更智能、更自主、更强大：未来的小卫星技术可能如何发展？

近年来，随着太空经济的发展，许多小卫星公司正在逐步淘汰曾使其崭露头角的立方星平台，转而专注于更大、更强大的下一代小型卫星。这些新一代卫星将通过先进的人工智能和实时激光卫星间通信，开启全新的可能性。

在过去的15年中，小卫星彻底改变了太空领域的运作方式。这些卫星利用廉价现成组件快速制造而成，体积小巧，能够以低廉的成本搭载在更大型的发射任务中。

这种方式和背后的新兴灵活的小卫星公司向传统航天工业给出了一些重要参考。

然而，随着新一代太空业务的逐渐成熟，用户有了更高的期望。最低成本和最短发射时间可能已不再是技术的最大吸引力，用户希望获得最大投资回报，并要求更高的可靠性。

小卫星的演变

小卫星的历史可以追溯到最初的美国1958年发射的探测者1号卫星，其重量仅为13公斤。随着火箭提升能力的不断增强，卫星技术迅速发展，体积逐渐增大，复杂的卫星开始占据太空，负责从高空观察地球、跨洲广播电视信号以及监测周围环境。

直到1980年代中期，研究人员才重新关注起几十到几百公斤的小型卫星，真正的小卫星始于1999年立方体卫星的发明，最初是由加州理工大学和斯坦福大学的一个团队于1998年发起的。CubeSat即立方星，是一个结构形状呈立方体的微小卫星。

这种卫星虽然重量轻体积小，但是能够搭载一定的空间实验载荷开展科学实验，并且价格低廉，目前已经成为一种国际化的微小卫星标准。很快，来自全球各地的大学团队开始发射自己的实验性航天器，为学生提供实践空间技术的机会。第一次CubeSat发射是在2003年。

到2014年，总部位于旧金山的Planet Labs推出了首个商业卫星星座——由28颗三单元（3U）地球观测立方体卫星组成的“鸽子”又称为“鸽群”。如今，已有超过120颗“鸽子”在轨道上运行，每天多次拍摄地球上的每一个地方。

其他公司也纷纷效仿。截至目前，立方星已经成功进入火星和月球轨道，并实时观察了2022年NASA的双小行星重定向测试（DART）对小行星Didymos的撞击。

更大的小型卫星平台——质量可达500 Kg，也日益受到欢迎。实际上，得益于SpaceX的Starlink互联网卫星星座，这些更大型的小型卫星如今主导了地球周围的太空。

咨询公司Novaspace预测，在未来十年内，将发射26,104颗小型卫星，包括质量在100到500公斤之间的迷你卫星、10到100公斤的微型卫星以及质量在1到10公斤的纳米卫星。

让我们尝试从一些国际小卫星制造商的发展一窥小卫星未来演变。

AI与边缘计算

边缘计算被视为小型卫星技术发展中的主要范式转变。这种计算方法将数据处理能力带到数据源的近旁，而不是依赖于远程数据中心。通过在轨道上直接分析图像和测量数据，卫星不再需要在通过地面站时将数据回传，从而极大地提升了其能力，使其成为决策者而不仅仅是数据收集者。

保加利亚的EnduroSat公司，作为这一变革的先行者，已经为IBM建造了名为Platform 1的实验卫星，自2022年起，该卫星一直在测试用于在轨地球观测图像处理的人工智能算法。

这标志着小型卫星技术的一个新里程碑，将卫星转变为具有自主处理能力的智能体。

尽管太空环境的严苛条件，如极端温度和高水平辐射，对电子设备构成挑战，边缘计算在太空中的全面推广仍面临一定障碍，但其潜在应用前景非常广阔。

具备人工智能的卫星将能够自主识别对用户最相关的图像，躲避太空垃圾，分析故障和遥测数据，并在很少人为干预的情况下运行。

EnduroSat希望实现的轨道能力，将更接近地面用户的使用体验。例如，卫星上可以集成加速硬件如FPGA和GPU，以实现大规模的边缘计算。从电源系统到控制系统，整颗卫星被设想为一个去中心化的网络，由不同组件构成，这些组件之间可以相互通信。

最终用户应该能够像使用新款苹果Mac或iPhone一样，无需专业培训即可轻松使用卫星，这将极大地降低使用门槛，推动小型卫星技术的普及和应用。

（星载一体、边缘计算等方向，也是国内从业者关注的重要领域）

空中通信

星间通信，卫星间通信技术被视为航天工业的游戏规则改变者。这种技术类似于在轨道上拥有一根光纤，能够实现实时与每颗卫星的通信，从而创造出创新的应用。

低地球轨道卫星星座提供超过10 Gbps的高数据吞吐率和光速数据交换，将通过位于地球静止轨道（GEO）的中继卫星与地面站进行实时通信。结合在轨数据处理和人工智能，这一技术将使用户能够在地球上迅速获得重要见解，图像拍摄后即可获取。

此外，该系统还将提升国家安全和防御能力，允许通过几乎不可能被干扰和截获的光链路实时指派卫星任务。这与传统情况不同，传统情况下我们需要等待卫星飞过地面站再进行指令操作，这可能需要30分钟到一个小时。而通过卫星间链路，我们可以实时向卫星发送直接指令，大大提高了操作的效率和响应速度。

总部位于东京的Axelspace公司预计，卫星间激光通信链路将为低地球轨道（LEO）卫星应用带来新的领域。该公司成立于2008年，去年，Axelspace获得了日本新能量和工业技术开发机构（NEDO）的合同，开发一种有望成为日本未来6G电信基础设施一部分的卫星间光通信系统，星座有望在2030年前投入运行。

Axelspace于2013年发射了首颗卫星——10公斤的WNISAT 1，这是全球首颗商业气象卫星。目前该公司已发射了9颗卫星，包括五颗GRUS地球观测星座的航天器。

更高可靠性

小卫星可能将变得“更大”，其中立陶宛的Kongsberg NanoAvionics公司也预见到这一趋势。该公司最近宣布完成了其微型和纳米卫星总线的全面标准化，标志着其在卫星技术领域的进一步发展。

Kongsberg NanoAvionics的首个任务是搭载业余无线电有效载荷的1U LituanicaSAT-1卫星，该卫星已于同年发射。目前，该公司提供的最小卫星型号为6U。

推动小型卫星向更大尺寸发展的一个关键因素是发射成本的降低。随着SpaceX的超级火箭Starship的投入使用，运力将不再成为重要限制因素。Kongsberg NanoAvionics已经扩展到ESPA级MP42，并在2024年3月发射120公斤卫星。

持续的微型化进展和发射成本的降低使得更复杂的有效载荷得以实现。然而，随着有效载荷的复杂化，热量和能量需求也随之提高，这就需要更大的卫星来满足这些需求。

因此，原本通过缩小尺寸和降低成本获得的优势可能会逐渐消失，导致卫星的体积再次增大。预计未来小型卫星行业将整体向150到250公斤的更大平台转变，而大多数立方星的购买者将更加关注更大的16U平台。

从遥感到通讯及其他

小卫星在地球观测领域崭露头角。随着SpaceX的Starlink巨型星座的出现，它们也开始占领通信市场。Starlink是低地球轨道小型卫星能够提供的一项能力的良好例子，而这正是其他任何人无法提供的。

在20世纪90年代，NASA团队开发了詹姆斯·韦伯太空望远镜的概念，这标志着一个科学探索的新纪元。随着时间的推移，小卫星技术已经从最初的低地球轨道扩展到更远的太空区域，包括中地球轨道、地球静止轨道和月球轨道。这一扩展使得小型卫星能够执行包括雷达遥感在内的多种新型应用。

低地球轨道作为小卫星进入太空的起点，已经为行业奠定了基础。然而，技术的进步和对高可靠性的需求推动了小卫星向更高轨道的探索。美国国防部等机构已经积极参与到这一进程中，探索中地球轨道上的新机会。

小卫星的性能和成本效益的结合，为商业和政府任务提供了更具吸引力的解决方案。过去一些被认为需要高功率、不适合小型卫星的任务，现在也已经被证明可以由这些卫星完成。这一转变预示着小型卫星技术将在未来几年内继续发展，拓展其在太空中的应用范围。

预计低地球轨道将继续是小卫星的主要市场，但同时也将看到向中地球轨道、地球静止轨道和月球轨道的扩展。在地球静止轨道上，除了通信应用的需求外，太空态势感知的需求也在增长。随着对月球探索的深入，预计在2030年代，月球附近空间的小型卫星平台将发挥重要作用，包括建立通信网络和导航系统。

小卫星行业正期待着一个“星座黄金时代”，这将带来繁忙的发射计划和新的应用场景。从地球静止环中的间谍卫星监测，到月球和火星周围的数据中继和导航卫星，小卫星将承担越来越复杂的任务。

此外，太空机器人技术、主动太空垃圾清除、轨道服务和太空制造等领域的出现，预示着小卫星将在未来的太空探索和应用中扮演更加关键的角色。