徐 偉，樸永杰

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

隨著遙感信息應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，商用遙感衛(wèi)星憑借其不斷提高的時(shí)間分辨率、空間分辨率及光譜分辨率特性，具有越來越廣闊的應(yīng)用前景。

近代商用高分辨率遙感衛(wèi)星頗具典型代表的有 美 國 DigitalGlobe公 司 的 QuickBird，WorldView-1，WorldView-2衛(wèi)星和GeoEye公司的IKONOS，GeoEye-1，GeoEye-2 衛(wèi)星(0.25 m 分辨率，在研)，這些衛(wèi)星相機(jī)拍攝的地球表面圖像的像元分辨力都優(yōu)于1m，最高已達(dá)到了0.41 m［1-3］。法國的 SPOT 系列衛(wèi)星是世界上最早，也是以商業(yè)模式運(yùn)作最為成功的遙感衛(wèi)星，但其SPOT衛(wèi)星系列主要面向大幅寬應(yīng)用場合，分辨率一直不是很高。進(jìn)入21世紀(jì)，面對日益激烈的競爭壓力，為爭奪高分辨率衛(wèi)星影像市場，法國和意大利合作研發(fā)了Pleiades系列衛(wèi)星作為SPOT系列衛(wèi)星的性能補(bǔ)充，首顆Pleiades-1衛(wèi)星已于2011年12月17日成功發(fā)射，其具有0.5 m超高空間分辨率且幅寬達(dá)到了20 km。

較之美國的同類衛(wèi)星，Pleiades憑借其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)脫穎而出，受到全世界航天研發(fā)機(jī)構(gòu)的關(guān)注。本文將詳細(xì)總結(jié)Pleiades的技術(shù)特點(diǎn)并加以深入剖析，進(jìn)而揭示未來商用高分辨遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展方向。

2 Pleiades指標(biāo)及性能概況

Pleiades是一種便捷、靈巧的高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，如圖1所示。

為了適應(yīng)對地觀測的發(fā)展需要，研制者對Pleiades衛(wèi)星進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)，對傳感器也進(jìn)行了較大的調(diào)整，一方面繼續(xù)保持了SPOT系列衛(wèi)星在波段設(shè)置、立體成像、星座運(yùn)行等方面的特點(diǎn)，另一方面重新設(shè)置了空間分辨率、觀測靈活性以及數(shù)據(jù)獲取模式等，使其具有更高的技術(shù)水準(zhǔn)。與SPOT系列衛(wèi)星相比，Pleiades衛(wèi)星是靈巧型衛(wèi)星，重量為1 t，太陽能帆板和鋰離子電池為衛(wèi)星提供1500 W的能量。不同于傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)與載荷層層疊放的構(gòu)型方式，Pleiades以載荷為中心進(jìn)行整星布局的構(gòu)型設(shè)計(jì)，打破了載荷與平臺(tái)的界限，盡量互相結(jié)合，減少構(gòu)件，達(dá)到簡化、多用與高度集成。表1為Pleiades衛(wèi)星的主要參數(shù)。

圖1 Pleiades在軌運(yùn)行Fig.1 Pleiades in orbit

表1 Pleiades衛(wèi)星的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the Pleiades

在姿態(tài)控制和側(cè)視能力方面，Pleiades衛(wèi)星采用控制力矩陀螺作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使衛(wèi)星整體繞滾動(dòng)軸、俯仰軸大角度側(cè)擺，可靈活地實(shí)現(xiàn)對不同目標(biāo)的觀測。同時(shí)，依靠其強(qiáng)大的姿態(tài)機(jī)動(dòng)速度，既可以對點(diǎn)狀目標(biāo)進(jìn)行成像，也可以沿飛行軌跡向前或向后成像，生成近似同時(shí)的立體像對。在一個(gè)軌道周期內(nèi)，Pleiades衛(wèi)星可以對1 000 km×1 000 km區(qū)域內(nèi)的20個(gè)φ 20 km的點(diǎn)狀目標(biāo)進(jìn)行瞬時(shí)觀測，也可以對100 km×200 km范圍內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行多次重訪拍照，其靈活的成像模式如圖2所示。

圖2 Pleiades衛(wèi)星成像模式示意圖Fig.2 Imaging mode of the Pleiades

3 Pleiades衛(wèi)星技術(shù)剖析

3.1 多星組網(wǎng)軌道設(shè)計(jì)

目前，從公布的計(jì)劃上看Pleiades有2顆衛(wèi)星［4］，其中 Pleiades1正運(yùn)行于距地球694 km的太陽同步回歸軌道。由于是商業(yè)化高分辨衛(wèi)星，其軌道并未選用天回歸目標(biāo)偵查軌道，軌道分析表明，其回歸周期長達(dá)26天，但借助其整星強(qiáng)大的側(cè)擺能力，Pleiades1具有在極短的時(shí)間內(nèi)提供精確空間信息的新功能以及非凡的接收能力，一個(gè)軌道周期最多可以拍到50個(gè)圖像序列，每天可接收超過500幅照片，5個(gè)接收計(jì)劃和3個(gè)每日定點(diǎn)監(jiān)測計(jì)劃，同時(shí)可在短時(shí)間內(nèi)迅速獲取全球的觀測數(shù)據(jù)。隨后，Pleiades2也將加入到相同的軌道中，并與1號(hào)衛(wèi)星相位差180°，形成一個(gè)可對任意點(diǎn)每日觀測的衛(wèi)星星座。Pleiades在不同側(cè)擺情況下，其重訪能力如表2所示。

表2 Pleiades衛(wèi)星重訪能力Tab.2 Revisiting capability of the Pleiades

另外，通過包括緊急編程任務(wù)和地面站直接指令任務(wù)在內(nèi)的靈活的任務(wù)服務(wù)，Pleiades可獲得近于實(shí)時(shí)的高分辨圖像和立體像對。

3.2 同軸偏視場TMA光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Pleiades高分辨相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)焦距達(dá)到12 905 mm，為減輕相機(jī)結(jié)構(gòu)的體積和質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用同軸三反系統(tǒng)(TMA)，主鏡尺寸為650 mm，如圖3所示，其主鏡與次鏡的安排類似于傳統(tǒng)的卡塞格林系統(tǒng)，成像視場角小的缺點(diǎn)可通過靈活的編程任務(wù)和快速的機(jī)動(dòng)能力進(jìn)行彌補(bǔ)。

圖3 Pleiades光學(xué)系統(tǒng)Fig.3 Optical system of the Pleiades

TMA光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是［5］:

(1)用小折返鏡改變光路，結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，功能密度大;

(2)像差校正良好，無色差;

(3)寬波段和好的空間環(huán)境適應(yīng)性，空間防護(hù)性較好;

(4)無一次雜光，易設(shè)內(nèi)光闌，有中間像，消雜光處理容易。

此外，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)除滿足分辨率與幅寬要求外，還要滿足足夠的信噪比(SNR)和傳遞函數(shù)(MTF)的要求。信噪比與光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑的平方成正比，增大相對孔徑對信噪比是有利的，但相對孔徑大時(shí)，相機(jī)的口徑、尺寸及重量也將增大，所以Pleiades未采取該方式，其F數(shù)設(shè)計(jì)高達(dá)20(相對孔徑僅為1/20)，盡管較大F數(shù)會(huì)帶來信噪比和全波段平均MTF的下降，但其通過采用大尺寸像元時(shí)間延遲積分CCD(TDICCD)，并增加積分級(jí)數(shù)來彌補(bǔ)這種影響，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終，Pleiades地面裝調(diào)完成的光學(xué)系統(tǒng)波前差達(dá)到λ/20，在軌測得傳遞函數(shù)為0.08，信噪比為90。

從Pleiades的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還不難發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)數(shù)高達(dá)20的空間相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)在國外已經(jīng)發(fā)展多年，技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟［6］。但國內(nèi)由于高質(zhì)量電子學(xué)電路及圖像后處理技術(shù)相對落后，目前光學(xué)相機(jī)指標(biāo)設(shè)計(jì)相對保守，F(xiàn)數(shù)大多在10左右，重量及體積均不占優(yōu)勢。

3.3 一體化超分辨焦平面

Pleiades成像單元設(shè)計(jì)獨(dú)具特點(diǎn)，集視頻信號(hào)的預(yù)放、視頻信號(hào)的數(shù)字化(其中包括了視頻信號(hào)的處理)、探測器低噪功放、極化產(chǎn)生電路、探測器時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)、同步接口、命令控制接口等眾多功能于一身，功能強(qiáng)大，高度集成。其焦平面選用5片13 μm全色TDICCD和5片52 μm四線陣多光譜CCD，各探測單元均為6 000 pixel，均采用12 bit編碼方式，Pleiades焦平面設(shè)計(jì)如圖4所示。

為在現(xiàn)有像元尺寸傳感器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高分辨率成像，Pleiades采用了亞像元拼接的方式進(jìn)行超分辨焦平面設(shè)計(jì)，將兩個(gè)CCD芯片的像元在線陣的排列長度方向上用光學(xué)的方法使之相互錯(cuò)位1/2個(gè)像元，此種方式可在積分時(shí)間不變的情況下，提高地面像元分辨率(GSD)至原來的，即達(dá)到:

圖4 一體化超分辨焦平面Fig.4 Integrated super-resolved focal plane of the Pleiades

Pleiades在實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.5 m分辨率的同時(shí)，由于焦平面局部傳感器數(shù)量的增多，使得傳感器驅(qū)動(dòng)預(yù)放電路規(guī)模及復(fù)雜度也相應(yīng)提高，因此Pleiades不得不采用復(fù)雜的分光技術(shù)分解焦平面，將全色和多光譜分解為兩部分以實(shí)現(xiàn)視場拼接。目前我國超分辨技術(shù)應(yīng)用研究已取得了初步成果，但基于分光原理的復(fù)雜焦平面設(shè)計(jì)與應(yīng)用還未在軌驗(yàn)證。

3.4 一體化綜合電子學(xué)

Pleiades采用整星電子學(xué)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)理念，以綜合管理單元OBMU為核心，通過統(tǒng)一的接口和1553B總線與星上設(shè)備直接相連，由它進(jìn)行統(tǒng)一管理、監(jiān)視，這樣OBMU便將傳統(tǒng)的各個(gè)系統(tǒng)的下位機(jī)無論從結(jié)構(gòu)上還是功能上都集成為一體，如圖5所示。

OBMU是ASTRIUM公司為低軌道衛(wèi)星開發(fā)的星上電子設(shè)備統(tǒng)一管理單元，可以搭載于多種不同任務(wù)的衛(wèi)星上并根據(jù)不同的任務(wù)可以有不同的配置方式，該設(shè)備由以下幾種模塊構(gòu)成［9］:

VPM:SPARC架構(gòu)主處理器模塊，負(fù)責(zé)控制BIM和外部1553B總線;

BIM:OBMU模塊之間的通訊總線;

TIF:遙測、遙控模塊，負(fù)責(zé)星地間通信;

IOS:安全模式控制模塊，負(fù)責(zé)衛(wèi)星在安全模式下的姿態(tài)、電源控制;

IOC:統(tǒng)一I/O模塊，負(fù)責(zé)外部設(shè)備與OBMU的接口。

圖5 一體化綜合電子學(xué)Fig.5 Integrated electronics of the Pleiades

從OBMU硬件配置上看，其除了可完成常規(guī)星務(wù)管理任務(wù)外，還承擔(dān)著有效載荷管理、姿態(tài)與軌道控制、熱控及電源管理以及遙測遙控星地鏈接等任務(wù)。與國內(nèi)衛(wèi)星研制按各分系統(tǒng)劃分，每個(gè)分系統(tǒng)均含獨(dú)立單機(jī)不同，Pleiades真正實(shí)現(xiàn)了整星的一體化管理，其優(yōu)勢在于:

(1)資源整合，減少單機(jī)及元器件數(shù)量;

(2)指令整合，減少指令類型及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié);

(3)遙測整合，減少冗余遙測提高帶寬;

(4)功能整合，減少測試環(huán)節(jié)和流程;

(5)性能整合，降低設(shè)備大小及功耗;

由此可見，一體化綜合電子學(xué)技術(shù)是未來航天電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必然發(fā)展方向。

3.5 敏捷姿態(tài)控制系統(tǒng)

Pleiades在繼承了SPOT系列衛(wèi)星的許多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，具有更高的空間分辨率和更高的時(shí)間分辨率，這就要求衛(wèi)星具備高指向精度、高姿態(tài)穩(wěn)定度以及快速的機(jī)動(dòng)能力。因此Pleiades采用了大量技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)的姿態(tài)敏感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括星敏感器、光纖陀螺和控制力矩陀螺等［10-11］。

(1)星敏感器

Pleiades采用了 3個(gè) Sordern公司生產(chǎn)的SED-36型高精度星敏感器，其精度達(dá)到了1″(3σ)，并且最大工作角速度達(dá)到 10(°)/s，這保證了Pleiades的超高穩(wěn)態(tài)指向精度及姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)時(shí)的控制精度。國內(nèi)目前尚無角秒級(jí)的星敏感器產(chǎn)品，精度優(yōu)于10″的星敏感器都基本依賴進(jìn)口。

圖6 Pleiades控制系統(tǒng)關(guān)鍵部件Fig.6 Key components of control system

(2)光纖陀螺

Pleiades采用了Astirum公司Astrix200型光纖陀螺產(chǎn)品，其常值漂移小于0.01(°)/h，隨機(jī)噪聲小于 0.000 2(°)/，壽命大于5年，因此Pleiades的角速度確定精度可以優(yōu)于0.0001(°)/s。這保證了Pleiades超高的姿態(tài)穩(wěn)定精度及姿態(tài)機(jī)動(dòng)過程中的角速度控制精度。目前國內(nèi)尚無0.000 1(°)/s精度的陀螺產(chǎn)品，并且陀螺的可靠性普遍較低。

(3)控制力矩陀螺

Pleiades采用4個(gè)Astrium-Teldix公司生產(chǎn)的單框架控制力矩陀螺，如圖6所示，以金字塔構(gòu)型安裝作為其主要的姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每個(gè)控制力矩陀螺的角動(dòng)量為15 N·m·s，單個(gè)SGCMG的最大輸出力矩可達(dá)45 N·m，能保證Pleiades衛(wèi)星具備快速的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。從文獻(xiàn)［12］中可以看出，Pleiades采用的控制力矩陀螺其控制精度達(dá)到mrad級(jí)，使得輸出力矩精度達(dá)到10-3N·m級(jí)，保證了整星的姿態(tài)控制精度及穩(wěn)定度。目前，國內(nèi)尚無此類產(chǎn)品。

4 高分辨衛(wèi)星新技術(shù)發(fā)展趨勢

上述內(nèi)容對Pleiades技術(shù)進(jìn)行了剖析，相關(guān)技術(shù)及設(shè)計(jì)理念值得我們深入研究并借鑒。除此之外，結(jié)合我國實(shí)際工程研發(fā)能力，仍需在高分辨衛(wèi)星領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮創(chuàng)新能力，除在高精度單元部件上加以技術(shù)攻關(guān)之外還必須獨(dú)辟蹊徑解決更前沿的工程問題。

4.1 CMOS TDI模式成像

現(xiàn)階段，航天領(lǐng)域高分辨成像主要采用TDI CCD。但由于受成像原理和硬件設(shè)計(jì)的限制，TDI CCD具有如下限制和弊端:

(1)只能動(dòng)態(tài)推掃成像，實(shí)時(shí)調(diào)焦困難;

(2)嚴(yán)格的像移匹配，無法凝視成像;

(3)電源種類多，外圍電路復(fù)雜，功耗大;

(4)僅能單向推掃成像，且無法自主調(diào)焦。

因此尋求空間高分辨成像的新型技術(shù)迫在眉睫。目前，CMOS傳感器以系統(tǒng)集成度高、成本低、功耗小、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在空間光學(xué)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

為使CMOS能夠更適合空間高分辨力成像，需使其在面陣成像基礎(chǔ)上具備TDI功能以提高圖像的信噪比，目前借助于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)強(qiáng)大的邏輯處理能力，該功能已經(jīng)能夠通過采用逐行疊加的卷簾數(shù)字域TDI算法得以實(shí)現(xiàn)［13］。具體實(shí)現(xiàn)算法如下:

以3級(jí)積分為例，逐行疊加的卷簾數(shù)字域TDI算法工作原理如圖7所示。當(dāng)進(jìn)行推掃成像時(shí)，在第一個(gè)行周期，CMOS傳感器輸出像素矩陣P1，F(xiàn)PGA控制前3行數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器M中;經(jīng)過一個(gè)行周期，傳感器沿推掃方向移動(dòng)一個(gè)像元寬度，并輸出第二幀圖像P2，此時(shí)線陣1對應(yīng)的景物與前幀線陣2對應(yīng)的景物相同，因此FPGA控制P2前3行數(shù)據(jù)與P1對應(yīng)數(shù)據(jù)疊加后存入存儲(chǔ)器;同理，第三個(gè)行周期，存儲(chǔ)器M1中存儲(chǔ)的是當(dāng)前幀線陣1、前1幀線陣2以及前2幀線陣3對同一景物成像數(shù)據(jù)的疊加，存儲(chǔ)器M2中為當(dāng)前幀線陣2和前1幀線陣3成像數(shù)據(jù)的和，M3中暫存當(dāng)前幀線陣3的成像數(shù)據(jù)。每個(gè)行周期M1數(shù)據(jù)疊加完成后，在FPGA控制下輸出，此時(shí)3級(jí)積分輸出信號(hào)為:

圖7 卷簾數(shù)字域TDI原理圖Fig.7 Principle diagram of rolling TDI in digital domain

Nsignal(3)=P3(1)+P2(2)+P1(3).

另外可通過面陣和TDI間的靈活切換，滿足靜態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)焦和動(dòng)態(tài)掃描成像兩方面的需求，大幅提高成像系統(tǒng)的靈敏度和信噪比，輕松解決高分辨率凝視拍照難題。另外，利用FPGA可實(shí)現(xiàn)CMOS相機(jī)級(jí)數(shù)連續(xù)可調(diào)，解決了TDI CCD級(jí)數(shù)只能在固定幾個(gè)數(shù)字內(nèi)選擇，往往得不到合適灰度的欠缺。

4.2 高動(dòng)態(tài)范圍視頻成像技術(shù)

無論采用TDI CCD還是利用CMOS實(shí)現(xiàn)TDI功能，其成像技術(shù)還是以獲取靜態(tài)圖像為主。目前隨著國外開始發(fā)展的視頻衛(wèi)星在軌運(yùn)行后，視頻監(jiān)視載荷所提供的視頻產(chǎn)品具有動(dòng)態(tài)直觀、信息豐富等特點(diǎn)令人矚目。與傳統(tǒng)對地觀測衛(wèi)星相比，視頻遙感衛(wèi)星在具備對目標(biāo)進(jìn)行長時(shí)間的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測能力的同時(shí)，能夠根據(jù)地面情況迅速改變觀測地區(qū)和觀測重點(diǎn)，更有利于突發(fā)事件的快速響應(yīng)和災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)視等。因此，部署并應(yīng)用視頻衛(wèi)星將是航天遙感信息獲取的重要發(fā)展方向。

圖8 TUBSAT在軌視頻成像Fig.8 TUBSAT on-orbit video imaging

從文獻(xiàn)［14］中可以看出，德國在視頻衛(wèi)星領(lǐng)域研究較早，其研制的TUBSAT衛(wèi)星所拍攝的視頻截圖如圖8所示。從獲取的視頻數(shù)據(jù)上看，其視頻相機(jī)雖然在動(dòng)態(tài)目標(biāo)監(jiān)視和災(zāi)害監(jiān)測方面優(yōu)勢明顯，但仍存在不能覆蓋視場內(nèi)場景動(dòng)態(tài)范圍的缺陷，即在一幀內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)過曝光和欠曝光，造成視頻信息缺失。

因此，未來發(fā)展高分辨視頻衛(wèi)星必須解決高動(dòng)態(tài)范圍視頻成像技術(shù)，以適應(yīng)航天應(yīng)用領(lǐng)域不同的光照條件。目前高動(dòng)態(tài)范圍圖像獲取方法主要有:多次曝光法、多靶面曝光合成、單像素集成多個(gè)感光單元、光學(xué)衰減器法等。出于對航天產(chǎn)品高穩(wěn)定和高可靠方面的考慮，中科院長春光機(jī)所正在開展基于優(yōu)化改進(jìn)多次曝光技術(shù)的高動(dòng)態(tài)范圍視頻載荷相關(guān)技術(shù)研究，將高幀頻成像傳感器輸出的多幀低動(dòng)態(tài)范圍視頻幀融合為一幅高動(dòng)態(tài)范圍圖像，最終形成幀頻大于25 frame/s的高動(dòng)態(tài)范圍視頻序列［15］。高動(dòng)態(tài)范圍視頻載荷關(guān)鍵技術(shù)及解決方法如表3所示。

表3 高動(dòng)態(tài)范圍視頻載荷關(guān)鍵技術(shù)及解決方法Tab.3 Key technologies and solutions of high dynamic video

4.3 基于可重構(gòu)模塊的柔性化集成技術(shù)

傳統(tǒng)大衛(wèi)星功能豐富且系統(tǒng)復(fù)雜，分系統(tǒng)之間接口眾多，常采用按需定制的研制方式，而現(xiàn)代小衛(wèi)星由于受到研制成本和研制周期的制約，需重點(diǎn)研究并發(fā)展柔性化集成技術(shù)以避免大衛(wèi)星小型化的做法，實(shí)現(xiàn)整星柔性化集成的優(yōu)勢在于:

(1)降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，即插即用;

(2)減少設(shè)計(jì)、制造及測試周期;

(3)降低整星研制成本;

(4)增強(qiáng)適應(yīng)性以滿足不同功能需求。

國外在小衛(wèi)星柔性化集成方面起步較早，90年代初美國宇航局(NASA)便提出了小衛(wèi)星柔性化設(shè)計(jì)和集成公用模塊理念，利用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和產(chǎn)品化的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了小衛(wèi)星對突發(fā)事件快速信息獲取的能力，并通過多顆ORS衛(wèi)星的研制進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證。目前我國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)與高校也開始關(guān)注小衛(wèi)星柔性化設(shè)計(jì)方法，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出的基于可重構(gòu)模塊實(shí)現(xiàn)整星柔性化集成引領(lǐng)了我國新型小衛(wèi)星設(shè)計(jì)理念［16］，符合我國國情并適應(yīng)我國未來小衛(wèi)星發(fā)展的需要。

圖9 可重構(gòu)綜合電子系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure of reconfigurable integrated electronic system

基于可重構(gòu)模塊建立的新型星上綜合電子系統(tǒng)以可重構(gòu)星載計(jì)算機(jī)為核心，通過選配可重構(gòu)接口單元進(jìn)行接口擴(kuò)展，并輔以用于分系統(tǒng)或單機(jī)組部件間信息傳輸或交換的標(biāo)準(zhǔn)信息網(wǎng)絡(luò)(如控制區(qū)局域網(wǎng)絡(luò)總線(CAN)總線等)組成，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的柔性化集成［17］。該新型綜合電子系統(tǒng)具備通用性強(qiáng)(適合不同類型任務(wù)要求)和適應(yīng)性廣(適合不同接口部件集成)的特點(diǎn)，其體系結(jié)構(gòu)如圖9所示。其中，可重構(gòu)星載計(jì)算機(jī)和可重構(gòu)接口單元統(tǒng)稱為可重構(gòu)模塊。

可重構(gòu)星載計(jì)算機(jī)以FPGA為核心，可依據(jù)星上任務(wù)進(jìn)程自主調(diào)整電路結(jié)構(gòu)進(jìn)而動(dòng)態(tài)改變星上計(jì)算機(jī)功能，利用單一處理器資源分時(shí)復(fù)用實(shí)現(xiàn)多處理器功能可簡化星上中心機(jī)配置數(shù)量和在軌升級(jí)機(jī)制，同時(shí)還在系統(tǒng)層增強(qiáng)了其對輻射損傷的應(yīng)對能力［18］。

可重構(gòu)接口單元同樣以FPGA為核心，通過配置FPGA實(shí)現(xiàn)諸如RS422、AD、DA等非標(biāo)準(zhǔn)接口至標(biāo)準(zhǔn)CAN總線接口轉(zhuǎn)換以及標(biāo)準(zhǔn)星上協(xié)議轉(zhuǎn)換，便于非標(biāo)設(shè)備及組部件的集成。

目前關(guān)于小衛(wèi)星通用化、模塊化、組合化的研究領(lǐng)域十分廣泛，需投入精力更加深入細(xì)致地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

4.4 基于軟件總線的星載軟件設(shè)計(jì)技術(shù)

星載軟件系統(tǒng)是由多個(gè)嵌入式軟件子系統(tǒng)組成的，主要實(shí)現(xiàn)飛行任務(wù)管理、姿態(tài)控制、載荷管理及遙測遙控等功能。在當(dāng)前衛(wèi)星功能集成度不斷提高的過程中，星載硬件發(fā)展較快，變化較大，而軟件設(shè)計(jì)由于受飛行任務(wù)和硬件環(huán)境不同的影響逐漸暴露出可重用性差、開發(fā)和測試周期長以及無法快速集成等問題。為解決上述問題，最終實(shí)現(xiàn)軟件動(dòng)態(tài)的即插即用，采用軟件總線技術(shù)已成為星上軟件工程化研究的重點(diǎn)［19］。

圖10 基于軟件總線的星載軟件系統(tǒng)架構(gòu)Fig.10 On-board software architecture based on software bus

基于軟件總線的星載軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖10所示。整個(gè)系統(tǒng)由外部數(shù)據(jù)接口、各功能組件、軟件總線、數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)中掛接于軟件總線上的各功能組件彼此之間相互獨(dú)立，僅通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;軟件總線又直接與底層實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)及外部數(shù)據(jù)接口相連。當(dāng)衛(wèi)星需依照具體任務(wù)要求動(dòng)態(tài)產(chǎn)生增加或刪除組件，只需通過配置總線系統(tǒng)管理模塊中相關(guān)組件列表即可實(shí)現(xiàn)軟件重構(gòu)，從而快速完成系統(tǒng)軟件開發(fā)工作。

軟件總線設(shè)計(jì)思想是通過軟件總線的系統(tǒng)管理、調(diào)度管理和數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的采集、組件的動(dòng)態(tài)加載、組件間數(shù)據(jù)交換等功能，最終實(shí)現(xiàn)非耦合模式下各個(gè)組件的協(xié)同工作。其實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)是總線調(diào)度管理模塊設(shè)計(jì)，通過該模塊實(shí)現(xiàn)對各組件的調(diào)用、安裝、卸載和完成對組件數(shù)據(jù)庫的管理，并根據(jù)需要處理的數(shù)據(jù)流使用自身任務(wù)調(diào)度機(jī)制，將數(shù)據(jù)流不斷傳遞至相應(yīng)組件，驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)連續(xù)工作。

我國在軟件總線方面的研究起步較晚，研究成果距航天應(yīng)用還有一定距離。不過無論作為未來快速戰(zhàn)術(shù)星應(yīng)用還是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化快速生產(chǎn)，均需要軟件快速集成，其中軟件總線是有效的技術(shù)手段。

4.5 星載一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)衛(wèi)星一般由有效載荷和衛(wèi)星平臺(tái)構(gòu)成。雖然衛(wèi)星平臺(tái)的使用可以避免不同衛(wèi)星所需服務(wù)系統(tǒng)的重新研制，但是其針對性較差，包絡(luò)空間和質(zhì)量都較大，不適于高分辨小衛(wèi)星的小型化和輕量化。而星載一體化是以載荷為中心，圍繞載荷布局展開設(shè)計(jì)，在進(jìn)行載荷和平臺(tái)的設(shè)計(jì)時(shí)兼顧對方利益，通過采用光、機(jī)、熱一體化設(shè)計(jì)與分析手段完成對整星結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)整體的性能最優(yōu)。

目前，國外高性能衛(wèi)星上已經(jīng)廣泛采用星載一體化設(shè)計(jì)，Pleiades即采用了這種以載荷為中心，圍繞載荷進(jìn)行布局的高度一體化的設(shè)計(jì)方法，如圖11所示。其載荷主承力背板既是主鏡的支撐結(jié)構(gòu)，又是星上其他部件的安裝底板，有效減輕了整星重量［20］。同時(shí)，Pleiades所采用的高精度星敏感器及陀螺頭部均是與載荷的主承力背板以及CCD焦平面組件進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)安裝，以保證姿態(tài)測量系統(tǒng)坐標(biāo)基準(zhǔn)的穩(wěn)定性，提高高分辨成像過程中的姿態(tài)控制精度。

圖11 Pleiades星載一體化結(jié)構(gòu)布局Fig.11 Integration structure of Pleiades

采用星載一體化設(shè)計(jì)可突破載荷與平臺(tái)的界限，具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)整星結(jié)構(gòu)簡化，系統(tǒng)集成度高，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的輕小型化設(shè)計(jì)，進(jìn)而促使研制及發(fā)射成本大幅度降低;

(2)基于結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，衛(wèi)星質(zhì)心低，傳力路徑好，與傳統(tǒng)分部式設(shè)計(jì)相比，衛(wèi)星基頻大幅提高;

(3)整星轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，有利于姿態(tài)控制系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性能的提高;

(4)星上儀器設(shè)備圍繞載荷展開布局，衛(wèi)星構(gòu)型為近似圓柱型，徑向直徑包絡(luò)小，更有利于小火箭靈活發(fā)射;

(5)星敏感器、陀螺等姿態(tài)敏感器件與載荷光學(xué)系統(tǒng)共基準(zhǔn)安裝，減少了姿態(tài)測量誤差，使姿態(tài)控制精度和載荷成像定位精度大大提高。

采用星載一體化除具備上述優(yōu)點(diǎn)外，還需通過對載荷及衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的裝配特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)研究，尋求一體化衛(wèi)星總體集成的最佳結(jié)合，完成一體化衛(wèi)星總裝流程及裝配、檢測方案設(shè)計(jì)。總之，采用星載一體化設(shè)計(jì)是高分辨小衛(wèi)星未來發(fā)展的趨勢。

5 結(jié)論

縱觀國內(nèi)外遙感衛(wèi)星的發(fā)展?fàn)顩r可以看出，具有高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、高機(jī)動(dòng)能力、高集成化等諸多特點(diǎn)為一體的高性能小衛(wèi)星發(fā)展趨勢已經(jīng)形成，作為 Astrium Services集團(tuán)運(yùn)營的新一代衛(wèi)星中的一員，Pleiades的在軌運(yùn)營值得我國航天科研工作者學(xué)習(xí)和借鑒。

本文有針對性地剖析了Pleiades在多星組網(wǎng)軌道設(shè)計(jì)、一體化超分辨焦平面設(shè)計(jì)、一體化綜合電子學(xué)設(shè)計(jì)及敏捷姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面所采用的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，并在此基礎(chǔ)上提出了適應(yīng)我國國情的新技術(shù)發(fā)展方向，但由于篇幅限制，需要繼續(xù)拓展的研究領(lǐng)域不能逐一說明，其中包括圖像后處理技術(shù)以及在軌圖像增強(qiáng)技術(shù)等。上述技術(shù)的應(yīng)用可作為我國高性能一體化小衛(wèi)星研制領(lǐng)域發(fā)展的重要參考。

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