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在过去十年时间，各国发射的小卫星数量每年都在呈上升趋势，与此同时，操作低成本与卫星发射数量成为了热门需求，小型卫星的发展也因此发生了革命性的变化。

与大型卫星相比，小型卫星具有一系列关键优势。除了较低的部署和操作成本外，它们对时间表的变化非常敏感，同时拥有较低的发射失败性。对于低地球轨道上的大多数小卫星而言，它们都可以使用现成的商用组件(COTS)，这无形中让小型卫星有了较大的成本优势。

小型卫星有多种形式，从质量不到0.1公斤的伴飞卫星到纳米卫星。在后者中，如图1所示的立方体卫星就是一个极具特色，同时并伴有局限性的典型例子。虽然立方体卫星一开始只是一项学术研究，但最终，它们成为了适用于遥感和地球观测等许多应用的卫星平台。

图1

立方体卫星有严格的尺寸标准，相关的标准规定了卫星尺寸，并为其提供了参考性的质量和功率范围。

立方体卫星在全球范围内的适用范围与需求也在增加，特别是大规模分布式夫人立方体卫星星座部署，这类卫星群能够通过协调行动，实现全球地球覆盖和无处不在的互联网接入。

小型卫星是一种强大的移动计算平台，其成本只有大卫星的一小部分，但是它们却能实现多种空间应用。然而，在受尺寸、重量和可用功率的严重资源限制下，它们同样对用户提出了一系列跨学科的挑战。

从卫星姿态控制到定位，当这些难题组合在一起时，不同的社区在设计和实现一系列功能卫星方面时会变得更加困难。其中，精确定位对于小卫星的内部管理，以及应用级任务都是至关重要的。

例如，小型卫星在协调无线电干涉测量星座，或绘制地球上精确位置的图片时都需要精准定位。

GPS是太空中最常用的定位技术。然而，在大多数小卫星中，GPS接收机是卫星中一个消耗很大一部分能量的子系统，其能量消耗有时甚至可能高达立方体卫星电力预算的20%。

太空接收机最常见的节能技术之一是负载循环。这种技术只有在接收器的TTFF相对较短时才有效。TTFF是接收机锁定到至少4颗GPS卫星，从卫星上获取信号和导航数据，并获得定位所花费的时间。

在负载循环的角度来说，如果接收器每次打开时需要更多的时间来获得位置信息，或者更长的TTFF，那么无论什么样的能耗优化可能都不会有显著的效果。因此，在能量消耗方面，TTFF是影响GPS接收机性能的主要因素之一。

因此，在小型卫星工作效率优化的研究中，科学家们主要关注的问题就是TTFF，即如何减少TTFF以最大限度地减少能耗。

小型卫星设计与建造难题

图2以图形方式描绘了小型卫星在设计、实现和部署过程中所面临的重大挑战。解决这些挑战通常需要在不同子系统的组件，以及相应的解决方案之间取得适当的平衡，或者在正交系统度量上牺牲性能。

图2

首先是卫星小型化挑战。物体进入太空的代价通常是昂贵的，而且需要巨大的资源支持，这与卫星的大小和质量成正比。因此，几乎所有的太空领域研究都在关注太空物体的大小，尽量地在不影响效率的情况下缩小物体体积。

然而，小型化带来了许多问题。随着卫星的电子和物理结构越来越小，所使用的太阳能电池的尺寸和数量也越来越少，收获能量也会减少，最终导致可用能量减少。这直接约束了整体的能量预算，从而影响了卫星的整个运行。

此外，在小空间内压缩设备的需求，也导致了诸如减轻辐射效应和热控制等问题，以目前的科技水平来说，这些问题通常难以解决。

在能源管理方面，虽然卫星小型化使其收获的能量减少，但在卫星内部，不同模块的功耗可能不会成比例地减少。一个典型的例子是通信子系统，无论卫星大小，通信系统的传输功率都需要严格控制在预算范围内，同时提供最佳吞吐量。

以立方体卫星为例，它的发射功率通常上限为1万，而整颗卫星最大收获功率约为2万。如果立方体卫星一半的能量预算都分配给通信，那么其他模块，包括热控制、板载处理、定位、姿态确定和控制以及传感设备得功率必须在剩余的1万内分配。

这种状况在其他类型的小型卫星中也同样常见，由于一半的能量预算都需要分配给通信子系统，因此其他子系统必须在剩余能量范围内工作。这为小型卫星的研发与运用带来了额外的挑战，特别是对单个模块的能量预算，以及运行时功率分配的严格要求。

在卫星通信功能方面，一般来说，动态卫星与地面站的通信是断断续续的，除非卫星能固定在地球静止轨道上。低轨道卫星对地面站的能见度大约需要10分钟时间。因此，为了最大限度地利用卫星向终端用户传送数据，同时缩短通信时间，大带宽是必要的。

这只能通过投入大量的能源来实现，然而，如前所述，小型卫星的能源是稀缺的。另外，大型天线虽然可能会改善这些问题，但由于卫星尺寸小，天线的尺寸毫无疑问会受到结构问题的限制。

在小型卫星运行可靠性方面，小卫星必须在恶劣的空间环境中运行，温度从- 100°C到150°C都有可能，除此之外，宇宙辐射也会对电子设备造成伤害，或造成瞬态故障。

因此，大型卫星一般会使用昂贵的热防护和防辐射的太空级组件，以保证卫星的正常运转效率。但小型卫星通常使用COTS组件来降低成本，因此不能提供与大型卫星相同或类似的运行效率。

考虑到卫星运行的客观条件，冗余设计似乎是确保卫星可靠运行的不二选择。然而，这本质上与卫星的小型化需求和能源限制相冲突。因此，设计小型卫星需要在冗余、空间合格组件和可用空间和功率需求之间进行权衡。

在卫星协调性方面，轨道管理是小卫星星座的一个关键要求，其中卫星之间的空间分布有所不同，必须根据应用场景特殊设计。

能源限制同样是绕不开的话题，它会对小卫星之间适当协调性的视线产生不利影响。这是因为卫星间通信会消耗额外的功率，而轨道管理回占用资源，以便更好地进行计算、定位以及姿态确定和控制。

此外，研究表明，在与其他小型卫星交换数据时，光通信，激光也能有效降低卫星沟通成本，但在精确的姿态控制方面，为了确保精确的光束传送，卫星协调的成本很高。

小卫星轨道动力学和民用GPS基本原理

为了更好地了解小型卫星的工作原理，卫星轨道动力学是一个重要基础。

在近地轨道上，大多数卫星以地球为焦点，形成椭圆轨道。所以，研究者可以通过已知的抛射时间、位置和卫星在其轨道上的速度，通过数学及物理模型推断出卫星轨道的几何形状。

在卫星轨道几何结构明确的基础上，研究者就可以随时确定卫星的整个轨道，以及卫星在空间中的位置。

除此之外，北美航空航天防御司令部(NORAD)为太空科学家们提供了完整的轨道元素信息，并且将开普勒元素作为双线元素(TLE)供公众使用，这是一种卫星所独有的双线元素，有了这些数据与模型，任何人都可以跟踪卫星。

利用TLE估计的位置精确到2公里，这意味着卫星的位置数据在几天内就变得陈旧，所以北美防空司令部每一两天更新一次数据库。

而GPS星群由31颗活动卫星组成，它们在同一载波频率上发射的导航电文。这些导航卫星在距地球20200公里的轨道上运行，它们运行轨道呈特殊的几何形状，使得不管在什么时间，人们在地球上的任何位置上都能看到至少四颗卫星。

所有卫星都使用码分多址(CDMA)在同一频段传输GPS数据。

每个卫星都有一个唯一的伪随机噪声码(PRN)，用来识别卫星，同时导航电文的实际数据以50bps的速度传输。卫星数据传播有三个波段:L1、L2和L5。用于L1频段粗采集的编码长度为1023位，每隔1ms就会发送一次。

如图3所示，单个导航消息帧由5个子帧组成，每30秒传输一次。每个子帧每6秒发送一次。所有的子帧都包含下一个子帧被发送的时间，以及时钟校正。子帧2和子帧3共同构成星历信息。

所谓的星历信息是一组时变参数，可以用于计算相应GPS卫星的位置和速度。

图3

子帧4和子帧5包含部分年鉴，其中包括关于所有GPS卫星的状态和位置的粗略信息。

而接收机需要等待1个6秒的子帧、1个30秒的导航帧和共计12.5分钟的25个导航帧才能分别下载GPS时间、星历和历书。历书的有效期约为2个月，之后数据的准确性就变差了，而星历的有效期仅为4小时左右。

从GPS中获得定位有三个主要阶段。

第一阶段是采集，卫星接收机将接收到的信号与预先保存的PRN码相关联，在此基础上搜索来自可见GPS卫星的信号。

第二阶段是解码，卫星接收机锁定GPS卫星，对接收到的信号进行解码，得到GPS时间、星历、时钟偏差等信息。

第三阶段是定位，卫星利用解码后的数据，并利用三边测量得到接收机的三维位置。

通常，TTFF取决于启动定位过程时GPS接收器的状态。在冷启动的情况下，卫星接收器会无法知晓它的最后位置或时间，也不能获得有效的星历或历书数据。通常情况下，这种情况会发生在接收器断电超过两周的条件下。

如果以前的历书无效，并且用户只能从GPS卫星下载历书，那么在典型的冷启动中，TTFF至少需要12.5分钟。

而在热启动的情况下，卫星接收器的存储器中存在有效的年历，并且当前位置距离上次活动位置在300公里以内，如果内存中没有有效的星历数据，TTFF的时间一般会在35秒到4分钟之间。

当满足热启动条件时，接收机会以热启动方式启动，并在最近2h内建立位置，最终，接收机至少能够获得5颗卫星的有效星历数据。

图4是一个应用实例，演示了在低轨道立方体卫星上，其GPS接收器天线对GPS卫星的可见性。

图4

低轨道卫星的移动速度非常快。立方体卫星的速度可达7.8公里/秒，也就是说，比子弹还快。而GPS卫星则以每秒3.8公里的速度移动。小卫星相对于GPS的相对运动会放大多普勒效应。

由于多普勒效应，卫星的搜索范围可以增加到±80千赫，而地球上仅为±10千赫，这会延长TTFF。

在没有姿态控制的小型卫星中，卫星翻滚会导致的GPS能见度的快速变化，这种现象会进一步加剧TTFF延长问题。GPS接收器通常利用负载循环节省能量，但较长的TTFF与此相反，因为GPS接收器必须长时间保持打开状态。

不论成本如何，进入太空的机会正变得越来越普遍。小型卫星代表了一种新型的移动计算平台。上述挑战的独特组合具有跨学科的性质，为移动计算研究人员提供了肥沃的土壤，帮助他们构思新的解决方案，或者在新的环境中重新审视现有的解决方案。

此外，在极其有限的资源范围内追求效率，并不意味着小型卫星的研发需要有不必要的复杂性，而且要求以简单的办法解决复杂的问题。

随着小卫星应用领域的发展，这些机会也相应增加。

小型卫星的大规模星群可能会成为新兴空间物联网的关键推动者，作为无处不在的互联网接入的关键因素，或作为大规模分布式遥感系统。尽管如此，移动计算的主体工作仍然是解决现有难题的基础。