李健全 王倩瑩 張思晛 趙志偉
(1 中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094) (3 航天恒星科技有限公司,北京 100095)
按衛(wèi)星的質(zhì)量劃分,一般將100 kg(含)及以下的衛(wèi)星統(tǒng)稱為微納衛(wèi)星。隨著微電子、光電子技術(shù)的不斷發(fā)展,微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展迅速,微納衛(wèi)星已從以技術(shù)試驗(yàn)、試用階段進(jìn)入實(shí)用階段。微納衛(wèi)星具有性價(jià)比高、成本低等優(yōu)勢(shì),且通過組網(wǎng)形成星座,容易獲得較高的時(shí)間分辨率和觀測覆蓋性,成為對(duì)地觀測領(lǐng)域的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
微納衛(wèi)星在對(duì)地觀測領(lǐng)域需求大幅增加,表現(xiàn)在微納衛(wèi)星的發(fā)射數(shù)量快速增長。本文從大(系統(tǒng))到小(單星),從過去(來源)、現(xiàn)在(目前狀態(tài))、未來(未來發(fā)展)等多維度對(duì)國外典型的微納衛(wèi)星對(duì)地觀測系統(tǒng)進(jìn)行了分析與論述。
較為完善的政策環(huán)境吸引了大批的商業(yè)資本進(jìn)入微納衛(wèi)星對(duì)地觀測領(lǐng)域,使美國的對(duì)地觀測微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展迅速,在微納衛(wèi)星的發(fā)展中處于領(lǐng)先地位。典型的對(duì)地觀測微納衛(wèi)星系統(tǒng)有以下幾個(gè)。
1.1.1 天空衛(wèi)星星座
2009年,4位來自斯坦福大學(xué)的畢業(yè)生創(chuàng)建了天空盒子(Skybox)公司,其目的就是通過設(shè)計(jì)和建造天空衛(wèi)星(SkySat)微納衛(wèi)星星座和采用云服務(wù),為全球用戶提供高可靠和高頻次重訪的高分辨率地球觀測圖像。經(jīng)過多年發(fā)展,目前已建成由15顆衛(wèi)星組成的SkySat衛(wèi)星星座,該星座具有亞米級(jí)高分辨率成像和高清視頻能力[1]。衛(wèi)星上裝載焦距3.6 m的卡塞格林式相機(jī),采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件??梢垣@取藍(lán)、綠、紅、近紅外及全色譜段的圖像。
2013年11月,SkySat-1衛(wèi)星成功發(fā)射,首次實(shí)現(xiàn)微衛(wèi)星級(jí)高分辨率成像能力。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命4年,質(zhì)量83 kg,分辨率為0.9 m(全色)和2 m(多光譜),如圖1所示。
圖1 4顆SkySat衛(wèi)星飛行示意圖Fig.1 An illustration of four SkySat satellites
SkySat-2衛(wèi)星于2014年7月成功發(fā)射,進(jìn)入高度為620 km的太陽同步軌道。該星與SkySat-1設(shè)計(jì)方案一致。
2016—2019年,是第二代SkySat星座的建設(shè)期,共發(fā)射了13顆衛(wèi)星(SkySat-3)。此星座能夠1天內(nèi)多次重訪特定地點(diǎn),信息獲取能力大大增強(qiáng)。相對(duì)于第一代SkySat衛(wèi)星,第二代SkySat衛(wèi)星的探測器的像元尺寸更小,衛(wèi)星機(jī)動(dòng)能力更增強(qiáng),衛(wèi)星具有推進(jìn)能力可完成軌道維持;衛(wèi)星質(zhì)量增加了30 kg,衛(wèi)星本體高度增加了0.15 m;衛(wèi)星的壽命從4年提高到6年;全色分辨率從0.9 m提高到0.72 m。
值得一提的是,Skybox公司先是被美國谷歌公司收購,并更名特拉貝拉公司,后又轉(zhuǎn)讓給美國行星公司。
1.1.2 鴿群星座
美國行星公司負(fù)責(zé)研制和運(yùn)營鴿群(Flock)對(duì)地觀測星座,由150顆立方體衛(wèi)星構(gòu)成(圖2),其目標(biāo)是每天可觀測地球一遍,獲取連續(xù)的對(duì)地觀測圖像,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地球變化情況的可觀測、可獲得、可使用的目的。包括Flock-1、Flock-1b、Flock-1c等多個(gè)星座,F(xiàn)lock衛(wèi)星上裝載紅綠藍(lán)譜段的光學(xué)相機(jī)[2]。就對(duì)地觀測而言,該星座是全球最大的。
運(yùn)行在中角度傾斜軌道上的28顆Flock-1衛(wèi)星和28顆Flock-1b衛(wèi)星分別于2014年的1月、6月發(fā)射,運(yùn)行在太陽同步軌道上的11顆Flock-1c衛(wèi)星于同年7月發(fā)射。這些衛(wèi)星均是3U立方體衛(wèi)星。其中,F(xiàn)lock-1衛(wèi)星在400 km的軌道高度上可獲取地面分辨率3~5 m的圖像。
2015—2017年,分7批次共發(fā)射了214顆Flock衛(wèi)星。這些衛(wèi)星也是3U立方體衛(wèi)星,衛(wèi)星質(zhì)量5 kg,壽命2~3年,成像分辨率3~5 m。星座具備每天對(duì)全球覆蓋1遍的能力。2018—2019年,分6批次共發(fā)射了68顆Flock衛(wèi)星[3]。2014年—2019年,累計(jì)共成功發(fā)射了349顆Flock衛(wèi)星。
1.1.3 卡佩拉星座
美國卡佩拉空間公司提出發(fā)展由36顆微納型合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星組成的對(duì)地觀測衛(wèi)星星座——卡佩拉(Capella)星座,星座分布在12個(gè)軌道面,每個(gè)軌道面有3顆衛(wèi)星。星座建成后可實(shí)現(xiàn)1 h的重復(fù)觀測周期。首顆衛(wèi)星 “德納里峰”(Denali)為技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星,于2018年12月發(fā)射,質(zhì)量48 kg,有效載荷為X頻段SAR載荷,分辨率優(yōu)于1 m。
考慮到用戶的要求,Capella星座工作星有較大改進(jìn)。卡佩拉公司于2020年1月發(fā)布了Capella星座工作星的有關(guān)情況,其分辨率優(yōu)于0.5 m,衛(wèi)星質(zhì)量是技術(shù)驗(yàn)證星的2倍達(dá)到100 kg,天線采用可展開環(huán)形天線,口徑3.5 m(技術(shù)驗(yàn)證星的天線為矩形天線),太陽電池陣的面積將增加兩倍,另外,安裝了第2個(gè)星跟蹤器,采用更大作用力的飛輪。工作星取名“紅杉”(Sequoia),如圖3所示,計(jì)劃在2020年分3批次共發(fā)射7顆[4]??ㄅ謇镜挠脩舭绹哲姟覀刹炀值?。
圖3 Sequoia衛(wèi)星Fig.3 Sequoia satellite
1.1.4 狐猴-2星座
斯派爾公司(Spire)成立于2012年,其宗旨是用數(shù)據(jù)改變世界,Spire是一家“空間到云”的數(shù)據(jù)服務(wù)商和衛(wèi)星運(yùn)營商,可提供天氣和海運(yùn)等服務(wù)。Spire運(yùn)營著一個(gè)由一百多顆衛(wèi)星組成的狐猴-2(Lemur-2)納衛(wèi)星星座[5]。Spire在全球建起了30個(gè)地面站,用于管理衛(wèi)星。Spire的快速反映能力強(qiáng),一個(gè)新衛(wèi)星從設(shè)計(jì)到發(fā)射只需6個(gè)月,其中總裝時(shí)間僅需10天。Lemur-2衛(wèi)星是3U納衛(wèi)星,衛(wèi)星質(zhì)量4 kg[6],如圖4所示。
圖4 LEMUR-2衛(wèi)星Fig.4 Lemur-2 satellite
第1代Lemur-2星上有2個(gè)有效載荷:船舶跟蹤監(jiān)測設(shè)備(AIS-receiver)和GPS 無線電掩星探測儀(GPS radio occultation payload)。第二代Lemur-2星(從第78顆衛(wèi)星以后),新增第3個(gè)有效載荷,即廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視儀(ADS-B),用于跟蹤飛機(jī)。2015—2019 年,Lemur-2衛(wèi)星已成功發(fā)射111顆,目前在軌有87顆衛(wèi)星。
1.1.5 黑天全球星座
黑天全球(BlackSky Global)公司于2013年成立,提出發(fā)展1 m分辨率的微納衛(wèi)星對(duì)地觀測衛(wèi)星星座,星座的規(guī)模為60顆衛(wèi)星[7],每3年全部更換一次。衛(wèi)星的總制造商為空間飛行服務(wù)公司,其中的成像系統(tǒng)則由哈里斯公司負(fù)責(zé)制造。衛(wèi)星可以在500 km的軌道高度上,獲取0.9~1.1 m分辨率的圖像。目前發(fā)射了5顆,如圖5所示。
圖5 黑天全球衛(wèi)星Fig.5 BlackSky Global satellite
2016年9月,星座的技術(shù)驗(yàn)證星——探路者-1衛(wèi)星成功發(fā)射。衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命3年,質(zhì)量44 kg。衛(wèi)星采用偵察兵衛(wèi)星平臺(tái),有效載荷為哈里斯公司的空間視野-24(SpaceView-24)相機(jī)。
2018年11月和12月,2019年6月和8月,分4次發(fā)射,共4顆BlackSky Global衛(wèi)星成功入軌,由此建成了BlackSky Global一期星座。衛(wèi)星壽命3年,質(zhì)量54 kg。衛(wèi)星仍采用偵察兵衛(wèi)星平臺(tái),有效載荷仍為哈里斯公司的SpaceView-24相機(jī)。
1.1.6 陸地制圖星座
陸地制圖(Landmapper)星座是由美國數(shù)字宇航公司(Astro Digtal)研制的微納衛(wèi)星星座,以前該星座稱為烏鴉(Corvus)星座。Landmapper星座規(guī)模為30顆衛(wèi)星,其中10顆Landmapper-BC為6U立方體衛(wèi)星,質(zhì)量10 kg,分辨率22 m(軌道的近地點(diǎn)586 km,遠(yuǎn)地點(diǎn)600 km),譜段為紅、綠和近紅外,如圖6所示;20顆Landmapper-HD衛(wèi)星可以獲取2.5 m分辨率5波段的多光譜地球圖像,衛(wèi)星質(zhì)量20 kg,是非標(biāo)準(zhǔn)的16U衛(wèi)星[8]。Landmapper星座主要是用于農(nóng)作物生長情況的調(diào)查。2017年7月和11月分別發(fā)射了2顆和1顆Landmapper-BC衛(wèi)星。2018年1月和12月,分別發(fā)射了1顆Landmapper-BC衛(wèi)星[9-10]。
圖6 Landmapper-BC衛(wèi)星Fig.6 Landmapper-BC satellite
清晰成像(Vivid-i)星座由英國地球成像(Earth-i)公司出資,薩瑞技術(shù)有限公司(SSTL)負(fù)責(zé)研制的商業(yè)遙感視頻衛(wèi)星星座,星座由15顆衛(wèi)星組成。
Vivid-i星座可以獲得0.6 m地面分辨率的靜止圖像或1 m分辨率的運(yùn)動(dòng)圖像,衛(wèi)星的軌道高度500 km,單顆星每次觀測可獲取5.2 km×5.2 km范圍的圖像。衛(wèi)星姿態(tài)可靈活調(diào)整,能夠?qū)Ω信d趣區(qū)域進(jìn)行每天多次重訪[11]。衛(wèi)星拍攝的圖像,可在拍攝之后的幾分鐘內(nèi)完成分析,大大減少了響應(yīng)時(shí)間。
2018年1月,該星座的驗(yàn)證星——Vivid X2衛(wèi)星成功發(fā)射,衛(wèi)星質(zhì)量約100 kg,體積約1 m3,設(shè)計(jì)壽命5年,側(cè)擺角±45°。
圖7 VividX2 衛(wèi)星Fig.7 VividX2 satellite
灰鶴(GRUS)星座是由日本阿克賽爾空間(Axelspace)公司開發(fā)的對(duì)地觀測微納衛(wèi)星星座,星座由5顆80 kg的微納衛(wèi)星組成,星上載荷為高分辨率光學(xué)相機(jī),可獲取2.5 m分辨率觀測幅寬50 km的全色圖像和5 m分辨率多光譜圖像。星座建成以后,每天可以更新全球的觀測信息,可用于農(nóng)業(yè)、森林、漁業(yè)、制圖、地理信息系統(tǒng)(GIS)和災(zāi)害監(jiān)測。單星質(zhì)量80 kg,采用的軌道為太陽同步圓軌道,高度600 km,如圖8所示。2018年12月,第1顆GRUS星座的衛(wèi)星發(fā)射入軌。
圖8 GRUS衛(wèi)星Fig.8 GRUS satellite
印度納魯爾伊斯拉姆大學(xué)(Noorul Islam University)研制了NIUSAT納衛(wèi)星,該衛(wèi)星是光學(xué)對(duì)地成像微納衛(wèi)星,質(zhì)量為15 kg,有效載荷為微型寬視場傳感器,成像幅寬為50 km×50 km,地面分辨率為25 m。星上有4個(gè)可展開的固定式太陽翼,軌道為517 km/496 km的太陽同步軌道,軌道傾角97.5°,如圖9所示。衛(wèi)星可用于農(nóng)業(yè)和災(zāi)害監(jiān)測與管理等。2017年6月,NIUSAT衛(wèi)星成功發(fā)射。
圖9 NIUSAT衛(wèi)星Fig.9 NIUSAT SATELLITE
圖10 uSat 衛(wèi)星Fig.10 uSat satellite
芬蘭冰眼(ICEYE)公司開發(fā)了由微型合成孔
徑雷達(dá)衛(wèi)星組成的星座——ICEYE星座,星座由18顆微型SAR衛(wèi)星組成,衛(wèi)星采用超輕型天線。其目的是為最終用戶提供高頻次鐵礦石數(shù)據(jù)分析,從而使期貨公司和航運(yùn)機(jī)構(gòu)從中獲益[13]。
2018年1月和12月,先后成功發(fā)射了ICEYE-X1衛(wèi)星和ICEYE-X2衛(wèi)星。其中ICEYE-X1為飛行驗(yàn)證星,衛(wèi)星質(zhì)量為70 kg,分辨率為10 m;ICEYE-X2為改進(jìn)型衛(wèi)星,質(zhì)量80 kg,SAR的分辨率提高到3 m,軌道為高度500 km的太陽同步軌道,如圖11所示。兩顆星的有效載荷均為X頻段合成孔徑雷達(dá)。冰眼公司下一步可將衛(wèi)星質(zhì)量降低30 kg,而分辨率進(jìn)一步提高到2 m[13]。2019年7月,2顆ICEYE衛(wèi)星發(fā)射入軌。目前在軌數(shù)量為5顆。
圖11 ICEYE-X2衛(wèi)星Fig.11 ICEYE-X2 satellite
本文論述了11個(gè)微納衛(wèi)星對(duì)地觀測衛(wèi)星系統(tǒng),分屬6個(gè)國家。這些系統(tǒng)具有技術(shù)水平高、代表性強(qiáng)的特點(diǎn)。體現(xiàn)在衛(wèi)星的分辨率高,功能密度大;另外這些對(duì)地觀測系統(tǒng)均已進(jìn)入工程實(shí)施階段,而不是停留在規(guī)劃論證階段。這些對(duì)地觀測系統(tǒng)既有被動(dòng)觀測方式(光學(xué)遙感),又有主動(dòng)觀測方式(SAR);分辨率以高分辨率為主,兼顧中分辨率。從研制公司來講,既有在微納衛(wèi)星對(duì)地觀測領(lǐng)域經(jīng)營十多年的老牌勁旅,如美國行星公司,又有多家剛加入進(jìn)來的初創(chuàng)公司,如美國卡佩拉空間、英國地球成像、芬蘭冰眼等公司,這些初創(chuàng)公司的加盟,加快了微納衛(wèi)星對(duì)地觀測系統(tǒng)的發(fā)展。
以上所述微納衛(wèi)星對(duì)地觀測系統(tǒng)的規(guī)劃衛(wèi)星數(shù)量、已發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量以及目前在軌的衛(wèi)星數(shù)量,及其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
表1 國外典型的對(duì)地觀測微納衛(wèi)星情況Table 1 Typical foreign country’s micro-nano satellites in earth observation
通過比較、分析及歸納,總結(jié)國外微納衛(wèi)星對(duì)地觀測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)如下。
1)光學(xué)和SAR分辨率均已實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)
隨著微、納技術(shù)的發(fā)展,微納衛(wèi)星的性能尤其是功能密度、敏捷機(jī)動(dòng)能力、自主生存能力和衛(wèi)星壽命均得到了大幅提升,光學(xué)和SAR分辨率均已實(shí)現(xiàn)亞米級(jí)。如,Vivid-i衛(wèi)星質(zhì)量100 kg,可以在500 km的軌道高度獲取可見光0.6 m分辨率的圖像;Capella星座的技術(shù)驗(yàn)證星,質(zhì)量為48 kg,可以獲取優(yōu)于1 m分辨率的SAR圖像。
2)中分辨率與高分辨率協(xié)調(diào)發(fā)展
中分辨率與高分辨率協(xié)調(diào)發(fā)展,兩種分辨率的觀測系統(tǒng)配合使用,效率高、效果好。如,行星公司同時(shí)運(yùn)營高分辨率的SkySat星座(全色圖像分辨率0.72 m,多光譜為1 m),和中分辨率的Flock星座(分辨率3~5 m);數(shù)字宇航公司建設(shè)中的Landmapper星座,由10顆中分辨率Landmapper-BC衛(wèi)星(分辨率22 m),和較高分辨率的20顆Landmapper-HD衛(wèi)星(分辨率2.5 m)組成。
3)主動(dòng)、被動(dòng)兩種觀測方式全面發(fā)展
微納衛(wèi)星的被動(dòng)觀測方式,即光學(xué)觀測手段發(fā)展多年,技術(shù)上已比較成熟;主動(dòng)觀測方式,即合成孔徑雷達(dá)觀測手段,在2018年后發(fā)展迅速,芬蘭冰眼公司和美國卡佩拉空間公司成功發(fā)射了各自的微納合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星,2020年這兩家公司的ICEYE星座、Capella星座(一期)將完成建設(shè),微納合成孔徑雷達(dá)觀測將得到快速發(fā)展。
4)組網(wǎng)形成星座,運(yùn)行穩(wěn)定
為滿足用戶的要求,微納衛(wèi)星對(duì)地觀測系統(tǒng)均以組網(wǎng)的形式工作,組網(wǎng)的微納衛(wèi)星數(shù)量從幾顆、幾十顆,直到數(shù)百顆,能夠高頻次地獲取用戶感興趣地區(qū)的信息。如:Flock衛(wèi)星星座由100多顆納衛(wèi)星組成,其星座的規(guī)模足夠大,無需再對(duì)星上相機(jī)下達(dá)特定區(qū)域的成像指令,即可滿足用戶需求。星座穩(wěn)定運(yùn)行能力強(qiáng),有的采取在軌備份的方式,如Flock衛(wèi)星星座有數(shù)十顆衛(wèi)星在軌備份,以實(shí)現(xiàn)快速代替失效衛(wèi)星。有的通過優(yōu)化流程,將補(bǔ)網(wǎng)衛(wèi)星整個(gè)研制周期控制在半年內(nèi),以達(dá)到快速補(bǔ)網(wǎng)的目的,如Spire衛(wèi)星。通過這些措施,增強(qiáng)了對(duì)地觀測微納衛(wèi)星星座的彈性和重構(gòu)能力,確保微納衛(wèi)星對(duì)地觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
5)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)追求綜合性能最優(yōu)
微納衛(wèi)星在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),不是片面追求質(zhì)量最輕體積最小,而是追求綜合性能最優(yōu),尤其是與用戶體驗(yàn)有關(guān)的性能指標(biāo)(如分辨率)要達(dá)到最好。如SaySat衛(wèi)星星座第2代衛(wèi)星比第1代的衛(wèi)星質(zhì)量增加了30 kg,衛(wèi)星本體高度增加了0.15 m,而分辨率指標(biāo)則從第1代的0.9 m,提高到0.72 m;Capella星座的工作星相比技術(shù)驗(yàn)證星質(zhì)量增加了1倍(從48 kg,增加到100 kg),太陽翼的面積增加了1倍,而分辨率指標(biāo)則從1 m提高到了0.5 m。
6)軍民融合發(fā)展,以擴(kuò)大用戶的范圍
國外的微納衛(wèi)星對(duì)地觀測系統(tǒng)的發(fā)展走軍民融合發(fā)展之路,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)兼顧民用、軍用兩方面的需求,以使系統(tǒng)的潛在用戶更多。如Capella星座在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),在考慮民用需求后,征求美國空軍、美國國家偵察局的意見,之后對(duì)星座進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),從而獲得了美國軍方的經(jīng)費(fèi)支持。
7)進(jìn)入門檻低,競爭激烈
微納衛(wèi)星主要采用商業(yè)器件,成本低易獲??;規(guī)模小對(duì)總裝、總測等配套條件要求低;采用搭載發(fā)射,發(fā)射成本低。從而降低了衛(wèi)星研制門檻,一些高校、小規(guī)模的商業(yè)公司都可以研制微納衛(wèi)星,這使得用戶的選擇機(jī)會(huì)更多,對(duì)地觀測衛(wèi)星星座之間的競爭變得更加激烈。
由于多個(gè)國家的商業(yè)資本投入到了微納衛(wèi)星對(duì)地觀測領(lǐng)域,加快了微納衛(wèi)星對(duì)地觀測技術(shù)的快速發(fā)展。微納衛(wèi)星對(duì)地觀測的應(yīng)用已從成像領(lǐng)域擴(kuò)展到了環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。未來微納衛(wèi)星對(duì)地觀測系統(tǒng)與智能設(shè)備的深度結(jié)合,將使微納衛(wèi)星對(duì)地觀測的應(yīng)用更加方便和高效。