探索了微小卫星空间作战、空间侦察和电子压制等应用。俄罗

斯发布《2030年前武器装备与军事技术主要发展

方向》,认为俄罗斯面临的主要军事威胁之一是主要国家加紧发展航天技术,特别是以微小卫星为基础的。因此计划有针对性的优先发展空天防御武器装备,例如反卫星武器。微小卫星在军事攻防和战略战术支援领域具有广泛的应用前景。

3.2 商业应用

随着微小卫星能力的不断提升,微小卫星数量不断增长,并进入专业化、实用化发展阶段,商业应

用领域不断扩展。2017年,全球共发射微小卫星310颗,占同期入轨航天器总数的70.5%。继2015年和2016年连续两年回落后,2017年微小卫星发射数量

翻倍增长,处于历史最高点。微小卫星的商业应用主要集中在遥感、通信等领域,且商用微小卫星的创新模式也在不断涌现。

微小卫星通过对地观测和光学遥感设备载荷实现在地理、水文、气象、测绘、资产管理等方面的广泛应用。对地观测和遥感微小卫星视频成像能力已达到米级的分辨率,且卫星星座规模也在不断扩大,面向各类用户提供商业服务。例如,海空资产管

理可通过星载船只自动识别系统(AIS)和广播式自动相关监视系统(ADS-B)对船舶和航空器进行全

球的实时识别、跟踪与监控,扩大管控覆盖范围,提升水上和空中交通安全和运管效率。

低轨移动通信微小卫星星座建设加速,目前

提出的微小卫星星座计划已超过30个,而且仍在增加。例如,Spacex公司计划发射4425颗小型低成本低轨道卫星以及7500颗甚低轨道卫星打造全球卫

星互联网。各航天大国和卫星企业都在加速部署微

小卫星互联网[4],提供远程监测、通信定位和智能

数据采集等物联网应用,并进行了大规模产业内外融资,这将重塑卫星通信产业的格局。

3.3 科研创新

随着微小卫星在工程技术培训、技术实验和试 验领域发挥了越来越重要的价值,民用微小卫星发射数量也在不断上升。民用微小卫星主要由高校、科研院所和企业运营,绝大多数民用微小卫星使用卫星业余业务频率。据统计,约60%的微小卫星用于教育、科学技术研究和创新应用的实验等,主要包括大气探测、天文探测、太空垃圾清理、航天器维修等新技术试验。民用微小卫星的研制周期和寿命较短、发射组网随机且灵活、生产研制成本低等特点为微小卫星相关技术升级、新增应用、更新设备等提供了更加方便快捷的渠道。微小卫星凭借其独特的技术优势,可以作为传统大卫星网络和功能的补充,在未来将具有较高的应用潜力和价值。

4 发展展望

随着全球微小卫星产业的发展,微小卫星在技术和应用上都不断深化和拓展。目前,微小卫星正在商业模式、投资主体和技术升级等方面进行着深刻的变革。

4.1 商业模式持续创新

随着微小卫星系统提供业务能力的不断提升,商业资本已经大量投入到微小卫星的相关应用领域。国际上已有多家互联网企业和新型商业微小卫星公司进入了航天应用领域,纷纷提出“卫星互联网”等商业微小卫星星座计划,通过将航天技术与云计算、大数据、5G等信息通信技术相结合[5],发

展新型的商业低轨对地观测系统和卫星移动通信网络。不仅如此,这些企业还积极发展面向用户定制化、专业化需求的创新应用服务,填补传统大卫星网络应用对偏远地区和非热点地区的覆盖漏洞等,不断催生全新的商业化运营模式,促进国际商业微小卫星产业的进一步成熟。

4.2 投资主体多元发展

微小卫星技术的不断成熟和相关标准的不断完善,将逐步降低企业进入航天领域的资质门槛和投

入成本[6],将使微小卫星的参与主体和发展力量更

加多元化,政府资本,以及商业投资、众筹等民间资本将使微小卫星相关产业的投资模式和投资主体呈现多元化发展。同时,微小卫星的发展将使航天领域不再只是大国的游戏,中小国家和地区、中小企业、甚至是创业团队都能独立研制微小卫星并开展

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