納米衛(wèi)星，一種可以握在手中的微型衛(wèi)星，正在以前所未有的速度向太空發(fā)射。隨著技術(shù)發(fā)展速度的加快，將納米衛(wèi)星送入軌道的成本越來越低，這些衛(wèi)星可以提供超越太空探索之外的社會價值。未來，納米衛(wèi)星將改變空間信息相關(guān)的各種行業(yè)，從更精確的天氣和氣候預(yù)測到更好地監(jiān)測(和安全)空中和海上交通，更智能地預(yù)測作物產(chǎn)量和商品。每年都有數(shù)百顆微型、低成本的衛(wèi)星進入太空軌道。本文將介紹微型衛(wèi)星將如何改變我們與周圍世界的關(guān)系。

什么是納米衛(wèi)星

國際空間站目前是地球軌道上最大的衛(wèi)星，尺寸約為 356 英尺× 240 英尺。

納米衛(wèi)星是質(zhì)量在 1 公斤到 10 公斤之間的小型衛(wèi)星。 一些納米衛(wèi)星只有十立方厘米。 而納米衛(wèi)星和許多和大型衛(wèi)星一樣，有天線，傳感器和控制系統(tǒng)，對太空探索和監(jiān)測非常有用。

采用 10×10×10 單位立方結(jié)構(gòu)的納米衛(wèi)星被稱為立方體衛(wèi)星(CubeSats)。 單體(1U)立方體衛(wèi)星質(zhì)量不超過 1.33 公斤，但可以與其他立方體衛(wèi)星堆疊成 2U，3U 或 6U 的長方形型號。

僅僅在幾年前，無論大小，建造可用衛(wèi)星的成本至少需要 200 萬美元。現(xiàn)在，學(xué)生和科學(xué)家們可以使用 DIY 套件和現(xiàn)成組件來制作納米衛(wèi)星，從而使制造成本下降到數(shù)萬美元。

發(fā)射納米衛(wèi)星也比普通衛(wèi)星發(fā)射便宜得多，普通衛(wèi)星發(fā)射可能花費數(shù)百萬美元。而這些小小的“衛(wèi)星”可以通過在火箭上進行“搭車”來共同發(fā)射，成本因衛(wèi)星質(zhì)量，太空距離以及太空任務(wù)的或“有效載荷”而不同。

例如，創(chuàng)業(yè)公司 Open Cosmos 提供一系列的納米衛(wèi)星服務(wù)，提供從衛(wèi)星設(shè)計、發(fā)射、任務(wù)模擬，測試和保險等的一站式服務(wù)，價格 630000 美元起，整個過程時間不超過 10 個月。

另一家公司 Spaceflight 提供搭乘火箭的商業(yè)定價，可以在數(shù)周內(nèi)預(yù)定火箭發(fā)射，將 3U 立方體衛(wèi)星發(fā)送到近地軌道(LEO)，最低價格 295000 美元。

隨著越來越多的納米衛(wèi)星被大學(xué)、科技公司、政府機構(gòu)和私人發(fā)送到太空，他們將以極低的成本提供全面的地球“覆蓋” ，從而導(dǎo)致許多領(lǐng)域的游戲規(guī)則被改變。

教育，科研

正如計算機成本的下降已經(jīng)迅速改變了我們了解世界的方式，環(huán)繞地球的小型衛(wèi)星數(shù)量的增長(并將數(shù)據(jù)發(fā)回地球)將改變我們了解宇宙的方式。

配有相機的納米衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)送了前所未見的圖像：例如，俄羅斯宇航員最近向我們展示了世界上第一個宇宙中的全景 360 度視頻。

但納米衛(wèi)星對教育的價值遠遠不只是用太空直播替代教科書(或紀(jì)錄片)。 研究人員也將受益于將實驗室項目送入軌道。

開展空間研究對于許多科學(xué)目標(biāo)來說是重要的，這也是國際空間站多年來一直擔(dān)任低重力研究實驗室的部分原因。

因為流體在微重力中幾乎可以完全結(jié)合，例如，納米衛(wèi)星實驗可以幫助科學(xué)家們理解在地球上混合不好的流體。

另外，引力可能會降低某些材料的導(dǎo)電性，因此希望創(chuàng)造“超導(dǎo)”合成材料的科學(xué)家也可以使用低重力環(huán)境來理解分子水平上材料的相互作用。

生物學(xué)家已經(jīng)在使用納米衛(wèi)星來了解重力如何影響生物過程：例如，通過美國國家航空航天局的立方體衛(wèi)星發(fā)射計劃(CSLI)發(fā)送到太空的 SporeSat 項目研究了重力對蕨類繁殖孢子的影響。

天氣預(yù)報

空間天氣，與太陽或宇宙輻射以及大氣中的磁場之間的相互作用有關(guān)，用傳統(tǒng)的衛(wèi)星進行測量是繁重和昂貴的。

2016 年歐洲地球科學(xué)聯(lián)盟大會報告稱納米衛(wèi)星是“空間天氣研究的一個范例改變”。

目前，美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)等機構(gòu)的空間天氣信息還不夠完善，這限制了他們預(yù)測地球上天氣的能力。

然而，通過數(shù)千個裝有傳感器的納米衛(wèi)星在軌運行，詳細的空間天氣數(shù)據(jù)可以用來幫助我們更好地預(yù)測熱帶或非熱帶風(fēng)暴中的颶風(fēng)，洪水和強降水。

為了幫助我們更好的預(yù)測天氣，美國海洋和大氣局與創(chuàng)業(yè)公司 Spire 在 2016 簽訂了一份合同。Spire 運行著十多個“多傳感器納米衛(wèi)星”收集全球 GPS-RO 天氣數(shù)據(jù)，測量某些大氣特性，這些特性對了解暴風(fēng)雨天氣模式至關(guān)重要。

空氣、海洋監(jiān)測

NOAA 將 GPS-RO 合同給了 Spire，作為該機構(gòu)在 10 年內(nèi)實現(xiàn)“平均航跡和強度誤差”降低 50% 的目標(biāo)的一部分。 預(yù)測風(fēng)暴的軌跡和強度對減輕未來自然災(zāi)害的影響至關(guān)重要。

天氣預(yù)報對海洋和航空安全具有特別重大的影響。隨著納米衛(wèi)星的提供更好的信息，航空和海洋行業(yè)的利益相關(guān)者和保險公司將能夠圍繞颶風(fēng)和風(fēng)暴進行更好的風(fēng)險分析，最終減少負債(和保險費)。

通過減少與天氣造成的損失，安全性的提高也將降低運輸成本。 納米衛(wèi)星還可以幫助減少空中和海上的碰撞事故，因為它們可以直接從大氣提供空氣或海洋交通的意見。

尤其是海運業(yè)，通過自動化，納米技術(shù)將能夠監(jiān)測地球的海洋，以減少海盜風(fēng)險。

目前，Spire 和其他創(chuàng)業(yè)公司正在利用衛(wèi)星向海事利益相關(guān)方提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。

農(nóng)業(yè)和商品貿(mào)易

納米衛(wèi)星也將在陸地的商業(yè)活動中提供價值。憑借更好的天氣和氣候情報，環(huán)境條件將變得更加可衡量，可預(yù)測和數(shù)據(jù)驅(qū)動。

農(nóng)業(yè)將是第一個轉(zhuǎn)型的領(lǐng)域之一。

納米衛(wèi)星數(shù)據(jù)將帶來重大升級：關(guān)于天氣模式和自然災(zāi)害的更好的預(yù)測數(shù)據(jù)，將轉(zhuǎn)化為對作物的更準(zhǔn)確的預(yù)測，最終決定種什么，在什么地方種，如何種，以及什么時候種。

Satellogic 這類創(chuàng)業(yè)公司已經(jīng)在為農(nóng)業(yè)部門提供基于衛(wèi)星的見解。 Satellogic 的機器就是所謂的“光譜衛(wèi)星”，從光中拾取信號，從分子水平上了解環(huán)境生物的健康狀況。

隨著對空間天氣及其對農(nóng)業(yè)影響的更好的了解，市場觀察家還將更好地了解作物和其他商品的全球預(yù)期產(chǎn)量，可能為貿(mào)易商和分析師提供新的見解。

環(huán)境監(jiān)控和保護

根據(jù)“紐約時報”的報道，研究人員長期以來一直警告美國的氣候監(jiān)測能力，包括衛(wèi)星以及基于空氣和地基的測量儀器都不足。

在全球衛(wèi)星溫度記錄中，只有少數(shù)衛(wèi)星在任何給定的時間點測量溫度。

在大型衛(wèi)星中的一些還具有“相當(dāng)大的軌道漂移”，這限制了它們每天同時飛越地球上同一地點的能力，這是準(zhǔn)確估計隨時間變化的溫度的先決條件。

通過數(shù)千顆小型衛(wèi)星追蹤大氣中更小范圍內(nèi)的變化，科學(xué)家們將了解關(guān)于氣候波動的新數(shù)據(jù)。 這些信息對于所有與環(huán)境保護有關(guān)的努力都至關(guān)重要，從預(yù)測未來的溫度變化到確定高風(fēng)險的棲息地和生物體。

通信

自第一顆人造衛(wèi)星 Sputnik 于1957年搭載無線電發(fā)射機誕生以來，各種規(guī)模的衛(wèi)星一直在我們的全球通信基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮作用。我們對衛(wèi)星通信的依賴(又名“衛(wèi)星通信”)自指數(shù)增長至今：到 1990 年，每 3 個洲際電話中就有 2 個由通信衛(wèi)星傳送。

通信衛(wèi)星用于中繼和放大傳輸信息的無線電信號。 它們實質(zhì)上是在地球上不同位置的源發(fā)射機和接收機之間建立通信信道。

即使互聯(lián)網(wǎng)在偏遠地區(qū)得到改善，衛(wèi)星仍然是信息共享的關(guān)鍵：大多數(shù)新聞機構(gòu)仍然使用衛(wèi)星向其分支機構(gòu)分發(fā)文本，音頻和視頻。

沒有衛(wèi)星，很多欠發(fā)達國家的公民將無法獲得新聞和其他信息。 即使在今天，我們這個星球上的大片地區(qū)仍然缺乏電信基礎(chǔ)設(shè)施。

技術(shù)領(lǐng)域的利益相關(guān)者已經(jīng)在使用納米衛(wèi)星來填補互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍。 例如，澳大利亞的 Sky and Space 公司(SAS)計劃在 2020 年前為赤道周圍的數(shù)百萬居民(從達爾文到香港)提供衛(wèi)星覆蓋。SAS 的第一步將于 2018 年開始與維珍銀河公司合作，發(fā)射多達 200 個納米衛(wèi)星。

防衛(wèi)

隨著我們對太空(和空間數(shù)據(jù))的獲取持續(xù)加速，既會有風(fēng)險、也會有機遇。

私人公司正在準(zhǔn)備將衛(wèi)星用于防衛(wèi)。 納米衛(wèi)星可以用來窺探其他國家的衛(wèi)星，或者收集有關(guān)敵方飛船的情報。

此外，納米衛(wèi)星將成為黑客或敵對政府的主要目標(biāo)。 這些攻擊者可能試圖通過納米衛(wèi)星來禁用電信頻道，或者通過納米衛(wèi)星破壞其他更大衛(wèi)星的服務(wù)，以及許多其他潛在的惡意應(yīng)用。

考慮到潛在的威脅，洛克希德·馬丁公司在 2017 年夏天投資了納米衛(wèi)星創(chuàng)業(yè)公司 Terran Orbital; Terran 及其子公司 Tyvak Nano-Satellite Systems 使用衛(wèi)星安全監(jiān)控數(shù)據(jù)進行軍事/國防情報應(yīng)用。