徐冰 吳爽 （北京空間科技信息研究所）

中國臺灣福衛(wèi)-5衛(wèi)星即將發(fā)射

FormoSat-5 Satellite Will be Launched Soon

徐冰 吳爽 （北京空間科技信息研究所）

近年來，越來越多的國家或地區(qū)通過合作、技術(shù)轉(zhuǎn)移等方式發(fā)展對地觀測衛(wèi)星能力。中國臺灣地區(qū)通過與發(fā)達國家合作學習航天先進技術(shù)并積累經(jīng)驗，成功發(fā)展了一系列對地觀測衛(wèi)星，逐漸具備了天基對地觀測能力。2017年8月底，由中國臺灣研發(fā)的福衛(wèi)-5（FormoSat-5）對地觀測衛(wèi)星將搭乘美國獵鷹-9（Falcon-9）火箭發(fā)射升空。

1 “福衛(wèi)”系列衛(wèi)星概況

中國臺灣早期通過購買國外遙感衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)獲取天基對地觀測能力。1991年，中國臺灣制定了航天科技發(fā)展規(guī)劃，開始自主發(fā)展航天能力?！案Ｐl(wèi)”是其中最重要的項目。中國臺灣規(guī)劃了福衛(wèi)-1～3、5和7衛(wèi)星，福衛(wèi)-1～3衛(wèi)星已發(fā)射，福衛(wèi)-5衛(wèi)星即將于2017年8月底發(fā)射。

福衛(wèi)-1是一顆低軌科學試驗衛(wèi)星，主要用于海洋水色觀測、電離層等離子體和電動力學效應(yīng)測量，以及Ka頻段通信試驗等。該衛(wèi)星于1999年1月27日發(fā)射，設(shè)計壽命2年，實際在軌運行至2004年6月。福衛(wèi)-1衛(wèi)星采取合作方式進行研制，衛(wèi)星平臺的合作方為原美國湯普森-拉莫-伍爾德里奇公司（TRW）公司（現(xiàn)為諾斯羅普·格魯曼公司），有效載荷的合作方為日本電氣公司（NEC）和美國德克薩斯大學。

福衛(wèi)-2衛(wèi)星于2004年5月21日發(fā)射，設(shè)計壽命5年，目前已停止工作，全色分辨率2m，多光譜分辨率8m，幅寬24km。衛(wèi)星由中國臺灣和原阿斯特留姆公司[現(xiàn)空客防務(wù)與航天公司（ADS）]共同研制，原阿斯特留姆公司作為衛(wèi)星主承包商，負責研制衛(wèi)星平臺和有效載荷，同時中國臺灣地區(qū)負責研制部分組件。

福衛(wèi)-3是一個由6顆微衛(wèi)星組成的低軌氣象環(huán)境衛(wèi)星星座，也稱為“氣象、電離層和氣候觀測星座系統(tǒng)”（COSMIC），由中國臺灣和美國大學大氣研究聯(lián)盟（UCAR）合作投資發(fā)展，主承包商為軌道科學公司（OSC）。該衛(wèi)星星座于2006年4月15日發(fā)射，目前有5顆衛(wèi)星仍在軌工作，用于獲取GPS掩星數(shù)據(jù)以及電離層和氣象觀測數(shù)據(jù)等。

福衛(wèi)-7是福衛(wèi)-3的后續(xù)衛(wèi)星星座任務(wù)，也稱為氣象、電離層和氣候觀測星座系統(tǒng)-2，將由12顆微衛(wèi)星組成星座，平均分布于高低2個傾角軌道面，用于對大氣環(huán)境進行觀測，獲取壓力、溫度和濕度等大氣參數(shù)，目前正處于研制階段。該星座由中國臺灣和美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）聯(lián)合發(fā)展。英國薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司（SSTL）負責設(shè)計和制造這12顆衛(wèi)星，有效載荷由中國臺灣和美國共同制造。

2 福衛(wèi)-5衛(wèi)星項目情況介紹

總體情況

福衛(wèi)-5衛(wèi)星項目于2005年提出，作為福衛(wèi)-2的后繼星，計劃運行在高720km、傾角98.28°的太陽同步軌道，設(shè)計壽命5年。福衛(wèi)-5衛(wèi)星任務(wù)目標包括發(fā)展中國臺灣的對地觀測衛(wèi)星技術(shù)和能力，接替福衛(wèi)-2衛(wèi)星持續(xù)服務(wù)于全球圖像用戶，以及促進中國臺灣空間科學研究。

衛(wèi)星平臺

福衛(wèi)-5衛(wèi)星平臺由姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)、指令與數(shù)據(jù)管理單元、電源分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)等組成。該衛(wèi)星平臺呈八棱柱體，尺寸約1.6m（外徑）×2.8m（高），采用三軸穩(wěn)定控制方式，具有任意方向±45°的側(cè)擺能力，衛(wèi)星具有一定的敏捷性，可在過頂期間對非平行于星下點軌跡的指定區(qū)域進行成像，即異步成像能力。圖像數(shù)據(jù)下行鏈路采用X頻段，數(shù)據(jù)傳輸率150Mbit/s，測控鏈路采用S頻段。星上固態(tài)存儲器容量80Gbit。衛(wèi)星帶有2塊太陽電池板，在軌期間提供280W平均功率。

其姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)主要用于衛(wèi)星姿態(tài)控制與軌道控制，姿態(tài)敏感器包括2個星敏感器、2個磁力計和6個太陽敏感器。姿態(tài)執(zhí)行機構(gòu)包括4個反作用輪和3個磁力矩器。衛(wèi)星可在60s內(nèi)實現(xiàn)滾動向側(cè)擺24°、俯仰向側(cè)擺24°、偏航向側(cè)擺7°。與福衛(wèi)-2衛(wèi)星采用的原阿斯特留姆公司低地軌道星-500-XO（Leostar-500-XO）平臺相比，中國臺灣自主開發(fā)的福衛(wèi)-5衛(wèi)星平臺在敏捷性方面還有一定的差距。

其指令與數(shù)據(jù)管理單元主要包括星上計算機、數(shù)據(jù)存儲模塊、遙測與遙控模塊、控制管理模塊、姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊、SpaceWire復用器-分用器、GPS接收機和DC-DC電能供應(yīng)模塊等。

其電源分系統(tǒng)由1個功率控制分配單元、1個可重復充電24A ·h電池和2個太陽能發(fā)電機組成。其中，功率控制分配單元包含17個電路模塊和100多個功率分配通道，主要用于將太陽電池板獲取的能量按需分配給星上的所有分系統(tǒng)。

有效載荷

福衛(wèi)-5衛(wèi)星帶有2個有效載荷，主有效載荷為遙感相機（RSI），次有效載荷為先進電離層探測器（AIP）。

星上遙感相機在設(shè)計和研制過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括CMOS探測器設(shè)計與制造技術(shù)、碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)支架制造工藝、星上圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、均衡安裝設(shè)計與總裝技術(shù)，以及望遠鏡校正技術(shù)等。

星上遙感相機是一個推掃成像器，質(zhì)量95kg，平均功率75W，由卡塞格倫望遠鏡和電子單元組成。卡塞格倫望遠鏡由口徑45cm、焦距3600mm的主鏡，以及次鏡、校正透鏡、遮光罩、碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)和焦平面陣列組成。其中，焦平面陣列是最關(guān)鍵組件，由CMOS成像傳感器、帶通濾波器、控制電子器件和支架結(jié)構(gòu)組成。CMOS成像傳感器由微像科技股份有限公司設(shè)計，包括1個全色和4個多光譜成像傳感器，全色成像傳感器包含12000個像元，每個像元尺寸10μm，多光譜成像傳感器包含6000個像元，每個像元尺寸20μm。遙感相機全色分辨率2m，多光譜分辨率4m，幅寬24km，數(shù)據(jù)量化12bit。

地面段

福衛(wèi)-5衛(wèi)星地面段由任務(wù)操作與控制中心，S頻段跟蹤、遙測與指令地面站，X頻段數(shù)據(jù)接收站，圖像處理中心和海外緊急支援站組成。

其任務(wù)操作與控制中心、X頻段數(shù)據(jù)接收站和圖像處理中心都位于臺灣新竹市科學園區(qū)。任務(wù)操作與控制中心包括任務(wù)操作中心、任務(wù)控制中心、飛行動態(tài)設(shè)施、地面通信網(wǎng)絡(luò)和科學控制中心，提供衛(wèi)星下行遙測數(shù)據(jù)監(jiān)控、指令上傳、衛(wèi)星軌道確定和預測、衛(wèi)星任務(wù)調(diào)度、科學數(shù)據(jù)獲取與分發(fā)，以及內(nèi)外部通信等功能。X頻段數(shù)據(jù)接收站主要用于接收衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，圖像處理中心負責圖像數(shù)據(jù)處理與分發(fā)。2個S頻段跟蹤、遙測與指令地面站位于臺南成功大學歸仁校區(qū)，1個S頻段跟蹤、遙測與指令地面站位于中壢中央大學，提供與衛(wèi)星的遙測、跟蹤和遙控服務(wù)。海外緊急支援站主要提供衛(wèi)星發(fā)射與早期軌道、衛(wèi)星緊急及軌道機動時所需的支援。

性能對比

雖然福衛(wèi)-5是福衛(wèi)-2的后繼星，但是其各方面性能并沒有大幅提升。與福衛(wèi)-2衛(wèi)星相比，福衛(wèi)-5衛(wèi)星平臺敏捷性較差，但福衛(wèi)-5衛(wèi)星的多光譜成像分辨率、星上存儲能力和數(shù)據(jù)傳輸率均比福衛(wèi)-2衛(wèi)星有所提高。

福衛(wèi)-5與福衛(wèi)-2衛(wèi)星性能對比

3 “福衛(wèi)”系列衛(wèi)星應(yīng)用情況

雖然中國臺灣一直宣稱“福衛(wèi)”衛(wèi)星系列面向民用，以滿足本地區(qū)需求為主，已廣泛應(yīng)用于資源勘測、土地利用、變化監(jiān)測、農(nóng)林規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)控、海洋監(jiān)視、災害評估以及科學研究與教育等眾多領(lǐng)域。但“福衛(wèi)”衛(wèi)星還可應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，例如2005年5月-7月，福衛(wèi)-2衛(wèi)星對伊朗阿拉克核電站區(qū)域進行連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)伊朗正在大力建造阿拉克核電站，為中國臺灣地區(qū)提供了重要的軍事情報。

此外，中國臺灣還通過“亞洲哨兵”（Sentinel Asia，“亞洲哨兵”是由亞太地區(qū)航天機構(gòu)和災害管理機構(gòu)聯(lián)合組成的志愿機構(gòu)，主要利用遙感技術(shù)和地理信息技術(shù)為亞太地區(qū)的災害管理提供技術(shù)支持）、國際憲章和聯(lián)合國衛(wèi)星應(yīng)用計劃訓練與研究營運中心（UNOSAT）等災害救濟國際合作項目或組織，利用福衛(wèi)-2衛(wèi)星圖像向全球提供人道主義救援。福衛(wèi)-2衛(wèi)星自發(fā)射以來，已經(jīng)為數(shù)十個國家、數(shù)百次自然災害提供了人道主義救援，包括2010年2月的智利地震、2011年3月的日本地震與海嘯，以及2011年7月的泰國洪災等。