1、 摘 要 微 纳 感、 此， 文 介 导 航 微 纳关 键 1 概 及 M 究 热 成 部 试 验 于 微 发 展 （ 北 要 在过 去 十 纳 卫星技术 得 通信、 导 航 大力开展 微 介 绍了国内 外 航 姿控能力 等 纳 卫星的发 展 键 词 微纳 卫 星 概 述 卫星的发 展 MEMS 技术 的 热 潮。进入 2 部 分， 广泛 应 验 等诸多领 域 近几年，1 微 纳卫星范 畴 展 最具活力 的 现 代 北 京市海淀 区 十 几年中， 随 得 到迅速发 展 航 、 空间科学 、 微 纳卫星及其 外 微纳卫星 的 等 方面进行了 展 建议。 星 微纳技 术 展 经历了从 小 的 迅速
2、发展， 1 世纪后， 随 应 用于数据通 域 。 图 1 50kg 小卫 星 畴 ， 尤其是 1 的 是立方体 卫 代 微纳 卫 李 明 中 国 区 友谊路 104 随 着微纳技术 展 ， 逐渐从探 索 、 新技术演 示 关键技术的研 发展现状，重 总结， 在此 基 术 MEMS 技 术 卫星到大型 卫星有效 载 随 着航天技 术 信、 数据传 输 1 2000-2013 星 发射数量呈 50kg 小卫 星 卫 星，2013 年 1 卫 星发展 明 姚娜 范 春国 空间技术研 号 北京 514(MNT) 及微 电 索 、 试验阶 段 示 验证以及教 研 究， 加快 其 重点对微纳卫 基 础上，
3、 结 合 术 微纳卫 星 卫星再到小卫 载 荷的尺寸显 术 的发展，现 输 、 地面环 境 年全球小卫 星 呈 现逐年增长 星 发展活跃， 年 成功发 射 1 与应用 现 春 石 研 究院 42 信箱 222 电 子机械系统 段 转入业务化 教 育培训等诸 其 产业化进程 卫 星的供电能 合 微纳卫星的 星 平台 卫 星的过程。 显 著减小，20 现 代微纳卫星 境 监测、 空 间 星 发射数量统 长 的趋势。20 占国外小卫 U 、1.5U 、2 现 状 分箱，10009 统(MEMS) 技 化 、 装备化 运 诸 多领域得到 程 ， 具有十 分 能 力、通 信 能 的 特点与发展 。 随着
4、计算机 世纪末 出 现 星 已经成为空 间 环境监测、 统 计 13 年发射 的 星发射总数 U 和 3U 立 方 94 ） 技 术的迅 猛发 运 营阶段， 并 到 了广泛应用 分 重要的意义 能 力、处理 能 展 启示， 提出 机 技术、 微 纳 现 了微纳卫星 空 间系统的重 导航定位、 的 小 卫星主 要 的近 2/3 。 其 方 体卫星共计 展， 并在遥 用。因 义。本 能 力、 我国 技术 的研 重 要组 科学要 集中 其 中， 计 75 颗， 图 年 微 颗。 2 国 2.1 微 纳 等 几 化 和 的 通 纳 通 点 关 它 是 低 成 战 纳 力。 件， 兵 提 成 惯 会。
5、小 型 等 新 型 航 超过小卫 星 图 2 (a) 2013 年 美国 SpaceW 微 纳卫星仍 将国内外发 展 国外发展 现 国际上已有 大 纳 卫星。 应 用 几 个方面。 微纳卫星由 于 和 低功耗要 求 通 信有效载 荷 通 信卫星星 座 关 注的领域。 “空间与导 弹 是 美国军用 通 成 本航天器 的 纳 卫星效果” 该卫星体 积 首颗卫星 设 提 供战术通 信 新技术试 验 惯 例， 每年发 已通过微 纳 型 化、 高性 能 新 体制和新 方 航 天器提高 功 星 发射总数 的 年 成功发射 小 Works 咨询 公 将 保持高速 发 展现状与 分 现 状与分 析 大 约 1
6、00 所 用 领域主要包 于 质量轻、 体 求 十分苛刻。 手 荷 容易实现， 座 可为海上、弹 防御司令 部 通 信试验小 卫 的 能力； 验 证 卫星转发到 数 积 为 10cm 1 设 计寿命 1 年 信 服务。 是现阶段 微 纳 射一批甚至 几 纳 卫星验证的 技 能 的卫星部件 和 方 案。 这些新 技 功 能密度比 和 50% 。 小 卫星所属 国 公 司在 2013 年 发 展态势。到 分 析 析 大学和研究机 括新技术试验 体 积小、 可 提 手 持通信设 备 因此基于 通 边 疆、 复 杂 山 部- 作战纳卫 卫 星星座的成 证 地面无人 值 数 据中心的 能 10cm 30
7、cm 。 该卫星星 座 纳 卫星最 重 要 几 批新技术 试 技 术包括微 机 和 组件； 还 有 技 术试验不 仅 智能化提供 2 国 家统计 (b) 年 2 月发布 全 2020 年， 全 机 构开展微纳 验 、 对地观 测 提 供功率有限 备 和微电子技 通 信应用的 微 山 区、 沙漠 等 星效果” （SM 员。 该计划 的 值 守传感器将 能 力； 为 战 m ，质量为 4k 座 由 8 颗卫 星 要 的应用 领 域 试 验微纳卫星 机 电系统敏感 有 卫星编队高 仅 有力地促进 了很好的借鉴2013 年成 功 全 球 微纳卫 星 全 球对 1 50 纳 卫星研究， 测 、 通信、
8、战 限 ， 在实际 应 技 术的飞速发 微 纳卫星最 早 等 特殊区域提 MDC-ONE ） 的 目标包括： 将 数据通过 “ 战 术终端提供 kg ，全部采 用 星 组成， 这 一 域 之一。近 年 星 ， 从而为 航 感 器、 微型 推 高 精度相对导 进 了微纳卫星 鉴 ，最终促进 功 发射小卫星 星 市场评估报 0kg 小卫星 的 近 30 个 国 战 术应用、 航 应 用中， 对 有 发 展， 使得 微 早 进入商业化 提 供通信组网 卫星于 201 演示快速 “ 空间与导弹 供 实时话音和 用 商用现货技 一 卫星星座布 年 来， 欧美 等 航 天新技术提 推 进器、 星 载 导
9、航、 卫星 网 星 自身的成熟 进 航天技术的 星 质量分布统 报 告预测， 未 来 的 需求量将达 国 家和地区发 航 天工程教育 有 效载荷的微 微 小型化和低 化 应用。另外 网 能力， 是 值 10 年 12 月 发 速 设计和研制 弹 防御司令部 和 短报文通信 技 术（COTS 布 置后， 将 能 等 发达国家已 提 供及时的试 载 计算机等大 网 络化通信和 熟 和发展， 也 的 整体进步。统 计 来 10 达 188 发 射了 培训 微 小型 功耗 ，微 值 得重 发射， 军用 部 作 的能 ）器 能 为单 经形 试 验机 大 量微 测控 为大3 例如， 皮卫星太阳能电池试验台
10、-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
11、） 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。 尽管微纳卫星在体积、 质量和功率上的限制， 使其在对地 观测应用领 域， 地面分辨率和 精度无法和传统航天器相比， 但利用其成本和时间分辨率上的巨大优势， 可能出现一系列创 新的应用。 微纳卫星在对地观测应用领域最引人瞩目的当属美国 Skybox Imaging
12、 公司分别于 2013 年 11 月 21 日和 2014 年 7 月 8 日发射的 SkySat-1 和 SkySat-2 两颗微小卫星， 单星质量 91kg ， 幅宽 400km ， 轨道高度为 450km ， 能够获得 1m 左右的高分辨率图像和高清晰度的视频。 由 于成本低廉， 可以充分发挥多星星座的优势， 达到地球上任意地点每天多次的重访， 尤其是 可以对某一敏感区域进行凝视观测， 监测其动态变化， 同时能够以 “视频” 方式获得比传 统 卫星图像更多的关于目标地区的动态信息。 通过对图像和视频的大数据挖掘与分析， 可以获 得极其宝贵的信息， 在军民领域具有巨大的应用前景和难以估量的
13、商业价值。 卫星将打破传 统商业卫星的设计模式，可能带来遥感卫星产业的变革。 2013 年底，Planet Labs 公 司筹划 128 星遥感网，其 Flock/Dove 立方体卫星 目前已发射 数十颗， 卫星质量不到 5kg ， 而分辨率可达 3-5m 。 基 于分布式多星星座方式实现高速重访， 借助大数据和云计算等技术实现高分辨率图像处理与应用推送。 在战术应用 领域 ， 围绕小卫星成本低、 研制周期短、 批量化生产等特点， 国外提出了众 多体系创新概念。 自 2003 年美 国空军提出“ 作战快速响应空间” （ORS, Operational Responsive Space ） 创新
14、 概念以来， 该计划实现了长足发展， 取得了平台标准化、 模块化、 高光谱星上处理、 天基 数 据链等一批重要技术成果， 形成了基本技术体系。 在研发模式上， 将常规卫星研发过程中的 底层技术开发与卫星任务设计有效分割开来， 可以极大降低飞行器总体设计难度， 同时支持 小批量的单元星预产， 以实现快速按需配置设计， 加快研制速度， 最终实现“ 快速 响应” 总体 效果， 同时推动形成具有更广泛主体参与的开放型航天研发体制。 从 2011 年起，ORS 办公 室对这一新兴体系的称谓又悄然升级为“ 空间再 造体系” （RS ，Reinventing Space ） ，体 现了 更为丰富的内涵和变革
15、的雄心。 美军对快速响应空间体系高度重视，在国防部成立了专门的 ORS 办公室，并动员全国 产学研机构建立了高水平的研究联盟。 在 ORS 办公室的组织下， 先后研制发射了 TacSat 系 列、ORS-Sat 系列、PnPSat 系列、STPSat 系列等多 颗新技术卫星，这些卫星大部分都是微 小型和纳型卫星。值得一提的是，立方体卫星 2003 年首发成 功后，旋即也被纳入该体系， 得到统筹发展。 至 2010 年以后， 美国国防部和 NASA 双双 介入新一代规格化纳星标准的制 定及运送部署系统的开发，推出了 NLAS 等一 箭多星搭载接口部署器系统，正式这些标准 化的部署器系统使得频繁的
16、一箭数十星发射成为可能。 经过十余年的努力， 空间再造体系初 见成效， 业已形成涵盖各类箭弹、 卫星、 航天飞机、 宇宙飞船和空间站的低成本快节奏搭 载 发射能力， 实现了搭载发射的常态化和规模化。2013 年底 开始频繁开展的一箭 30 星发射活 动， 这 一 Spac 小 型 提 供 像 解 在 研 先 设 在 9 推 进 在 创 署 2 10 月 希 望 正是这一 成 一 搭载发射 体 2012 年 3 月 ce Enabled E 型 成像卫星， 供 近实时的 战 解 释度分级 标 SeeMe 项 目 研 制模式、 卫 设 计目标， 采 90 天内完 成 2 进 技术、 医疗 器 创
17、新部署模 式 24 星星座 ； 采 然而美国 已 月 ， 该项 目 完 2013 年， 美 望 把集中在 少 成 果的体现。 体 系推广至 高 月 ，美国国 防 ffects for Mil 通过空中发 射 战 场图像数 据 标 准（NIIRS ） 目 面向战术 应 卫 星技术和 部 用非宇航级 商 24 颗卫星 制 器 械行业气 动 式 上， 简化星 采 用智能移 动 已 确定 2014 财 完 成高空飞行 美 军推出“ 解 聚 少 数先进卫 星 当前正在开展 高 地球轨道，甚 图 3 “ 空 防 高级研究计 litary Engage 射 方式快速 部 据 。卫星整星质 ） 第 5 级（0
18、 应 用， 开启了 一 部 署模式三个方 商 用现货部件 造。 在创新 卫 动 阀门技术 等 箭运输和组装 动 终端， 基层 部 图 4 SeeM 财 年停止投 资 试验， 测试 平 聚 战略”，推 动 星 的能力分散 4 展 的“ 凤凰” 计 甚至为未来的 空 间再造” 搭 载 计 划局提 出“ 提 ements）项 目 部 署组成星座 质量 45kg ， 0.75-1.2m ） 。 一 种创新的成 方面。在创新 件 （COTS ） ， 卫 星技术方面 等 非传统技术 装 要求， 全 球 部 队参与卫星 Me 项目的作 战 资 SeeMe 项 目 平 台性能及手 动 建立“ 弹 性 到数量更
19、多的 计 划， 其重 要 的 深空轨道奠 载 物流系统 提 高军事作 战 目 ， 延续了 OR 座 系统， 向 前 300km 轨道成 像侦察卫星 新 研制模式上 达到 90 天 工 面 ， 利用衍 射 术 ， 实现低成 球 常规机场起 星 成像任务规 战 支持体系 目 ， 原授出 合 手 持终端直接 性分散” 空间 体 的 平台上， 建 要 探索领域之 奠 定基础。 战 效能的空 间 RS 的发展 思 前 线基层作战 高度分辨率达 星 发展和应用 上 ，以单星 5 工 作寿命； 采 射 光学技术以 本、 小型化、 起 降空中发射 规 划和接受近 合 同继续执行 接 规划卫星载 体 系。 该体
20、 系 建 立代替大型 之 一， 也是 希 间 系统” （See 思 路， 利用 低 战 人员快速、 达 到美国国家 用 模式， 主 要 50 万美 元为 采 用 OEM 方 以 及赛车行业 高效能的目 射 ， 快速、 按 近 实时战场图 行 。截止 201 载 荷任务的能 系 的核心思想 型 单体卫星的 希 望将eMe ， 成本 按需 家 图 要 体现 最优 方式， 业 氮气 标。 需部 像。 3 年 能 力。 想，是 网络，5 化解各类风险、 降低成本、 加速新技术应用， 并形成更多生产单位参与的局面。 在这样的 体 系内，必将会有更多微纳卫星承担其更加重要的使命。 微纳卫星在航天工程 教
21、育和培训 以 及国际合 作 中也发挥了重要的作用，已成为培养航 天人才、进行航天工程培训的重要途径。 2 0 1 1 年 11 月， 欧洲 QB50 项目正式 启动， 面向全球 50 所大 学进行 “立方体卫星” 招 标， 在大学航天工程教育和国际合作方面发挥了积极的作用。QB50 项 目是欧盟主导的、 由 50 颗低轨道 小卫星组成的卫星星群，用于低大气层监测研究和重返大气层研究。该项目的 目标是通过 50 颗分布在不 同轨道的小卫星，研究低大气层（90 320km ） 内主要成分和参 数的时空变化。QB50 项 目开辟了国际合作研制一个大型“立方体卫星”网络的新模式。 总的来看，微纳卫星在
22、国际上已成为一类有重要地位的航天器，广泛应用于对地观测、 通信、 新技术试验等领域。 特别是在新技术试验领域， 微纳卫星已体现出较大技术优势， 在 未来在轨服务、 维修等领域具有较高应用潜力和应用价值。 可以作为大卫星的有益补充， 与 其配合，共同发展。 在微纳卫星迈向实用的同时， 规模更小的皮级、 飞级航天器也逐渐从概念变为现实。 从 手机卫星，到 PCB 卫星 、口袋卫星，再到芯片卫星，当前甚高集成度的小微飞行器前沿水 平不断向着微型化极限迈进。随着 2011 年由航天 飞机携带芯片卫星进入太空，标志着实现 完整卫星基本功能所需要的系统规模已经低至 5g ；2014 年， 携带 104 颗
23、 芯片卫星的母星 KickSat 立方 体卫星也已经入轨。虽然现有的芯片卫星距离实际应用还有一定距离，但其展 现的广泛前景亦引人注目。 伴随着低成本微纳卫星技术的异军突起， 基于多颗卫星构建包括多个成员的分布式空间 系统， 如集群、 编队、 星座等， 可获得大范围覆盖、 快速重访、 多点同步、 超长基线等多种 应用方式。2014 年初， 美 国宣布拟 2015 年发射 150 颗立方星组成的“OUTERNET” 系统， 将 实现全球 Wi-Fi 覆盖。 平时单向广播， 救灾可应急双向通信。 美国 2013 年发射的 SENSE 和 欧盟计划于 2016 年发射 的 QB50 立 方体卫星星座，
24、基于星座集群实施多点大气环境原位探 测。NASA 的 EDSN 集群，通过空间无线网络，实现高同步性的多点原位探测。此外，美 国、英国还提出基于芯片卫星的分布式多点原位探测设想，拟用于火星大气等研究工作。 经过本世纪以来十余年的发展， 目前国外高品质先进微纳卫星技术取得了多项重要的颠 覆性技术突破， 无论是供电、 通信、 处理 、 姿轨控和空间操控能力， 都已经实现了质的飞越。 以立方体卫星为代表， 其典型 3U 构型 的体积10cmx10cmx40cm，质 量 5kg ， 目前已发展至 第三代， 具备高能量、 高精度、 高通信量、 高处理量、 高机动性， 并且正在向支持交会对接 的第四代迈进
25、。 展 开 展 为 可 在 破 3 位 芯 像 等 为 目 阳 光 元， 星 卫 PRO 发 动 纳 卫 开 展 等 应 空 间 级 超 作 表 演 示 微 重 用 化 在供电能 力 开 式太阳翼 或 在通信能 力 为 目前的专 用 在 轨展开的 高 3Mbps 以上 ， 在处理能 力 芯 片级处理 器 等 大数据量 信 在导航姿 控 目 前的星敏/ 太 光 压姿控、 多 具备双太 阳 卫 星的在轨 指 OBA-2 的在 轨 在推进能 力 动 机在轨可 提 卫 星提供的 速 在操控能 力 展 在对接与 微 应 用需求， 国 间 站表面健 康 超 近距离贴 飞 表 面自由巡 弋 示 验证， 仿生
26、 重 力目标绕、 化 ，为空间 攻 力 方面， 立方 体 或 充气展开 太 力 方面，已 经 用 电路/ 软件 定 高 增益反射 面 即将开展 5 力 方面，已 经 器 （SoC ） ， 并 信 息的在轨 处 控 能力方面， 太 敏/MIMU/G 多 功能万向 节 阳 敏、动量 轮 指 向精度已 突 轨 指向精度 已 力 方面， 已经 从 提 供 20m/s 速 速 度增量已 高 力 方面， 已经 从 微 操作试验。 面 外还发展了 康 结构检测 与 飞 、 旁站及停 弋 ，执行更 加 壁虎式吸附 攀 捕、 落、 巡 能 攻 防、在轨 服 图5 体 纳型卫星已 太 阳翼，平均 经 从最早的 U
27、H 定 义无线电 模 面 天线技术也得 50Mbps 光通 经 从最早的 8 并 有多种操 作 处 理能力。 已经从最早 的 GNSS 测量 、 节 姿控等新技 轮 组件和微推进 突 破 0.2 ，JPL 已 经突破 0.02 从 最早的单 发 度增量； 多 种 高 达 4km/s ， 理 从 最早的可 组 面 向高价值 空 多种类型的 超 航天员协操作 泊 口对接。 更 多样的精细操 攀 附连接等 关 能 力已全面形 服 务等开辟了新 6 国外微 纳平 已 经从最早的 功率已突破 HF/VHF 频 段 模 式， 覆盖 S/ 得到发展。 目 通 信试验；微小 16 位单片 机 作 系统可供选
28、的 磁强计/GP 三轴轮/CM 术。例如，美 进控制接口， L 实验室前沿 2 。 发 冷气推进位 种 类型的微型 理 论上能够将 组 成简单星座 空 间设施无损 超 近场伴飞微 作的 AERCa 更 进一步， 还 操作。5-20k 关 键技术已初 形 成技术储备 新的形态。 台能力 的 1W 级体 装 50W ；微 小 段 、1-2kbps /X/Ka/激光 等 目 前， 先进 立 小 型卫星光通 机 、 无操作 系 择；IPEX 等 PS 测量、 被 动 MG 控制，并 美 国 BCT 公 ， 而体积仅仅 沿 水平更已突 位 保， 发展 为 型 电推进系统 将 15kg 级纳 星 座 ，
29、发展为 目 损 检测、 航 天 微 纳航天器。 am 系列飞 行 还 将实现空间 kg 级的多 种 表 初 步完成航天 备 。 这些系 统 装 式帆板， 发 型 卫星功率更 数 据率、固 定 等 多个频段， 立 方体纳型卫 通 信数据率已 系 统状态，发 等 先进立方体 动/ 磁控/ 偏 置 在发展超静 公 司的立方体 仅 只有 1U 。 突 破 3 大关 ； 为 目前的快响 统 得到发展， 星 推入月球轨 目 前的可编队 天 员辅助操作 例如， 面 向 行 器，可实现 间 飞行器等微 表 面攀附巡弋 天 适应性研究 统 正在从原型发 展为目前的 更 达到千瓦级 定 天线模式， 微型跟瞄系 卫
30、 星的数据率 已 达 2.8Gbps 发 展为目前的 体 纳星已经具 置 动 量控制， 电推进姿控 、 体 卫星平台系 目前，立方 微小型卫 星 响 精细控推， 部分产品 可 轨 道； 队 组网交会， 作 、 深空行 星 向 航天飞机与 距离母航天 器 微 重力目标的 弋 器已完成地 究 ， 对空间 非 型 研究走向工 多级 级 ； ， 发 统和 率 已突 s 。 32 具 备图 发展 、 太 统单 体纳 星 如 冷气 可 为微 即将 探测 国际 器 米 非合 地 面 非 合作 程实7 由于以上技术突破， 使得微纳卫星按其体积质量比亦堪称高能、 高精、 高机动平台， 先 进性能和应用能力令人刮
31、目相看。 相应地， 微纳卫星所承担的使命也已经从最早的简单演示 性任务，向高复杂性任务，甚至可以长期在轨服役的运营性任务迈进。 2.2 国内发展现状与分析 在我国， 最早发射的微小卫星是由清华大学研制的“ 清华一号” ， 整星质量50kg ， 于 2000 年成功发射。第一颗纳型卫星是清华大学研制的“NS-1” ，整星质量 25kg ，于 2004 年发射。 2003 至 2011 年间， 上海微小卫星工程中心研制的“ 创新一号”01 、02 、03 星依次发射， 质量 分别为 88kg 、203kg 、205kg 。2008 年 ，由上海微小卫星工程中心研制的神舟七号飞船伴星 “BX-1”
32、发射入轨，重 40kg 。哈工大研 制的“ 试验一 号” 卫星，质量 204kg，于 2004 年成 功发 射， 随后， 哈工大又开展了“ 试验二 号” 、“ 试验三号” 、“ 快舟一号” 等微小卫星的研制。2010 年， 浙江大学研制的试验皮卫星首次成功成功发射。 此外， 已经发射的还有南京航空航天大 学的“ 天巡一 号” 、国防科技大学的“ 天 拓一号” 等微纳卫星。 近年来，我国航天工业部门主力军研制的微小卫星也得到迅速发展。2009 年，由航 天 东方红公司抓总研制的我国第一颗科普卫星“ 希 望一号” 发射成功，重约 50kg ，以无线 电通 信为主要任务。2013 年 ，清华大学和航
33、天东方红公司联合研制的 SY-7B 微小卫星 ，作为目 标航天器，成功开展了我国首次空间机器人操控技术在轨演示验证，该星质量 61kg ，具备 三轴稳定控制能力。2011 年发射的“ 萤火一号” ，由航天八院 509 所研制， 参与中俄联合火 星探测，由此发展了 SAST100 平台 ，可适应从深空探测到近地遥感、通信、技术试验等各 种任务。2012 年，深圳海 特公司研制的“ 新技术验 证卫星一号” 发射，是我国第一颗企业自 主投资开发的技术试验卫星，整星 129kg ，其中 试验载荷 38.07kg 。 在研型号方面， 航天东方红公司正在研制“ 皮纳 一号” 卫星系统， 由 1 颗纳 星
34、（15kg ） 、3 颗皮星 （5kg 、5kg 、1kg）及 2 颗子卫 星构成， 用于原位获取 90-400km 热 层大气密度数据， 将 14 台科学 仪器配置到 4 颗卫星上， 以验证分布式航天器技术。深圳海特公司在研型号包 括：“GNSS 掩星大气探测星座”，由 6 颗技术状态 相同卫星组成， 每颗干重 110kg ；“ 脉冲星 导航试验卫星” ，计划用 1.5 年完成研 制，将应用 COTS 器件。航天八院 509 所正在开发 的 SAST50 平台，可满足近地轨道组网遥感、数据采集、空间科学等任务需求，通过模块化、 板块化设计， 可实现快速集成和批量生产，2014 年已完成初 样
35、研制； 此外，509 所还 在开展 基于微纳卫星的“ 空间操 控技术及试验床研究” ，以 50kg 微卫 星为主体，承载 2 颗纳 星、2 颗手机卫星、2 颗充气星 、4 颗单片卫 星，开展在轨释放、网爪捕获、编队飞行、通信组网 等多种空间操控演示， 即将进入初样阶段。 上海微小卫星工程中心正在研究利用立方体卫星 进行三星组网编队，用于对地观测，三星质量分别为 4kg、2.5kg 、2.5kg 。西北工业大学基 于 12U 的立 方星， 正研制可对地观测的“ 翱翔之 星”，计 划 2015 年发射 。 浙江大学正在研制 我国首颗应用型皮卫星“ 雷达标校皮卫星” ，采用双星编队，单星 10kg
36、， 已完成原理样机研 制；此外还在研制“ 光学 试验皮纳卫星” ，携带大型展开机构进行空间光学测量。 此外， 我国还有北航、 哈工大、 西工大、 浙大、 国防科大等七家单位参与了欧盟发起的 国际合作项目“QB50” 计 划。该计划拟于 2016 年 采用一箭 50 星发射，构建低热层原位探测 星座编队，全世界有 36 个国家与地区参与该项目。西北工业大学是该计划亚洲区总协调单 位、 全球三大任务控制中心之一， 并在研有两颗 2U 的立方 星“ 翱翔一号” 。 北京航空 航天大 学的参研型号为 40kg 的“BUAA-SAT” 和 2U 的立方 星“BUSAT-1” 。 浙江大学参与一颗皮卫星
37、研制。上海微小卫星工程中心正在研制一颗 2kg 的皮卫星。 综上所述， 国内对微纳航天器及其相关技术的研究较为活跃， 在理论和部分关键技术上 也取得了一定的成果。 然而与国外相比， 国内开展的大部分工作仍以跟踪研究为主， 原始创8 新性尚显单薄； 同时缺乏顶层规划的系统性牵引， 使得研究工作较为分散； 研究与应用环节 存在脱节，缺乏明确的应用目标；在标准化方面也有很多的工作有待开展。 3 微纳卫星特点与发展启示 微纳卫星具有许多大卫星所无法比拟的优点： (1)功能密度 高，技术 性 能强 。微纳 卫星技术处于 MNT 及 MEMS 技术 等现代高科技的 最前沿，其功能强且技术性高； (2)发射
38、方式 灵活 。 微纳 卫星体积小、 重量轻， 既 可搭载大卫星一起发射， 也可一箭多星 发射或用廉价运载火箭发射。目前国外 P-POD 发射器的费用相当低，随着微纳卫星技术的 发展，相信在不久的将来会有更加廉价的发射器出现； (3)研制周期 短， 研制成 本低 。 国外一些航天大国研制微纳卫星， 从立项研制到发射一般 仅需 1 2 年，大大缩短了研制时间。微纳卫星研制过程主要采用成熟的先进技术及科学的 管理手段，加之发射器成本降低，使得整个研制成本很低； (4)灵活性强 。 微纳卫星 突破了传统的“ 一星多用 、 综合利用” 的设计思想， 立足于采 用成 熟技术和模块化、 标准化的硬件， 不纯
39、粹追求全面、 综合、 完美， 主张简化设计， 因而具有 很强的灵活性； (5)分布式构 成 。 由于微 纳卫星体积相当小、 费用低、 发射方式灵活， 所以完全可以同时 发射多颗卫星， 以构成分布式星座。 这些运行在近地轨道的小卫星可以克服大型静止轨道卫 星存在的时延长、 信号衰减大、 轨道资源紧张、 无法覆盖两极等种种不足， 进而实现许多 大 卫星无法实现的某些任务。 同时，微纳卫星的发展现状与趋势带给我们以下启示： 1 、 微纳卫星 发 展活跃， 逐 渐成为航 天 创新主力 军 。 随着微纳技术、 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和卫 星设计思想的创新， 微纳卫
40、星能力不断提升。 在航天创新发展中的作用越来越突出。 众多创 新概念大量涌现， 并利用小卫星进行飞行演示验证。 创新概念正在向创新应用转化， 与大卫 星互为补充，丰富了航天系统的能力和手段，综合形成完整的国家空间体系。 2 、 卫星应用 模 式不断创 新 随着 Skysat 星座的出现，天基信息应用领域正在发生革命性的变化。Skybox 公司 采用 云服务， 开发了基于云的数据分发系统， 提供基于网络的数据平台， 用户可在界面友好的网 页平台有效地按日程收集、 下载和处理图像产品， 并允许用户建立自己的算法， 发现适于自 己的应用。 同时， Skysat 星座的应用模式将静态图片分析应用转变为
41、视频时序图像的分析应 用，用户 可 基于互联 网 进行二次 开 发利用， 将 获取比静 态 图像丰富 得 多的有用 价 值, 挖掘到 更多商机。 3 、 技术发展 深 受互联网 思 维影响 从应用层面上看，从弹性空间系统到 OUTERNET 系统莫不如此，通过应用创新提升空 间技术的应用效能；在基于服务层面，SkySat 星座通过大数据、云计算等技术适应需求 变 化， 提供个性化服务； 三是资源高度共享， 系统去中心化， 卫星信息就像水和电， 使用者 可 以随时方便使用。 4 、 星座组网 和 编队成为 发 挥效能的 重 要途径 单个微纳卫星性能相对较低， 但由于其成本低， 可以搭载发射， 因
42、此对于一些需要大量 分布式卫星协同工作的应用十分适合， 例如窄带通信卫星星座、 对地观测纳卫星星座等。 通 过星座组网、 编队飞行等途径， 可显著提高系统的时间分辨率和覆盖区域。 通过快速、 灵活、 大规模部署及在轨重构， 可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9 任务、 多路径和多模式综合应用， 可形成新的工作体制， 实现单颗大卫星难以实现的功能和 性能。另外对于分布式原位探测来说，利用微纳卫星星群的应用也已出现。 5 、 空 间 技 术商业 化 自 20 世纪 90 年代起， 在 硅谷地区出现了大量新兴商业航天公司， 这些新兴商业航天公 司主要利用私有资金发展宇航能
43、力， 用户主要集中在商业航天领域， 形成了类似于互联网时 代早期 的新 航天（NewSpace ）经济。其中 小卫 星公司 开始 成为新 航天 公司的新 生 力量，并 带来了一系列颠覆性的新理念、新模式。 空间技术走向市场是必然趋势， 商业化未来将成为推动空间技术发展的动力， 美国卫星 通信、 导航、 遥感的商业化已经成熟， 正在推进载人航天商业化发展， 随着微纳卫星技术的 发展， 航天的进入门槛日益降低， 小型公司的进入将引起航天器研制、 生产、 运营 格局大变 化。 6 、 发射模式 带 动卫星创 新 及产业化 发 展 目前， “一箭多星”已成为微纳卫星发射的主流方式，发射记录频频更新，在
44、轨释放也 逐渐细分为 空间站释放 、母子卫星 释放和在轨 分离等多种 手段。 “一箭 多星”密集 发射极大 地提高了卫星低成本、 大规模、 批量化部署能力， 又能增加航天创新技术在轨验证机会， 同 时也突破了制约微纳卫星发展的瓶颈，必将进一步推动微纳卫星产业化发展。 7 、 设计思想 转 变带动研 制 模式变革 对微纳卫星领域降低技术难度、 降低寿命、 降低进入门槛的要求， 促进了新型研制模式 的出现。 与此相应的商用现货部件选用、 快速非连续制造、 研制和测试流程优化等技术将对 航天工业体系产生深刻影响。 4 我国技术发展与政策支持建议 随着微系统技术、信息技术的等关键支撑技术的高速发展和研
45、发模式的创新，1-100kg 级的微纳卫星以经开始迈入实用级新纪元。 建议敏锐顺应技术发展趋势， 把握当前宝贵时机， 积极主动布 局，开拓微 纳卫星军事 应用、促进 微纳技术研 究应用、探 索航天研发 模式创新 ， 为形成我国基于微纳卫星的新兴空间能力奠定基础！ 建议优先从以下几方面入手，系统规划推进我国高品质微纳卫星技术的发展： 1 、 持续关注 国 外微纳卫 星 领域研发 前 沿及趋势 国外在微纳卫星领域已经形成了一套完善、 可靠的需求分析、 技术研制、 项目管理和在 轨试验机制， 其研发模式及动态对我国制定微纳卫星发展规划具有重要借鉴意义。 建议持续 跟进国外微纳卫星研发动态，跟踪并研究
46、新概念、新技术和新体系。 2 、 全局统筹 ， 制定微纳 卫 星发展战 略 及规划 以需求为牵引， 开展深入论证， 充分调研各种需求， 制定全面、 均衡布局的微纳卫星发 展战略及规划。 既要着眼于建设满足战略、 战术需求的军用航天装备体系， 也要积极推动民 商用微纳卫星项目的制定和实施， 拓展微纳卫星应用领域。 建议应加强顶层规划， 注重全局 统筹，优化资源配置，避免重复建设。 3 、 开发关键 性 微系统部 组 件及微纳 卫 星平台 微纳卫星的核心技术是微电子技术和 MEMS 技术，因此需要在微型技术和微型器件与 部件航天应用方面加快步伐， 从而带动微纳卫星平台升级换代。 建议结合在轨服务、
47、 深空探 测和新技术空间飞行演示试验等微纳卫星应用需求， 发展微电子技术、 微机电系统技术的航 天应用、并开发微卫星平台，作为微型技术和微型器件与部件的试验载体。 4 、 建立纳星 技 术标准与 搭 载物流体 系 微纳卫星快速发展的一个重要原因就是标准化的发射接口。 建议根据我国火箭和载荷的10 发展情况， 以 100kg 以 下规格化纳星标准制定及运送部署器研制为牵引， 制定标准化载荷发 射接口， 充分利用火箭的能力， 为国内的研究机构和大学提供更多的微纳卫星搭载机会， 使 微纳卫星采用的微型技术和微型器件与部件得到充分的飞行验证， 从而对我国的航天产业带 来重要影响。 5 、 注重新技 术
48、 、新概念 在 微纳卫星 发 展中的牵 引 作用 把握概念创新与应用需求平衡， 坚持技术突破与能力建设紧密结合， 注重新技术、 新概 念在微纳卫星发展中的牵引带动作用。 建议强调模块化、 标准化、 编队组网技术， 以技术 为 驱动，以低成本、短研制周期为前提，完成航天体系从传统大卫星到微纳卫星的更新换代。 6 、 构建创新 高 效的微纳 卫 星研制模 式 和管理机 制 围绕微纳卫星需求， 着眼长远， 推动研制模式转变， 构建创新长效机制， 提升组织管理 水平， 以满足未来愈发复杂、 更具挑战的新型微纳卫星任务。 建议在加大微纳卫星投入的同 时，应强调成本控制、进度分析和风险评估，优化管理流程和
49、组织形式。 7 、 促进微纳 卫 星应用产 业 发展 追踪当前信息产业界前沿技术， 将微纳卫星应用融入大数据、 物联网、 云计算中， 促进 卫星应用从地面到云端的跨越。 建议大力提高微纳卫星应用的业务服务能力， 加强卫星数据 信息资源共享，提高卫星应用潜力。 4 结束语 经过短短二十多年的发展， 微纳卫星已成为当今航天器研制的主要趋势之一， 正对世界 科技和经济产生巨大的影响， 代表了当今空间技术发展的一种新趋势， 受到了世界各国航天 界的普遍重视，应用前景看好。 随着微纳技术、 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和卫 星设计思想的创新， 微纳卫星能力不断提升， 成为推进概念技术重大创新和探索航天转型发 展的前沿阵 地。相比大 卫星，微纳 卫星更加依 赖国家的基 础工业水平 ，包括先进 的微机械 、 微电子、 材料、 工艺等基础技术。 为促进微纳卫星的可持续发展， 要高度重视技术的创新 发 展， 同时建立创新的机制， 营造创新的环境， 树立创新的理念， 在全世界宇航技术高速发 展 的今天， 用微纳卫星的创新带动我国航天事业的创新发展。 面向市场、 持续发展、 与时俱进， 一定会迎来我国空间技术辉煌的明天。 参考文献 1 J. Bouwmeester, J. Guo, Survey of worldwide p
