微小衛星是指質量在500kg以下的衛星。微小衛星的定義并不統一，國際上大多根據衛星的重量對小型衛星進行分類，不同國家或研究機構劃分標準也不盡相同。按照國際電信聯盟提出的劃分標準：500～100kg的稱為小衛星，100～10kg的稱為微衛星，10～1kg的稱為納衛星，1～0.1kg的稱為皮衛星，小于0.1kg的稱為飛衛星。
微小衛星研制和應用歷程可以分為三個階段：20世紀70年代-90年代是研究探索階段。各個國家科研機構和高校開始嘗試微小衛星技術研究，主要用于開展對系統設計要求簡單、運行壽命短的科學試驗和演示驗證等任務。該階段主要對新技術、新方法進行研究和探索，如衛星一體化設計，擴大了微小衛星的應用范圍。20世紀90年代-21世紀初是成熟固化階段。微小衛星取得了飛速發展，逐漸得到各國的重視，并成為大型衛星的重要補充手段，已應用于遙感偵查、衛星通信等多個領域。21世紀初起是應用推廣階段。在資本和市場的推動下，微小衛星技術進入大變革階段，隨著互聯網思維、大數據等許多新技術、新方法、新理念和先進的管理方法的引人，加速了微小衛星應用和運營的發展。
微小衛星具有質量輕、研制周期短、研制成本少和集成度高等特點。微小衛星通過對地觀測和光學遙感設備載荷實現在地理、水文、氣象、測繪學、資產管理等方面的廣泛應用。特別適用于局部戰爭和信息化戰爭，具有巨大軍事效益。
歷史沿革
研究探索階段
衛星發展最初就是從簡單小衛星起步的。即使在20世紀70年代和80年代大型航天器占主導地位的時代，亦可發現小衛星的身影。從20世紀80年代中期開始，世界航天界興起了發展小衛星的熱潮。
在2000年前，除了20世紀80年代蘇聯發射一批納型衛星作為被動雷達校準星以外，世界上對上述衛星發射量很少，它們主要用于空間簡單技術飛行試驗和教學培訓。各個國家科研機構和高校開始嘗試微小衛星技術研究，主要用于開展對系統設計要求簡單、運行壽命短的科學試驗和演示驗證等任務。此階段主要對新技術、新方法進行研究和探索，如衛星一體化設計，擴大了微小衛星的應用范圍。
成熟固化階段
20世紀90年代-21世紀初是成熟固化階段。微小衛星取得了飛速發展，逐漸得到各國的重視，并成為大型衛星的重要補充手段，已應用于遙感偵查、衛星通信等多個領域。
美國
1990年5月，美國就用“偵察兵”火箭，一次發射了兩顆“多路通信衛星”（MACSAT）。隨后，包括美國薩里大學星（UOSAT）、記錄與觀測多功能自主試驗衛星（MAESTRO）在內的微小衛星相繼推出。MSTI系列試驗衛星是為天基戰區導彈監測系統進行的航天試驗，目的是為了提高監測系統對戰區戰術導彈的跟蹤能力和導彈命中點的預報精度，現已發射3顆，采用三軸穩定控制方式。MSTI-1于1992年11月21日發射，星上載有小型相機和遙感器，試驗目的是探測中近程導彈飛行狀態，已獲得10萬幅圖像。Ms11-2于1994年5月9日采用偵察兵火箭發射。
1995年，美國提出了納米衛星的概念，是采用MEMS（微機電加工技術）的多重集成技術，是一種幾乎全部由批量生產的專用集成微型儀器構成，重量不足100g，是尺寸降到最低限度的微型衛星。而被譽為“芯片級衛星”。
亞洲
日本早在1990年就成立了小衛星研究會。在一開始日本就把開發小衛星的重點放在了微小衛星上。日本宇宙開發事業團(NASDA)在1998年提出開發名為Hypersat的50kg級或更小的系列衛星計劃，并確定了4個主要研究領域，用一組50kg級的衛星進行通信、觀測和測量；從低軌道進行地球觀測和通信；用一組小于50k譬級的衛星進行在軌服務；用200kg級的衛星進行深空探測。其中，NASDA考慮制造一種邊長為40cm的立方體衛星，衛星重50kg，其電子設備高度集成于一個組件中。
中國航天科技集團第五研究院的“實踐五號”實驗衛星于1999年發射成功并進行預期的實驗研究。
以色列Asher空間研究所和以色列海法理工學院共同研制的TeehsAT-1小衛星，1995年3月23日從俄羅斯普列謝茨克發射場搭載發射，由于運載火箭故障未能人軌。
韓國繼KITSAT-1和KITSAT-2后，于1999年發射了高精度的三軸穩定小衛星KITSAT-3。英國SSTL在1996年為智利空軍和泰國建造了兩顆微小衛星，并已于2000年由獨聯體火箭發射。
歐洲
“歐洲航天局”重視對地觀測衛星，重點發展更小的多用途小衛星，通信衛星重點發展中繼衛星和先進通信系統衛星。
MsTI-3衛星于1996年5月16日發射。英國薩瑞衛星技術公司（SSTL）建造了一顆三軸穩定的350公斤小型衛星，攜帶有高分辨率多頻道對地觀測有效載荷和具有先進機載處理技術的通訊有效載荷，于1999年3月份發射成功。德國DLR空間敏感器技術中心研制，于1999年發射成功BIRD遙感小衛星。
應用推廣階段
21世紀初起是應用推廣階段。在資本和市場的推動下，微小衛星技術進入大變革階段，隨著互聯網思維、大數據等許多新技術、新方法、新理念和先進的管理方法的引人，加速了微小衛星應用和運營的發展。
美國
美國光譜航天公司為菲利普實驗室研制的強力星-2(MightySat-2)，首顆強力星-2于2000年7月19日發射成功。2000年2月6日至10日 ，美國DARPA和 Aerosapce公司成功地發射了世界上第一顆皮型衛星。2001年12月，美國空軍司令部和美國航空航天局正式提出了ORS的概念，以實現失效條件下，空間信息系統裝備快速增強和補充。2003年，第一顆成功發射的立方體衛星被部署在衛星軌道上演示證明了完全被實現的可能性。
2006年，美國空軍研究實驗室（AFRL）提出了“評估局部空間的自主納衛星護衛者”(ANGELS)計劃，發射為地球靜止軌道衛星護航的納衛星。美國國防部在2007年6月提出了“百星計劃”，每個北大西洋公約組織盟國出資建造5顆小衛星，共有100余顆小衛星在近地球軌道運行，并和美國大型軍事衛星組建為空間信息系統體系，實現情報共享。至2008年，美國立方體衛星經60次發射任務后，創建了新的商業現貨（COTS），此系統能較好地節省發射資源。2010年11月，美國發射的“空間試驗項目衛星”（STPSat）2與“快速衛星”（FASTSAT）通過空間現象和衛星鏈路等實驗驗證快速響應能力，積極探索即插即用微小衛星與模塊化航天器的應用發展。2011年6月，首顆作戰型快響衛星ORS.1發射，其主要特點在于快速發射，從制造到發射不超過24個月，主要用于為美軍中央司令部提供伊拉克和阿富汗戰場圖像。
2012年，美國陸軍空間與導彈防御部門提出研制“納眼”(Nano Eye)飛行試驗衛星，在300km軌道高度提供優于0.5m對地觀測分辨率。2013年，美國發射了全球首顆由高中生研制的立方體衛星 。如美國的美麗大地(TerraBella)公司(原天空盒子成像(Sky box Imaging)公司，于2016年3月更名)和行星(Planet)公司(原行星實驗室(Planet Labs)公司，于2016年6月更名)。
亞洲
2000年，中國發射的航天清華大學一號衛星實現了MEMS技術（微機電加工技術）與空間應用技術較好地結合。清華大學、航天機電集團與英國SURREY大學合作，研制出一顆50公斤的三軸穩定微型衛星，具有光學遙感、信息的存儲轉發、軟件無線電實驗等功能，并于2000年6月成功發射。中國“創新一號”衛星的于2002年7月完成研制，10月21日11時16分在中國太原衛星發射中心準備搭載發射；“創新一號”是中國首顆重量在100公斤以下的現代小衛星。2004年4月18日，中國在西昌衛星發射中心用一箭送雙星，成功地將“試驗衛星一號”和“納星一號”送人太空。這兩顆衛星分別屬于小衛星和微小衛星系列。2015年中國利用長征六號火箭成功實現1箭20星發射。
2000年，日本NASDA開發成功重68kg的微小衛星，在衛星的小型化、低成本化方面作出了有益嘗試。這顆名為μ-Lab-Sat的小衛星可用于對高技術產品等進行太空軌道試驗，包括熱真空和振動環境試驗。
歐洲
2014年俄羅斯“第聶伯”(Dnepr)火箭成功實現1箭37星發射。2018年12月，芬蘭冰眼公司（ICEYE）成功發射一顆SAR微型衛星。該衛星是一顆飛行試驗演示衛星。瑞士ELSE公司組建由64顆6U立方體衛星組成的物聯網（Astrocast）星座，分布在8個軌道平面，每個軌道平面有8顆衛星，每顆衛星質量為10kg，衛星工作在L頻段。也在同一時間成功發射其試驗衛星。
其他國家
阿根廷Satellogic公司創建一個由300顆衛星組成的大型對地觀測星座，稱為Aleph-1星座，衛星已于2017-2018年搭載中國長征-4火箭先后兩次成功發射。
標準分類
國際電信聯盟提出了對微小衛星重量、功率、成本等主要參數的類型劃分標準。
微小衛星可分為簡單小衛星和現代小衛星，簡單小衛星的體積小、重量輕、功率密度低(功率密度是指1千克重的小衛星所提供的功率）、用途單一，現代小衛星除了體積小和重量輕之外，還具有成本低、制造周期短、功率密度高等特點。一般情況下所說的小衛星通常是指現代小衛星，按照重量的不同，現代小衛星又分為小衛星（重量500-1000千克）、超小衛星（重量100-500千克）、微小衛星（重量10-100千克）、毫微衛星（又稱納米衛星，重量1-10千克)和皮衛星（重量小于1千克）。微小衛星作為衛星家族的新成員，適用于技術試驗、科學試驗、院校教學等眾多領域以及用于組成低軌道衛星通信星座等。
主要特點
微小衛星相比對傳統的長壽命、高可靠衛星，具有以下特點：
（1）質量輕，一般低于100kg；
（2）研制周期短，一般地面研制周期為1-2年，部分快速響應衛星研制周期甚至低于1年；
（3）研制成本少，強調商業化和項目效益，衛星研制經費較傳統衛星約低一個數量級；
（4）集成度高，因衛星包絡限制，星上常需使用模塊化、集成化的產品，并壓縮、簡化星上的硬件配置，部分硬件功能采用軟件實現；
（5）設計壽命不長，一般設計壽命為1～3年，部分商用微小衛星甚至為3-6個月，遠低于長壽命衛星要求的8年以上設計壽命。但商用微小衛星對壽命期的可靠性仍有很高的要求，壽命末期可靠度一般不低于0.6。
關鍵技術
微電子技術
微小衛星的迅速發展，其研究使用了大量的信息電子科技，例如國內外許多設備大量采用COST技術，采用高性能的商用元器件，大大加速了微小衛星發展步伐。星上電子設備大量采用高性能的微處理器、低功耗元器件和高集成度的芯片，開發出實現低功耗、高性能星上電子系統。
軟件技術
在軟件設計中，采用了實時多任務操作系統，加強對各項任務統一調度管理以及軟件的通用性設計，實現了星載電子系統能滿足不同衛星不同任務需求的通用化設計。美國在CubeSat衛星計劃中采用了ARM為內核的低功耗微處理器組成星上控制系統，大大減小功耗和體積，且處理性能很高。國內外的微小衛星電子系統的軟件開發大量采用地面成熟的實時多任務操作系統，包括Linux，vxworks，PSOS等操作系統。上天試驗證明采用實時多任務操作系統是可行和有效的。
星間、星內通信技術
微小衛星間通過星間鏈路相互聯系，互相監視載荷任務、運行管理、故障檢測及處理 , 這使編隊飛行擁有良好的機動性和重構性。星間鏈路能使衛星在對地通信負載減少的情況下交換信息和共享資源，它的建立和穩定性受衛星軌道和姿態，天線配置，移動性和連接范圍的影響。星內無線鏈接連接了一些星載傳感器和執行器以減少航天器內的有線連接。這樣的網絡類似于地面無線傳感通信，因為在網絡中的節點具有相對固定的位置和較短的連接范圍，網絡設計需要進一步考慮衛星的布局，最低質量以及功耗和冗余。
精確定位和控制技術
衛星研制的關鍵技術之一是姿態控制系統設計，其核心是設計高效的控制方案。隨著衛星編隊飛行技術由理論研究逐步轉向實驗驗證和應用研究，衛星編隊飛行的相對姿態控制技術成為了一個需要重視的關鍵技術，多衛星協同為空間交會、對接、捕獲、組裝及多方位觀測等在軌服務提供更強有力的技術支持，擴展了航天器的功能和技術性能。
應用領域
軍事應用
以信息化為主要特征的新型作戰模式正在驅動國際軍事航天發展轉型。微小衛星在降低成本，補充抗毀能力等方面與傳統衛星相比具有絕對優勢，又具備系統組網靈活、發射靈活快捷等特點，能夠按需支撐作戰，特別適用于局部戰爭和信息化戰爭，具有巨大軍事效益。
商業應用
隨著微小衛星能力的不斷提升，微小衛星數量不斷增長，并進入專業化、實用化發展階段，商業應用領域不斷擴展。微小衛星的商業應用主要集中在遙感、通信等領域，且商用微小衛星的創新模式也在不斷涌現。微小衛星通過對地觀測和光學遙感設備載荷實現在地理、水文、氣象、測繪學、資產管理等方面的廣泛應用。
科研創新
隨著微小衛星在工程技術培訓、技術實驗和試驗領域發揮了重要作用，且民用微小衛星數量在不斷上升。民用微小衛星主要由高校、科研院所和企業運營，絕大多數民用微小衛星使用衛星業余業務頻率。約60%的微小衛星用于教育、科學技術研究和創新應用的實驗等，主要包括大氣探測、天文探測、太空垃圾清理、航天器維修等新技術試驗。微小衛星憑借其獨特的技術優勢，可以作為傳統大衛星網絡和功能的補充。
應用實例
熱帶氣旋觀測星座
熱帶氣旋是一種低氣壓天氣系統，給人類生命財產造成巨大危害。人們采用氣象衛星和“旋風全球導航衛星系統”（CYGNSS）星座，觀測預報熱帶氣旋的發生。CYGNSS星座由8顆微小衛星組成，它們串聯分布在同一個軌道平面。但由于覆蓋區域有限，該星座存在預報不及時與精度不高等缺點。2018年，麻省理工學院提出了應用小衛星星座觀測熱帶降雨水量變化與風暴強度時間分辨率（TROPICS）研制任務，由6顆3U立方體衛星組成，分布在3個軌道平面，每個軌道平面有2顆衛星。3U立方體衛星質量為6kg，軌道高度為600km，軌道傾角為30°。星座覆蓋全球絕大部分區域，重訪時間30min，可以通過增加衛星數量減少重訪時間，星座具有很強適應性。
物聯網星座
瑞士ELSE公司計劃組建由64顆6U立方體衛星組成的物聯網（Astrocast）星座，分布在8個軌道平面，每個軌道平面有8顆衛星，每顆衛星質量為10kg，衛星工作在L頻段。2018年12月成功發射其試驗衛星，軌道高度574km/590km，轉軸傾角為97.8°。2019年計劃發射10顆，星座總成本預計5000萬美元。澳大利亞阿德萊德公司（Adelaide）計劃創建由100顆納型衛星組成的空間物聯網星座，分布在20個軌道平面，每個軌道平面有5顆衛星。納型衛星為12U立方體衛星結構，質量為20kg，軌道高度為580km，衛星設計壽命為15年。整個星座衛星和發射費預計1億多美元。
對地觀測星座
阿根廷Satellogic公司在創建一個由300顆衛星組成的大型對地觀測星座。每顆衛星質量為37kg，軌道高度500km，覆蓋全球。星座分三期建成，第一期由16顆衛星組成，稱為Aleph-l星座，重訪時間為2h；第二期由100顆衛星組成，重訪間為15min；第三期由300顆衛星組成，重訪時間為5min。衛星數量與重訪時間關系基本上成反比。Aleph-1星座衛星于2017-2018年搭載中國長征4火箭先后兩次成功發射。
芬蘭冰眼公司（ICEYE）于2018年12月成功發射一顆SAR微型衛星。該衛星是一顆飛行試驗演示衛星，位于500km高的太陽同步軌道，衛星質量為80kg，分辨率為3m。冰眼公司在2019年發射3顆SAR衛星，最終計劃創建由18顆微型衛星組成的SAR星座，采用超輕型天線，衛星質量有望降到50~ 60kg，分辨率2~3m。
立方體衛星星座
美國斯派爾公司（Spir）研制了由125顆3U立方體衛星組成的衛星星座，名為“孤猴”（Lemur）用于海運和天氣監測。衛星質量為4kg，軌道高度為611km/696km，軌道傾角為97.8”。每顆衛星成本約40萬~ 50萬美元，整個星座成本約7000萬~8000萬美元。“孤猴”衛星左右兩側設有可展開太陽帆板，頂上有4根可展開天線。星上攜帶2個有效載荷：GPS無線電掩星探測儀和船舶跟蹤監測設備，2015-2018年，“孤猴”衛星已成功發射83顆:預計到 2020 年全部部署完成。
發展需求
（1）開發低價小型運載火箭，以適應當前微小衛星星座發展，因為大部分微小衛星沒有推力系統，必須依靠末級火箭設有衛星軌道分配器，并且有軌道機動能力，能把衛星送到需要軌道位置。
（2）研制微型推力系統，微小衛星發展到現在近20年歷史，不能還處在初期狀態，星上應配有推力系統。技術指標：推力系統質量4～5kg，△V為50～60m/s。
（3）研制超輕型可展開太陽帆板，提高光電轉換效率和電源分系統功能密度集，需要設計太陽帆板具有俯仰角度變化功能，從而產生氣動阻力差，用于保持星座位置。
（4）開放商業航天市場，吸收民間投資，讓微小衛星觸手可及，據不完全統計，僅2017年全球民間航天投資有40多億美元，中國占不到1/10。
參考資料 >