傅丹膺 滿益云 李瀛搏 孫燕萍 周宇 施思寒 劉佳

（1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）（2 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）（3 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（4 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

目前，國際上一般認(rèn)為微納衛(wèi)星是指質(zhì)量在100 kg以下的衛(wèi)星，其中10~100kg的稱為微衛(wèi)星，小于 10kg的稱為納衛(wèi)星。近年來隨著微系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，國際上微納衛(wèi)星領(lǐng)域較為活躍，各種高性能微納衛(wèi)星計(jì)劃層出不窮，特別是在光學(xué)遙感領(lǐng)域，出現(xiàn)了眾多亮點(diǎn)項(xiàng)目。如：美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的“天空衛(wèi)星 1號(hào)”（SkySat-1）衛(wèi)星（質(zhì)量約90kg）是首顆實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1m分辨率光學(xué)成像的微納衛(wèi)星[1-4]；阿根廷衛(wèi)星邏輯公司（Satellogic）發(fā)射的Nusat-1衛(wèi)星（質(zhì)量約37kg）實(shí)現(xiàn)1m分辨率可見光成像能力；美國行星實(shí)驗(yàn)室公司（Planet Labs）的“鴿群 1號(hào)”系列衛(wèi)星（Flock-1）（3U）實(shí)現(xiàn)了3~5m分辨率成像和星座化運(yùn)行[5]。這些項(xiàng)目都計(jì)劃通過星座化的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)較高時(shí)間分辨率和空間分辨率的遙感信息獲取，使得微納衛(wèi)星進(jìn)一步走向?qū)嵱没?。如圖1和表1所示，從快眼衛(wèi)星（RapidEye）發(fā)射升空，到現(xiàn)在經(jīng)過近10年的發(fā)展，微納光學(xué)遙感衛(wèi)星的分辨率得到了很大提升，50kg量級(jí)的衛(wèi)星已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1m分辨率成像能力，而5kg左右衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了3~5m分辨率。

圖1 微納衛(wèi)星質(zhì)量和空間分辨率的分布Fig.1 Distribution of micro-nano satellite between mass and resolution

表1 國外典型微納遙感衛(wèi)星發(fā)展情況Tab.1 The development of micro-nano satellites abroad for remote sensing

本文對(duì)微納遙感衛(wèi)星的整體技術(shù)發(fā)展情況進(jìn)行了分析，并重點(diǎn)對(duì)微納衛(wèi)星的光學(xué)有效載荷面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行探討。

1 發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[8-10]

微納遙感衛(wèi)星憑借系統(tǒng)成本低、可集群/星座/組網(wǎng)運(yùn)行、投入產(chǎn)出比高、發(fā)射/應(yīng)用靈活度高、運(yùn)營(yíng)管理便捷等方面的突出優(yōu)勢(shì)，備受多方用戶和商業(yè)公司青睞。其相比傳統(tǒng)衛(wèi)星的相對(duì)優(yōu)勢(shì)的核心在于較低投資風(fēng)險(xiǎn)下獲得更高的任務(wù)性價(jià)比。微納遙感衛(wèi)星依靠數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，一是可獲得觀測(cè)高時(shí)間分辨率，提高有效產(chǎn)出數(shù)據(jù)比，彌補(bǔ)單星絕對(duì)能力劣勢(shì)；二是彈性分散分布式系統(tǒng)解決方案可以降低單星系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，少數(shù)衛(wèi)星的失效不造成全系統(tǒng)能力明顯下降，系統(tǒng)抵御風(fēng)險(xiǎn)能力強(qiáng)；三是可以高性價(jià)比支持大數(shù)據(jù)，進(jìn)而以大數(shù)據(jù)創(chuàng)造未來。

1.1 主要技術(shù)挑戰(zhàn)

微納衛(wèi)星近年來蓬勃發(fā)展的同時(shí)得益于需求的不斷牽引和技術(shù)的快速進(jìn)步。前者來源于目前用戶已經(jīng)經(jīng)歷了的傳統(tǒng)遙感應(yīng)用的體驗(yàn)，隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)思維的影響，越來越對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)效性、覆蓋性和應(yīng)用靈活性提出了更多樣化的需求，而這種需求使得越來越多的開發(fā)者通過微納衛(wèi)星來開拓和探索。后者則得益于微機(jī)電和信息技術(shù)的階躍式發(fā)展，使得微納衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功能密度，走向遙感應(yīng)用。但同時(shí)還需要認(rèn)識(shí)到，受限于資源、低成本可靠性風(fēng)險(xiǎn)和批量工程化難度，微納衛(wèi)星的發(fā)展要面臨一些挑戰(zhàn)：

（1）低成本與高性能

微納衛(wèi)星要實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，面臨的主要矛盾是既要求實(shí)現(xiàn)低成本，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)高性能，低成本是前提和基礎(chǔ)，高性能是發(fā)展要求，兩者兼顧才能得到高性價(jià)比。由于重量、體積和功耗的嚴(yán)格制約，采用高度集成化、低功耗化的技術(shù)途徑是實(shí)現(xiàn)微納衛(wèi)星高性能的不二途徑。高性能不僅體現(xiàn)在衛(wèi)星處理能力，還體現(xiàn)在衛(wèi)星的好用、易用性上，軟件化衛(wèi)星將是微納衛(wèi)星的一個(gè)重要特點(diǎn)。

（2）微納衛(wèi)星完成定量化遙感任務(wù)

真正的遙感應(yīng)用需要一定精度的數(shù)據(jù)支持，而定量化的遙感數(shù)據(jù)獲取對(duì)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。傳統(tǒng)衛(wèi)星的解決思路對(duì)資源和管理運(yùn)行的要求顯然不適用于微納衛(wèi)星，因此微納衛(wèi)星需要通過新的技術(shù)解決自身的定量化問題。

1.2 未來發(fā)展趨勢(shì)

近年來，微納衛(wèi)星由于具有低成本、短周期、發(fā)射靈活等突出特點(diǎn)，國內(nèi)外眾多工業(yè)部門和大學(xué)研究機(jī)構(gòu)紛紛參與，促使了微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展迅速。

從微納衛(wèi)星發(fā)展來看，早期主要是作為業(yè)余無線電、科學(xué)試驗(yàn)，真正應(yīng)用很少。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，集成度越來越高、性能越來越強(qiáng)的微納衛(wèi)星開始出現(xiàn)。從部分技術(shù)指標(biāo)來看，50kg左右的微納衛(wèi)星已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)500kg級(jí)衛(wèi)星的水平，微納衛(wèi)星的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)來臨。

微納衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)可以從三個(gè)層次進(jìn)行分析：

在系統(tǒng)層面，微納衛(wèi)星作為單星能力有限，必然向星座或星簇的方向發(fā)展，通過增加衛(wèi)星數(shù)量來解決傳統(tǒng)衛(wèi)星無法解決的衛(wèi)星高時(shí)間分辨率的問題。因此低成本化是微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的重要方向。微納衛(wèi)星在有限的重量、體積和功耗的約束下，需要采用高集成度、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)理念，通過平臺(tái)載荷一體化設(shè)計(jì)、硬件軟件化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品體系標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)微納衛(wèi)星技術(shù)的系統(tǒng)層面構(gòu)架。

在分系統(tǒng)或單機(jī)層面，采用集成化設(shè)計(jì)方法，標(biāo)準(zhǔn)智能設(shè)備芯片化、單板化，硬件軟件化。通過軟件無線電手段，實(shí)現(xiàn)星上射頻設(shè)備通用化、軟件化。采用機(jī)電熱集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備無纜化。

在應(yīng)用層面，結(jié)合任務(wù)特點(diǎn)，針對(duì)衛(wèi)星星座和星簇，采用星座化部署，網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用；針對(duì)多星在軌任務(wù)，采用智能化協(xié)同化；采用智能衛(wèi)星自主管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)控自主無人化；通過衛(wèi)星軟件化、智能化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用直達(dá)便捷化。

2 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

2.1 載荷一體化設(shè)計(jì)

受限于單星的規(guī)模和資源，微納衛(wèi)星在超高精度與穩(wěn)定度姿態(tài)控制（姿態(tài)控制穩(wěn)定度與現(xiàn)有大型光學(xué)衛(wèi)星相差1~2個(gè)數(shù)量級(jí)）、長(zhǎng)時(shí)高功耗、載荷重量空間等方面支撐能力有限，因此需要微納衛(wèi)星光學(xué)載荷的選擇和應(yīng)用要更加有針對(duì)性、更加注重對(duì)平臺(tái)支撐能力的深度耦合利用，以探索新的成像體制和模式來更大效能的發(fā)揮載荷能力。

2.2 輕小型化和高靈活度

采用高性能探測(cè)器，并有針對(duì)性設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)器相匹配，高度集成化，電路更輕更小、功耗更低，同時(shí)也會(huì)降低光學(xué)系統(tǒng)的體積規(guī)模。

1）單線陣CCD推掃成像的光學(xué)遙感器，受到信噪比的限制，要提高分辨率不得不采用較大口徑的光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

2）時(shí)間延遲積分電荷耦合器件（TDICCD）/時(shí)間延遲積分互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（TDICMOS）推掃成像光學(xué)遙感器，可以時(shí)間延遲積分，一定程度上提高信噪比，采用大F數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率，但需要高穩(wěn)定的姿態(tài)控制。

3）面陣補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）成像的光學(xué)遙感器，具備多種成像模式，如：視頻成像模式、推幀成像模式、降低地速成像模式、立體成像模式等，并可以采用數(shù)字時(shí)間延遲積分（TDI）技術(shù)，降低對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定要求。高靈敏度、大像元數(shù)、小像元尺寸的CMOS探測(cè)器使微納載荷領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

4）面陣科學(xué)級(jí)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體探測(cè)器（Scientific CMOS，SCMOS）等低噪聲、高幀頻、高動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)器的進(jìn)一步采用，將大幅度降低遙感器的體積規(guī)模，提升成像質(zhì)量，催生各種新的成像模式，加強(qiáng)弱光成像能力，促進(jìn)從靜態(tài)圖像到運(yùn)動(dòng)視頻的轉(zhuǎn)型升級(jí)[11]。

2.3 提升在軌軟技術(shù)

在軌高精度高頻次定標(biāo)方法的廣泛應(yīng)用，保證了成像質(zhì)量，促進(jìn)了遙感定量化應(yīng)用。包括各種相對(duì)和絕對(duì)輻射定標(biāo)以及幾何定標(biāo)方法的廣泛采用，充分發(fā)揮衛(wèi)星自身的能力和優(yōu)勢(shì)，盡量不用或者少用定標(biāo)和真實(shí)性檢驗(yàn)場(chǎng)，可以在整個(gè)在軌業(yè)務(wù)化運(yùn)行期間，以較小的代價(jià)持續(xù)保證精度和質(zhì)量，大幅度提升微納衛(wèi)星的輻射、幾何精度和成像質(zhì)量，彌補(bǔ)其性能的不足，促進(jìn)遙感定量化應(yīng)用。

充分利用星上操作系統(tǒng)的能力，在軌成像參數(shù)的精細(xì)化設(shè)置，充分用好衛(wèi)星潛能，保證獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源。在精確在軌標(biāo)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)地面景物特性、光照條件、大氣條件、成像模式等，結(jié)合遙感器的成像特性和微納衛(wèi)星的敏捷能力，進(jìn)行在軌精細(xì)化的參數(shù)設(shè)置（包括積分時(shí)間、TDI級(jí)數(shù)、增益等）和任務(wù)規(guī)劃，充分用好衛(wèi)星潛能，有效地運(yùn)行發(fā)揮衛(wèi)星系統(tǒng)的最大效益，在絕大多數(shù)條件下都能獲得高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)源。

2.4 新材料與新型光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是面向微納型光學(xué)遙感器的創(chuàng)新核心。為了更好的適應(yīng)微納衛(wèi)星在重量、體積和功耗等方面的嚴(yán)格制約，微納型光學(xué)遙感器需要朝著外形尺寸超緊湊、溫度適應(yīng)范圍寬、無熱控或弱熱控設(shè)計(jì)、無調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、無外遮光罩設(shè)計(jì)等方向發(fā)展，微納光學(xué)系統(tǒng)的創(chuàng)新必不可少。緊湊型多反光學(xué)系統(tǒng)、二次成像內(nèi)消雜光系統(tǒng)、多反射鏡共體光學(xué)系統(tǒng)、無熱化光學(xué)系統(tǒng)、自由曲面大幅寬光學(xué)系統(tǒng)等均是創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。

輕小型光學(xué)遙感器采用高強(qiáng)度、低密度、低膨脹系數(shù)的材料作為反射鏡及光機(jī)結(jié)構(gòu)材料，如：超低膨脹率玻璃、碳化硅、鋁合金、鎂合金、鈹合金與碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。微納衛(wèi)星遙感器在采用新型輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)輕小型化的同時(shí)，全金屬或全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還能夠消除反射鏡、光機(jī)結(jié)構(gòu)等各部件因材料性能差異引起的不匹配性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高穩(wěn)定性能。

在采用整機(jī)模塊化設(shè)計(jì)的微納衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中，衛(wèi)星平臺(tái)通過柔性連接結(jié)構(gòu)對(duì)遙感器實(shí)現(xiàn)支撐。柔性連接結(jié)構(gòu)形式多樣、布局靈活，其柔性環(huán)節(jié)通過自身變形吸收平臺(tái)與遙感器之間溫度應(yīng)力及裝配應(yīng)力，其自身阻尼環(huán)節(jié)可有效隔離平臺(tái)振動(dòng)，減小衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)遙感器成像品質(zhì)影響。而且柔性連接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，極大減輕遙感器與平臺(tái)的連接環(huán)節(jié)質(zhì)量。

2.5 載荷平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)

打破衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷的傳統(tǒng)界限，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，綜合利用載荷資源和平臺(tái)部組件的集成化資源，實(shí)現(xiàn)載荷平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)，是微納衛(wèi)星資源受限條件下的一種有效的解決路徑。例如：針對(duì)光學(xué)衛(wèi)星特點(diǎn)，將星敏和相機(jī)一體化安裝，確保整星定位精度；將載荷視為數(shù)傳的外設(shè)，數(shù)傳相機(jī)集成化設(shè)計(jì)，充分利用載荷的外形與平臺(tái)進(jìn)行構(gòu)型一體化設(shè)計(jì)。

3 發(fā)展建議

微納衛(wèi)星及其光學(xué)有效載荷的研制開發(fā)，可參考SkySat等先進(jìn)微納衛(wèi)星，勇于探索一種新的模式，構(gòu)建縱向研發(fā)垂直集成的流程，注重平臺(tái)載荷一體化的核心指標(biāo)分解和迭代，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與載荷從原型到產(chǎn)品的快速融合成型。

微納衛(wèi)星光學(xué)載荷應(yīng)當(dāng)以型譜化、標(biāo)準(zhǔn)化和功能單元集成化為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)有限種類數(shù)量的貨架模式發(fā)展，面向超大規(guī)模微納遙感星座的構(gòu)建，支撐快速發(fā)展。