高彬
空军工程大学生工程学院研究生管理大队,西安
摘 要:对现代小卫星作了一般的概述,介绍了小卫星的关键技术及国内外小卫星发展的情况，对小卫星在军事方面的应用作了展望，最后对我国小卫星系统的发展提出了点滴的建议。
关键词：小卫星；卫星组网； 卫星通信
1 概述
目前，虽然大型卫星在侦察、预警、通信、导航、气象等功能及可靠性、生存能力等方面都有所增强，应用的范围也越来越广泛，但由于这些卫星及其应用系统均是为支持战略任务而设计的，不完全适用于局部战争和地区冲突战术的要求。因此人们逐步把目肖投向了小型卫星。
对现代小卫星党政军没有统一的定义，通常从卫星的重量，轨道高度和所提供的业务等方面进行大致的划分。其中按卫星的重量可分为如表1所示的几种。
因为小型卫星有重量轻，体积小，成本低，研制周期短，轨道低，发射容易，生存能力强，风险小，以及技术含量高等特点，对小卫星的应用涉及到航天、通信、遥感、计算机网络、能源、材料、微系统等诸方面，特别是当今的小卫星又有了全新的概念，对它的应用更有覆盖广，通信延迟小，设备复杂度低，功能与抗毁性强，安全性高，应急能力与灵活性强，实用性、可靠性高、以及系统建设周期短，投资风险小和可降低航天费用等优点，因此特别适合在局部战争和突发性事件中应用，用于对战场和事发地区进行短期监视、跟踪信息传输等。
2 小卫星所需的关键技术
与一般卫星相类似，小卫星也包括有效载荷、控制电源、结构推进和测控几个部分。随着微电子、新材料和集成电路的发展，这几部分都需要有突破性的进展。下面即结合这几部分讨论一下小卫星所需的关键技术。
（1）微电子技术
微电子技术是卫星小型化的技术基础，也是小卫星提高性能，实现高分辨率对地观测的保证条件。通过微电子技术，可使小卫星进一步扩大固态存储器的容量，增强微处理器的能力和提高A/D、D/A变换的变换速率以及遥感数据的传输速率。而且会促进高性能CCD或TDICCD器件和射频或微波数字化接收机的研制工作，使小卫星具有更高速的数据存贮、处理的能力和更小的体积。
（2）能源技术
能源技术是小卫星的又一个关键技术。电源系统为整个卫星的工作提供必须的动力，在小卫星研制中，电源的重量一般占整个卫星重量的38%-42%，因此，开发能源技术，研制出高性能小型化的电源也是卫星小型化的一个重要的基础。目前，应用最多的是太阳电池阵与蓄电池组的联合电源，但总体来说，电源的效率还是较低的，如何减少电源系统的重量，提高电源的效率和降低电源系统的成本，制造出新的电源系统，还是对人们的一大挑战。目前正在开发的带太阳聚光器的太阳能电池阵，称为“采用折射线性元器件技术的太阳聚光器件（SCAR-LET-Solar Concentrator Array with Refractive Linear Element Technology）”，设计功率可达2.6kW，与同样功率的无聚光器太阳阵相比，重量减轻了50%左右。这种太阳能电池阵所以重量较轻是因为其具有较高的抗辐射的能力，可以减轻为防辐射加因固所增加的重量，同时采用了Fresnel线性凹面聚光器，使太阳光能够聚集，而减少了太阳能电池所需的面积和整个电源系统的重量。
（3）扩频多扯及相关的技术
小卫星的有效载荷是随卫星功能的不同而有所不同的，但均离不开通信模块。通信模块包括通信转发器与成像系统等设备。
目前转发器大多是弯道式的，上行信号是透明传输，在做简单的低噪声放大变频和功率放大等处理后由发射天线直接发向地面，因而在通信质量方面难以得到保证。
在这方面离不开在高多普勒频移条件下的扩频多址技术。由于码分多址（CDMA）在天线小、功率受限的情况下比频分多址（FDMA）优越得多，特别是具有抗多径干扰、话音激活、易切换和扩容等优点，因而适合在移动卫星通信系统中应用。另外，也需要应用全数字解调和软件无线电技术，以解决星上多体制转发器的通信收发机等问题。
（4）提高通信质量的相关技术
关于小卫星通信，国内外都进行了较深入的研究，例如目前正在进行的第三代移动通信的标准化工作，不仅包括了陆地通信系统，也包括了卫星通信系统。已有五种方案提交到ITU，但由于各国在技术水平和应用需求等方面存在着较大的差异，在近期还很难形成统一的标准。
特别是有关抗干扰的问题，这是小卫星通信面临的一个突出的问题，必须抵制小卫星通信系统在地面及空中受到的多种有意或无意的干扰。因此，除了CDMA本身所具有遥抗干扰能力外，还必须考虑天线的自适应抵消及天线调零技术，调解编码与分集技术，以及SMART-AGC等抗干扰技术。例如SMART-AGC，采用的是自适应包络偏置限幅电路，可以通过对干扰信号包络进行准确实时地检测和提取，比常规硬限幅转发器多提供0～20dB的处理增益。
还有扩频通信的问题，该问题的核心在于扩频码的快速同步，特别 是必须克服高达数十kHz的多普勒频移，这也是一个关键的技术问题。
3 小卫星发展的状况
目前许多国家和地区都在发展自己的小卫星，例如：
（1）中国
经过几年的努力，中国的小卫星技术已有了较大的进步和提高，特别是清华大学与英国萨利大学合作，于2000年1月28日成功发射了“清华1号”小卫星，其体积为400mm×400mm×700mm，重量为70kg，主要用于环境和灾害检测、民用特种通信及科普教育等方面，目前运行比较正常。另外，哈尔滨工业大学生正在开展光学成像小卫星系统“探索1号”的实施工作，中科院上海小卫星工程部也正在实施创新项目—“创新1号”小卫星的研制该项目将重点解决低轨道小卫星扩频通信、星上计算机及一体化设计等关键问题，以及进行以存储转发通信为主要应用目标的低轨道小卫星数据通信的试验。
（2）美国
在美国，以国防预研局为首的军方和国家宇航局一直都在关注小卫星的发展，先后提出了“小卫星技术创新计划”、“新盛世”等一系列发展小卫星的计划。另外，美国的商业性公司也形成了一股小卫星开发的力量。例如，以摩托罗拉全球曜主等为首的大公司提出了卫星组网的低轨移动通信方案，对小卫星的发展和应用起到了积极的推动作用。由于有良好的技术基础，美国在发展小卫星方面一直走在世界的前列，目前已进入现代小卫星及星座技术开发应用的试验、验证阶段。
美国在海湾战争（1991年）和对南空袭期间，紧急发射了具有存储转发和多址通信功能的低轨小卫星MACSAT，用于交换给养指令及与美国总部进行后勤信息的联络等，在保证多国部队的军事行动中有上佳的表现。目前，美国已有定型的小卫星系统代军方使用，在发生战争时，这种小卫星由B-52轰炸机推带飞马座火箭在空中进行发射，待进入轨道后即可对战场提供情报服务。据统计，美军用于军事通信的各种小卫星系统已有10个以上。
美国还进行了纳米小卫星的研制工作。1998年美国提出的纳米卫星计划，主要是发展小于10kg的纳米卫星，用于验证微型总线技术，编队飞行技术及其他一些应用技术，计划于2001年发射10颗纳米卫星。
2000年1月26日，作为大学纳米卫星的研究成果，美国国防高级研究计划局成功地以母子星的方式发射了5颗微小卫星。母星JAWSAT是由空军军官学校与韦伯州立大学联合研制的，轨道高度750km，重8.6kg，大小为89cm×89cm×107cm，主要用于承载部署微小卫星和固定试验仪器。母星携带等离子体卫星试验装置及资态控制平台（ACP），ACP可为卫昨提供0.1°定位精度的飞轮装置，成本只为现有设计的1/20。卫星入轨后立即释放4颗子星。该项发射的成功是一件具有跨时代的意义的事情，代表了现代小卫星发展的最高水平。
另外，美国GE公司提出的Egetel系统，卫星重为15kg，由24颗星组成，形成了小卫星通信网络，NASA-GSFC提出的STP计划，准备用几十只固态卫星组成星座网络，实现对地磁场时间与空间的实时同步测量。其单星重量小于10kg，太阳能电池输出功率大于5W，寿命为2年，计划于2007年组网发射，这些都体现了美国在发展小卫星方面强大的优势。
（3）欧定局
1995年欧空局认为小卫星已成为世界航天技术发展的重要目标之一，因此提出了“小型任务机会开发介议（SMOI）”的计划，建立了研制、发射及运营小卫星的公司，1997年投标竞争研制“Proba”小卫星，于1999年发射成功。“Proba”卫星的重量为90kg，部署在1200km高的大倾角圆轨道上。
特别值得一提的是英国的Surrey大学，自80年代以来先后研制并成功发射了直多颗微小卫星。其中PSOAT-1微小卫星是Surrey大学为葡萄牙研制的，主要用于科学试验和地球探测，重量为50kg，尺寸为35cm×35cm×58cm，功率为18W。采用的是低地球轨道运行方式，近地点为800km,远地点为822km，周期为105min，通信采用FSK调制方式，速率为9.6kband/s。POSAT-1微小卫星的有效载荷主要包括：地球成像系统、行星成像系统、GPS试验系统、宇宙光探测系统、数字信号处理实验系统和通信系统、二次能源采用的是10个NiCd蓄电池组成的电池组，星载计算机选用的是Intel-80186。
4 小卫星的军事应用的前景
根据海湾战争（1991年）和科索沃局部战争的经验教训，发展军用卫星及其应用系统不但是和平时期保持常备不懈，防止突发事件的重要手段，也是突发事件发生后激烈争夺的第一战场，是“占领空间制高点”，夺取信息战胜利的重要手段，在未来战争与军事对抗中会发挥越来越大的作用。特别是在卫生侦察和监视、卫星通信、卫星对地观测及卫星导航等方面的应用会更加广泛。例如：
（1）战术侦察星座
该星座是由美国“国防预研局（DARPA）”提出的，简称“蓝锆石”星座，将由运行在近地点轨道上的24颗工作小卫星和3颗备用小卫星组成。系统采用现有的合成孔径成像（SAR）和动目标显示（MTI）改进型的雷达跟踪活动目标河以穿透浓厚的云层对地面成旬，并在数秒内将图像传递给战场指挥员。SAR和MTI的遥感器还可以发现并识别敌方领土纵深处的目标，使指挥员在离敌方480～960km的地区，以3m的精度，标绘出目标所在的位置。
（2）卫星通信
从小卫星系统的特性及在国外军事通信系统中成功地应用来看，小卫星无疑是可与现有地面通信、同步卫星通信系统结合在一起，在现代军事通信中发挥重要作用的通信设施。
利用小卫星星座系统进行卫星组网，建立一个完全覆盖本土及周边地区，并在全球使用的现代通信体系，可以起到如下的作用：
a.把语音、多媒全、短数据等通信业务综合在一起，在全球范围内进行存储转发，同时与其它地面、空间的通信手段相结合，建立完整的国家指挥中心、各级战备战术指挥机构及战场通信联络体系，通过此体系直接获得各种重要的数据和信息。
b.通过装备到基层甚至单兵的手持移动数据通信终端，对移动物体进行跟踪控制和远端数据采集。
c.利用该网建立统一的军事设施、战场环境、侦察情报等数据的采集系统，作为对车、船、坦克和收音机等运输工具定位跟踪及状态报告的手段。
（3）卫星侦察
卫星侦察主要用来对地面雷达、通信和遥感等信号进行侦察和截获，并对这些信号进行辐射源的定位。辐射源的定位侦察体制主要有单星定位和多星定位两种，单星定位基本上属于测向定位（包括多点测向交叉定位），而多星定位则采用多星时差定痊。卫星侦察的发展趋势是小型化、低成本和高性能，即不断地提高星上信息处理、数据压缩和数据实时传输的能力，保持良好的多星组网状态，使小卫星在军事活动中发挥更大的作用。
5 总结
小卫星的应用在我国也是一件具有极其重要的意义的事情，其不仅可用于民用市场，推动各行业的信息化，还可以满足军事与各种特殊通信的需求。但小卫星的发展还需要克服技术上的许多难点，且在投资、应用、维护等方面也需要大胆地创新，需要引入商业运行模式，用较少的资金，有限的资源，建立实用、可靠、廉价的星座系统。为此建议各方面应尽快达成共识，并在引入竞争机制的同时，组成有效的协作机制，通过集中优势协同攻关，使小卫星在我国得到长足的进步和发展。
参考文献
[1]王景泉.国外小卫星发展的现状分析与未来展望[J].国际太空,1987,12.
[2]PoSAT-1 Technical Features[DB/OL].
[3]朱毅鳞.窨推进与电源轻量化的进展[J].国际太空,1996,10
[4]Jilla Cyrus D,Miller David W.Satellite De-sign:Past,Present and Furure[DB/OL].http://www.ee.surrey.ac.uk/SSC/IJSSE/issuel/
cji-lla/cjilla.html.
[5]王希季,李大耀.卫星设计学[M].上海:上海科学出版社,1997.
摘自 天津通信技术
|
