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标  题: 微小卫星技术的发展与思路
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月08日13:15:24 星期二), 站内信件


                      微小卫星技术的发展与思路
                         作者：清华大学宇航技术研究中心 尤政　龚克　陆建华
　
　　随着微电子技术的发展，特别是近年来以微型机电系统(MEMS)和微型光机电系统(M
OEMS)为代表的微米纳米技术的发展，使得微型卫星、纳型卫星甚至皮型卫星的实现成为
可能。
　　80年代以来，Draper实验室(美)、JPL(美)、LITTON公司(美)、LITEF、公司(德)、
SAGEM公司(法)、AD公司(美)、Vector公司(俄)等相继开展微硅陀螺、微硅加速度计等微
型惯性仪表的研究，形成产品，进而进行微型惯性测量组合的研究。Draper实验室声称
已做出了1立方英寸见方的微型惯性测量组合，Draper　　Lab称其微机械陀螺的性能在
开环低频带试验中。温度范围为-40℃—+85℃，未补偿的偏置稳定性为1。／s，标度因
子重复性优于0．1％。NASA正在研制新一代高密度存储，同样的存储面积存储容量增加
了近百倍。所有这些技术的发展都将使卫星的集成度极大提高，体积大幅度减小。微型
卫星、纳型卫星甚至皮型卫星的研究已成为航天技术研究的热点。
　　航天市场的需求也刺激了微小卫星技术发展，按目前通用的现代小卫星分类方法，
可以看出现代小卫星的制造成本随制造周期的增加而增加，技术先进性随制造周期的增
加而下降。因此，具有重量轻、性能好、研制周期快、造价低的现代小卫星，特别是纳
型卫星会给航天技术的发展带来了新的机遇。它将改变人们对航天事业高投入、高风险
的传统观念，使更多的科技人员献身于航天事业，更多的新技术更快地应用于航天。事
实上，现代小卫星已经在通讯、遥感、电子侦察等领域获得了广泛的应用，受到航天、
军事、工业界及普通研究机构的普遍关注，成为当前航天技术发展的重要方向之一。发
达国家都十分重视微小型技术在航天领域的应用并制定了相应的发展规划，如智能卵石
计划、新千载计划、铱星计划、GLOBE　　STAR计划等，并显示出良好的技术、经济和社
会效益。
　　一、国外微小卫星的研究
　　1．国外主要的微小卫星研制与发射情况
　　美国　1996年9月美国公布了冷战结束后的国家航天政策文件，明确提出：通过支持
一个强大、稳定和平衡的国家航天计划，保持美国对世界航天的领导作用；民用航天研
究发展重点是空间科学、对地观测、载人航天和航天技术开发与应用；在国家航天安全
方面，要强调加强空间监视；积极鼓励开展商业航天活动，以增强美国经济竞争力；针
对原有空间科学和载人航天技术发展战略，采取“更小、更快、更好、更省”的新战略
。
　　Clementine月球探测器是美国Naval　　Research　　Laboratory(NRL)研制的，19
94年1月25日发射，绕月飞行重量为233kg，直径1．14米，长1．88米，研制周期22个月
，耗资5500万美元。其姿态确定与控制系统满足整个飞行过程4种不同轨道(地球轨道、
地一月转移轨道、月球轨道和近地小行星轨道)、6种制导模式和多种控制结构的要求，
重量仅为13kg，功耗为42w，控制精度可达0．05。，工作寿命为2年。该探测器从元器件
设计到技术管理方法都采用了先进的技术。C1ementine月球探测器进行了23项新技术试
验，其中采用了许多当今最先进的部件，如氢镍电池、砷化锌太阳电池、低成本轻型反
作用轮及碳纤维结构等微型、轻量化、低成本、高性能的商用元部件。同时该探测器具
有超强的软件功能，采用了专家系统，大大提高了航天器的自主能力。在研制管理上采
用了“并行工程”管理模式。该星所采用的二级管、晶体管和集成电路等商用器件，按
军标筛选仅淘汰了4％、3％和1％。该探测器成功地向地球发回了380万张月球图像。
　　美国空军为提高军用卫星技术水平，计划进行一系列技术试验，其中“空间试验平
台”(STEP)和“微型敏感技术集成”(MSTI)两项技术试验具有相当高水平。STEP系列是
把多项空间小型试验以模块方式组合起来进行空间在轨试验。该系列卫星由美国TRW公司
承担，该公司的产品以标准模块为基础，根据空间试验任务的要求，可在短时间内完成
卫星的总装与测试。1990年以来已发射4颗(其中两颗因发射故障未能按要求入轨)。STE
P卫星重180kg—800kg、三轴稳定控制、指向精度为O．35。—0．5。、低轨运行、设计
寿命1—3年。由于是技术试验卫星，单独携带的有效载荷质量都较小，约占整星重量的
16％—34％。该系列还计划发射STEP一4和6TEP一5两颗星，采用金牛座火箭按一箭双星
方式发射。
　　MSTI系列试验卫星是为未来天基战区导弹监测系统进行的空间飞行试验，目的是为
了提高监测系统对战区战术导弹的跟踪能力和导弹命中点的预报精度，现已发射3颗，采
用三轴稳定控制方式。MSTI—1于1992年11月21日发射，轨道高度331／444km，倾角96．
8。。星上载有小型相机和遥感器，试验目的是探测中近程导弹飞行状态，已获得10万幅
图像。MSTI一2于1994年5月9日采用侦察兵火箭发射，轨道高度357／448km，倾角96．9
。，重量117kg。星上装有1台硅化铂相机和1台锑化钼相机，试验目的是跟踪固定目标和
导弹。MSTI一3卫星1996年5月16日发射，轨道高度为325／425km、倾角97。、太阳同步
轨道、重183kg。该卫星控制技术是高水平的，采用90年代先进的1750A计算机，执行机
构采用3个反作用轮，星上装有GPS接收机，定轨精度100m，速度精度0．1m／s。
　　SMEX系列小型空间探测器计划是NASA于1988年5月17日开始的，它为天体物理学和空
间物理学进行有针对性的空间科学考察提供了机会。NASA戈达德空间中心负责管理和执
行这项计划，UVSMEX是其中的一个飞行任务。该卫星采用无陀螺定姿系统和3个反作用飞
轮进行姿态控制，达到角秒级的抖动度。其无陀螺定姿系统由星跟踪器、数字太阳敏感
器、0—1太阳敏感器和精确姿态误差敏感器组成，整个姿控系统重24．1kg、功耗41w。

　　为发展21世纪小卫星，NASA1995年提出“新盛世”(New　　Millennium)计划。重点
发展小型化、低成本、高自主的小卫星，实现“快、好、省”的设计思想。为此，专门
制订了21世纪前几年的具体目标：(1)重量减少到90年代初期的10％；(2)有效载荷比提
高到70％以上；(3)功耗降低到50％；(4)研制经费降低；(5)研制周期缩短为l—2年；(
6)提高自主性，降低运营管理费用1／3；(7)可重复使用的软件和通用模块硬件达到80％
。
　　英国　其微小卫星技术主要以萨瑞大学为代表。萨瑞空间中心由科研教育部门和一
个称为萨瑞卫星技术公司(SSTL)的商用公司组成。SSTL被普遍认为在先进、价廉、更新
迅速、寿命长的小卫星研究和制造领域中居国际领先水平。SSTIJ作为先驱者已在小卫星
领域中耕耘了近20年，已经为国际民间和军事用户设计、制造、发射了16颗50公斤级的
微小卫星，其中只有1颗出现故障，最长寿命已达15年，并全部由SSTL的地面站进行在轨
操作控制。
　　SSTL成功的关键在于通过将技术的创新应用与高效管理体制结合，以实现“更迅速
、更廉价、更好”的小卫星研制目标。在1996年，SSTL为智利空军和泰国建造了两颗微
小卫星，并已于2000年由独联体火箭发射。同时还建造了一颗三轴稳定的350公斤小型卫
星，携带有高分辨率多频道对地观测有效载荷和具有先进机载处理技术的通讯有效载荷
，已于1999年3月份发射成功。在过去的20年间，SSTL为法国、英国、韩国、巴基斯坦、
南非、葡萄牙、智利、泰国、马亚西亚、新加坡、美国等成功地发射了微小卫星，并进
行了8次成功的技术转让与培训。
　　SSTL现用的微小卫星平台总重约35—40公斤，有效载荷可在15到40公斤间变化。卫
星平台采用重力梯度加磁控稳定，姿态控制精度为2度。平台采用‘铝合金(有抗辐射作
用)分层抽屉式结构。星上的控制由386与186星上计算机来完成。地面与星上的通．讯为
数据式，频段为UHF与VHF，上行速率9．6kb／秒，下行速率38．4—76．8kb／秒。遥感
方面由CCD相机将图像转成数据，进行星上选择、压缩、存储和下发。有效载荷包括通讯
(收录转发器)、遥感(CCD面阵、气象广角与细焦，后者分辨率为100米)、科学实验(可靠
性技术验证、辐射环境实验)。
　　以色列　由以色列Asher空间研究所和以色列海法理工学院共同研制的TechSAT一1小
卫星，重50kg，偏置动量轮控制三轴稳定，总造价350万美元，是目前世界上重量最轻的
二轴稳定卫星。1995年3月23日从俄罗斯普列谢茨克发射场搭载发射，由于运载火箭故障
未能入轨。该小卫星采用经典的三轴稳定技术，仅采用低功耗的红外地平仪、磁强计、
磁力矩器和动量轮(垂直于轨道面安装)，不用陀螺和机械阻尼装置。姿态控制算法采用
新的控制语言编写，并进行了地面全物理仿真实验，所用设备包括三轴气浮转台、地磁
场屏蔽固定线圈、轨道地磁场仿真螺旋线圈以及旋转地球模拟器等。以色列研制的另一
颗小卫星是1995年4月发射的地平线—3小卫星，该卫星使用以色列自己的运载火箭发射
成功。远地点730km，近地点368km，轨道角138。；卫星重225kg，高2．3m，底部和顶部
直径分别为1．2m和0．7m。卫星采用三轴稳定控制，指向精度为0．1。；有效载荷为高
分辨率数字CCD相机，在焦平面上有6000CCD线阵像元，对地进行锥扫式拍照，面积11km
x11km，地面分辨率1.8m，相机左右摆动角30。，工作寿命4年。在地平线—3的基础上，
计划发射地平线-4(EROS—B)，地面分辨率可达1m，采用600km太阳同步轨道，设计寿命
5年。
　　此外，由德国DLR空间敏感器技术中心研制，于1999年发射成功BIRD遥感小卫星；韩
国继KITSAT一1和KITSAT一2之后，于1999年发射了高精度的三轴稳定小卫星KITSAT一3；
“欧空局”重视对地观测卫星，重点发展更小的多用途卫星，通信卫星重点发展中继卫
星和先进通信系统卫星，等等。
　　2．国外纳型卫星研究的情况
　　现代小卫星特别是纳型卫星发展的另外一个特点是：对它的研究除少数由航天部门
(如美国AeroAstro的Bitsy卫星)外，很多是在大学里开展的。这一方面反映了它对高新
技术的需求，另一方面反映了它的造价已能被更多的人所接受。据资料介绍，目前开展
的纳型卫星研制的主要工程有：俄罗斯航天研究院的SPUTNIK一2卫星，美国Aeroastro的
Bitsy卫星，美国Arizona大学的AUSat卫星，美国Stanford大学的SQUIRT一2卫星，德国
柏林技术大学的TUBSat—N卫星，瑞典Umea大学的Munia—A卫星，英国Surrey大学的SNA
P一1卫星，美国Stanford大学的PICOSAT卫星，墨西哥Anahuac大学的ANISAT卫星，美国
Aerospace公司的Si卫星。纳型卫星将在遥感、通讯、电子侦察、科学试验、组网与虚拟
卫星技术演示等领域里获得重要应用。
　　3．微／纳卫星组网与“虚拟卫星”技术
　　面向天基信息网的微／纳卫星的组网与“虚拟卫星”是微／纳卫星技术发展的重要
发展方向，是目前世界微／纳卫星的研究热点，是1999年的AAIA／USU会议的主题。美国
NASA、DARPA、AFOSR等组织支持了一大批学校与研究单位开展微小卫星与纳型卫星组网
和星座技术的研究。
　　著名的大学纳型卫星计划是由DARPA／AFOSR支持的一项至今最大的纳型卫星及其组
网技术的研究项目，有10所大学参加该项研究，其中8个是相互合作研究。
　　另外NASA、JPL还支持了MNTD(Micro／Nanospacecraft　　Technology　　Develop
ment)计划，由加州理工大学的JPL(Jet　　Propulsion　　Laboratory，California　
　Institute　　of　　Technolgy)负责下一代新型微小卫星与纳型卫星及其相关技术的
研究。
　　4、皮型卫星
　　2000年2月6日至10日，美国DARPA和Aerosapce公司成功地发射了世界上第一颗皮型
卫星，重量仅245克。而且它是从美国STANFORD大学研制的23公斤的微型卫星(OPAL)上分
离发射的。主要是试验MEMS　　RF技术。
　　二、国内微小卫星的研究
　　国内各研究院所与高等院校十分重视微小卫星方面的研究，虽然刚刚起步，却发展
迅速。其主要工作如下。
　　1、500公斤以下的小卫星的研制
　　航天科技集团第五研究院的“实践五号”实验卫星于1999年发射成功并进行预期的
实验研究。另外HY一1海洋小卫星、技术侦察演示验证小卫星、灾害与环境监测预报小卫
星星座、雷达侦察小卫星等均在工程实验阶段。
　　2、100公斤的微小卫星的研制
　　在“863—2”的支持下，哈尔滨工业大学与航天科技集团第五研究院合作正在加速
100公斤量级的“探索一号”立体测绘微小卫星的研制，预计2001年底发射。
　　3、50公斤的微型卫星的研制
　　清华大学、航天机电集团与英国SURREY大学合作，已完成一颗50公斤的三轴稳定微
型卫星的研制，它具有光学遥感、信息的存储转发、软件无线电实验等功能。并于2000
年6月成功发射。现运行正常，获得了大量的遥感图片。
　　中国科学院上海冶金所与航天科技集团第八研究院正在研制一颗50公斤量级的存储
转发型通讯卫星。
　　4、10公斤的纳型卫星的设计
　　在“863—2”的支持下，清华大学字航中心与微米／纳米技术研究中心、中国科学
院上海冶金所、电子部13所，已开展纳型卫星的设计与关键技术攻关，1999年12月清华
大学的纳型卫星通过了“863—2”专家组的评审，并得到了国内外同行的关注。
　　另外．航天科技集团第八研究院、中国科学院空间中心、北京航空航天大学、国防
科技大学、总装备部指挥学院等均开展了微小卫星关键技术研究并取得了众多科研成果
。
　　三、国内外对比分析
　　现代微小卫星技术的发展主要有两个特点：一是以高新技术的发展为推动，即以提
高“功能密度”为核心的系统小型化、轻量化和低功耗技术；二是采用全新的设计思想
和概念，即一体化、集成化、模块化、商用器件化和功能软件化。
　　80年代中期以来，伴随着世界高新技术的迅速发展，微小卫星技术领域获得了雄厚
的技术基础和广阔的拓展空间。进入90年代以来，对微小型卫星的研究进一步升温，各
国政府、国际组织、跨国公司纷纷准备发展自己的微小型卫星系统，以图在未来的激烈
竞争中领先—步。截至1995年，世界共发射小卫星约300颗、其小80％的小卫星重量在1
00L8以下。目前，有关微小型卫星网络系统的规划国际上有几十种，比较著名的有：Mo
torola公司的Iridium系统；波音公司和比尔·盖茨投资的Teledesic系统，预计2002年
投入商业运行，并在2000年向美国国会提出SpaceNet的庞大发展计划。此外，纳米级卫
星技术得到发展，并且已经出现像Munin、ASUSat一1、Bitsy、SNAP一1等成功的先例。

　　世界微小卫星技术的发展主要有两种模式。
　　一种是以美国为代表的模式。从早期军方的导弹预警拦截系统，到海湾战争中的Ma
csat多址通信卫星系统和近年来的新盛世深空计划(New　　Millennium　　Deep　　Sp
ace)，再到NASA主持的，作为现代小卫星典型代表的Clementine计划，以及不断从月球
传回惊人消息的Lunar　　Prospecter探测器，美国始终在微小型航天器领域走在世界前
列。军方与商业公司之间相互配合、彼此牵动、共同发展；强调发展具有创新技术的试
验型卫星，以期跳跃式地提高微型航天器的智能化和功能密度。商业公司则瞄准星座的
开发应用，以图抢占市场。在发展原则方面，NASA提出的“faster、better、cheaper”
的指导方针，基本上已得到国际同行的认可。以铱星(Iridium)系统为例，其批生产周期
仅为22天。在近年的NEAR(Near　　Earth　　Asteroid　　Rendezvous)计划中、为适应
市场竞争，又提出了“faster、cheaper、increased　　risk”的商业化发展原则。
　　另一种是以“欧空局”、日本、英国SSTL等为代表的模式。主要特点是充分利用成
熟的先进技术，利用自身微型系统技术方面的能力，大胆采用商品化部件，从而降低成
本、缩短周期，产品以实用卫星为主。以日本为例，其电子、计算机、材料等方面的技
术处于领先地位，但空间技术比较落后。1996年开始的Hyper—Sat计划则瞄准国际微小
型卫星先进技术，将发展目标定位于高性能、高集成度、增强自控能力、设计制造自动
化。这些目标的制定均以充分发挥本国自身技术优势为出发点。英国SSTL提出通过最大
限度地使用OTL技术(off—the—shelf)来达到加快研发周期、降低计划成本的目的。目
前已经开发出许多商品化部件，比如用于存储转发通信、对地观测、星上数据压缩、GP
S定轨的UoSAT系列等。
　　微小卫星技术在过去、现在和可预见的未来的发展可概括地用3个技术发展阶段来表
征。第一个阶段是简单的卫星小型化技术，采用了微小卫星的总体设计和与其相关的研
究、管理、设计、发展体制，其典型代表为英国萨瑞大学早期的微小型卫星，但其功能
还不能满足军事和商业竞争的需要。第二个阶段以高性能部件的微小型化和航天器总体
设计的一体化为特征，其典型代表为美国NASA的Clementine小型月球探测器，Motorola
公司的Iridium系统和现代的萨瑞大学早微小型卫星(特别是与清华大学、航天机电集团
联合研制的“航天清华一号”)。以NASA的“faster、better、cheaper”的指导方针为
目标，微小卫星具有了日益增长的军事和商业应用竞争价值，也孕育了新一代的微米、
纳米加工技术。第三个阶段以微米、纳米技术为基础，研制以微硅卫星为代表的纳型／
皮型卫星，同时也将实现更高度的三维集成化和一体化；但这一发展目前尚未展示出令
人信服的军事和商业应用。
　　微小型一体化卫星技术的发展与一个国家的基础工业水平和科技发展水平密切相关
，因此，应该选择适合我国国情的具体发展道路。
　　进入90年代以来，有关微小卫星的研究工作逐步在我国展开，但从总体来说，我国
微小卫星的基础研究相对地落后于大型卫星，至今也没有自主开发的微小卫星。在这种
形势下，发展我国的微小型航天器研究有两条发展路线。一条是在我国大型卫星研究的
良好基础上，在功能与结构简化的初级微小卫星技术的基础上，通过微小卫星所特有的
研制周期短、升级更新快的特点，迅速升级为具有军事和商用价值的微小卫星技术；另
一条是走国际合作的道路，引进国外先进技术与管理，结合国内航天技术基础，造就新
一代微小型一体化航天器的基础技术，从而使我国在微小型航天器的发展上直接跃上第
二个阶段。从萨瑞大学第一颗微小型卫星(由NASA发射)上天，到Clementine小型探测器
的月球之旅，国外走过了15年的研究周期；而我们如果采取第二条发展路线，则有可能
在5—10年中达到同样的高度，并在这一基础上，寻找迈上第三发展阶段的最佳切入点。


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