【摘要】目前，小衛(wèi)星發(fā)展非常之快，其研究備受世界各國(guó)高校的關(guān)注，甚至拓展到高中生的科技創(chuàng)新競(jìng)賽中。小衛(wèi)星集群的概念在國(guó)際航天領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，其發(fā)射過(guò)程已經(jīng)從過(guò)去的搭載發(fā)射轉(zhuǎn)化為共享發(fā)射。本文調(diào)查分析了近40個(gè)小衛(wèi)星集群的應(yīng)用案例，包括地球科學(xué)探索任務(wù)、深空探測(cè)任務(wù)，以及技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)等，并根據(jù)它們的應(yīng)用類(lèi)型、集群規(guī)模，以及總體技術(shù)進(jìn)行了綜述。在此基礎(chǔ)上，提出了未來(lái)小衛(wèi)星集群飛行任務(wù)所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。最后，對(duì)未來(lái)小衛(wèi)星集群任務(wù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
【關(guān)鍵詞】小衛(wèi)星 分布式 衛(wèi)星集群 衛(wèi)星系統(tǒng)
【中圖分類(lèi)號(hào)】V423.9 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2018.12.011
小衛(wèi)星具有體積小、重量輕、研制周期短、發(fā)射成本低和易于組網(wǎng)等特點(diǎn)。過(guò)去很多人認(rèn)為小衛(wèi)星只能做一些簡(jiǎn)單的空間飛行技術(shù)實(shí)驗(yàn)，或培養(yǎng)研究生和大學(xué)生科技創(chuàng)新之用（所以，小衛(wèi)星也稱(chēng)為大學(xué)衛(wèi)星）。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，小衛(wèi)星已經(jīng)成為未來(lái)空間實(shí)驗(yàn)和太空探索的一個(gè)重要工具。2017年度小衛(wèi)星國(guó)際論壇在美國(guó)硅谷舉行，來(lái)自美國(guó)、歐洲、俄羅斯、日本航天領(lǐng)域的專(zhuān)家和學(xué)者紛紛表示，小衛(wèi)星正在從單顆應(yīng)用，發(fā)展到編隊(duì)?wèi)?yīng)用，甚至幾百顆以上的大規(guī)模集群應(yīng)用。與此同時(shí)，單顆或幾顆小衛(wèi)星的火箭搭載發(fā)射時(shí)代也將結(jié)束，未來(lái)一定是集群式的共享發(fā)射。
本文調(diào)研和綜述了近幾年來(lái)分布式小衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用情況和發(fā)展動(dòng)態(tài)，深入分析了一些關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。同時(shí)本文也給出了相關(guān)項(xiàng)目的英文全稱(chēng)，或者相關(guān)項(xiàng)目的英文縮寫(xiě)，以便讀者查閱和跟蹤這些前沿項(xiàng)目。本文力圖打造一篇分布式衛(wèi)星集群應(yīng)用的最新綜合分析報(bào)告。
小衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)分類(lèi)
衛(wèi)星的體積和成本取決于任務(wù)需求，如有些衛(wèi)星可以拿在手中或放在衣兜里，而哈勃望遠(yuǎn)鏡則像消防車(chē)一樣大。小衛(wèi)星主要是指重量小于180kg，且體積大小如同家用微波爐，甚至更小的衛(wèi)星。目前國(guó)際上最新的小衛(wèi)星分類(lèi)方式如表所示。
需要指出，在大多數(shù)情況下，納型小衛(wèi)星往往被設(shè)計(jì)為一種標(biāo)準(zhǔn)的立方體衛(wèi)星，立方體衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)體積為一個(gè)基本單元，即1U，其體積為10cm×10cm×10cm。根據(jù)應(yīng)用的需要，也可以擴(kuò)展為1.5U、2U、3U、6U，甚至12U，等等。最初的立方體衛(wèi)星應(yīng)用是1999年加州理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)用于教育和太空探索的一個(gè)平臺(tái)，現(xiàn)在它已經(jīng)發(fā)展成為政府、企業(yè)和學(xué)術(shù)界的新技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，甚至成為先進(jìn)的空間探索任務(wù)工具，應(yīng)用范圍在逐漸擴(kuò)大。
地球科學(xué)探索任務(wù)
地球科學(xué)探索任務(wù)旨在科學(xué)理解地球系統(tǒng)及其對(duì)自然因素和人類(lèi)活動(dòng)影響的反應(yīng)，從而進(jìn)一步提高對(duì)氣候、天氣和自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)能力。本節(jié)主要關(guān)注由多顆衛(wèi)星執(zhí)行的地球科學(xué)探索任務(wù)，即使用或計(jì)劃使用兩顆及兩顆以上，質(zhì)量在10kg以下的小衛(wèi)星任務(wù)。
動(dòng)態(tài)電離層立方星實(shí)驗(yàn)（Dynamic Ionosphere CubeSat Experiment——DICE）。DICE項(xiàng)目是由猶他州立大學(xué)牽頭、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)國(guó)家航空航天局的納衛(wèi)星教育發(fā)射計(jì)劃支持的多組織合作任務(wù)。DICE項(xiàng)目于2011年10月發(fā)射了兩顆1.5U的立方星到高度為410～820km、軌道傾角102°的橢圓形近地軌道。如圖1所示，每顆衛(wèi)星攜帶的主要有效載荷包括：兩個(gè)朗繆爾探測(cè)器，用于測(cè)量電離層環(huán)境的等離子體密度；若干個(gè)電場(chǎng)探測(cè)器，用于測(cè)量環(huán)境的交直流電場(chǎng)強(qiáng)度；一個(gè)磁力計(jì)，用于測(cè)量環(huán)境的交直流磁場(chǎng)強(qiáng)度。
DICE項(xiàng)目將有助于精確分析地磁暴的時(shí)間特征，如地磁暴的密度突增和羽流。DICE項(xiàng)目的兩顆立方星沒(méi)有自主控制位置的功能，它成功地驗(yàn)證了空間中無(wú)控型的星座任務(wù)，其中下行鏈路通信速率為3Mb/s，使用GPS、磁強(qiáng)計(jì)和太陽(yáng)傳感器使得姿態(tài)測(cè)量在±0.7°（1σ誤差），并采用轉(zhuǎn)矩線(xiàn)圈使得姿態(tài)控制在±5°（1σ誤差）。
相對(duì)電子爆發(fā)強(qiáng)度、范圍和動(dòng)力學(xué)特性的專(zhuān)項(xiàng)研究。由蒙大拿州立大學(xué)和新罕布什爾大學(xué)牽頭，并由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助的相對(duì)電子爆發(fā)強(qiáng)度、范圍和動(dòng)力學(xué)特性（Focused Investigations of Relativistic Electron Burst Intensity, Range, and Dynamics——FIREBIRD）任務(wù)，旨在使用兩顆1.5U的立方星評(píng)估范·艾倫輻射帶中的磁層微爆發(fā)的空間規(guī)模和時(shí)空模糊性。2013年12月6日，兩顆FIREBIRD立方星在加利福尼亞州的范登堡空軍基地（Vandenberg Air Force Base——VAFB）搭乘阿特拉斯-5-501（Atlas-5-501）運(yùn)載火箭，進(jìn)入高度為467～883km、軌道傾角120.5°的太陽(yáng)同步軌道。
2015年1月31日，另外兩顆FIREBIRD-II1.5U的立方星搭乘德?tīng)査?號(hào)（Delta-2）運(yùn)載火箭，從范登堡空軍基地發(fā)射到高度為685km，軌道傾角為98°的太陽(yáng)同步軌道。這些立方星的特征是被動(dòng)姿態(tài)磁控制，因?yàn)樗鼈儾荒茏灾骺刂莆恢?，所以這個(gè)任務(wù)也是無(wú)控型的星座任務(wù)。
Flock-1成像星座任務(wù)。由美國(guó)行星實(shí)驗(yàn)室公司研發(fā)的Flock-1星座任務(wù)由100多顆3U的立方星組成，為環(huán)境監(jiān)測(cè)、人道主義活動(dòng)和商業(yè)應(yīng)用提供3～5m分辨率的地球圖像。2014年2月中旬，該公司采用NanoRacks公司的立方星分配器，將28顆Flock-1立方星在國(guó)際空間站上進(jìn)行部署，其運(yùn)行在軌道高度為400km、傾角為52°的近地軌道上。截至目前，已經(jīng)部署113顆立方星。這些立方星通過(guò)開(kāi)、關(guān)太陽(yáng)帆板來(lái)更替其運(yùn)行狀態(tài)，這是一個(gè)有控型星座任務(wù)。
愛(ài)迪生小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)演示任務(wù)。愛(ài)迪生小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)演示任務(wù)（Edison Demonstration of Smallsat Networks——EDSN）是由美國(guó)宇航局的艾姆斯研究中心主導(dǎo)研發(fā)、美國(guó)國(guó)家航空航天局的空間技術(shù)任務(wù)部門(mén)（Space Technology Mission Department——STMD）資助的一個(gè)創(chuàng)新項(xiàng)目。其主要目的是驗(yàn)證在距地球500km的軌道上發(fā)射部署8顆衛(wèi)星組成無(wú)控型星座的能力。這8顆1.5U的立方星每顆都攜帶了高能粒子集成空間環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)在地理上分散的區(qū)域同時(shí)測(cè)量高能帶電粒子的位置和強(qiáng)度，來(lái)分析近地軌道的輻射環(huán)境。每顆立方星都搭載了一部Nexus S智能手機(jī)，用于測(cè)試商用現(xiàn)成品的軟件和硬件。立方星利用智能手機(jī)上的陀螺儀、GPS和磁力計(jì)傳感器來(lái)確定姿態(tài)，并利用三個(gè)反作用飛輪實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。EDSN衛(wèi)星于2015年11月3日曾在夏威夷考艾島作為超級(jí)斯徹比（Super-Strypi）火箭的次級(jí)載荷發(fā)射升空，但由于火箭發(fā)生故障，發(fā)射失敗。
QB50項(xiàng)目。QB50項(xiàng)目是由比利時(shí)馮·卡門(mén)研究所牽頭，歐盟委員會(huì)的研究機(jī)構(gòu)部分資助的多組織合作任務(wù)，旨在將全球大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的50顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，在低溫層（90～350km）進(jìn)行多點(diǎn)、原位測(cè)量及再入研究。每顆2U立方星除攜帶衛(wèi)星常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)儀器外，還額外搭載一套用于低溫層和再入研究的標(biāo)準(zhǔn)化傳感器。大多數(shù)的QB50立方星將被發(fā)射到高度為380km、軌道傾角98°的近地圓形軌道，少數(shù)將被部署到高度為380～700km的橢圓近地軌道。該項(xiàng)目中大多數(shù)立方星無(wú)法自主地控制位置，這個(gè)任務(wù)屬于無(wú)控型星座任務(wù)。
全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座任務(wù)概念。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間星座（Global Navigation Satellite System Geospace Constellation——GGC）是由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)的空間氣象任務(wù)概念，該項(xiàng)目計(jì)劃利用立方體星組成星群和Ad-hot網(wǎng)絡(luò)，搭載小型GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)大氣電離層磁氣圈測(cè)量，如圖2所示。
火箭立方星（Rocket Cube）任務(wù)概念。由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory——JPL）和美國(guó)國(guó)家航空航天局促進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)性研究試驗(yàn)計(jì)劃（NASA's Experimental Program to Stimulate Competitive Research——EPSCoR）資助、達(dá)特茅斯學(xué)院正在開(kāi)發(fā)研制的火箭立方星平臺(tái)（如圖3所示），旨在實(shí)現(xiàn)軌道和亞軌道科學(xué)任務(wù)的低成本多點(diǎn)測(cè)量。這些火箭立方星將由探空火箭發(fā)射升空，并且它們本身不具備主動(dòng)控制位置的能力。該任務(wù)計(jì)劃發(fā)射10～12顆火箭立方星，通過(guò)實(shí)時(shí)觀測(cè)方式來(lái)觀察電離層和極光的時(shí)空變化。
卡律布狄斯（Charybdis）任務(wù)概念。由斯特拉斯克萊德大學(xué)牽頭、英國(guó)工程和物理科學(xué)研究理事會(huì)資助的卡律布狄斯星座項(xiàng)目，其目的是獲得高時(shí)空分辨率的沿海和內(nèi)陸水道多光譜圖像。這些信息對(duì)于理解河口生態(tài)系統(tǒng)和沉積物懸浮的演變、人類(lèi)起源過(guò)程對(duì)水系統(tǒng)的影響，以及潮汐對(duì)海洋色彩的影響有很大幫助。該項(xiàng)目計(jì)劃采用一個(gè)由115顆納衛(wèi)星構(gòu)成的受控型星座（攜帶微推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)保持衛(wèi)星間相對(duì)位置）實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，或采用30顆納星實(shí)現(xiàn)對(duì)英國(guó)大陸每?jī)尚r(shí)一次的區(qū)域覆蓋。
哨兵任務(wù)概念。由英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院負(fù)責(zé)、英國(guó)航天局資助的哨兵任務(wù)概念，計(jì)劃發(fā)射一個(gè)由100余顆立方星組成的無(wú)控型星座來(lái)研究地球磁層。衛(wèi)星將進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而了解地磁暴在地球磁層中的形成過(guò)程，尤其是在磁尾區(qū)域發(fā)生的磁暴。
大氣溫度和濕度探測(cè)任務(wù)概念。由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)的用于大氣溫度和濕度探測(cè)的6U立方星星座概念，計(jì)劃發(fā)射4～15顆低傾角軌道衛(wèi)星，對(duì)提高極端天氣事件預(yù)測(cè)精度所需的關(guān)鍵地球物理參量進(jìn)行成像。每顆6U立方星將攜帶118GHz的溫度探測(cè)器和183GHz的濕度探測(cè)器，并將在太空中形成一個(gè)可控星座。該任務(wù)提出了使用納型衛(wèi)星星座來(lái)測(cè)量地球表面的雙向反射分布函數(shù)（即表面反射的方向和光譜變化）概念，用于精密測(cè)定反照率。
傅里葉變換光譜儀立方星任務(wù)概念。這個(gè)任務(wù)概念是由美國(guó)Exelis公司地理空間系統(tǒng)部門(mén)和密歇根大學(xué)合作設(shè)計(jì)完成的，3顆編隊(duì)飛行的6U立方星將攜帶傅立葉變換光譜儀（Fourier Trarsform Spectrometer——FTS）作為有效載荷（如圖4所示），它們合作測(cè)量全球風(fēng)場(chǎng)，并繪制風(fēng)場(chǎng)的垂直剖面圖和長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)，同時(shí)立方星會(huì)保持12小時(shí)的回訪時(shí)間。
電離層斷層掃描任務(wù)概念。這個(gè)概念性任務(wù)由斯坦福大學(xué)國(guó)際研究院主導(dǎo)，計(jì)劃使用攜帶“數(shù)字電視”接收機(jī)的立方星星座來(lái)進(jìn)行電離層斷層掃描。每顆衛(wèi)星都與數(shù)字電視基站建立聯(lián)系，并測(cè)量數(shù)字電視信號(hào)的相位變化，以便了解電離層對(duì)太陽(yáng)、地球磁層和高層大氣壓力的響應(yīng)關(guān)系，同時(shí)還對(duì)電離層密度的層析進(jìn)行成像測(cè)量。
空間態(tài)勢(shì)感知任務(wù)概念。這個(gè)概念性任務(wù)主要由澳大利亞阿德萊德大學(xué)負(fù)責(zé)研究（如圖5所示），任務(wù)主要是采用5顆均勻分布的立方星組成一個(gè)小型可控星座，來(lái)探測(cè)地球中軌道和地球靜止軌道帶中的空間碎片。洛克希德·馬丁公司也提出過(guò)一個(gè)類(lèi)似的空間態(tài)勢(shì)感知任務(wù)，在該任務(wù)中，立方星星座被發(fā)射到地球同步軌道以上500km的高度。
阿爾忒彌斯（Artemis）任務(wù)概念。阿爾忒彌斯任務(wù)概念由非營(yíng)利組織Artemis空間組織提出。該任務(wù)包括兩項(xiàng)計(jì)劃：一項(xiàng)是構(gòu)建由200顆納星組成的星座，用于觀測(cè)和監(jiān)視地球局部空間環(huán)境；另一項(xiàng)是建立由35顆小衛(wèi)星和立方星組成的月球星座，它將提供一系列服務(wù)，如支持地月間的通信聯(lián)絡(luò)、繪制月表圖像，以及未來(lái)開(kāi)發(fā)月球的探測(cè)任務(wù)，等等。
深空探測(cè)任務(wù)
開(kāi)展深空探測(cè)任務(wù)是為了了解宇宙和我們?cè)谟钪嬷械奈恢?、太?yáng)系中的行星和小天體以及生命的起源，并對(duì)地球和太陽(yáng)系間的相互作用進(jìn)行研究。在本節(jié)中，我們介紹使用或計(jì)劃使用兩顆及兩顆以上小衛(wèi)星的深空探測(cè)相關(guān)任務(wù)。
亮星目標(biāo)探測(cè)星座任務(wù)。由維也納大學(xué)牽頭、奧地利太空總署和加拿大航天局資助的亮星目標(biāo)探測(cè)（Bright-Star Target Explorer——BRITE）星座任務(wù)，旨在對(duì)亮星進(jìn)行毫米級(jí)（0.1％誤差）的微分光度測(cè)量。如圖6所示的兩顆納星，均使用了由多倫多大學(xué)開(kāi)發(fā)的通用納米衛(wèi)星總線(xiàn)平臺(tái)。2013～2014年共發(fā)射了6顆納星，它們?cè)谔罩行纬梢粋€(gè)無(wú)控型星座。這些納星采用GPS接收機(jī)、三軸磁力計(jì)、6個(gè)太陽(yáng)傳感器和星敏感器進(jìn)行10角秒誤差范圍內(nèi)的姿態(tài)確定，并使用3個(gè)磁鐵和3個(gè)反作用飛輪將姿態(tài)誤差控制在1角分均方差范圍內(nèi)。
可重構(gòu)空間望遠(yuǎn)鏡的自動(dòng)組裝任務(wù)。由加州理工學(xué)院和薩里空間中心主導(dǎo)、凱克空間研究學(xué)院資助的可重構(gòu)空間望遠(yuǎn)鏡的自動(dòng)組裝（Autonomous Assembly of a Reconfigurable Space Telescope——AAReST）任務(wù)，旨在通過(guò)2顆3U的立方星（子星）與1顆9U的納星（母星）進(jìn)行自主分離和重組，來(lái)驗(yàn)證空間望遠(yuǎn)鏡的自主裝配和組合技術(shù)。中央納星上裝有2個(gè)固定反射鏡和1個(gè)懸臂焦點(diǎn)平面組件，2顆3U的立方星均攜帶電動(dòng)自適應(yīng)反射鏡。這些衛(wèi)星計(jì)劃采用GPS接收機(jī)、三軸磁力計(jì)、基于互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體陣列的太陽(yáng)和地球敏感器、1個(gè)三軸磁力矩器和3個(gè)反作用飛輪，在所有軸上以0.5°/s的速率轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)誤差在±1°內(nèi)的姿態(tài)控制。
軌道低頻射電天文學(xué)天線(xiàn)任務(wù)概念。由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)牽頭的軌道低頻射電天文望遠(yuǎn)鏡（Orbiting Low Frequency Antennas for Radio Astronomy——OLFAR）任務(wù)，將在0.3MHz～30MHz的工作頻段部署50～1000顆相同的納星構(gòu)成大型星座，每顆衛(wèi)星將攜帶一個(gè)由3個(gè)正交偶極子組成的長(zhǎng)達(dá)5m的天文天線(xiàn)，用于射電天文學(xué)研究。由于地球上空的電離層對(duì)低頻無(wú)線(xiàn)電波不透明，所以低于30MHz的頻帶是地面射電天文望遠(yuǎn)鏡不能探測(cè)到的頻率范圍之一。
空間超低頻射電天文臺(tái)任務(wù)概念。由中國(guó)科學(xué)院主導(dǎo)的空間超低頻射電天文臺(tái)（Space Ultra-Low Frequency Radio Observatory——SULFRO）任務(wù)計(jì)劃發(fā)射一個(gè)無(wú)控型星座，該星座由1顆微型衛(wèi)星和12顆納型衛(wèi)星組成（如圖7所示），其中微型衛(wèi)星為主星，納型衛(wèi)星為從星。星座將在拉格朗日L2點(diǎn)附近的李薩如（Lissajous）軌道或暈軌道上運(yùn)行。每顆納星載有3個(gè)偶極天線(xiàn)，能夠在1MHz～100MHz頻率范圍內(nèi)對(duì)“整個(gè)星空”實(shí)時(shí)觀測(cè)。
相關(guān)環(huán)境中的行星際納型航天探測(cè)器任務(wù)。相關(guān)環(huán)境中的行星際納型航天探測(cè)器（Interplanetary Nanospacecraft Pathfinder in a Relevant Environment——INSPIRE）任務(wù)，是由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）主導(dǎo)的行星際驗(yàn)證任務(wù)。在地球軌道上部署2顆納星，對(duì)通信、導(dǎo)航和有效載荷技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。2顆3U的納星均使用星敏感器、陀螺儀和光電二極管來(lái)調(diào)整自身姿態(tài)，精度可達(dá)到±7角秒（1σ誤差），并可用4個(gè)推進(jìn)器的冷氣推進(jìn)系統(tǒng)控制姿態(tài)。該任務(wù)計(jì)劃在2017年將衛(wèi)星發(fā)射到地球逃逸軌道。
火星立方星星座任務(wù)。該任務(wù)由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)，計(jì)劃在火星周?chē)l(fā)射60顆立方星組成星座，研究火星上電場(chǎng)活動(dòng)的頻率以及地理分布和強(qiáng)度。在火星軌道上，衛(wèi)星所攜帶的敏感器靈敏度比在地球上要高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，即便衛(wèi)星上的儀器精度差一些，也可以正常工作。
行星際無(wú)線(xiàn)電掩星立方星座任務(wù)。由麻省理工學(xué)院主導(dǎo)的行星際無(wú)線(xiàn)電掩星立方星座（Interplanetary Radio Occultation CubeSat Constellation——IROCC）任務(wù)，計(jì)劃將6顆3U立方星作為更大的行星際飛行器的次級(jí)有效載荷，發(fā)射到另一個(gè)行星。該星座將采用無(wú)線(xiàn)電掩星技術(shù)來(lái)測(cè)量行星大氣層和電離層的溫度、壓力以及電子密度分布。
太陽(yáng)極區(qū)成像儀任務(wù)。該任務(wù)由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室牽頭負(fù)責(zé)，美國(guó)國(guó)家航空航天局創(chuàng)新先進(jìn)概念局資助。計(jì)劃發(fā)射6顆6U立方星組成星座，用以研究太陽(yáng)極區(qū)的磁場(chǎng)和日震學(xué)。星座將被置于高度傾斜的外黃道垂直軌道上，半長(zhǎng)軸約為0.99個(gè)天文單位。這些立方星配備了大量科學(xué)儀器，并利用太陽(yáng)帆作為動(dòng)力飛抵高度傾斜軌道。
技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)
技術(shù)驗(yàn)證任務(wù)旨在驗(yàn)證最先進(jìn)的技術(shù)在太空中的應(yīng)用。在本節(jié)中，主要討論使用或計(jì)劃使用兩顆及兩顆以上、質(zhì)量小于10kg的小衛(wèi)星進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證的任務(wù)。
空間繩系自主機(jī)器人衛(wèi)星任務(wù)。由日本香川大學(xué)和高松國(guó)立科技大學(xué)主導(dǎo)的空間繩系自主機(jī)器人衛(wèi)星（Space Tethered Autonomous Robotic Satellite——STARS）任務(wù)，驗(yàn)證了使用10m長(zhǎng)的系繩實(shí)現(xiàn)子衛(wèi)星與母衛(wèi)星對(duì)接和分離技術(shù)。母衛(wèi)星質(zhì)量為4.2kg，子衛(wèi)星質(zhì)量為3.8kg。首先，母衛(wèi)星會(huì)給子衛(wèi)星一個(gè)初始速度，完成子衛(wèi)星的部署，然后再使用系繩收回它，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)接。2009年1月23日，衛(wèi)星作為H-IIA運(yùn)載火箭的次級(jí)載荷發(fā)射升空。母衛(wèi)星使用GPS、磁力計(jì)和陀螺儀來(lái)確定自己的姿態(tài)，并使用磁力矩器進(jìn)行姿態(tài)控制。子衛(wèi)星使用相機(jī)確定其相對(duì)于母衛(wèi)星的姿態(tài)，然后利用其自身在系繩張力下的臂桿運(yùn)動(dòng)來(lái)控制姿態(tài)。盡管太空存在不穩(wěn)定因素，但基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)案目標(biāo)。
AeroCube-4任務(wù)。AeroCube-4立方星由英國(guó)宇航公司研制，其中每顆1U的立方星重1.2kg。這些立方星都是采用地球和太陽(yáng)敏感器、高精度三軸速率陀螺儀及慣性測(cè)量單元來(lái)控制自身姿態(tài)，其絕對(duì)姿態(tài)精度可達(dá)1°；使用GPS接收機(jī)以20m的精度估算自身位置，并通過(guò)可展開(kāi)太陽(yáng)翼改變橫截面積來(lái)控制自身的位置。2012年9月13日，這些衛(wèi)星作為聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（United Launch Alliance——ULA）公司Atlas-5-411號(hào)運(yùn)載火箭的次級(jí)有效載荷，在范登堡空軍基地發(fā)射升空到橢圓近地軌道，其軌道高度為480～780km，軌道傾角為65°。這些衛(wèi)星會(huì)自主改變其阻力剖面，并使用不同的機(jī)翼構(gòu)型，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行的隊(duì)形重構(gòu)任務(wù)。
普羅米修斯計(jì)劃。美國(guó)洛杉磯洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)射了8顆重量為2kg的1.5U立方星。該任務(wù)的主要目的是驗(yàn)證超視距衛(wèi)星與便攜式的遠(yuǎn)程設(shè)備和地面站之間的通信能力，如傳輸音頻、視頻和數(shù)據(jù)文件等能力。2013年11月19日，這8顆衛(wèi)星作為Minotaur-1火箭的次級(jí)有效載荷，被發(fā)射到高度為500km、軌道傾角40.5°的圓形近地軌道上。每顆衛(wèi)星都有4個(gè)可展開(kāi)的太陽(yáng)電池板和1個(gè)可展開(kāi)的螺旋天線(xiàn)，使用壽命為3～5年。此外，美國(guó)陸軍空間和導(dǎo)彈防御司令部也正在開(kāi)展一項(xiàng)類(lèi)似的任務(wù)。
KickSat（踢衛(wèi)星）項(xiàng)目。踢衛(wèi)星項(xiàng)目是由康奈爾大學(xué)牽頭的民間太空探索項(xiàng)目，該項(xiàng)目的任務(wù)是發(fā)射數(shù)百顆小型芯片衛(wèi)星到近地軌道空間，評(píng)估其在軌性能，同時(shí)也研究其再入性能。該項(xiàng)目的母衛(wèi)星是一顆3U立方星，內(nèi)含104顆尺寸為32mm×32mm×4mm、重量小于7.5g的芯片衛(wèi)星，它們也被稱(chēng)為“小精靈”，如圖8所示。
2014年4月18日，在佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角，母衛(wèi)星搭載太空探索（SpaceX）公司“龍”飛船，發(fā)射到高度為325km、軌道傾角為51.6°的近地軌道。但控制芯片衛(wèi)星的時(shí)鐘出現(xiàn)重置現(xiàn)象，導(dǎo)致芯片衛(wèi)星無(wú)法被正常部署，并于2014年5月15日墜入地球大氣層。
VELOX-1任務(wù)。由新加坡南洋理工大學(xué)負(fù)責(zé)的VELOX-1任務(wù)包含1顆納衛(wèi)星和1顆皮衛(wèi)星，該項(xiàng)目是采用1顆3U納星在軌道上部署1顆70mm×60mm×30mm的皮星。該3U納星采用1個(gè)GPS、2個(gè)慣性測(cè)量裝置、1個(gè)雙目視覺(jué)的太陽(yáng)傳感器、8個(gè)粗太陽(yáng)傳感器、3個(gè)磁轉(zhuǎn)矩器和3個(gè)反作用輪，實(shí)現(xiàn)三軸姿態(tài)穩(wěn)定。
2014年6月30日，該項(xiàng)目的衛(wèi)星在印度斯里赫里戈達(dá)島的薩迪什·達(dá)萬(wàn)航天中心，由PSLV-C23運(yùn)載火箭發(fā)射升空，并成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期任務(wù)目標(biāo)。
加拿大先進(jìn)納米空間實(shí)驗(yàn)任務(wù)4和5（CanX4＆5）。由多倫多大學(xué)負(fù)責(zé)，加拿大航天局資助完成的加拿大先進(jìn)納米空間實(shí)驗(yàn)任務(wù)CanX4＆5是一個(gè)雙納星項(xiàng)目。該任務(wù)用于驗(yàn)證具有亞米級(jí)跟蹤誤差精度和低速度變化（ΔV）要求的衛(wèi)星編隊(duì)飛行任務(wù)。每顆納星的重量均小于7kg，配備6個(gè)粗/精太陽(yáng)敏感器、1個(gè)三軸磁力計(jì)、3個(gè)速率陀螺儀、3個(gè)磁力矩線(xiàn)圈和3個(gè)正交安裝的反作用輪，可保證姿態(tài)控制精度為1°，并利用星間通信和差分GPS實(shí)現(xiàn)10cm的相對(duì)位置確定精度。衛(wèi)星利用最大推力為5mN、總ΔV為14m/s的加拿大先進(jìn)納星推進(jìn)系統(tǒng)（CNAPS）執(zhí)行編隊(duì)操作，相對(duì)位置控制精度可達(dá)1m。2014年6月30日，CanX4＆5納星由PSLV-C23運(yùn)載火箭，從印度斯里赫里戈達(dá)島成功發(fā)射到了高度為660km、軌道傾角為98.2°的太陽(yáng)同步軌道。通過(guò)使用載波相位差分GPS進(jìn)行極高精度的相對(duì)導(dǎo)航。這兩個(gè)航天器可以先以100m間距，再以50m間距執(zhí)行圓投影軌道編隊(duì)飛行（從地面觀察者的角度來(lái)看，像一顆衛(wèi)星圍繞另一顆衛(wèi)星飛行），衛(wèi)星還執(zhí)行了一系列精確、可控的自主編隊(duì)任務(wù)。目前，該任務(wù)已成為先進(jìn)編隊(duì)飛行任務(wù)的榜樣。
立方星臨近操作驗(yàn)證任務(wù)。由Tyvak納衛(wèi)星系統(tǒng)公司主導(dǎo)、美國(guó)國(guó)家航空航天局資助的立方星臨近操作驗(yàn)證任務(wù)（CubeSat Proximity Operations Demonstration——CPOD），計(jì)劃使用一對(duì)帶有可展開(kāi)太陽(yáng)能電池板的3U立方星，驗(yàn)證衛(wèi)星在近地軌道上的交會(huì)、臨近操作、編隊(duì)飛行與對(duì)接技術(shù)，如圖9所示。
AeroCube-光通信和傳感器演示任務(wù)。由宇航公司研發(fā)并得到NASA“小衛(wèi)星技術(shù)計(jì)劃”支持的AeroCube—光通信和傳感演示（AeroCube-Optical Communication and Sensor Demonstration）任務(wù)，旨在驗(yàn)證近地軌道上的立方星與地面站終端的光通信技術(shù)，并演示如何使用商用現(xiàn)成品（Commerical Off-The-Shelf——COTS）傳感器跟蹤附近的航天器，如圖10所示。這兩顆1.5U的立方星將使用汽車(chē)防撞雷達(dá)傳感器和廉價(jià)光電鼠標(biāo)傳感器來(lái)避免碰撞，并利用可展開(kāi)太陽(yáng)翼和機(jī)載冷氣推進(jìn)器在200m范圍內(nèi)控制自己的位置。這兩顆立方星預(yù)計(jì)將被發(fā)射到高度為400～700km的太陽(yáng)同步軌道，并可利用GPS、太陽(yáng)和地球水平敏感器、磁力計(jì)、星跟蹤器、3個(gè)磁扭矩桿和3個(gè)反作用飛輪實(shí)現(xiàn)0.1°的絕對(duì)精度指向。
天網(wǎng)一號(hào)。由上海微小衛(wèi)星工程中心完成的天網(wǎng)一號(hào)項(xiàng)目，旨在驗(yàn)證兩顆立方星的自主編隊(duì)飛行任務(wù)和利用軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)現(xiàn)的衛(wèi)星間通信技術(shù)。該項(xiàng)目由1顆3U立方星（TW-1C）和兩顆2U立方星（TW-1A、TW-1B）組成。2015年9月，衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心順利發(fā)射，進(jìn)入近地軌道。
Rascal任務(wù)。由圣路易斯大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)、NASA立方星發(fā)射計(jì)劃支持的Rascal任務(wù)，旨在驗(yàn)證衛(wèi)星臨近操作和空間環(huán)境感知的關(guān)鍵技術(shù)，如紅外成像、六自由度推進(jìn)、無(wú)線(xiàn)電頻率臨近報(bào)警以及自動(dòng)化操作，等等。2顆3U立方星將使用紅外和可見(jiàn)光攝像機(jī)確定相對(duì)位置和姿態(tài)，并利用冷氣六自由度推進(jìn)單元調(diào)整姿態(tài)和位置，以及尼龍搭扣與底板進(jìn)行對(duì)接。
空間自主納星集群飛行和地理定位任務(wù)。由以色列理工學(xué)院主導(dǎo)、并得到以色列航天工業(yè)公司支持的“空間自主納星集群飛行和地理定位任務(wù)”（Space Autonomous Mission for Swarming and Geo-Locating Nanosatellites——SAMSON），旨在演示多顆衛(wèi)星的長(zhǎng)期自主編隊(duì)飛行。該任務(wù)將使用3顆基于立方星標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)研發(fā)的3U立方星。每顆衛(wèi)星上都將配備冷氣推進(jìn)系統(tǒng)、原子鐘、星間通信系統(tǒng)以及可展開(kāi)太陽(yáng)能電池板。這3顆衛(wèi)星將被發(fā)射到半長(zhǎng)軸、偏心率、傾角相同的軌道，并形成一個(gè)衛(wèi)星集群，衛(wèi)星間的相對(duì)距離從最近的100m到最遠(yuǎn)的250km。其中1顆星將被指定為“領(lǐng)航者”，其他2顆星將作為“跟隨者”。“跟隨者”可根據(jù)“領(lǐng)航者”的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)運(yùn)行軌道進(jìn)行修正，以滿(mǎn)足相對(duì)距離約束。另外，地面控制中心可下達(dá)指令從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間的角色轉(zhuǎn)換。
硅片集成衛(wèi)星群任務(wù)。由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校和科學(xué)系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局資助的硅片集成衛(wèi)星群（Swarms of Silicon Wafer Integrated Femtosatellites——SWIFT）任務(wù)，計(jì)劃在地球近地軌道部署一個(gè)由成百上千顆100g級(jí)芯片衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群，用于稀疏孔徑陣列和分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。該衛(wèi)星群可形成三維隊(duì)形并以低燃耗的方式保持隊(duì)形。如圖11所示，每顆衛(wèi)星重量為100g，將配置通信系統(tǒng)、三軸姿態(tài)和位置傳感器、星載計(jì)算機(jī)和能源單元、微型反作用飛輪，以及一個(gè)基于微型推進(jìn)器或小型化肼系統(tǒng)的推進(jìn)單元。設(shè)計(jì)研究得出結(jié)論，推進(jìn)系統(tǒng)和長(zhǎng)距離通信電子設(shè)備的小型化將是SWIFT飛行任務(wù)成功的關(guān)鍵。
日本九州與美國(guó)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系繩任務(wù)概念。日本九州與美國(guó)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系繩（Kyushu/U.S. Experimental Satellite Tether——QUEST）任務(wù)是亞利桑那州立大學(xué)、圣克拉拉大學(xué)和日本九州大學(xué)之間的聯(lián)合項(xiàng)目。該任務(wù)計(jì)劃先在衛(wèi)星間展開(kāi)一根2km長(zhǎng)的系繩，然后通過(guò)協(xié)同控制保持主衛(wèi)星和從衛(wèi)星的隊(duì)形。這個(gè)概念類(lèi)似于先前提出的在太空中產(chǎn)生人工重力的任務(wù)。
高速、多光譜、自適應(yīng)分辨率立方星成像星座任務(wù)概念。由斯坦福大學(xué)負(fù)責(zé)的高速、多光譜、自適應(yīng)分辨率立方星成像星座（High-Speed, Multispectral, Adaptive Resolution Stereographic CubeSat Imaging Constellation——HiMARC）任務(wù)，計(jì)劃發(fā)射4顆3U合成孔徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡組成的無(wú)控型星座，從而提供地球、太陽(yáng)、月球和天文目標(biāo)的快速、多光譜、高分辨率立體圖像。
實(shí)時(shí)定位任務(wù)概念。這個(gè)由以色列理工學(xué)院主導(dǎo)的概念性項(xiàng)目，計(jì)劃使用2顆或3顆近地軌道衛(wèi)星組成編隊(duì)，通過(guò)測(cè)量信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，來(lái)精確地確定地面上電磁脈沖信號(hào)源的位置。任務(wù)設(shè)想用小衛(wèi)星編隊(duì)進(jìn)行空間地理定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)火星探測(cè)器精準(zhǔn)地追蹤，在全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System——GNSS）受干擾的情況下實(shí)現(xiàn)一個(gè)冗余導(dǎo)航系統(tǒng)，或?qū)崿F(xiàn)遇險(xiǎn)信號(hào)自主定位系統(tǒng)的成本最小化。
人道主義衛(wèi)星星座任務(wù)概念。由歐空局主導(dǎo)的人道主義衛(wèi)星星座（Humanitarian Satellite Constellation——HumSat）項(xiàng)目是一項(xiàng)有教育意義的國(guó)際性倡議，如圖12所示，該項(xiàng)目旨在建立一個(gè)納星星座，為世界上基礎(chǔ)設(shè)施不完善的地區(qū)提供全球通信能力。任務(wù)計(jì)劃部署一個(gè)全球性的立方星星座，用以支持人道主義活動(dòng)、急救應(yīng)用以及監(jiān)測(cè)與氣候變化相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)。目前，全世界范圍內(nèi)已有19所大學(xué)表示有興趣參與研發(fā)該任務(wù)將使用的衛(wèi)星。
伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校和美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室立方星編隊(duì)飛行任務(wù)概念。這個(gè)由伊利諾伊大學(xué)厄巴納—香檳分校負(fù)責(zé)、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室資助的任務(wù)，計(jì)劃發(fā)射4顆或6顆立方星到近地軌道，來(lái)演示在太空中的編隊(duì)飛行任務(wù)。4顆立方星在太空中保持四面體隊(duì)形；6顆立方星在多個(gè)J2項(xiàng)不變的相對(duì)軌道間，用實(shí)時(shí)的連續(xù)凸規(guī)劃法進(jìn)行最優(yōu)重構(gòu)策略驗(yàn)證；J2項(xiàng)不變的軌道具有最小漂移特性，衛(wèi)星可消耗最少的燃料來(lái)保持運(yùn)行軌道不變。大量的仿真結(jié)果表明，4顆立方星構(gòu)型在100多個(gè)軌道可以將精度保持在5m以?xún)?nèi)；6顆立方星構(gòu)型則可以使用最先進(jìn)的商用現(xiàn)成品傳感器和執(zhí)行器在J2項(xiàng)不變軌道之間執(zhí)行多達(dá)20個(gè)隊(duì)形的重構(gòu)。
“放飛你的衛(wèi)星”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。“放飛你的衛(wèi)星”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是由歐洲航天局（European Space Agency——ESA）教育辦公室組織、面向歐洲大學(xué)生的太空實(shí)驗(yàn)任務(wù)，共發(fā)射了3顆由在校大學(xué)生參與研制的立方星。它們分別是來(lái)自比利時(shí)列日大學(xué)，用于測(cè)試新型通信系統(tǒng)的OUFTI-1衛(wèi)星；來(lái)自意大利都靈理工大學(xué)，通過(guò)測(cè)量地球磁場(chǎng)從而確定衛(wèi)星姿態(tài)的e-st@r-II衛(wèi)星；來(lái)自丹麥奧爾堡大學(xué)，利用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)辨識(shí)和跟蹤沿海地區(qū)過(guò)境船舶位置的AAUSAT4衛(wèi)星。這3顆體積為10cm×10cm×11cm、重量約1kg的衛(wèi)星于中歐夏令時(shí)2016年4月25日搭乘聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭，從位于法屬圭亞那的庫(kù)魯歐洲航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空。發(fā)射后的24小時(shí)以?xún)?nèi)，地面控制中心分別接收到了3顆衛(wèi)星傳來(lái)的信號(hào)，確認(rèn)它們已經(jīng)按照預(yù)定計(jì)劃順利進(jìn)入軌道。通過(guò)參與這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，來(lái)自三所大學(xué)的同學(xué)們都有了參與真實(shí)太空任務(wù)的經(jīng)歷，這也是歐空局教育辦公室致力于推行這個(gè)項(xiàng)目的主要目的，他們希望通過(guò)這種方式培養(yǎng)歐洲下一代空間科學(xué)家和工程師，從而使歐洲的太空探索技術(shù)和研究水平能夠走在世界前列。
結(jié)束語(yǔ)
相比于傳統(tǒng)的大衛(wèi)星，小衛(wèi)星的研發(fā)成本低、設(shè)計(jì)周期短、功能密度高。成百上千顆小衛(wèi)星構(gòu)成的集群靈活性高、魯棒性高，能完成大衛(wèi)星無(wú)法完成的任務(wù)，應(yīng)用前景廣闊，而發(fā)展小衛(wèi)星集群的關(guān)鍵就是高集成模塊化技術(shù)和分布式協(xié)同控制技術(shù)，相信在不久的將來(lái)，隨著其功能的不斷完善，將會(huì)逐漸取代傳統(tǒng)衛(wèi)星。
從過(guò)去發(fā)展歷程上看，航天系統(tǒng)工程的發(fā)展將會(huì)帶動(dòng)其他學(xué)科發(fā)展。20世紀(jì)60年代美國(guó)阿波羅登月所研制的新材料、新技術(shù)和新工藝已推廣到了各個(gè)領(lǐng)域，如果說(shuō)美國(guó)的計(jì)算機(jī)水平一直領(lǐng)先于世界是得益于阿波羅計(jì)劃的推動(dòng)，那么，類(lèi)似地，今天小衛(wèi)星集群的技術(shù)發(fā)展也將推動(dòng)其他科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。
從國(guó)際上對(duì)小衛(wèi)星集群的研究和應(yīng)用狀況看，未來(lái)的發(fā)展將從以下幾個(gè)方面開(kāi)展研究工作：第一，在性能不變的情況下，盡可能地降低空間任務(wù)的成本，即用低成本去完成傳統(tǒng)的太空探索任務(wù)；第二，通過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)獲得高可靠性產(chǎn)品；第三，引入群智能理論成果，利用先進(jìn)的微電子、微機(jī)械、微推進(jìn)和仿生技術(shù)等，研究小衛(wèi)星集群的自主或自治的管理技術(shù)，完成更復(fù)雜的太空探索。
（南京航空航天大學(xué)飛行器控制專(zhuān)業(yè)碩士研究生陳辛為本文撰寫(xiě)做了文獻(xiàn)翻譯和綜合分析工作，博士研究生李佩冉做了資料整理工作，對(duì)兩位研究生的貢獻(xiàn)表示感謝）
責(zé) 編∕刁 娜
The Application Status and Development Trend of Satellite Cluster System
Wen Xin
Abstract: At present, the development of small satellites is very fast. Its research has attracted the attention of colleges and universities around the world, and even expanded to the high school students' technological innovation competitions. The concept of small satellite clusters has received extensive attention in the international aerospace field. Its launch process has been transformed from the previous piggyback launches to shared launches. This paper investigates and analyzes the application cases of nearly 40 small satellite clusters, including earth science exploration missions, deep space exploration missions, and technical verification missions. It also discusses on their application types, cluster size, and overall technology. On this basis, the key issues faced by the future mission of small satellite clusters are proposed. Finally, the future development direction of small satellite cluster missions is forecasted.
Keywords: Small satellite, distribution-type, satellite cluster, satellite system
聞新，南京航空航天大學(xué)航天控制系負(fù)責(zé)人、教授、博導(dǎo)，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)北斗創(chuàng)新基地主任。研究方向?yàn)楹教炱鞴收显\斷、航天器集群智能控制、工業(yè)文化。主要著作有《航天器系統(tǒng)工程》等。
