纳卫星

质量小于10公斤且具有实际使用功能的卫星

纳卫星（NanoSat）通常指质量小于10公斤、具有实际使用功能的卫星。与微型卫星相比, 纳型卫星对遥感系统在质量、体积、功耗等方面的要求更加苛刻。它是基于微电子技术、微机电技术、微光电技术等微米/奈米技术而发展起来的，卫星的一体化设计和集成度更高，体现了航天器微小化的发展趋势。虽然纳卫星的体积和重量远远小于传统卫星，但其组成结构及研制流程却与传统卫星相差不多。

现状

现已经发射的纳卫星有：俄罗斯航天研究院的SPUTNIK-2卫星、美国的Bitsy卫星、AUSat卫星、PICOSAT卫星、英国的SNAP-1卫星等。为了降低发射费用，纳卫星多采用一箭多星的搭载方式发射。

我国首颗纳卫星“THNS-1”已于2004年4月发射升空，它由航天清华卫星技术有限公司研制，充分利用了近年国内微米/奈米技术的研究成果，采用一体化设计与系统集成的设计制造方法，并将对CMOS相机、MIMU、GPS等关键载荷进行搭载实验，在此基础上将重点开展纳卫星的组网与“虚拟卫星”应用关键技术研究。

发展概况

美国加州州立理工大学和斯坦福大学在1999年提出了纳卫星规范，即尺寸(质量约1.33kg的为1U纳卫星)，尺寸(质量约2.66的为2U纳卫星)，尺寸（质量约4kg的为3U纳卫星）。

根据任务特点纳卫星可分为以下三类：

（1）以空间科学研究和教学为核心目标。主要包括各大学设计、建造的纳卫星，如德国维尔茨堡大学的“维尔茨堡大学实验”（UWE）卫星系列、荷兰代尔夫特理工大学的Delfi-c3、东京工业大学的Cute系列。不过，其中一些卫星也进行简单的新技术演示，包括搭载商用现货（COTS）器件、微小型敏感器等。

（2）以载荷任务为核心目标。如搭载地震电磁探测载荷的“震动卫星”(QuakeSat)、搭载生物实验载荷的基因卫星-1（GeneSat-1）、搭载太阳帆载荷的纳帆-D(NanoSail-D)。

（3）以新技术演示验证为核心目标。例如，进行编队飞行技术演示验证的“加拿大先进纳太空实验”（CANX）卫星系列、进行交会对接技术演示验证的AggieSat-2和BEVO-1。

根据姿态控制方式，纳卫星主要可分为以下两类：

（1）被动磁姿态稳定控制纳卫星。卫星采用永久磁棒使某一轴指向保持在地球磁场向量的方位上，采用磁滞棒控制转速，采用磁强计、太阳敏感器或太阳电池阵电流测量姿态，如QuakeSat和GeneSat-1。

（2）三轴稳定控制纳卫星。例如，CANX-2采用偏置动量控制系统，安装通电线圈实现最简单的磁力矩器，并配置了一个反作用飞轮。UWE-3和CANX-4、5采用零动量控制系统，采用三轴反作用飞轮进行姿态控制，通过通电线圈实现磁力矩器的功能，零动量控制系统通常配置更多敏感器，包括太阳敏感器、磁强计、陀螺和星敏感器等。

技术

纳型卫星是指质量在1～10kg 之间的卫星。与微型卫星相比, 纳型卫星对遥感系统在质量、体积、功耗等方面的要求更加苛刻。目前广泛用于微型卫星遥感系统的电荷耦合器件CCD很难满足纳型卫星的使用要求。CMOS图像传感器采用标准的CMOS 技术, 继承了CMOS 技术的优点, 如静态功耗低、动态功耗与工作频率成比例、噪声容限大、抗干扰能力强、特别适合于噪声环境恶劣条件下工作、工作速度较快、只需要单一工作电源等。虽然CMOS 器件的研究还未完全成熟, 如电离环境下暗电流稍大等问题还没有很好地解决,还不能完全取代CCD, 但不可否认CMOS 器件将是未来遥感传感器的发展方向。

应用

纳卫星技术研究及其组网应用技术是国际卫星技术研究的热点之一，属高新技术探索范畴。主要应用在通信、军事、地质勘探、环境与灾害监测、交通运输、气象服务、科学实验、深空探测等方面。

教学与科研实验

纳卫星的系统复杂度比大型卫星低，研发周期较短（约二年），所需研发及发射经费皆远低于大型卫星，因此，学生的构想具有实现的可能。学生可以大胆使用商用组件，例如一些微小卫星使用商用无线通信手机模块，当作卫星通讯组件，从而对商业组件做太空验证，使以后卫星的组件成本大幅降低。学生也可将自制的组件，放到太空去验证效能，例如天线及太阳能板的展开机构等，以让日后其他卫星采用。

太空科学实验平台

纳卫星虽小，但却是非常重要的太空科学实验平台，可执行特定的太空科学实验，如卫星编队飞行、星群的无线电通信、GPS闪光、太阳风、地磁场与电离层中离子密度的测量，以及卫星的释放等。例如TU Sat 1卫星可测量太空中电浆密度，并研究缆线(Tether)通过电离层所产生的电动力学；QuakeSat卫星使用磁力计测量高空的超低频磁场，研究其和地表地震的关联性等等。此外，皮卫星/纳卫星可经济快速提供新技术空间飞行试验和演示，特别是用来对将来在太空应用的微机电(MEMS)技术以及使用MEMS技术的传感器或推进系统等技术进行太空验证。

通讯

纳卫星一般在低轨道(低于1000km)使用，常采用搭载发射，成本低，因此特别适合稀路由、非实时的低成本通信应用，如电子邮件、传真、电报、数据等业务。例如TU Sat1卫星就以提供发展中国家的电子邮件通讯为其卫星任务之一；nCube卫星用来接收船只广播的AIS讯号，包括船只的位置、速度及方向的数据，再将此数据转送到地面，可用来监控船只的安全状况。此外，由皮卫星/纳卫星组成的卫星星座在灵活应急通信方面也存在极大的潜在优势。

光学照相

纳卫星可作为光学照相平台。例如日本东京大学XI-IV卫星使用CMOS商业用照相机，拍摄到地球及太阳的影像，由此可验证CMOS传感器在太空的应用效果。此外，英国萨瑞公司的SNAP-1卫星已经对与其一起发射的另外两颗卫星进行了拍照，并将图像传回到地面，为地面控制人员提供从外部观测在轨航天器的能力。

星群应用

纳卫星的特点是单颗卫星体积小，功能单一，但多颗卫星组成星座后可以实现并超越1颗大型卫星的功能。同时，由于其发展成本低，并且一次可用火箭发射多颗，所以在星座组网方面具有极大的优势。因此皮卫星/纳卫星常常以星群的形式部署使用，以发挥“蚂蚁雄兵”的强势效果。例如ICE计划同时发射两个微小卫星，使二者相距100米以上，以同时测量GPS卫星讯号的差异，研究GPS讯号通过大气层的讯号闪耀(scintillation)现象。

军事用途

纳卫星在军事上具有广泛的应用前景。这种卫星不仅成本低、可以批量生产，还具有可重组性和再生性。例如，在若干太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳卫星，就可以在任何时刻对地球上任何地点进行连续监视和干扰，即使少数纳卫星失灵，也不会使整个系统瘫痪，仅降低一些功能而已。又例如，皮卫星/纳卫星可集成和分散。所谓集成就是由几颗完全相同的皮/纳卫星组装在一个轻便框架上，平时通过每颗卫星的低分辨率相机，对相同地区拍照，然后集成为高分辨率图像；所谓分散就是在战时释放这些皮/纳卫星，让它们分布在敌星周围（绕飞）进行监视、干扰和攻击。总之，微小卫星由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点，特别适用于局部战争和信息战争，具有重大的军事效益。

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