卫星集群系统的应用现状与发展动态
闻新
【摘要】目前，小卫星发展非常之快，其研究备受世界各国高校的关注，甚至拓展到高中生的科技创新竞赛中。小卫星集群的概念在国际航天领域得到广泛关注，其发射过程已经从过去的搭载发射转化为共享发射。本文调查分析了近40个小卫星集群的应用案例，包括地球科学探索任务、深空探测任务，以及技术验证任务等，并根据它们的应用类型、集群规模，以及总体技术进行了综述。在此基础上，提出了未来小卫星集群飞行任务所面临的关键问题。最后，对未来小卫星集群任务发展方向进行了展望。
【关键词】小卫星 分布式 卫星集群 卫星系统
【中图分类号】V423.9 【文献标识码】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2018.12.011
小卫星具有体积小、重量轻、研制周期短、发射成本低和易于组网等特点。过去很多人认为小卫星只能做一些简单的空间飞行技术实验，或培养研究生和大学生科技创新之用（所以，小卫星也称为大学卫星）。但随着科学技术的发展，小卫星已经成为未来空间实验和太空探索的一个重要工具。2017年度小卫星国际论坛在美国硅谷举行，来自美国、欧洲、俄罗斯、日本航天领域的专家和学者纷纷表示，小卫星正在从单颗应用，发展到编队应用，甚至几百颗以上的大规模集群应用。与此同时，单颗或几颗小卫星的火箭搭载发射时代也将结束，未来一定是集群式的共享发射。
本文调研和综述了近几年来分布式小卫星系统的应用情况和发展动态，深入分析了一些关键知识点。同时本文也给出了相关项目的英文全称，或者相关项目的英文缩写，以便读者查阅和跟踪这些前沿项目。本文力图打造一篇分布式卫星集群应用的最新综合分析报告。小卫星的标准分类
卫星的体积和成本取决于任务需求，如有些卫星可以拿在手中或放在衣兜里，而哈勃望远镜则像消防车一样大。小卫星主要是指重量小于180kg，且体积大小如同家用微波炉，甚至更小的卫星。目前国际上最新的小卫星分类方式如表所示。
需要指出，在大多数情况下，纳型小卫星往往被设计为一种标准的立方体卫星，立方体卫星的标准体积为一个基本单元，即1U，其体积为10cm×10cm×10cm。根据应用的需要，也可以扩展为1.5U、2U、3U、6U，甚至12U，等等。最初的立方体卫星应用是1999年加州理工大学和斯坦福大学用于教育和太空探索的一个平台，现在它已经发展成为政府、企业和学术界的新技术实验平台，甚至成为先进的空间探索任务工具，应用范围在逐渐扩大。地球科学探索任务
地球科学探索任务旨在科学理解地球系统及其对自然因素和人类活动影响的反应，从而进一步提高对气候、天气和自然灾害的预测能力。本节主要关注由多颗卫星执行的地球科学探索任务，即使用或计划使用两颗及两颗以上，质量在10kg以下的小卫星任务。
动态电离层立方星实验（Dynamic Ionosphere CubeSat Experiment——DICE）。DICE项目是由犹他州立大学牵头、美国国家科学基金会和美国国家航空航天局的纳卫星教育发射计划支持的多组织合作任务。DICE项目于2011年10月发射了两颗1.5U的立方星到高度为410～820km、轨道倾角102°的椭圆形近地轨道。如图1所示，每颗卫星携带的主要有效载荷包括：两个朗缪尔探测器，用于测量电离层环境的等离子体密度；若干个电场探测器，用于测量环境的交直流电场强度；一个磁力计，用于测量环境的交直流磁场强度。
DICE项目将有助于精确分析地磁暴的时间特征，如地磁暴的密度突增和羽流。DICE项目的两颗立方星没有自主控制位置的功能，它成功地验证了空间中无控型的星座任务，其中下行链路通信速率为3Mb/s，使用GPS、磁强计和太阳传感器使得姿态测量在±0.7°（1σ误差），并采用转矩线圈使得姿态控制在±5°（1σ误差）。
相对电子爆发强度、范围和动力学特性的专项研究。由蒙大拿州立大学和新罕布什尔大学牵头，并由美国国家科学基金会资助的相对电子爆发强度、范围和动力学特性（Focused Investigations of Relativistic Electron Burst Intensity， Range， and Dynamics——FIREBIRD）任务，旨在使用两颗1.5U的立方星评估范·艾伦辐射带中的磁层微爆发的空间规模和时空模糊性。2013年12月6日，两颗FIREBIRD立方星在加利福尼亚州的范登堡空军基地（Vandenberg Air Force Base——VAFB）搭乘阿特拉斯-5-501（Atlas-5-501）运载火箭，进入高度为467～883km、轨道倾角120.5°的太阳同步轨道。
2015年1月31日，另外两颗FIREBIRD-II1.5U的立方星搭乘德尔塔2号（Delta-2）运载火箭，从范登堡空军基地发射到高度为685km，轨道倾角为98°的太阳同步轨道。这些立方星的特征是被动姿态磁控制，因为它们不能自主控制位置，所以这个任务也是无控型的星座任务。
Flock-1成像星座任务。由美国行星实验室公司研发的Flock-1星座任务由100多颗3U的立方星组成，为环境监测、人道主义活动和商业应用提供3～5m分辨率的地球图像。2014年2月中旬，该公司采用NanoRacks公司的立方星分配器，将28颗Flock-1立方星在国际空间站上进行部署，其运行在轨道高度为400km、倾角为52°的近地轨道上。截至目前，已经部署113颗立方星。这些立方星通过开、关太阳帆板来更替其运行状态，这是一个有控型星座任务。
爱迪生小卫星网络演示任务。爱迪生小卫星网络演示任务（Edison Demonstration of Smallsat Networks——EDSN）是由美国宇航局的艾姆斯研究中心主导研发、美国国家航空航天局的空间技术任务部门（Space Technology Mission Department——STMD）资助的一个创新项目。其主要目的是验证在距地球500km的轨道上发射部署8颗卫星组成无控型星座的能力。这8颗1.5U的立方星每颗都携带了高能粒子集成空间环境监测装置，通过在地理上分散的区域同时测量高能带电粒子的位置和强度，來分析近地轨道的辐射环境。每颗立方星都搭载了一部Nexus S智能手机，用于测试商用现成品的软件和硬件。立方星利用智能手机上的陀螺仪、GPS和磁力计传感器来确定姿态，并利用三个反作用飞轮实现姿态控制。EDSN卫星于2015年11月3日曾在夏威夷考艾岛作为超级斯彻比（Super-Strypi）火箭的次级载荷发射升空，但由于火箭发生故障，发射失败。
QB50项目。QB50项目是由比利时冯·卡门研究所牵头，欧盟委员会的研究机构部分资助的多组织合作任务，旨在将全球大学团队研制的50颗卫星发射组网，在低温层（90～350km）进行多点、原位测量及再入研究。每颗2U立方星除携带卫星常规的标准仪器外，还额外搭载一套用于低温层和再入研究的标准化传感器。大多数的QB50立方星将被发射到高度为380km、轨道倾角98°的近地圆形轨道，少数将被部署到高度为380～700km的椭圆近地轨道。该项目中大多数立方星无法自主地控制位置，这个任务属于无控型星座任务。
全球卫星导航系统空间星座任务概念。全球卫星导航系统空间星座（Global Navigation Satellite System Geospace Constellation——GGC）是由美国喷气推进实验室负责的空间气象任务概念，该项目计划利用立方体星组成星群和Ad-hot网络，搭载小型GPS接收机实现大气电离层磁气圈测量，如图2所示。
火箭立方星（Rocket Cube）任务概念。由美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory——JPL）和美国国家航空航天局促进竞争性研究试验计划（NASA's Experimental Program to Stimulate Competitive Research——EPSCoR）资助、达特茅斯学院正在开发研制的火箭立方星平台（如图3所示），旨在实现轨道和亚轨道科学任务的低成本多点测量。这些火箭立方星将由探空火箭发射升空，并且它们本身不具备主动控制位置的能力。该任务计划发射10～12颗火箭立方星，通过实时观测方式来观察电离层和极光的时空变化。
卡律布狄斯（Charybdis）任务概念。由斯特拉斯克莱德大学牵头、英国工程和物理科学研究理事会资助的卡律布狄斯星座项目，其目的是获得高时空分辨率的沿海和内陆水道多光谱图像。这些信息对于理解河口生态系统和沉积物悬浮的演变、人类起源过程对水系统的影响，以及潮汐对海洋色彩的影响有很大帮助。该项目计划采用一个由115颗纳卫星构成的受控型星座（携带微推进系统来保持卫星间相对位置）实现全球覆盖，或采用30颗纳星实现对英国大陆每两小时一次的区域覆盖。
哨兵任务概念。由英国帝国理工学院负责、英国航天局资助的哨兵任务概念，计划发射一个由100余颗立方星组成的无控型星座来研究地球磁层。卫星将进行实时测量，从而了解地磁暴在地球磁层中的形成过程，尤其是在磁尾区域发生的磁暴。
大气温度和湿度探测任务概念。由美国喷气推进实验室负责的用于大气温度和湿度探测的6U立方星星座概念，计划发射4～15颗低倾角轨道卫星，对提高极端天气事件预测精度所需的关键地球物理参量进行成像。每颗6U立方星将携带118GHz的温度探测器和183GHz的湿度探测器，并将在太空中形成一个可控星座。该任务提出了使用纳型卫星星座来测量地球表面的双向反射分布函数（即表面反射的方向和光谱变化）概念，用于精密测定反照率。
傅里叶变换光谱仪立方星任务概念。这个任务概念是由美国Exelis公司地理空间系统部门和密歇根大学合作设计完成的，3颗编队飞行的6U立方星将携带傅立叶变换光谱仪（Fourier Trarsform Spectrometer——FTS）作为有效载荷（如图4所示），它们合作测量全球风场，并绘制风场的垂直剖面图和长期天气预报，同时立方星会保持12小时的回访时间。
电离层断层扫描任务概念。这个概念性任务由斯坦福大学国际研究院主导，计划使用携带“数字电视”接收机的立方星星座来进行电离层断层扫描。每颗卫星都与数字电视基站建立联系，并测量数字电视信号的相位变化，以便了解电离层对太阳、地球磁层和高层大气压力的响应关系，同时还对电离层密度的层析进行成像测量。
空间态势感知任务概念。这个概念性任务主要由澳大利亚阿德莱德大学负责研究（如图5所示），任务主要是采用5颗均匀分布的立方星组成一个小型可控星座，来探测地球中轨道和地球静止轨道带中的空间碎片。洛克希德·马丁公司也提出过一个类似的空间态势感知任务，在该任务中，立方星星座被发射到地球同步轨道以上500km的高度。
阿尔忒弥斯（Artemis）任务概念。阿尔忒弥斯任务概念由非营利组织Artemis空间组织提出。该任务包括两项计划：一项是构建由200颗纳星组成的星座，用于观测和监视地球局部空间环境；另一项是建立由35颗小卫星和立方星组成的月球星座，它将提供一系列服务，如支持地月间的通信联络、绘制月表图像，以及未来开发月球的探测任务，等等。深空探测任务
开展深空探测任务是为了了解宇宙和我们在宇宙中的位置、太阳系中的行星和小天体以及生命的起源，并对地球和太阳系间的相互作用进行研究。在本节中，我们介绍使用或计划使用两颗及两颗以上小卫星的深空探测相关任务。
亮星目标探测星座任务。由维也纳大学牵头、奥地利太空总署和加拿大航天局资助的亮星目标探测（Bright-Star Target Explorer——BRITE）星座任务，旨在对亮星进行毫米级（0.1%误差）的微分光度测量。如图6所示的两颗纳星，均使用了由多伦多大学开发的通用纳米卫星总线平台。2013～2014年共发射了6颗纳星，它们在太空中形成一个无控型星座。这些纳星采用GPS接收機、三轴磁力计、6个太阳传感器和星敏感器进行10角秒误差范围内的姿态确定，并使用3个磁铁和3个反作用飞轮将姿态误差控制在1角分均方差范围内。
可重构空间望远镜的自动组装任务。由加州理工学院和萨里空间中心主导、凯克空间研究学院资助的可重构空间望远镜的自动组装（Autonomous Assembly of a Reconfigurable Space Telescope——AAReST）任务，旨在通过2颗3U的立方星（子星）与1颗9U的纳星（母星）进行自主分离和重组，来验证空间望远镜的自主装配和组合技术。中央纳星上装有2个固定反射镜和1个悬臂焦点平面组件，2颗3U的立方星均携带电动自适应反射镜。这些卫星计划采用GPS接收机、三轴磁力计、基于互补性金属氧化物半导体阵列的太阳和地球敏感器、1个三轴磁力矩器和3个反作用飞轮，在所有轴上以0.5°/s的速率转动，实现误差在±1°内的姿态控制。
轨道低频射电天文学天线任务概念。由荷兰代尔夫特理工大学牵头的轨道低频射电天文望远镜（Orbiting Low Frequency Antennas for Radio Astronomy——OLFAR）任务，将在0.3MHz～30MHz的工作频段部署50～1000颗相同的纳星构成大型星座，每颗卫星将携带一个由3个正交偶极子组成的长达5m的天文天线，用于射电天文学研究。由于地球上空的电离层对低频无线电波不透明，所以低于30MHz的频带是地面射电天文望远镜不能探测到的频率范围之一。
空间超低频射电天文台任务概念。由中国科学院主导的空间超低频射电天文台（Space Ultra-Low Frequency Radio Observatory——SULFRO）任务计划发射一个无控型星座，该星座由1颗微型卫星和12颗纳型卫星组成（如图7所示），其中微型卫星为主星，纳型卫星为从星。星座将在拉格朗日L2点附近的李萨如（Lissajous）轨道或暈轨道上运行。每颗纳星载有3个偶极天线，能够在1MHz～100MHz频率范围内对“整个星空”实时观测。
相关环境中的行星际纳型航天探测器任务。相关环境中的行星际纳型航天探测器（Interplanetary Nanospacecraft Pathfinder in a Relevant Environment——INSPIRE）任务，是由美国喷气推进实验室（JPL）主导的行星际验证任务。在地球轨道上部署2颗纳星，对通信、导航和有效载荷技术进行评估。2颗3U的纳星均使用星敏感器、陀螺仪和光电二极管来调整自身姿态，精度可达到±7角秒（1σ误差），并可用4个推进器的冷气推进系统控制姿态。该任务计划在2017年将卫星发射到地球逃逸轨道。
火星立方星星座任务。该任务由美国喷气推进实验室负责，计划在火星周围发射60颗立方星组成星座，研究火星上电场活动的频率以及地理分布和强度。在火星轨道上，卫星所携带的敏感器灵敏度比在地球上要高出好几个数量级，即便卫星上的仪器精度差一些，也可以正常工作。
行星际无线电掩星立方星座任务。由麻省理工学院主导的行星际无线电掩星立方星座（Interplanetary Radio Occultation CubeSat Constellation——IROCC）任务，计划将6颗3U立方星作为更大的行星际飞行器的次级有效载荷，发射到另一个行星。该星座将采用无线电掩星技术来测量行星大气层和电离层的温度、压力以及电子密度分布。
太阳极区成像仪任务。该任务由美国喷气推进实验室牵头负责，美国国家航空航天局创新先进概念局资助。计划发射6颗6U立方星组成星座，用以研究太阳极区的磁场和日震学。星座将被置于高度倾斜的外黄道垂直轨道上，半长轴约为0.99个天文单位。这些立方星配备了大量科学仪器，并利用太阳帆作为动力飞抵高度倾斜轨道。技术验证任务
技术验证任务旨在验证最先进的技术在太空中的应用。在本节中，主要讨论使用或计划使用两颗及两颗以上、质量小于10kg的小卫星进行技术验证的任务。
空间绳系自主机器人卫星任务。由日本香川大学和高松国立科技大学主导的空间绳系自主机器人卫星（Space Tethered Autonomous Robotic Satellite——STARS）任务，验证了使用10m长的系绳实现子卫星与母卫星对接和分离技术。母卫星质量为4.2kg，子卫星质量为3.8kg。首先，母卫星会给子卫星一个初始速度，完成子卫星的部署，然后再使用系绳收回它，最终实现对接。2009年1月23日，卫星作为H-IIA运载火箭的次级载荷发射升空。母卫星使用GPS、磁力计和陀螺仪来确定自己的姿态，并使用磁力矩器进行姿态控制。子卫星使用相机确定其相对于母卫星的姿态，然后利用其自身在系绳张力下的臂杆运动来控制姿态。尽管太空存在不稳定因素，但基本实现了预案目标。
AeroCube-4任务。AeroCube-4立方星由英国宇航公司研制，其中每颗1U的立方星重1.2kg。这些立方星都是采用地球和太阳敏感器、高精度三轴速率陀螺仪及惯性测量单元来控制自身姿态，其绝对姿态精度可达1°；使用GPS接收机以20m的精度估算自身位置，并通过可展开太阳翼改变横截面积来控制自身的位置。2012年9月13日，这些卫星作为联合发射联盟（United Launch Alliance——ULA）公司Atlas-5-411号运载火箭的次级有效载荷，在范登堡空军基地发射升空到椭圆近地轨道，其轨道高度为480～780km，轨道倾角为65°。这些卫星会自主改变其阻力剖面，并使用不同的机翼构型，可以在短时间内实现编队飞行的队形重构任务。
普罗米修斯计划。美国洛杉矶洛斯阿拉莫斯国家实验室发射了8颗重量为2kg的1.5U立方星。该任务的主要目的是验证超视距卫星与便携式的远程设备和地面站之间的通信能力，如传输音频、视频和数据文件等能力。2013年11月19日，这8颗卫星作为Minotaur-1火箭的次级有效载荷，被发射到高度为500km、轨道倾角40.5°的圆形近地轨道上。每颗卫星都有4个可展开的太阳电池板和1个可展开的螺旋天线，使用寿命为3～5年。此外，美国陆军空间和导弹防御司令部也正在开展一项类似的任务。
KickSat（踢卫星）项目。踢卫星项目是由康奈尔大学牵头的民间太空探索项目，该项目的任务是发射数百颗小型芯片卫星到近地轨道空间，评估其在轨性能，同时也研究其再入性能。该项目的母卫星是一颗3U立方星，内含104颗尺寸为32mm×32mm×4mm、重量小于7.5g的芯片卫星，它们也被称为“小精灵”，如图8所示。
2014年4月18日，在佛罗里达州的卡纳维拉尔角，母卫星搭载太空探索（SpaceX）公司“龙”飞船，发射到高度为325km、轨道倾角为51.6°的近地轨道。但控制芯片卫星的时钟出现重置现象，导致芯片卫星无法被正常部署，并于2014年5月15日坠入地球大气层。
VELOX-1任务。由新加坡南洋理工大学负责的VELOX-1任务包含1颗纳卫星和1颗皮卫星，该项目是采用1颗3U纳星在轨道上部署1颗70mm×60mm×30mm的皮星。该3U纳星采用1个GPS、2个惯性测量装置、1个双目视觉的太阳传感器、8个粗太阳传感器、3个磁转矩器和3个反作用轮，实现三轴姿态稳定。
2014年6月30日，该项目的卫星在印度斯里赫里戈達岛的萨迪什·达万航天中心，由PSLV-C23运载火箭发射升空，并成功实现了预期任务目标。
加拿大先进纳米空间实验任务4和5（CanX4&5）。由多伦多大学负责，加拿大航天局资助完成的加拿大先进纳米空间实验任务CanX4&5是一个双纳星项目。该任务用于验证具有亚米级跟踪误差精度和低速度变化（ΔV）要求的卫星编队飞行任务。每颗纳星的重量均小于7kg，配备6个粗/精太阳敏感器、1个三轴磁力计、3个速率陀螺仪、3个磁力矩线圈和3个正交安装的反作用轮，可保证姿态控制精度为1°，并利用星间通信和差分GPS实现10cm的相对位置确定精度。卫星利用最大推力为5mN、总ΔV为14m/s的加拿大先进纳星推进系统（CNAPS）执行编队操作，相对位置控制精度可达1m。2014年6月30日，CanX4&5纳星由PSLV-C23运载火箭，从印度斯里赫里戈达岛成功发射到了高度为660km、轨道倾角为98.2°的太阳同步轨道。通过使用载波相位差分GPS进行极高精度的相对导航。这两个航天器可以先以100m间距，再以50m间距执行圆投影轨道编队飞行（从地面观察者的角度来看，像一颗卫星围绕另一颗卫星飞行），卫星还执行了一系列精确、可控的自主编队任务。目前，该任务已成为先进编队飞行任务的榜样。
立方星临近操作验证任务。由Tyvak纳卫星系统公司主导、美国国家航空航天局资助的立方星临近操作验证任务（CubeSat Proximity Operations Demonstration——CPOD），计划使用一对带有可展开太阳能电池板的3U立方星，验证卫星在近地轨道上的交会、临近操作、编队飞行与对接技术，如图9所示。
AeroCube-光通信和传感器演示任务。由宇航公司研发并得到NASA“小卫星技术计划”支持的AeroCube—光通信和传感演示（AeroCube-Optical Communication and Sensor Demonstration）任务，旨在验证近地轨道上的立方星与地面站终端的光通信技术，并演示如何使用商用现成品（Commerical Off-The-Shelf——COTS）传感器跟踪附近的航天器，如图10所示。这两颗1.5U的立方星将使用汽车防撞雷达传感器和廉价光电鼠标传感器来避免碰撞，并利用可展开太阳翼和机载冷气推进器在200m范围内控制自己的位置。这两颗立方星预计将被发射到高度为400～700km的太阳同步轨道，并可利用GPS、太阳和地球水平敏感器、磁力计、星跟踪器、3个磁扭矩杆和3个反作用飞轮实现0.1°的绝对精度指向。
天网一号。由上海微小卫星工程中心完成的天网一号项目，旨在验证两颗立方星的自主编队飞行任务和利用软件无线电实现的卫星间通信技术。该项目由1颗3U立方星（TW-1C）和两颗2U立方星（TW-1A、TW-1B）组成。2015年9月，卫星在酒泉卫星发射中心顺利发射，进入近地轨道。
Rascal任务。由圣路易斯大学领导、NASA立方星发射计划支持的Rascal任务，旨在验证卫星临近操作和空间环境感知的关键技术，如红外成像、六自由度推进、无线电频率临近报警以及自动化操作，等等。2颗3U立方星将使用红外和可见光摄像机确定相对位置和姿态，并利用冷气六自由度推进单元调整姿态和位置，以及尼龙搭扣与底板进行对接。
空间自主纳星集群飞行和地理定位任务。由以色列理工学院主导、并得到以色列航天工业公司支持的“空间自主纳星集群飞行和地理定位任务”（Space Autonomous Mission for Swarming and Geo-Locating Nanosatellites——SAMSON），旨在演示多颗卫星的长期自主编队飞行。该任务将使用3颗基于立方星标准平台研发的3U立方星。每颗卫星上都将配备冷气推进系统、原子钟、星间通信系统以及可展开太阳能电池板。这3颗卫星将被发射到半长轴、偏心率、倾角相同的轨道，并形成一个卫星集群，卫星间的相对距离从最近的100m到最远的250km。其中1颗星将被指定为“领航者”，其他2颗星将作为“跟随者”。“跟随者”可根据“领航者”的运动状态，对运行轨道进行修正，以满足相对距离约束。另外，地面控制中心可下达指令从而实现卫星间的角色转换。
硅片集成卫星群任务。由美国喷气推进实验室、伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校和科学系统公司负责，美国国防高级研究计划局资助的硅片集成卫星群（Swarms of Silicon Wafer Integrated Femtosatellites——SWIFT）任务，计划在地球近地轨道部署一个由成百上千颗100g级芯片卫星组成的卫星群，用于稀疏孔径阵列和分布式传感器网络的应用。该卫星群可形成三维队形并以低燃耗的方式保持队形。如图11所示，每颗卫星重量为100g，将配置通信系统、三轴姿态和位置传感器、星载计算机和能源单元、微型反作用飞轮，以及一个基于微型推进器或小型化肼系统的推进单元。设计研究得出结论，推进系统和长距离通信电子设备的小型化将是SWIFT飞行任务成功的关键。
日本九州与美国实验卫星系绳任务概念。日本九州与美国实验卫星系绳（Kyushu/U.S. Experimental Satellite Tether——QUEST）任务是亚利桑那州立大学、圣克拉拉大学和日本九州大学之间的联合项目。该任务计划先在卫星间展开一根2km长的系绳，然后通过协同控制保持主卫星和从卫星的队形。这个概念类似于先前提出的在太空中产生人工重力的任务。
高速、多光谱、自适应分辨率立方星成像星座任务概念。由斯坦福大学负责的高速、多光谱、自适应分辨率立方星成像星座（High-Speed， Multispectral， Adaptive Resolution Stereographic CubeSat Imaging Constellation——HiMARC）任务，计划发射4颗3U合成孔径光学望远镜组成的无控型星座，从而提供地球、太阳、月球和天文目标的快速、多光谱、高分辨率立体图像。
实时定位任务概念。这个由以色列理工学院主导的概念性项目，计划使用2颗或3颗近地轨道卫星组成编队，通过测量信号到达的时间差，来精确地确定地面上电磁脉冲信号源的位置。任务设想用小卫星编队进行空间地理定位，实现对火星探测器精准地追踪，在全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System——GNSS）受干扰的情况下实现一个冗余导航系统，或实现遇险信号自主定位系统的成本最小化。
人道主义卫星星座任务概念。由欧空局主导的人道主义卫星星座（Humanitarian Satellite Constellation——HumSat）项目是一项有教育意义的国际性倡议，如图12所示，该项目旨在建立一个纳星星座，为世界上基础设施不完善的地区提供全球通信能力。任务计划部署一个全球性的立方星星座，用以支持人道主义活动、急救应用以及监测与气候变化相关的各项参数。目前，全世界范围内已有19所大学表示有兴趣参与研发该任务将使用的卫星。
伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校和美国喷气推进实验室立方星编队飞行任务概念。这个由伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校负责、美国喷气推进实验室资助的任务，计划发射4颗或6颗立方星到近地轨道，来演示在太空中的编队飞行任务。4颗立方星在太空中保持四面体队形；6颗立方星在多个J2项不变的相对轨道间，用实时的连续凸规划法进行最优重构策略验证；J2项不变的轨道具有最小漂移特性，卫星可消耗最少的燃料来保持运行轨道不变。大量的仿真结果表明，4颗立方星构型在100多个轨道可以将精度保持在5m以内；6颗立方星构型则可以使用最先进的商用现成品传感器和执行器在J2项不变轨道之间执行多达20个队形的重构。
“放飞你的卫星”实验项目。“放飞你的卫星”实验项目是由欧洲航天局（European Space Agency——ESA）教育办公室组织、面向欧洲大学生的太空实验任务，共发射了3颗由在校大学生参与研制的立方星。它们分别是来自比利时列日大学，用于测试新型通信系统的OUFTI-1卫星；来自意大利都灵理工大学，通过测量地球磁场从而确定卫星姿态的e-st@r-II卫星；来自丹麦奥尔堡大学，利用自动识别系统辨识和跟蹤沿海地区过境船舶位置的AAUSAT4卫星。这3颗体积为10cm×10cm×11cm、重量约1kg的卫星于中欧夏令时2016年4月25日搭乘联盟号运载火箭，从位于法属圭亚那的库鲁欧洲航天发射场发射升空。发射后的24小时以内，地面控制中心分别接收到了3颗卫星传来的信号，确认它们已经按照预定计划顺利进入轨道。通过参与这项实验计划，来自三所大学的同学们都有了参与真实太空任务的经历，这也是欧空局教育办公室致力于推行这个项目的主要目的，他们希望通过这种方式培养欧洲下一代空间科学家和工程师，从而使欧洲的太空探索技术和研究水平能够走在世界前列。
结束语
相比于传统的大卫星，小卫星的研发成本低、设计周期短、功能密度高。成百上千颗小卫星构成的集群灵活性高、鲁棒性高，能完成大卫星无法完成的任务，应用前景广阔，而发展小卫星集群的关键就是高集成模块化技术和分布式协同控制技术，相信在不久的将来，随着其功能的不断完善，将会逐渐取代传统卫星。
从过去发展历程上看，航天系统工程的发展将会带动其他学科发展。20世纪60年代美国阿波罗登月所研制的新材料、新技术和新工艺已推广到了各个领域，如果说美国的计算机水平一直领先于世界是得益于阿波罗计划的推动，那么，类似地，今天小卫星集群的技术发展也将推动其他科学技术的进步。
从国际上对小卫星集群的研究和应用状况看，未来的发展将从以下几个方面开展研究工作：第一，在性能不变的情况下，尽可能地降低空间任务的成本，即用低成本去完成传统的太空探索任务；第二，通过简单的设计获得高可靠性产品；第三，引入群智能理论成果，利用先进的微电子、微机械、微推进和仿生技术等，研究小卫星集群的自主或自治的管理技术，完成更复杂的太空探索。
（南京航空航天大学飞行器控制专业硕士研究生陈辛为本文撰写做了文献翻译和综合分析工作，博士研究生李佩冉做了资料整理工作，对两位研究生的贡献表示感谢）
责 编∕刁 娜
【摘要】目前，小卫星发展非常之快，其研究备受世界各国高校的关注，甚至拓展到高中生的科技创新竞赛中。小卫星集群的概念在国际航天领域得到广泛关注，其发射过程已经从过去的搭载发射转化为共享发射。本文调查分析了近40个小卫星集群的应用案例，包括地球科学探索任务、深空探测任务，以及技术验证任务等，并根据它们的应用类型、集群规模，以及总体技术进行了综述。在此基础上，提出了未来小卫星集群飞行任务所面临的关键问题。最后，对未来小卫星集群任务发展方向进行了展望。
【关键词】小卫星 分布式 卫星集群 卫星系统
【中图分类号】V423.9 【文献标识码】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2018.12.011
小卫星具有体积小、重量轻、研制周期短、发射成本低和易于组网等特点。过去很多人认为小卫星只能做一些简单的空间飞行技术实验，或培养研究生和大学生科技创新之用（所以，小卫星也称为大学卫星）。但随着科学技术的发展，小卫星已经成为未来空间实验和太空探索的一个重要工具。2017年度小卫星国际论坛在美国硅谷举行，来自美国、欧洲、俄罗斯、日本航天领域的专家和学者纷纷表示，小卫星正在从单颗应用，发展到编队应用，甚至几百颗以上的大规模集群应用。与此同时，单颗或几颗小卫星的火箭搭载发射时代也将结束，未来一定是集群式的共享发射。
本文调研和综述了近几年来分布式小卫星系统的应用情况和发展动态，深入分析了一些关键知识点。同时本文也给出了相关项目的英文全称，或者相关项目的英文缩写，以便读者查阅和跟踪这些前沿项目。本文力图打造一篇分布式卫星集群应用的最新综合分析报告。小卫星的标准分类
卫星的体积和成本取决于任务需求，如有些卫星可以拿在手中或放在衣兜里，而哈勃望远镜则像消防车一样大。小卫星主要是指重量小于180kg，且体积大小如同家用微波炉，甚至更小的卫星。目前国际上最新的小卫星分类方式如表所示。
需要指出，在大多数情况下，纳型小卫星往往被设计为一种标准的立方体卫星，立方体卫星的标准体积为一个基本单元，即1U，其体积为10cm×10cm×10cm。根据应用的需要，也可以扩展为1.5U、2U、3U、6U，甚至12U，等等。最初的立方体卫星应用是1999年加州理工大学和斯坦福大学用于教育和太空探索的一个平台，现在它已经发展成为政府、企业和学术界的新技术实验平台，甚至成为先进的空间探索任务工具，应用范围在逐渐扩大。地球科学探索任务
地球科学探索任务旨在科学理解地球系统及其对自然因素和人类活动影响的反应，从而进一步提高对气候、天气和自然灾害的预测能力。本节主要关注由多颗卫星执行的地球科学探索任务，即使用或计划使用两颗及两颗以上，质量在10kg以下的小卫星任务。
动态电离层立方星实验（Dynamic Ionosphere CubeSat Experiment——DICE）。DICE项目是由犹他州立大学牵头、美国国家科学基金会和美国国家航空航天局的纳卫星教育发射计划支持的多组织合作任务。DICE项目于2011年10月发射了两颗1.5U的立方星到高度为410～820km、轨道倾角102°的椭圆形近地轨道。如图1所示，每颗卫星携带的主要有效载荷包括：两个朗缪尔探测器，用于测量电离层环境的等离子体密度；若干个电场探测器，用于测量环境的交直流电场强度；一个磁力计，用于测量环境的交直流磁场强度。
DICE项目将有助于精确分析地磁暴的时间特征，如地磁暴的密度突增和羽流。DICE项目的两颗立方星没有自主控制位置的功能，它成功地验证了空间中无控型的星座任务，其中下行链路通信速率为3Mb/s，使用GPS、磁强计和太阳传感器使得姿态测量在±0.7°（1σ误差），并采用转矩线圈使得姿态控制在±5°（1σ误差）。
相对电子爆发强度、范围和动力学特性的专项研究。由蒙大拿州立大学和新罕布什尔大学牵头，并由美国国家科学基金会资助的相对电子爆发强度、范围和动力学特性（Focused Investigations of Relativistic Electron Burst Intensity， Range， and Dynamics——FIREBIRD）任务，旨在使用两颗1.5U的立方星评估范·艾伦辐射带中的磁层微爆发的空间规模和时空模糊性。2013年12月6日，两颗FIREBIRD立方星在加利福尼亚州的范登堡空军基地（Vandenberg Air Force Base——VAFB）搭乘阿特拉斯-5-501（Atlas-5-501）运载火箭，进入高度为467～883km、轨道倾角120.5°的太阳同步轨道。
2015年1月31日，另外两颗FIREBIRD-II1.5U的立方星搭乘德尔塔2号（Delta-2）运载火箭，从范登堡空军基地发射到高度为685km，轨道倾角为98°的太阳同步轨道。这些立方星的特征是被动姿态磁控制，因为它们不能自主控制位置，所以这个任务也是无控型的星座任务。
Flock-1成像星座任务。由美国行星实验室公司研发的Flock-1星座任务由100多颗3U的立方星组成，为环境监测、人道主义活动和商业应用提供3～5m分辨率的地球图像。2014年2月中旬，该公司采用NanoRacks公司的立方星分配器，将28颗Flock-1立方星在国际空间站上进行部署，其运行在轨道高度为400km、倾角为52°的近地轨道上。截至目前，已经部署113颗立方星。这些立方星通过开、关太阳帆板来更替其运行状态，这是一个有控型星座任务。
爱迪生小卫星网络演示任务。爱迪生小卫星网络演示任务（Edison Demonstration of Smallsat Networks——EDSN）是由美国宇航局的艾姆斯研究中心主导研发、美国国家航空航天局的空间技术任务部门（Space Technology Mission Department——STMD）资助的一个创新项目。其主要目的是验证在距地球500km的轨道上发射部署8颗卫星组成无控型星座的能力。这8颗1.5U的立方星每颗都携带了高能粒子集成空间环境监测装置，通过在地理上分散的区域同时测量高能带电粒子的位置和强度，來分析近地轨道的辐射环境。每颗立方星都搭载了一部Nexus S智能手机，用于测试商用现成品的软件和硬件。立方星利用智能手机上的陀螺仪、GPS和磁力计传感器来确定姿态，并利用三个反作用飞轮实现姿态控制。EDSN卫星于2015年11月3日曾在夏威夷考艾岛作为超级斯彻比（Super-Strypi）火箭的次级载荷发射升空，但由于火箭发生故障，发射失败。
QB50项目。QB50项目是由比利时冯·卡门研究所牵头，欧盟委员会的研究机构部分资助的多组织合作任务，旨在将全球大学团队研制的50颗卫星发射组网，在低温层（90～350km）进行多点、原位测量及再入研究。每颗2U立方星除携带卫星常规的标准仪器外，还额外搭载一套用于低温层和再入研究的标准化传感器。大多数的QB50立方星将被发射到高度为380km、轨道倾角98°的近地圆形轨道，少数将被部署到高度为380～700km的椭圆近地轨道。该项目中大多数立方星无法自主地控制位置，这个任务属于无控型星座任务。
全球卫星导航系统空间星座任务概念。全球卫星导航系统空间星座（Global Navigation Satellite System Geospace Constellation——GGC）是由美国喷气推进实验室负责的空间气象任务概念，该项目计划利用立方体星组成星群和Ad-hot网络，搭载小型GPS接收机实现大气电离层磁气圈测量，如图2所示。
火箭立方星（Rocket Cube）任务概念。由美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory——JPL）和美国国家航空航天局促进竞争性研究试验计划（NASA's Experimental Program to Stimulate Competitive Research——EPSCoR）资助、达特茅斯学院正在开发研制的火箭立方星平台（如图3所示），旨在实现轨道和亚轨道科学任务的低成本多点测量。这些火箭立方星将由探空火箭发射升空，并且它们本身不具备主动控制位置的能力。该任务计划发射10～12颗火箭立方星，通过实时观测方式来观察电离层和极光的时空变化。
卡律布狄斯（Charybdis）任务概念。由斯特拉斯克莱德大学牵头、英国工程和物理科学研究理事会资助的卡律布狄斯星座项目，其目的是获得高时空分辨率的沿海和内陆水道多光谱图像。这些信息对于理解河口生态系统和沉积物悬浮的演变、人类起源过程对水系统的影响，以及潮汐对海洋色彩的影响有很大帮助。该项目计划采用一个由115颗纳卫星构成的受控型星座（携带微推进系统来保持卫星间相对位置）实现全球覆盖，或采用30颗纳星实现对英国大陆每两小时一次的区域覆盖。
哨兵任务概念。由英国帝国理工学院负责、英国航天局资助的哨兵任务概念，计划发射一个由100余颗立方星组成的无控型星座来研究地球磁层。卫星将进行实时测量，从而了解地磁暴在地球磁层中的形成过程，尤其是在磁尾区域发生的磁暴。
大气温度和湿度探测任务概念。由美国喷气推进实验室负责的用于大气温度和湿度探测的6U立方星星座概念，计划发射4～15颗低倾角轨道卫星，对提高极端天气事件预测精度所需的关键地球物理参量进行成像。每颗6U立方星将携带118GHz的温度探测器和183GHz的湿度探测器，并将在太空中形成一个可控星座。该任务提出了使用纳型卫星星座来测量地球表面的双向反射分布函数（即表面反射的方向和光谱变化）概念，用于精密测定反照率。
傅里叶变换光谱仪立方星任务概念。这个任务概念是由美国Exelis公司地理空间系统部门和密歇根大学合作设计完成的，3颗编队飞行的6U立方星将携带傅立叶变换光谱仪（Fourier Trarsform Spectrometer——FTS）作为有效载荷（如图4所示），它们合作测量全球风场，并绘制风场的垂直剖面图和长期天气预报，同时立方星会保持12小时的回访时间。
电离层断层扫描任务概念。这个概念性任务由斯坦福大学国际研究院主导，计划使用携带“数字电视”接收机的立方星星座来进行电离层断层扫描。每颗卫星都与数字电视基站建立联系，并测量数字电视信号的相位变化，以便了解电离层对太阳、地球磁层和高层大气压力的响应关系，同时还对电离层密度的层析进行成像测量。
空间态势感知任务概念。这个概念性任务主要由澳大利亚阿德莱德大学负责研究（如图5所示），任务主要是采用5颗均匀分布的立方星组成一个小型可控星座，来探测地球中轨道和地球静止轨道带中的空间碎片。洛克希德·马丁公司也提出过一个类似的空间态势感知任务，在该任务中，立方星星座被发射到地球同步轨道以上500km的高度。
阿尔忒弥斯（Artemis）任务概念。阿尔忒弥斯任务概念由非营利组织Artemis空间组织提出。该任务包括两项计划：一项是构建由200颗纳星组成的星座，用于观测和监视地球局部空间环境；另一项是建立由35颗小卫星和立方星组成的月球星座，它将提供一系列服务，如支持地月间的通信联络、绘制月表图像，以及未来开发月球的探测任务，等等。深空探测任务
开展深空探测任务是为了了解宇宙和我们在宇宙中的位置、太阳系中的行星和小天体以及生命的起源，并对地球和太阳系间的相互作用进行研究。在本节中，我们介绍使用或计划使用两颗及两颗以上小卫星的深空探测相关任务。
亮星目标探测星座任务。由维也纳大学牵头、奥地利太空总署和加拿大航天局资助的亮星目标探测（Bright-Star Target Explorer——BRITE）星座任务，旨在对亮星进行毫米级（0.1%误差）的微分光度测量。如图6所示的两颗纳星，均使用了由多伦多大学开发的通用纳米卫星总线平台。2013～2014年共发射了6颗纳星，它们在太空中形成一个无控型星座。这些纳星采用GPS接收機、三轴磁力计、6个太阳传感器和星敏感器进行10角秒误差范围内的姿态确定，并使用3个磁铁和3个反作用飞轮将姿态误差控制在1角分均方差范围内。
可重构空间望远镜的自动组装任务。由加州理工学院和萨里空间中心主导、凯克空间研究学院资助的可重构空间望远镜的自动组装（Autonomous Assembly of a Reconfigurable Space Telescope——AAReST）任务，旨在通过2颗3U的立方星（子星）与1颗9U的纳星（母星）进行自主分离和重组，来验证空间望远镜的自主装配和组合技术。中央纳星上装有2个固定反射镜和1个悬臂焦点平面组件，2颗3U的立方星均携带电动自适应反射镜。这些卫星计划采用GPS接收机、三轴磁力计、基于互补性金属氧化物半导体阵列的太阳和地球敏感器、1个三轴磁力矩器和3个反作用飞轮，在所有轴上以0.5°/s的速率转动，实现误差在±1°内的姿态控制。
轨道低频射电天文学天线任务概念。由荷兰代尔夫特理工大学牵头的轨道低频射电天文望远镜（Orbiting Low Frequency Antennas for Radio Astronomy——OLFAR）任务，将在0.3MHz～30MHz的工作频段部署50～1000颗相同的纳星构成大型星座，每颗卫星将携带一个由3个正交偶极子组成的长达5m的天文天线，用于射电天文学研究。由于地球上空的电离层对低频无线电波不透明，所以低于30MHz的频带是地面射电天文望远镜不能探测到的频率范围之一。
空间超低频射电天文台任务概念。由中国科学院主导的空间超低频射电天文台（Space Ultra-Low Frequency Radio Observatory——SULFRO）任务计划发射一个无控型星座，该星座由1颗微型卫星和12颗纳型卫星组成（如图7所示），其中微型卫星为主星，纳型卫星为从星。星座将在拉格朗日L2点附近的李萨如（Lissajous）轨道或暈轨道上运行。每颗纳星载有3个偶极天线，能够在1MHz～100MHz频率范围内对“整个星空”实时观测。
相关环境中的行星际纳型航天探测器任务。相关环境中的行星际纳型航天探测器（Interplanetary Nanospacecraft Pathfinder in a Relevant Environment——INSPIRE）任务，是由美国喷气推进实验室（JPL）主导的行星际验证任务。在地球轨道上部署2颗纳星，对通信、导航和有效载荷技术进行评估。2颗3U的纳星均使用星敏感器、陀螺仪和光电二极管来调整自身姿态，精度可达到±7角秒（1σ误差），并可用4个推进器的冷气推进系统控制姿态。该任务计划在2017年将卫星发射到地球逃逸轨道。
火星立方星星座任务。该任务由美国喷气推进实验室负责，计划在火星周围发射60颗立方星组成星座，研究火星上电场活动的频率以及地理分布和强度。在火星轨道上，卫星所携带的敏感器灵敏度比在地球上要高出好几个数量级，即便卫星上的仪器精度差一些，也可以正常工作。
行星际无线电掩星立方星座任务。由麻省理工学院主导的行星际无线电掩星立方星座（Interplanetary Radio Occultation CubeSat Constellation——IROCC）任务，计划将6颗3U立方星作为更大的行星际飞行器的次级有效载荷，发射到另一个行星。该星座将采用无线电掩星技术来测量行星大气层和电离层的温度、压力以及电子密度分布。
太阳极区成像仪任务。该任务由美国喷气推进实验室牵头负责，美国国家航空航天局创新先进概念局资助。计划发射6颗6U立方星组成星座，用以研究太阳极区的磁场和日震学。星座将被置于高度倾斜的外黄道垂直轨道上，半长轴约为0.99个天文单位。这些立方星配备了大量科学仪器，并利用太阳帆作为动力飞抵高度倾斜轨道。技术验证任务
技术验证任务旨在验证最先进的技术在太空中的应用。在本节中，主要讨论使用或计划使用两颗及两颗以上、质量小于10kg的小卫星进行技术验证的任务。
空间绳系自主机器人卫星任务。由日本香川大学和高松国立科技大学主导的空间绳系自主机器人卫星（Space Tethered Autonomous Robotic Satellite——STARS）任务，验证了使用10m长的系绳实现子卫星与母卫星对接和分离技术。母卫星质量为4.2kg，子卫星质量为3.8kg。首先，母卫星会给子卫星一个初始速度，完成子卫星的部署，然后再使用系绳收回它，最终实现对接。2009年1月23日，卫星作为H-IIA运载火箭的次级载荷发射升空。母卫星使用GPS、磁力计和陀螺仪来确定自己的姿态，并使用磁力矩器进行姿态控制。子卫星使用相机确定其相对于母卫星的姿态，然后利用其自身在系绳张力下的臂杆运动来控制姿态。尽管太空存在不稳定因素，但基本实现了预案目标。
AeroCube-4任务。AeroCube-4立方星由英国宇航公司研制，其中每颗1U的立方星重1.2kg。这些立方星都是采用地球和太阳敏感器、高精度三轴速率陀螺仪及惯性测量单元来控制自身姿态，其绝对姿态精度可达1°；使用GPS接收机以20m的精度估算自身位置，并通过可展开太阳翼改变横截面积来控制自身的位置。2012年9月13日，这些卫星作为联合发射联盟（United Launch Alliance——ULA）公司Atlas-5-411号运载火箭的次级有效载荷，在范登堡空军基地发射升空到椭圆近地轨道，其轨道高度为480～780km，轨道倾角为65°。这些卫星会自主改变其阻力剖面，并使用不同的机翼构型，可以在短时间内实现编队飞行的队形重构任务。
普罗米修斯计划。美国洛杉矶洛斯阿拉莫斯国家实验室发射了8颗重量为2kg的1.5U立方星。该任务的主要目的是验证超视距卫星与便携式的远程设备和地面站之间的通信能力，如传输音频、视频和数据文件等能力。2013年11月19日，这8颗卫星作为Minotaur-1火箭的次级有效载荷，被发射到高度为500km、轨道倾角40.5°的圆形近地轨道上。每颗卫星都有4个可展开的太阳电池板和1个可展开的螺旋天线，使用寿命为3～5年。此外，美国陆军空间和导弹防御司令部也正在开展一项类似的任务。
KickSat（踢卫星）项目。踢卫星项目是由康奈尔大学牵头的民间太空探索项目，该项目的任务是发射数百颗小型芯片卫星到近地轨道空间，评估其在轨性能，同时也研究其再入性能。该项目的母卫星是一颗3U立方星，内含104颗尺寸为32mm×32mm×4mm、重量小于7.5g的芯片卫星，它们也被称为“小精灵”，如图8所示。
2014年4月18日，在佛罗里达州的卡纳维拉尔角，母卫星搭载太空探索（SpaceX）公司“龙”飞船，发射到高度为325km、轨道倾角为51.6°的近地轨道。但控制芯片卫星的时钟出现重置现象，导致芯片卫星无法被正常部署，并于2014年5月15日坠入地球大气层。
VELOX-1任务。由新加坡南洋理工大学负责的VELOX-1任务包含1颗纳卫星和1颗皮卫星，该项目是采用1颗3U纳星在轨道上部署1颗70mm×60mm×30mm的皮星。该3U纳星采用1个GPS、2个惯性测量装置、1个双目视觉的太阳传感器、8个粗太阳传感器、3个磁转矩器和3个反作用轮，实现三轴姿态稳定。
2014年6月30日，该项目的卫星在印度斯里赫里戈達岛的萨迪什·达万航天中心，由PSLV-C23运载火箭发射升空，并成功实现了预期任务目标。
加拿大先进纳米空间实验任务4和5（CanX4&5）。由多伦多大学负责，加拿大航天局资助完成的加拿大先进纳米空间实验任务CanX4&5是一个双纳星项目。该任务用于验证具有亚米级跟踪误差精度和低速度变化（ΔV）要求的卫星编队飞行任务。每颗纳星的重量均小于7kg，配备6个粗/精太阳敏感器、1个三轴磁力计、3个速率陀螺仪、3个磁力矩线圈和3个正交安装的反作用轮，可保证姿态控制精度为1°，并利用星间通信和差分GPS实现10cm的相对位置确定精度。卫星利用最大推力为5mN、总ΔV为14m/s的加拿大先进纳星推进系统（CNAPS）执行编队操作，相对位置控制精度可达1m。2014年6月30日，CanX4&5纳星由PSLV-C23运载火箭，从印度斯里赫里戈达岛成功发射到了高度为660km、轨道倾角为98.2°的太阳同步轨道。通过使用载波相位差分GPS进行极高精度的相对导航。这两个航天器可以先以100m间距，再以50m间距执行圆投影轨道编队飞行（从地面观察者的角度来看，像一颗卫星围绕另一颗卫星飞行），卫星还执行了一系列精确、可控的自主编队任务。目前，该任务已成为先进编队飞行任务的榜样。
立方星临近操作验证任务。由Tyvak纳卫星系统公司主导、美国国家航空航天局资助的立方星临近操作验证任务（CubeSat Proximity Operations Demonstration——CPOD），计划使用一对带有可展开太阳能电池板的3U立方星，验证卫星在近地轨道上的交会、临近操作、编队飞行与对接技术，如图9所示。
AeroCube-光通信和传感器演示任务。由宇航公司研发并得到NASA“小卫星技术计划”支持的AeroCube—光通信和传感演示（AeroCube-Optical Communication and Sensor Demonstration）任务，旨在验证近地轨道上的立方星与地面站终端的光通信技术，并演示如何使用商用现成品（Commerical Off-The-Shelf——COTS）传感器跟踪附近的航天器，如图10所示。这两颗1.5U的立方星将使用汽车防撞雷达传感器和廉价光电鼠标传感器来避免碰撞，并利用可展开太阳翼和机载冷气推进器在200m范围内控制自己的位置。这两颗立方星预计将被发射到高度为400～700km的太阳同步轨道，并可利用GPS、太阳和地球水平敏感器、磁力计、星跟踪器、3个磁扭矩杆和3个反作用飞轮实现0.1°的绝对精度指向。
天网一号。由上海微小卫星工程中心完成的天网一号项目，旨在验证两颗立方星的自主编队飞行任务和利用软件无线电实现的卫星间通信技术。该项目由1颗3U立方星（TW-1C）和两颗2U立方星（TW-1A、TW-1B）组成。2015年9月，卫星在酒泉卫星发射中心顺利发射，进入近地轨道。
Rascal任务。由圣路易斯大学领导、NASA立方星发射计划支持的Rascal任务，旨在验证卫星临近操作和空间环境感知的关键技术，如红外成像、六自由度推进、无线电频率临近报警以及自动化操作，等等。2颗3U立方星将使用红外和可见光摄像机确定相对位置和姿态，并利用冷气六自由度推进单元调整姿态和位置，以及尼龙搭扣与底板进行对接。
空间自主纳星集群飞行和地理定位任务。由以色列理工学院主导、并得到以色列航天工业公司支持的“空间自主纳星集群飞行和地理定位任务”（Space Autonomous Mission for Swarming and Geo-Locating Nanosatellites——SAMSON），旨在演示多颗卫星的长期自主编队飞行。该任务将使用3颗基于立方星标准平台研发的3U立方星。每颗卫星上都将配备冷气推进系统、原子钟、星间通信系统以及可展开太阳能电池板。这3颗卫星将被发射到半长轴、偏心率、倾角相同的轨道，并形成一个卫星集群，卫星间的相对距离从最近的100m到最远的250km。其中1颗星将被指定为“领航者”，其他2颗星将作为“跟随者”。“跟随者”可根据“领航者”的运动状态，对运行轨道进行修正，以满足相对距离约束。另外，地面控制中心可下达指令从而实现卫星间的角色转换。
硅片集成卫星群任务。由美国喷气推进实验室、伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校和科学系统公司负责，美国国防高级研究计划局资助的硅片集成卫星群（Swarms of Silicon Wafer Integrated Femtosatellites——SWIFT）任务，计划在地球近地轨道部署一个由成百上千颗100g级芯片卫星组成的卫星群，用于稀疏孔径阵列和分布式传感器网络的应用。该卫星群可形成三维队形并以低燃耗的方式保持队形。如图11所示，每颗卫星重量为100g，将配置通信系统、三轴姿态和位置传感器、星载计算机和能源单元、微型反作用飞轮，以及一个基于微型推进器或小型化肼系统的推进单元。设计研究得出结论，推进系统和长距离通信电子设备的小型化将是SWIFT飞行任务成功的关键。
日本九州与美国实验卫星系绳任务概念。日本九州与美国实验卫星系绳（Kyushu/U.S. Experimental Satellite Tether——QUEST）任务是亚利桑那州立大学、圣克拉拉大学和日本九州大学之间的联合项目。该任务计划先在卫星间展开一根2km长的系绳，然后通过协同控制保持主卫星和从卫星的队形。这个概念类似于先前提出的在太空中产生人工重力的任务。
高速、多光谱、自适应分辨率立方星成像星座任务概念。由斯坦福大学负责的高速、多光谱、自适应分辨率立方星成像星座（High-Speed， Multispectral， Adaptive Resolution Stereographic CubeSat Imaging Constellation——HiMARC）任务，计划发射4颗3U合成孔径光学望远镜组成的无控型星座，从而提供地球、太阳、月球和天文目标的快速、多光谱、高分辨率立体图像。
实时定位任务概念。这个由以色列理工学院主导的概念性项目，计划使用2颗或3颗近地轨道卫星组成编队，通过测量信号到达的时间差，来精确地确定地面上电磁脉冲信号源的位置。任务设想用小卫星编队进行空间地理定位，实现对火星探测器精准地追踪，在全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System——GNSS）受干扰的情况下实现一个冗余导航系统，或实现遇险信号自主定位系统的成本最小化。
人道主义卫星星座任务概念。由欧空局主导的人道主义卫星星座（Humanitarian Satellite Constellation——HumSat）项目是一项有教育意义的国际性倡议，如图12所示，该项目旨在建立一个纳星星座，为世界上基础设施不完善的地区提供全球通信能力。任务计划部署一个全球性的立方星星座，用以支持人道主义活动、急救应用以及监测与气候变化相关的各项参数。目前，全世界范围内已有19所大学表示有兴趣参与研发该任务将使用的卫星。
伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校和美国喷气推进实验室立方星编队飞行任务概念。这个由伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校负责、美国喷气推进实验室资助的任务，计划发射4颗或6颗立方星到近地轨道，来演示在太空中的编队飞行任务。4颗立方星在太空中保持四面体队形；6颗立方星在多个J2项不变的相对轨道间，用实时的连续凸规划法进行最优重构策略验证；J2项不变的轨道具有最小漂移特性，卫星可消耗最少的燃料来保持运行轨道不变。大量的仿真结果表明，4颗立方星构型在100多个轨道可以将精度保持在5m以内；6颗立方星构型则可以使用最先进的商用现成品传感器和执行器在J2项不变轨道之间执行多达20个队形的重构。
“放飞你的卫星”实验项目。“放飞你的卫星”实验项目是由欧洲航天局（European Space Agency——ESA）教育办公室组织、面向欧洲大学生的太空实验任务，共发射了3颗由在校大学生参与研制的立方星。它们分别是来自比利时列日大学，用于测试新型通信系统的OUFTI-1卫星；来自意大利都灵理工大学，通过测量地球磁场从而确定卫星姿态的e-st@r-II卫星；来自丹麦奥尔堡大学，利用自动识别系统辨识和跟蹤沿海地区过境船舶位置的AAUSAT4卫星。这3颗体积为10cm×10cm×11cm、重量约1kg的卫星于中欧夏令时2016年4月25日搭乘联盟号运载火箭，从位于法属圭亚那的库鲁欧洲航天发射场发射升空。发射后的24小时以内，地面控制中心分别接收到了3颗卫星传来的信号，确认它们已经按照预定计划顺利进入轨道。通过参与这项实验计划，来自三所大学的同学们都有了参与真实太空任务的经历，这也是欧空局教育办公室致力于推行这个项目的主要目的，他们希望通过这种方式培养欧洲下一代空间科学家和工程师，从而使欧洲的太空探索技术和研究水平能够走在世界前列。
结束语相比于传统的大卫星，小卫星的研发成本低、设计周期短、功能密度高。成百上千颗小卫星构成的集群灵活性高、鲁棒性高，能完成大卫星无法完成的任务，应用前景广阔，而发展小卫星集群的关键就是高集成模块化技术和分布式协同控制技术，相信在不久的将来，随着其功能的不断完善，将会逐渐取代传统卫星。
从过去发展历程上看，航天系统工程的发展将会带动其他学科发展。20世纪60年代美国阿波罗登月所研制的新材料、新技术和新工艺已推广到了各个领域，如果说美国的计算机水平一直领先于世界是得益于阿波罗计划的推动，那么，类似地，今天小卫星集群的技术发展也将推动其他科学技术的进步。
从国际上对小卫星集群的研究和应用状况看，未来的发展将从以下几个方面开展研究工作：第一，在性能不变的情况下，尽可能地降低空间任务的成本，即用低成本去完成传统的太空探索任务；第二，通过简单的设计获得高可靠性产品；第三，引入群智能理论成果，利用先进的微电子、微机械、微推进和仿生技术等，研究小卫星集群的自主或自治的管理技术，完成更复杂的太空探索。
（南京航空航天大学飞行器控制专业硕士研究生陈辛为本文撰写做了文献翻译和综合分析工作，博士研究生李佩冉做了资料整理工作，对两位研究生的贡献表示感谢）
责 编∕刁 娜
