李晓宁 窦 骄 任广伟 （航天东方红卫星有限公司）

立方体卫星的发展与应用

Development and Application of CubeSat

李晓宁 窦 骄 任广伟 （航天东方红卫星有限公司）

随着微型器件与部件、一体化多功能结构、空间即插即用、集成化综合电子等技术的发展及其在微小卫星上的大量应用，给微小卫星的设计带来了新的机遇和挑战。立方体卫星（CubeSat）是近年来微小卫星领域的热点，据统计，目前小卫星发展最具活力的是立方体卫星，近年来微小卫星发射形成井喷态势，2013年全球成功发射了75颗立方体卫星，2014年全球共成功发射103颗立方体卫星。

在国内，目前立方体卫星的实用价值还没有真正得到体现。为此，我们调研了近几年几种典型立方体卫星的发展情况，对立方体卫星的特点进行了分析，预测了立方体卫星的应用前景，立方体卫星在许多应用领域都有广阔的发展空间。

1 发展概况

立方体卫星是在1 9 9 9年由美国斯坦福大学Tom Kenny教授提出的一种新概念的皮卫星规范，即尺寸为10cm×10cm×10cm、质量约1.33kg的1U立方体纳卫星；尺寸为10cm×10cm×22cm、质量约2.6 6 k g的2 U立方体纳卫星；尺寸为10cm×10cm×34cm、质量约4kg的3U立方体纳卫星。最早的立方体卫星于2003年6月30日发射，包括丹麦的“奥尔堡大学”（AUU）立方体卫星和“丹麦科技大学卫星”（DTUsat）、日本东京工业大学立方体工程试验卫星－1（CUTE－1）和“立方体小卫星Ⅺ-Ⅳ”（Cubesat Ⅺ-Ⅳ）、加拿大先进航天试验纳卫星－1（CanX－1）和美国的“地震卫星”（QuakeSat）立方体卫星，共6颗。

与传统的航天器相比，立方体卫星主要具有3个特点：

1）标准化，模块化，产品的通用性强。目前，国际上有多家研究单位专门研制、生产和供应标准化、模块化的立方体卫星及其部件，因此缩短了其研制周期，而且功能易于扩展，能够快速满足任务需要，即时需要，即时发射。

2）以工业级器件为主研制。立方体卫星采用了大量微机电系统（MEMS）、商用现货（COTS）等先进技术，现代电子器件的设计和生产工艺与以前相比有了大幅提高，通用的工业器件能够满足部分应用型航天器的需求。

3）易于组网，适应空间应用发展的趋势。立方体卫星体积小、费用低、发射方式灵活，一般可多星搭载发射，易于组成卫星星座，完成一些需要大量分布式卫星协同工作的应用和科学研究任务，譬如，对地观测遥感卫星星座、通信卫星星座等。

随着微机电、微光电技术等微电子技术的不断发展，立方体卫星的性能得到了进一步的提高，使卫星信息处理能力得到增强，上下行带宽增大，控制精度提高，有效载荷能力增强，最重要的是提高了可靠性。

立方体卫星关键系统现状及发展

立方体卫星关键性能参数现状

2 近期典型的立方星项目

根据任务特点，立方体卫星可以分为以下三大类：

1）以空间科学研究和教学为核心目标。各大学设计建造的立方体纳卫星，如欧盟的QB50项目、荷兰代尔夫特理工大学的Delfi－c3、东京工业大学的“立方体工程试验卫星”系列等。

2）以载荷任务为核心目标。例如，鸽群－1（Flock－1）遥感卫星星座；战术作战应用；搭载生物实验载荷的“孢子卫星”（SporeSat）、搭载10m2的太阳帆纳星－D（NanoSail－D）。

3）以新技术演示验证为核心目标。例如，进行空间网络技术演示验证的“爱迪生”小卫星网（EDSN）演示计划系列、进行交会对接技术演示验证的德州农工大学AggieSat－2。

本节将对QB50、鸽群－1、“爱迪生”小卫星网等近期典型的立方体卫星项目进行介绍。

太阳帆纳星－D卫星在轨飞行示意图

QB50项目

QB50项目由冯-卡门流体动力学研究所（VKI）联合欧洲航天局（ESA）及高等院校多个研究机构共同提出，全称是“50颗立方体卫星组成的用于开展低热层探测和再入返回研究的国际卫星网络”项目。该项目采用50颗2U立方体卫星组成空间网络，实现对低层大气的多点在轨测量，同时在星座中开展卫星再入大气层过程的一些相关研究。星座中各颗卫星的距离相差几百千米，每颗卫星均携带相同的传感器，并且在一些特定的卫星上开展一些技术验证：

1）在2颗安装微推力器的3U立方体卫星之间开展编队飞行试验；

2）在1颗2U立方体卫星上安装离格材料的热防护罩，验证卫星再入技术；

3）在1颗2U立方体卫星上测试卫星和全球操作教育网络（GENSO）地面站的数据链接质量；

4）γ-卫星，在3颗2U立方体卫星之间验证星间通信；

5）在1颗3U立方体卫星上进行大气和空间环境监测试验；

6）在1颗3U立方体卫星上进行GPS信号测试；

7）在1颗3U立方体卫星上进行微重力环境下的生物试验；

8）在1颗3U立方体卫星上进行空间碎片的离轨试验。

所有的5 0颗纳卫星将由俄罗斯的静海－2.1（Shtil－2.1）火箭一次发射，届时由国际空间教育部发起的、促成其成员教育机构教育事项合作全球教育网络将全面运行，将在世界各地建立100多个地面站，将为所有立方体卫星提供近似连续的上行和下行通信能力。

鸽群－1星座

2014年1月9日，鸽群－1搭载美国安塔瑞斯－120（Antares－120）火箭发射升空，鸽群－1由编号为鸽子－5～32（Dove－5～32）共28颗立方体卫星组成，是目前世界上最大的遥感卫星星座。卫星轨道高度400km，倾角52°（涵盖人类主要活动区域、农业区域和商业区域），分辨率3～5m，由“国际空间站”在轨部署。

“集群”计划

“集群”（Colony）计划由美国国家侦察局（NRO）启动，主要利用立方体纳卫星作为空间试验平台进行新技术验证，卫星采用集群－1和2立方体卫星平台。2008年，美国国家侦察局从帕姆金公司（Pumpkin）订购了首批12颗集群－1平台；2010－2011年从波音公司订购了20颗集群－2平台。美国国家侦察局立方体卫星计划初期将对高光谱传感器、标准化姿态控制系统、无线电频率模块和无结构（structureless）天线阵技术进行技术验证。

2010年12月8日发射的立方体卫星试验－1、2（QbX－1、2）是美国国家侦察局集群－1计划的首批2颗3U纳卫星，采用集群－1平台，完成低速调制解调器通信试验和特高频（UHF）通信试验。2012年9月13日发射的美国国家侦察局的“伊尼亚斯”（Aeneas）3U立方体卫星也采用集群－1平台，质量4kg，用于集装箱货船信息采集和下一代抗辐射加固处理器在轨试验。

集群－I平台

鸽子－5卫星

“伊尼亚斯”3U立方体卫星

“孢子卫星”

“孢子卫星”于2 0 1 4年4月1 8日由“龙”（Dragon）飞船运往“国际空间站”，其轨道为近圆轨道，高度400km，倾角51.6°。

“孢子卫星”为10cm×10cm×34cm、质量5.5kg的3U立方体卫星。其姿态控制由永磁体和具有磁滞的特性棒来实现控制。通信系统采用S频段和业余无线电爱好者的频段，S频段链路采用商业的Microhard M H X－2 4 2 0 C O T S通信机；U H F工作频率为437.100MHz，信标每隔5s发送1次AX.25数据包。

“孢子卫星”借助3个“片上试验室”设备完成试验。该设备通过实时测量在不同人造重力条件下的钙离子聚集度水平等信号，来研究重力场对蕨类植物孢子的影响。

“孢子卫星”透视图显示出3个“片上试验室”设备

“片上试验室”的设计图和原型照片，内含孢子测量装置

NASA“爱迪生”小卫星网计划

2012年美国NASA启动了“爱迪生”小卫星网计划，目的是演示验证立方体卫星星座适用于更广泛的商业科学研究等载荷的潜在价值。每颗卫星搭载相同的载荷，用于测量宇宙辐射。

“爱迪生”小卫星网由8～12颗1.5U立方体卫星组成空间编队飞行网络，分两组部署在轨道高度为450～550km的近地轨道，轨道倾角98°，寿命不小于60天。星座具备星地和星间通信能力，分别采用UHF和S频段。UHF频段码速率9.6kbit/s,数据量5.76Mbyte/10min；S频段数据码速率38.4kbit/s，数据量11.52Mbyte/5min。每颗卫星的质量是2kg，体积10cm×10cm×15cm。NASA计划在后期将其提升为3U以上的立方体卫星，运行寿命提高到4年以上。

国内立方体卫星的现状

目前，我国对于立方体卫星还处于前期的论证和研究阶段，具有类似设计理念的卫星也已发射成功。

2010年9月22日，浙江大学发射了皮星－1卫星，卫星未采用标准的立方体卫星结构，尺寸为15mm×15mm×15mm，质量3.5kg，整星正常功耗3.5W，主要采用工业级器件。其飞行试验验证了星上装载的半球成像全景光学相机、微机电系统加速度传感器和角速度传感器在空间环境条件下的适应性。另外，也对GaAs太阳电池在空间环境中的性能进行了相关试验测试。

另外，我国西北工业大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、南京理工大学、北京航空航天大学等6所高校参加了QB50项目，西北工业大学作为QB50项目的亚洲区唯一发起单位和亚洲区总协调单位，除了自己研制一颗立方体卫星外，还要负责完成QB50项目亚洲区的任务控制中心的建设任务。

NASA“爱迪生”小卫星网计划

“爱迪生”小卫星网空间组网结构示意图

3 应用前景与挑战

教学与科学试验

在工程培训和大学教育方面，立方体卫星发挥了巨大作用，加速了先进科学技术向工程应用的转化进程，促进了产学研结合。近年来，国外宇航专家又提出了“口袋立方体”（PocketCube）卫星概念，并已在2013年完成多次发射。以立方体卫星发展现状推断，“口袋立方体”卫星也必将具有广阔的应用前景。

军事应用

立方体卫星具有潜在的军事应用价值，其具有功能扩展性好、可快速组网、生存能力强、系统可靠性高、实用灵活方便、适合应急发射等优点，这些特点都非常适合应用于军事领域。譬如，2013年12月6日，美国成功发射了战术卫星－6（TacSat－6）立方体纳卫星，其质量5kg，主要用于测试战术通信技术。立方体卫星也可以用于执行子母星任务，从而实施空间态势感知和空间控制任务。一颗立方体母卫星可携带多颗立方体子卫星，这些子卫星以不同方式组合排列进行编队飞行，可以与其他太空资产对接，提供高质量成像，并完成对其他卫星进行监视、干扰和攻击等任务。

空间分布式应用

立方体卫星可通过星座组网、编队飞行等途径，显著提高系统的时间分辨率和覆盖区域。通过对星座卫星的分布式灵活部署及在轨重构，大幅提高空间系统的生存能力和空间体系的弹性。星座多星、多任务和多模式综合应用形成新的工作体制，可实现单颗卫星难以实现的功能和性能。目前，国外在遥感、战术应用、通信、科学试验等领域均提出了大规模的立方体卫星星座计划。空间分布式应用已经成为立方体卫星发挥效能的重要途径，也是未来立方体卫星发展的主要趋势。

挑战

立方体卫星已经在技术试验、工程培训、商业应用等各方面发挥了重要的作用，未来也将发挥更重要的作用。

立方体卫星的应用还面临着几方面的挑战：

1）由于使用的器件微型化，因此立方体卫星的发展主要依赖于微机械、微电子，以及材料、工艺等基础技术的发展。能否解决卫星的可靠性问题是制约立方体卫星进一步走向实际应用的关键，因此在使用新技术的同时，应关注和提高卫星的可靠性，为立方体卫星进一步发展奠定技术基础。

2）随着立方体卫星发射数量的不断增加，也增加了空间碎片的危险性，因此必须同时开展有关立方体卫星空间碎片清理的研究。

3）由于立方体卫星的质量仅有几千克，大大限制了对成熟载荷的选择范围，对电源功率、通信距离以及推进效能也是极大的约束。因此，还需要新技术的发展才能得到更广泛的应用。