□ 林來(lái)興

“羊群”立方體星對(duì)地觀測(cè)大型星座

□ 林來(lái)興

3U立方體星從空間站釋送

今年2月15日印度運(yùn)載火箭PSVL-C37，一箭104顆衛(wèi)星發(fā)射成功，創(chuàng)一箭多星世界記錄，其中有88顆“羊群”立方體星?！把蛉骸绷⒎襟w星由美國(guó)私營(yíng)公司“行星實(shí)驗(yàn)室”（以下簡(jiǎn)稱“行星公司”）研制，從2014年到目前3年時(shí)間共成功發(fā)射“羊群”立方體星227顆，計(jì)劃今年夏季再發(fā)射48顆，總共達(dá)到275顆，成為全球第一個(gè)超大型星座。若一切順利，該星座具有對(duì)全球任何地區(qū)僅需幾分鐘重訪時(shí)間，而且是高分辨率觀測(cè)。整個(gè)星座費(fèi)用僅需2億～3億美元，相當(dāng)一顆普通中等衛(wèi)星費(fèi)用?！把蛉骸毙亲旧蠈?shí)現(xiàn)人類多年對(duì)地觀測(cè)的夢(mèng)想——廉價(jià)且隨時(shí)隨地能獲得高分辨遙感信息。

立方體星星座

立方體星成本底、研制周期短，又便于模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化，可進(jìn)行批量生產(chǎn)，但是衛(wèi)星功能較差。最近幾年來(lái)隨著信息、計(jì)算機(jī)、電子學(xué)、光學(xué)技術(shù)飛快發(fā)展，加上微機(jī)電系統(tǒng)普及等，立方體星功能密集度得到極大提高，又能采用商用器件，成本降底，特別是開(kāi)辟多星聯(lián)合應(yīng)用(星座和編隊(duì)飛行)，從而使立方體星揚(yáng)長(zhǎng)避短。目前立方體星已擴(kuò)展到微小衛(wèi)星(1千克～50千克)，近幾年發(fā)射量劇增。在此條件下，美國(guó)行星公司研制3U立方體星對(duì)地觀測(cè)“羊群”衛(wèi)星，衛(wèi)星重5千克，地面分辨率3米～4米。采用長(zhǎng)期在線工作模式，無(wú)需對(duì)衛(wèi)星下達(dá)成像指令，即可自動(dòng)持續(xù)獲取全球圖像。

鴿子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星外觀結(jié)構(gòu)圖

單星(左邊)與星座(右邊)對(duì)地觀測(cè)

“羊群”立方體星外形結(jié)構(gòu)

行星公司從2013年11月26日開(kāi)始發(fā)射鴿子實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星， 飛行實(shí)驗(yàn)成功后，公司開(kāi)始正式發(fā)射3U立方體星，并將經(jīng)過(guò)幾年努力，建設(shè)一個(gè)超大型星座。單星與星座對(duì)地觀測(cè)有很大區(qū)別，前者僅觀測(cè)局部地區(qū)，后者可連續(xù)不斷觀測(cè)很大地區(qū)。值得注意是，光有眾多立方體星還是不夠的。要建造大型星座，眾多衛(wèi)星同時(shí)入軌，如何部署成為星座(因?yàn)樾巧蠜](méi)有推力器)是關(guān)鍵問(wèn)題。下面介紹幾種發(fā)射立方星星座的運(yùn)載工具形式：

1.從國(guó)際空間站入軌。簡(jiǎn)單方便，費(fèi)用不高，但是軌道高度較低，衛(wèi)星生存壽命短，而且僅能部署在一個(gè)軌道平面，為此適合發(fā)射有限數(shù)量的衛(wèi)星，進(jìn)行空間實(shí)驗(yàn)飛行任務(wù)。

2.搭載方式發(fā)射。需要等待機(jī)會(huì)，而且要滿足主星軌道要求，僅適合單星和一次搭載小型星座所需要的衛(wèi)星。

3.一箭多星發(fā)射。最理想方式是一箭把星座所需要衛(wèi)星都帶上，同時(shí)又能按星座要求，讓立方體星到達(dá)所需要的軌道位置。這里需要裝有一顆母星，它從末級(jí)火箭分離出來(lái)后，繞地球軌道飛行，然后由分配器按要求軌道逐個(gè)釋放立方體星。這次印度火箭如何釋放立方體星，目前尚不清楚。不管采用什么方法，只要能達(dá)到目的都可以。為此一箭多星發(fā)射不僅要看一箭發(fā)射多少衛(wèi)星，還要看如何釋放這些衛(wèi)星， 否則一箭同時(shí)發(fā)射這么多衛(wèi)星，就可能像仙女散花，變成空間垃圾。

上百顆衛(wèi)星飛行軌跡

批量生產(chǎn)3U立方體星

海岸線上3U立方體星監(jiān)測(cè)

3U立方體星

“羊群”立方體星外形結(jié)構(gòu)釆用3U結(jié)構(gòu)(10cm×10cm×30cm)，星上安裝一個(gè)固定式可疊折太陽(yáng)電池板，可發(fā)電約50瓦，與8個(gè)20 Ah鋰蓄電池組成電源系統(tǒng)，電源功率使用分配由星上計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行。姿態(tài)采用三軸控制，姿態(tài)測(cè)量由磁強(qiáng)計(jì)、速率陀螺和光電二極管組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由磁力棒和微型飛輪來(lái)完成，姿態(tài)控制系統(tǒng)精度為0.1度，通信為S頻段，頻率為2.4 Ghz。

星座的每顆立方體星都有一套望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)和相機(jī)。行星公司先后研制兩種光學(xué)有效載荷，現(xiàn)在僅介紹后一種，也就是2016年與2017年發(fā)射“羊群”立方體星所采用的。這種有效載荷對(duì)不同的軌道高度，其視場(chǎng)和地面分辨率都不同：在475千米太陽(yáng)同步軌道,視場(chǎng)水平方向?yàn)?4.6千米，垂直方向?yàn)?6.4千米，面積為405平方千米，地面分辨率為3.73米；在420千米國(guó)際空間站軌道，視場(chǎng)水平方向?yàn)?1.8千米，垂直方向?yàn)?4.5千米，面積為316平方千米，地面分辨率為3.3米。

目前應(yīng)用和今后發(fā)展

由150顆3U立方體星組成對(duì)地觀測(cè)超大型星座，對(duì)全球任何地區(qū)空間分辨率為3米～4米，時(shí)間分辨率為1小時(shí)的觀測(cè)功能，完全可滿足全球環(huán)境監(jiān)視和各種災(zāi)害對(duì)空間遙感的要求。下面把各種災(zāi)害監(jiān)視要求對(duì)地觀測(cè)空間和時(shí)間分辨率列在下表：

由上表得知，除了第一項(xiàng)戰(zhàn)爭(zhēng)和軍事的一些要求以外，其它都可以得到滿足。這里僅舉出一個(gè)實(shí)例，如上圖所示海岸線上3U立方體星監(jiān)測(cè)圖像，從這里可以發(fā)現(xiàn)是否有異樣狀態(tài)。

對(duì)3U立方體星今后發(fā)展有兩個(gè)方向。一個(gè)是應(yīng)用數(shù)量發(fā)展，也就是擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。2016年11月行星公司已獲得高達(dá)600顆發(fā)射許可證，將來(lái)有可能發(fā)射更大對(duì)地觀測(cè)星座，重訪時(shí)間僅幾分鐘，完全可以滿足全球各領(lǐng)域?qū)b感的要求?，F(xiàn)在公司已為上百顆衛(wèi)星在不同軌道開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，可實(shí)時(shí)把每顆衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)傳送到地面。

另一個(gè)是質(zhì)量提升，也就是技術(shù)水平提高。例如空間分辨率改善，由目前3米～4米改善到1米～2米，但是對(duì)3U立方體星來(lái)說(shuō)非常困難。因?yàn)樵龃蠊鈱W(xué)焦矩和減少CCD像元寬度，都涉及立方體星結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性問(wèn)題，等于重新研制一顆新的立方體星。還有降低軌道高度來(lái)改善分辨率，由于目前軌道高度較低，再降低衛(wèi)星壽命將會(huì)大大縮短。★