納衛星

納衛星（NanoSat）通常指質量小於10公斤、具有實際使用功能的衛星。與微型衛星相比, 納型衛星對遙感系統在質量、體積、功耗等方面的要求更加苛刻。它是基於微電子技術、微機電技術、微光電技術等微米/奈米技術而發展起來的，衛星的一體化設計和集成度更高，體現了太空飛行器微小化的發展趨勢。雖然納衛星的體積和重量遠遠小於傳統衛星，但其組成結構及研製流程卻與傳統衛星相差不多。

基本介紹

• 中文名：納衛星
• 外文名：NanoSat
• 重量：10公斤
• 技術：微米/奈米技術

現狀

現已經發射的納衛星有：俄羅斯航天研究院的SPUTNIK-2衛星、美國的Bitsy衛星、AUSat衛星、PICOSAT衛星、英國的SNAP-1衛星等。為了降低發射費用，納衛星多採用一箭多星的搭載方式發射。

我國首顆納衛星“THNS-1”已於2004年4月發射升空，它由航天清華衛星技術有限公司研製，充分利用了近年國內微米/奈米技術的研究成果，採用一體化設計與系統集成的設計製造方法，並將對CMOS相機、MIMU、GPS等關鍵載荷進行搭載實驗，在此基礎上將重點開展納衛星的組網與“虛擬衛星”套用關鍵技術研究。

發展概況

美國加州州立理工大學和史丹福大學在1999年提出了納衛星規範，即尺寸(質量約1.33kg的為1U納衛星)，尺寸(質量約2.66的為2U納衛星)，尺寸（質量約4kg的為3U納衛星）。

根據任務特點納衛星可分為以下三類：

（1）以空間科學研究和教學為核心目標。主要包括各大學設計、建造的納衛星，如德國維爾茨堡大學的“維爾茨堡大學實驗”（UWE）衛星系列、荷蘭代爾夫特理工大學的Delfi-c3、東京工業大學的Cute系列。不過，其中一些衛星也進行簡單的新技術演示，包括搭載商用現貨（COTS）器件、微小型敏感器等。

（2）以載荷任務為核心目標。如搭載地震電磁探測載荷的“震動衛星”(QuakeSat)、搭載生物實驗載荷的基因衛星-1（GeneSat-1）、搭載太陽帆載荷的納帆-D(NanoSail-D)。

（3）以新技術演示驗證為核心目標。例如，進行編隊飛行技術演示驗證的“加拿大先進納太空實驗”（CANX）衛星系列、進行交會對接技術演示驗證的AggieSat-2和BEVO-1。

根據姿態控制方式，納衛星主要可分為以下兩類：

（1）被動磁姿態穩定控制納衛星。衛星採用永久磁棒使某一軸指向保持在地球磁場向量的方位上，採用磁滯棒控制轉速，採用磁強計、太陽敏感器或太陽電池陣電流測量姿態，如QuakeSat和GeneSat-1。

（2）三軸穩定控制納衛星。例如，CANX-2採用偏置動量控制系統，安裝通電線圈實現最簡單的磁力矩器，並配置了一個反作用飛輪。UWE-3和CANX-4、5採用零動量控制系統，採用三軸反作用飛輪進行姿態控制，通過通電線圈實現磁力矩器的功能，零動量控制系統通常配置更多敏感器，包括太陽敏感器、磁強計、陀螺和星敏感器等。

納衛星的第1次發射是在2003年6月30日，此後平均每年發射10顆，到2011年底已經發射了近70顆，其中既有以大學在校學生為主體設計的試驗衛星，也有像波音公司這樣的國際一流宇航公司設計"製造的試驗衛星，美國、加拿大、日本、荷蘭、瑞士和德國均製造並發射了納衛星。歐洲航天局（ESA）在2008年支持了由全歐洲11所大學研製的11顆納衛星（其中2顆為發射備份），最終有7顆在2012年2月“織女星”（Vega）火箭的第1次發射中作為輔載荷發射。美國國家航空航天局（NASA）從2010年至2012年2月先後3次提供納衛星的搭載機會，承諾給65顆納衛星提供搭載，目前仍在公開徵集納衛星項目，並承諾以後會提供更多的搭載機會。

技術

納型衛星是指質量在1～10kg 之間的衛星。與微型衛星相比, 納型衛星對遙感系統在質量、體積、功耗等方面的要求更加苛刻。目前廣泛用於微型衛星遙感系統的電荷耦合器件CCD很難滿足納型衛星的使用要求。CMOS圖像感測器採用標準的CMOS 技術, 繼承了CMOS 技術的優點, 如靜態功耗低、動態功耗與工作頻率成比例、噪聲容限大、抗干擾能力強、特別適合於噪聲環境惡劣條件下工作、工作速度較快、只需要單一工作電源等。雖然CMOS 器件的研究還未完全成熟, 如電離環境下暗電流稍大等問題還沒有很好地解決,還不能完全取代CCD, 但不可否認CMOS 器件將是未來遙感感測器的發展方向。

套用

納衛星技術研究及其組網套用技術是國際衛星技術研究的熱點之一，屬高新技術探索範疇。主要套用在通信、軍事、地質勘探、環境與災害監測、交通運輸、氣象服務、科學實驗、深空探測等方面。

教學與科研實驗

納衛星的系統複雜度比大型衛星低，研發周期較短（約二年），所需研發及發射經費皆遠低於大型衛星，因此，學生的構想具有實現的可能。學生可以大膽使用商用組件，例如一些微小衛星使用商用無線通信手機模組，當作衛星通訊組件，從而對商業組件做太空驗證，使以後衛星的組件成本大幅降低。學生也可將自製的組件，放到太空去驗證效能，例如天線及太陽能板的展開機構等，以讓日後其他衛星採用。

太空科學實驗平台

納衛星雖小，但卻是非常重要的太空科學實驗平台，可執行特定的太空科學實驗，如衛星編隊飛行、星群的無線電通信、GPS閃光、太陽風、地磁場與電離層中離子密度的測量，以及衛星的釋放等。例如TU Sat 1衛星可測量太空中電漿密度，並研究纜線(Tether)通過電離層所產生的電動力學；QuakeSat衛星使用磁力計測量高空的超低頻磁場，研究其和地表地震的關聯性等等。此外，皮衛星/納衛星可經濟快速提供新技術空間飛行試驗和演示，特別是用來對將來在太空套用的微機電(MEMS)技術以及使用MEMS技術的感測器或推進系統等技術進行太空驗證。

通訊

納衛星一般在低軌道(低於1000km)使用，常採用搭載發射，成本低，因此特別適合稀路由、非實時的低成本通信套用，如電子郵件、傳真、電報、數據等業務。例如TU Sat1衛星就以提供開發中國家的電子郵件通訊為其衛星任務之一；nCube衛星用來接收船隻廣播的AIS訊號，包括船隻的位置、速度及方向的數據，再將此數據轉送到地面，可用來監控船隻的安全狀況。此外，由皮衛星/納衛星組成的衛星星座在靈活應急通信方面也存在極大的潛在優勢。

光學照相

納衛星可作為光學照相平台。例如日本東京大學XI-IV衛星使用CMOS商業用照相機，拍攝到地球及太陽的影像，由此可驗證CMOS感測器在太空的套用效果。此外，英國薩瑞公司的SNAP-1衛星已經對與其一起發射的另外兩顆衛星進行了拍照，並將圖像傳回到地面，為地面控制人員提供從外部觀測在軌太空飛行器的能力。

星群套用

納衛星的特點是單顆衛星體積小，功能單一，但多顆衛星組成星座後可以實現並超越1顆大型衛星的功能。同時，由於其發展成本低，並且一次可用火箭發射多顆，所以在星座組網方面具有極大的優勢。因此皮衛星/納衛星常常以星群的形式部署使用，以發揮“螞蟻雄兵”的強勢效果。例如ICE計畫同時發射兩個微小衛星，使二者相距100米以上，以同時測量GPS衛星訊號的差異，研究GPS訊號通過大氣層的訊號閃耀(scintillation)現象。

軍事用途

納衛星在軍事上具有廣泛的套用前景。這種衛星不僅成本低、可以批量生產，還具有可重組性和再生性。例如，在若干太陽同步軌道上等間隔地布置648顆功能不同的納衛星，就可以在任何時刻對地球上任何地點進行連續監視和干擾，即使少數納衛星失靈，也不會使整個系統癱瘓，僅降低一些功能而已。又例如，皮衛星/納衛星可集成和分散。所謂集成就是由幾顆完全相同的皮/納衛星組裝在一個輕便框架上，平時通過每顆衛星的低解析度相機，對相同地區拍照，然後集成為高解析度圖像；所謂分散就是在戰時釋放這些皮/納衛星，讓它們分布在敵星周圍（繞飛）進行監視、干擾和攻擊。總之，微小衛星由於體積小、隱蔽性好、快速反應、機動性好、生存能力強、成本低等特點，特別適用於局部戰爭和信息戰爭，具有重大的軍事效益。