小型卫星：空间民主化的技术

近年来，小型卫星为航天事业开辟了新的可能性。 灵活的航天器 比传统航天器小得多， 这使得小型卫星能够发挥较低的开发和发射成本、快速部署以及在大型星座中运行等优势， 包括导航、研究和遥感在内的无数任务都依赖于这些紧凑的设备。 航天器的缩小带来了许多有吸引力的科学和商业可能性， 航天部门可能已经从这种更可持续和民主的方法中获益。

什么是小型卫星（Smallsats）

在讨论航天器时，“小”一词通常用于描述其质量和尺寸。 简而言之，任何质量低于 500 千克（1100 磅）的卫星都被视为小卫星， 也称为小卫星或微型卫星。

小型卫星并不新鲜， 尽管现代卫星在许多方面与其前辈有所不同， 其中最引人注目的是使用广泛使用的微电子技术与创新的管理方法相结合。 这使得能够创建单独工作或在卫星星座中工作的航天器， 这些航天器可以执行具有巨大实用性的复杂功能， 同时消耗的空间、金钱和时间比前几代少得多。

与大型航天器市场相比， 进入小型卫星市场的财务和技术壁垒通常要低得多。 由于尺寸微小、构造更容易、发布可能性更大， 这些设备对于许多企业和组织来说都是负担得起的。

小型卫星的演变

小型卫星从最初的实验实体开始， 已经经历了漫长的道路， 成为一种独立类型的卫星， 现在是太空操作不可或缺的。 最近在小型化、太空推进、星载处理和控制以及通信系统方面的发展已经彻底改变了太空领域， 使小型卫星能够执行以前只有大型航天器才能完成的复杂任务。

电离层连接探测器（ICON）很好地说明了小型卫星技术的重要性。 这艘重量仅为 272 公斤（600 磅）的航天器凭借其全套仪器， 成功地研究了电离层， 即地球和太空天气之间的动态边界。 如果没有 ICON，则需要两个或更多在轨航天器才能获得相同的视图。

卫星的缩小，或者说所谓的小型卫星革命， 是不小的技术突破。这些设备变得越来越紧凑、越来越便宜， 现在的尺寸更像鞋盒甚至火柴盒， 而不是运动场。由于这一巨大转变， 曾经为政府实体保留的空间现在向私营公司开放。

按质量和尺寸划分的小型卫星类型

对于小型卫星没有普遍接受的分类， 在对这些航天器进行分类时会考虑各种因素。 这些因素包括质量、尺寸、轨道、应用、任务持续时间等等。 然而，最普遍的分类是基于质量和尺寸。

Mini Satellites (Minisats)

Minisats 的重量通常在 100 至 500 公斤（220 至 1100 磅）之间。 这些微型卫星可以轻松批量生产用于基于星座的系统， 非常适合优先考虑成本效益的任务。 微型卫星的常见用途包括商业遥感星座、消息服务（如 Orbcomm）、电信星座（如 OneWeb 和 Starlink）以及近地轨道 (LEO) 及以上的气象学。

Micro Satellites (Microsats)

典型的 Microsats 重量不到 100 千克（220 磅）， 包括推进剂质量。 尽管支持实际的商业用途， 但它们在指向、寿命等方面的能力可能有限。 科学研究​​和消息传递是多卫星系统应用的两个示例， 它们受益于高重访率和用户可用性。

Nano Satellites (Nanosats)

小型卫星被视为 Nanosats 的典型质量阈值是 10 千克（22 磅）。 根据立方体卫星规格建造纳米卫星开辟了许多发射选择， 并保证持续且经济高效的太空访问。 这些多单元立方体卫星具有广泛的潜在用途， 例如科学和教育实验、Sky 和 ​​Space Global 等通信系统以及 LANet 等遥感网络。

立方体卫星是一种小型航天器， 遵循一定的尺寸和形状规格：1U（一个单元）， 尺寸为 10 x 10 x 10 厘米（约 4 x 4 x 4 英寸）， 重量约为 1.33 千克（2.2 磅） 。 CubeSat 的构建模块可以是单个立方体（如 1U CubeSat）， 也可以是多个立方体（如 3U 或 12U CubeSat） 。

Pico Satellites (Picosats)

Picosat 的重量为 0.1 至 1 千克（0.22 至 2 磅）。 虽然它们本身的能力非常有限， 但它们可以在与多个合作的微微卫星（可能与母航天器合作）的编队中提供显着的功能。 这些微型卫星的一种常见用途是通过互联网与其他设备进行数据交换。

Femto Satellites (Femtosats)

Femtosat 是近几十年来的一项发明， 利用尖端纳米技术制造了一颗重量不到 100 克（0.22 磅）的超小型卫星。 其中许多航天器都伴随着较大的母航天器作为操作信号伙伴。 Femtosat 的主要功能包括图像捕获、创新技术测试、生物实验和小行星着陆。

小型卫星的优势

小卫星的大部分优势源于其微型特性， 包括以下优点：

• 负担能力：小型航天器的建造、发射和运营成本较低， 使各种规模的公司和组织更容易进行遥感和太空探索。
• 开发周期更短：小型卫星的开发和发射时间相对较短， 可以更快地部署太空任务。
• 各种用途：微型航天器具有许多潜在用途， 并且能够适应不同的任务。
• 星座：经济性和紧凑的尺寸使得发射小型卫星星座以增强覆盖范围和更广泛的应用成为可能。
• 降低风险：与面临更高风险的更大、更昂贵的航天器相比， 小型卫星可以采用尚未经过空间测试的更新技术， 因为总体成本风险降低。
• 目的单一：与大型多有效载荷航天器不同， 专用的小型航天器更易于操作并融入任务。

小卫星行业面临的挑战

由于尺寸微小， 小型卫星的功率预算、有效载荷能力和寿命有限。 但小型卫星工程师和设计师已经想出了创造性的方法， 在不增加尺寸的情况下提高性能。 此外，由于电力限制， 也推动了创新型太阳能电池阵列、储能和高效转换器等新技术的开发。

在同步频率、避免碰撞和遵守国际法方面， 小型卫星服务公司和星座运营商可能会面临监管障碍。 与太空相关的公司和组织， 例如联合国大会及其和平利用外层空间委员会（COPUOS）都一致认为， 解决这些问题并利用小型卫星提供的机会至关重要。 为解决这些问题而制定的改进法规和技术进步将为微型航天器在观测地球、探索太空等任务中不断取得成功铺平道路。

小型卫星的实际应用

紧凑型航天器比其他用途更适合某些用途， 因为减小某些组件（如数字处理器和传感器）的尺寸是可行的， 而其他组件则受到限制。 例如，天线孔径尺寸限制限制了小型卫星在电信领域的能力。 相反，由于易于缩小传感器尺寸， 小型航天器的低轨道星座通常适用于不同类型的遥感。 小卫星主要应用于以下领域：

• 导航：配备全球导航空间系统（GNSS）接收器的近地轨道航 天器的导航能力已被证明精确到10米以内。
• 地球观测：通过捕获高空间分辨率的图像和视频并将其传输到地球， 低地球轨道上的小型卫星可以轻松处理环境监测和资产跟踪。
• 电信：小型航天器非常适合提供移动服务和物联网 (IoT) 连接。
• 技术演示：为了快速且经济地测试新技术在轨道上的可行性， 航空航天研究人员使用小型航天器。
• 科学研究：天文学、天体物理学、天体生物学和空间天气监测只是小型卫星 促进的众多科学领域中的一小部分。

EOS SAT：利用开创性的农业小型卫星星座重塑农业

EOS SAT-1 是一颗用于 EO（地球观测）的光学小型卫星， 专为 EOS 数据分析而构建，是专为农业遥感设计的革命性 EOS SAT 星座的一部分。 七艘小型航天器，每艘重约 178 公斤，将组成这个星座。

EOS SAT-1：世界上第一颗专注于农业的小型卫星。

近地轨道为航天器提供了恒定的照明条件， 使其能够持续拍摄高质量的图像。 EOS SAT-1 提供 11 个光谱带和高分辨率， 确保农业应用的卓越精度。最重要的是， 我们的任务控制解决方案允许根据请求快速重定向和下行链接到客户站点。

EOS SAT-1小型卫星旨在克服当前遥感在光谱容量和传感器分辨率等领域的限制， 具有以下优势：

• 约 1.5 m 的全色分辨率可捕捉微小细节， 如同近距离观察一样，可实现变化检测、精确测绘和全面的农业图像分析。
• 将“黄金标准”卫星数据与分辨率提高 44 倍的多光谱数据相结合， 提高了分析的有效性。
• EOSDA对大规模农作物生产者农田的持续覆盖在定期更新的全球农业 图像的数量和质量方面比其他系统具有优势。
• 硬件级增强成像可确保可靠的数据下行链路到任何目标区域， 无论天气条件如何。
• 强大的处理能力使各种规模的企业能够轻松、经济地访问现成的数据。
• 使用专门的后处理技术，可在全色图像中实现0.7m 的卓越空间分辨率。

EOS SAT-1 的新颖功能需要确认这颗小型卫星提供的数据与其他 EO 数据和地面实况相符。 2023 年 8 月 10 日至 11 日， 通过将EOS SAT-1 数据与实际地面测量结果进行比较， 对 EOS SAT-1 数据的有效性进行了现场确认。 地面测量结果与空间衍生数据之间的强相关性为 EOS SAT-1 的可信度提供了依据。

定义小型卫星未来的趋势和创新

一些趋势可以揭示小型卫星系统和服务在不久的将来的潜力， 因此值得密切关注。 首先，很明显，人工智能（AI）正在进入太空。 这方面的一些示例包括机载数据处理、基于遥测的自动诊断以及星座管理。 未来，人工智能有潜力简化和增强所有卫星提供的服务和航天器控制。

由于空间碎片威胁着正在运行的航天器， 更先进的离轨系统和程序正在成为小型卫星行业的常态。 在当今太空广泛商业化的时代， 建立可靠的国家和国际标准来管理轨道碎片、控制太空交通和提高太空态势感知比以往任何时候都更加重要。 这些措施可能在塑造小型航天器领域的未来方面发挥关键作用。

可持续空间技术迈出了不小的一步

小型卫星正在改变航天工业， 成为旧航天技术更经济可行、更环保的替代品和补充。 EOS SAT-1 是考虑到可持续发展的小型卫星的一个示例， 它具有能源效率和无毒组件。 由于其增强的分辨率和以农业为重点的光谱带， EOS SAT-1 非常适合可持续发展活动， 例如创建碳封存模型和协助保护计划。 随着小型卫星不断突破空间技术的界限， 更多的创新和可持续实践即将出现。