1.2 小微卫星需求分析

经过二十多年的发展，目前小微卫星已经从技术探索走向实际应用，主要应用于：技术试验及验证、对地遥感、通信星座、空间环境探测、空间定标、空间科学、深空探测、在轨服务以及地面目标跟踪定位等诸多领域。

技术试验与验证领域应该是小微卫星现阶段最主要的应用方向，小微卫星具有总成本低、技术更新快、前瞻性强的特点，其决定了在未来很长一段时间，技术试验与验证仍将是小微卫星的主要领域之一。

小微卫星实现对地遥感领域已经取得了明显的进步。在美国国防预先计划局的“鹰眼”项目中，已经采用小微卫星实现1.5 m地面分辨率，采用30颗小微卫星组成的星座，可以提供全球24小时7天的覆盖。OVS-1小微卫星实现550 km轨道高度1.9 m地面分辨率。由此可见，随着微型化遥感载荷技术的进步，小微卫星未来在对地遥感领域将发挥更为重要的作用。创建于2009年的硅谷创业团队天空盒子成像公司（Skybox Imaging）首次提出了大数据、小卫星的概念，并计划建造由24颗小微卫星组成的商业遥感卫星星座。2013年11月，SkySat-1的发射和应用让人们感受到了震撼。这颗90 kg的卫星在600 km轨道获得了优于1 m的高分辨率图像和1.1 m分辨率，帧频为30 f/s、时长为90 s的高清晰视频。而这些数据将服务于农业估产、数字城市、港口贸易估算等众多领域。美国的另一家新兴小卫星公司——行星实验室（Planet Labs）就是前言提到的“鸽群-1”的开发商。星座中的卫星通过国际空间站在轨部署，运行于52°倾角、400 km高度轨道，实现3～5 m分辨率成像能力。相对于传统的对地观测卫星，这些卫星分辨率不够高，但在纳卫星层面已实现突破。虽然其大部分硬件产品未进行长期飞行验证，但其星座规模已超过实现全球覆盖所需的卫星数量，足以保证运行可靠性，可提供高重访、低成本的全球卫星图像。“珠海一号”星座是我国首个有民营上市企业发射并运营的遥感微纳卫星星座，整个星座由数十颗卫星组成，包括视频卫星、高光谱卫星、雷达卫星、高分光学卫星和红外卫星。目前已经在轨运行7颗微纳卫星。

小微卫星在空间通信服务领域的应用近年来逐步增加，其中，美国研制了ORBCOMM低轨移动通信星座，并且积极推动采用小微卫星实现全球移动通信，成立于2012年的一网公司（OneWeb），也正在致力于发展低轨小微卫星通信网络。卫星距离地球约1200 km。一网公司希望发射648颗卫星，完成对地面的互联网覆盖，提供约50 Mbit/s的网速，数据在这样的距离来回传输的时间会达到20 ms。一网公司的目标用户是个人消费者和小型商业客户，前期公司的重点是做大型灾难来临时的通信网络和互联网解决方案。它目前已经与维珍旗下提供亚轨道发射和飞行解决方案的Virgin Galactic、硬件支持商高通、飞行器提供商Honeywell Aerospace等建立了合作关系。2016年6月15日，一网公司与空中客车集团（Airbus Group）宣布组建合资企业，一次性设计并制造共900颗小微卫星，新的卫星制造工厂将借鉴其飞机生产的工业化、标准化、自动化研发生产理念生产这些小微卫星。每颗小微卫星的研发生产成本将降到50万美元左右。2017年3月17日，这家投资8500万美元、位于佛罗里达州探索园区的工厂举行了动工仪式，但一网公司公布的计划生产卫星数目远远超过2016年1月初始合同签订的900颗，其将生产超过2000颗卫星。佛罗里达工厂将实现每天生产3颗星的生产能力。一网公司表示“一旦制造流程确定，理顺供应商和时间进度，我们将采用与其他容易组装的工业产品同样的方式来生产。尽管卫星工业从没有这样做过，但既然飞机和汽车生产都可以这样做，卫星制造没有理由不能做”。

中国航天科技集团计划于2020年建成“鸿雁卫星星座通信系统”。该系统将由60颗低轨道小卫星及全球数据业务处理中心组成，具有全天候、全时段及在复杂地形条件下的实时双向通信能力，可为用户提供全球实时数据通信和综合信息服务。中国航天科工集团也提出“虹云工程”，计划发射156颗卫星，它们在距离地面1000 km的轨道上组网运行，致力于构建一个星载宽带全球移动互联网络。中国的银河航天公司提出由近千颗通信卫星，在500～1200 km的近地轨道组成网络5G标准的卫星星座，让用户可以高速灵活地接入5G网络。

空间环境探测是小微卫星的一个主要的应用领域，比较典型的项目有美国的ST-5卫星、瑞典的MUNIN卫星、美国的深空系统技术计划、美国的ANDE计划、捷克的MIMOSA卫星以及俄罗斯的Universitetsky卫星等。特别是美国2006年发射ST-5卫星成功在轨运行，更加明确和巩固了小微卫星在空间环境探测领域的重要地位。

近年来，小微卫星在空间攻防中的应用越发明显，世界各国对小微卫星在空间攻防中的重要性的认识越发清晰，比较典型的项目有美国的XSS系列微卫星计划、“机器虫”（Robo-Bug）概念。目前，大量采用小微卫星进行的在轨试验与技术验证的技术都可应用于未来空间攻防领域，小微卫星的高机动性和高隐蔽性决定了其在未来空间攻防作战中的特殊价值和地位，但是其在空间攻防中的使用效果与威慑力量也决定了其研制与使用费用相对比较高昂。

近年来，小微卫星开始在在轨服务领域中得到应用，比较典型的项目有美国的AERCam项目，未来随着微型载荷和智能控制技术的发展，小微卫星在该领域会有更广阔的应用前景。

近年来，小微卫星在深空探测领域的应用价值已经得到世界各国的肯定，一般会将小微卫星作为主航天器的二级载荷，到达探测目标后，将二级载荷释放，作为直接探测手段。比较典型的就是日本在2007年发射的SELENE月球探测器的两颗子卫星Vstar（VLBI Radio Satellite）和Rstar（Relay Satellite）。而空间天文观测同样可以视为深空探测的一种任务类型，目前小微卫星在空间天文中还比较罕见，典型项目就是加拿大空间局的世界最小空间天文望远镜MOST卫星。

利用小微卫星进行在轨生物试验研究还是一个全新的领域，目前这方面的研究项目还不多见，但近年来国外对此越发关注，正在进行相关研究。比较典型的项目就是美国国家航空航天局（NASA）的GeneSat-1卫星。

小微卫星在地球环境监测方面已经取得了一些应用成果，随着世界各国对环境的日益关注，其应用价值越发明显。比较典型的项目就是美国的QuakeSat卫星、德国和印度尼西亚联合研制的LAPAN-TUBSAT卫星、俄罗斯的C（K）OMPASS卫星以及日本的SpriteSat卫星。

空间定标是微型卫星的一个独特的应用领域，目前在轨运行的标校卫星大都采用这类卫星，未来随着空间目标监视系统重要性的突出、地面定标精度要求的提高，小微卫星在该领域会有更加广阔的应用前景。目前比较典型的应用有美国的OCSE卫星、日本的LRE卫星、美国空军的Reflector卫星等。

地面目标跟踪监测服务同样是小微卫星的重要应用领域，特别是近年来国际化趋势的日益突出，对地面目标的实时跟踪监测的需求也日益突出，而微型化信息传输与识别系统技术的快速发展，为小微卫星在该领域的广泛应用提供了技术基础。目前比较典型的项目有挪威的NCUBE-2卫星、加拿大的CanX-6卫星以及日本的WEOS卫星等。

由于小微卫星总成本的低廉性，小微卫星在空间科学教育与实践领域得到了广泛应用，世界各国纷纷把小微卫星（特别是皮纳卫星）设计与研制作为本国空间科研技术人员后备力量培养的一种有效手段，比较典型的项目有意大利的Unisat 2卫星、丹麦的AAU-CubeSat卫星、俄罗斯的Mozhayets 4卫星等。

小微卫星价格低，研制周期短，功能密度高，可通过搭载发射或者空射等方式满足灵活、大量的部署要求。这成为卫星技术的一个重要发展方向。早期由于小微卫星技术尚不成熟，小微卫星主要用于技术验证及空间科学试验。随着技术逐渐成熟，小微卫星开始向实用化方向发展，在光学遥感领域，小微卫星不仅能够满足军事侦察领域的需求，还能满足大规模商业化应用需求。小微卫星技术与商业公司的合作还催生了大量新的商业应用模式，反过来新的商业应用模式也引导了卫星技术的发展。

随着工业与技术水平的快速发展，卫星的微小型化、标准化、模块化已形成趋势，以立方星为代表的小微卫星的能力不断提升，将在未来空间任务与应用中发挥越来越重要的作用。利用空间站发射部署小微卫星在国际上已成为一种模式，且显现了诸多优势。为了服务于小微卫星的在轨发射部署与应用，在我国的空间站建设相应的在轨支持系统有充分的必要性，未来可发挥巨大作用。同时小微卫星多星构成协同系统可用于空间任务，由于在时域、空域、频域、资源分配、功能分配和系统鲁棒性等多个方面具有优势，可以达到更先进的性能指标，实现更高水平的应用。多星系统在研制实现、操作运行和系统能力等方面均优于单星系统，更能够适应在轨服务与操作、态势感知等复杂空间任务的需求。