现代小卫星发展现状和关键技术

现代小卫星发展现状和关键技术

作者：陈国鑫毛海山胡显学乜锐

来源：《科学导报·学术》2017年第01期

摘要：现代小卫星技术是卫星技术发展的方向之一，它以全新的概念冲击着航天领域，引发航天技术的革命。本文首先介绍了小卫星的概念分类，其次叙述了国内外该领域的发展现状，再次对小卫星关键技术进行了详细阐述，最后在总结中展望了小卫星的发展趋势。

关键词：小卫星；星座组网；卫星通信

[中图分类号]G710

[文献标识码]A

[文章编号]2236-1879（2017）01-0130-02

概述

航天技术发展到今天，已在卫星领域形成两大趋势，一是向大型化方向发展，大容量、多用途、长寿命、高效率的大中型卫星为人类在经济、科研特别是军事领域带来了可观的效益。但是，研制周期长、费用高、技术复杂、风险大等不利因素严重限制了大中型卫星的应用和发展。因此，存在着另一种发展趋势，向小型化发展，如美国铱系统、全球星系统等。通常以重量区分小卫星。重量在1000千克以下的人造卫星统称为“小卫星”，具体划分见下表：

小卫星与大中型卫星相比具备如下优势：

（1）小型化、轻型化

（2）标准化、模块化

（3）机动、灵活、抗毁

（4）快速应用新技术

小卫星主要用于通信、对地遥感、行星际探测、科学研究和技术试验，作为大型航天器的补充，在军事、国民经济各部门得到广泛应用。

发展现状

美国小卫星发展情况

1998年美国提出纳米卫星计划，发展小于10kg的纳米卫星，用于验证微型总线技术、编队飞行技术以及其他一些应用技术。

2010年美国军事和工业部门官员称，美国正在进行“机载情报、监视与侦察”（AISR）计划，该计划内容是通过部署一颗小卫星来确保飞行在冲突地区边缘或外围的无人机通信。

2013年11月19日美国利用一枚火箭将29颗小卫星送入预定轨道，其中一颗由美国高中生制作完成。

我国小卫星发展情况

早在1995年，中科院就根据国家未来星地通信技术发展需求，提出要自主研制中国首颗重量100公斤以下的低轨道数据通信小卫星及其通信系统。

2003年10月21日，“创新一号”存储转发通信小卫星成功发射入轨，“创新一号”小卫星以存储转发的工作方式，实现全球范围的非实时低轨道双向数据通信。

2012年5月10日15时6分，我国在太原卫星发射中心用长征四号乙运载火箭，成功将遥感卫星十四号送入太空。同时，成功搭载发射了“天拓一号”卫星，“天拓一号”发射成功，标志着中国在微小卫星领域获重要突破。

2013年4月26日，中国航天在酒泉卫星发射中心一箭多星的方式将国际用户三颗小卫星发射成功。

关键技术

推进技术

小卫星推进系统中的关键技术有：

（1）具有高效费比的微型固体燃料发动机；

（2）微型液体燃料推进器；

（3）超低功率微型冷气推进器；

（4）低成本燃料贮箱和燃料馈送系统部件；

（5）液体低功率气体发生器；

（6）用于姿态控制的微型固体燃料发动机。

制导、导航与控制

小卫星对制导、导航与控制敏感器的要求是，重量低于0.2kg～0.25kg，功率低于0.1W，工作电压低于3.3V，分辨率优于0.1。具体的技术开发工作包括微型反作用飞轮、微型三轴磁力计、电磁体、双轴太阳敏感器和双轴地球敏感器等。

指令与数据处理

这部分涉及的主要技术有：

（1）轻质、低功耗电子器件封装技术；

（2）抗辐射、低功耗处理平台技术；

（3）高性能、低功耗存储技术；

（4）抗辐射、可刷新的现场可编程门阵列技术。

电源系统

小卫星电源系统的微型化趋势是将太阳能电池、蓄电池和功率变换器集成为1个混合模块。这种模块可以大幅减小卫星的尺寸与重量。

射频天线

小卫星射频天线的发展方向主要有两个：一个是多频段和宽带天线；另一个是采用职能天线。

机械、结构、材料

（1）微电子机械，其系统的研究目标是把目前部件的质量和体积减少到1/50；

（2）多功能结构，微电子机械系统的用途之一是构建多功结构。而多功能结构技术是将许多单个部件制造成微型化部件，再把它们组装到“灵巧的壳体”内，部件之间的连接线都用电路板的迹线替代。

（3）新型材料，未来m小卫星将采用以复合材料为基础的新型材料。与铝制材料相比，复合材料可使卫星重量降低1/3，还可提高结构强度和刚性。

星上自主性与智能化控制

采用智能计算机进行星上全面管理，能实现高度自主性。利用结构自适应神经控制器可随任意变化的情况自主改变算法，通过结构情况的监视和神经控制器的再配置，实现卫星结构的高度自主控制。由于卫星软件可在飞行过程中不断升级，因此应尽量利用软件来实现硬件的功能，提高卫星的自主能力。

模块化与多功能系统设计

在未来的小卫星设计中，构成卫星的最基本单元不再是分立的元器件、零部件，而是多芯片模块及其组合，并在此基础上将卫星功能系统设计成“功能模块”，通过接口实现功能的隔离和连接，进而构成多功能系统。

总结

小卫星的发展趋势主要有两个方向：一是研制轻型单颗卫星，这类卫星主要为执行特殊化任务而研制；另一个方向是将小卫星组成星座，进行编队飞行，以代替昂贵的单颗大型卫星，该种模式是小卫星应用的主流趋势。