● 文 | 1航天东方红卫星有限公司 2国家卫星海洋应用中心 3民政部国家减灾中心 4北京空间机电研究所 5兰州空间技术物理研究所 6北京卫星环境工程研究所 7 中国空间技术研究院

傅丹膺1 周宇1 邹斌2 王平3 黄长宁4 杨生胜5 易忠6 田川7

近年来，随着商业航天的不断发展，市场上也出现了新的声音，认为航天应用需求也表现出从高端应用向大众应用方向发展的势头。而伴以微电子技术和互联网领域的迅猛发展，微纳卫星正面临从技术试验型向业务应用化发展，从数量积累到质量性质转变的发展转折点。当前微纳卫星发射活动持续高速发展，除美、中、欧、俄等传统大国或地区外，更多的非传统航天国家也加入微纳卫星的开发行列中，不断掀起热潮，而较低成本的微纳卫星走向应用也成为了热门话题。

一、微纳卫星技术发展与分析

2017年，全球共发射航天器467个，而100kg以下的微纳卫星共321个，占比达到68.7%。其中美国行星公司（ Planet）全年通过3次发射部署了140颗鸽群（ Flock）立方体卫星，占据了10kg以下卫星数量的过半。而年初的印度1箭104星的发射，更是推动了发射数量的快速增长。

微纳卫星的发展日新月异，异常活跃，出现了近似井喷式的发射情况。这样的热潮得益于技术推动与需求牵引两方面的有机结合：一方面，微光机电、高集成电路芯片技术以及信息技术的引入，使得部组件的微型化成为可能，从而推动更高集成化的卫星整星的出现；另一方面，对于信息的时效性、灵活性的低成本获取需求使得传统的天基信息供给出现了部分断层空缺，因此新的需求也在牵引新的供给模式。

在微纳卫星研制方面，当前有三方面主体引人关注。一是美、欧等传统航天强国或地区的军民航天机构提出了多个微纳卫星计划，并逐步开展技术验证，其瞄准了新军民应用理念和相关技术的在轨验证。二是以数据信息服务为最终目标，并结合商业运营的民商领域大型星座计划，如美国行星公司的鸽群计划和一网公司的大型网络星座计划。三是非传统航天强国的创业公司和高校，借助物流与信息技术的便利和大胆设计，提出了各类微纳卫星，部分指标和技术达到了世界先进水平，如阿根廷卫星逻辑公司的Nusat-1卫星等。

在遥感应用领域，微纳卫星性能不断提升，逐步实现业务应用。如美国的Skysat-1卫星（90kg）是首颗实现优于1m分辨率光学成像的微纳卫星，阿根廷Nusat-1卫星（质量约37kg）实现1m分辨率可见光成像能力，美国鸽群系列卫星（3U）实现了3～5m分辨率成像和星座化运行。

微纳卫星的研制模式并非传统大卫星按比例缩小或简化，差异主要体现在卫星总体设计思想上。一体化设计理念与方法是目前微纳卫星总体设计领域的关注热点，其打破了传统大卫星各分系统的功能界限，不受有效载荷、卫星平台的界面约束，而是从卫星系统层面进行统一设计和资源规划权衡，有效实现卫星的高性能密度比，推动微纳卫星从“小而弱”走向“精而强”。这类一体化模式主要体现在两方面：一是卫星本身设计，充分考虑卫星资源的节省，围绕载荷进行紧凑构型设计，电子系统加强集成化设计，利用高性能微小型化的单机产品和商业现货（COTS）器件，提升整星功能密度比；二是不再局限于单星性能，瞄准星群的整体配置和功能应用，实现星群的一体化设计与应用。

国内微纳卫星技术同样发展迅速，在一体化系统技术和相关关键技术方面取得了一定的成果，并通过2015年的1箭20星发射集中展现，在部分有效载荷和平台部组件单机指标方面达到了国际先进水平，也逐步形成了一定规模的产品体系。国内商业遥感方面，吉林一号微纳卫星、珠海一号等已发射的微纳遥感卫星已经开启了微纳卫星遥感应用的尝试，但目前国内的微纳卫星尚处在业务应用的探索试验阶段，与业务化运行存在一定差距，亟待与典型应用结合，探索出一条适合于我国的微纳卫星技术体制。

二、微纳遥感卫星技术特点与未来发展趋势

微纳遥感卫星凭借系统成本低、可集群/星座/组网运行、投入产出比高、发射/应用灵活度高、运营管理便捷等方面的突出优势，备受多方用户和商业公司青睐。其相比传统卫星的相对优势核心在于较低投资风险下获得更高的任务性价比。微纳遥感卫星依靠数量优势，一是可获得观测高时间分辨率，提高有效产出数据比，弥补单星绝对能力劣势；二是弹性分散分布式系统解决方案可以降低单星系统复杂度和成本，少数卫星的失效不造成全系统能力明显降额，抵御风险能力强；三是可以高性价比支持大数据，进而以大数据创造未来。

大规模组网部署和星群化运行将是微纳卫星的重要发展方向，并通过不同的思路得以体现。鸽群系列已发射了300多颗卫星，同时在轨最多时达到200颗以上，是真正实现或者是验证了大规模部署与星座运行的微纳卫星系统，而且还在不断地发射补充中。2017年初印度1箭104星的发射中，有88颗就是状态一样的 Flock-3P卫星。但是鸽群并不追求星座的严格构型部署和保持，这也为其发射和运载选择提供了更多的便利，目前其轨道包括不同高度的太阳同步轨道和低倾角轨道。总体上不追求严格的重访和覆盖周期，而是利用其众多的卫星数量采用“永远在线”的模式来进行成像观测，即只要气象条件和能源条件允许，就进行拍照一直工作，形成类似交通摄像头般的模式。另一类星座计划则侧重于严格组网与运行。有数十颗量级的遥感微小卫星，为了实现高时效的重访能力，通过设计特定星座来达到预期。而用于通信和网络服务的系统，也通过较为严格的星座运行来满足覆盖需求并保持稳定能力。

微纳卫星的技术发展趋势可以从三个层次进行分析。系统层面，微纳卫星由于单星能力有限，必然走向星座或星簇的发展，具有以卫星数量解决传统卫星无法解决的卫星高时间分辨率的优点。分系统或单机层面，采用集成功能单元化设计方法，通过软件无线电手段，实现星上设备通用化、软件化。应用层面，结合任务特点，针对卫星星座和星簇，采用星座化部署，网络化应用。针对多星在轨任务，应用智能卫星自主管理技术，实现运控自主化，通过卫星软件化、智能化特点,实现应用直达便捷化。最终通过组网，实现“四高一低”的能力，即高时空分辨率、高覆盖性、高智能化、高灵活度和低成本。

三、微纳卫星遥感与空间环境探测应用展望

未来通过百颗级微纳卫星的编队组网运行，将提供覆盖全球、多时空尺度、多探测要素的多手段海量数据，为我国国民经济建设和国家安全提供信息支持，尤其在灾害监测、海洋应用和空间环境探测等方面潜力巨大。

1. 灾害监测

微纳卫星星座系统所提供的高时空分辨率的连续监测，能够为我国灾害精细化管理提供持续支持，为灾害全过程典型孕灾环境、致灾因子和承灾目标等灾害链发生发展过程提供持续动态监测，为持续、有效开展灾害的监测和评估工作提供重要支撑，有效补充现有能力。系统具备机动灵活的应急观测能力，可实现对多个地区的交替成像。针对灾害发生呈现出并发、群发和集中爆发的特征，以及影响范围更广、强度更大且部分地区重复受灾的问题，可对国内多个灾区并发灾害进行观测，满足多灾并发形势下的机动快速多点监测需求，为灾害救援提供第一手的观测资料，提高灾害应急响应监测与评估的时效性。

系统所具备的全球高时效重访监测，能够支撑“一带一路”沿线国家遥感数据需求。具有较高时间分辨率全球重访能力，能够了解“一带一路”沿线主要国家灾害风险程度和时空分布情况，开展灾害综合分析与评价，在建立沿线国家灾害综合数据库与信息服务平台方面提供重要技术支撑，为有效推动灾害应急联动和协同，达到共同提高“一带一路”沿线主要国家区域灾害应对能力方面具有重要意义。

2. 海洋应用

未来构建海洋观测微纳卫星系统，通过编队组网运行，利用可见光、高光谱等多种新型微型化海洋遥感载荷技术和AIS、DCS等多种探测手段，通过星上智能化信息处理技术、天地一体化高动态任务响应管理应用技术以及新型复合编队组网观测技术，可实现多尺度全球观测能力，在重点区域目标常态化高时效性动态观测以及应急响应等任务上具有相对优势，为数字海洋动态全域监测以及重点区域性目标高时间分辨率监测能力建设发挥重要作用，实现对现有海洋监测空间基础设施的有力补充和动态支援。在具体应用上，包括海上溢油、赤潮、风暴潮等发生后持续动态跟踪监测、管辖海域溢油等常态化监测与溯源、海上倾废区动态实时监测、海岛管理与海域管理动态监测与执法预警。此外，在北极航道区域动态监测、南极科考作业区域动态监视保障、极地冰川监测等方面具有较大的潜力。为未来全球立体感知网建设提供支撑，为海上丝绸之路区域重要航道与支点监测、全球船舶动态提供重要手段。

3. 空间环境探测

微纳卫星通过配置微型化的空间环境监测载荷，利用大规模星座的覆盖监测能力，可实现对地球空间环境综合要素持续监测。对大气成分、密度和空间带电粒子环境的探测，有助于进一步理解辐射传输过程/机理及全球太阳辐射能量收支变化及分布状态，对建立更为准确的全球气候系统模式具有重大科学意义。采用微纳卫星组网方式，可广泛开展全球的大范围、小尺度测量,为我国建立大气环境参数基础数据库提供长期实测数据。一方面为航天器轨道预报、事后分析等提供准实时大气密度参考数据支撑；另一方面，高精度的探测结果为建立我国大气环境高精度动态模型或提高模型精度提供丰富的实测数据，改进高层大气环境预报模型和预报方法。

利用微纳卫星星座能够实现全球地磁场的监测，有助于全球地磁模型的建立和修正，百颗量级微纳卫星配置微型化磁场探测器，能够在几个月内实现千米量级的全球地磁图绘制，结合地基监测和基础数据实现地磁图的修正。通过多颗微纳卫星的配合，在磁场异常区、电离层闪烁多发区域进行重点的加密覆盖，可以实现小尺度磁场结构的探测。构建运行于不同轨道面的磁场探测卫星星座，有助于克服磁场测量的时空模糊问题，能够更好地区分不同源对地磁场的作用，得到更有效的数据。探测数据和后续处理成果可应用于科学研究、矿业、测绘等各个行业。

通过中低倾角的微纳卫星星座，配置微型化的遥感、原位探测仪器，能够为研究中低纬度电离层小尺度结构、提供电离层参数短时预报提供高分辨率电离层数据，为通信、导航定位服务，并可应用于“一带一路”具有时效性的通信、航海、物流、气候及基础设施建设的相关研究中。

四、结束语

当前国内外微纳卫星发展热潮不断，有技术飞速发展的推动，也有需求牵引和商业运作的催生。微纳卫星究竞能够实现多大的应用潜力，能够给航天产业带来怎样的冲击目前还不能妄下结论，但是其代表的创新性和创造力不容小觑，而由其所代表的航天新时代技术、模式和产业的探索也应当引起足够的重视。微纳卫星通过星座化运行，结合信息化、网络化应用，增强用户体验，降低用户应用门槛，将会是一个重要发展方向，将促进卫星应用的大众化、服务化，广泛服务于自然地球和社会地球的数字化监测。

[1]付郁. 2017年全球航天器发射统计与分析[J]. 国际太空，2018（2）：4-8.

[2]傅丹膺，周宇，满益云，等. 面向空间云时代的微纳遥感卫星技术发展[J]. 国际太空，2018（3）：23-28.