立方星（英文名：CubeSat），又称立方体卫星、立方体纳卫星，是一种采用国际通用标准的低成本微小卫星。1U立方星的体积为10×10×10cm，在此基础上，还可拓展为“2U”“3U”甚至“12U”（20×20×30cm）。
立方星的概念最早是由加利福尼亚州理工大学San Luis Obispo教授与斯坦福大学Bob Twiggs教授于1999年11月在夏威夷举行的大学空间系统研讨会上共同提出的。2003年6月30日，第一批立方星搭载俄罗斯呼啸KM型火箭发射入轨。2014年，立方星技术实用化获评“世界十大科技进展”。2016年6月25日，世界首颗12U立方星“翱翔之星”搭载“长征七号”运载火箭在海南文昌卫星发射中心发射成功。2025年12月10日，由中山大学学生团队自主研发的立方星“逸仙-A星”成功发射，成为世界首颗在轨开展木质外板验证的卫星。截至2025年4月30日，人类已发射立方星2730颗。
立方星包括结构热控、电源、姿控、通信和星务计算机等分系统，采用PC104总线。立方星结构设计需要满足：①结构外形切面方向尺寸（100±0.1）mm；②一单元立方星纵向尺寸小于（113.5±0.1）mm；③三单元立方星纵向尺寸小于（340.5±0.3）mm；④卫星质心与形心偏差在20mm以内。
立方星的优势在于其具有统一的设计制造标准，有利于卫星在国际上的流通与合作使用。立方星的发射与制作成本一般为数百万元人民币，这与动辄数亿乃至数十亿元的大卫星相比，成本更低。同时，立方星具有功能密度大、研制周期短、入轨快的特点，通过网络组建技术形成的星座，可应用于观测地表信息、验证新卫星性能、探测未知空间、植物受影响实验、教学与科学试验等领域。
历史沿革
立方星的概念最早是由加利福尼亚州理工大学San Luis Obispo教授与斯坦福大学Bob Twiggs教授于1999年11月在夏威夷举行的大学空间系统研讨会上共同提出的，其最初目的是让学生亲身参与并实践体验卫星的研制、发射和遥测全过程。立方星是一种小型化的卫星，结构简单，根据任务的需要，可将立方体卫星扩展为一个半单元、双单元、三单元、六单元、十二单元（1.5U、2U、3U、6U、12U）等。
2003年6月30日，第一批立方星搭载俄罗斯呼啸KM型火箭发射入轨，其中包括来自多伦多大学的“Canx-1”，丹麦奥尔堡大学的“AAUSAT”，丹麦技术大学的“DTUSatl”，美国斯坦福大学的“QuakeSatl”，日本东京工业大学的“CUTE-1”和日本东京大学的“CubeSat Xl-IV”。
2014年，立方星技术实用化获评“世界十大科技进展”。2015年9月25日9点41分在酒泉卫星发射中心，长征十一号运载火箭成功将四颗卫星送入预定轨道，其中3颗立方体试验卫星（上海科技大学二号STU-2）由中国科学院上海微小卫星工程中心研制。
西北工业大学陕西省微小卫星工程实验室自主研发的12U立方星“翱翔之星”于2016年6月25日搭载“长征七号”运载火箭在海南文昌卫星发射中心发射成功。“翱翔之星”是国际上首颗12U立方星。2017年4月18日，西北工业大学“翱翔一号”立方星、南京理工大学“南理工二号”立方星、哈尔滨工业大学“紫丁香一号”立方星等欧盟QB50计划首批发射入轨的28颗卫星，搭乘宇宙神5运载火箭/天鹅座货运飞船，在美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地成功发射升空。
2025年12月10日，由中山大学学生团队自主研发的立方星“逸仙-A星”成功发射，成为世界首颗在轨开展木质外板验证的卫星。截至2025年4月30日，人类已发射立方星2730颗。
设计架构
技术标准
自1999年立方体卫星概念提出，加州理工学院和斯坦福大学就制订了立方星及其分离机构的标准，用于规范立方星的设计。
（1）卫星平台总体框架
立方星平台系统包括结构热控、电源、姿控、通信和星务计算机等分系统，采用PC104总线。
（2）结构标准
为实现卫星的统一设计，立方星结构设计需要满足：①结构外形切面方向尺寸（1000.1）mm；②一单元立方星纵向尺寸小于（113.50.1）mm；③三单元立方星纵向尺寸小于（340.50.3）mm；④卫星质心与形心偏差在20mm以内。
（3）电接口标准
发射时，星上设备必须断电，避免对主星产生影响；卫星安装1~2个分离开关，用于在入轨前切断电源，入轨后打开电源。
（4）入轨操作标准
所有展开机构，包括天线、太阳电池阵等，需在卫星入轨30min后展开；卫星通信发射机功率大于1W时，需在卫星入轨30min后开机。
核心系统
立方星平台核心系统包含结构热控系统、星务系统、姿态控制系统、电源系统和通信系统等。
结构热控系统
材料的选择是保证立方星质量和刚度的关键。铝合金是航空航天领域传统材料，由于其具有密度低、比强度和比模量较高、以及导热率良好等优点，是立方星结构首选材料。碳纤维增强复合材料具有无裂纹、热稳定性好和比强度比刚度高等优点，且结构可设计为各向异性，在立方星结构设计中日益受到重视。同时，2011年利用激光3D打印技术制作立方星结构的技术在PrinSat立方星上得到验证后。3D打印技术应用于立方星的结构，电路板制作受到广泛关注。
卫星热控技术分为主动热控和被动热控两种。由于被动热控具有技术简单、工作可靠及不消耗能量等优点，适应立方星小型化的需求，是立方星温控的主要手段。常用的被动热控的方法有热控涂层，多层隔热材料，相变材料和导热填料等。但对于电池和相机等对温度要求较高的组件，仍然需用主动热控，常用的主动热控的方法有电加热器，空间辐射器和机械接触式热开关等。将主动热控手段小型化应用于立方星是未来的发展方向。
星务系统
星务系统是立方星的管理系统，当前立方星星务系统的处理器大多选用低功耗商用器件，并具备至少30MIPS的处理能力。在轨立方星使用的处理器以ARM，FPGA为主，也有单片机和DSP等。立方星星务计算机主要通过冗余设计手段提高系统可靠性，较少使用抗辐射组件。
星务系统的存储从可靠性高，体积小及功耗低的角度出发，以sram和小容量Flash为主。星务系统与其他分系统总线连接主要采用功耗低，标准化高的I2C总线，在轨立方星系统中都使用了I2C总线。
商用现货器件的快速发展使得立方星星务系统通过高集成度，高可靠性设计向更低功耗，更小的体积方向发展。
姿态控制系统
立方星姿控系统的主要任务是确定和控制卫星的姿态。为了在有限空间及功耗下，完成卫星的三轴稳定控制，当前立方星姿控系统多采用微型三轴磁强计，微型动量轮和磁力矩器等微型部组件，以及基于微机电系统（Micro-electro-mechanical system，MEMS）技术的陀螺仪，加速度计等完成系统的构建。在控制算法方面，立方星多采用成熟的三轴磁测磁控方案，且大多数采用偏置动量控制，普遍三轴稳定立方体卫星姿态控制精度在2~5左右。
随着MEMS技术的发展，越来越多的高精度姿态敏感器件以及姿态控制器件成功实现了微型化，并集成于立方体卫星，如微型太阳敏感器，星敏感器和地球敏感器等，这些器件的加入将使得立方星姿态确定水平能够达到1°以内。
电源系统
立方星电源系统主要包括能源获取、能源控制和能源存储。能源获取大都使用三结砷化镓太阳能电池片，具有27%~30%的能源转换效率，相比硅太阳电池15%的转换效率约提升一倍，电池阵安装可采用体装式和展开式帆板设计。
能量控制分为直接能量传输（Direct 能量 transfer,DET）和最大功率点跟踪（Maximum peak 功率 tracking,MPPT）两种转换拓扑。DET拓扑为满足寿命末期电池阵输出大于母线最大电压的要求，会导致寿命初期电池阵能量利用率较低；MPPT模式能够很好地跟踪太阳电池阵最大输出功率，能量利用率高，但是需要通过软件算法配合硬件电路实现，增加了可靠性风险。同时，由于转换器效率不能达到100%，寿命末期获得的能量可能较DET模式少。立方星电源系统拓扑结构以PPT结构居多。
在电源存储方面，由于锂电池具有较高的充放电效率，比能量高及循环寿命长等优点，立方星基本都采用锂离子电池或锂聚合物电池。
通信系统
立方星星载通信系统多采用传统硬件结构收发信机，系统大多工作于VHF/UHF火腿电台频段，国外立方体卫星VHF/UHF频段通信模式。个别卫星如德克萨斯大学的DTU-2工作于S业余频段，大都采用AX.25通信协议。对于调制模式在VHF/UHF频段大多采用AFSK与BPSK调制模式，在S波段多采用跳频方式，通信速率基本处于0~100kb/s范围内。考虑到立方体卫星电量的限制，卫星发射功率一般均小于2W。
发射方式
立方星的发射方式包括以下几种：
第一，火箭搭载。一般搭载在火箭次级，通过适配器与火箭连接，发射入轨后立方星从适配器中弹出。
第二，国际空间站部署。送入国际空间站后，立方星通过机械臂吊舱释放。
2014年8月18日，俄罗斯宇航员在国际空间站执行出舱活动任务期间，手动释放了一颗叫做Chasqui-1的1U立方星。
优势
与传统卫星相比，立方星至少在三个方面有明显不同：一是工业级器件的广泛应用，二是标准化、批量化的部件生产，三是大幅度简化系统和流程。
首先，传统航天任务中，高等级器件占用了至少1/3的成本。在工业领域几十、几百元一个的芯片，其宇航级产品往往造价高达十几万甚至几十万，所以同样功能的一件设备，航天产品往往比地面民用或军用产品成本高出一两个数量级。立方星在最初是基于教学和科研目标提出的，因此卫星的成败并不是一件很重要的事情，所以在一开始就主要依靠地面工业级器件，同时只追求相对短的在轨寿命。但在实践过程中，立方星自身技术的发展使得其在轨实际寿命不断提高，在保持低成本的同时逐步弥补了其寿命短板。
其次，传统航天任务往往军民结合，这使得各国的航天系统往往相对封闭。由于单个国家航天任务总量有限，因此各国的航天部组件都长期处于单件生产状态，研制成本高居不下，同时产品的质量稳定性也受人为因素影响较大。而立方星由于其本源上的教学和科研性质，相对容易地突破了国家界限，在此情况下，一批标准化部件已经实现了全球销售，总销售量的上升推动生产商实现了小批量生产。借助于现代工业的批量化生产手段，产品的一致性得以显著提升，同时成本也进一步下降。
第三，传统航天产品一般在各层级都有冗余备份，从电路板上的电路备份，到设备中的板卡和模块备份，再到系统中的设备备份，层层备份实现了航天器的高可靠性，同时也极大地推高了航天器总成本—不仅在体系上面有备份，在研制流程上，传统航天也规划了模样件、初样件、正样件三套产品。应该说，三阶段的研制流程在确保最终产品的极高可靠性方面是非常必要的，但毫无疑问这也使得产品成本进一步翻番。立方星技术从一开始就反其道而行之，以“最简单的就是最可靠的”为核心理念，不仅从系统设计层面放弃一切备份，做最简系统，还从研制流程层面只做一套产品。通过这两方面的简化，在牺牲部分可靠性的情况下，使得卫星成本大幅度降低。
应用领域
观测地表信息
在观察地表信息的时候可以采用三单元立方体卫星。三单元立方体卫星的图像呈现十分清晰，地面观测范围较大。立方体卫星现在分布在各个轨道以及极地区域，数量已超过一百颗。立方体卫星每24小时输送一次图像信号，控制系统进行收集，从而对各个区域的地理特征进行分析。
验证新卫星性能
科学家们已经研制出新型的卫星对接技术、交汇技术等。第一颗卫星进入轨道后，可以发射第二颗立方体卫星，使后一颗卫星围绕前一卫星运转。立方体卫星系统安装了传感装置，便于固定两颗卫星的位置。卫星对接技术对航天事业的发展有着重要作用，一旦技术成熟，可以为航天器提供探测服务。
探测未知空间
航天探测就是想要开发人类未知的领域，立方体卫星的存在刚好可以满足航天探测的需要。许多国家都已开始进行立方体卫星探测项目，空间探测时至少需要五十颗以上的立方体卫星，形成完整的卫星系统。
植物受影响实验
植物的生长状态在地球和外层空间有着很大的差异，需着重分析重力对植物的影响因素。将立方体卫星技术应用在中国科学院植物研究所受影响的实验中，可利用电磁信号记录植物的生长过程，并将收集到的信息传给地面空间站。
教学与科学试验
在工程培训和大学教育方面，立方体卫星发挥了巨大作用，加速了先进科学技术向工程应用的转化进程，促进了产学研结合。宇航专家又提出了“口袋立方体”（PocketCube）卫星概念，并已在2013年完成多次发射。以立方体卫星发展现状推断，“口袋立方体”卫星也必将具有广阔的应用前景。
军事应用
立方体卫星具有潜在的军事应用价值，其具有功能扩展性好、可快速组网、生存能力强、系统可靠性高、实用灵活方便、适合应急发射等优点，这些特点都非常适合应用于军事领域。譬如，2013年12月6日，美国成功发射了战术卫星-6（TacSat-6）立方体纳卫星，其质量5kg，主要用于测试战术通信技术。立方体卫星也可以用于执行子母星任务，从而实施空间态势感知和空间控制任务。一颗立方体母卫星可携带多颗立方体子卫星，这些子卫星以不同方式组合排列进行编队飞行，可以与其他太空资产对接，提供高质量成像，并完成对其他卫星进行监视、干扰和攻击等任务。
空间分布式应用
立方体卫星可通过星座组网、编队飞行等途径，显著提高系统的时间分辨率和覆盖区域。通过对星座卫星的分布式灵活部署及在轨重构，大幅提高空间系统的生存能力和空间体系的弹性。星座多星，多任务和多模式综合应用形成新的工作体制，可实现单颗卫星难以实现的功能和性能。世界在遥感、战术应用、通信、科学试验等领域均提出了大规模的立方体卫星星座计划。空间分布式应用已经成为立方体卫星发挥效能的重要途径，也是未来立方体卫星发展的主要趋势。
专业赛事
2016年“天际探索杯中国大学生立方体卫星大赛”26日在海口市举行新闻发布会，本次大赛是全国大学生微型立方星设计制造创新科技比赛，主题为“立方之星，梦圆中华”。大赛面向国内大专院校在校学生，将对参赛个人或团队设计制作的立方星金盘评选、优化、引导和自助。12月19日大赛总决赛后，组委会将根据实际评审效果，评选出最后优胜项目，并对获得项目实施奖项的参赛者提供10万至25万元人民币奖金。资深火箭专家、中国运载火箭技术研究院原副院长、中国载人航天工程火箭系统原总指挥黄春平在新闻发布会上致辞。他表示，此次大赛响应国家万众创业、万众创新和“互联网+”的号召，以普及航天科普知识，激发大学生科技创新热情为目的。
2018年11月18日至11月20日，首届国际立方星及应用创新设计大赛在西北工业大学长安校区举行。来自世界各地的30支队伍报名参加了本次活动，其中12支队伍闯入决赛。经过现场答辩角逐，最终评选出一等奖1项，二等奖2项，三等奖3项。上海交通大学航空航天学院智能卫星技术中心团队成功闯入决赛并取得佳绩。其中，与希腊帕特雷大学、德国IABG公司合作设计的高光谱立方星（Archimedes: A Low Cost, Innovative Hyperspectral Cubesat Mission）获得二等奖；与悉尼大学合作设计的月球水资源探测立方星（Low-Lunar Orbit Nano Ice Mapper）获得优秀奖。
2023年，第74届国际宇航大会，北京航空航天大学团队获得了第二届世界大学生立方星挑战赛国际总冠军。
价值意义
立方星技术是高新技术集成的产物，它的兴起、发展和技术进步一直是在高校的主导下进行。高校具有多学科综合优势，学术水平高、科研能力强、多学科的交叉与融合成为立方星技术发展的重要保障。
立方星的发展为高校新技术、新材料的在轨验证和空间应用提供了高效、低成本的途径，可以有效推动高校学科建设和学科交叉融合。
通过立方星的研制，使得高校学生有条件在有限的时间里经历卫星研制的整个过程，对推进中国航天产业化和航天教育具有重要的意义。
发展趋势
技术发展趋势
（1）标准模块化程度更高，结构单元数量更灵活
标准模块化是立方星区别于其他微小卫星的最重要特点，标准模块化程度朝着更高的方向发展将是立方星保持和提升自身地位的重要途径。一方面，作战快速响应航天（ORS）办公室研制的PnP立方星更适合战时快速响应；NRO的“集群”（Colony）通用标准化平台已被用于STARE和SMDC-ONE等军用立方星。另一方面，立方星的结构单元将不再限于传统的1U~3U构型，多单元构型使立方星能支持更多功能更复杂的大型有效载荷。在研的诸多深空探测立方星均采用6U构型；克兰菲尔德大学设计的对地观测星座同样采用6U构型；美国国防高级研究项目局（DARPA）的侦察验证卫星SEEME甚至采用27U构型。
综合以上模块化程度和单元扩展的发展方向，立方星在高度模块化和一定程度上“无限”扩展模块数量方面与“细胞星”趋同。但1U,3U构型仍然在空间技术演示验证，教学培训方面发挥不可替代的重要作用。
（2）发展专用运载器技术和空中发射等多种技术满足快响需求
作为次级有效载荷搭乘火箭发射的方式已不能满足立方星的蓬勃发展需求。多种新型发射技术（例如立方星专用发射火箭技术和空中发射技术）为立方星提供更为广阔的应用空间，尤其是使立方星更加适应低成本快速响应发射组网或补网的军事需求。2013年美国航空航天局发布“发射服务使能探索与技术”（NEXT）招标书，拟为立方星建造专门的运载器；2015年5月，NASA通过“”纳卫星教育发射（ELaNa）项目征求包括立方星在内的小卫星专用发射火箭技术方案；DARPA正在开发的“空中发射辅助太空进入”（ALASA）项目拟用少于100万美元的成本发射包括立方星在内的质量低于45千克的小型卫星，能在24小时内完成发射准备工作。
（3）通过增材制造技术率先实现卫星的在轨制造部署
立方星的研制周期短，更适合率先实现在太空中制造组装。2015年8月美国太空制造公司与纳型支架（NanoRacks）公司合作为立方星研发商提供一项变革性的卫星部署服务“存储与部署”。该服务将结合增材制造技术提供在太空环境下按需制造，组装与部署卫星的服务。在轨建造部署将为卫星的设计，制造，部署开启新的范式，真正实现快速响应能力。
应用发展趋势
（1）组网辅助大卫星构成快速响应，抗毁空间体系架构
未来立方星可快速发射组网，响应战时需求，以发射入轨或在轨机动的形式补充缺失轨位，具有抗毁性和经济可承受性，主要表现在以下几方面：①立方星研制成本低、周期短、可批量快速生产；②美国航空航天局与其他小卫星研制公司正在研制若干具有低任务成本的立方星专用运载器，以及空中辅助发射项目，可迅速发射补网；③各国正积极发展立方星推力器及编队飞行技术，可立即调度附近卫星补充缺失轨位。但由于立方星的尺寸及功率短期内不能支持机构级任务有效载荷，立方星辅助大卫星共同构成快速响应、抗毁空间体系架构。
（2）单颗立方星将扩充空间攻防力量，亦将成为低成本深空探测新方案
美国正计划发展立方星的侦察能力和逼近操作技术，能使立方星悄悄逼近敌方航天器进行信息搜集，发起攻击和守卫大卫星。“纳帆”D2、“光帆”、“系绳卫星”等验证的太阳帆推进和系绳电推进技术亦可用于使卫星脱轨。
先进微型推进技术的不断发展以及立方星的低成本、便于搭乘等优点将使立方星成为深空探测的新方案。美国航空航天局和欧洲航天局将在未来的深空探测任务（“洞察号”任务（NASA,2016）、“探索任务”（NASA,2017）、小行星撞击任务（ESA,2020））中搭载若干深空探测立方星。
超大规模立方星星座在不增加成本的情况下，相比的小规模微小卫星星座具有更高的时间分辨率，商业价值巨大。“鸽群”1计划未来通过100颗以上立方星实现1米的空间分辨率，每天更新一次数据库；按“快眼”星座的目标设计的35颗6U立方星对地观测星座的时间分辨率更高；“斯特拉托斯”星座提供全球最大的私营气象数据库。
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