美国卫星：微型化与联网化

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来源：中国科学报

作者：李薇濛，中国航天系统科学与工程研究院

近日，美国斯坦福大学宣布，该校的KickSat-2项目已经将105颗毫微微级卫星送入太空，为这一长达数年的项目画上了圆满的句号。

2011年，康奈尔大学毕业生Zachary Manchester发起了KickSat个人微型航天器众筹项目。该项目致力于制造300颗毫微微级通信卫星，每颗小卫星仅由一块电路板组成，带有太阳能电池板和天线，基本无屏蔽装置，也不具备推进和机动能力。小卫星边长3.2厘米，质量约为5克。

2014年4月，携带首批104颗“精灵”（Sprite）小卫星的KickSat-1母体卫星在成功发射后，因系统时钟问题未能成功释放小卫星。KickSat-1最终坠出轨道，并携带着小卫星在大气层中烧毁。

第一次试验失败后，Manchester与康奈尔大学和美国宇航局（NASA）艾姆斯实验室合作重新设计了卫星，并采用3D打印技术进行制造。

KickSat-2母体卫星于2018年11月搭乘“天鹅座”货运飞船发射至国际空间站，在空间站上等待部署机会。2019年3月17日，KickSat-2从空间站发射，如天女散花般释放出其携带的105颗“精灵”卫星。这些卫星全部进入低地球轨道，成功建立星间通信与星地通信链路。几天后，所有卫星按照预定计划进入大气层并烧毁。

此次试验中，“精灵”卫星测试了两种不同的信号。一种是经过特殊设计的CDMA信号，可以使数百个“精灵”同时在长距离、低功率下与单个地面站进行通信；另一种是简单信号，用于在轨“精灵”卫星之间的短距离通信。

试验证明，在未来任务中“打包”发射数十颗或数百颗小卫星似乎切乎实际。这些小卫星可以被释放到受控的轨迹中，为其他航天器提供通信中继等功能。由于卫星体积越小，成本越低，越来越多的人将有能力参与到卫星研制任务中来。

低成本微小卫星集群逐渐具备大型昂贵卫星的能力。未来，随着研发成本的下降以及卫星结构的简化，更多类似的科学研究试验将得以开展。由于KickSat在轨时间短，很快就可再入大气层，产生太空垃圾的可能性微乎其微，这一特点亦将有助于该项目技术的推广。

除了发射芯片小卫星外，美国也在实行卫星互联网计划。

SpaceX公司推出了全球高速卫星互联网计划，命名为Starlink。2018年3月，美国联邦通信委员会批准SpaceX公司发射4425颗卫星，2018年11月15日又新批准了第二批共7518颗卫星的发射计划。至此，Starlink星座的规划卫星总数达到了惊人的11943颗。然而，近日，SpaceX公司对Starlink作出修订，旨在减少如此庞大数量的卫星对近地空间造成的影响。此次修订只针对第一批发射计划中第一阶段发射的卫星。

SpaceX公司向美联邦通信委员会提交的技术信息中包含了Starlink星座的基本配置、各项参数和修订条目，概述如下。

第一，星座构型。Starlink第一批发射计划原包括4425颗卫星，其中第一阶段包括1600颗卫星，在距地面高度为1150千米的轨道上运行。修订后，该阶段待发射的卫星总数减少至1584颗，运行高度降低到550千米，卫星的运行方式也做出了相应调整。

Starlink星座的远地点和近地点高度差保持在30千米以内，倾角保持在53°±0.5°以内。升交点赤经的进动范围为0~360°。SpaceX设计的轨道还具有较大的自耦合脱靶距离（miss distance），这意味着两颗卫星之间的距离公差只要不大于60千米，就永远不会发生碰撞。

第二，通信架构。Starlink星座的通信架构部署将分两阶段进行。第一阶段，SpaceX将使用Ku波段频谱进行卫星与网关和用户终端之间的通信，同时在地面站安装抛物面天线。第二阶段共计划发射7518颗卫星，随着卫星数量的增加，SpaceX将结合Ku/Ka双波段芯片组和其他支持技术，逐步转向使用Ka波段频谱进行网关通信；随着系统的发展，逐步引入相控阵天线。

“维护良好的轨道空间环境”，是SpaceX公司做出此次修订的出发点。2018年2月22日，SpaceX公司将两颗试验卫星MicroSat 2A和2B发射升空，执行演示验证任务（任务未公开）。根据这两颗卫星的试验结果，研究人员得出新方案具备以下5个优点：

一是可在卫星发生故障时进行快速脱轨处置。在高度为1150千米的原定轨道上，发生故障的卫星需要数百年时间才能再入大气层；而在高度为550千米的新轨道上，卫星只需5年便可完成再入过程。即使卫星在运行轨道上突然失效，且姿态不受控制，最长的再入时间仍然只有大约4.5～5年。

二是自清洁的碎片环境。SpaceX公司预计，在较低轨道上运行将有效降低卫星解体的风险。而且，在高度为550千米的轨道上，任何碎片的自然寿命都比高轨碎片短几个数量级，在许多情况下可能短至数天，从而显著降低轨道碎片风险。

三是减少燃料需求。根据计划，每颗卫星将在高度为300~350千米的轨道上开始实施轨道提升机动，具体取决于太阳活动。与原计划相比，较低的目标轨道高度可使对推进剂的需求降低至少50%。

四是良好的电离辐射环境。在较低高度运行时，电离辐射强度较低，减少了辐射引起故障的风险。卫星有更大的概率平稳度过寿期并完成脱轨。

五是减少对其他低轨系统的影响。在高度为550~1150千米的低地球轨道上运行着大量卫星，新轨道尽可能降低了SpaceX公司的卫星与其他卫星碰撞的风险。

通过对Starlink星座构型的修订，SpaceX将用更少的卫星满足同样的通信需求。据推测，卫星数量后续会进一步减少。该系统将满足在相同频率下工作的其他系统的通信防护标准，且不会导致总体射频干扰增加。更重要的是，新的星座部署方案将达到或超过现有的所有太空安全要求，并将通过在较低高度上运行部分星座来减少产生轨道碎片的可能性。

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