小衛(wèi)星的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及發(fā)展方向

小衛(wèi)星的現(xiàn)狀、特點(diǎn)及發(fā)展方向（張祥根）
    自1957年10月蘇聯(lián)發(fā)射“斯魯特尼號(hào)”小型人造地球衛(wèi)星以來，隨著衛(wèi)星功率、
通信和探測(cè)能力不斷提高，衛(wèi)星越做越大，空間運(yùn)行著一些15噸左右的情報(bào)衛(wèi)星，
商用地球同步衛(wèi)星的重量也高達(dá)5噸左右。然而，自80年代起，為了實(shí)現(xiàn)中軌道（M
EC）和低軌道（LEO）衛(wèi)星應(yīng)用，衛(wèi)星又越做越小�？茖W(xué)家們正考慮重新制造像“斯
普特尼號(hào)”那樣大小的衛(wèi)星，只是每顆衛(wèi)星都將擁有巨大的計(jì)算能力，能數(shù)十顆乃
至數(shù)百顆相互連接，組成星座或星網(wǎng)，對(duì)地球全時(shí)域和全空域覆蓋，實(shí)現(xiàn)通信、情
報(bào)、偵察、監(jiān)測(cè)和科學(xué)觀測(cè)等各種應(yīng)用。
    據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1985年至今，全球共發(fā)射300多顆衛(wèi)星，形成17個(gè)星座，其中有272
顆小衛(wèi)星。研究人員正設(shè)想在不久的將來，發(fā)射用于不同星體之間相互聯(lián)系的微型
衛(wèi)星星座和納米衛(wèi)星星座，如美國(guó)航宇局戈達(dá)德航天飛行中心正研制由多顆10kg重
衛(wèi)星組成的星座，以便在同一時(shí)間從不同位置，對(duì)太陽(yáng)和地球之間的相互作用進(jìn)行
研究。小衛(wèi)星正以其成本低廉、機(jī)動(dòng)靈活、便于更新和應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，受到世界
許多國(guó)家的關(guān)注。
1世界小衛(wèi)星的現(xiàn)狀
    現(xiàn)代小衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱小衛(wèi)星）包括：納米衛(wèi)星（1～20kg）、微型星（2～
100kg）、小衛(wèi)星（100～250kg）和小型衛(wèi)星（250～500kg），其特點(diǎn)是任務(wù)單一、
具有可貯存性、快速檢測(cè)和發(fā)射迅速。
    世界上現(xiàn)代小衛(wèi)星的用途首先是軍用，少部分民用。
1.1通信、導(dǎo)航衛(wèi)星
    建立中（MEO）、低（LEO）軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，尤其是用于話音與數(shù)據(jù)通信的低軌
道系統(tǒng)，已成為90年代各國(guó)空間技術(shù)、軍用和民用的核心問題，也是世界小衛(wèi)星技
術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前，主要的小衛(wèi)星星座有：銥星（Iridium），含66顆，每顆重
690kg；全球星（GlobalStar），含48顆，每顆重454kg；LEO ONE，含48顆，每顆
重125kg；ORB－COMM，含48顆，每顆重42kg。
1.2對(duì)地觀察衛(wèi)星（遙感衛(wèi)星）
    1991年，美國(guó)戰(zhàn)略防御倡議組（SDIS）發(fā)射了第一顆遙感軍用小衛(wèi)星，重75kg
的LOSAT－X，裝有有效載荷多光譜成像儀。 1994年，SDIS改為彈道導(dǎo)彈防御組織
（BMDO），發(fā)射了第二顆“小型化敏感器技術(shù)集成衛(wèi)星（MSTI－2），成功地跟蹤
了“民兵”洲際導(dǎo)彈和2枚小火箭的發(fā)射試驗(yàn)。1997年，重212kg的MSTI－3發(fā)射成
功，它可以對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射進(jìn)行紅外探測(cè)和制導(dǎo)跟蹤。
1.3空間科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星
    1989年，英國(guó)薩瑞大學(xué)開始發(fā)射小衛(wèi)星，至今已發(fā)射了10多顆。這些小衛(wèi)星除
了進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通信和簡(jiǎn)單的對(duì)地觀測(cè)外，有相當(dāng)部分是作空間科學(xué)試驗(yàn)，如宇宙
線、空間粒子、紅外線試驗(yàn)，低能量電子檢測(cè)、電子溫度和磁強(qiáng)測(cè)量等。
1.4技術(shù)試驗(yàn)
    小衛(wèi)星的許多新技術(shù)和新應(yīng)用都可以在成本低的小衛(wèi)星上進(jìn)行有效試驗(yàn)，如：
一體化設(shè)計(jì)、微電子與微機(jī)械應(yīng)用、高密度功能集成和衛(wèi)星群組網(wǎng)聯(lián)絡(luò)等。
2中國(guó)的小衛(wèi)星正在興起
2.1科學(xué)試驗(yàn)小型衛(wèi)星
    “實(shí)踐5號(hào)”：重300kg，于1999年5月10日發(fā)射入軌，壽命為三個(gè)月。主要任
務(wù)：空間輻射環(huán)境。單粒子效應(yīng)和空間流體的科學(xué)試驗(yàn)，小衛(wèi)星平臺(tái)計(jì)算機(jī)星務(wù)管
理、三軸穩(wěn)定和S波段測(cè)控體制的技術(shù)試驗(yàn)。
2.2對(duì)地觀測(cè)小衛(wèi)星
    “清華一號(hào)”：重100 kg以下。主要任務(wù)：環(huán)境和災(zāi)害監(jiān)測(cè)、民用特種通信和
科普教育。它是國(guó)家即將實(shí)施“8顆星減災(zāi)預(yù)報(bào)系統(tǒng)”的一顆示范衛(wèi)星，由清華大
學(xué)與英國(guó)薩瑞大學(xué)聯(lián)合研制。
    “探索一號(hào)”光學(xué)遙感小衛(wèi)星：重250kg。主要任務(wù)：光學(xué)遙感觀察，有效載
荷為CCD相機(jī)，姿態(tài)對(duì)地、對(duì)日定向。由哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制。
    “海洋一號(hào)”小型衛(wèi)星：重350kg，衛(wèi)星載荷有10波段水色掃描儀一臺(tái)和CCD相
機(jī)一臺(tái)，由中國(guó)空間技術(shù)研究院研制。
2.3數(shù)據(jù)通信
    “創(chuàng)新一號(hào)”存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信微型衛(wèi)星：重80kg，采用磁控與重力梯度桿組成的
三軸穩(wěn)定系統(tǒng)，由中國(guó)科學(xué)院上海小衛(wèi)星工程部承制。
3小衛(wèi)星發(fā)展的原因
3.1價(jià)格低廉
    組成星座的小衛(wèi)星數(shù)量大，生產(chǎn)時(shí)可做到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、批量化生產(chǎn)、流水線操
作，使小衛(wèi)星成本大幅度下降。若要完成一項(xiàng)通信任務(wù)，可選用大容量地球同步軌
道衛(wèi)星，費(fèi)用約為2.07億美元；也可選用8顆小衛(wèi)星，并用“飛馬座”火箭發(fā)射，
組成星座，費(fèi)用約為 3700萬美元。大衛(wèi)星容量大，然而一旦失敗，損失大，并需
要1～1.5年時(shí)間重新制造。8顆小衛(wèi)星中若一顆失敗，另外7顆仍可工作，損失很小，
重新發(fā)射僅需3個(gè)月時(shí)間。為了降低費(fèi)用，可盡量選用簡(jiǎn)單可靠的單用途和雙用途
小衛(wèi)星。
3.2應(yīng)用趨向個(gè)人化
    為了適應(yīng)個(gè)人商用和軍隊(duì)單兵或小分隊(duì)的需要，采用手持式、車載式小型終端
進(jìn)行通信，小衛(wèi)星軌道高度絕大部分選在1000km左右。這種中低軌道衛(wèi)星具有通信
時(shí)延短，信號(hào)衰減小的優(yōu)點(diǎn)，主要提供中低速率數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)，頻率在
1GHz以下。少數(shù)小衛(wèi)星則提供話音圖像和高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，其頻率在1GHz以上，
供地面站接收處理，并要求對(duì)星上信息進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮和智能化處理，以減少信息存
儲(chǔ)量，降低傳輸速率和功耗。
3.3具有機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)
    小衛(wèi)星易增減、易調(diào)動(dòng)，可為突發(fā)的災(zāi)害救援行動(dòng)帶來方便。對(duì)于軍事行動(dòng)也
很有效，例如在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中，都大量使用小衛(wèi)星。在需要時(shí)，臨時(shí)發(fā)
射或從軌道上調(diào)集小衛(wèi)星到戰(zhàn)區(qū)上空，戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，小衛(wèi)星可以廢棄，亦可調(diào)回原
地作其它用途，符合機(jī)動(dòng)靈活的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)要求。
3.4星座、星網(wǎng)的應(yīng)用
    由小衛(wèi)星組成的星座或星網(wǎng)有以下幾種：
    （1）通信衛(wèi)星網(wǎng)：如“銥”星星座，隨時(shí)隨地可進(jìn)行全球話音、數(shù)據(jù)個(gè)人衛(wèi)
星移動(dòng)通信。我國(guó)兩院院士間桂榮曾在“無限未來，盡在空間”一文中談到：“發(fā)
展低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的個(gè)人移動(dòng)通信系統(tǒng)是未來的重大趨勢(shì)”。
    （2）對(duì)地觀察網(wǎng)：監(jiān)視全球環(huán)境，時(shí)間和空間分辨力達(dá)到全球化，能有效地
監(jiān)察和掌握全球生態(tài)環(huán)境，起到保護(hù)地球環(huán)境的作用。
    （3）天際網(wǎng)：如果將通信、導(dǎo)航、電子偵察、光學(xué)、紅外和雷達(dá)探測(cè)等星座
進(jìn)行組網(wǎng)，就可全面掌握地球表面的動(dòng)態(tài)，是有效測(cè)控及指揮的手段。平時(shí)可用于
治安、邊防和海關(guān)等場(chǎng)合，與地面措施配合，對(duì)犯罪分子構(gòu)成天羅地網(wǎng)；也可用于
搶險(xiǎn)救災(zāi)等突發(fā)狀況。
4小衛(wèi)星的技術(shù)特點(diǎn)
4.1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)品模塊化
    大衛(wèi)星為單個(gè)設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)、試驗(yàn)到研制成功需8～12年時(shí)間；而小衛(wèi)星一般
從設(shè)計(jì)。試驗(yàn)到研制成功只需3～4年時(shí)間。隨著小衛(wèi)星技術(shù)日趨成熟，規(guī)格統(tǒng)一、
設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、裝配模塊化以及試驗(yàn)程序簡(jiǎn)化，使設(shè)計(jì)生產(chǎn)僅需幾個(gè)月至1年就能完
成。
4.2技術(shù)集成化
    （1）裝置集成化：大衛(wèi)星一般有6～10個(gè)分系統(tǒng)，每個(gè)分系統(tǒng)由若干單機(jī)組
成，以分布式裝置�，F(xiàn)代小衛(wèi)星決不是單機(jī)的縮小，而是將整個(gè)衛(wèi)星看成一個(gè)大
的單機(jī)，通過高密度電子電路。微機(jī)械和微器件組合為一個(gè)整體，沒有分系統(tǒng)概
念。
    （2）無線電路軟件化：對(duì)于大衛(wèi)星上的一些電子電路，在小衛(wèi)星上將用無線
電路進(jìn)行軟件化設(shè)計(jì)，去除了一些電子電路硬件設(shè)施，如遙測(cè)編碼器、遙控譯碼
器等。
    （3）電纜網(wǎng)路印刷化：衛(wèi)星內(nèi)的一些分布式電纜可做成印刷電路板，將各種
電路板連接起來，減輕重量，減少插拔空間和提高可靠性，使小衛(wèi)星向微小衛(wèi)星
發(fā)展。高度集成后將使納米衛(wèi)星的發(fā)射重量有可能小于10kg。
4.3快速吸納新技術(shù)
    一顆大型衛(wèi)星的工作壽命為10～15年，而小衛(wèi)星的工作壽命為2年。在每一代
大衛(wèi)星運(yùn)行期間，小衛(wèi)星可進(jìn)行5次技術(shù)改進(jìn)，快速吸納新技術(shù)，為不停地創(chuàng)造發(fā)
展提供了可能。事實(shí)上，現(xiàn)代小衛(wèi)星的壽命并不都是短暫的，有的工作壽命已達(dá)
八年。
4.4星座、星網(wǎng)是小衛(wèi)星集群的結(jié)果
    1．隨機(jī)相位星座：星座中各小衛(wèi)星之間的相位是隨機(jī)的，無軌道控制，攝動(dòng)
會(huì)引起衛(wèi)星漂移，此類衛(wèi)星一般用于數(shù)據(jù)通信和空間環(huán)境的探測(cè)等用途。
    2．固定相位星座：星座中的各小衛(wèi)星在時(shí)間上有固定不變的位置，衛(wèi)星在軌
道中對(duì)稱分布，傾角相同，通過衛(wèi)星軌道控制，保持相位不變。例如用于話音、
數(shù)據(jù)和圖像全球通信的“銥”星星座。衛(wèi)星的軌道控制可以保持位置，也可根據(jù)
需要進(jìn)行位置調(diào)動(dòng)，如在科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國(guó)的小衛(wèi)星就作了隨機(jī)調(diào)動(dòng)。
    3．網(wǎng)絡(luò)星座：（1）編隊(duì)星座，以一個(gè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，若干顆小衛(wèi)星構(gòu)成特定形
狀，整個(gè)星群又繞地球旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，如美國(guó)的白云星座；（2）天際網(wǎng)星座，由若干
不同用途的星座組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，具有對(duì)空間各種不同信息獲取、傳輸、處理和應(yīng)
用功能，網(wǎng)內(nèi)各星座間可功能互補(bǔ)、信息互通和交換，如美國(guó)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索
沃戰(zhàn)爭(zhēng)中，俄羅斯在車臣軍事行動(dòng)中都使用了衛(wèi)星天際網(wǎng)方案。
4.5機(jī)動(dòng)和組合發(fā)射
    小衛(wèi)星與快速反應(yīng)的小型運(yùn)載火箭結(jié)合使用，可節(jié)省發(fā)射費(fèi)用，又能隨時(shí)機(jī)
動(dòng)發(fā)射，若發(fā)射失敗，經(jīng)費(fèi)損失較小，重新組織發(fā)射也較容易。用較大的運(yùn)載火
箭發(fā)射小衛(wèi)星星座，一次可組合發(fā)射3～8顆，若發(fā)射失敗，經(jīng)費(fèi)損失比單個(gè)小衛(wèi)
星發(fā)射要大一些，但與用大運(yùn)載火箭發(fā)射大衛(wèi)星相比，損失要小一些。
4.6地面站與終端的配合
    大衛(wèi)星數(shù)量少，一個(gè)測(cè)控站可分時(shí)管理多顆不同衛(wèi)星。小衛(wèi)星及星座給地面
測(cè)控管理帶來了特殊性，每個(gè)測(cè)控站需同時(shí)管理多顆不同的小衛(wèi)星，而目前的管
理方法和體制難以勝任。因此，小衛(wèi)星星座要求地面站具有以下特殊功能：
    （1）小衛(wèi)星的星上設(shè)備是無線電系統(tǒng)統(tǒng)一體制設(shè)備，沒有大衛(wèi)星上單獨(dú)的
測(cè)控系統(tǒng)，所以要求測(cè)控站與應(yīng)用站功能合一，設(shè)備統(tǒng)一，可固定或機(jī)動(dòng)操作，
對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤、測(cè)控和業(yè)務(wù)應(yīng)用通信。
    （2）小衛(wèi)星星座中有許多衛(wèi)星在空間飛行，因此地面站應(yīng)設(shè)計(jì)成有人值守、
無人操作，能夠自動(dòng)跟蹤。預(yù)報(bào)軌道、接收和處理來自衛(wèi)星的信息，符合組合式、
自動(dòng)化工作要求。
    （3）為了適應(yīng)各種不同衛(wèi)星的無線電體制，地面站設(shè)備應(yīng)具有多種不同的
調(diào)制方式，并可以互相切換；為了適應(yīng)不同高度軌道的衛(wèi)星，地面站設(shè)備的發(fā)射
功率和接收靈敏度要作相應(yīng)的自動(dòng)適應(yīng)調(diào)節(jié)。為了適應(yīng)衛(wèi)星在不同時(shí)間、不同地
方進(jìn)入測(cè)控區(qū)進(jìn)行覆蓋，地面站要能自動(dòng)計(jì)算衛(wèi)星軌道，并預(yù)先對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星進(jìn)人的
方向和仰角，處于待命工作狀態(tài)，并有自動(dòng)跟蹤能力。
    未來小衛(wèi)星將具有很強(qiáng)的自主和自我校正特性，在產(chǎn)生故障時(shí)會(huì)重新進(jìn)行功
能組合，免去許多原本不可缺少的地面控制。


摘自《電信快報(bào)》