微小卫星技术发展和应用前景

072Ka频段HTS卫星系统以及发展前景+ 苏玉良 中海油信息科技有限公司李庆安 休斯网络技术(北京)有限公司一、HTS卫星的基本概念：High Throughput Satellite 卫星（高吞吐量）卫星， 是新一代通信宽带通信卫星的统称，通常情况下，一个HTS卫星具有以下特征：多波束覆盖、对卫星划分频率的重复使用是HTS卫星提高吞吐容量的主要方法，在相同的划分频率范围内，该卫星载荷的吞吐量至少是传统FSS卫星的两倍以上（经常为许多倍），一般为20倍到50倍。

使用Ka频段或者Ku频段，但新的卫星已经不会使用Ku 频段，由于与FSS卫星的轨位协调问题。

（将来使用其他它频段）。

卫星容量覆盖特定的较小地面区域，因此显著增加了下行卫星功率。

采用新一代的宽带卫星通信关口站和终端小站技术，支撑数十万套用户终端的高吞吐量通信需求。

整个卫星地面通信系统对IP应用尤其是宽带IP应用应有全方位的无缝支持。

图1 传统卫星的大波束和HTS卫星的多点波束二、HTS卫星的系统结构：由于现在的宽带通信业务流基本为非对称传输，因此HTS卫星的基础架构也是非对称的，弯管型透明传输的HTS卫星为星型组网结构；星上配置处理和路由子系统的HTS卫星可以支持星状、网状或者树状拓扑结构。

HTS卫星双向链路分为前向链路和回传链路，前向链路将业务数据从关口站传输给用户端，也称为出向信道；回传链路将业务数据从用户端传输回关口站，也称为入向信道。

Ka 频段的天线增益显著增强，因此用户端设备更加小型化。

Ka 频段存在的传播问题，可以用先进的技术体制比如自适应编码调制技术等克服。

HTS卫星系统最重要的参数为系统容量，也划分为前向容量和回传容量，由于要为用户提供更高的下载速率，前向容量应该比回传容量预先设置的更高。

考虑到可用频谱的限制，为有效提高系统容量，HTS卫星通常采用频率重复使用的多点波束覆盖设计，对需要覆盖的区域使用由系列微小六角点阵组成的圆形点波束进行，相邻圆型点波束之间有部分区域重叠交叉，这样的设计将最大限度地利用星体天线的性能，并根本性地改善了卫星空中接口的性能（下行功率和上行灵敏度）、增加系统容量。

微电子技术的应用和前景微电子技术是应用在微观尺度的电子元件制造和设计方面的技术，它可以制造具有微小尺寸、高度集成和高功率、高速度和低功耗的电子元器件。

当前，微电子技术已取代了许多传统的电子技术，在各个领域都有广泛的应用，例如计算机、通讯、医疗、军事、汽车等。

本文将从应用和前景两个方面来介绍微电子技术。

一、微电子技术的应用1.计算机领域微电子技术在计算机领域的应用包括集成电路、微处理器、存储器等。

集成电路是指将数百万、甚至上亿个微小电子元器件集成在一起，以实现芯片级的系统。

各种芯片的设计与制造都离不开微电子技术的支持。

微处理器是计算机的核心，通过微电子技术的缩小设计制造，现在可以做到集成度非常高，性能大大提高。

存储器也是微电子技术的应用之一，它可以制造存储容量大、读写速度快、能耗低的芯片。

这些应用无论是在个人电脑上、手机上、平板电脑上，都对提高计算机的性能和功能有很大帮助。

2.通讯领域微电子技术在通讯领域应用比较广泛，如移动通讯、宽带网络、卫星通讯等。

移动通讯是指通过微电子技术主要实现无线通信，如手机、无线局域网等。

宽带网络也需要高速和大容量的信号传输，也离不开集成电路和微处理器的支持。

卫星通讯也是微电子技术的应用之一，由于卫星的上行信号很微弱，微电子技术的高灵敏度和低噪声设计可以保证信号的传输精度和稳定性。

同时微电子技术的应用也使得卫星设备可以更小、更轻量化。

3.医疗领域微电子技术在医疗领域的应用主要包括实现高精度、高时空分辨率的医疗设备。

微电子技术的应用让各种医疗设备设计和制造更加精细，例如医疗成像、实时监测和治疗等领域都有广泛应用。

例如医学超声成像系统、核磁共振成像、电子探针等医疗设备，都是微电子技术的应用。

微电子技术的应用让医生可以更加准确了解病人的身体结构，更好地进行治疗和手术。

4.汽车领域微电子技术在汽车领域的应用越来越广泛，现在汽车中已经应用了很多微电子技术产品。

例如电动汽车的电池管理系统、自动驾驶技术、车载娱乐系统、轮胎压力监测系统、电子防盗系统等。

InSAR技术在卫星测绘和地质勘探中的应用地质勘探和卫星测绘是两个领域中至关重要的技术。

近年来，随着科学技术的快速发展，InSAR（干涉合成孔径雷达）技术已经成为这两个领域中不可或缺的工具。

InSAR技术通过利用卫星搭载的雷达传感器，可以获取地表的微小变形信息，进而用于导航、测绘以及监测地壳运动等方面。

本文将深入探讨InSAR技术在卫星测绘和地质勘探中的应用。

首先，在卫星测绘领域，InSAR技术可用于地表地貌特征的提取和三维模型的构建。

利用卫星搭载的雷达传感器，InSAR技术可以获取地表微小变形信息，包括地表的海拔高度变化和地表的变形速率等。

通过使用InSAR技术，可以获取高精度的地形数据，实现对地表特征的准确提取和地形模型的构建。

这对于城市规划、土地利用和环境管理等方面具有重要意义。

例如，在城市规划中，InSAR技术可以用于提取建筑物的高度信息，辅助规划人员进行建筑物密度分析和城市布局设计。

其次，在地质勘探领域，InSAR技术也发挥着重要作用。

地质勘探中，了解地壳运动和地表地貌变化对分析地质构造和资源勘探非常重要。

传统的地质勘探方法需要大量人力和物力投入，而且时间周期较长。

然而，利用InSAR技术，可以实时监测地表的微小变形，提供及时的地壳运动信息。

这对于地震活动、地质灾害和地下水资源等的研究具有重要意义。

例如，在地震监测中，InSAR技术可以提供地震活动前、中和后期的地表变形信息，并帮助科学家们预测地震的发生时间和地点。

InSAR技术也可以应用于岩溶地貌和地下水资源勘探。

岩溶地貌是一种与地下水流动紧密相关的地貌类型，了解岩溶地区地表的变形情况有助于分析地下水资源的分布和流动。

利用InSAR技术，可以实时监测地表变形，根据地表变形的特征，推测地下水流动路径和水文地质特征。

这对于地下水资源的保护和合理利用非常重要。

另外，InSAR技术在卫星导航与定位系统（GNSS）中的应用也值得一提。

GNSS系统是一种基于卫星信号的导航和定位系统，如全球定位系统（GPS）。

第 32 卷 第 3 期 火 箭 推 进 Vol.32,№.3 2006年6月 JOURNAL OF ROCKET PROPULSION Jun.2006收稿日期：2005-11-01；修回日期：2005-12-20。

作者简介：吴汉基（1938—），男，研究员，研究领域为电推进技术及微重力科学实验技术。

微小卫星的在轨推进技术吴汉基，蒋远大，张志远，王鲁峰（中国科学院空间科学与应用研究中心，北京 100080）摘 要：简述了微小卫星对在轨推进（控制）技术提出的新要求，分析和比较了几种不同的在轨推进技术，着重介绍了脉冲等离子体推力器的应用和发展情况。

关键词：微小卫星；在轨推进；发动机；脉冲等离子体推力器中图分类号：V434 文献标识码：B 文章编号：(2006)03-0040-05On-board propulsion technologies formicro/minisatellitesWu Hanji, Jiang Yuanda, Zhang Zhiyuan, Wang Lufeng（Center for Space Science and Applied Research, Academia Sinica, Beijing 100080, China ）Abstract ：This paper presents the new requirements of on-board propulsion technology for micro/minisatellites, and compares different types of on-board propulsion technologies. Then the development and application of pulse plasma thruster were described with emphasis.Key words ：micro/minisatellites; on-board propulsion; engine; pulse plasma thruster1 引言微小卫星（10～100kg ）成本低、发射方式快速灵活，更重要的是，多颗不同功能的星可以组成星座或进行编队飞行，实现单个大型卫星无法完成的功能。

卫星遥感技术在地球环境监测和灾害预警中的应用随着人类对地球环境和自然灾害的认识逐步增强，监测和预警这两项工作愈发重要。

而卫星遥感技术便是其中一种重要手段，其可以获取大范围、多要素、高精度的遥感数据，可以为环境监测与灾害预警提供可靠的支持。

一、卫星遥感技术的概念及特点地球观测卫星是指用于在地球轨道上的遥感卫星，其通常由卫星平台、载荷及地面站组成。

卫星平台主要负责支撑载荷的工作，载荷则是指安装在卫星上用于探测地球表面信息的仪器装置，包括光学遥感、微波遥感、高光谱遥感等多种形式，其同时具有大面积覆盖、连续监测、多时相观测等特点。

二、卫星遥感技术在地球环境监测中的应用1、土地利用与覆被监测卫星遥感技术可以获取环境中土地利用、土地覆被、植被类型、植被覆盖率等地面信息。

通过遥感数据的获取、处理和分析，可以评估土地覆被变化对生态系统的影响，监测不同自然环境下的土地覆盖状况，为决策者提供土地规划、生态环境保护等方面的决策依据。

2、水资源监测卫星遥感技术可监测水体的面积、体积、水位等水文信息，并可以根据不同的传感器获取水体的温度、色度、化学成分等参数。

通过这些监测，可进行地表水的污染状况特征分析，提供水体管理和利用的数据参考。

3、大气环境监测卫星遥感技术可以监测地球大气颗粒物分布情况、悬浮物、SO2、NO2、CO等污染物质浓度分布情况。

通过对大气环境的监测，可以评估大气环境污染的状态，有利于发布空气质量预测和预警等工作。

三、卫星遥感技术在灾害预警中的应用1、地震预警卫星遥感技术可监测地表变形、地表活动、地表残余应力分布，通过遥感数据分析，可以监测地震迹象，并在最早的时候提供预警，从而实现人员和财产的安全。

2、洪涝灾害预警卫星遥感技术可通过监视洪水扩展状况等因素，提供洪涝灾害预警。

同时，可以利用遥感数据对灾区进行高精度、全面的空中观测，获得周边环境及地物信息，以及交通道路、建筑物等基础设施情况，从而为救援提供依据。

利用卫星进行地震监测和救援地震，这一自然界的巨大力量，常常在瞬间给人类带来沉重的灾难。

为了能够更有效地监测地震，提前预警，以及在地震发生后迅速展开救援工作，科学家们不断探索和创新，其中利用卫星技术成为了一项重要的手段。

卫星在地震监测中发挥着独特的作用。

首先，卫星可以对地球进行大面积、长时间的观测。

通过搭载的各种传感器，如光学传感器、雷达传感器等，卫星能够获取地表的形变、温度等信息。

这些数据对于分析地壳运动、判断地震的潜在风险具有重要意义。

在地震发生前，地壳会发生微小的形变。

虽然这种形变在地面上很难被察觉，但卫星却能够从太空的视角敏锐地捕捉到。

通过对一段时间内卫星数据的对比分析，科学家们可以发现地壳形变的趋势和异常，从而为地震的预测提供有价值的线索。

地震发生时，卫星能够迅速获取灾区的第一手信息。

其快速成像的能力，可以在短时间内对灾区进行大面积的拍摄，为救援指挥中心提供清晰的受灾区域图像。

这有助于救援人员快速了解地震的影响范围、建筑物的破坏程度以及道路的损毁情况，从而制定更加科学合理的救援计划。

卫星通信技术在地震救援中也不可或缺。

当地震导致地面通信设施遭到破坏时，卫星通信可以成为灾区与外界保持联系的重要通道。

救援人员可以通过卫星电话、卫星通信终端等设备与指挥中心进行沟通，及时汇报救援进展和需求，确保救援工作的高效协调。

此外，卫星导航系统在救援中也发挥着关键作用。

救援人员可以依靠卫星导航精准定位自己和受灾群众的位置，从而能够更加快速、准确地到达救援地点，提高救援效率，节省宝贵的时间。

为了更好地利用卫星进行地震监测和救援，各国都在不断加大投入和研发力度。

一方面，提高卫星的观测精度和数据处理能力，以便能够更准确地捕捉到地壳运动的细微变化和地震造成的破坏情况。

另一方面，加强国际间的合作与数据共享，使得全球的卫星资源能够更有效地整合和利用。

然而，利用卫星进行地震监测和救援也面临着一些挑战。

例如，卫星数据的解读和分析需要专业的知识和技术，如何将大量的卫星数据快速转化为有用的信息，对于科研人员和救援人员来说是一个难题。

垫！！±：！苎墨±＝生全璺塾三圭：墨主查：垄王查兰查±窒！型：皇塑纳米技术在航天工程中的应用及其展望白丁１，潘坚２（１航天科技集团公司九院７７２所，北京１０００７６２航天科技集团公司７０７所，北京１０００１３）摘要：本文介绍微纳米技术应用蛤航天技术和产业带来的变化，呈现的新的图象：包括微纳型卫星、航天飞行器及未来航天工程应用蚋米技术的展望．关键词：蚋米技术；航天飞行嚣；搬型蚋型卫星１引言纳米技术对航天技术和产业将产生直接而重大的影响，带来革命性的变化。

纳米技术不仅可得到用于航天的轻质高强度高热稳定材料，而且应用微纳米器件和微纳米系统可以创造全新概念的航天器．卫星和武器装备。

从而使航天系统微型化高性能化与环境友好化，并节约能源降低成本．易于产业化。

应用纳米技术未来可铷成１Ｋｇ以下的微纳型卫星，大小如一辆小汽车，成本只有几万美元的航天器：航天器的发射费用可以从目前的每磅１万美元降到约２００美元；井解决现有技术不能解决的许多问题，从而使航天技术与产业进入一个全新的境界．那时宇宙空间巨型系统与微型系统并存，协同工作更加灵活机动，出现人类更有效地控制太空利用太空的新景观。

航天产业也显出新的格局，将有更多的人更多的学校、企业、研究单位进入这一领域，这一变化也将产生深远的影响。

２当前微纳米技术在航天中的主要应用微纳米技术应用分材料、器件及系统。

当前主要是微机电系统器件微系统及纳米材料方面的应用。

ｌ、纳米材料：纳米隐身材料：纳米薄膜材料用于飞行器原子氧量化监测；高发射率纳米黑体材料用于星载高分辨率遥感设备：纳米材料用于发动机大大改善性能：纳米电池材料等，这些都是我们正在进行的工作。

２、制导、导航与控制分系统：专用集成微型仪表（ＡＳＩＭ）陀螺，微机电系统（ＭＥＳＭ）传感器，ＡＳＩＭ加速度表和惯性测量单元等。

３、卫星通讯分系统：采用集成互连和阻抗匹配网络．纳米技术可用来制造小型毫米喇叭天线和反射天线。

微小卫星技术的发展
尤政
【期刊名称】《科学（上海）》
【年(卷),期】2001(053)005
【摘要】@@随着微电子技术的发展,特别是近年来以微型机电系统(micro electronics & mechanics system,MEMS)和微型光机电系统(micro optical electronics&mechanics system,MOEMS)为代表的微米纳米技术的发展,使得微型卫星、纳型卫星甚至皮型卫星的实现成为可能.微型卫星、纳型卫星甚至皮型卫星的研究已成为航天技术研究的热点.rn
【总页数】4页(P16-19)
【作者】尤政
【作者单位】清华大学宇航技术研究中心,航天清华卫星技术公司,北京,100081【正文语种】中文
【中图分类】V4
【相关文献】
1.波兰微小卫星技术的崛起与发展 [J], 李懿德
2.微小卫星技术与应用的发展 [J], 张晓敏;张永维;马骏;孙国江;李琳琳;陆春玲;谢斌;姚芳;谭田
3.微小卫星技术的发展现状及趋势 [J], 王晓海
4.微小卫星技术发展及其应用 [J], 陆建华;王京;龚克
5.微小卫星技术发展和应用前景 [J],
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MEMS传感器研究现状和发展趋势摘要：微型化、集成化及智能化是当今科学技术的主要发展方向。

随着微机电系统（MicroElectroMechanicalSystem，MEMS）和微加工技术的发展，微型传感器也随之迅速发展。

介绍了MEMS传感器概念及种类，并对其研究现状、应用领域进行了分析总结和介绍。

最后，对MEMS传感器的一些发展趋势进行了论述和展望。

关键词：MEMS；传感器；微系统0引言MEMS传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。

与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。

同时，微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

第一个微型传感器诞生于1962年，至此开启了MEMS 技术的先河[1]。

此后，MEMS传感器作为MEMS技术的重要分支发展速度最快，长期受到美、日、英、俄等世界大国的高度重视，各国纷纷将MEMS传感器技术作为战略性技术领域之一，投入巨资进行专项研究。

随着微电子技术、集成电路和加工工艺的发展，传感器的微型化、智能化、网络化和多功能化得到快速发展，MEMS传感器逐步取代传统的机械传感器，占据传感器主导地位，并在消费电子、汽车工业、航空航天、机械、化工、医药、生物等领域得到了广泛应用。

1MEMS传感器及分类从微小化和集成化的角度，MEMS（或称微系统）指可批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路，直至接口、通讯和电源等于一体的微型器件或系统[2]。

微机电系统（MEMS）是在微电子技术的基础上发展起来的，融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术，并应用现代信息技术构成的微型系统。

是20世纪末、21世纪初兴起的科学前沿，是当前十分活跃的研究领域，涉及多学科的交叉，如物理学、力学、化学、生物学等基础学科和材料、机械、电子、信息等工程技术学科[3]。

中九卫星导言中九卫星，是中国的一颗地球观测卫星，由中国航天科技集团一院负责设计和制造。

中九卫星的主要任务是对地球进行高分辨率的遥感观测，为地质勘探、农业监测、环境保护等领域提供重要数据支持。

本文将重点介绍中九卫星的设计特点、技术参数以及应用前景。

设计特点中九卫星采用了先进的光学遥感技术，具备高分辨率、多光谱、多模式等特点。

首先，中九卫星的高分辨率能力可以达到亚米级，能够捕捉到地表细微的变化，对于城市规划、土地利用等方面具有重要意义。

其次，中九卫星具备多光谱功能，可以获取不同波段下的影像数据，从而实现更全面的地球观测。

再次，中九卫星支持多模式观测，可以根据不同的应用需求选择合适的观测模式，提高观测效率和灵活性。

技术参数中九卫星的技术参数非常先进。

首先，中九卫星采用了先进的大视场光学系统，具备更广阔的观测范围，从而提高了观测效率。

其次，中九卫星拥有较长的续航能力，每一次任务能够持续观测的时间更长，减少了任务频率，降低了运维成本。

此外，中九卫星还具备高度的稳定性和精准的定位能力，能够在不同的天气和环境条件下保证观测数据的准确性和一致性。

应用前景中九卫星的应用前景非常广泛。

首先，中九卫星可以为地质勘探提供重要的数据支持。

利用中九卫星的高分辨率观测能力，可以捕捉到地表的微小变化，找到潜在的资源点位，为矿产勘探提供重要的依据。

其次，中九卫星可以用于农业监测。

通过对农田的观测，可以了解到作物的生长情况、病虫害的发生情况等，为农业生产提供科学的指导。

此外，中九卫星还可以用于环境保护领域。

通过对地表覆盖的观测，可以了解到环境污染的情况，提供数据支持，为环境治理提供参考意见。

结论中九卫星作为一颗具有高分辨率、多光谱、多模式等特点的地球观测卫星，具备广泛的应用前景。

通过对地球表面的观测，中九卫星能够为地质勘探、农业监测、环境保护等领域提供重要的数据支持，为社会发展和科学研究做出贡献。

随着技术的进一步发展，相信中九卫星将会在未来发挥更加重要的作用，并为我们带来更多的惊喜和发现。

第41卷第1期2020年2月国防科技NATIONAL DEFENSE TECHNOLOGYVol.41,No.1Feb.2020㊀[收稿日期]㊀2019-05-17[基金项目]㊀国家社科基金项目(12GJ003-095)[作者简介]㊀吕久明,男,高级工程师,博士,研究方向:航天发射测控总体;路建功,男,高级工程师,硕士,研究方向:航天发射试验总体;刁晶晶,女,工程师,研究方向:新型装备试验训练;闫兴凤,女,工程师,研究方向:装备采购与质量管理;王小虎,男,高级工程师,研究方向:航天力量建设规划㊂超低轨道卫星技术发展现状及应用吕久明,路建功,刁晶晶,闫兴凤,王小虎(酒泉卫星发射中心,甘肃㊀兰州㊀732750)㊀㊀[摘㊀要]㊀筑梦太空的征程任重而道远,加强超低轨道应用研究,是航天强国全面发展的必然选择㊂本文阐述了超低轨道卫星技术及比较优势,解析了超低轨道卫星试验情况,探析了超低轨道卫星关键技术,最后分析了作战应用潜力,以期抛砖引玉推动我国超低轨道卫星技术的创新发展㊂[关键词]㊀超低轨道卫星;太空安全;离子发动机;对地成像观测;作战应用[中图分类号]V19㊀㊀[文献标识码]A㊀㊀[文章编号]㊀1671-4547(2020)01-0033-05DOI:10.13943/j.issn 1671-4547.2020.01.09㊀㊀引言新一轮的技术创新及其产生的综合国力正在改变军事大国全方位竞争的走向,太空高新技术的探索与应用将成为影响并决定航天大国发展的风向标㊂随着太空技术发展和复合材料工艺的进步,各个国家或组织都开始逐鹿低层太空㊁开展超低轨道应用研究,突破低轨道空间资源的有效挖掘和应用,彰显其太空技术的领先性[1]㊂超低轨道卫星是指针对随机突发事件或自然灾害等应急对地观测快速响应能力的现实要求,为满足高分辨率成像观测与灾情图像监测的实际需要研制和发射的一种应急空间飞行器[2]㊂根据任务需求,对于恐怖袭击㊁局部冲突等突发性事件或减灾救灾自然灾害也可以利用超低轨道卫星,进行任务规划,短时间内获取高分辨图像数据[3],快速做出响应和处置㊂超低轨道卫星具有较好的对地成像观测性能和较短的重访周期,提高了热点敏感地区的信息获取能力,应用价值较高㊁潜力巨大,受到航天强国的垂青[4]㊂本文阐述了超低轨道卫星概念及比较优势,解析了超低轨道卫星试验情况,探析了超低轨道卫星关键技术,最后分析了作战应用潜力,以期为超低轨道卫星技术的创新发展和试验验证提供参考㊂一㊁超低轨道卫星概念及优势随着离子发动机㊁航天器调姿技术和防热耐蚀材料等的迅速发展,利用超低轨道部署微小卫星,进行对地观测和组网协同信息交互等[5]成为航天技术发展的一个重要方向㊂(一)基本概念超低轨道高度界定在120 300千米的飞行轨道,高于大气层且低于传统航天器轨道高度㊂超低轨道卫星技术则是指利用部署在120 300千米的轨道高度上的卫星平台,能够克服受低轨大气阻力㊁低空环境恶劣和轨道控制等因素引起的卫星姿态扰动影响,其搭载的有效载荷正常工作的轨道应用技术[4]㊂超低轨道卫星运行轨道高㊀国防科技㊀2020年第1期(总第320期)度低,适用于军事侦察㊁科学探测和低空环境研究㊂与低中高轨卫星相比,其成像分辨率好㊁图像质量高㊁探测数据精准,可增强成像分辨率㊁降低系统功耗㊁及时获取地海面信息,必将提高太空联合作战和天基信息支援的效果,在反恐维稳㊁应急救援㊁自然灾害勘查中具有较高的信息支援保障价值㊂(二)超低轨道卫星的优势相对于其他太阳同步卫星,其主要优势如下:一是发射成本低,在相同运载能力的情况下,采用更低的轨道,可提高发射载荷的能力,效费比将比传统的卫星明显提高;二是运行轨道高度低,采用快速响应方式能够快速抵达预定轨道并展开工作,实现高分辨率对地侦察;三是在轨重访周期短,在很小的时间间隔内可对同一目标进行再次侦察观测,观测重访次数高于传统侦察卫星,能够获取更清晰的信息;四是观测效果好,因其在超低轨道上运行,即使采用传统的侦察设备,也可以实施高分辨率对地观测,准确掌握地表和低空气象情况,甚至效果大大优于传统卫星;五是卫星机体的小型化㊁模块设计,降低了卫星平台和载荷的重量和功耗,进而大幅压缩了卫星成本和能耗[6]㊂二㊁超低轨道卫星试验情况解析超低轨道卫星在对地观测等方面具有较好的应用前景,具有较大的经济军事价值和科技应用价值,美国㊁日本及欧洲各国等均先后开展了超低轨道平台的研制和试验[7],并不断探索研究和试验验证,逐步摸清超低轨道空间环境特性和运行轨道特质,为未来工程应用提供技术基础[8]㊂因此,应跟踪超低轨道卫星发展现状,厚植基础,创新发展,突破瓶颈,做到未雨绸缪㊁游刃应对㊂当前,公诸于世的超低轨道卫星的计划主要有三种:欧洲航天局(简称欧空局)的GOCE卫星㊁美国Microcosm公司的NanoEye卫星和日本宇航研究开发机构(JAXA)的SLATS卫星㊂(一)超低轨道卫星发展情况1.美国超低轨道卫星美国Microcosm公司的NanoEye卫星为对地观测卫星,采用超低近圆轨道,近地点高度200千米,远地点高度300千米,在轨飞行设计寿命为半年至一年㊂NanoEye卫星采用标准化的Cubesat立方星技术㊁低成本载荷和商业新模式,实现低成本㊁高分辨率的目的,成为重点关注发展的成像卫星,其净重约20.6千克,可携带数倍于自身质量的推进剂,因而具备较好的机动性能,能够变轨至更低轨道上开展成像侦察㊂NanoEye卫星可在几小时内发射就绪,迅速升空入轨;若搭载光电红外载荷,可拍摄指定地点;若采用200 300千米最佳运行轨道,可拍摄分辨率为0.5 0.7米的清晰图像㊂美国Microcosm公司一直致力于 天蝎座 中小型运载火箭的发展,进行过两次亚轨道飞行试验㊂目前正在推进三级液体煤油燃料 天蝎座迷你精灵 火箭的研制,届时单枚火箭的成本和研发验证成本分别为300万美元和150万美元,可以承担NanoEye等单颗小卫星的发射入轨工作,并缩短了测试发射周期,提高超低轨道应用中的航天测试发射效率和效益㊂2.欧空局超低轨道卫星多年来,欧空局采取独立研究与合作研究的方式,长期致力于超低轨道卫星的研究,在超低轨道卫星研究上取得了一系列进展㊂2009年3月,欧空局发射了重力场和海洋环流探测卫星GOCE,该卫星采用细长体构型,重约1吨,发射高度为295千米,轨道倾角为96.7度,运行轨道为250 260千米高度,设计寿命为2年,但实际在轨工作时间超过4年㊂2013年10月中旬,GOCE卫星燃料耗尽,慢慢坠落,偏离运行轨道,完成了对地观测和超低轨卫星研制验证使命㊂3.日本超低轨道卫星2017年12月,日本宇航研究开发机构在种子岛航天中心将其研制的 超低轨道技术试验卫星 (SLATS)搭乘H-2A运载火箭成功发射入轨㊂通过测试发射和在轨运行等全过程的验证,证实了其具有较强的变轨机动能力,获取了实际飞行和低轨道空间环境数据,测试验证了对地面目标的高分辨率成像观测㊁超低轨道高度保持㊁轨道转移控制㊁耐蚀耐高温材料等一系列关键技术[9]㊂(二)超低轨道卫星试验情况分析超低轨道卫星试验主要验证超低轨道高度保持㊁对地高分辨率观测和低轨空间环境特性监控及相关试验等实践验证,并为后续工程应用提供43㊀吕久明,等:超低轨道卫星技术发展现状及应用基础数据[9]㊂综合相关文献资料,主要试验目标有:1.超低轨道保持技术验证轨道高度越低,相应地空气密度越大㊂极端条件下,无动力飞行的卫星不会坠落到地球上的最低轨道高度是160千米㊂180 270千米高度范围内的空气浓度是普通地球观测卫星轨道的近1000倍,如果不采取控制措施,卫星会很快耗尽燃料而坠入大气层烧毁㊂因此,部署于超低轨道的卫星必须配备持续高效的动力推进保持系统㊂而日本发射的超低轨道卫星采用了高比冲氙离子发动机,将气体电离,并借助于电磁力加速带电离子并向外喷出,产生反作用力,实现动力控制推进㊂离子发动机的加速度很低,一般只有几cm/s2甚至更低,与采用化学燃料推进的发动机相比,离子发动机提供的加速时间更长,发动机比冲更大,产生的微小推力可满足卫星在轨调姿和变轨的需要㊂而日本超低轨道卫星已经接近于轨道高度的下限㊂欧空局在大约260千米的高度上运行试验过详细观测地球重力的科学卫星㊂在实用的超低轨道卫星方面,日本完成了超低轨道卫星发射运行的初步尝试,其采用的离子发动机可根据大气阻力的变化情况,持续自适应调整推力,保证超低轨道卫星的长期留轨平稳运行,保持精度为1千米㊂2.超低轨道卫星姿态控制试验验证部署于超低轨道的卫星受到的大气阻力和配属的离子发动机产生的推力之间的相互作用,将引起卫星平台姿态非平稳的扰动,造成光电载荷成像模糊,对地面目标的观测性能下降㊂若采用高精度姿态控制系统,可以增加成像传感器稳定度和镜头或天线的指向精度,能够减轻成像分辨率受扰动因素的负面影响㊂据数据测算,超低轨道卫星的全色分辨率可达0.25米㊁景幅宽度达15千米[9]㊂3.超低轨空间大气环境特性分析受当前技术水平的限制,超低轨道卫星的大规模部署应用还有许多基础性问题亟待突破,其中超低轨道空间环境数据匮乏,给超低轨道卫星姿态调整和飞行控制等带来诸多不确定性㊂通过超低轨道卫星测试㊁仿真模拟和飞行试验,搭载空间环境探测仪,获取原子氧和大气密度等环境影响数据,构建接近实际的大气预测模型,精确掌握超低轨道空间环境特性,检验超低轨道卫星总体设计的有效性和超低轨道空间环境的适应性,不断积累工程经验㊂4.超低轨空间航天材料性能验证试验低轨道空间原子氧易与卫星载荷的耐烧蚀㊁抗辐射㊁隔热等航天材料发生化学反应和物理结构变化,从而造成卫星载荷的材料皲裂损伤,增加了在轨运行故障率,降低了超低轨道卫星的工作寿命㊂通过超低轨道卫星的飞行试验,获取超低轨飞行时的材料烧蚀演变历程数据,分析超低轨道空间环境对航天材料的影响程度,可以为耐蚀隔热材料的研制改进提供参考㊂三㊁超低轨道卫星关键技术探析低轨道运行卫星主要受高层大气阻力影响而产生摄动,125千米高度以上低轨道空间大气常处于湍流平衡状态,随着高度的增加大气密度按指数规律递减,湍流变化异常混沌无序㊂同时,受大气阻力的不利影响,轨道衰减量变化大,半长轴每天衰减量范围约为0.5 2.1千米[3]㊂超低轨道卫星运行的复杂空间环境明显倍增了运行轨迹规划和轨道维持保持的难度,对超低轨道卫星的轨道控制维持㊁姿态控制㊁变轨调控等技术提出了严峻挑战㊂(一)超低轨道控制维持技术由于超低轨道卫星轨道高度低,其飞行空间环境与同步轨道卫星相比存在较大差异,且飞行轨迹受地球非球形摄动的影响显著;昼夜交替的太阳活动变化对大气密度的影响剧烈,因此与低轨卫星所受到的气动力相比,超低轨道卫星通常高两三个数量级,其空间大气密度约为10-11~ 10-9kg/m3,超低轨道卫星受到的气动力达到几十毫牛顿,如长期积累,严重影响超低轨道卫星的运行轨道,需进行轨道控制维持㊂(二)超低轨道卫星平台姿态控制技术受限于超低轨道卫星搭载的相机口径,反射型潜望镜式的空间相机分辨率低于直焦型相机,且技术比较复杂㊂但是,直焦型相机采用较长的镜筒,对地定向时迎风面较大,造成卫星飞行时的气动阻力也较大,运行轨道衰减较快;同时,相机镜筒平均密度小,而卫星平台较重,造成卫星的整体质心偏离其形心,易产生气动旋转力矩,优化设计超低轨道总体结构成为基础性关键53㊀国防科技㊀2020年第1期(总第320期)问题㊂加强基于气动力矩的姿态控制与维持技术研究,解决超低轨道卫星气动力矩大的难题,实施姿态主动控制,有效保证足够高的姿态指向精度和平台稳定度,可减少在轨卫星能源消耗㊁降低研制成本,延长超低轨道卫星的运行周期,其工程应用意义重大,能够为卫星整体的低成本低功耗总体设计提供建设性的策略㊂(三)超低轨道卫星变轨技术超低轨道卫星要做到持续飞行㊁不坠落,必须进行控制变轨,其持续变轨能力取决于星载火箭发动机的性能㊂日本发射的超低轨道卫星使用氙离子发动机,首先将气体电离,然后在不同高度用电磁力喷射带电离子束,利用反作用力作为动力推进,抵消大气阻力,保持精度不低于1千米㊂此外,采取基于气动力矩与重力梯度矩的卫星平台三轴姿态被动控制维持方案,可实现变轨过程中的姿态控制与维持,姿态维持精度高㊁可靠性高,且具有抗干扰性㊁结构简单,在小倾角圆轨道卫星在轨运行中得到了广泛应用㊂(四)防热防蚀材料技术原子氧与分子氮会对超低轨道卫星表面材料和器件产生复杂的影响,严重时将影响卫星性能,增加卫星故障概率,甚至降低卫星寿命,使其很快坠入大气层㊂日本超低轨道卫星的试验成功,表明进行空间环境适应性研究的重要性,深入开展关于原子氧与分子氮的相关研究显得尤为必要㊂目前,大气环境相关研究数据严重匮乏,环境防护研究的试验环境搭建难以等效实际环境缺乏真实有效的大气密度㊁原子氧密度㊁大气分布㊁原子氧分布以及原子氧作用下多种卫星表面材料的性能变化数据㊂为了较好地掌握超低轨道卫星总体设计和在轨运行维持,需要合理设计风洞试验模型,多次重复开展大气密度㊁原子氧密度㊁原子氧材料等模拟试验,不断完善大气预测模型,研制对原子氧和分子氮有高耐抗性的材料,能够有效延长卫星寿命㊂(五)卫星结构与星载仪器总体技术超低轨道卫星结构大多数呈圆柱形,基本上与普通卫星相似㊂不同的是卫星装有半球形防热板,其功能是防止与大气摩擦发生的热传到星体㊂卫星在一百千米左右的高度飞行时,因卫星有防热板,可以高速而安全地飞过大气层,不会使星载电源系统和测量仪器发生故障㊂超低轨道卫星还配有测定电离层等离子体温度与密度的测量器,以及测量离子中性大气成分及密度的质谱计,研究太阳和臭氧层的紫外辐射计,以及测定大气密度的加速度计等㊂囿于超低轨道大气阻力大,设计寿命常不到六个月,成批次成规模应用尚待时日㊂尽管超低轨道卫星具备定点侦察㊁重访周期短㊁成像分辨率高等鲜明的优势,但目前大多数超低轨道卫星仍仅常用于短期对地观测㊁低轨道空间技术研制等任务㊂随着创新技术的迅猛发展,各个航天大国开始大力提升超低轨道卫星的发展能力,但是其技术难点还未获得显著突破[10]㊂与低中高轨卫星相比,超低轨道卫星具有研制时间短㊁价格低㊁易发射㊁抗毁性强等优势,并且在军事侦察㊁科学探测等方面具有巨大的经济效益和广阔的应用前景㊂因此,开展对超低轨道技术探索研究具有深远意义㊂四㊁作战应用潜力分析目前,世界航天大国根据自身航天技术发展水平和应用前景需求,不断探索超低轨道卫星技术,推进运载火箭㊁卫星平台和有效载荷的小型化㊁标准化和模块化,实现低成本高可靠的测试发射和在轨长周期运行控制[11]㊂当前,为探索超低轨道空间的开发和应用,多采用搭载发射方式,先发射进入500 900千米高度低轨道,再采用轨道转移和调姿控制等方法,逐步降低超低轨道卫星的运行轨道,再验证超低轨道卫星载荷的光学成像能力㊂一旦超低轨道卫星技术的可行性获得突破,将来可能搭载小型化的微波合成孔径成像雷达㊁电磁信号侦察设备㊁电磁干扰设备㊁信息传递设备或空对地打击武器,形成有效的实战应用能力,将对地面目标构成现实的威胁㊂超低轨道卫星作战应用潜力主要聚焦在:一是实行平战结合的天基高效应用潜力㊂目前,平时超低轨道卫星部署在320千米的太阳同步轨道运行,承担全球观测使命;而战时,则利用其搭载大推力推进系统,快速变轨至268千米同步回归轨道,执行热点地区定点侦察工作,实现平战结合的超低轨道卫星高效应用㊂二是超低轨道卫星灵活部署潜力㊂近几年,航天大国开始重视发展快速响应空间能力建设,而超低轨道卫星在快速响应空间中具有巨大的应用潜力,平时可批量63㊀吕久明,等:超低轨道卫星技术发展现状及应用研制㊁封存超低轨道卫星平台和有效载荷,战时再快速测试发射入轨,搭载高性能侦察载荷,甚至对地打击武器可以减小快速响应周期,迅速提高实战应用能力,形成有利于己方的作战优势㊂虽然超低轨道卫星技术尚未成熟,但如果突破长期在轨运行和轨道控制等技术难点,将有望迅速转变为作战装备并投入实战应用,显著加持热点地区的信息获取和对地打击能力㊂五㊁结束语任何新生事物的出现和发展都要经过一个由弱到强㊁逐步成长的过程,一种新理论㊁一种新学科,需随着各种相关要素的逐步发展,其认知水平才能螺旋式上升,最终转化为现实生产力和战斗力㊂国外在该技术领域的研究已集中在关键技术攻关㊁系统方案设计和试验验证等阶段,我国尽快开展超低轨道卫星关键技术攻关和试验论证,同时加强体系防御力量建设,成为当务之急㊂参考文献[1]㊀吕久明,刘国良等.武器系统体系作战试验研究[J].国防科技,2016,37(1):106-113.[2]㊀温生林,闫野,易腾.超低轨道卫星摄动特性分析及轨道维持方法[J].国防科技大学学报,2015,37(2): 128-134.[3]㊀汤靖师,刘林.低轨航天器长期轨道预报的初步研究[J].飞行器测控学报,2014,33(1):59-64. [4]㊀姜海富,柴丽华,周晶晶.国外超低轨道卫星计划及环境效应研究进展[J].环境技术,2015(5):30-34.[5]㊀周伟勇,张育林,刘昆.超低轨航天器气动力分析与减阻设计[J].宇航学报.2010,31(2):342-348. [6]㊀王安,秦勃,徐晓慧.空间环境对超低轨道卫星轨迹规划的影响[J].飞行器测控学报,2016,35(4):286 -293.[7]㊀吕久明,谷锁林,张艳兵.太空快速响应发射场能力建设[J].国防科技,2018,39(6):15-19. [8]㊀何慧东.日本 超低轨道技术试验卫星 任务及应用[J].国际太空,2018(9):50-53.[9]㊀曾其鋆.气动力矩在超低轨道卫星姿态控制方面的应用研究[D].黑龙江:哈尔滨工业大学,2009. [10]㊀吴勤.俄罗斯空天防御体系建设研究[J].飞航导弹,2012(l):34-37,56.[11]㊀吕久明,戴威等.基于信息系统的作战试验指挥控制技术及发展分析[J].国防科技,2016,37(4):30 -35.The status quo of ultra-low altitude satellite technology and its future use LYU Jiuming,LU Jiangong,DIAO Jingjing,YAN Xingfeng,WANG Xiaohu(Jiuquan Satellite Launch Center,Lanzhou732750,China)㊀㊀Abstract:Conquering the space has a long way to go,and strengthening the application research of ultra-low altitude is the inevitable choice of a space power.The paper describes the technology and comparative advantages of ultra-low altitude satellites,analyzes its test progress, then explores its key technology,and finally studies its operational application potential.Hopefully this will help promote the innovation and development of China s ultra-low altitude satellite technology.Key words:ultra-low altitude satellite;space safety;ion engine;earth observation;operational application73。

论微电机系统MEMS以及它的发展趋势摘要:微光机电一体化系统简称微系统, 是当今技术发展的前沿领域之一。

微系统技术的发展将大大地促进许多产品或装置微型化、集成化和智能化, 成倍地提高器件和系统的功能密度、信息密度与互连密度, 大幅度地节能降耗, 有广阔的应用领域和市场，这里主要介绍了微机电系统概念、研究的主要领域和目前的应用领域，重点介绍了MEMS加工技术及其分类，最后给出了该技术的展望。

关键词：微系统；研究领域；MEMS；现状及展望 kk1. MEMS的概念1.1 MEMS的概述MEMS是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems）的英文缩写。

MEMS是美国的叫法，在日本被称为微机械，在欧洲被称为微系统，它是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。

MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的，目前MEMS加工技术还被广泛应用于微流控芯片与合成生物学等领域，从而进行生物化学等实验室技术流程的芯片集成化。

MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。

完整的MEMS是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。

其目标是把信息的获取、处理和执行集成在一起，组成具有多功能的微型系统，集成于大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可靠性水平。

1 .2 MEMS 的显著的特征1)微小与精密。

微机械器件在线度与体积上都很细小, 其尺寸一般在毫米到微米范围内。

微机械进行的操作也是极其微细的。

2)机电合一的系统。

由于它的体积微小且操作精密, 即便是最简单的器件也必须由电信号进行控制, 微机械的输出信息也必须由电子系统进行检测和处理。