造一颗遥感卫星需要多少钱？在大多数人的脑子中，那一定是天文数字吧。我对这个也没有具体的概念，但通过网上的资料，可以间接估算出来。例如，去年年底的一则新闻说中国为玻发射卫星造价3亿美元[1]。其他的一些内容更详细一些：在整个商业卫星的产业链中，依据国际通行的算法，平均每发射一颗卫星，卫星制造费用约1.2 亿美元；火箭费用约为卫星造价的25％，约0.3 亿美元；发射费用也是卫星的25％，为0.3 亿美元；保险费约为前三项的20％，0.36 亿美元，总计约2.16 亿美元[2]。当然，也有估价更高的，比如说50亿人民币[3]。有这些差异是可以理解的，因为不同用途的卫星，所采用的部件可能有较大差异。无论如何，数亿美元，或者说数十亿人民币的价格的确不是一个小数目了。我想，没有哪个人会想到自己将来拥有一颗卫星吧。但遥感卫星科学技术的发展，却超越了我们的想象力。在今年4月17日出版的Nature中，以“微型卫星证明了它们的科学力量”[4]为题发表了一篇文章，详细介绍了微型卫星的发展现状，特别提到了其廉价的特性。《中国科学报》将这篇文章的全文翻译过来了，并拟定题目为“从沃尔玛买颗卫星”[5]，更加夺人眼球呀！

这是真的么？今天就让我们来聊聊这个话题。

微型卫星计划，全球都在摩拳擦掌，该卫星及其组网技术是国际高科技研究的热点之一。说到微型，一般指体积小，重量轻。根据不同的侧重点，有许多不同的称呼。比如，微纳卫星（NanoSat），也有直接翻译为“纳卫星”的，通常指质量在1～10kg 之间具有实际使用功能的卫星；还有一种质量更小的卫星称为“皮卫星”（PicoSat），指质量小于1千克的卫星。而关注体积的微型卫星最有代表性的是“立方体卫星”（CubeSat），一个边长只有10厘米的立方体。要微型卫星能够工作，其功能密度一定要高，要保证单颗卫星可以完成简单的任务，多颗卫星组装起来又可以完成复杂的任务。另外，我们可能会问，这样的卫星是否可以“一箭多星”呢？当然，甚至“一箭百星”都有可能呢，是不是像天女散花或者放飞的鸽子？有一个计划还真的称之为鸽子（Dove）。如果稍微懂一些卫星的知识的人，马上会想到，这么小的卫星，有机载的推进系统吗？通常推进剂是必须装载在一个厚重的高压容器内，很难减少尺寸的。迷你推进器是未来的重要发展方向，目前大多数微型卫星都是缺少推进系统的，所以它们通常只能固定在一个特殊的轨道上运行。缺乏推进系统，卫星无法调整姿态，因此卫星一旦偏离轨道就不可能校正，卫星的寿命相对比较短，一般只有1~3年，有人也将之称为“一次性”卫星，完成任务后就会坠入地球大气层烧毁。目前，在CubeSat卫星平台上已经设计出了微型等离子推进器“CubeSat双极性推进器”（CAT），这种推进器可推动一个5公斤重的卫星进入深空，甚至是飞出太阳系进入星际空间，成本只是以往类似任务的千分之一。此类探测器还可望在土卫二、小行星上寻找生命，或者对太阳耀斑进行调查[6]。

我今年写了许多博文，都与微型卫星的发展有关的。这些卫星提供了新颖的快速方法来收集空间数据。据统计，自2003年以来，总计有130颗立方体卫星发射升空；而去年一年就有63颗布置完毕，相当于全部数量的一半。2013年11月推出的立方体卫星称为萤火虫（Firefly），是第一颗用于研究γ射线反射的卫星，科学家们正急切地等待着结果。现在发回的信息主要是地面γ-射线的闪光——是一股由闪电引发并射向太空的高能脉冲。萤火虫由三个立方体构成，因此一颗长宽为10cm，高30cm的人造卫星，卫星的大部分装配是由本科生完成的。类似萤火虫的微型卫星的零件造价便宜，无发射成本，在科研领域蓬勃发展。微型卫星的发展越来越多样，从探测可能导致地震的电磁信号，到监控在宇宙中生产细菌蛋白的过程。而一项名为INSPIRE的任务更是计划将两颗立方体卫星对投送到地球轨道之外，该任务最早将在今年年底之前发射。这两颗卫星将跋涉150万公里，这相当于地球到太阳距离的1%，并从那里绘制太阳射出的太阳风的带电粒子。据称，这是人类首次监控到规模小于10公里的太阳风波动，同时这个项目证明了CubeSat卫星可以在地球轨道外生存，并完成定位和通信的工作[4]。

CubeSat卫星是在1999年问世的一种教育工具。为了便以本科生制作，这些卫星都设计得足够微小而且比较简单，而同时为了便于火箭能容纳下，都有一个标准尺寸。斯坦福大学的Robert Twiggs设计了一款边长10厘米的小盒子，恰好足够容纳通信单元、太阳电池板、一块电池和一些附属物，总重量在1公斤左右，这就是立方体的由来。第一个CubeSat卫星于2003年推出，有六个项目搭乘了俄罗斯的Eurockot运载火箭，平均每立方需要4万美元的价格；2010年，NASA开始了CubeSat的发射计划，每年挑选十多个申请提供一趟免费搭乘之旅。到目前为止，这一倡议已经惠及了超过100个研究项目，其中有24颗卫星成功抵达预定轨道，其余的卫星则在排队等待升空。2012年，另一个进入太空的发生通道开放了，主要由国际空间站来部署。同时，十几个商店如雨后春笋般涌现出来，销售标准化的部件。例如，旧金山的Pumpkin所出售的底盘价格为7500美元、太阳能电池板价格为2500美元。整个CubeSat卫星建造起来不到10万美元。低廉的制作成本促使美国国家科学基金会（NSF）于2007年启动了一项旨在鼓励CubeSat卫星使用的项目，NSF希望借此来更多更快地获得数据，因为它比动辄数百万美元的卫星项目要划算得多[4]。

一些私人公司也对CubeSat卫星产生了兴趣。例如，行星实验室（Planet Labs）在今年2月份就用这样的卫星构建了地球影像系统Dove，整个卫星群包括28颗卫星，每颗都由三个立方体单元构成，从国际空间站发射。理论上说，有这么多卫星围绕地球运行，那么地球上的每一点每天都被拍摄了至少一次，从根本上提高了实时监控能力，这个可以称为CubeSat的杀手级应用[4]。行星实验室目前还正在通过“互联网开发”的方式来推进卫星研发的进度。他们强调不断试错，并且通过实际发射试验来不断积累研究数据，这和以往的卫星发射思路截然不同。重要的是，一旦计划中的128颗卫星发射成功，全天候地球全景数据收集系统就完成了，也将开放给所有人。目前行星实验室已经在自己的网站上给出了开放的api，期望能够与农业，能源，林业，基建，制图，自然资源等产业中的公司合作，使得这些公司可以随时通过开放的api接口了解实时地球图片信息[3]。

边长为10厘米的正方体是否已经足够小了呢？但许多人还是喜欢更小的产品，一些先行者也正推动CubeSat卫星进一步“瘦身”。2009年，Twiggs将一颗立方体卫星改造成边长为5厘米的“便携式魔盒”，首批新型的立方体卫星于2013年11月发射升空进行测试。这些示范项目的零件成本只有区区数百美元，其中一些部件只有数十美元，他开玩笑地称之为50美元卫星。他说“我很喜欢这个想法，我基本上可以在沃尔玛买东西，然后建造卫星让它飞上天”。到目前为止，受零部件和发射机会所限，新型CubeSat卫星还没有大规模的商业应用。2014年4月18日，SpaceX的一艘火箭将Kickstarter公司赞助的价值3万美元的KickSat卫星发射到了国际空间站。两周后，KickSat将从国际空间站吐出，104个邮票大小的“蕊片卫星”（ChipSat）将释放出来。这些芯片卫星配备有无线电发射器，任何人都可以通过拍卖竞价的方式购买，起价300美元一颗。芯片卫星非常轻薄，因此不会因为反复进出大气层而烧坏。这将使得研究者能够绘制地球高层大气中的风力图，或者在深空探测中到火星表面建设一组加速器网络。到目前位置，芯片卫星和袖珍卫星能做的事儿也仅仅是广播他们的位置或短消息，但这种类似小把戏的东西在不久的将来就会变得很实用，利用层层密布的立方体卫星对目标地物提供全方位、无死角的视野，或将之用于更多一次性任务中。另外，对于太阳系其他行星的探测工作，可以进行更细致的研究了，比如可用于土星光环研究中，在土星光环中选择一块较大的陨石，让价值1万美元的廉价飞行器着陆[4]。

在TED2014大会上，行星实验室回答了大家最为关注的一个问题，那就是行星实验室将会拿这些海量的数据用于何种用途？负责人的回答挺好：“这取决作为观众的你，打算为人类解决什么问题？”因此，对地球的实时监控已经从一个国防问题衍生为一个庞大的产业格局，为更多下游的产品提供了众多的机会。对于占据人员优势、有众多市场潜力的中国来说，未来为这些微型卫星提供专门配件，或者为卫星提供下游产品的企业也会越来越多，成本会进一步降低。也许，在不远的将来，我们就能从淘宝直接购买，或者购买组建DIY一颗属于自己的卫星，利用团购的发射项目发射升空，去观测太阳或太阳系的其他行星。




参考资料

[1] 中国为玻发射卫星造价3亿美元，中方承担部分费用

[2] 发射一颗卫星需要多少钱

[3] 更便宜的海量实时卫星数据，意味着什么？

[4] Mini satellites prove their scientific power. Nature 508, 300–301 (17 April 2014) doi:10.1038/508300a

[5] 从沃尔玛买颗卫星：微型卫星为采集空间数据辟快捷廉价新途径