微小卫星

天文学名词

重量在1000千克以下的人造卫星统称为“微小卫星”，进一步可细分为：“小卫星”（smallsat），重100～1000千克；“微卫星”（microsat），重10～100千克；“纳卫星”（nanosat），重1～10千克；“皮卫星”（picosat），重0.1～1千克；“飞卫星”（femtosat），重0.1千克以下。英文词中的micro（微）、nano（纳）、pico（皮）和femto（飞）等，是国际单位制中用以表示十进制倍数的词头，其数值分别为10－6、10－9、10－12和10－15，这里只是借用来对微小卫星按重量进行分类，并不具有其数值的实际含义。

发展背景

1957年前苏联第一颗人造地球卫星的成功发射，标志着航天科技的诞生。随着航天科技迅速发展，人造卫星、空间站、航天飞机等航天器相继投入使用。但是，巨额的费用，昂贵的成本一直制约着航天科技的发展。据计算，发射一颗1000千克重的人造卫星，费用至少需1亿美元，这是许多国家难以承受的。冷战结束后，航天科技逐步从军事应用转向经济建设，商业运作促使航天科技必须降低成本，提高效益。在此背景下，在科学技术迅速发展的基础上，微小卫星得到了迅速发展。

重量小于100千克的微小卫星是太空科技中出现的有明确用途的新一代卫星。早在1990年5月，美国就用“侦察兵”火箭，一次发射了两颗各重6.8千克的“多路通信卫星”，这是微小卫星的雏形。随后，世界上先后有20多个国家和地区开展了微小卫星的开发研究，正在太空运行的微小卫星已有300多颗。

主要特点

微小卫星是有明确用途的新一代卫星。其特点是：新技术含量高、研制周期短（一年左右）、研制经费低（数千万人民币量级），且可以进一步组网，以分布式的星座形成“虚拟大卫星”。　与以往的大卫星相比，微小卫星具有很多优势。如微小卫星重量轻、体积小，再加上批量生产，生产成本低；可以用小型火箭发射，或作为大型火箭的辅助载荷发射，发射成本低；能从战斗机（如F-22或F-15）甚至气球上发射，或利用地（水）面火炮发射，可以满足快速反应的需求。

关键技术

微电子技术的进步、轻型材料的研制以及高功率太阳能电池的出现，都为微小卫星的研制和发展创造了条件。

卫星小型化、微型化的关键，是各种仪器、设备的微型化。20世纪80年代以来，美、俄、德、法等国科学家相继开发成功微型陀螺和微型加速度计等微型惯性仪表和惯性测量组合，研制出既有承载、保护仪器设备作用，又具有传输电能、信息和热控制功能的多功能结构，实现了无线连接，开发成功微型机电系统和光机电系统，这些都使卫星的集成度得到了大大的提高。科学家还利用一体化设计技术，采用大规模集成电路的设计思想和制造工艺，把传感器、微处理器、惯性测量仪表和电子、光学等器件，像电子线路一样集成起来。这些工艺和技术的成功，保证了卫星研制的小型化和微型化，促使开发出来的卫星具有体积小、重量轻、能耗小、可靠性高等特点。特别是纳米技术的发展和扫描隧道显微镜加工技术的应用，使人们更可以按照自己的意志，进行原子和分子量级的加工，制造出各种微型机电设备，组装成比微小卫星更小的纳型卫星。

应用领域

微小卫星主要用于通信、对地遥感、行星际探测、科学研究和技术试验，它的发展依然是受需求牵引和技术推动的制约。更广泛的应用需要在关键技术上有革命性的突破与创新。这些新技术主要包括电推进技术、多功能结构、微机电系统、一体化设计、先进的存储器与计算机软件技术以及轨道控制技术等。随着这些技术不断被攻克，微小卫星必将成为一大类航天器，并作为大型航天器的补充，在军事、国民经济各部门得到广泛应用。

微型计算机的开发成功和广泛使用，导致了信息科技的革命。微小卫星的成功和使用，也在航天领域引发了一场技术革命。它使卫星的用户从单一的国家，变成了国家、部门、单位乃至个人的多元化格局。它的研制单位，也将从少数国家航天部门发展到许多大学。微小卫星技术为天网———地网合一的立体化信息高速公路提供了技术支持，为21世纪的通信、航天、环境与资源等领域展示了可持续发展的新格局。在通信、遥感等方面，微小卫星将发挥重要作用。微小卫星将减轻自然灾害，缩小城乡差距。在军事领域，诸如侦察、通信、指挥、决策、后勤及武器装备等方面，微小卫星将起到重要作用，以适应现代战争的需要。

航天市场的需求也刺激了微小卫星技术的发展，21世纪初，卫星的制造成本随着制造周期的增加而增加，技术先进性随着制造周期的增加而下降。因此，具有重量轻、性能好、研制周期短、造价低等特点的现代小卫星，特别是纳型卫星会给航天技术的发展带来新的机遇。事实上，现代小卫星已经在通讯、遥感、电子、侦察等领域获得了广泛的应用，受到航天、军事、工业及普通研究机构的普遍关注，成为当前航天技术发展的重要方向之一，并显示出良好军事经济和社会效益。

微小卫星技术的发展越来越受到各国重视，特别是它的发射，不需要大型火箭和大型发射场，可用小火箭随时随地机动发射，因此很多国家已将其列入国家级研究计划，视为21世纪技术与经济发展的一个制高点。　

发展现状

世界状况

微小卫星体积小、重量轻、研制周期短、成本低、发射方式灵活，在军事上有较大的应用潜力，20世纪80年代中期以来受到越来越多国家的重视。美国已发射重量在几百千克以下的多种小卫星和重量不足10千克的试验型纳卫星和皮卫星；英国、瑞典也在2000年发射了纳卫星；法国、印度、阿根廷、智利、巴西、韩国、泰国、巴基斯坦等国已经有了自己的小卫星。此外，印度尼西亚、马来西亚、菲律宾等国以及中国台湾地区正在与航天大国合作研制小卫星或微卫星。

中国状况

早在1995年，中科院就根据国家未来星地通信技术发展需求，提出要自主研制中国首颗重量100公斤以下的低轨道数据通信小卫星及其通信系统。1996年，中科院微系统所提交了研制低轨道数据通信小卫星及其通信系统的报告。1997年底，中科院正式通过了特别支持重大项目“存储转发通信小卫星及其应用系统”的立项，准备研制一颗双向数据通信的小卫星“创新一号”。研制任务主要由上海微系统所和上海技术物理所等单位承担。进入知识创新工程的上海微系统所在体制和机制改革上的推进，为“创新一号”的研制奠定了坚实的科学技术基础。2003年10月21日，中科院知识创新重大项目“创新一号”存储转发通信小卫星成功发射入轨，“创新一号”小卫星以存储转发的工作方式，实现全球范围的非实时低轨道双向数据通信。为提高抗干扰及增强保密性，卫星的通信载荷采用了扩频通信技术。卫星为太阳能电池贴装六面体的结构形式，采用重力梯度加磁力矩器主动姿控并辅加微型动量轮的姿态控制方案。卫星总重80余公斤，平均功耗30瓦。这是中国自主研制的第一颗100公斤以下的微小卫星，也是中国第一代低轨道数据通信小卫星，对中国微小卫星的研究发展起到了重要作用，中国发展微小卫星事业的新局面也从此打开。

2008年9月，神七载人飞船的伴星又飞入太空，这是在继承中科院创新一号小卫星成熟技术的基础上研制的中国第一颗空间伴随微小卫星。随后，创新一号（02）星也于同年11月成功发射升空。

2012年5月10日15时6分，我国在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭，成功将遥感卫星十四号送入太空。同时，成功搭载发射了天拓一号卫星，天拓一号发射成功，标志着中国在微小卫星领域获重要突破。

另外，中国还有许多大学、公司与参与研发微小卫星，如：清华大学、中国航天机电集团公司共同研制的“清华航天一号”微小卫星，中国卫星与深圳航天科技创新研究院、哈尔滨工业大学国家大学科技园有限公司共同设立的航天东方红海特公司研制的“试验一号”和“试验三号”卫星，浙江大学的“皮星一号A”以及南京航空航天大学推出的“天巡一号”微小卫星等。

发展方向

微小卫星主要有2个发展方向。一是研制轻型单颗卫星，这类微小卫星已经开始执行地球观测任务，提供达到军用分辨率的图像。美国空军未来的全球定位系统（GPS）卫星每颗将不超过100千克；二是将微小卫星组成星座，进行编队飞行，以代替昂贵的单颗大型卫星，例如天基雷达（SBR）群、长基线信号情报（SIGINT）星座以及连接小型地面终端的通信卫星群等。

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