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作者简介 张祥根，1964年毕业于中国人民解放军军事工程学院原子工程系自动控制专业，1971年初调往上海卫星工程研究所任卫星总体组长，总体主任设计师，总体研究室主任等职，参加研制了长空一号技术试验卫星、风云二号地球同步气象卫星。还进行现代小卫星与平流层飞艇可行性等项目研究设计工作。1999年应邀到中国科学院上海小卫星工程部任技术顾问。从20
世纪80年代中期起，任上海市宇航学会科普工作委员会副主任等职，参与上海儿童博物馆的航天馆、上海科技城的天地馆、未来馆的设计。参与发明了“纳米材料的多媒体激光信息存储卡”、“TSM球缺形正投影金属屏幕”等。
摘要：本文介绍了世界小卫星的定义、分类及现状。讲述了小卫星具有价格低廉应用趋向个人化、具有机动性、专用性、保密性和灵活性的特点，及小卫星组网的优点，是促使小卫星发展的主要原因。分析了小卫星技术具有设计标准化、产品模块化、技术集约化、电路软件化、快速吸纳新技术，以及卫星集群化、可以单星机动发射和多个组合发射，地面站综合功能和自适应跟踪卫星能力等特点。综述了未来小卫星技术发展趋向是：星上处理技术，微型计算机及软件，微机械构件与组件，可变形、可压缩天线及展开机构，机器人式航天器群等技术。
1．世界小卫星的现状
自1957年10月苏联发射“斯普特尼号”小型人造地球卫星使整个世界感到震惊以来，航天工程师一直在致力于设计功能更强的人造卫星。随着卫星功率、通信能力及其探测功能的不断提高，其体积变得越来越大，目前运行着一些质量在15吨左右的庞大的情报卫星，而商用地球同步卫星的质量也增加到了5吨。
80年代开始，卫星将越来越小。科学家正在考虑重新制造大小像“斯普特尼号”那样的卫星，只是每一颗卫星都将拥有巨大的计算能力，并能与数十，乃至数百颗卫星相互连接，组成星座或星网，以实现对地球全时域与全空域的覆盖。
用于语言和数据通信的商业卫星：如“全球移动电话卫星”，有16条信号束，而质量只有454千克，其有效载荷只消耗 1.1千瓦功率；数据通信用LEOONE卫星座，由48颗/8轨道面组成，每颗卫星质量只有125千克；由36颗ORBCOMM卫星组成的星座，每颗星具有6个接收、一个发射通道，卫星质量只有42千克。
据不完全统计，从1961年~1985年，共发射42种小卫星；1985~1989年期间，每年大约发射20~30颗，1990~1993每年发射30~40颗，1985年至今，已发射300多颗不同卫星，其中，发射星座有17个计272颗小卫星。
研究人员正在设想在不太远的将来发射不同个体之间相互联系的微型卫星座（每个卫星质量100~10千克）和纳米卫星座（每颗卫星质量不大于10千克），如美国航宇局戈达德航天飞行中心正在研制一个质量10千克的卫星组成的星座，以便在同一时间内从不同的位置对太阳和地球之间的相互作用进行研究，希望在2007年一次向远地椭圆轨道发射多达100枚卫星。
什么是小卫星，我们称世界上第一个卫星为小卫星，那么现代高技术的小卫星，称作现代小卫星（以下简称小卫星）。一般将250~500千克称小型卫星；100~250千克称小卫星；100千克~20千克称微型星，10千克左右称纳米卫星，1千克左右称皮卫星。它的特点是任务单一、具有可贮存性、快速检测和迅速发射的卫星。
世界上现代小卫星，按用途可分为如下几种：
（1） 通信、导航卫星。从1985年至今，小卫星作为战术通信卫星发射、正式编号的近160颗。1978年~1987年，美国只发射6颗军用小卫星，其中4颗“子午仪”导航卫星一直运行到1996年。1990年海湾战争中，美国试验了“多通道通信卫星”（MACSAT），该星重68千克，带2个超高频转发器，它贮存转发上下行数据。
（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75公斤的LOSAT-X，装有有效载荷—多光谱成像仪，1994年SDIS改变为弹道导弹防御组织（BMDO）发射第二颗“小型化敏感器技术集成卫星（MSTI-2），就成功地跟踪了“民兵”洲际导弹和2枚小火箭发射试验。1997年，重212千克的MSTI-3发射成功，它就可以对导弹发射进行红外探测和制导跟踪。
（3）空间科学试验卫星。英国萨瑞大学从1989年起发射小卫星，至今已发射了10多颗小卫星，除数据存储通信、简单的对地观测外，有相当部分是空间科学试验。如宇宙线、空间粒子、红外线试验，低能量电子检测、电子温度、磁强测量等等。
（4） 技术试验卫星。高水平的小卫星，同时试验了许多新技术和演示了许多小卫星的新应用。如一体化设计、微电子与微机械的应用，高密度的功能集成、卫星群组网联络等等，都可以在成本低的小卫星上进行有效的试验。
2．中国小卫星正在兴起
（1） 科学试验小型卫星。实践5号于1999年5月10日发射入轨，寿命为三个月，主要任务是空间辐射环境与单粒子效应、空间流体科学试验及小卫星平台的计算机星务管理、三轴稳定、S波段测控体制的技术试验。质量300千克、功率300瓦，体积为1.1m××1.2m
×1.04m。
（2）对地测小卫星。“清华一号”是质量为50千克中国第一个微小卫星。主要任务是：
环境和灾害监测、民用特种通信、科普教育。它将成为国家即将实施的“8颗星减灾预报系统”中的一颗示范卫星。目前清华大学与英国萨瑞大学联合研制已经发射成功。
高分辨率光学遥感小卫星：该卫星主要任务对地进行光学遥感观察，有效载荷为CCD相机，姿态对地、对日定向，指向精度0.1~0.2度。卫星质量250千克，功率200瓦，数据率102Mb/s，数据压缩6.6，存储容量为1.2Gbit。它是由哈尔滨工业大学联合中国空间技术研究院、中科院长春光机所共同研制，将择机发射。
海洋一号小型卫星：质量350千克，体积1.2m×1.1m×1.08m，功率500W，该卫星载有：水色扫描仪一台，有10波段，分辨率为1.1km；CCD相机一台，4个波段，分辨率为250m；数据速率为2.66Mb，数据存贮量为80Mb。工作寿命2年，已在2002年发射入轨。
（3）数据通信小卫星“创新一号”是中国正在研制的质量为80千克，功率为50瓦，短数据存储转发通信的微小卫星；姿态采用磁控与重力梯度杆组成的三轴稳定系统；星载计算机集中统一的星务管理；由中国科学院上海小卫星工程部承制。
（4）科普小卫星。中国青少年“奥运小卫星”由两颗星构成，其中一颗主星是通讯星、另一颗副星是观测星。主要功能分别是：存储转发通信、对地观察、数据采集和光学信标、无线电信标，用于地面观察，青少年开展小卫星测轨活动。
3．为什么要发展小卫星
（1）小卫星价格低廉。与大卫星比较，当完成一项军事通信任务时，可选用大容量的地球同步轨道卫星完成，平均费用大约为2.07亿美圆；也可选择8颗目前商用的轨道通信卫星，并用“飞马座”火箭发射，总费用约为3700万美圆。
为降低费用，尽量选用单用途和双用途小卫星，简单并且可靠；
星座、网络小卫星的数量大，使卫星从单个生产发展到标准化设计、批量化生产、流水线操作实施，使小卫星成本大幅度下降。
（2）卫星应用趋向个人化。为适应商业上个人与军队单兵及小分队需要，应用手持式，车载式的小型终端通信，所以小卫星轨道高度绝大部分选在1000千米左右，这种中低轨道卫星，它具有通信延时短，信号衰减小的优点，主要提供中低速率数据传输，数据储存转发业务，频率在1GHZ以下；少数小卫星提供语言图象和高速数据传输业务，其频率选在1GHZ以上，供地面信关站接收处理。并且要求星上的信息进行数据压缩及智能化处理，以减少信息量存储，降低传输速率及卫星的功耗。
（3）小卫星具有机动性、专用性、保密性和灵活性的特点，应用方便 这个特点对于平时特种通信，个人终端更具有独特的优势，因终端机极小，可遍布全地球各个角落使用；对突发的灾害救援行动也带来方便。
对突发军事战争任务，更是有效。例如在海湾战争、科索沃战争中，都大量使用了小卫星，需要时临时发射小卫星或从轨道上调集到该地区；几个月以后，小卫星可以废弃，亦可调回原地派其它用途，符合机动灵活的要求。
（4）计算机、敏感器和材料方面的技术进展，使小卫星的星座成为全球探测网和全球通信网。引起了航天技术和应用的一场新的革命。
一般有以下几种星座：
（1） 通信卫星网：如铱卫星座，全球话务和数据的个人卫星移动通信随时随地进行，使得个人的全球信息一体化。
（2） 对地观察网：对全球环境监视上能做到时间和空间分辨力的全球化，能有效地对全球生态环境的监察和掌握，保护地球环境。
（3） 天际网：将通讯，导航，电子侦察，光学，红外和雷达探测等星座进行组网，就可以掌握全球军事动态，作为有效的防御侵略的手段。
（4） 在平时可用于治安、边防、海关，配合及时抢险、救灾等用途。
4．小卫星的技术特点
（1）设计标准化和产品模块化。大卫星是单个设计，一个卫星从设计试验到研制成功需要8~12年时间；而现代小卫星设计，研制时间随着标准化设计，规格统一技术，模块化的装配和简化试验程序，只要几个月至1年就能完成生产任务。
（2）技术集约化。大卫星一般有6~10个分系统，每个系统中有若干单机组成，是分布式布置；而现代小卫星决不是单机的缩小，而是将卫星看成一个大的单机，通过高密度电子电路，微机械，微器件组合集成为一个整体，已经没有了原来的分系统的概念。
无线电路软件化：原来大卫星上的一些电子电路，在小卫星上将无线电路进行软件化设计，取掉一些电子电路硬件设施，如遥测编码器，遥控译码器等，并且提高了卫星功能重组能力。
星载计算机功能密集化，大大提高了卫星自主控制的功能，减少地面控制的需要，电缆网路印刷化：原卫星内的一些分布式电缆，可以做成印刷电路板，将各种电子电路板连接起来，以减少重量和插拨空间，并提高可靠性，从而使小卫星向微小卫星发展，由于高度电子集成可组合成10千克的纳米卫星和皮卫星。
（3）快速吸纳新的技术。一个大型卫星工作寿命10~15年，而小卫星一般工作寿命为2~3年，那么在每一代大卫星运行期间，小卫星可经历5代的技术改进，所以能快速吸纳新的技术，为不间断的进行创新发展提供了舞台。
最大限度吸纳新技术，使小卫星向微小卫星、纳米卫星发展提供技术基础。今后10～20年内可能发射每颗卫星仅重1千克的星群。
事实上现代小卫星的寿命并不都是短期的，有的卫星工作寿命已经达到了八年。
（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，摄动会引起卫星的漂移，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。如全球导航卫星。（3）轨道控制可以保持卫星的位置，也可以根据需要进行位置机动，如美国的小卫星在科索沃战争时就有随即调动状况。（4）网络星座：其一称编队星座，以一个点为基准，若干颗小卫星构成特定形状，这个星群又绕地球旋转运行；如美国白云星座。另一个称天基网络星座，以若干个不同用途星座组成一个网络。这个网络具有各种空间不同信息的获取、传输、处理和应用功能；网内各星座间功能可以进行互补、信息互通、交换。如美国的小卫星在科索沃战争中使用卫星天际组网方案。
（5）小卫星的机动发射和星座的组合发射。 小卫星与快速反应的小型运载火箭结合使用，达到节省发射费用，又能随时在地面车载或空中飞机载进行机动发射。当发射失败，损失经费较小，重新组织发射也较容易。
小卫星座可用较大运载火箭一次组合发射3颗至8颗卫星。也可以通过航天飞机或宇宙飞船释放卫星。 纳米卫星与皮卫星可通过空间运行的卫星单个或群体释放。
（6）星座需要地网站和终端的配合。 卫星数量少，一个测控站可分时管理多个不同的卫星；而小卫星及星座对地面测控管理带来特殊性，每个测控站要同时管理多个不同的小卫星，所以小卫星座要求地面站具有如下特殊要求：
小卫星的星上设备是无线电系统统一体制设备，没有大卫星上单独测控系统，所以要求测控站与应用站功能合一，设备统一，可以固定或作机动运行操作，对卫星进行跟踪，测控和业务应用。
小卫星座中许多卫星在空间飞行，因此地面站应该是有人值守、无人操作、能够预报轨道并自动跟踪、接收、处理卫星的信息；确保地面站组合式的、自动化工作的要求。
为适应不同的无线电体制卫星，地面站设备应具有多种不同的调制体制，且可以切换适应；为适应不同轨道高度的卫星，其发射功率和接收灵敏度要的自动适应调节。为做到卫星不同时间、不同地方进入测控区覆盖，地面站要能自动计算卫星轨道，并预先对准卫星进入的方向、仰角，处于待命的工作状态，并有自动跟踪能力。
5．未来小卫星技术发展趋向
（1）星上处理技术 。据报道在 21世纪计划中，如特莱迪斯克公司耗资90亿美元的‘空中因特网“计划，将带来移动通信的新时代：即可能人们与办公场所之间实现即时通信、随时下载电影。因此马特拉－马可尼航天公司负责研究与开发的董事让布罗凯说：“星上处理将是卫星技术领域今后10～15年内唯一一项重大突破”
星上处理的技术可能为： 1过滤和发送数据。 2数据的压缩和扩展。 3在卫星上加工出新的数据。 4抗干扰能力强的编码体制。5星座内各卫星互相间自动跟踪、传输数据。
（2）新型的、高可靠微型计算机及软件技术，作星务的统一管理。如星上一个计算机可做成只有茶杯大小。
（3）微型的器件制造技术。 1微型的推进器：如俄罗斯处于领先地位的电子推进技术、美国正在试验30厘米的离子发动机、中国正在研究的离子推进器等等。2微型传感器：美国宇航局研制的微型传感器还不如25美分的硬币大。上海交大研制的微型陀骡只有芝麻大小。
（4）可变形、可压缩伸展的天线及展开机构。1天线在空间占有一定位置，为有效地利用运载火箭载荷舱，发射时将天线压缩，入轨后再一个个展开，（如美国ORBCOMM小卫星天线）从而运载火箭整流罩的有效空间内可以装载更多小卫星，。21996年美国在太空试验了可变形天线，使卫星在空间根据需要改变电波束的大小与方向。
（5）开发机器人式航天器群的技术。这些航天器相互之间可以交流，并能够传递信息，甚至还具有自我修复功能。例如它可绕空间站或飞船的四周运行，代替宇航员在空间观察飞船的外表面状态，保证飞船的安全。
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