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小卫星的现状、特点及发展方向

2/14/2005来源:卫星通信人气:11524

小卫星的现状、特点及发展方向(张祥根) 自1957年10月苏联发射“斯鲁特尼号”小型人造地球卫星以来,随着卫星功率、 通信和探测能力不断提高,卫星越做越大,空间运行着一些15吨左右的情报卫星, 商用地球同步卫星的重量也高达5吨左右。然而,自80年代起,为了实现中轨道(M EC)和低轨道(LEO)卫星应用,卫星又越做越小。科学家们正考虑重新制造像“斯 普特尼号”那样大小的卫星,只是每颗卫星都将拥有巨大的计算能力,能数十颗乃 至数百颗相互连接,组成星座或星网,对地球全时域和全空域覆盖,实现通信、情 报、侦察、监测和科学观测等各种应用。 据统计,从1985年至今,全球共发射300多颗卫星,形成17个星座,其中有272 颗小卫星。研究人员正设想在不久的将来,发射用于不同星体之间相互联系的微型 卫星星座和纳米卫星星座,如美国航宇局戈达德航天飞行中心正研制由多颗10kg重 卫星组成的星座,以便在同一时间从不同位置,对太阳和地球之间的相互作用进行 研究。小卫星正以其成本低廉、机动灵活、便于更新和应用广泛等优点,受到世界 许多国家的关注。 1世界小卫星的现状 现代小卫星(以下简称小卫星)包括:纳米卫星(1~20kg)、微型星(2~ 100kg)、小卫星(100~250kg)和小型卫星(250~500kg),其特点是任务单一、 具有可贮存性、快速检测和发射迅速。 世界上现代小卫星的用途首先是军用,少部分民用。 1.1通信、导航卫星 建立中(MEO)、低(LEO)轨道卫星系统,尤其是用于话音与数据通信的低轨 道系统,已成为90年代各国空间技术、军用和民用的核心问题,也是世界小卫星技 术发展的热点。目前,主要的小卫星星座有:铱星(Iridium),含66颗,每颗重 690kg;全球星(GlobalStar),含48颗,每颗重454kg;LEO ONE,含48颗,每颗 重125kg;ORB-COMM,含48颗,每颗重42kg。 1.2对地观察卫星(遥感卫星) 1991年,美国战略防御倡议组(SDIS)发射了第一颗遥感军用小卫星,重75kg 的LOSAT-X,装有有效载荷多光谱成像仪。 1994年,SDIS改为弹道导弹防御组织 (BMDO),发射了第二颗“小型化敏感器技术集成卫星(MSTI-2),成功地跟踪 了“民兵”洲际导弹和2枚小火箭的发射试验。1997年,重212kg的MSTI-3发射成 功,它可以对导弹发射进行红外探测和制导跟踪。 1.3空间科学试验卫星 1989年,英国萨瑞大学开始发射小卫星,至今已发射了10多颗。这些小卫星除 了进行数据存储通信和简单的对地观测外,有相当部分是作空间科学试验,如宇宙 线、空间粒子、红外线试验,低能量电子检测、电子温度和磁强测量等。 1.4技术试验 小卫星的许多新技术和新应用都可以在成本低的小卫星上进行有效试验,如: 一体化设计、微电子与微机械应用、高密度功能集成和卫星群组网联络等。 2中国的小卫星正在兴起 2.1科学试验小型卫星 “实践5号”:重300kg,于1999年5月10日发射入轨,寿命为三个月。主要任 务:空间辐射环境。单粒子效应和空间流体的科学试验,小卫星平台计算机星务管 理、三轴稳定和S波段测控体制的技术试验。 2.2对地观测小卫星 “清华一号”:重100 kg以下。主要任务:环境和灾害监测、民用特种通信和 科普教育。它是国家即将实施“8颗星减灾预报系统”的一颗示范卫星,由清华大 学与英国萨瑞大学联合研制。 “探索一号”光学遥感小卫星:重250kg。主要任务:光学遥感观察,有效载 荷为CCD相机,姿态对地、对日定向。由哈尔滨工业大学研制。 “海洋一号”小型卫星:重350kg,卫星载荷有10波段水色扫描仪一台和CCD相 机一台,由中国空间技术研究院研制。 2.3数据通信 “创新一号”存储转发通信微型卫星:重80kg,采用磁控与重力梯度杆组成的 三轴稳定系统,由中国科学院上海小卫星工程部承制。 3小卫星发展的原因 3.1价格低廉 组成星座的小卫星数量大,生产时可做到标准化设计、批量化生产、流水线操 作,使小卫星成本大幅度下降。若要完成一项通信任务,可选用大容量地球同步轨 道卫星,费用约为2.07亿美元;也可选用8颗小卫星,并用“飞马座”火箭发射, 组成星座,费用约为 3700万美元。大卫星容量大,然而一旦失败,损失大,并需 要1~1.5年时间重新制造。8颗小卫星中若一颗失败,另外7颗仍可工作,损失很小, 重新发射仅需3个月时间。为了降低费用,可尽量选用简单可靠的单用途和双用途 小卫星。 3.2应用趋向个人化 为了适应个人商用和军队单兵或小分队的需要,采用手持式、车载式小型终端 进行通信,小卫星轨道高度绝大部分选在1000km左右。这种中低轨道卫星具有通信 时延短,信号衰减小的优点,主要提供中低速率数据传输和存储转发业务,频率在 1GHz以下。少数小卫星则提供话音图像和高速数据传输业务,其频率在1GHz以上, 供地面站接收处理,并要求对星上信息进行数据压缩和智能化处理,以减少信息存 储量,降低传输速率和功耗。 3.3具有机动灵活的特点 小卫星易增减、易调动,可为突发的灾害救援行动带来方便。对于军事行动也 很有效,例如在海湾战争、科索沃战争中,都大量使用小卫星。在需要时,临时发 射或从轨道上调集小卫星到战区上空,战争结束后,小卫星可以废弃,亦可调回原 地作其它用途,符合机动灵活的战略战术要求。 3.4星座、星网的应用 由小卫星组成的星座或星网有以下几种: (1)通信卫星网:如“铱”星星座,随时随地可进行全球话音、数据个人卫 星移动通信。我国两院院士间桂荣曾在“无限未来,尽在空间”一文中谈到:“发 展低轨道卫星网络的个人移动通信系统是未来的重大趋势”。 (2)对地观察网:监视全球环境,时间和空间分辨力达到全球化,能有效地 监察和掌握全球生态环境,起到保护地球环境的作用。 (3)天际网:如果将通信、导航、电子侦察、光学、红外和雷达探测等星座 进行组网,就可全面掌握地球表面的动态,是有效测控及指挥的手段。平时可用于 治安、边防和海关等场合,与地面措施配合,对犯罪分子构成天罗地网;也可用于 抢险救灾等突发状况。 4小卫星的技术特点 4.1设计标准化和产品模块化 大卫星为单个设计,从设计、试验到研制成功需8~12年时间;而小卫星一般 从设计。试验到研制成功只需3~4年时间。随着小卫星技术日趋成熟,规格统一、 设计标准化、装配模块化以及试验程序简化,使设计生产仅需几个月至1年就能完 成。 4.2技术集成化 (1)装置集成化:大卫星一般有6~10个分系统,每个分系统由若干单机组 成,以分布式装置。现代小卫星决不是单机的缩小,而是将整个卫星看成一个大 的单机,通过高密度电子电路。微机械和微器件组合为一个整体,没有分系统概 念。 (2)无线电路软件化:对于大卫星上的一些电子电路,在小卫星上将用无线 电路进行软件化设计,去除了一些电子电路硬件设施,如遥测编码器、遥控译码 器等。 (3)电缆网路印刷化:卫星内的一些分布式电缆可做成印刷电路板,将各种 电路板连接起来,减轻重量,减少插拔空间和提高可靠性,使小卫星向微小卫星 发展。高度集成后将使纳米卫星的发射重量有可能小于10kg。 4.3快速吸纳新技术 一颗大型卫星的工作寿命为10~15年,而小卫星的工作寿命为2年。在每一代 大卫星运行期间,小卫星可进行5次技术改进,快速吸纳新技术,为不停地创造发 展提供了可能。事实上,现代小卫星的寿命并不都是短暂的,有的工作寿命已达 八年。 4.4星座、星网是小卫星集群的结果 1.随机相位星座:星座中各小卫星之间的相位是随机的,无轨道控制,摄动 会引起卫星漂移,此类卫星一般用于数据通信和空间环境的探测等用途。 2.固定相位星座:星座中的各小卫星在时间上有固定不变的位置,卫星在轨 道中对称分布,倾角相同,通过卫星轨道控制,保持相位不变。例如用于话音、 数据和图像全球通信的“铱”星星座。卫星的轨道控制可以保持位置,也可根据 需要进行位置调动,如在科索沃战争中,美国的小卫星就作了随机调动。 3.网络星座:(1)编队星座,以一个点为基准,若干颗小卫星构成特定形 状,整个星群又绕地球旋转运行,如美国的白云星座;(2)天际网星座,由若干 不同用途的星座组成一个网络,具有对空间各种不同信息获取、传输、处理和应 用功能,网内各星座间可功能互补、信息互通和交换,如美国在海湾战争、科索 沃战争中,俄罗斯在车臣军事行动中都使用了卫星天际网方案。 4.5机动和组合发射 小卫星与快速反应的小型运载火箭结合使用,可节省发射费用,又能随时机 动发射,若发射失败,经费损失较小,重新组织发射也较容易。用较大的运载火 箭发射小卫星星座,一次可组合发射3~8颗,若发射失败,经费损失比单个小卫 星发射要大一些,但与用大运载火箭发射大卫星相比,损失要小一些。 4.6地面站与终端的配合 大卫星数量少,一个测控站可分时管理多颗不同卫星。小卫星及星座给地面 测控管理带来了特殊性,每个测控站需同时管理多颗不同的小卫星,而目前的管 理方法和体制难以胜任。因此,小卫星星座要求地面站具有以下特殊功能: (1)小卫星的星上设备是无线电系统统一体制设备,没有大卫星上单独的 测控系统,所以要求测控站与应用站功能合一,设备统一,可固定或机动操作, 对卫星进行跟踪、测控和业务应用通信。 (2)小卫星星座中有许多卫星在空间飞行,因此地面站应设计成有人值守、 无人操作,能够自动跟踪。预报轨道、接收和处理来自卫星的信息,符合组合式、 自动化工作要求。 (3)为了适应各种不同卫星的无线电体制,地面站设备应具有多种不同的 调制方式,并可以互相切换;为了适应不同高度轨道的卫星,地面站设备的发射 功率和接收灵敏度要作相应的自动适应调节。为了适应卫星在不同时间、不同地 方进入测控区进行覆盖,地面站要能自动计算卫星轨道,并预先对准卫星进人的 方向和仰角,处于待命工作状态,并有自动跟踪能力。 未来小卫星将具有很强的自主和自我校正特性,在产生故障时会重新进行功 能组合,免去许多原本不可缺少的地面控制。 摘自《电信快报》