吉林一号小卫星升空在即浅谈小卫星的应用与发展

【摘 要】吉林一号小卫星升空在即，以此为契机回顾小卫星的发展历史、国内外现状、以及其在军用民用领域的应用，结合我国小卫星发展现状提出未来小卫星编队飞行以及地面测控体制和网络及相应的关键技术。最后对我国的小卫星技术发展提出合理的建议。

【关键词】小卫星；编队飞行；标准化；地面测控网络

由中科院长春光机所卫星科技公司研制的东北地区的首颗商用小卫星“吉林一号”预计将于2015年实现首颗遥感卫星试飞！目前“吉林一号”已经顺利地通过前面两个阶段的测试，进入了正样试验阶段。其技术达到世界先进水平，有望角逐国际卫星影像市场，打破长期以来国外企业垄断局面。那么什么是小卫星呢？它又能给我们的生活带来什么样的影响呢？

首先要从卫星的历史谈起。1957年前苏联第一颗人造地球卫星的成功发射，标志着航天科技的诞生。随着航天科技迅速发展，人造卫星、空间站、航天飞机等航天器相继投入使用。但是，巨额的费用，昂贵的成本一直制约着航天科技的发展。据计算，发射一颗1000千克重的人造卫星，费用至少需1亿美元，这是许多国家难以承受的。冷战结束后，航天科技逐步从军事应用转向经济建设，商业运作促使航天科技必须降低成本，提高效益。在此背景下，在科学技术迅速发展的基础上，微小卫星得到了迅速发展。20世纪80年代以来现代微电子、微机械、轻型复合材料和高精度加工等新技术、新材料、新工艺得到了飞跃发展。在卫星设计方面通过采用新的设计思想，打破传统大卫星的分层界限，强调功能集成、系统集成和充分发挥软件功能，从而出现了现代小卫星。其具有高新技术含量高、功能密集度高以及成本低、性能好、研发周期短、质量轻、体积小等特点，可以实现批量生产。

微小卫星主要有2个发展方向。一是研制轻型单颗卫星，这类微小卫星已经开始执行地球观测任务，提供达到军用分辨率的图像。美国空军未来的全球定位系统（GPS）卫星每颗将不超过100千克；二是将微小卫星群，进行编队飞行，以代替昂贵的单颗大型卫星，例如天基雷达（SBR）群、长基线信号情报（SIGINT）星座以及连接小型地面终端的通信卫星群等。

这里不得不提一下著名的商业影像小卫星，也就是大家都耳熟能详的谷歌地图卫星图片供应商。目前全球卫星影像解析度排名前三的是：美国DigitalGlobe公司的QuickBird（捷鸟）、美国IKONOS及法国SPOT5。其中SPOT5可以提供解析度为2.5米的影像、IKONOS可提供1米左右的影像、而捷鸟就能够提供最高为0.61米的高精度影像，是全球商用的最高水平。在卫星图像方面，美国五角大楼每年都会给予其三大主要合作伙伴DigitalGlobe、IKONOS和ORBIMAGoogle Earth数十亿美元的资助，作为回报自然是这些公司的卫星数据将在第一时间交给五角大楼作为军事应用，而且针对某些敏感区域在规定的时限内不允许商业化。目前提供高精度影像的城市多集中在北美和欧洲，其它地区往往是首都或极重要城市才提供。我国有高精度影像的地区有很多，几乎所有大城市都有。另外大坝、油田、桥梁、高速公路、港口码头与军用机场等也是Google Earth重点关照对象。百度地图数据基本上是美国DG公司的数据，粗糙的地方有用SPOT5 2.5M的数据，与Google基本属于同源的。我国某地政府就跟该公司购买过本城市的某波段卫星图像（某个省会城市），整图大小共6GB多，耗资数十万元人民币。另广东2004年买的某地区共2500多平方公里卫星影像共耗资146万元人民币（捷鸟的多波段彩色合成的现成影像针对大陆地区的价格约是30美元/平方公里，台湾地区的价格也是如此。如果是定购的话当然价格会更贵）无疑面对高保密性的军用需求和日趋广泛的民用需求以及如此高昂的垄断价格，我们必将要大力发展我们国家自己的小卫星群。

那么建立我国独立的小卫星群及小卫星网络需要解决好哪些关键的技术性问题呢？

首先，单个小卫星的功能单一，载荷较少，不能独立的完成较为复杂的空间任务。从应用角度来看，小卫星的编队飞行实质上是利用多个飞行中的小卫星组成一定形状，每颗小卫星之间通过星间通信相互联系、协同工作，共同承担空间信号的采集与处理以及承载有效载荷等任务。整个星群构成一个满足任务需要的、规模较大的虚拟传感器或探测器。从外观上看，也雷同于一个大的或超大的虚拟卫星或卫星网络系统，执行相应的空间探测和成像等任务。

相对于传统的单颗卫星而言，多颗小卫星组成的分布式传感器系统能够有更好的灵活性和冗余度，可以降低任务失败的风险。与传统的单颗大卫星比较小卫星编队飞行能够在近地轨道为科学实验提供单颗大卫星很难实现的分布式空间平台。相对于卫星星座系统，卫星编队飞行的应用具有如下几个方面的技术特征：卫星编队飞行系统类似于一个巨大的虚拟传感器，由独立的、飞行中的小卫星有效载荷组成；具有很大的空间结构，系统中的各卫星可以以不同的方式收集科学数据，这些数据只依靠单个卫星是收集不到的。例如立体测绘观测，对地面的同一场景，或同时以不同的角度采集数据。

如何能够灵活机动，有效的使单颗小卫星迅速的编队，去完成不同的计划任务，就要依靠单颗卫星标准化平台的建立。构建标准化的空间平台利用标准化的小卫星，采用标准化的星间链路、通信接口和编码方式，构建标准化的空间技术平台。采用标准化的控制算法来控制空间平台的队形及各个小卫星的姿态，以减少控制算法。采用标准化的队形设计针对常见的空间任务，设计相应的标准编队队形，减少该环节的消耗，针对不同的任务建立不同的编队队形库，依据需求加以选用。开发一项新的空间计划就将像现在组装一台普通的计算机一样，根据不同的用途，选用相关的配件，安装相应的操作系统，控制算法等，以后就是应用的管理与控制了。

其次，小卫星编队是一种架构在太空的信息平台，而地面测控系统是保障卫星正常运行的重要组成部分。为了实现可靠高效的测控管理，地面站须满足一系列的技术要求。首先，由于单个测控站视野有限，卫星测控网必须全球分布，亦即建立天基测控网；其次，飞经上空的卫星承担不同的任务，因此同一地面站必须具有多星测控和数据采集的能力，当多星同时过站时，地面站能实现多星同时测控。另外，与民用卫星相比，军用卫星测控管理必须具有更高的实时性、机动性、安全性和生存能力，地面测控系统的系统结构、设备配置、运作模式和软件设计必须满足这些特殊要求。

小卫星群测控技术一般采取自主与非自主相结合的途径。目前的重点是提高星上自主性。根据具体任务及星上自主程度，不同小卫星的测控要求和业务系统组成相差甚远，但都必须认真考虑成本控制，彻底改变传统的卫星维护和操控模式。一方面要求小卫星高度自主、高度可靠和操作简单，另一方面其测控及业务系统也会具有以下特色：（1）多星发射与测控管理。简化测控管理。小卫星绝大多数为运行于中、低轨道的非定点卫星，一般采用单站跟踪定轨体制，以多普勒测速和干涉仪体制为首选。与业务相结合的多功能测控站，对卫星数量大，需要经常进行发射和测控管理的系统，可建立专用的测控网如俄罗斯的考斯康系统。为降低系统成本多采用测控与业务相结合的一体化多功能测控站，这种测控站具有卫星生产、测试、发射、在轨测控、监视、载荷控制及信息接收处理等业务功能。（2）与通用测控网兼容。为节省小卫星的发射和运行费用，应充分利用已建成的通用地面测控站。

小卫星作为国际航天技术和空间技术的一场划时代革命，小卫星群的发展使我国航天事业面临新的机遇和挑战。为此，我国应加紧开展小卫星群测控及综合业务系统相关技术的研究，在这场挑战中把握时机，合理规划，快速部署，探索小卫星群的测控与管理体制，深入研究小卫星的编队飞行控制，使之适应各种航天探测任务，为我国的科技，经济和军事发展贡献力量。 [科]

【参考文献】

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[2]姜长生，吴庆宪等.系统理论和鲁棒控制.南京：航空工业出版社，1998：436-440.

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[5]张祥根.小卫星的现状、特点及发展方向.电信快报，2005.

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