卫星集群系统的应用现状与发展动态

【摘要】目前，小卫星发展非常之快，其研究备受世界各国高校的关注，甚至拓展到高中生的科技创新竞赛中。小卫星集群的概念在国际航天领域得到广泛关注，其发射过程已经从过去的搭载发射转化为共享发射。本文调查分析了近40个小卫星集群的应用案例，包括地球科学探索任务、深空探测任务，以及技术验证任务等，并根据它们的应用类型、集群规模，以及总体技术进行了综述。在此基础上，提出了未来小卫星集群飞行任务所面临的关键问题。最后，对未来小卫星集群任务发展方向进行了展望。

【关键词】小卫星 分布式 卫星集群 卫星系统

【中图分类号】V423.9 【文献标识码】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2018.12.011

小卫星具有体积小、重量轻、研制周期短、发射成本低和易于组网等特点。过去很多人认为小卫星只能做一些简单的空间飞行技术实验，或培养研究生和大学生科技创新之用（所以，小卫星也称为大学卫星）。但随着科学技术的发展，小卫星已经成为未来空间实验和太空探索的一个重要工具。2017年度小卫星国际论坛在美国硅谷举行，来自美国、欧洲、俄罗斯、日本航天领域的专家和学者纷纷表示，小卫星正在从单颗应用，发展到编队应用，甚至几百颗以上的大规模集群应用。与此同时，单颗或几颗小卫星的火箭搭载发射时代也将结束，未来一定是集群式的共享发射。

本文调研和综述了近几年来分布式小卫星系统的应用情况和发展动态，深入分析了一些关键知识点。同时本文也给出了相关项目的英文全称，或者相关项目的英文缩写，以便读者查阅和跟踪这些前沿项目。本文力图打造一篇分布式卫星集群应用的最新综合分析报告。

小卫星的标准分类

卫星的体积和成本取决于任务需求，如有些卫星可以拿在手中或放在衣兜里，而哈勃望远镜则像消防车一样大。小卫星主要是指重量小于180kg，且体积大小如同家用微波炉，甚至更小的卫星。目前国际上最新的小卫星分类方式如表所示。

计划使用两颗及两颗以上，质量在10kg以下的小卫星任务。

动态电离层立方星实验（Dynamic Ionosphere CubeSat Experiment——DICE）。DICE项目是由犹他州立大学牵头、美国国家科学基金会和美国国家航空航天局的纳卫星教育发射计划支持的多组织合作任务。DICE项目于2011年10月发射了两颗1.5U的立方星到高度为410～820km、轨道倾角102°的椭圆形近地轨道。如图1所示，每颗卫星携带的主要有效载荷包括：两个朗缪尔探测器，用于测量电离层环境的等离子体密度；若干个电场探测器，用于测量环境的交直流电场强度；一个磁力计，用于测量环境的交直流磁场强度。

DICE项目将有助于精确分析地磁暴的时间特征，如地磁暴的密度突增和羽流。DICE项目的两颗立方星没有自主控制位置的功能，它成功地验证了空间中无控型的星座任务，其中下行链路通信速率为3Mb/s，使用GPS、磁强计和太阳传感器使得姿态测量在±0.7°（1σ误差），并采用转矩线圈使得姿态控制在±5°（1σ误差）。

相对电子爆发强度、范围和动力学特性的专项研究。由蒙大拿州立大学和新罕布什尔大学牵头，并由美国国家科学基金会资助的相对电子爆发强度、范围和动力学特性（Focused Investigations of Relativistic Electron Burst Intensity， Range， and Dynamics——FIREBIRD）任务，旨在使用两颗1.5U的立方星评估范·艾伦辐射带中的磁层微爆发的空间规模和时空模糊性。2013年12月6日，两颗FIREBIRD立方星在加利福尼亚州的范登堡空军基地（Vandenberg Air Force Base——VAFB）搭乘阿特拉斯-5-501（Atlas-5-501）运载火箭，进入高度为467～883km、轨道倾角120.5°的太阳同步轨道。

2015年1月31日，另外两颗FIREBIRD-II1.5U的立方星搭乘德尔塔2号（Delta-2）运载火箭，从范登堡空军基地发射到高度为685km，轨道倾角为98°的太阳同步轨道。这些立方星的特征是被动姿态磁控制，因为它们不能自主控制位置，所以这个任务也是无控型的星座任务。

Flock-1成像星座任务。由美国行星实验室公司研发的Flock-1星座任务由100多颗3U的立方星组成，为环境监测、人道主义活动和商业应用提供3～5m分辨率的地球图像。2014年2月中旬，该公司采用NanoRacks公司的立方星分配器，将28颗Flock-1立方星在国际空间站上进行部署，其运行在轨道高度为400km、倾角为52°的近地轨道上。截至目前，已经部署113颗立方星。这些立方星通过开、关太阳帆板来更替其运行状态，这是一个有控型星座任务。

爱迪生小卫星网络演示任务。爱迪生小卫星网络演示任务（Edison Demonstration of Smallsat Networks——EDSN）是由美国宇航局的艾姆斯研究中心主导研发、美国国家航空航天局的空间技术任务部门（Space Technology Mission Department——STMD）资助的一个创新项目。其主要目的是验证在距地球500km的轨道上发射部署8颗卫星组成无控型星座的能力。这8颗1.5U的立方星每颗都携带了高能粒子集成空间环境监测装置，通过在地理上分散的区域同时测量高能带电粒子的位置和强度，來分析近地轨道的辐射环境。每颗立方星都搭载了一部Nexus S智能手机，用于测试商用现成品的软件和硬件。立方星利用智能手机上的陀螺仪、GPS和磁力计传感器来确定姿态，并利用三个反作用飞轮实现姿态控制。EDSN卫星于2015年11月3日曾在夏威夷考艾岛作为超级斯彻比（Super-Strypi）火箭的次级载荷发射升空，但由于火箭发生故障，发射失败。

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