近年來，隨著太空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多小衛(wèi)星公司正在逐步淘汰曾使其嶄露頭角的立方星平臺(tái)，轉(zhuǎn)而專注于更大、更強(qiáng)大的下一代小型衛(wèi)星。這些新一代衛(wèi)星將通過先進(jìn)的人工智能和實(shí)時(shí)激光衛(wèi)星間通信，開啟全新的可能性。

　　在過去的15年中，小衛(wèi)星徹底改變了太空領(lǐng)域的運(yùn)作方式。這些衛(wèi)星利用廉價(jià)現(xiàn)成組件快速制造而成，體積小巧，能夠以低廉的成本搭載在更大型的發(fā)射任務(wù)中。

　　然而，隨著新一代太空業(yè)務(wù)的逐漸成熟，用戶有了更高的期望。最低成本和最短發(fā)射時(shí)間可能已不再是技術(shù)的最大吸引力，用戶希望獲得最大投資回報(bào)，并要求更高的可靠性。

　　小衛(wèi)星的歷史可以追溯到最初的美國(guó)1958年發(fā)射的探測(cè)者1號(hào)衛(wèi)星，其重量?jī)H為13公斤。隨著火箭提升能力的不斷增強(qiáng)，衛(wèi)星技術(shù)迅速發(fā)展，體積逐漸增大，復(fù)雜的衛(wèi)星開始占據(jù)太空，負(fù)責(zé)從高空觀察地球、跨洲廣播電視信號(hào)以及監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境。

　　直到1980年代中期，研究人員才重新關(guān)注起幾十到幾百公斤的小型衛(wèi)星，線年立方體衛(wèi)星的發(fā)明，最初是由加州理工大學(xué)和斯坦福大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)于1998年發(fā)起的。CubeSat即立方星，是一個(gè)結(jié)構(gòu)形狀呈立方體的微小衛(wèi)星。

　　這種衛(wèi)星雖然重量輕體積小，但是能夠搭載一定的空間實(shí)驗(yàn)載荷開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，并且價(jià)格低廉，目前已經(jīng)成為一種國(guó)際化的微小衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)。很快，來自全球各地的大學(xué)團(tuán)隊(duì)開始發(fā)射自己的實(shí)驗(yàn)性航天器，為學(xué)生提供實(shí)踐空間技術(shù)的機(jī)會(huì)。第一次CubeSat發(fā)射是在2003年。

　　到2014年，總部位于舊金山的Planet Labs推出了首個(gè)商業(yè)衛(wèi)星星座——由28顆三單元（3U）地球觀測(cè)立方體衛(wèi)星組成的“鴿子”又稱為“鴿群”。如今，已有超過120顆“鴿子”在軌道上運(yùn)行，每天多次拍攝地球上的每一個(gè)地方。

　　其他公司也紛紛效仿。截至目前，立方星已經(jīng)成功進(jìn)入火星和月球軌道，并實(shí)時(shí)觀察了2022年NASA的雙小行星重定向測(cè)試（DART）對(duì)小行星Didymos的撞擊。

　　更大的小型衛(wèi)星平臺(tái)——質(zhì)量可達(dá)500 Kg，也日益受到歡迎。實(shí)際上，得益于SpaceX的Starlink互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座，這些更大型的小型衛(wèi)星如今主導(dǎo)了地球周圍的太空。

　　咨詢公司Novaspace預(yù)測(cè)，在未來十年內(nèi)，將發(fā)射26,104顆小型衛(wèi)星，包括質(zhì)量在100到500公斤之間的迷你衛(wèi)星、10到100公斤的微型衛(wèi)星以及質(zhì)量在1到10公斤的納米衛(wèi)星。

　　邊緣計(jì)算被視為小型衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展中的主要范式轉(zhuǎn)變。這種計(jì)算方法將數(shù)據(jù)處理能力帶到數(shù)據(jù)源的近旁，而不是依賴于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。通過在軌道上直接分析圖像和測(cè)量數(shù)據(jù)，衛(wèi)星不再需要在通過地面站時(shí)將數(shù)據(jù)回傳，從而極大地提升了其能力，使其成為決策者而不僅僅是數(shù)據(jù)收集者。

　　保加利亞的EnduroSat公司，作為這一變革的先行者，已經(jīng)為IBM建造了名為Platform 1的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，自2022年起，該衛(wèi)星一直在測(cè)試用于在軌地球觀測(cè)圖像處理的人工智能算法。

　　這標(biāo)志著小型衛(wèi)星技術(shù)的一個(gè)新里程碑，將衛(wèi)星轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂凶灾魈幚砟芰Φ闹悄荏w。

　　EnduroSat 潔凈室。這家保加利亞公司于 2023 年啟用了一個(gè)擁有多個(gè)最先進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的太空中心

　　盡管太空環(huán)境的嚴(yán)苛條件，如極端溫度和高水平輻射，對(duì)電子設(shè)備構(gòu)成挑戰(zhàn)，邊緣計(jì)算在太空中的全面推廣仍面臨一定障礙，但其潛在應(yīng)用前景非常廣闊。

　　具備人工智能的衛(wèi)星將能夠自主識(shí)別對(duì)用戶最相關(guān)的圖像，躲避太空垃圾，分析故障和遙測(cè)數(shù)據(jù)，并在很少人為干預(yù)的情況下運(yùn)行。

　　EnduroSat希望實(shí)現(xiàn)的軌道能力，將更接近地面用戶的使用體驗(yàn)。例如，衛(wèi)星上可以集成加速硬件如FPGA和GPU，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的邊緣計(jì)算。從電源系統(tǒng)到控制系統(tǒng)，整顆衛(wèi)星被設(shè)想為一個(gè)去中心化的網(wǎng)絡(luò)，由不同組件構(gòu)成，這些組件之間可以相互通信。

　　最終用戶應(yīng)該能夠像使用新款蘋果Mac或iPhone一樣，無需專業(yè)培訓(xùn)即可輕松使用衛(wèi)星，這將極大地降低使用門檻，推動(dòng)小型衛(wèi)星技術(shù)的普及和應(yīng)用。

　　星間通信，衛(wèi)星間通信技術(shù)被視為航天工業(yè)的游戲規(guī)則改變者。這種技術(shù)類似于在軌道上擁有一根光纖，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)與每顆衛(wèi)星的通信，從而創(chuàng)造出創(chuàng)新的應(yīng)用。

　　低地球軌道衛(wèi)星星座提供超過10 Gbps的高數(shù)據(jù)吞吐率和光速數(shù)據(jù)交換，將通過位于地球靜止軌道（GEO）的中繼衛(wèi)星與地面站進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。結(jié)合在軌數(shù)據(jù)處理和人工智能，這一技術(shù)將使用戶能夠在地球上迅速獲得重要見解，圖像拍攝后即可獲取。

　　此外，該系統(tǒng)還將提升國(guó)家安全和防御能力，允許通過幾乎不可能被干擾和截獲的光鏈路實(shí)時(shí)指派衛(wèi)星任務(wù)。這與傳統(tǒng)情況不同，傳統(tǒng)情況下我們需要等待衛(wèi)星飛過地面站再進(jìn)行指令操作，這可能需要30分鐘到一個(gè)小時(shí)。而通過衛(wèi)星間鏈路，我們可以實(shí)時(shí)向衛(wèi)星發(fā)送直接指令，大大提高了操作的效率和響應(yīng)速度。

　　總部位于東京的Axelspace公司預(yù)計(jì)，衛(wèi)星間激光通信鏈路將為低地球軌道（LEO）衛(wèi)星應(yīng)用帶來新的領(lǐng)域。該公司成立于2008年，去年，Axelspace獲得了日本新能量和工業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的合同，開發(fā)一種有望成為日本未來6G電信基礎(chǔ)設(shè)施一部分的衛(wèi)星間光通信系統(tǒng)，星座有望在2030年前投入運(yùn)行。

　　“怎么提升在九游娛樂的游戲體驗(yàn)？”

　　Axelspace于2013年發(fā)射了首顆衛(wèi)星——10公斤的WNISAT 1，這是全球首顆商業(yè)氣象衛(wèi)星。目前該公司已發(fā)射了9顆衛(wèi)星，包括五顆GRUS地球觀測(cè)星座的航天器。

　　小衛(wèi)星可能將變得“更大”，其中立陶宛的Kongsberg NanoAvionics公司也預(yù)見到這一趨勢(shì)。該公司最近宣布完成了其微型和納米衛(wèi)星總線的全面標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)志著其在衛(wèi)星技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

　　Kongsberg NanoAvionics的首個(gè)任務(wù)是搭載業(yè)余無線U LituanicaSAT-1衛(wèi)星，該衛(wèi)星已于同年發(fā)射。目前，該公司提供的最小衛(wèi)星型號(hào)為6U。

　　推動(dòng)小型衛(wèi)星向更大尺寸發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵因素是發(fā)射成本的降低。隨著SpaceX的超級(jí)火箭Starship的投入使用，運(yùn)力將不再成為重要限制因素。Kongsberg NanoAvionics已經(jīng)擴(kuò)展到ESPA級(jí)MP42，并在2024年3月發(fā)射120公斤衛(wèi)星。

　　持續(xù)的微型化進(jìn)展和發(fā)射成本的降低使得更復(fù)雜的有效載荷得以實(shí)現(xiàn)。然而，隨著有效載荷的復(fù)雜化，熱量和能量需求也隨之提高，這就需要更大的衛(wèi)星來滿足這些需求。

　　因此，原本通過縮小尺寸和降低成本獲得的優(yōu)勢(shì)可能會(huì)逐漸消失，導(dǎo)致衛(wèi)星的體積再次增大。預(yù)計(jì)未來小型衛(wèi)星行業(yè)將整體向150到250公斤的更大平臺(tái)轉(zhuǎn)變，而大多數(shù)立方星的購(gòu)買者將更加關(guān)注更大的16U平臺(tái)。

　　小衛(wèi)星在地球觀測(cè)領(lǐng)域嶄露頭角。隨著SpaceX的Starlink巨型星座的出現(xiàn)，它們也開始占領(lǐng)通信市場(chǎng)。Starlink是低地球軌道小型衛(wèi)星能夠提供的一項(xiàng)能力的良好例子，而這正是其他任何人無法提供的。

　　在20世紀(jì)90年代，NASA團(tuán)隊(duì)開發(fā)了詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的概念，這標(biāo)志著一個(gè)科學(xué)探索的新紀(jì)元。隨著時(shí)間的推移，小衛(wèi)星技術(shù)已經(jīng)從最初的低地球軌道擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的太空區(qū)域，包括中地球軌道、地球靜止軌道和月球軌道。這一擴(kuò)展使得小型衛(wèi)星能夠執(zhí)行包括雷達(dá)遙感在內(nèi)的多種新型應(yīng)用。

　　低地球軌道作為小衛(wèi)星進(jìn)入太空的起點(diǎn)，已經(jīng)為行業(yè)奠定了基礎(chǔ)。然而，技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)高可靠性的需求推動(dòng)了小衛(wèi)星向更高軌道的探索。美國(guó)國(guó)防部等機(jī)構(gòu)已經(jīng)積極參與到這一進(jìn)程中，探索中地球軌道上的新機(jī)會(huì)。

　　小衛(wèi)星的性能和成本效益的結(jié)合，為商業(yè)和政府任務(wù)提供了更具吸引力的解決方案。過去一些被認(rèn)為需要高功率、不適合小型衛(wèi)星的任務(wù)，現(xiàn)在也已經(jīng)被證明可以由這些衛(wèi)星完成。這一轉(zhuǎn)變預(yù)示著小型衛(wèi)星技術(shù)將在未來幾年內(nèi)繼續(xù)發(fā)展，拓展其在太空中的應(yīng)用范圍。

　　預(yù)計(jì)低地球軌道將繼續(xù)是小衛(wèi)星的主要市場(chǎng)，但同時(shí)也將看到向中地球軌道、地球靜止軌道和月球軌道的擴(kuò)展。在地球靜止軌道上，除了通信應(yīng)用的需求外，太空態(tài)勢(shì)感知的需求也在增長(zhǎng)。隨著對(duì)月球探索的深入，預(yù)計(jì)在2030年代，月球附近空間的小型衛(wèi)星平臺(tái)將發(fā)揮重要作用，包括建立通信網(wǎng)絡(luò)和導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　小衛(wèi)星行業(yè)正期待著一個(gè)“星座黃金時(shí)代”，這將帶來繁忙的發(fā)射計(jì)劃和新的應(yīng)用場(chǎng)景。從地球靜止環(huán)中的間諜衛(wèi)星監(jiān)測(cè)，到月球和火星周圍的數(shù)據(jù)中繼和導(dǎo)航衛(wèi)星，小衛(wèi)星將承擔(dān)越來越復(fù)雜的任務(wù)。

　　此外，太空機(jī)器人技術(shù)、主動(dòng)太空垃圾清除、軌道服務(wù)和太空制造等領(lǐng)域的出現(xiàn)，預(yù)示著小衛(wèi)星將在未來的太空探索和應(yīng)用中扮演更加關(guān)鍵的角色。

　　本文轉(zhuǎn)載自“空天感知”，原標(biāo)題《更智能、更自主、更強(qiáng)大：未來的小衛(wèi)星技術(shù)可能如何發(fā)展？》。

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