皮型卫星的发与ＭＥＭＳ卫星设计

一、研究背景

微机电系统是专指外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成它的机械零件和半导体元器件尺寸在微米至纳米量级(10－6～10－9m)，可对声、光、热、磁、运动等自然信息进行感知、识别、控制和处理的微型机电装置。它是正在飞速发展的微米和纳米技术的一项十分重要的成果。它将微型电机、微型电路、微型传感器、微型执行器等微型装置和器件集成在硅片上, 不仅能搜集、处理与发送信息或指令, 还能按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。

在空间应用方面，MEMS技术的突出优点对航天工业的技术进步有着重大的推动作用。由于航天技术对器件功能密度比的要求非常高，因此MEMS技术首先应用在航天技术领域，也可以说，MEMS技术的主要需求牵引来自于航天技术。例如，通常的陀螺仪重量一般为1～2kg，体积约为15cm×8cm×5cm，而MEMS惯性测量组合(包含3个微陀螺仪)的重量只有10g，体积仅有2cm×2cm×0.5cm，不仅可靠性大大提高，而且价格只有前者的1/40。因此，通过MEMS技术研究可以牵引出一批MEMS器件的研制与应用，如微加速度计、微陀螺、微型地平仪、微型磁敏感器、微惯性组件、微型太阳敏感器、微型星敏感器、微型动量轮、微光谱仪、微推进、RF－MEMS开关、微型CCD传感器、微红外仪和微驱动器等MEMS器件。这些器件不仅在航天领域起到重要作用，而且在IT产业、汽车行业、家电行业以及玩具业有着巨大的市场。根据国外现有市场资料估计，5年内其产值将超过100亿美元。

正是由于MEMS器件的使用才使得航天器的功能密度比得到显著提高，体积、重量和成本大大降低，从而带来了航天器制造业的革命，特别是出现了以MEMS技术为核心的1kg以下的新一代皮型卫星。

二、研究意义

皮型卫星以其目标小、机动性强、可进行编队组网等特点和独特的实际应用价值，在军民两用高新技术中受到全世界的广泛关注。

在军事空间领域，可利用皮型卫星来完成多项任务，如空间目标成像，空间电子侦察以及进行空间电子干扰和目标拦截等。

在非军事领域，皮型卫星的一个重要用途是进行空间技术在轨试验。低投入、短周期的皮型卫星将给高新技术的太空试验带来希望。高技术演示验证是将研究成果工程化的重要手段，可以加速研究成果向工程研制和应用的转化，降低研制风险，提高使用效益。由于微小卫星领域的技术发展和更新非常迅速，因此加强高技术演示验证就成为一项极为重要的工作。通过大卫星进行技术试验，周期长、成本高、风险大；而利用皮型卫星“快、好、省”的特点，可以加速MEMS新技术成果的在轨演示验证，从而加速技术更新，推动MEMS空间技术的发展。

航天市场的需求也刺激了皮型卫星的发展。按目前通用的现代小卫星分类方法，可以看出现代小卫星的制造成本随制造周期的增加而增加，技术先进性随制造周期的增加而下降。因此，具有重量轻、性能好和研制周期短的现代小卫星，特别是皮型卫星会给航天技术的发展带来新的机遇。它将改变人们对航天事业高投入、高风险的传统观念，使更多的科技人员献身与投入航天事业，从而使更多的新技术更快地应用于航天。此外，在高校和科研院所中开展皮型卫星的研究，不仅带动了学科的发展，而且也培养了一批宇航人才。

三、研究特点

皮型卫星采用MEMS中的多重集成技术，即利用大规模集成电路的设计思想和制造工艺。它不仅把机械部件像电子电路一样集成起来，而且把传感器、执行器、微处理器以及其它电学和光学系统集成于一个极小的几何空间内，形成具有特定功能的机电一体化卫星部件或分系统。这种由分散趋近集成的设计方法，可以使装置轻巧坚固，提高可靠性，轻而易举地实现航天器设计人员梦寐以求的目标，而且可以用同一工艺制作成千上万个装置，如同专用集成电路一样进行批量生产，从而明显降低皮型卫星及其部件的造价。

由于皮型卫星重量很轻，可不使用高成本的大型运载工具进行发射，因此其成本比一般卫星大大降低。分布式的星座结构可以多次发射，对损坏的部分很容易修复和替换，承受重大经济损失和系统失败的风险几乎为零，具有很高的可靠性。从军事上来说，分散布置可以提高系统的生存能力。另外，皮型卫星的研制将不再需要大型的实验设施和高跨度厂房，可以在大学和研究所的实验室里进行，这也降低了它们的研制费用。

不过，皮型卫星需要由一定数量的卫星形成分布式星座系统才能实现其功能，这就大大增加了系统的复杂程度，对不同功能的皮型卫星之间的连接、数据传输和功能协调提出了更高的技术要求。美国国家侦察办公室(NRO)认为，目前研制的小卫星的对地观测分辨率还比不上大卫星，且管理由众多小卫星组成的卫星网络的花费比管理由少量大卫星组成的网络的花费要大。但是，随着科学技术的迅猛发展，相关领域研究的不断深入，以及各种加工工艺和对系统管理能力的逐步完善，其负面影响将越来越小。

四、研究进展

根据有关资料，到目前为止只有美国进行了皮型卫星的发射试验，日本、加拿大和我国台湾省都制定了在2003年发射皮型卫星的计划，主要是进行通信和空间成像等方面的科学试验。以下是近年来皮型卫星的研究情况。

1、“在轨皮型卫星自动发射器”(OPAL)

2000年1月26日，由美国斯坦福大学研制的OPAL微小卫星发射成功。它是一种用于皮型卫星在轨发射的航天器，主要是进行皮型卫星发射试验。OPAL上一共搭载了6颗皮型卫星，它们是由宇航公司为国防高级研究项目局研制的两颗皮型卫星，美国圣塔克莱拉大学的学生研制的3颗“阿蒂米斯” 皮型卫星，以及一颗由无线电业余爱好者研制的StenSat皮型卫星。

(1)宇航公司研制的皮型卫星(OPAL－1和2)

这组卫星由美国国防高级研究项目局出资，由美国宇航公司设计制造。它是世界上最小的民用卫星(10cm×7.5cm×2.5cm，245g)。它由两颗相同的皮型卫星通过一条细细的金线连接组成。

这组卫星主要进行的飞行实验有母星/子星分离技术；对子星的定位和跟踪；数据的上行/下行传输；对MEMS无线电频率开关阵列的实验。

(2)“阿蒂米斯”(OPAL－3、4和5)

“阿蒂米斯”皮型卫星计划由JAK、“塞尔马”和“路易斯”3颗皮型卫星组成，由美国圣塔克莱拉大学实验室研制而成。其具体目标有两个：一是通过一年的时间研制几颗费用低于10000美元的皮型卫星，探索在微型航天器设计方面的“更小、更快、更省”之路；二是利用皮型卫星完成科学任务来验证皮型卫星结构体系的可靠性。

“阿蒂米斯”皮型卫星的飞行任务包括测试任务和科学任务两部分。

测试任务：JAK皮型卫星相当于一颗卫星所有基础关键部件的简单集成，主要任务是用摩尔斯码发送“阿蒂米斯”的网站点。其寿命由星上电池容量所决定，大约12个小时。

科学任务：“塞尔马”和“路易斯”两颗皮型卫星将同步收集有关闪电现象的数据，再通过美国的国家雷电探测网与地面站收集的数据进行比较。

(3)StenSat皮型卫星(OPAL－6)

StenSat皮型卫星是由无线电爱好者组成的StenSat小组研制的。它的重量为232g，体积约197cm3，作为一个单独的J模式调频频道声音转发器可供全世界的业余无线电爱好者使用。其上行频率是145.84MHz，下行频率是436.625MHz。

这6颗皮型卫星分别于2000年2月6日和2000年2月11日从OPAL上成功发射到了预定轨道。不过，只有宇航公司的两颗皮型卫星传回了数据，其它4颗皮型卫星都没有传回任何信息，终因能量耗尽而宣告失败。尽管结果不是十分满意，但宇航公司皮型卫星的成功发射标志着微小卫星的发展已进入公斤级的皮型卫星阶段。

2、“立方星”

“立方星”计划是美国斯坦福大学空间系统开发实验室和加州理工大学的联合研制项目。该计划旨在研制一种长宽高均为10cm的立方体结构皮型卫星，并以此作为皮型卫星设计、制造和发射等的标准框架。美国一站式卫星解决方案公司(OSSS)已将此项目成果进行了商业化运作，出售不同配置的“立方星”皮型卫星。每颗标准配置的“立方星”包括发射费用在内售价为75000美元。

目前，国际上许多大学和科研院所都相继购买了“立方星”，并在其基础上进行有效载荷实验，进而服务于自己的皮型卫星发展计划。

(1)“基于微机电系统的皮型卫星检验员”(MEPSI)

MEPSI是美国国防部“空间试验计划卫星”(STPSat)－1上的一个有效载荷。它由宇航公司和美国航宇局的喷推实验室在“立方星”的基础上研制而成，并于2002年12月2日从航天飞机上送入轨道。这两颗系绳皮型卫星采用了高度集成的皮型卫星总线技术，并装备了包括射频收发器、3轴惯性传感器、微型推进器和磁强计等在内的多种MEMS器件，进行航天飞行测试。

在MEPSI的发射过程中，首次采用了为“立方星”专门设计的“多颗皮星轨道部署器”(P－POD)。这种部署器装有弹射机构，可携带多颗“立方星”进行同时发射，从而大大降低了发射成本。例如，已经设计完成的“飞马座”发射机构配有6组P－POD，可一次装载36颗“立方星”。

(2)“加州理工大学皮星”(PolySat)

PolySat是加州理工大学在开发“立方星”的过程中，由学生小组研制的一颗皮型卫星。它装有一个利用光能技术开发的太阳敏感器，并进行磁力矩器的试验研究。目前，加州理工大学正在第一颗PolySat的基础上开发研制第二颗PolySat，用于演示1200bps数字通信技术、三轴姿控技术和低功耗数据处理与转存技术。

(3)“蕃薯卫星”(YamSat)

“蕃薯卫星”1A、1B和1C是台湾“国家太空计划室”(NSPO)在“立方星”的基础上开发研制的3颗皮型卫星，目的在于发展应用于航天领域的MEMS技术和微/纳米技术。此外，“蕃薯卫星”上还带有一个微型光谱仪进行空间试验。

(4)“加拿大先进纳米空间实验”皮卫星(CanX－1)

CanX－1是加拿大多伦多大学基于“立方星”实施的CanX计划的第一颗皮型卫星。CanX计划旨在开发、试验低成本空间技术，并通过低功耗微型器件来完成航天飞行任务。CanX－1的关键技术有基于ARM微处理器的星上计算机、基于互补型金属氧化物半导体(CMOS)原理的成像仪和星跟踪器以及用于三轴稳定控制的磁敏感器等。

五、“MEMS卫星”设计

清华大学提出研制的“MEMS卫星”因为其主要采用MEMS技术和使用MEMS器件作为关键部件而得名。

1、卫星任务

“MEMS卫星”按国际先进水平设计，其重量应在1kg左右，考虑到国内近期的水平，可能会在5kg以内。这颗基于MEMS的新概念卫星将应用微型推进器和微型磁敏感器等MEMS器件。

“MEMS卫星”作为一种新概念卫星，旨在探索皮型卫星的新概念，同时也作为MEMS技术空间演示平台，验证MEMS器件空间应用的可靠性。在此基础上，开展皮型卫星中所必需的MEMS关键技术攻关，进而集成为皮型卫星并针对应用开展组网与编队飞行技术的研究。因此，也可以说“MEMS卫星”在采用MEMS技术的同时也会牵引MEMS技术的快速发展。

2、总体方案

要实现“MEMS卫星”的概念，关键在于设计出最小的卫星系统，也就是通常所说的卫星平台，由通信、姿控、能源、星上数据处理四个部分组成。与传统意义的卫星平台不同的是，“MEMS卫星”平台的整合性更强，集成度更高，将采用一体化的设计方法，将体积和功耗大大降低。在此基础上，搭载微推进器、微磁强计、微型惯性测量组合等MEMS器件作为有效载荷。

“MEMS卫星”的外形结构为近似六面体，外形尺寸约为200mm×200mm×100mm。内部采用模块式空间分布，携带的4个相机镜头分布在六面体的四个方位角上。六面体的5个面上装太阳能电池，一个面上装有微推进器，天线约长200mm。

3、有效载荷

“MEMS卫星”实验的有效载荷是自主开发的MEMS器件，目前正在积极研制中，有望通过“MEMS卫星”来完成空间技术演示。

(1)微型惯性测量组合

微型惯性测量组合(MIMU)是国际上近年来发展起来的高新技术。作为目前惯性技术发展的重要方向，它具有完全自主式导航、不易受外界干扰、数据更新率高、短期精度和稳定性好等优点。尤其重要的是，与传统惯性器件相比，它的体积更小，重量更轻，且成本相对较低，这些对微小卫星领域的应用来说均具有非常重要的意义。

(2)微型星载GPS接收机

将GPS技术应用于航空航天领域，可以大大增强航天器的自主性，并能进行编队飞行和卫星星座等科学实验。在卫星上安装GPS接收机可以进行自主轨道确定、自主在轨导航、操作与控制以及平台间的精确相对定位，从而增加了卫星的飞行任务。微型星载GPS接收机是GPS应用领域的一个新的热点，它集姿态和轨道测量、姿态控制、轨道控制、命令数据处理服务和科学仪器授时于一体。

(3)CMOS照相机

空间成像是“MEMS卫星”的演示任务之一，拟采用CMOS图像传感器进行方案设计。CMOS图像传感器采用标准的CMOS技术，继承了CMOS技术的优点，如静态功耗极低、动态功耗与工作频率成比例、噪声容限大、抗干扰能力很强、特别适用于噪声环境恶劣条件下工作、工作速度较快和只需要单一电源工作等。

(4)微推进器

通过“MEMS卫星”来进行空间实验的主要MEMS器件之一是微推进器。它可进行姿态控制和机动变轨等操作。目前主要进行MEMS推进的设计方法研究，关键工艺的攻关，微尺度下推进系统的性能分析和微推进系统性能测试，并结合MEMS卫星进行微推进系统的应用研究等。

(5)微磁强计

磁强计是利用大地磁场强度进行卫星空间姿态确定的敏感器件。它由于体积小和功耗低等优点而在微小卫星上被广泛采用。

六、结　论

通过分析以上资料，可以得到以下结论：

近年来美国、日本等国家相继开展了对空间MEMS器件与皮型卫星的研制与发射试验，说明其具有巨大的应用潜力。

皮型卫星因其体积功耗所限，功能比较单一，但是如果开发出标准的皮型卫星平台，在其基础上装载不同的有效载荷，再加上具有“一箭多星”的发射特点，可以满足不同的飞行任务需要。所以，研制开发标准的皮型卫星总线系统和皮型卫星应用平台是充分发挥皮型卫星优势的必要条件。

为了整体提升空间技术水平，新技术的在轨飞行演示和验证是必不可少的过程，而实现这一过程的最佳途径，就是利用纳型卫星或皮型卫星平台。“MEMS卫星”是一颗全新设计概念的卫星。我们通过对其总体方案的设计，已经论证了其研制的可行性。以此来探索皮型卫星的设计思路，也为我国空间MEMS技术提供了一种有效的演示途径。通过对“MEMS卫星”的设计与研制，将推动我国微小卫星技术向纵深发展，有望进一步缩小我国的微米与纳米技术与国外的差距。

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