小卫星技术与应用期刊

小卫星技术与应用期刊

2021年10月14日18时51分，亚太空间合作组织大学生小卫星-1（APSCO-SSS-1）在我国山西太原发射场搭乘长征二号丁运载火箭遥53成功发射。

亚太空间合作组织大学生小卫星-1是中国首颗采用中国航天项目管理流程和规范，国内外大学生联合研制、北航师生负责系统设计和研发的30kg级微小卫星，也是由北京航空航天大学牵头开展的亚太空间合作组织大学生小卫星项目中（简称APSCO-SSS）的主星。

该卫星体积为350 350 700mm，重36kg，运行于517km的太阳同步轨道，此次发射任务将对盘绕式伸展臂机构在轨展开技术、ADS-B空管接收机在轨技术进行验证，并进行遥感成像。卫星的研制成功填补了中国大学开展国际合作研发小卫星的空白。

共赢——一颗国际合作星

亚太空间合作组织大学生小卫星项目（APSCO-SSS Project）是亚太空间合作组织（APSCO）的第一个重大国际项目，由北航作为建议单位，于2015年被APSCO理事会正式批准，2016年举行项目启动仪式，北京航空航天大学被任命为该项目的牵头单位（Leading University）。项目旨在推进APSCO成员国大学小卫星技术的研发和应用能力、培养航天技术和应用人才，促进APSCO成员国在空间技术和应用领域的交流与合作，项目写入《2016中国的航天》白皮书。

2016年12月，项目启动会在亚太空间合作组织总部举行。北航副校长黄海军代表项目的牵头单位（Leading University）与APSCO秘书长签约

项目内容包括由APSCO成员国大学联合研制三颗小卫星（包括1颗微小卫星APSCO-SSS-1、2颗纳星APSCO-SSS-2A/2B），三星编队飞行共同完成在轨技术验证、星间通信、空间科学探测及空间遥感应用任务。其中APSCO-SSS-1由北京航空航天大学负责，为该项目的主星。

2017年1月，北航与亚太空间合作组织签署亚太空间合作组织大学生小卫星项目

项目启动，各成员国代表即围绕建立多边国际空间技术合作机制、APSCO大学生小卫星技术方案、国际化空间技术教育与培训等内容进行讨论，明确分工和责任义务。项目推进过程中，各成员国共计进行十余次技术交流会议，进行关键节点评审、形成多项技术文件，开展多次国际会议。

在北京航空航天大学负责的APSCO-SSS-1研制中，巴基斯坦、秘鲁等多个国家参与了小卫星多个分系统的方案设计，以及工程样机研制、集成测试、样机联调等工作。

据悉，亚太空间合作组织（Asia-Pacific Space Cooperation Organization，APSCO）于2008年正式成立，总部设在北京，是由中国发起、具有完全国际法律地位的政府间非营利性国际组织，也是联合国和平利用外层空间委员会的永久观察员。APSCO教育培训中国中心于2013年设置在北京航空航天大学，挂靠在北航国际学院运行，旨在通过能力建设、信息交流、教育培训等形式，促进中心成员国空间 科技 教育培训水平和空间技术应用能力提升。

担当——一颗自主创新星

9月16日上午，SSS-1小卫星在北京航空航天大学举行出征仪式，北航校长徐惠彬院士、亚太空间合作组织副秘书长Ferhat出席。Ferhat在致辞中表示：“APSCO-SSS项目是国际间大学生航天交流的重要合作，期望APSCO在未来能与北航继续扩大合作领域，推动深化建立更加深厚的合作关系。”

项目自2016年立项以来，北航始终高度重视，成立了专项领导小组，建设了相应配套设施，设立了“两总”系统开展工作。宇航学院、国际学院为主，计算机学院、仪器科学与光电工程学院参与，多个单位全力保障小卫星的研制与人才培养协同推进。

APSCO-SSS-1项目7个分系统组成指导教师、中外学生共同参加的研发攻关团队，先后有10余名教师、100余名学生参与其中。项目还选拔骨干学生直接担任总师，承担卫星研制全流程各项任务。

小卫星团队部分成员

项目立项研制5年来，历经重重困难，数千封国际邮件、近百次视频交流、数十家协调部门……疫情期间，面对实验室被封、项目进展受阻，为追赶进度，部分学生自疫情爆发以来一直未回家。项目团队克服了语言沟通障碍，不断协同各分系统接口，使中国航天项目管理流程和规范从被了解到被认可。

APSCO-SSS-1的核心载荷盘绕式伸展臂和离轨装置电推进器完全由北航学生团队自主设计研发。其中，盘绕式伸展臂具有大柔性、高展开收拢比的特点，是国内首个在轨验证的被动式盘绕展开机构；电推进装置具有高比冲、变推力和集成化的特点，是国际上首个容性储电单台自中和电喷雾推力器的在轨应用。

融合——一颗人才培养星

APSCO-SSS-1不仅是一颗技术试验卫星，更是一颗面向教育教学的卫星，从任务规划到系统设计，从单机研制到总装总测，小卫星的每一个研制环节都给予了学生最大的自主权，为学生提供了课程理论与工程实践相结合的教育平台。学生总师赵旭瑞表示：“回首过往的5年，学生研制团队的每一位成员各司其职、同心协力，为卫星研制工作倾尽所有。我为在这样的团队学习与工作而感到自豪！” 来自巴基斯坦的2019级硕士生Zeenat Rajar表示：“能够有机会参与小卫星研制工作，不仅满足了我通过卫星子系统 探索 空间技术的愿望，还帮助我实现了学习和职业目标。我在这个项目中获得的宝贵经验和知识为我未来的职业生涯开辟了新的前景，激发了我对空间教育的热情。”

依托该项目的开展，北航建设了2 个系列12 个专业实验和3门本科生课程，自主开发了可视化教学课件，编写出版了10余本配套中英文教材和讲义，项目参与学生先后在高水平期刊和顶级国际会议上发表学术论文42篇，项目培养国内研究生49名，毕业生80%进入航天部门。

据悉，长期以来，北航 探索 多层次国际航天人才的融合培养，以重大国际合作项目为牵引，创新打造了中外融合小卫星技术国际人才培养模式。学校在航空宇航科学与技术学科下自设二级“空间技术应用”学科，开设了小卫星技术专业培养方向，涵盖小卫星“任务分析-总体设计-分系统设计-硬件实现-软件开发-集成总装测试”全过程，多渠道汇聚航天院所、企业各种教学和实践资源，形成了“四个一”成果：建设了一套小卫星技术课程教学与实验实践体系；形成了一套定向招生、定制培养的方案；打造了一支国际化、跨专业的师资队伍；培养了一批小卫星技术国际人才。

留学生线上交流

2014年，北航创立小卫星技术国际研究生项目，至今共为13个国家培养了6届78名小卫星技术专业国际研究生，大部分国际毕业生成为了所在国小卫星相关部门的技术骨干或行业主管。

未来——一颗前景光明星

在卫星发射的同时，北航校园里也有一群人紧张地盯着面前的屏幕，密切关注着卫星发射的进程，他们将在这里实时观测卫星动态，接受卫星数据，向卫星发送指令……他们所在的位置为“亚太空间合作组织大学生小卫星地面测控和指挥中心”。该中心2018年在北航建成，具备与亚太空间合作组织成员国进行联网的能力。

APSCO大学生小卫星地面测控和指挥中心

后续，各成员国将根据亚太空间合作组织大学生小卫星项目的通信体制和星地协议，建设相应的地面站，对卫星信号进行接收解调解码，使用统一的TCP协议，将卫星遥测数据和载荷数据经互联网传输到北航卫星测控中心服务器。各国地面站在北航的协助下将加入到现有的卫星地面站网络中来，构建大学地面站测控网络，实现资源共享，最大程度增加卫星测控时长。地面组网，互联互通，也持续为教育教学服务。

清华用商业小卫星填补留白40多年的领域，登上自然子刊封面

1975年，人类 历史 上第一颗带着X射线偏振探测任务的卫星由NASA发射升空，对蟹状星云的探测结果令人振奋。没想到，“出道即颠峰”，该领域陷入长期的停滞和等待。

“那是第一次，也是最后一次。” 清华大学天文系教授冯骅曾在接受澎湃新闻专访时惋惜地说道。成像、能量、时变，宇宙源X射线的各类研究欣欣向荣，唯独偏振，作为光子基本属性之一，却似被遗忘了。

5月11日，冯骅课题组与合作者报告了“极光计划”配备的X射线偏振探测器在卫星上经过1年的观测，探测到来自蟹状星云及脉冲星（中子星的一种）的软X射线偏振信号，并首次发现了脉冲星自转突变和恢复过程中X射线偏振信号的变化，说明在此过程中脉冲星磁场发生了变化。

该成果在《自然·天文》（Nature Astronomy）上以封面论文的形式发表，标志着因技术困难停滞了40多年的天文软X射线偏振探测窗口重新开启。

这篇封面论文注定不会重演“出道即颠峰”的命运，而是大乐章的序曲。“极光计划”所采取的技术将被应用到中国下一代大科学工程“增强型X射线时变与偏振天文台”(eXTP)上。

被“遗忘”的偏振

偏振是光子的基本属性之一，偏振滤片像一块特定方向的栅栏，只允许相应偏振方向的光子通过。观看3D电影时的眼镜就运用了这样的原理，选择一部分光进入左眼，另一部分光进入右眼，形成3D图像。

相比起我们熟悉的可见光，X射线的波长非常短。虽然人类肉眼看不到，但它在天文学上很有用。宇宙中有一些天体（如黑洞、中子星等）几乎不发出可见光，却能发出“明亮”的X射线，并透露有关天体磁场、天体几何形状的重要信息。

冯骅介绍道，从上世纪60年代起，人类可以通过X射线望远镜探测X射线的能量、时变等信息，却迟迟无法解决X射线偏振探测的技术问题。很有趣，但很困难，这是该领域的基调。

美国曾发射的那颗卫星基于汤姆逊/康普顿散射或布拉格衍射进行探测，效率很低，相当于光子的“入选条件”非常严苛，极少一部分能被捕获研究，导致统计量和灵敏度都很差。因此，当时的探测目标是X射线非常明亮、偏振又很强的蟹状星云。

“蟹状星云正好是这么特别，换了别的天体就测不到了，就像你在人群里能一眼看到两米多高的姚明。” 冯骅形象地说道。

因此，在完成对蟹状星云的探测后，该领域陷入长达40多年的空白阶段。

“新窗口”谁来启动？

冯骅与合作者采用的是新一代基于光电效应的探测方法/对于能量是几千电子伏特的X射线，它们与物质的主要作用机制是光电效应，光子被吸收，能量把原子核外一个束缚电子激发出来成为自由电子。电子被加速的方向和入射光子的电场振动方向，即偏振方向有关。

“就像你踢一脚皮球，皮球最可能沿着你脚踢的方向飞出去，电子有最大的概率沿着入射光子偏振方向出射，有最小的概率垂直于偏振方向出射，方位角呈cos2分布。如果我们能测量电子在探测器中的径迹并计算出电子出射方向，就可以有效地测量X射线偏振。” 冯骅曾在科普性文章中写道。

这个“新窗口”，最终轮到中国去开启。

冯骅从2009年起着手研究偏振测量，花了两三年进行原理验证，又花了两三年进行技术优化，随后才开始考虑真正让卫星上天。

与商业化立方星的相遇

2017年，当冯骅与合作者已经获得成熟版本的探测器，正是商业化立方星在中国兴起的时候。

所谓立方星，是一种采用国际通用标准的低成本微小卫星，以“U”进行划分，1U（Unit）立方星体积是10厘米*10厘米*10厘米，也可以形成2U、3U、6U甚至更大的立方星。“极光计划”核心探测器只有火柴盒大小，非常适合成为上面的一员乘客。

在这种想法的驱动下，冯骅团队做出了第一版本的空间载荷研制，并在一年内完成了紧张的调试和标定，最终搭载在天仪研究院自主研发的10公斤级微小卫星平台上。

2018年10月29日，“极光计划”搭乘“铜川一号”立方星从酒泉发射升空。

2019年7月23日，它捕捉到了蟹状星云脉冲星在一次自转突变的偏振信号变化。

载人航天工程应用系统总设计师顾逸东院士表示：“‘极光计划’采用商业化立方星成功测量了蟹状星云及脉冲星的偏振信号，获得脉冲星的X射线偏振随时间变化的重要成果，同时闯出了一条低成本开展空间天文研究的创新途径，对推动高校空间科学发展有重要意义。”

作为一门观测驱动的科学，天文学的发展在很大程度上依赖新的飞行观测方法和手段。

就X射线偏振探测而言，在NASA发射探测卫星之前，美国曾经使用探空火箭观测，试图在短短几分钟的曝光时间内收获科学结果。从1968年7月到1971年2月，31个月内尝试三次，最终在第三次才测到了蟹状星云的偏振。

1975年，NASA的OSO-8卫星发射，曝光时长与探空火箭相比不可同日而语，结果自然漂亮得多。

不过，那个年代的天文卫星对卫星平台要求很高，一般都是上吨级的大卫星，成本动辄达到数亿美元，研发周期又长。很多科学家望而却步，只能停留在理论验证阶段。

虽然受到载荷重量的限制，微小卫星并不能完全取代大卫星，但它们无疑可对大卫星形成良好的补充，完成登录大平台前的验证，正如“极光计划”之于国际X射线天文领域未来的旗舰项目eXTP。

“这是国内研发的微小卫星第一次登上国际顶级科研期刊”，天仪研究院创始人兼CEO杨峰表示，“ ‘极光计划’的意义一方面在于空间科学的巨大发现，另一方面来自于航天工程的巨大进步。近年来微小卫星在中国兴起，为新探测技术和方法的飞行验证提供了更多低成本的可能性。”

卫星导航期刊推荐

你好，卫星导航相关的期刊有很多。根据论文成果的具体方向针对性进行投稿。下面列出部分卫星导航相关期刊，供参考。

微小卫星技术应用分析

 姓名：丁英琦

 学号：

【嵌牛导读】微小卫星是有明确用途的新一代卫星。其特点是：新技术含量高、研制周期短（一年左右）、研制经费低（数千万人民币量级），且可以进一步组网，以分布式的星座形成“虚拟大卫星”。与以往的大卫星相比，微小卫星具有很多优势。重量轻，体积小、再加上批量生产成本低，可以用小型火箭发射，或作为大型火箭的辅助载荷发射，发射成本低；能从战斗机，甚至气球上发射，或利用地（水）面火炮发射，可以满足快速反应的需求。随着一些技术不断被攻克，微小卫星必将成为一大类航天器，并作为大型航天器的补充，在军事、国民经济各部门得到广泛应用。

【嵌牛鼻子】微小卫星应用

【嵌牛提问】针对微小卫星的技术优势，它有哪些发展方向和应用领域？

【嵌牛正文】

        目前航天领域装备建设更加强调战略性、时效性和灵活性，为有效实施太空战略威慑、快速灵活反应和空天一体化军事力量生成提供了重要保障。随着微电子技术、快速发射、和卫星模块化等技术的发展成熟，现代小卫星逐渐成为一支新的航天装备队伍。由于其高技术密集、高功能密集和高性价比，小卫星产业迅速发展，并促使航天军事应用发生深刻的变革。

近年来，全球小卫星产业技术发展强劲，发射数量逐年大幅增长，从近十年各航天大国卫星发射活动情况统计来看，小卫星逐步成为世界航天活动的主要构成部分之一。据统计，从2013年开始，全球小卫星发射数量呈爆发式增长态势，2013年共成功发射小卫星146颗，2014年，全球共成功发射小卫星162颗，与2013年相比数量增加了22.7％。2015年，全球共成功发射小卫星149颗，由于火箭发射事故损失了小卫星21颗，造成小卫星数量较去年较少，但入轨小卫星数量占同期入轨航天器总数从2013到2015年实现连续3年占比超过60％。

制太空权决定了海空等其他制权 ，航天装备建设也更加突出隐蔽性和全球性。当前以美国为代表的航天强国在航天感知体系、信息支援以及作战响应等领域更加强调力量资源的集成和融合。以小卫星为代表的新型航天器的更能满足新型空间力量的需求，同时现代小卫星的额应用也进一步促进了作战理念和作战模式的改革。指挥链条的简化、作战手持终端颗直接参与决策，更进一步提升了空天一体化的作战效能。

自美国国防部启动“作战响应空间”计划以来，美军以其为先导，辐射带动了一大批面向军事应用的小卫星项目，驱动小卫星业务化水平不断提升。当前，小卫星在战场态势感知、战场通信、空间攻防等领域具备装备化应用能力。

2

军事航天领域小卫星典型应用

一、战场态势感知领域

1、快速响应空间

最近的几场局部战争使美国逐步意识到预警、侦察等空间力量在其战术体系中重要的支撑作用，为进一步巩固太空战略优势，拓展太空侦察应用，美国国防部在2001年首次提出了快速响应空间（operationally responsive space，ORS）的概念。

美国国防部在2005年提出了快速响应空间的发展战略，并于2007年发布了给国防委员会的报告，报告中正式提出ORS发展的4个倡议，包括战术卫星（TacSat）、运载火箭、空间靶场以及临近空间系统。

第一颗TacSat卫星计划于2016年3月发射，质量约150kg，属于低分辨率成像卫星，由美海军研究试验室研制，星上搭载红外相机、战术无线电信号识别系统、以及可见光相机等有效载荷，主要用于战场观测。由于火箭故障最终取消发射。TacSat-2卫星质量约379kg，由研究实验室研制，主要用于可见光成像，现已失效。TacSat-3卫星质量为396kg，主要利用海洋数据遥测微卫星链路验证星上实时数据处理能力，利用超光谱成像仪进行隐蔽目标的探测，目前已失效。TacSat-4卫星2011年发射，属于通信试验卫星，主要用于验证超视距通信以及数据中继服务，目前在轨服务。

除战术卫星外，美军还开展了作战响应空间卫星计划，该计划包括4颗ORS卫星。2011年6月ORS-1和ORS-2卫星发射升空，属于成像小卫星，主要为阿富汗和其他战场提供高分辨率侦察图像，目前仍在轨服务。此外，ORS-3和ORS-4卫星也在2013年发射，目前主要用于技术验证。快速响应空间项目是美空间战术应用的最早项目之一，前期高度重视，但由于对项目的认识不统一、卫星在轨时长与作战需求能力不匹配以及发射上的短板等问题导致目前项目经费在逐步缩减。但ORS项目进行中发展起来的小卫星技术、轨道重复使用技术、分离模块航天器以及作战模式的更新对新的小卫星发展和应用起到了很好的支撑作用。

2、SeeMe项目

美国国防先进研究计划局（DARPA）在2012年提出了“提高军事作战效能的空间系统”（SeeMe，space enabledeffects for military engagements）项目发展计划。该项目主要通过手持设备为海外以及超视距战场作战人员提供态势感知图像，力求作战人员在90min内收到精确位置的卫星图像。与传统的中高轨侦察大卫星相比，SeeMe项目从一个新的角度来看待天基卫星侦察问题，通过短寻访周期可按需操作的卫星星座部署来发送战场态势信息。该项目设计采用空基发射的方式，90d之内完成24颗卫星的星座部署，单颗卫星质量约50kg，轨道高度200～350km，扫描幅度为±10°。项目综合考虑轨道高度、成像精度、卫星寿命和重防周期等多种因素。该项目作战支撑体系如图1所示。

SeeMe项目作战支撑体系

二、军事通信领域

快速响应空间项目实施过程中就验证了小卫星进行通信和数据中继的能力，在2012年TacSat-4卫星发射使用中，卫星搭载了UHF通信转发器，目的是为战区提供特高频频段“动中通”业务以及海上浮标数据采集等。该卫星主要利用了卫星椭圆轨道的特点，可以针对特定战区进行持续性通信，战术目标是持续通信时间4h。

另外一个小卫星军事通信的典型应用是美军的“空间与导弹防御司令部－作战纳卫星效用（SMDC-ONE）”卫星。第一代SMDC-ONE卫星于2010年10月发射成功，共两颗，属于立方体卫星，该项目是美军为演示验证低成本小型通信卫星星座组网而设计，主要通过无人中继台站进行超视距数据传输。该卫星项目有两种运行模式：一种是战场人员将数据发送到地面无人值守传感器，然后通过卫星中继至指挥部；另外一种是战场人员直接发送指令或者信息到卫星，进行数据请求或者卫星任务调度。

在2015年10月，美军发射了该项目升级版卫星3颗，这3颗卫星属于3U立方体卫星，单颗造价在50万美元。与上一代卫星相比，升级版的数据传输效率增加了5倍，并增加了轨道机动能力，使卫星组网星座构型保持更加稳健。

三、天基目标监视

随着太空技术的快速发展，在太空军事应用领域，空间态势感知对于提高太空军事效率，应对空间威胁、确保空间安全，增强目标确认、毁伤评估以及空间环境的监测预报起到了极大的推动作用，近年来受到各个航天大国高度重视和发展。天基目标监视系统覆盖范围广、近距监测能力强，具有全天时、全天候监视的特点，有效弥补了地基监视系统的不足。目前天基空间目标监视主要包括不同轨道高度的空间目标监视卫星、空间环境探测卫星、预警卫星等。

随着微电子、即插即用等技术的发展，微小卫星在空间目标监视中的作用逐渐凸显，21世纪初美国和加拿大等国就进行了空间望远镜技术验证项目。比较典型的空间目标监视项目包括：加拿大MOST项目、Sapphire卫星、NEOSSat卫星，欧洲的UNISAT-5项目，美国的J-MAPS项目、STARE项目、GSSAP项目等。下面以加拿大的Sapphire卫星和美国的GSSAP项目为例，分析典型的小卫星空间目标监视项目。

Sapphire卫星是加拿大首颗军事空间监视卫星，2013年发射，整星质量约为50kg，搭载空间可见光相机，主要探测距离6000～40000km的空间飞行器。该卫星与美国的空间目标监视网共同运行，可同时跟踪探测6～15颗空间目标。Sapphire卫星的工作流程相比前几代卫星更加系统化、规范化。首先由卫星操作中心和国防部共同制定观测计划需求，以确定卫星相机指向，卫星调度机构接收到观测计划后形成指令文件，由地面站将指令上传到卫星；Sapphire卫星接到指令后，按照计划调姿、控制传感器指向，并将获得的图像下传至地面站；由卫星处理与调度机构进行目标的精确测量与数据处理。

地球同步轨道卫星主要是预警卫星、通信卫星以及部分导航和环境监测卫星，共约600颗。同步轨道具有很大的对地观测和通信范围，而且轨位具有唯一性，各航天大国对同步轨道轨位的争夺和抢占一直比较激烈。为更好进行同步轨道卫星的监视和跟踪，美国空军空间司令部着手开发了地球同步轨道空间态势感知计划（geosynchronous space situational awareness program，GSSAP）。与中低轨卫星监视相比，地球同步轨道卫星空间感知项目的情报搜集能力是前者的600倍。

GSSAP-1和GSSAP-2卫星于2014年7月搭载Delta IVM+（4，2）火箭发射升空。2015年10月，美国空军宣布两颗GSSAP卫星已于9月29日完成在轨测试，获得初始运行能力。在2016年8月19日，GSSAP-3和GSSAP-4两颗卫星也发射成功，GSSAP项目计划的4颗卫星目前均在轨正常运行。

GSSAP卫星由轨道科学公司建造，主要载荷包括光电传感器和探测设备，运行轨道在近地球同步轨道，在执行监视任务时，在地球同步带上下机动。GSSAP卫星通过轨道相对漂移获得监视目标的图像信息，根据其任务设定也可近距离探测目标的三维属性及高清视图，甚至可进行目标的撞毁等。

四、空间对抗领域

在空间对抗领域，主要是利用小卫星进行目标的探测、在轨操作，以及利用机械臂等手段进行卫星捕获和重组。早在2006年美国就发射了2颗“微卫星技术试验”（MiTEx）卫星，试验了地球同步轨道监视任务和目标抵近技术，验证了小卫星进行在轨操作的军事利用潜能。2008年底，美军利用MiTEx卫星对导弹预警卫星进行巡视，演示了近距交汇能力，暴露了其军事用途。

另一项最具代表的空间捕获重组小卫星应用是美国的“凤凰”计划。2011年，美国国防高级研究计划局开展了“凤凰”项目立项，利用母星携带小卫星进入预定轨道，利用机械臂等设备抓捕并切割卫星部件。“凤凰”计划第一阶段重点进行可行性论证，对细胞机器人以及子卫星进行论证，该阶段已在2014年10实施。第二阶段主要是对“凤凰”计划关键技术进行研究攻关，主要包括空间机器人、“细胞卫星”、“轨道交付系统”等，并在2015年成功完成“细胞卫星”（Satlets）关健技术首次在轨飞行验证。“细胞卫星”总质量约50kg，标志着“凤凰”计划关键技术已迈人实质性验证段。

3

我军航天领域小卫星发展建议

近年来，我国对于航天事业支持力度不断加大，在军事应用方面也取得了新的突破，微小卫星的生产应用也取得了长足进步。但发展过程中也暴露出一些急需解决的问题，主要表现在以下三个方面：一是微小卫星关键技术快速发展，但尚未形成体系化，没有形成发展合力；二是运载技术发展相对于小卫星技术滞后，影响了小卫星产业链形成与发展；三是小卫星军事应用方面受体制限制没有得到有效集成，军民融合体系还不够完善。

借鉴国外航天强国的小卫星发展经验，为我国发展小卫星产业及军事应用提出以下三点建议。

一、军民融合，民技军用，增强国家太空威慑

军民融合是世界航天发展的必然趋势，代表了航天发展的发达程度。美、俄等主要国家在长期的航天发展过程中不断摸索，逐渐寻找到了符合自身国情的航天军民融合道路。

结合我国实际，在小卫星军民融合发展过程中首先要综合考虑军用、民用和商业市场的综合需求，在国家层面统一规划制定小卫星技术发展和产业应用的型谱目录以及相关标准和政策法规；其次是政策扶持、有效利用民用市场经济优势，建立军方采购模式。

二、改革测控、运管体制，发展商业模式

随着微小卫星的数量逐年猛增，“星多站少”的问题愈发突出。现有地面系统的资源和信息无法共享，造成了卫星测控应用效率较低，不能满足卫星的测控需求。未来微纳卫星的发展，要充分发挥卫星组网、系统运行、全球资源共享的优势，既可以实现卫星工作效率、工作范围及信息的时效性的大幅提升，同时也可以避免重复投资，充分发挥航天系统和测控网的利用率和效益。

在国内，要健全军民资源互通共享机制，完善军民通用卫星测控运控技术标准；在国际要借鉴国际空间数据系统咨询委员会（CCSDS）的办法，促进卫星运控与数据接收的国际合作，通过采用该标准的数据结构和信息传输体制，单个测控站可以满足多个星座、不同用户的测控要求，同时适应多用户、多数据类型的任务，便于实现国际测控资源的交互支持。

三、突破发射瓶颈，紧跟产业步伐

随着微小卫星产业的迅猛发展，数量激增，与之匹配的发射问题日益凸显。受发射场和发射窗口制约，商业发射机会少，协调及等待周期长，存在延期等不确定性。同时，发射价格高，低成本小型运载工具发展不充分，都成为限制微小卫星发展的瓶颈问题。

就国内而言，尚未建成商业化运作发射场，存在着发射机会少、发射审批流程复杂及周期较长、市场和价格体系不规范等问题。要解决这一问题首先是要加快小型运载工具的研制以及一箭超多星等技术的发展，加强运载技术的研发；其次是要精简发射申请手续，优化发射审批流程，甚至有必要建立一套专门针对微小卫星的快速响应机制，以适应微小卫星快速发射的特殊需求。

4

结论

军事、经济、技术等诸多因素促使以美国为代表的航天强国持续不断地发展微小卫星项目，并逐步扩展到各类军事应用领域。本文对小卫星项目在战场态势感知、军事通信、天基目标监视以及空间对抗等领域的典型应用进行分析，结合我国现状提出了发展建议，希望能够为我国开展基于小卫星的太空技术研发提供一定的参考。

论文 题目《小卫星发射技术》

　　软件无线电在小卫星多功能地面站中的应用
　　摘要：介绍一个SDR Software Defined Radio　多功能地面站发射系统的设计与实现。
　　关键词：SDR 地面站 数字上变频器 Inverse-SINC预补偿滤波

　　随着A／D／A器件与DSP处理器的迅速发展，使得软件无线电技术广泛地应用于陆上移动通信、卫星移动通信与全球定位系统等。本文利用软件无线电的思路，针对中科院创新一号低轨移动小卫星多功能地面站设计的具体要求，研制了一套基于软件无线电技术的多信道发射机设备。该地面站发射系统数字基带部分采用全软件化设计，核心部件是可编程的DSP及FPGA，可同时处理三路信号。该设备具有以下三个优点：多模工作；无线通信系统可升级；发射配置动态更改。该设备可根据实际需要灵活配置系统，适用范围大大扩展。

　　1 系统构成

　　SDR地面站发射系统如图1所示。该系统的发射速率为2．4kbps窄带、2．4kbps扩频、19．2kbps窄带或它们混合的速率。中频分别为18．45MHz、20MHz、21．85MHz。DAC的采样频率为78．336MHz。发射系统中FPGA实现FIFO、信道编码、扩频、内插滤波、数字上变频、信道合成、DAC预补偿滤波器等功能。这些功能都集成在一片Xilinx VirtexII芯片中。

　　图1 FPGA发射机功能模块图

　　2 FPGA部分功能模块

　　2．1 FIFO模块

　　FIFO完成数据缓存功能。为了节省不必要的资源，设计了一个长度为32、深度为2的FIFO。即当一个寄存器32位取完时发出中断给DSP，同时读、写寄存器指针变换，DSP响应中断向FIFO写数，此时数据还在不断地读出。这样就实现了用最少的资源实现数据缓存。

　　2．2 信道编码

　　在实际信道上传输数字信号时，由于信道传输特性不理想及加性噪声的影响，所收到的数字信号不可避免地会发生错误。采用信道编码可以将误码率降低。本系统主要采用性能较优的卷积编码和差分编码等。

　　对于窄带信号还有扰码（CCITT V．35）。扰码能改善位定时恢复的质量，还能使信号频谱弥散而保持稳恒，能改善帧同步和自适应时域均衡等子系统的性能。

　　对于扩频信号还有扩频编码。在直扩系统中，用伪随机序列将传输信息扩展，在接收时又用它将信号压缩，并使干扰信号功率扩散，提高了系统的抗干扰能力。

　　编码过程在DSP的控制下进行，数据从DSP送出，并标识信道特征，FPGA识别后进入相应的编码通道，这样三路信道可以分时进行编码处理。由于硬件速度快的特点，可视为同时处理。

　　2．3 信道合成

　　信道合成模块由内插滤波器、数字上变频、信道复接三部分组成。

　　2．3．1 内插滤波器

　　各信道滤波器性能指标如表1所示。

　　表1 各信道滤波器指标

　　滤波器性能要求

　　19.2kbps窄带收信机在f0±80kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc2.4kbps窄带发信机在f0±10kHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc2.4kbps扩展发信机在f0±1.25MHz外，杂散小于50dBc；谐波（二、三次）小于40dBc
　　为了以最少的滤波器阶数得到较低的符号间干扰和高阻带衰减，成形滤波器采用一个根升余弦滤波器，滚降系数0．4。其频域表达式为：

　　式中α为滚降因子，取0．4。

　　成形滤波器设计采用频率采样技术，这样可以得到阶数较低、性能较好的滤波器。成形滤波器一般采用4倍或8倍的内插系数。先用MATLAB把滤波器阶数和系数确定下来，这样可以用移位加运算代替乘法以节省大量硬件资源。在FPGA实现时，采用DA（Distribute Algorithm）技术。DA技术提出了二十多年，广泛应用于线性时不变信号处理，已被证明不适用于可编程DSP的固定指令系统结构，但是用FPGA实现却是个好的选择——DA电路中没有直接的乘法器，乘法可由查找表得到。

　　CIC滤波器是一种灵活的无乘法滤波器，适合于硬件实现，并可处理任意大的数据率变换。由此，第二级内插滤波采用CIC滤波器是最佳选择。

　　在不降低性能的前提下，从节省资源的角度考虑，各信道内插滤波器分为两步实现：第一级FIR成形滤波器，第二级内插滤波器采用五级CIC滤波器。各信道滤波器内插分解为两级，大内插系数滤波器由CIC完成，其结构如图2所示。实验结果表明这样做并不影响性能。

　　图3 19.2kbps窄带内插滤波器频率响应

　　三路信道内插滤波器分别描述如下：

　　（1）2．4kbps窄带信号：编码后信号采样率为4．8kHz，要用78．336MHz进行采样，必须经过78336／4．8＝16320倍内插。第一级采用75阶8倍内插成形FIR滤波器，第二级采用2040倍五级CIC内插滤波器。

　　（2）19．2kbps窄带信号：编码后信号采样率为38．4kHz，要用78．336MHz进行采样，必须经过2040倍内插。第一级采用75阶8倍内插成形FIR滤波器，第二级采用255倍五级CIC内插滤波器。该路信道所有内插滤波器频率响应如图3所示。

　　（3）2．4kbps扩频信号：编码后信号采样率为1．224MHz，要用78．336MHz进行采样，必须经过64倍内插。第一级采用25阶4倍内插成形FIR滤波器，第二级采用16倍五级CIC内插滤波器。

　　2．3．2 数字上变频

　　数字上变频器的主要功能是对输入数据进行各种调制和频率变换，即在数字域内实现调制和混频。笔者设计了三个单路数据DUC。

　　在BPSK调制模式中，内插滤波器把数据流采样频率升至时钟频率后，通过载波NCO进行混频。DUC设计取22位累加器，SIN／COS的分辨率为12位。其频率输出调谐精度为18．68Hz。NCO简单结构如图4所示。

　　2．3．3 信道复接

　　三路信道分别完成数字上变频后经过一个加法器变为一路信号送至DAC，这样只需要一个RF模块就可完成发射功能。如图5给出了发射机信道复接后的频谱。

　　2．4 Inverse－SINC预补偿滤波器

　　Inverse－SINC预补偿滤波器用于补偿发射时由DAC采样保持工作导致的频率响应的失真。该偏差在21．85MHz时为－1．142dB。为了达到性能最优化，采用频率采样的方法设计了一个11阶的补偿滤波器，该滤波器频率响应如图6所示。

　　为了分析发射机的性能，用矢量信号分析仪画出各信道的星座图与眼图。图7所示为窄带19．2kb现实意义。根据“创新一号”小卫星对多功能地面站的研制要求，自行开发了一个软件无线电多信道发射机系统，具有功能强、功耗低、体积小、灵活性大等特点，极大地方便了用户。