공칭 10㎝ 정육면체인 1U를 기본 단위로 삼아 크기·구조·사출장치와의 접속 규격 등을 표준화한 모듈형 소형 인공위성을 말한다.
큐브위성은 모든 초소형위성을 통칭하는 말이 아니라 미국 캘리포니아 폴리테크닉주립대(Cal Poly) 큐브위성 프로그램이 관리하는 CubeSat Design Specification(CDS)이 정한 규격을 따르는 위성을 가리킨다. '큐브샛'이라고도 한다. 표준화된 구조와 부품을 쓰고 규격화된 사출관에 넣어 발사할 수 있어, 임무에 맞춰 개별 설계하는 일반 위성보다 개발기간과 비용을 줄일 수 있다.
크기는 유닛(unit)의 머리글자 'U'로 나타낸다. 2U는 1U 두 개를, 3U는 세 개를 길이 방향으로 연결한 크기이며, CDS Rev. 14.1(2022년 2월)은 1U·1.5U·2U·3U·6U·12U 규격을 다룬다. 1U는 공칭 10㎝ 정육면체이지만 실제 외형은 레일을 포함해 100.0×100.0×113.5㎜다. 1U의 최대 질량은 Rev. 13까지 1.33㎏이었고, Rev. 14.1에서는 일반적인 최대 질량이 2㎏으로 제시돼 자료에 따라 수치가 다르다. 실제 허용 외형과 질량은 사출장치와 발사사업자의 요구조건에 따라 달라질 수 있다.
큐브위성 규격은 1999년 Cal Poly의 조르디 푸이그수아리(Jordi Puig-Suari) 교수와 스탠퍼드대의 밥 트위그스(Bob Twiggs) 교수의 협력으로 시작됐다. 초기에는 교육과 기술실증용으로 주로 쓰였으나 이후 지구관측·통신·기상관측·우주환경 조사·과학실험 등으로 활용 범위가 넓어졌다.
큐브위성은 대형 주탑재위성과 함께 싣는 피기백 방식, 여러 소형위성을 한꺼번에 발사하는 승차공유 방식, 국제우주정거장에 화물로 보낸 뒤 전용 사출장치로 내보내는 방식 등으로 궤도에 투입된다. 사출관은 발사 중 위성을 보호하고 분리 명령이 내려지면 덮개를 열어 위성을 밀어낸다.
표준부품과 상용 기성품을 활용할 수 있어 대형 위성보다 상대적으로 저렴하지만, 제작비와 발사비가 일정하게 정해져 있지는 않다. 위성 크기, 탑재장비, 방사선 내성, 시험 수준, 지상국 구축, 발사 방식에 따라 전체 사업비가 크게 달라진다. 대학이나 스타트업도 개발할 수 있지만 주파수 사용, 우주물체 등록, 우주잔해 저감 등에 관한 국가별 법규와 발사사업자의 안전요건을 충족해야 한다.
여러 기를 같은 궤도에 배치해 하나의 체계처럼 운용하면 개별 위성의 제한된 성능을 보완하고 특정 지역의 반복 관측 주기를 줄일 수 있다. 미국 플래닛(Planet)의 도브(Dove)는 3U 큐브위성 규격으로 제작된 지구관측위성이며, 다수의 위성으로 군집을 구성해 지구 육지를 반복 촬영한다. NASA가 2018년 화성 탐사선 인사이트와 함께 발사한 마르코(MarCO) A·B는 각각 6U 규격으로 제작된 최초의 심우주 큐브위성으로, 인사이트의 화성 대기권 진입·하강·착륙 정보를 지구로 중계하는 기술을 실증했다.
한국에서도 대학·연구기관·기업을 중심으로 지구관측과 우주기술 실증용 큐브위성이 개발되고 있다. 한국천문연구원이 우주날씨 관측을 위해 개발한 도요샛 4기는 2023년 5월 누리호 3차 발사에 실렸으나 3호기는 사출관 문이 열리지 않아 분리되지 못했다. 2026년 10월 누리호 5차 발사에는 산·학·연이 개발한 큐브위성 10기가 부탑재위성으로 실렸고, 이 가운데 9기는 정상 분리됐으나 1기는 사출관 덮개가 열리지 않아 분리되지 않았다.