公司：南京天际易达通信技术有限公司
联系人：胡经理
电话：025-58802927
邮箱：hqs@spaceestar.com
作者：石杨 李硕（中国电科发展战略中心）
近年来，小卫星的研制及发射呈井喷之势，小卫星已渗透进了各个领域。本文将以ORS系列卫星等典型应用为代表分析国外小卫星发展的现状，并预测小卫星的发展趋势，讨论其面临的挑战。
一、引言
据统计，2012年到2016年小卫星的发射数目分别为49、138、162、149、65颗，占当年卫星发射总数的35%、64%、62%、58%、51%。2017年7月欧洲咨询公司发布的《小卫星市场前景报告》（Prospects for the Small Satellite Market）称，航天领域和整个航天生态系统正在发生重大变革，未来10年全球预计将发射6200多颗小卫星，与过去10年相比增长显著。这些小卫星的总市值（制造和发射）预计将达到301亿美元,而过去10年仅为89亿美元。
此外，美国白宫科学与技术政策办公室（OSTP）在2016年10月公布了“利用小卫星革命”倡议。OSTP通过与NASA、国防部、及其他联邦机构开展合作，共同确定了5个项目，促进并指挥政府和私营部门利用小卫星执行遥感、通信、科学与空间探索任务。NASA计划投资3000万美元支持小卫星数据采购，包括2500万美元支持采购非政府小卫星星座数据，另有500万美元用于推进小卫星星座技术发展。也许真如这一倡议所言，未来将会“利用小卫星革命”。
图1 2012-2016年小卫星发射总数及占比
二、小卫星能力形成典型应用
美国在利用小卫星的特点在高频率、低成本制造、发射、利用卫星方面进行了一些探索，以下为典型案例
美空军作战快速响应空间系统（ORS）办公室成立于2007年，位于新墨西哥州科特兰空军基地，其设立目的是通过小卫星发展太空快速响应能力，研发和发射比常规采办程序更快、更廉价的卫星。这种卫星不仅将降低国防开支，还将加快星座的更新频率，便于美军快速补充战争中损失的卫星。
下面为ORS系列卫星介绍：
2017年8月26日凌晨，美国国防部“作战快速响应空间系统（ORS）”办公室的ORS-5空间态势感知卫星搭载轨道ATK公司米诺陶4号火箭，从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射升空。米诺陶4号火箭成功将ORS-5卫星送入600千米的赤道上空轨道。
ORS-5，也被称为传感器卫星（Sensorsat），将从近地轨道对地球同步轨道带进行扫描监视。设计寿命3年，发射重量113公斤。该星一直被美国空军视为从当前的“天基空间监视卫星”（SBSS Block 10）到未来小型太空监视三星星座之间的过渡，那三颗卫星预计至少要到2021年之后才会发射。
ORS-5由麻省理工学院林肯实验室承造，总费用为8750万美元，其中卫星4900万美元，地面系统1130万美元，发射2720万美元。表1为ORS系列卫星的资料。
表1 ORS系列卫星发射时间及相关特点
ORS系列卫星除ORS-3、ORS-4是实验星外，其余卫星均作为替代现有项目的卫星而出现。这些卫星的设计寿命一般不超过3年，远小于一些大卫星的工作寿命。当然，这样的寿命对于替代星来说已经足够。
ORS-1 卫星
这也是在将小卫星的“快速”“廉价”特点发挥极致。而ORS办公室也正一点一点的实现这个目的：ORS-1用9年时间，提供了空间图像感知能力，ORS-3利用GPS技术完善了快速自主飞行系统，ORS-4用5年时间开辟了和夏威夷实验室的合作渠道，为产生更清晰的图像做必要实验。ORS-5仅用3年，就完成了从设计到发射的全过程，完成了SBSS办公室所需要能力的过渡，今年获批的ORS-8，也是计划三年左右的时间完成研制和发射的全过程，卫星在小型化、快速化、低成本的道路上已越走越远。
实验性太空飞机（XS-1 Experimental Spaceplane）是DARPA在2013年计划的项目，该项目旨在建造一个可以进行高超音速飞行的新型飞机，可以实现高频率、低成本的进入太空。该项目的目标远大：以天为单位向太空推送近地轨道卫星，而现在人们通常要花几个月到一年的时间才能推送一颗卫星上天。此外，该项目还可提高卫星因为事故受损之后的恢复能力。
实验性太空飞机介乎于天空飞机和运载火箭之间，在发射时像火箭一样垂直于地面进行发射，并以高超音速进行飞行。该飞行器没有外部增压器，依靠自身的低温助推器进行飞行。临近轨道时，飞行器会释放出一个小型的“火箭”，其载重能力约为1360kg（约3000磅）。然后飞行器掉头返回地面，像飞机一样着陆，经过检查维修后，再次进行发射。
XS-1的研制目标是阶段性的，第一阶段完成论证工作，即解决“有无”问题，波音公司采用在“航天飞机主发动机”（SSME）基础上研制的AR-22发动机，这一发动机已经在其他飞机上使用过，可进行重复使用，满足DARPA的任务要求。第二阶段先在发射频率上提出10天内可发射10次的要求，接着第三阶段在发射速率和载荷质量上提出了要求，先在无载荷的情况下从5马赫到10马赫，接下来有效载荷从400kg增加到1360kg（900磅到3000磅）。除了实验上的计划，DARPA还想通过刺激商业部门来讨论出一套使用XS-1的方法、流程、技术。帮助提出美国对XS-1在21世界的军事需求和商用需求。为实现这一目标，DARPA打算从2-3期选部分数据发布，并向所有感兴趣的商业实体提供有关潜在有效载荷的相关规范。
表2 为XS-1项目关键节点的时间安排
如果XS-1成功研发，则可打开下一代商业机会的大门。可以想象这样一幅图景：某公司老总需要几颗商用卫星以监测全球范围内的工厂情况，几颗卫星在研制完成后，以一天一颗卫星升空的速度进行发射，半个月内即完成卫星组网。这将大大降低发射卫星成本，同时也开辟了一种新的卫星发射的商业模式。
鸽群卫星采用立方星概念，其标准为3U（Unit），也即3个标准立方星的体积，长度为30厘米，宽、高均为10厘米。鸽群卫星由美国“行星”（Planet labs）公司发起，是一个遥感星座。主要是将观测到的图像传回地球，再经过整合，和不同领域进行合作。
2017年2月，印度成功将104颗卫星放入太空，打破了俄罗斯在2014年6月创造的“一箭37星”世界纪录。其中有88颗是来自美国“行星”公司的“鸽群”卫星。自此，行星公司拥有了149颗在轨卫星，成为史上最大规模的私人卫星群组。
据“行星”公司的人员预测，经过三个月的磨合，这些卫星就可以保证Plant Labs实现其核心目标——每天对整个地球表面拍摄一遍，目前还没有其他公司能够做到这点。目前“鸽群”的卫星图像精度约为3m，可分辨大树、汽车、轮船等，但还不足以识别行人。“行星”公司最近收购了谷歌的卫星图像公司“Terra Bella”，这将进一步提高图像分辨率，预计可达到1m的水平，这将大大扩展“鸽群”星座的应用领域。
而“行星”公司为这一项目在地面上已经建造了全球11个地面站，部署了33个天线系统，每天过顶约650次，下行传输的图像大约为550GB，最大为777GB。这些数据都会上传到亚马逊网络服务（AWS）上，这是一个云计算平台，每一次过顶传输的任务运行数据、图像数据、卫星状态数据、地面站数据等都会在AWS进行计算，并将产生的数据发送到需要的地方去。
“鸽群”服务的客户包括100多个国家企业、政府级非盈利组织，服务范围包括农业、测绘、抢险救灾等。例如，“鸽群”可利用在港口拍摄的船舶流量，来预估一个国家的贸易水平；利用储油管影子倾角估计石油储量；利用树木尖角或平角来监控森林砍伐；在自然灾害发生时帮助救援人员识别没有标记的灾区村庄。
当然，随着卫星精度的提高，能力的提升，一些伦理问题也就暴露了出来。类似基础设施的具体位置、核电站的规模、机场的规模、个人隐私等都会成为安全隐患，被人利用。虽然行星公司内部也确实有一个“内部伦理委员会”，也宣传说起名“Dove”是来反映公司和平与无私的初衷。但就像一句话所说：“身怀利器，杀心自起，慎而重之。”也愿这一项目真能实现无私与和平的初衷。
三、小卫星发展趋势
从数据来看，小卫星的研发成本越来越低。与动辄上亿甚至上十亿美元的卫星项目不同，小卫星的平均研发价格基本在1亿美元以下。随着技术越来越成熟，小卫星的成本降低已经是必然趋势。单体立方体发射价格目前为每颗7-8万美元，三体立方形为每颗20-25万美元，小卫星的成本低到几十万美元量级。类似XS-1项目的研发将改变现有发射模式，会进一步将价格降低。
以立方体卫星为例，其使用的是商用现货产品部件，卫星研制时间缩短许多，商用现货所支持的批量化生产不但可大大降低成本，而且还可以通过统计建模设计提高性能和可靠性。由于发展速度很快，立方体卫星业也出现了类似于“摩尔定律”的规律——卫星计算能力每18个月增长一倍，目前的立方体卫星已经可以完成几年前要求较大卫星才能完成的功能。
除立方体卫星外，其他研发的小卫星也呈现研发、发射周期缩短的趋势。前文中所提到的ORS系列卫星就是发射快速化的最好体现。也许再过不久，小卫星的研发就可宣布进入“快车道”。
通过大量建立卫星星座，新的太空初创公司正在瞄准突破传统的太空工业模式，实现向全球用户提供新业务和开辟新市场。这包括诸如图像分析、资产跟踪和高速数据连通等新应用。特别是地球观测，通过向农业、矿业、灾害管理、森林和野生动植物、财经业务等各行各业提供数据，而成为行业快速发展的关键驱动因素。人们在寻求小卫星快速响应能力的同时，也在逐步要求小卫星的其他能力。
由于小卫星有较强的组网效应，这样单一的小卫星故障其造成的损失也不会很大。就像无人机集群中运用到的技术，当单一无人机出现了故障，会有其他的无人机来替补。而如果单一的小卫星出现了故障，小卫星星座完全可以通过星座组网来实现替补。当然，这并不能说小卫星可以不用提高其成功率，统计表明，质量低于10kg的卫星，只有48%能成功实现任务。如果质量提高，成功率有可能有更大下降，所以提高小卫星的质量这件事任重而道远。
随着小卫星的增多，空间位置变得拥挤，以如此速度发展，几年之后，地球将被小卫星所覆盖，除此之外，如果不同星座的卫星在运行时没有事先计算好轨道，则极有可能有相撞的危险。在空间轨道方面，正是前文所提到的ORS-1项目支撑的SBSS项目正在做一些研究以规避卫星相撞事件的发生。其他国家的类似项目也在研发中。
立方体卫星以星座投入运行，一个重要特点是卫星数目特别巨大，现在美国太空探索技术公司已经提出有4000颗卫星的星座，卫星寿命结束后的轨道处理是关系到整个地球轨道安全的大问题。但到目前为止，所有立方体卫星任务，或者依靠在轨自然衰减，或者利用某种技术途径加速轨道衰减，总之要遵循机构间空间碎片协调委员会（IADC）指南25年内实现轨道衰减的共识。由于立方体卫星大多不携带轨道推进系统，卫星轨道寿命结束后的处理措施，即如何使立方体卫星不会成为轨道碎片源也成为重点关注问题。
当然，这一问题不仅存在于小卫星，这是所有卫星都面临的比较头疼的问题。目前各国航天机构共检测到2.3万个不受控制的较大空间碎片，而没有跟踪到的更小体积碎片数量可能达75万个之多，这些大小不一的空间碎片对卫星及载人航天器都造成了严重的安全威胁。
由于小卫星开发所需要的资金少，门槛低，加上现在政府也在大力扶植小卫星产业，这就容易使一些企业在热点项目上“一哄而上”扎堆开发，而对于技术要求较高、较难实现的项目上无人问津，小卫星在应用层面上无法全面覆盖，导致重复建设和资源上的浪费。
当然，小卫星遇到的问题还包括频率使用不规范、商业运作认知不清晰、卫星定位不准确等。面对小卫星，政府亟待出台相应的行业发展规范，使小卫星产业健康，有序发展。
小卫星的未来发展趋势仍不甚明朗，也许会重塑卫星版图、打破现有科研格局。究竟未来如何，只能拭目以待。
转载自：“天地一体化信息网络”微信公众号