ITU出版物国际电信联盟无线电通信部门小卫星手册2023年版小卫星手册ITU-R2023年版型《小卫星手册》前言TU-R《小卫星手册》是根据关于“改进小卫星（包括纳卫星和皮卫星）适用规则程序相关知识的传播”的TU-R68号决议编写的。小卫星技术正在成为一种日益强大的工具，它具有多任务、多功能和多能力特性，对于支持那些需要在全球范围内提供无缝服务的需求而言，它可以起到根本性的作用。采用小卫星技术的这一趋势，在使所有国家的空间实现“民主化”而不论其经济状况如何的同时，也将在帮助这些国家实现联合国可持续发展目标方面发挥作用。因此，这本独立的《手册》旨在有效促进小卫星的发展，更好地服务于成员和整个卫星行业的需求。国际电联无线电通信局于2021年4月29日公布了第4LCCE/130号通函，邀请TU-R成员和非成员就TU-R《小卫星手册》提出建议，目的是加强国际合作、提高认识、规则指导、技术援助和无干扰操作。在这方面，考虑到国际电联成员国、无线电通信部门成员、参加无线电通信第4研究组工作的ITU-R部门准成员和国际电联学术成员以及非TU-R部门成员的其他组织/实体提交的提案将极大地促进本TU-R《小卫星手册》的编写工作，故提请注意关于“与其他相关组织，特别是ISO、EC和CISPR的联络与合作”的TU-R9-6号决议的规定。国际电联无线电通信局还为《小卫星手册》建立了一个网页，以方便提交提案，并提供正在进行的工作的详细情况、相关的决议报告/文件、联系信息和其他有关TU-R《小卫星手册》编写的相关信息。本《手册》由负责此项工作的ITU-R第4研究组(SG4)4A工作组(WP4A)编写。本第一版《小卫星手册》是小卫星及其规则领域高素质、高技能专家开展国际合作的成功范例。九章和两附件详细介绍了小卫星的技术、规则要素和一些做法。第1章强调了本《手册》的目的，并简要介绍了小卫星系统，包括按质量对小卫星进行的分类。第2章介绍了小卫星系统的空间段和地面段的特性以及小卫星通常部署的轨道类型。第3章介绍与小卫星有关的国际电联无线电规则程序。首先简要介绍了国际电信联盟(TU)和用于治理无线电频谱利用的基本原则。此外，本章还介绍了国际电联对需要协调和无需协调的非对地静止(on-GSO)卫星系统的规则程序，以及国际电联的各种申报流程、对申报资料的相关审查和随后启用频率指配的执行情况。本章还纳入了世界无线电通信大会(WRC)关于小卫星规则事项的决定，并强调了小卫星运营商可能遇到的潜在挑战。第4章介绍了可能适合操作小卫星的各种业务和无线电频谱，例如但不限于空间操作业务、业余卫星业务、地球探测卫星业务、气象业务、空间研究业务、卫星固定业务和卫星移动业务等。第5章概述了小卫星可完成的各种任务，包括科学任务、教育任务、实验任务、业余卫星任务和商业任务。本章还深入探讨了与月球、星际和深空探测有关的任务，以及短期任务。第6章重点介绍空间物体登记的重要性，这是卫星任务在国家和国际两个层面的责任和义务的一个重要方面问题。第7章概述了目前发射小卫星的运载火箭能力和注意事项。本章包括对各种运载火箭及其多重发射业务所做的讨论。第8章解释了空间碎片减缓问题，并强调了适用于任务规划、新设计航天器和轨道段操作以及可能适用于现有航天器的导则。iv《小卫星手册》第9章分享了与科学任务、教育任务、实验任务、业余卫星任务和商业任务等各种任务有关的小卫星系统的一些例子。本章还包括国家项目和任务。附件A列出了本《手册》中使用的缩写词。附件B列出了可用于了解更多详情的参考文献。本《手册》以及国际电联的其他相关出版物将作为宝贵的资源和实用工具，用于支持各国努力发展和推进其小卫星能力，并提高所提供的空间业务的质量。《小卫星手册》序言编写本TU-R《小卫星手册》是对国际电联共同努力的一份重要贡献，目的是在国际电联所有成员国、实体和组织之间传播关于其当前做法和应用的信息、提高认识和扩大国际合作。本《手册》对于促进全世界采用小卫星技术也是至关重要的。AiR.Ebadi博士是一位在卫星行业拥有30多年经验的资深人士，也是马来西亚卫星系统发展背后的关键技术专家，由他牵头编写本《手册》是再合适不过了。他做了一件值得称赞的工作，即对这一有趣而复杂的主题的各方面知识进行了汇总。这本富有可读性的手册将为主管部门和新加入者提供关于相关空间业务的宝贵信息，包括划分的无线电频谱、小卫星类型、空间段和地球段的特性、任务类型、空间物体登记、发射注意事项以及空间碎片减缓。本TU-R《小卫星手册》应被视为一份动态文件，它将根据新技术及其应用，以及与使用无线电频谱和卫星轨道有关的规则和程序演变情况不断更新。我衷心感谢AliR.Ebadit博士和所有参与编写这本杰出手册的人员，因为它是他们奉献精神和专业知识的见证。我坚信，这本综合全面的资料不仅将成为增进对小卫星的了解和利用的基石，还将为全球卫星产业的进步做出重大贡献。国际电联无线电通信局(BR)主任马里奥·马尼维奇(Mario Maniewicz)vi《小卫星手册》致谢我们谨向所有支持本《手册》编写工作的国际电联成员国、部门成员和公司表示感谢，感谢其在4A工作组会议上的贡献和参与。我们衷心感谢ITU-R第4研究组主席Victor Strelets先生对我担任本《手册》编辑的鼓励和信任。特别感谢和赞赏ITU-R4A工作组(WP4A)主席Jack Wengryniuk先生和顾问Nelson Malaguti先生在WP4A会议期间提供的宝贵指导和支持。衷心感谢国际电信联盟无线电通信局的王秀琦女士及其同事对手册各部分、特别是规则部分的辛勤工作和宝贵贡献。特别感谢我在MEASAT的同事Geetha Remy Vincent女士，她从项目一开始就孜孜不倦地工作，确保手册草案符合国际电联无可挑剔的标准和质量要求。还要感谢MEASAT.卫星系统有限公司支持我和国际电联一起制作本《手册》。我们借此机会感谢以下组织和主管部门（按字母顺序排列）付出的大量的自愿贡献、精心工作和辛勤劳动：·沙特阿拉伯王国主管部门·国际电信联盟·巴西主管部门·国际业余无线电联盟(IARU)·中华人民共和国主管部门·日本空间工程大学联盟(UNISEC)·阿拉伯联合酋长国主管部门·MEASAT卫星系统有限公司·美利坚合众国主管部门·OneWeb·空中客车防务和航天公司·太空探索技术公司-SpaceX·阿丽亚娜航天公司联合国外层空间事务办公室(UNOOSA)·阿斯特拉尼斯空间技术公司·比利时冯卡尔曼流体力学研究所·长光卫星技术有限公司(CGSTL)·中国长城工业集团有限公司·欧洲航天局我们还要感谢许多其他人，他们通过参加会议和提供富有成效的建议和意见，为《手册》做出了贡献。Ali R Ebadi博士CPEng,CEng,MIEM,MIETMIEAust,NER APEC Engineer IntPE(澳大利亚)MEASAT.卫星系统公司《ITU-R小卫星手册》编辑《小卫星手册》目录页序言致谢VI第1章引言..1.1本《手册》的目的1.2本《手册》使用的关键术语词汇表21.3小卫星的历史视角31.4小卫星的类型…1.5小卫星的系统工程4第2章62小卫星系统的特性62.1空间段62.2地面段72.3轨道类型8第3章133小卫星的无线电规则程序133.1国际电信联盟(TU)简介3.2频率划分.........e..163.3频谱和轨道资源利用的一般原则.173.4确定一个卫星网络是否需要协调183.5国际电联的总体规则程序193.6不符合《频率划分表》的要求(《无线电规则》第4.4款)733.7启用通知的频率指配.733.8暂停已记录的指配.783.9与non-GSO卫星规则事项有关的wRC决定783.10小卫星面临的规则挑战81854业务类型和频谱854.1空间操作业务.854.2业余卫星业务…+++++..4.3卫星地球探测业务884.4卫星气象业务.…894.5空间研究业务894.6卫星固定业务/卫星移动业务90viii《小卫星手册》4.7其他业务90915任务类型915.1科学任务915.2教育任务925.3实验任务925.4业余卫星任务935.5商业任务945.6基于月球、星际或深空任务945.7短期任务95第6章.....966空间物体登记96第7章987发射方面的考虑987.1阿丽亚娜航天公司的发射业务1007.2中国长城工业集团有限公司(CGWIC)的发射业务1077.3SpaceX共箭发射方案113第8章1158减缓空间碎片……115第9章1179小卫星网络或系统的例子*.*..1179.1科学任务1179.2教育任务1329.3实验任务1379.4业余卫星任务1619.5商业任务-G正O上的小卫星1649.6基于地球、基于月球、星际或深空任务1749.7短期任务的做法1769.8其他多任务和国家案例176附件A179缩写词清单179184参考文献清单…184B.1国际电联出版物和参考文献184B.2外部出版物和参考文献184《小卫星手册》1第1章引言1957年，第一颗人造地球“小型”卫星Sputnik1号的发射引发了太空竞赛。在随后的几十年里，为了从太空提供长时间的可靠业务，人们开发了越来越多的大型卫星。此后，随着无线电频谱和卫星轨道使用需求的不断增加、空间通信技术突破和创新的持续增长，以及卫星制造能力的蓬勃发展，小卫星和系统的开发急剧上升，尤其是在过去十年中。小卫星行业正在经历一个前所未有的变革时代。“小卫星”一词，包括微型卫星(minisatellite)、微卫星(microsatellite)、立方体卫星(CubeSat)、纳卫星(nanosat)、皮卫星(picosat)、飞卫星(femtosat)等，它正变得越来越常见和广泛，尽管该术语没有法律性或规则性的定义。术语“小型”一般指尺寸和/或质量，但这些方面与频率和轨道规则无关，因此对国际规则框架没有影响。商定的“小卫星”术语或定义将在本《手册》第13节中阐述，并可能送交词汇协调委员会(CCV),以便纳入相关的国际电联词汇数据库。在小卫星领域，进入的技术和资本壁垒通常较低，由于其成本较低、设计较简单、发射要求灵活和有效载荷配置模块化，因此小卫星的开发对于各种实体（初创公司、大学、研究机构等）而言更加经济实惠和快速。小卫星的开发是整个卫星行业的一种演进，它为所有国家更多、更方便地获得和利用空间业务提供了机会。各国政府和私营企业正在开发小卫星项目，目的不仅在促进数据通信、地球探测、空间研究、包括气候变化和全球变暖在内的地面环境监测、空间环境监测、卫星导航和定位、教育、农业、林业、灾后恢复、科学实验、创新技术测试、国防等领域的传统卫星应用，而且在发展有关卫星互联网接入的多卫星舰队（星座），并进一步实现与5G、物联网(IoT)、智慧城市、商业智能和众多其他领域的整合，以完成各种艰巨的空间任务。从小卫星的一系列特性有可能产生广泛多样的应用，可概括为以下几点：快速的建设/发射周期：资本投资和运营成本低、价格可承受的项目：模块化和标准化的设计（如立方体卫星标准）：因轨道较低而使延迟时间较短：在星座中使用时，可无缝覆盖全球所有地区：易于扩展、更新、更换、扩充和补充卫星群。近年来，小卫星不断发射，逐渐证明了小卫星星座的可行性。过去几年，小卫星行业发射的小卫星数量激增，令人难以置信。未来，拥有先进技术、人工智能(AI)和机器学习的小卫星有可能为卫星通信领域带来新的功能和特点。小卫星技术也正在成为一种日益强大的工具，它具有多任务、多功能和多能力特性，对于支持那些需要在全球范围内提供无缝服务的需求而言，它可以起到根本性的作用。采用小卫星技术的这一趋势，在使所有国家的空间实现“民主化”而不论其经济状况如何的同时，也将在帮助这些国家实现可持续发展目标(SDG)方面发挥作用。鉴于小卫星的用途多种多样，这一领域可能会吸引对国际电联和国际电联《无线电规则》及相关程序缺乏了解或经验的新进入者。一本涉及各种要素的TU-R手册，包括小卫星（包括类似适用情况下的短时任务卫星)的规则、程序和关键信息，对于有意运营或利用此类小卫星的主管部门、卫星运营商、制造商和服务提供商而言都将是有益的。2《小卫星手册》值得注意的是，国际电联已经在各个领域建立了培训机制。国际电联定期组织和举办关于无线电通信的培训项目，包括两年一次的国际电联世界无线电通信研讨会和区域专题讲习班。不过，这些研讨会和讲习班很少专门针对《无线电规则》在小卫星研究、发射和应用等方面的应用。根据ITU-R254/7号课题，TU-R7B工作组开展了研究，并编写了报告，如ITU-RSA.2312、ITU-RSA2348、ITU-RSA.2425和TU-RSA.2426(请参见第4.9节)，重点介绍了通知纳卫星和皮卫星的特性和频谱需求以及实践情况。然而，有人表示，根据ITU-R第68号决议的规定，需要就该领域新运营商和业务提供商的规则环境和程序提供更详细的指南。有鉴于此，TU-R编写了这本独立的手册，有别于更一般的《卫星通信手册》或《卫星移动业务(MSS)手册》，以有效促进小卫星的发展，并更好地满足成员和整个卫星行业的需要。1.1本《手册》的目的基于上述思考和观察，本《小卫星手册》的目的如下：扩展国际电联所有成员国、实体和组织间的国际合作，以促进小卫星的开发和合理利促进在全世界范围内采用小卫星技术，同时努力以合理、公平、有效、高效、经济和及时的方式利用无线电频谱和卫星轨道资源：就规则环境和程序，特别是《无线电规则》的应用，为主管部门、小卫星运营商和服务提供商提供详细的指南，以研究/调查、设计、发射和应用小卫星：促进并向发展中国家、企业和个人提供小卫星利用方面的技术援助：帮助主管部门/新加入者了解以下方面的信息：已划分了无线电频谱的相关空间业务、小卫星的表征和说明、空间段和地球段的特性、任务类型、空间物体登记、发射注意事项以及空间碎片减缓：提高国际社会对当前做法和应用以及关键驱动因素、限制条件、挑战和机遇的认识：通过执行《无线电规则》和区域协议，以及通过世界和区域信息共享与合作进程高效、及时地更新系统，来确保小卫星系统的无干扰工作：为有意运营或利用此类卫星的卫星运营商和服务提供商以及负责管理小卫星应用的国家监管机构提供参考工具。1.2本《手册》使用的关键术语词汇表本《手册》中使用的缩写词和首字母缩略语在附件A中定义。通常情况下，3kHz-3000GHz频率范用内的无线电频谱被细分为如《无线电规则》第2条中定义的九个频段。然后，在电气与电子工程师学会(EEE)标准中，无线电频谱通常也以频段来表示。由于在本《手册》中常用到下列术语，因此将其列于此，对其的理解应是明确清晰的。波段L波段1-2 GHzS波段2-4 GHzC波段4-8 GHzX波段8-12 GHzKu波段12-18GHzK波段18-26.5GHzKa波段26.5-40GHzQ波段40-50GHz《小卫星手册》31.3小卫星的历史视角Sputnik1是1957年10月4日发射的第一颗人造地球“小型”卫星，带有外置无线电天线，用于广播无线电脉冲。它是一个直径58厘米、重83千克的抛光金属球体，配有1瓦发射机，频率为20.005和40.002MHz。对无线电信号的分析被用来收集电离层电子密度的信息。20世纪80年代末，出现了一种新的卫星模式，即现代小卫星，开辟了新的空间应用领域。利用子系统方法确定了影响小型、低成本卫星总线设计的主要设计问题和限制因素。关键的设计领域包括改进电池技术和开发可展开的太阳能电池阵列、姿态控制组件、星载数据处理/存储和地面站数据采集设备。虽然最终的卫星也将要比以前的小卫星更大、更强大、最重要的是更复杂，但这被认为是这一领域研究的自然进展，是今后更详细研究的一部分。在过去几年中，卫星工业开发了一套综合的卫星子系统和小卫星总线。这些子系统包括通信、姿态传感和控制、电力转换和分配以及星载数据处理。它们本质上是模块化的，可随时适应不同的卫星配置，这一概念被称为半标准化。两种通用的低成本总线都采用了这一概念：MicroSIL,用于质量范围在40-80千克的卫星：MiniSIL,用于质量范围在100-500千克的卫星。它们的结构以半标准子系统为基础，但易于修改，以利用其他制造商的子系统。它们可以支持包括旋转、三轴控制和重力梯度在内的所有稳定方法，并可适应包括地球探测、空间研究、教育、科学和实验任务、通信和技术演示验证在内的多种任务。最近，许多小卫星系统都是以已发射或将在未来几年内发射的几十颗（在一些情况下是几百颗)小卫星组成的星座为基础。因此，需要在很短的时间内生产出大量的航天器。传统的航天生产概念已无法满足这些新系统的要求，因此需要一种新的装配、集成和测试(AT)方法，既能满足密集型生产的要求，又不引入完全的流程自动化。航天工业正朝着未来的发展方向迈进，未来的大型小卫星星座能够在广阔的地理区域或全球范围内提供所有类型的业务。1.4小卫星的类型目前，还没有关于小卫星的法律或规则定义。然而，可以根据卫星的质量、任务可续时间、功能密度等，来将其分为不同的类别。小卫星部分得益于最近的创新，特别是小型化和商业现货的EEE(电气、电子和机电)部件技术（如来自汽车的技术），提供了低功耗、低质量和紧凑外形的高度集成的特征。根据共同商定的定义，小卫星可分为以下几类：微型卫星(Minisatellite)：通常在100-500千克之间，这类卫星一般以经济效益高的操作任务为目标：这种形式因素提供了有利的技术能力，而且成本低，也适合为以星座为基础的系统进行大规模生产。微卫星(Microsatellite):湿质量通常小于100千克：卫星的能力（如指向、寿命）可能有所降低，但有效载荷可支持可行的商业案例。这类卫星适合多卫星应用，以实现高重访率或提高对用户的可用性。纳卫星(Nanosatellite):这类卫星最初是通过“立方体卫星”(CubeSat)系列开发和推广的，从1U外形（约1升，质量约1-1.2千克）开始。现在，纳卫星通过增加质量和体积，已演进到12-20U的外形尺寸，从而拥有更强大的卫星能力，允许执行更宏大的任务。皮卫星(Picosatellite):非常小的卫星，质量在0.1-1千克之间，单个卫星的能力非常有限，但可以通过多颗协作皮卫星一起工作的编队飞行配置来提供有趣的任务功能，这些卫星可能与一颗更大的“母”卫星协作工作。飞卫星(Femto-satellite):利用非常先进的纳米技术，在过去的十五年中，设计出了小于100克的超小卫星。这些小卫星大多与提供操作信号的“母”卫星配套使用（最近的一些飞卫星能够独立操作)。《小卫星手册》如表1所示，ITU-RSA.2312(09/2014)报告还按其质量对卫星进行了分类。表1小卫星的典型特性质量最大总线典型成本最大尺寸开发时间轨道任务持续命名(kg)功率(USD)(年)时间(年)微型卫星100-500100030-200M3-10GEO5-10MEOLEOHEO微卫星10-10015010-150M1-52-6纳卫星1-1020100k-10M0.1-1LEO皮卫星0.1-150k-2M0.05-0.1(HEO)飞卫星<0.11<50k0.01-0.1<1注：本表基于上述报告，日期为2014年，所述数字可能需要在本《手册》今后的修订版中根据现有统计数据进行更新。报告中还提到，从频率管理的角度来看，尺寸和/或质量并不是真正的问题，而任务持续时间、轨道不确定性、低卫星等效各向同性辐射功率（©.ir.p.)和开发速度等因素则是更为重要的因素。除了上文表1中提到的那些分类外，立方体卫星(CubeSat)是一类小型化卫星，其标准外形尺寸为10厘米×10厘米×10厘米的立方体(1个单位或“1U”)。现有立方体卫星的最小尺寸为0.25U,最大为27U。最常见的外形尺寸是3U。更大的外形尺寸，如6U和12U,是由并排堆叠的3U组成。立方体卫星的重量通常在0.2-40千克之间，其电子设备和结构通常采用商业现货(C0TS)组件。立方体卫星标准由加州州立理工大学(CalPoly)和斯坦福大学于1999年制定，其主要目的是为实现教育目标而执行价格可承受的飞行任务。这一标准定义使得一个专门的生态系统得以出现，它提供了成本极低的标准化组件，如结构、通用功能电子设备或发射筒，这些都得益于规模效应。结果是，这也降低了立方体卫星的发射成本。从任务持续时间来看，非对地静止(on-GSO)卫星系统可分为长期任务和短期任务。持续时间长的任务通常是大型星座和商业项目，一般需要大量资本投资。持续时间短的任务的最长任务寿命为三年，一般由星座中的一颗卫星或少量卫星组成，通常用于非商业用途或处于早期启动阶段。小卫星的系统工程系统工程关注的是一个系统在多个目标（如质量、成本和功率）下的总体性能。系统工程过程是一种有条不紊的方法，用于平衡各个子系统的需求和能力，以提高系统的性能。在小卫星开发项目中，尺寸、体积和质量方面的限制往往是无法计算的，再加上客户要求在给定尺寸内集成更多功能的压力越来越大，因此而使系统工程方法对小卫星而言显得尤为重要。小卫星的特性与传统的大型卫星有许多不同之处：小卫星通常有固定的太阳能电池阵列，而不是太阳跟踪太阳能电池阵列：小卫星通常没有可展开的太阳能电池板和天线：质量小导致热惯性反复出现：体积小导致发电和储电能力降低：《小卫星手册》5体积可能受到严格限制：小卫星有效载荷或总线的表面积可能非常有限：小卫星使用更小的组件、新技术（如微机电系统(MEMS))和非传统供应商。这些差异意味着，尽管小卫星和大型卫星的设计过程相似，但需要考虑的要素和开发时间却大相径庭。