现代微纳卫星发展与应用现状

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1、现代微纳卫星发展与应用现状李明姚娜范春石中国空间技术研究院（北京市海淀区友谊路104号北京5142信箱222分箱，100094）摘要在过去十几年中，随着微纳技术(MNT)及微电子机械系统(MEMS)技术的迅猛发展，微纳卫星技术得到迅速发展，逐渐从探索、试验阶段转入业务化、装备化运营阶段，并在遥感、通信、导航、空间科学、新技术演示验证以及教育培训等诸多领域得到了广泛应用。因此，大力开展微纳卫星及其关键技术的研究，加快其产业化进程，具有十分重要的意义。本文介绍了国内外微纳卫星的发展现状，重重点对微纳卫星的供

2、电能力、通信能力、处理能力、导航姿控能力等方面进行了总结，在此基础上，结合微纳卫星的特点与发展启示，提出我国微纳卫星的发展建议。关键词微纳卫星微纳技术MEMS技术微纳卫星平台1概述卫星的发展经历了从小卫星到大型卫星再到小卫星的过程。随着计算机技术、微纳技术及MEMS技术的迅速发展，卫星有效载荷的尺寸显著减小，20世纪末出现了微纳卫星的研究热潮。进入21世纪后，随着航天技术的发展，现代微纳卫星已经成为空间系统的重要组成部分，广泛应用于数据通信、数据传输、地面环境监测、空间环境监测、导航定位、科学试验等诸多

3、领域。图12000-2013年全球小卫星发射数量统计近几年，1～50kg小卫星发射数量呈现逐年增长的趋势。2013年发射的小卫星主要集中于微纳卫星范畴，尤其是1～50kg小卫星发展活跃，占国外小卫星发射总数的近2/3。其中，发展最具活力的是立方体卫星，2013年成功发射1U、1.5U、2U和3U立方体卫星共计751颗，超过小卫星发射总数的50%。图2(a)2013年成功发射小卫星所属国家统计(b)2013年成功发射小卫星质量分布统计美国SpaceWorks咨询公司在2013年2月发布全球微纳卫星市场评估

4、报告预测，未来10年微纳卫星仍将保持高速发展态势。到2020年，全球对1～50kg小卫星的需求量将达188颗。2国内外发展现状与分析2.1国外发展现状与分析国际上已有大约100所大学和研究机构开展微纳卫星研究，近30个国家和地区发射了微纳卫星。应用领域主要包括新技术试验、对地观测、通信、战术应用、航天工程教育培训等几个方面。微纳卫星由于质量轻、体积小、可提供功率有限，在实际应用中，对有效载荷的微小型化和低功耗要求十分苛刻。手持通信设备和微电子技术的飞速发展，使得微小型化和低功耗的通信有效载荷容易实现，因

5、此基于通信应用的微纳卫星最早进入商业化化应用。另外，微纳通信卫星星座可为海上、边疆、复杂山区、沙漠等特殊区域提供通信组网能力，是值得重点关注的领域。“空间与导弹防御司令部-作战纳卫星效果”（SMDC-ONE）卫星于2010年12月发射，它是美国军用通信试验小卫星星座的成员。该计划的目标包括：①演示快速设计和研制军用低成本航天器的能力；②验证地面无人值守传感器将数据通过“空间与导弹防御司令部－作战纳卫星效果”卫星转发到数据中心的能力；③为战术终端提供实时话音和短报文通信的能力。该卫星体积为10cm×10c

6、m×30cm，质量为4kg，全部采用商用现货技术（COTS）器件，首颗卫星设计寿命1年。该卫星星座由8颗卫星组成，这一卫星星座布置后，将能为单兵提供战术通信服务。新技术试验是现阶段微纳卫星最重要的应用领域之一。近年来，欧美等发达国家已经形成惯例，每年发射一批甚至几批新技术试验微纳卫星，从而为航天新技术提供及时的试验机会。已通过微纳卫星验证的技术包括微机电系统敏感器、微型推进器、星载计算机等大量微小型化、高性能的卫星部件和组件；还有卫星编队高精度相对导航、卫星网络化通信和测控等新体制和新方案。这些新技术试

7、验不仅有力地促进了微纳卫星自身的成熟和发展，也为大型航天器提高功能密度比和智能化提供了很好的借鉴，最终促进航天技术的整体进步。2例如，皮卫星太阳能电池试验台-2（PSSC-Testbed-2）卫星由美国航空航天公司（Aerospace）研制，于2011年7月发射成功。该卫星质量4kg，主要用于新型太阳电池试验。卫星配置了4台高氯酸铵固体火箭发动机，每台发动机能提供40ns的冲量，用于延长在轨时间或者进行主动脱轨。随着“立方体卫星”技术和标准逐渐成熟，美国军、民航天部门均制定了大规模的基于“立方体卫星”的

8、空间试验验证计划。2009年初，美国国家侦察局（NRO）为降低侦察卫星的研制风险，启动了一项利用“立方体卫星”作为空间试验平台进行新技术验证的“群落”（Colony）计划，批量采购“立方体卫星”，采取先平台后载荷的“两步走”战略，开展前沿技术在轨演示验证。美国国家侦察局首批订购了12颗“立方体卫星”，后续将陆续订购20～50颗“立方体卫星”，每颗“立方体卫星”单价约25万美元。从2012年起，美国国家侦察局开始面向立方体星提供搭载发射服务。