小衛(wèi)星高分辨率成像系統(tǒng)

林來(lái)興

(北京控制工程研究所,北京 100190)

0 引言

近年來(lái),國(guó)際上出現(xiàn)了小衛(wèi)星研究熱點(diǎn)。其發(fā)展可分為三個(gè)階段：一是探索研究階段(約從20世紀(jì)80年代末期～90年代末期),小衛(wèi)星開(kāi)始用于任務(wù)單一、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行壽命短的科學(xué)試驗(yàn)研究、技術(shù)演示、教育等任務(wù),探索應(yīng)用高新技術(shù),特別在小衛(wèi)星中采用微電子技術(shù)和高速計(jì)算機(jī)方面取得成功經(jīng)驗(yàn),探討小衛(wèi)星擴(kuò)大應(yīng)用范圍。二是小衛(wèi)星發(fā)展成為衛(wèi)星的一種,并作為大衛(wèi)星的重要補(bǔ)充(約從20世紀(jì)90年代末～21世紀(jì)初),小衛(wèi)星采用高新技術(shù),真正成為技術(shù)性能好、質(zhì)量輕、經(jīng)濟(jì)成本低、體積小、研制周期短的現(xiàn)代小衛(wèi)星。三是引起衛(wèi)星應(yīng)用和衛(wèi)星技術(shù)大變革(約在21世紀(jì)初),大量引入高新技術(shù)和新設(shè)計(jì)概念與先進(jìn)科學(xué)管理方法的小衛(wèi)星可在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上取代部分大衛(wèi)星,如空間遙感中的對(duì)地觀測(cè)高分辨率成像系統(tǒng)。本文對(duì)小衛(wèi)星高分辨率成像系統(tǒng)進(jìn)行了綜述。

1 高分辨率成像系統(tǒng)

1.1 光學(xué)成像系統(tǒng)

近10年來(lái)小衛(wèi)星典型光學(xué)高分辨率成像系統(tǒng)性能見(jiàn)表1～3。表中光學(xué)高分辨率成像系統(tǒng)分為三檔：第一檔為極高分辨率,0.5～1.0 m;第二檔為高分辨率,1.8～2.5 m;第三檔為中高分辨率,4～10 m。其中,Ikonos-2,快鳥(niǎo)-2,軌道觀察-3和地平線-9小衛(wèi)星的軌道高度(與分辨率成反比,而與覆蓋寬度成正比)和CCD像元素?cái)?shù)見(jiàn)表4。由表4可知：光學(xué)高分辨率成像衛(wèi)星的發(fā)展趨勢(shì)是質(zhì)量減小,分辨率提高、費(fèi)用減少,且衛(wèi)星研制周期縮短。

表1 極高分辨率(0.5～1.0 m)小衛(wèi)星性能Tab.1 Small satellite with very high-resolution 0.5～1.0 m

表2 高分辨率(1.8～2.5 m)小衛(wèi)星性能Tab.2 Small satellite with high-resolution 1.8～2.5 m

表3 中高分辨率(4～10 m)小衛(wèi)星Tab.3 Small satellitewith mid-high resolution 4～10 m

表4 極高分辨率小衛(wèi)星光學(xué)成像系統(tǒng)比較Tab.4 Optical imaging of small satellite with high-resolution

由此可見(jiàn),現(xiàn)代小衛(wèi)星的對(duì)地觀測(cè)的高分辨率成像技術(shù)已取得重大突破。由小衛(wèi)星組成星座,可顯著增大對(duì)地觀測(cè)覆蓋區(qū)域,縮短成像重訪時(shí)間,甚至可實(shí)現(xiàn)接近實(shí)時(shí)(時(shí)間分辨率為零),利于戰(zhàn)場(chǎng),災(zāi)情、洪水、火災(zāi)等對(duì)地觀測(cè)。德國(guó)的5顆快眼微衛(wèi)星將組成星座,在太陽(yáng)同步軌道上每顆衛(wèi)星相隔19 min,星上帶有6譜段的多光譜成像儀,可實(shí)現(xiàn)全球每天重訪1次。

小衛(wèi)星星座若發(fā)生故障,則能借助星座備份衛(wèi)星迅速恢復(fù)正常工作,同時(shí)還允許在臨時(shí)更換小衛(wèi)星星座某顆衛(wèi)星時(shí)保持星座工作連續(xù)性,且整個(gè)星座費(fèi)用遠(yuǎn)低于一顆大衛(wèi)星。

1.2 合成孔徑雷達(dá)

另一種高分辨成像系統(tǒng)是SAR。以往,SAR均由大衛(wèi)星實(shí)現(xiàn),衛(wèi)星質(zhì)量數(shù)噸,近年已在小衛(wèi)星中獲成功。如以色列的地平線-8小衛(wèi)星是目前世界上中質(zhì)量最輕、成像分辨率最高、成本最低的SAR衛(wèi)星,而印度的X波段RISAT-2合成孔徑雷達(dá)小衛(wèi)星性能與其類(lèi)似(其有效載荷由以色列提供)。其他的典型實(shí)例有：德國(guó)的TerraSAR-X,TenDEM-X衛(wèi)星組成小衛(wèi)星編隊(duì)飛行,單顆SAR衛(wèi)星的地面分辨率為1 m,覆蓋寬度16 km,而進(jìn)行編隊(duì)飛行時(shí),高程精度2 m。這是第一個(gè)采用編隊(duì)飛行在地球低軌道以獲得高程觀測(cè)結(jié)果。意大利的CosmoSkymed星座由4顆SAR小衛(wèi)星組成,地面分辨率1 m,該星座計(jì)劃與法國(guó)光學(xué)成像衛(wèi)星聯(lián)合,組成軍民兩用對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng),對(duì)地中海地區(qū)實(shí)現(xiàn)時(shí)間和空間皆為高分辨率成像。另外,最早采用大衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)SAR的加拿大也積極研制小衛(wèi)星SAR,其計(jì)劃發(fā)射的C波段SAR小衛(wèi)星星座由3顆衛(wèi)星組成,初步設(shè)計(jì)衛(wèi)星質(zhì)量1 300 kg,軌道高度592 km,用于海上監(jiān)視、災(zāi)害管理和生態(tài)監(jiān)測(cè)。

1.3 兩種成像系統(tǒng)比較

光學(xué)和SAR各有特點(diǎn)。SAR成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不受日照和天氣條件限制,可全天候、全天時(shí)對(duì)地預(yù)測(cè),并對(duì)某些地物具有一定的穿透能力,在災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)和軍事應(yīng)用等方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì);缺點(diǎn)是分辨率目前低于光學(xué)成像系統(tǒng)(SAR分辨率約1 m,光學(xué)的為其幾分之一),且SAR一般要求功耗較大,天線結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,衛(wèi)星質(zhì)量較重。光學(xué)成像系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是成像分辨率高,衛(wèi)星質(zhì)量較輕,經(jīng)濟(jì)成本低。另值得注意的是近年飛速發(fā)展的立方體星與納星以及由它們組成的星座可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋,能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高空間分辨率(3～4 m)和高時(shí)間分辨率(重訪時(shí)間30～40 min),每顆納星質(zhì)量15～20 kg,價(jià)格1百多萬(wàn)美元,整個(gè)星座由50～60顆納星組成,總成本不到1億美元,相當(dāng)一顆普通對(duì)地觀測(cè)大衛(wèi)星。

根據(jù)上述分析,如對(duì)地觀測(cè)無(wú)特殊要求,應(yīng)盡可能采用光學(xué)成像系統(tǒng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

涉及小衛(wèi)星平臺(tái)和高分辨率成像系統(tǒng)兩部分,而高分辨率成像系統(tǒng)有光學(xué)與微波兩種。光學(xué)成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)如下：

a)為擴(kuò)大視場(chǎng),提高成像質(zhì)量,光學(xué)系統(tǒng)采用三反離軸。與目前采用三反同軸相比,光學(xué)加工和裝調(diào)難度增大,特別是光學(xué)鏡頭球面加工等。

b)成像方式應(yīng)采用線陣電荷耦合器件(CCD)推掃或面陣CCD復(fù)式成像。避免采用有可動(dòng)的擺掃,提高系統(tǒng)可靠性和成像質(zhì)量。像元尺寸大小是決定成像分辨率的重要因素,尺寸越小,分辨率越高。CCD線陣的發(fā)展趨勢(shì)是減少像元尺寸和增加像元數(shù),目前像元數(shù)可達(dá)上萬(wàn)個(gè),像元尺寸為5～6μm。

c)采用時(shí)間延遲和時(shí)間延遲積分(TDI)CCD成像技術(shù),減少相機(jī)相對(duì)孔徑尺寸,降低相機(jī)質(zhì)量。

d)相機(jī)結(jié)構(gòu)采用碳化硅材料,減少溫度變化對(duì)成像影響,實(shí)現(xiàn)相機(jī)結(jié)構(gòu)輕量化(挖空),從而顯著減小相機(jī)質(zhì)量,預(yù)計(jì)從目前降低50%～60%到將來(lái)減少70%～80%。

e)高精度姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)現(xiàn),姿態(tài)穩(wěn)定度達(dá)到10-4～10-5(°)/s,同時(shí)要求相機(jī)安裝在隔離振動(dòng)的結(jié)構(gòu)上,保證任何抖動(dòng)均不影響成像分辨率。

f)成像數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)提取快速和簡(jiǎn)便。

小衛(wèi)星SAR高分辨率成像的關(guān)鍵技術(shù)如下：

a)采用先進(jìn)SAR天線結(jié)構(gòu)和輕型材料。一般雷達(dá)成像為實(shí)現(xiàn)高分辨率須采用大天線,而SAR是在運(yùn)行中發(fā)射一系列脈沖,并記錄回波的振幅和相位,且這些回波信號(hào)可組合,其結(jié)果相當(dāng)于這些信號(hào)同時(shí)從同一大天線發(fā)射出。為此SAR可用小天線獲得高分辨率成像,采用先進(jìn)SAR天線結(jié)構(gòu)和輕型材料,使SAR質(zhì)量進(jìn)一步降低。目前,天線結(jié)構(gòu)和輕型材料還需進(jìn)一步改善。

b)研制低功耗發(fā)射機(jī)和接收設(shè)備,提高功率放大器尤其是固態(tài)放大器的效率。

c)快速數(shù)據(jù)處理,SAR處理有大量傅里葉變換,需實(shí)現(xiàn)快速處理,最理想的是能接近實(shí)時(shí)。

另外,小衛(wèi)星高分辨率成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)還涉及小衛(wèi)星的平臺(tái),其中的要點(diǎn)是提高小衛(wèi)星功能密集度。功能密集度表示單位質(zhì)量小衛(wèi)星提供的功能,功能密集度高,則小衛(wèi)星質(zhì)量輕,且提供功能水平高。小衛(wèi)星功能密集度具體包括小衛(wèi)星的自身技術(shù)以及有效載荷與小衛(wèi)星質(zhì)量比兩部分。小衛(wèi)星本身技術(shù)功能密集度可由組成小衛(wèi)星各分系統(tǒng)和部件的密集度表征,如星上電源分系統(tǒng)功能密集度表現(xiàn)為單位質(zhì)量提供的功率和安時(shí)數(shù);控制分系統(tǒng)表現(xiàn)為單位質(zhì)量提供的控制精度;推進(jìn)分系統(tǒng)表現(xiàn)為單位質(zhì)量提供的速度增量(Δv),星上計(jì)算機(jī)(包含電子元器件)表現(xiàn)為單位質(zhì)量提供的單位時(shí)間操作指令數(shù)等。目前,小衛(wèi)星的功能密集度一般為35%～50%,若能逐步提高到60%～70%以上,則一顆質(zhì)量100～200 kg的小衛(wèi)星就可承擔(dān)多種空間飛行任務(wù)。高功能密集度的小衛(wèi)星會(huì)對(duì)高分辨率成像系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。

3 未來(lái)小衛(wèi)星高分辨率成像系統(tǒng)

3.1 小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

小衛(wèi)星的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)有：更換小衛(wèi)星信息結(jié)構(gòu),保持與快速發(fā)展的信息及計(jì)算機(jī)技術(shù)同步,甚至在某些方面超前應(yīng)用;采用分布式系統(tǒng),特別是繼續(xù)發(fā)展有創(chuàng)新應(yīng)用的小衛(wèi)星編隊(duì)飛行,采用相互密切、協(xié)同工作的多顆小衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)稀疏合成孔經(jīng)(數(shù)十米到數(shù)公里);能源和信息傳輸由空間無(wú)線傳輸獲得;采用功耗與質(zhì)量需要符合小衛(wèi)星要求的電磁力和電推進(jìn)替代化學(xué)推進(jìn);采用先進(jìn)納米技術(shù)、微米機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS);采用GPS或類(lèi)似導(dǎo)航星座(GLONASS,Galileo和北斗星座等)為星上提供時(shí)標(biāo)、位置、速度與姿態(tài)測(cè)量信息;運(yùn)用微星、納星和皮星的空間飛行演示驗(yàn)證,促進(jìn)小衛(wèi)星分類(lèi)中微星、納星、皮星等各種小衛(wèi)星的逐級(jí)提升替換;提高小衛(wèi)星功能密集度,包括提高有效載荷占整星比重和小衛(wèi)星分系統(tǒng)與部件的功能密集度;設(shè)計(jì)和研制低成本、高可靠性、批生產(chǎn)的公共部件、系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)化模塊,未來(lái)小衛(wèi)星也將實(shí)現(xiàn)未來(lái)、快速、靈活、分離模塊化、自由飛行、信息交換(F6)的功能模塊和設(shè)計(jì);采用先進(jìn)、輕質(zhì)量、高強(qiáng)度,對(duì)空間環(huán)境參數(shù)變化承受力強(qiáng)的材料,減小成像系統(tǒng)質(zhì)量,提高成像質(zhì)量。

3.2 高分辨率成像系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率有望達(dá)到數(shù)十到10厘米。用質(zhì)量200～300 kg、可實(shí)現(xiàn)分辨率0.5～1.0 m,一般微型衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)分辨率1至數(shù)米。在地球近地軌道,采用星座形式,可使重訪時(shí)間縮短至1 h內(nèi),甚至接近實(shí)時(shí)。在深空軌道采用編隊(duì)飛行,可完成人類(lèi)至今尚未探測(cè)的黑洞、發(fā)現(xiàn)類(lèi)行星等項(xiàng)目。

未來(lái)小衛(wèi)星SAR分辨率有望優(yōu)于1 m,若采用編隊(duì)飛行,則高程分辨率為1 m,還可探測(cè)地面移動(dòng)目標(biāo)速度3～4 m/s。一般采用星座型式,SAR全天候探測(cè),重訪時(shí)間數(shù)小時(shí),衛(wèi)星質(zhì)量200～300 kg。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代小衛(wèi)星的對(duì)地觀測(cè)高分辨率成像系統(tǒng)已經(jīng)獲得了快速發(fā)展,類(lèi)似的進(jìn)展可能會(huì)出現(xiàn)在通信導(dǎo)航和深空探測(cè)等其他領(lǐng)域?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是,這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)空間技術(shù)和應(yīng)用出現(xiàn)重大變革。