周宇 王鵬 傅丹膺

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

SkySat衛(wèi)星的系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及啟示

周宇 王鵬 傅丹膺

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

介紹了美國天空盒子成像公司的新型微小商業(yè)遙感衛(wèi)星系列——“天空衛(wèi)星”（SkySat）的性能、產(chǎn)品及系統(tǒng)運(yùn)行情況。簡述了此衛(wèi)星系列的高分辨率圖像和高清視頻數(shù)據(jù)產(chǎn)品指標(biāo)、應(yīng)用定位及設(shè)計(jì)和研制中的新理念。描述了其天地一體化的系統(tǒng)運(yùn)行模式，并重點(diǎn)分析了其獨(dú)特的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，以及數(shù)字延遲積分成像、謹(jǐn)慎商業(yè)現(xiàn)貨應(yīng)用、動(dòng)態(tài)任務(wù)規(guī)劃等技術(shù)創(chuàng)新。最后，在此基礎(chǔ)上總結(jié)出其在遙感衛(wèi)星應(yīng)用模式多樣化、衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)一體化、低成本小衛(wèi)星星座化等方面對(duì)微小衛(wèi)星研制及應(yīng)用的相關(guān)啟示。

微小衛(wèi)星；商業(yè)遙感；視頻成像；數(shù)字時(shí)間延遲積分成像

1 引言

近年來國際上微小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展十分迅速，以美國新興小衛(wèi)星公司為代表的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)推出了大量的高性能微小衛(wèi)星項(xiàng)目和計(jì)劃。特別是在商業(yè)遙感領(lǐng)域，微小衛(wèi)星正逐漸進(jìn)入業(yè)務(wù)市場，如已經(jīng)發(fā)射的天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的“天空衛(wèi)星”（SkySat）系列微衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了1 m級(jí)高分辨率圖像，行星實(shí)驗(yàn)室公司（Planet Labs）的鴿群-1（Flock-1）系列納衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了3～5 m分辨率成像和星座化運(yùn)行（截至2015年6月仍有20顆衛(wèi)星同時(shí)在軌），而計(jì)劃發(fā)射的項(xiàng)目還有道里亞宇航公司（Dauria Aerospace）的低成本小衛(wèi)星等［1-2］。這些項(xiàng)目都體現(xiàn)了降低成本、通過星座化運(yùn)行提升數(shù)據(jù)獲取時(shí)效性和覆蓋性的微小衛(wèi)星的應(yīng)用思路。這其中SkySat系列衛(wèi)星則是重要的代表，自其2013年11月首顆星SkySat-1發(fā)射并發(fā)布第一批靜態(tài)圖像和視頻數(shù)據(jù)以來就得到了廣泛的關(guān)注。SkySat-1是首顆實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1 m分辨率光學(xué)成像的微衛(wèi)星（100 kg以下），同時(shí)也是首顆實(shí)現(xiàn)1 m級(jí)分辨率高清視頻成像的商業(yè)遙感衛(wèi)星。此系列衛(wèi)星在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)上體現(xiàn)出了其獨(dú)特的創(chuàng)新點(diǎn)，多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新與低成本結(jié)合的設(shè)計(jì)和實(shí)踐道路使得技術(shù)、用戶、運(yùn)營三者更加緊密的結(jié)合。其創(chuàng)新不僅體現(xiàn)在衛(wèi)星通過新理念和新技術(shù)的采用，使得衛(wèi)星以較低的成本具備較高的性能，還體現(xiàn)在其提出了“小衛(wèi)星、大數(shù)據(jù)”的概念，使得衛(wèi)星遙感和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，豐富用戶應(yīng)用模式，推動(dòng)遙感應(yīng)用延伸。

本文介紹了SkySat系列衛(wèi)星的運(yùn)營思路和相關(guān)產(chǎn)品情況，重點(diǎn)對(duì)SkySat-1衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所采用的一體化設(shè)計(jì)思路和新型面陣成像、商業(yè)現(xiàn)貨應(yīng)用、任務(wù)規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了該項(xiàng)目對(duì)我國遙感微小衛(wèi)星研制和應(yīng)用的啟示。

2 SkySat衛(wèi)星系統(tǒng)簡介

SkySat衛(wèi)星是由美國Skybox Imaging公司設(shè)計(jì)研制的光學(xué)遙感微小衛(wèi)星。該公司為一家2009年成立的硅谷創(chuàng)業(yè)公司，其創(chuàng)新性地對(duì)自己做了定位，即不再僅僅是一家衛(wèi)星研制公司，而是擁有衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)研制能力、自主運(yùn)營的衛(wèi)星遙感信息供應(yīng)商。衛(wèi)星應(yīng)用的最終目標(biāo)是在全球范圍內(nèi)“關(guān)注地面日常變化”，以較低成本提供性能適中的定制化區(qū)域遙感圖片和分析數(shù)據(jù)，目標(biāo)用戶是對(duì)成本要求低、圖像性能要求適中、分發(fā)時(shí)間略敏感的用戶［3］。公司已經(jīng)分別于2013年11月和2014年7月發(fā)射了SkySat-1、2，并計(jì)劃于2015年發(fā)射SkySat-3（目前尚未發(fā)射）［4］。3顆衛(wèi)星的軌道分布和外形圖如圖1所示。

SkySat-1、2衛(wèi)星的設(shè)計(jì)參數(shù)基本一致。衛(wèi)星質(zhì)量約90 kg，體積為60 cm×60 cm×80 cm，設(shè)計(jì)壽命2～3年，SkySat-3由于增加了推進(jìn)系統(tǒng)，體積約為60 cm×60 cm×95 cm，質(zhì)量120 kg［5］。Skybox Imaging公司作為遙感圖像信息的提供商，其實(shí)現(xiàn)了從衛(wèi)星獲取、對(duì)地傳輸?shù)降孛嫣幚砼c信息分發(fā)這一整條“生產(chǎn)線”式的工作鏈路。

Skybox Imaging公司的整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行如圖2所示，未來計(jì)劃通過24顆微小衛(wèi)星形成星座對(duì)全球進(jìn)行高密度的重訪觀測。地面應(yīng)用接入終端設(shè)備則是公司自主開發(fā)的移動(dòng)收發(fā)終端——“天空節(jié)點(diǎn)”（Sky Node）［6］。該設(shè)備能夠使用戶在自己指定的位置下達(dá)成像任務(wù)、接收下載數(shù)據(jù)以及形成圖像產(chǎn)品。公司開發(fā)了地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)基于云計(jì)算的海杜普（Hadoop）平臺(tái)，并且通過其它輔助信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶所要求的遙感應(yīng)用數(shù)據(jù)的最終生成。它不僅可以應(yīng)用于SkySat衛(wèi)星，還面向“昴宿星”（Pleiades）等其它衛(wèi)星以及無人機(jī)等遙感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于不止完成圖像處理，而是更進(jìn)一步完成用戶對(duì)遙感信息處理的深度要求，提供的產(chǎn)品也可以是定量化的數(shù)據(jù)分析信息（如車流量、貨運(yùn)碼頭的吞吐量以及儲(chǔ)油量等）。表1列出了Skybox公司提供的3類產(chǎn)品［7］。

圖1 SkySat-1/2/3衛(wèi)星軌道分布示意圖Fig.1 Orbit distribution of Skysat-1/2/3

圖2 SkySat衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行與應(yīng)用示意圖Fig.2 Operation and application for SkySat systems

表1 Skybox Imaging衛(wèi)星相關(guān)產(chǎn)品Table 1 Products of Skybox Imaging Inc.

3 SkySat衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新分析

衛(wèi)星在100 kg量級(jí)實(shí)現(xiàn)了較高技術(shù)指標(biāo)，特別是實(shí)現(xiàn)了全色、多光譜的靜態(tài)亞米級(jí)圖像以及1 m級(jí)分辨率的視頻圖像數(shù)據(jù)的獲取。為了實(shí)現(xiàn)這樣的高性能，SkySat衛(wèi)星在設(shè)計(jì)思路上進(jìn)行了創(chuàng)新。首先，衛(wèi)星在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上考慮了天地一體化的高指標(biāo)實(shí)現(xiàn)，利用地面的數(shù)據(jù)處理提升成像質(zhì)量；其次，衛(wèi)星整星一體化、集成化設(shè)計(jì)使得其在較小的體積和質(zhì)量下實(shí)現(xiàn)了較高的功能密度；而為了實(shí)現(xiàn)后續(xù)星座化的運(yùn)行部署，其在設(shè)計(jì)上還考慮了低成本的實(shí)現(xiàn)途徑和相應(yīng)的可靠性保障。

3.1 整星一體化設(shè)計(jì)與緊湊構(gòu)型布局

為了實(shí)現(xiàn)緊湊的構(gòu)型，在整星設(shè)計(jì)上以光學(xué)載荷為核心。圖3是SkySat-1衛(wèi)星的構(gòu)型設(shè)計(jì)示意圖。從圖中可以看出，衛(wèi)星在構(gòu)型布局設(shè)計(jì)上圍繞光學(xué)載荷開展。衛(wèi)星通過核心的支撐框架實(shí)現(xiàn)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的固定，電子設(shè)備通過集成化、模塊化設(shè)計(jì)，集中安裝于衛(wèi)星構(gòu)型底部，整個(gè)衛(wèi)星的構(gòu)型實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)載荷的一體化。

圖3 SkySat-1衛(wèi)星設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Schematic of SkySat-1

為了滿足載荷數(shù)據(jù)傳輸需求，衛(wèi)星采用了直徑約47 cm的拋物面天線，而為了增加衛(wèi)星的緊湊性和整體性，減小發(fā)射體積，設(shè)計(jì)了折疊-展開式的數(shù)傳天線結(jié)構(gòu)［8］。如圖4所示，數(shù)傳天線位于衛(wèi)星頂部，與衛(wèi)星艙板實(shí)現(xiàn)一體化，使得在發(fā)射狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)整星緊湊構(gòu)型，就像一個(gè)方盒子。通過對(duì)展開機(jī)構(gòu)和展開路徑的巧妙設(shè)計(jì)和對(duì)內(nèi)部空間的有效利用，實(shí)現(xiàn)了入軌后天線展開與鎖定，天線波束方向與光軸指向一致，有利于衛(wèi)星數(shù)據(jù)及時(shí)高速下傳。

圖4 SkySat-1衛(wèi)星射頻天線展開與收攏構(gòu)型示意圖Fig.4 Schematic of SkySat-1 before and after RF antenna deployed

3.2 新型面陣成像系統(tǒng)與數(shù)字TDI技術(shù)

SkySat衛(wèi)星的高分辨率成像系統(tǒng)是由其技術(shù)團(tuán)隊(duì)自己設(shè)計(jì)開發(fā)的，并通過在軌成像和地面處理相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了高分辨率、高信噪比圖像和視頻數(shù)據(jù)的獲取。

相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用成熟的高性能里奇-克萊琴（Ritchey-Chretien）系統(tǒng)，口徑350 mm，并采用10.4的大F數(shù)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率［9］。探測器則采用低噪聲、高幀頻的5.5 M像素商業(yè)面陣互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS），既支持了高重疊率推幀成像，又可實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的獲取。如圖5所示，成像系統(tǒng)通過3片探測器的拼接在600 km軌道高度實(shí)現(xiàn)8 km的成像幅寬。巧妙地通過對(duì)面陣探測器的一部分進(jìn)行加工，集成了多光譜成像能力，實(shí)現(xiàn)了全色與多光譜、視頻與靜態(tài)圖像的綜合獲?。?0］。

圖5 SkySat-1探測器拼接示意圖Fig.5 Schematic of SkySat-1's camera sensor design

采用面陣成像和高幀頻短時(shí)曝光模式，能夠降低對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)姿態(tài)控制穩(wěn)定度的要求，同時(shí)能夠減少因曝光引起的像移模糊，還可以獲取視頻數(shù)據(jù)。但是短時(shí)曝光也存在問題，即較短的曝光時(shí)間會(huì)造成很低的信噪比，從而影響圖像的質(zhì)量。SkySat的技術(shù)創(chuàng)新之一，即是利用數(shù)字時(shí)間延遲積分（TDI）成像技術(shù)來解決上述問題。衛(wèi)星在軌通過面陣推幀（push frame）模式獲得大量的具有高重疊率的面陣圖像（如圖6所示），圖像以JPEG2000格式壓縮并發(fā)到地面。通過地面處理，在序列圖像配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)相同目標(biāo)點(diǎn)成像像素處理提升信噪比，實(shí)現(xiàn)類似TDI的成像效果，得到高質(zhì)量的二維圖像。同時(shí)充分利用獲得的序列圖像，通過超分辨率重建算法，使得圖像分辨率由1.1 m提升到0.9 m。

圖6 SkySat-1數(shù)字TDI示意圖Fig.6 Digital TDI conception

序列圖像配準(zhǔn)是超分辨率重建中的重要步驟，配準(zhǔn)算法中對(duì)序列圖像中運(yùn)動(dòng)模式估計(jì)的準(zhǔn)確程度，對(duì)超分辨率重建的精度起到了決定性作用。SkySat采用的幀間配準(zhǔn)基于頻率域相位相關(guān)的圖像配準(zhǔn)算法，實(shí)現(xiàn)多幀序列的亞像素級(jí)配準(zhǔn)精度，并且具備較強(qiáng)的魯棒性，以適應(yīng)不同成像場景、較低的目標(biāo)高度角以及較大的地形起伏等苛刻條件。頻域方法的配準(zhǔn)模型考慮了空域內(nèi)圖像平面內(nèi)的平移和平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)問題，而這正是推幀成像所造成的主要幀間移動(dòng)誤差。關(guān)于圖像超分辨率重建國內(nèi)外已有多種算法，SkySat-1則采取了Dirk Robinson等人提出的適合序列圖像應(yīng)用的快速多幀超分辨率處理算法［11］，將運(yùn)動(dòng)估計(jì)縮小到亞像素量級(jí)，包含基于相機(jī)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的模型去卷積算法，從而實(shí)現(xiàn)基于多幀圖像的超分辨率重建，同時(shí)提升信噪比和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

3.3 成像系統(tǒng)在軌定標(biāo)與曝光優(yōu)化

1）相對(duì)幾何定標(biāo)

衛(wèi)星在軌相對(duì)幾何定標(biāo)選擇了利用高分辨率、高精度圖像源作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理。實(shí)際操作中SkySat-1利用了Pleiades衛(wèi)星的高精度、高分辨率圖像數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星為相機(jī)焦面的每個(gè)像素都建立了7自由度高精度模型，包括焦平面內(nèi)的平移、旋轉(zhuǎn)，平面的三軸旋轉(zhuǎn)以及每個(gè)像素的二維微小誤差（如圖7所示），并通過自主算法實(shí)現(xiàn)高精度的幾何校正，算法流程如圖8所示。通過處理實(shí)現(xiàn)相對(duì)誤差精度控制在亞像素級(jí)［12］。

圖7 SkySat-1像元7自由度幾何模型Fig.7 Camera model of SkySat-1

圖8 SkySat-1相對(duì)幾何標(biāo)定算法流程圖Fig.8 Flow charts of relative geometric calibration for SkySat-1

2）相對(duì)輻射定標(biāo)

Skybox Imaging公司的Byron Smiley博士等人開展了衛(wèi)星相對(duì)輻射定標(biāo)的針對(duì)性工作。在所生成圖像被壓縮處理前，進(jìn)行相對(duì)輻射定標(biāo)工作。所用數(shù)據(jù)包含均勻場測試數(shù)據(jù)和暗景測試數(shù)據(jù)。均勻場測試采用對(duì)云層成像，并通過多幅圖像（SkySat-1運(yùn)用了1100幅）分析處理，得到非均勻性的校準(zhǔn)模版，如圖9所示，以對(duì)獲取圖像進(jìn)行均勻性校正，使得整幅圖像像素增益偏差不超過平均值的1%。

圖9 全色譜段響應(yīng)不均勻性分布情況Fig.9 PAN gain for non-uniformity correction

衛(wèi)星暗景測試方面，一是在天線（即相機(jī)遮光罩）展開前進(jìn)行成像并作為基準(zhǔn)，二是在陰影區(qū)對(duì)地成像，利用獲得的暗景圖像來分析發(fā)現(xiàn)探測器死點(diǎn)像素，利用暗景圖像和均勻場圖像，分析得出探測器死點(diǎn)在探測器總數(shù)的0.27%～0.37%之間。在此基礎(chǔ)上，利用其消除死點(diǎn)技術(shù)來提升獲得圖像的質(zhì)量。

3）成像曝光優(yōu)化

為了得到更好的圖像質(zhì)量，并更好地利用衛(wèi)星資源，SkySat-1衛(wèi)星采用了成像曝光優(yōu)化技術(shù)，以更好地實(shí)現(xiàn)曝光時(shí)間和推幀成像幀頻的設(shè)置。該項(xiàng)技術(shù)的核心是建立了目標(biāo)成像輻射分析模型，以此來計(jì)算在不同成像條件下到達(dá)相機(jī)孔徑的輻射量。不同于復(fù)雜的計(jì)算模型，此模型是建立了速查表形式的模型，包括目標(biāo)海拔高度、大氣光學(xué)厚度、太陽高度角、衛(wèi)星成像側(cè)擺角等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同區(qū)域的曝光參數(shù)設(shè)計(jì)，綜合衛(wèi)星推幀速率控制和積分時(shí)間設(shè)置實(shí)現(xiàn)高信噪比和低相移模糊度。圖10顯示了春分日降交點(diǎn)地方時(shí)為10：30的軌道所對(duì)應(yīng)的成像曝光時(shí)間全球分布情況。

圖10 SkySat-1不同緯度在軌成像曝光時(shí)間分布情況Fig.10 Integration time across the earth for SkySat-1

3.4 謹(jǐn)慎的商業(yè)現(xiàn)貨應(yīng)用

低成本也是SkySat在研制過程中一直強(qiáng)調(diào)的特點(diǎn)之一。衛(wèi)星大量采用了商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）產(chǎn)品和技術(shù)，既降低了成本，又具有很高的性能。例如不同于傳統(tǒng)高端商業(yè)遙感衛(wèi)星采用的價(jià)值百萬美元量級(jí)的處理器系統(tǒng)，SkySat-1使用了市場上能夠采購的高性能集成芯片，成像探測器應(yīng)用了如前所述的高性能商用CMOS芯片，此外直接應(yīng)用了手機(jī)使用的高密度閃存等商業(yè)電子產(chǎn)品。而在基于COTS技術(shù)的低成本應(yīng)用方面，則包括微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、用于電鉆的磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）以及汽車的電力電子和CAN總線技術(shù)等［13］。

但另一方面，作為商用遙感衛(wèi)星，可靠性保障仍然是必不可少的，而如何在大量采用商用器件的前提下還能保障一定的可靠性，正是SkySat-1研制團(tuán)隊(duì)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。當(dāng)前的衛(wèi)星研制有兩類主要的可靠性保障思路：一種是傳統(tǒng)航天系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的抗輻射設(shè)計(jì)（Rad Hard Approach），另一種是更多大學(xué)皮納衛(wèi)星研制過程中采納的“即買即飛”（Buy and Fly Approach）。前者在高可靠性保障的同時(shí)也帶來了高成本、長周期和器件性能相對(duì)較低的問題，而后者雖然成本很低但要付出高風(fēng)險(xiǎn)和短壽命等代價(jià)。SkySat-1衛(wèi)星在研制時(shí)則采用了謹(jǐn)慎的商業(yè)現(xiàn)貨方法（Careful COTS），以綜合前面兩種方法的優(yōu)點(diǎn)［14］?；诖朔N方法的產(chǎn)品研制流程如圖11所示。

圖11 謹(jǐn)慎的商業(yè)現(xiàn)貨方法設(shè)計(jì)流程圖Fig.11 Careful COTS flow charts

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)COTS產(chǎn)品的可靠性保障，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要經(jīng)過準(zhǔn)確的模型分析，該模型也是CarefulCOTS的核心技術(shù)之一。在確定輸入條件時(shí)綜合考慮了任務(wù)軌道、壽命、太陽周期、輻射源、能譜、屏蔽等多個(gè)參數(shù)，重點(diǎn)對(duì)線性能量傳遞（Linear Energy Transfer，LET）和電離總劑量輻射（Total Ionizing Dose，TID）進(jìn)行分析評(píng)估，并反饋進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)。具體設(shè)計(jì)中，選擇盡可能低的器件工作電壓和負(fù)載電流，如設(shè)計(jì)低偏置電壓和采用較大的降額以減少單粒子影響。減少集成電路芯片的種類，盡量采用高集成度的芯片器件。在單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）的針對(duì)性設(shè)計(jì)中，避免數(shù)字芯片在重配置過程中輸入輸出（I/O）引腳造成損壞，使用內(nèi)嵌糾錯(cuò)碼（Error Correcting Code，ECC）的COTS內(nèi)存，在硬件ECC不可用時(shí)，利用軟件ECC實(shí)現(xiàn)。

3.5 任務(wù)規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)

作為商業(yè)遙感衛(wèi)星，SkySat需要面向眾多的用戶需求來對(duì)大量的目標(biāo)成像，而其面陣成像所具備的靈活成像模式，更是使其應(yīng)用效能有較大提升。但一個(gè)重要問題也隨之而來，即如何使衛(wèi)星具備更好的任務(wù)規(guī)劃能力來實(shí)現(xiàn)最大的效能，同時(shí)還能滿足用戶更多的要求。衛(wèi)星的任務(wù)規(guī)劃需要具備靈活的適應(yīng)性，以面對(duì)臨時(shí)的優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)加入（如突發(fā)事件）或者是臨時(shí)裁撤的既定目標(biāo)（如天氣變化、云遮擋）等要求。Skybox Imaging公司開發(fā)了一種算法來滿足上述的要求［15］。該算法基于有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graphs，DAG），而不同于傳統(tǒng)最優(yōu)路徑問題中尋找最短路徑的思路，算法尋找的是最高加權(quán)值的路徑問題（或者可理解為最長路徑問題）。

有向無環(huán)圖是描述一項(xiàng)事件進(jìn)行過程的有效工具，通過拓?fù)渑判騺泶硪粋€(gè)可行的項(xiàng)目執(zhí)行過程。在SkySat衛(wèi)星軌道運(yùn)行的一段時(shí)間內(nèi)，任務(wù)的數(shù)量是有限的，而任務(wù)也將按照一定的順序來完成，這樣任務(wù)規(guī)劃的最優(yōu)問題就可轉(zhuǎn)換為有向無環(huán)圖問題。圖中的“點(diǎn)”代表成像或數(shù)據(jù)下傳任務(wù)位置，而各條“有向邊”則代表衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的指向姿態(tài)機(jī)動(dòng)過程，建模時(shí)將考慮每個(gè)任務(wù)所允許的起始時(shí)間窗口和衛(wèi)星在規(guī)定時(shí)間內(nèi)的姿態(tài)機(jī)動(dòng)角度限制。對(duì)目標(biāo)的最優(yōu)任務(wù)規(guī)劃即是通過該有向無環(huán)圖的最高權(quán)重的路徑，而人工介入則表現(xiàn)于修改（增加或減少）圖的“邊”設(shè)置。圖12（a）對(duì)于日本海附近目標(biāo)設(shè)計(jì)了A～F的6個(gè)任務(wù)，圖12（b）則為該問題的有向無環(huán)圖，任務(wù)執(zhí)行的時(shí)間順序由左向右表示，其中“有向邊”的連接順序考慮了衛(wèi)星的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。加入每一個(gè)成像任務(wù)點(diǎn)的量化權(quán)重（如A＝5， E＝3，其它為1），可最終計(jì)算出路徑（紅色標(biāo)出）。

圖12 基于有向無環(huán)圖的任務(wù)規(guī)劃算法示意圖Fig.12 Mission scheduling optimization based on directed acyclic graphs

4 啟示和建議

1）遙感衛(wèi)星應(yīng)用模式多樣化

Skybox Imaging公司把在軌衛(wèi)星、數(shù)據(jù)接收和地面處理作為統(tǒng)一的整體來設(shè)計(jì)，而且這種設(shè)計(jì)并不是簡單的物理上的鏈接和一體化，而是在系統(tǒng)指標(biāo)、產(chǎn)品生成流程上的天地一體化。通過提供高體驗(yàn)的數(shù)據(jù)服務(wù)，開發(fā)低端商業(yè)遙感市場，向最終用戶延伸。與大型政府用戶不同的是，中小型用戶不再關(guān)心衛(wèi)星系統(tǒng)如何獲取信息，而更關(guān)注信息本身，因此提供完整天地應(yīng)用系統(tǒng)，將更可能最終獲得這部分用戶。借鑒SkySat的多樣化應(yīng)用模式，探索我國微小衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用與“互聯(lián)網(wǎng)＋”等信息技術(shù)的聯(lián)合創(chuàng)新，對(duì)遙感衛(wèi)星的應(yīng)用延伸到更多服務(wù)領(lǐng)域?qū)⒂幸欢ǖ拇龠M(jìn)作用。

2）衛(wèi)星設(shè)計(jì)采用一體化思路

SkySat系列衛(wèi)星的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)充分考慮了一體化模式，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是不再局限于衛(wèi)星本身，而是瞄準(zhǔn)最終的圖像指標(biāo)，綜合考慮天地資源利用與技術(shù)重點(diǎn)，利用面陣推幀成像模式結(jié)合地面高精度處理實(shí)現(xiàn)了亞米級(jí)分辨率圖像和高清視頻產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)天地一體化設(shè)計(jì)；二是在衛(wèi)星本身設(shè)計(jì)上考慮衛(wèi)星資源的節(jié)省，圍繞相機(jī)進(jìn)行緊湊構(gòu)型設(shè)計(jì)，在電子系統(tǒng)加強(qiáng)集成化設(shè)計(jì)，充分利用高性能微小型化的單機(jī)產(chǎn)品和COTS部件，提升整星功能密度比。這對(duì)于我國開展實(shí)用化微小衛(wèi)星研制，在星上資源有限條件下提升衛(wèi)星的特定應(yīng)用能力具有一定的參考價(jià)值。

3）低成本小衛(wèi)星星座化應(yīng)用

不僅是Skybox Imaging公司，當(dāng)前國際上多家遙感小衛(wèi)星公司都提出了星座化的運(yùn)行理念。不可否認(rèn)的是，微小衛(wèi)星受限于在軌資源，還不能實(shí)現(xiàn)一些高質(zhì)量遙感衛(wèi)星的能力。但是微小衛(wèi)星利用成本較低的優(yōu)勢，通過星座化運(yùn)行，提升重訪周期，監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化信息將是其走向?qū)嵱没囊粋€(gè)重要途徑。隨著我國衛(wèi)星遙感需求的不斷增長和用戶類型的不斷擴(kuò)展，發(fā)展較低成本的微小衛(wèi)星星座，獲得部分用戶所關(guān)注的、時(shí)效性較高的圖像數(shù)據(jù)，將很可能是衛(wèi)星遙感發(fā)展的一個(gè)新市場。

5 結(jié)束語

微小衛(wèi)星一直是近年來航天技術(shù)發(fā)展的活躍領(lǐng)域。SkySat系列衛(wèi)星的研制、發(fā)射和在軌運(yùn)行，代表了新一代微小衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展水平，也體現(xiàn)了國外在微小衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面的創(chuàng)新發(fā)展思路。相關(guān)的星座化部署、分布式用戶數(shù)據(jù)接收與分發(fā)應(yīng)用、面向用戶需求的數(shù)據(jù)處理與信息產(chǎn)品生成等新模式對(duì)微小衛(wèi)星實(shí)用化也具有重要意義。充分利用微小衛(wèi)星的特點(diǎn)，結(jié)合信息化、網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，降低用戶應(yīng)用門檻，將可能是衛(wèi)星發(fā)展的一個(gè)重要方向。

（References）

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（編輯：張小琳）

System Innovation and Enlightenment of SkySat

ZHOU Yu WANG Peng FU Danying
（DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）

The capability，system operation and data products of the high-performance microsatellites SkySats built and operated by the commercial remote sensing startups Skybox Imaging are introduced.The performance and application ways of the high resolution imagery and high-definition video are also summarized.Some creative ideas and new technologies are adopted during the design and producing activities.The space-earth integration system design concepts and innovations are analyzed，such as high resolution digital time delay integration（TDI）imaging，careful use of commercial off-the-shelf（COTS）products and dynamic programming.Finally，some enlightenment about microsatellite development is also proposed，such as diversified remote sensing application，integratied system design and low cost satellite constellation.

microsatellite；commercial remote sensing；video imaging；digital TDI imaging

V474.2

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.014

2015-07-13；

：2015-09-02

周宇，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾⌒l(wèi)星總體設(shè)計(jì)。Email：zhouyu0408@163.com。