微納衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀及在光學(xué)成像偵察中的應(yīng)用

石　榮，李　瀟，鄧　科(電子信息控制重點實驗室，四川成都610036)

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微納衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀及在光學(xué)成像偵察中的應(yīng)用

石榮，李瀟，鄧科
(電子信息控制重點實驗室，四川成都610036)

摘要:對當前微納衛(wèi)星在空間環(huán)境感知、新技術(shù)空間演示驗證、空間科學(xué)試驗、通信與數(shù)據(jù)傳輸、對地或?qū)臻g目標進行光學(xué)成像觀測等方面的主要應(yīng)用形態(tài)進行了歸納總結(jié)，分析了采用微納衛(wèi)星實施光學(xué)成像偵察的優(yōu)勢，給出了應(yīng)用實例，并提出在航天偵察應(yīng)用中大力發(fā)展光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星的相關(guān)建議。從而為后續(xù)微納衛(wèi)星在航天光電偵察中的廣泛應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞:微納衛(wèi)星;光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星;應(yīng)用形態(tài);光學(xué)成像觀測;航天偵察

0　引言

國際上對衛(wèi)星大小的劃分一般是以整星質(zhì)量為標準，總體分為3類: 2 000 kg以上的為大型衛(wèi)星; 1 000 ～2 000 kg的為中型衛(wèi)星; 1 000 kg以下的為小型衛(wèi)星。其中小型衛(wèi)星再按質(zhì)量又細分為: 500～1 000 kg的為小衛(wèi)星; 100～500 kg的為超小衛(wèi)星; 10～100 kg的為微衛(wèi)星; 1～10 kg的為納衛(wèi)星;以及1 kg以下的為皮衛(wèi)星。而微納衛(wèi)星一般是微衛(wèi)星與納衛(wèi)星的統(tǒng)稱，即通常把整星質(zhì)量在1～100 kg范圍的衛(wèi)星稱為微納衛(wèi)星。隨著技術(shù)的發(fā)展，原來需要幾噸甚至十幾噸重的衛(wèi)星來完成的任務(wù)，現(xiàn)在可以通過幾顆、十幾顆或幾十顆微納衛(wèi)星來共同實現(xiàn)，這已經(jīng)成為未來航天應(yīng)用的重要發(fā)展趨勢之一。

相對于大型衛(wèi)星來說，微納衛(wèi)星也存在不足，所以在此對微納衛(wèi)星與大型衛(wèi)星之間做了一個全面的對比，以便合理應(yīng)用、揚長避短。對于航天偵察應(yīng)用來說，采用微納衛(wèi)星實施光學(xué)成像偵察具有一定的優(yōu)勢，美國陸軍開始研制并應(yīng)用“鷹眼”微納光學(xué)成像偵察衛(wèi)星等事件也印證了這一點。所以在未來一段時間內(nèi)光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星將成為航天光電偵察領(lǐng)域中的重點之一。

1　微納衛(wèi)星與大型衛(wèi)星的優(yōu)劣對比

相對于大型衛(wèi)星來說，微納衛(wèi)星的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾個方面:

1)研制周期短，發(fā)射簡潔快速，且發(fā)射成本低，能夠滿足局部戰(zhàn)爭和突發(fā)事件中戰(zhàn)術(shù)性應(yīng)用的快速響應(yīng)要求，同時也滿足新技術(shù)快速驗證的需求。

2)系統(tǒng)應(yīng)用靈活，整體可靠性高。將一顆大衛(wèi)星的任務(wù)分散由眾多微納衛(wèi)星來一起完成，任務(wù)可靈活裁減與組合。大衛(wèi)星上任何一個部件失效將造成整星報廢，但眾多微納衛(wèi)星中任何一顆失效，僅造成整體性能下降，而且還可以通過地面快速補充發(fā)射來替代失效的微納衛(wèi)星。

3)通過數(shù)量優(yōu)勢來實現(xiàn)星座組網(wǎng)運行，可達到整個衛(wèi)星系統(tǒng)對地重訪周期的大幅度縮短。

4)在保證任務(wù)功能的前提下，可以大量使用商業(yè)貨架產(chǎn)品與器件，從而大大降低了微納衛(wèi)星的研制成本。

相對于大型衛(wèi)星來說，微納衛(wèi)星的劣勢主要體現(xiàn)在如下幾個方面:

1)單顆微納衛(wèi)星的供電能力非常有限。對于納衛(wèi)星，整星供電一般在幾瓦至三四十瓦范圍;對于微衛(wèi)星，整星供電一般在幾十瓦至一百多瓦。這就要求衛(wèi)星有效載荷必須在極低功耗條件下運行，凡是涉及到需要高能耗的航天應(yīng)用，采用微納衛(wèi)星平臺幾乎都不太現(xiàn)實。

2)單顆微納衛(wèi)星的體積很小，無法安裝較大的接收天線與發(fā)射天線，這就造成衛(wèi)星平臺的遙測遙控與通信數(shù)傳能力非常受限，通常情況下數(shù)據(jù)傳輸速率不高。特別是對于對地發(fā)射來說，發(fā)射天線小且增益低，再加上有限的供電使得發(fā)射機的輸出功率小，造成整星的有效全向輻射功率EIRP很小，所以其信息傳輸能力通常不高。

3)單顆微納衛(wèi)星的運算處理能力比較受限，這主要是受整星功耗的限制，一般不可能采用多顆高性能處理芯片進行并行運算，所以通常不具備高性能的星上處理能力，信息存儲能力也同樣受限。

4)單顆微納衛(wèi)星的功能非常單一，所執(zhí)行的任務(wù)也比較簡單，不可能像大型衛(wèi)星那樣具有多功能綜合一體化能力，通常不能執(zhí)行復(fù)雜型任務(wù)。

5)在單星可靠性方面，微納衛(wèi)星也遠低于大型衛(wèi)星，這主要是由其設(shè)計理念和大量采用商業(yè)貨架產(chǎn)品與器件所帶來的影響，所以微納衛(wèi)星的使用壽命也比較短，不可能長時在軌運行。

上面主要是從有效載荷的角度來展開對比，除此之外，從衛(wèi)星平臺方面考慮，微納衛(wèi)星相對于大型衛(wèi)星來說，衛(wèi)星姿態(tài)的控制誤差大，軌道保持與在軌機動能力弱，整星的電磁兼容與熱控調(diào)節(jié)能力差。由此可見，在當前微納衛(wèi)星成為航天應(yīng)用的一個熱點之際，我們既要看到微納衛(wèi)星所具有的優(yōu)點，同時也要全面地認識到微納衛(wèi)星所存在的不足。只有在全面理解的基礎(chǔ)上，才能更好地發(fā)揮出微納衛(wèi)星在航天應(yīng)用中的優(yōu)勢，合理取舍，揚長避短。

2　當前微納衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用形態(tài)

通過對國內(nèi)外在微納衛(wèi)星應(yīng)用方面的文獻報道的歸納總結(jié)可知［1－8］，到目前為止，全世界所研制的各種微納衛(wèi)星的應(yīng)用形態(tài)主要集中在如下幾方面: 1)空間環(huán)境感知; 2)新技術(shù)空間演示驗證與空間科學(xué)試驗; 3)通信與數(shù)據(jù)傳輸; 4)對地或?qū)臻g目標進行光學(xué)成像觀測等，詳細情況如下。

2．1空間環(huán)境感知

微納衛(wèi)星在空間環(huán)境感知中的典型應(yīng)用情況如表1所示。

表1　微納衛(wèi)星在空間環(huán)境感知中的典型應(yīng)用情況列表

2．2新技術(shù)空間演示驗證與空間科學(xué)試驗

微納衛(wèi)星在新技術(shù)空間演示驗證與空間科學(xué)試驗中的典型應(yīng)用情況如表2所示。

2．3通信與數(shù)據(jù)傳輸

微納衛(wèi)星在通信與數(shù)據(jù)傳輸中的典型應(yīng)用情況如表3所示。

表2　微納衛(wèi)星在新技術(shù)空間演示驗證與空間科學(xué)試驗中的典型應(yīng)用情況列表

表3　微納衛(wèi)星在通信與數(shù)據(jù)傳輸中的典型應(yīng)用情況列表

2．4對地或?qū)臻g目標進行光學(xué)成像觀測

微納衛(wèi)星在對地或?qū)臻g目標進行光學(xué)成像觀測中的典型應(yīng)用情況如表4所示。

3　采用微納衛(wèi)星實施光學(xué)成像偵察及其應(yīng)用實例

3．1采用微納衛(wèi)星實施光學(xué)成像偵察的優(yōu)勢

通過歸納總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)采用微納衛(wèi)星對地或?qū)臻g目標進行光學(xué)成像觀測的應(yīng)用較多。采用微納衛(wèi)星實施光學(xué)成像偵察的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:

1)光學(xué)成像傳感器自身具有體積小、質(zhì)量輕的特點，而這一特點正好與微納衛(wèi)星平臺條件相匹配。特別是隨著近年來光學(xué)集成和COMS成像器件研制技術(shù)的進步，成像傳感器的微型化幾乎發(fā)展到了極至。

2)光學(xué)成像傳感器的功耗也非常低，通常只有瓦量級。這一供電需求對于微納衛(wèi)星平臺來說，極易得到滿足。另一方面，由于微納衛(wèi)星的星地通信能力受限，不可能傳輸大容量的連續(xù)視頻流，所以對于微納衛(wèi)星上星載相機的拍攝速度要求也不高，否則會造成數(shù)據(jù)積壓無法下傳。

3)由于微納衛(wèi)星運行軌道低，從低軌道對地面實施觀測，達到米量級的分辨精度，對光學(xué)組件的技術(shù)要求不高，技術(shù)實現(xiàn)也相對容易，同時還可以大量采用商業(yè)貨架部件，大大節(jié)約研制成本。

4)因為人眼和大腦的配合就已經(jīng)具備了一定的光學(xué)圖象處理、識別和判讀能力，所以對于光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星拍攝的圖片，可以直接傳輸給用戶進行初步使用，這就避免了星上對數(shù)據(jù)的復(fù)雜加工與二次處理過程，而星上數(shù)據(jù)處理恰好是微納衛(wèi)星的弱項，而且這樣的直接透傳也在一定程度上確保了偵察信息的實效性。

5)光學(xué)圖像信息的容錯能力相對較強，在衛(wèi)星上即使由于單離子效應(yīng)造成幾個像素的比特信息發(fā)生錯誤，但這幾個像素相對整幅具有幾百萬個像素的圖像來說，對于圖像目標的識別和信息利用也幾乎沒有太大的影響。

6)光學(xué)圖像的預(yù)處理與圖像壓縮傳輸技術(shù)都非常成熟，很多技術(shù)都完全做成了商業(yè)化的專用芯片，在微納衛(wèi)星上直接利用這些商業(yè)貨架芯片來構(gòu)建整個圖像預(yù)處理和壓縮傳輸子系統(tǒng)是非常方便的，而且也可以有效地控制成本。另一方面由于圖像壓縮比非常大，這大大降低了對微納衛(wèi)星的星地數(shù)傳能力的要求。

由此可見，相對于其它微納衛(wèi)星應(yīng)用來說，光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星在研制與制造方面技術(shù)成熟度更高，同時這也為戰(zhàn)術(shù)性快速響應(yīng)、低成本快速發(fā)射和在軌補充提供了便利。上述這些優(yōu)勢條件，使得基于微納衛(wèi)星的光學(xué)成像偵察具有極高的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用價值，從而為其大規(guī)模常態(tài)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

表4　微納衛(wèi)星進行光學(xué)成像觀測中的典型應(yīng)用情況列表

3．2光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星的應(yīng)用實例

上文對微納衛(wèi)星對地或?qū)臻g目標進行光學(xué)成像觀測的典型應(yīng)用已經(jīng)進行了比較詳細的列表介紹，實際上除此之外，還有微納衛(wèi)星專門用于光學(xué)成像偵察的實例，這些實例也進一步印證了前面所總結(jié)的采用微納衛(wèi)星實施光學(xué)成像偵察的優(yōu)勢所在。

1)美國陸軍的第二顆微納衛(wèi)星“鷹眼”

美國陸軍“鷹眼”微納衛(wèi)星項目將進一步探索微納衛(wèi)星的軍事應(yīng)用潛力，它是美國作戰(zhàn)及時響應(yīng)型太空資產(chǎn)的一部分，是美國陸軍的第二顆微納衛(wèi)星。如圖1所示，“鷹眼”微納衛(wèi)星是美國陸軍航天導(dǎo)彈防御司令部研制的光電成像偵察衛(wèi)星，用于單兵的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用。單顆衛(wèi)星質(zhì)量為12 kg，能產(chǎn)生1．5 m分辨率的圖像;作戰(zhàn)中士兵可以直接向該微納衛(wèi)星下達指令，對感興趣的地面目標與區(qū)域進行成像，并在同一衛(wèi)星可見弧段(大約10 min以內(nèi))將相應(yīng)的圖像照片回傳給該士兵?！苞椦邸蔽⒓{衛(wèi)星計劃最多發(fā)射30顆。

“鷹眼”項目由智能技術(shù)微系統(tǒng)公司負責，它源于美國國防預(yù)先研究計劃局DARPA的一顆安裝了0．254 m望遠鏡、質(zhì)量為9 kg的衛(wèi)星項目?！苞椦邸蔽⒓{衛(wèi)星的下行鏈路每秒可以傳回兩張圖像照片，衛(wèi)星的成像分辨率為1．5 m，每顆衛(wèi)星可瞬時覆蓋64．75 km2的區(qū)域，雖然它不算是高分辨率的成像衛(wèi)星，但是通過該圖像，已經(jīng)足夠識別地面的建筑物和車輛等目標，這對于陸軍作戰(zhàn)應(yīng)用將非常有幫助。

“鷹眼”微納衛(wèi)星將直接接受前線作戰(zhàn)部隊的指揮，并直接向地面站傳送圖像。一個由30顆微納衛(wèi)星組成的星座可具備全球全天時覆蓋能力。圖像可以反饋到圖片服務(wù)器上，供多個部門使用。與其它微納衛(wèi)星一樣，其重要特點就是降低了研制成本，每顆“鷹眼”微納衛(wèi)星的成本在100萬美元左右。“鷹眼”項目獲得成功之后，它們可用于建造擁有紅外和可見光相機、雷達和其它傳感器的偵察衛(wèi)星，還可用于建造通信微納衛(wèi)星，以便按需增加通信傳輸帶寬，所以“鷹眼”微納衛(wèi)星項目將為未來微納衛(wèi)星的軍事應(yīng)用提供示范。

2)“納眼”衛(wèi)星

如圖2所示，“納眼”衛(wèi)星質(zhì)量約為20 kg。地面作戰(zhàn)人員可以控制“納眼”衛(wèi)星，在給衛(wèi)星發(fā)出指令10分鐘內(nèi)就可從便攜電腦或者無線電設(shè)備上獲得衛(wèi)星圖像?！凹{眼”衛(wèi)星可以迅速進入太空，可在幾個小時內(nèi)發(fā)射就緒。它使用0．25 m的天線。最佳運行高度是200～300 km的極地軌道?？膳臄z分辨率達到0．5～0．7 m的圖像，在軌壽命為6個月至1年?！凹{眼”衛(wèi)星主要驗證低成本的空間近實時圖像對陸地戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)人員的效用。“鷹眼”衛(wèi)星的相關(guān)作戰(zhàn)概念和優(yōu)勢同樣適用于“納眼”衛(wèi)星。

圖1　“鷹眼”微納衛(wèi)星

圖2　“納眼”衛(wèi)星樣機照片

3)“小型靈敏戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”

美軍研發(fā)的“小型靈敏戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星”質(zhì)量約為32kg，在軌壽命為36個月，衛(wèi)星成像分辨率為1．5～2m。每顆衛(wèi)星成本約為300萬美元。該衛(wèi)星能夠在三種工作模式之間轉(zhuǎn)換:以即瞄即拍模式工作時，能在單次飛過同一戰(zhàn)區(qū)時獲取多幅圖像，類似于美軍其它的新型成像衛(wèi)星;以獨特的場景模式工作時，能沿一系列由緯度和經(jīng)度坐標定義的預(yù)定路徑拍攝靜止圖像或視頻，它能以每秒4幀的速度拍攝5百萬像素的圖像，每幅有50%的圖像重疊;以實時視頻模式工作時，能以實時的“人正在環(huán)路中”瞄準方式跟蹤用戶指定的目標。它能以每秒1～2幀的速度為用戶提供100萬像素的黑白實況視頻，也可以先存儲再回放，以進行更高分辨率的數(shù)據(jù)分析。

由上可見，在發(fā)展光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星方面，美軍近年來新啟動了眾多的項目，這也反映了光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星在快速響應(yīng)和戰(zhàn)術(shù)偵察方面的優(yōu)勢所在。

4　大力發(fā)展光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星的建議

采用微納衛(wèi)星實施光學(xué)成像偵察具有眾多的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢都是與微納衛(wèi)星的特點完全匹配的，所以在光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星發(fā)展與應(yīng)用方面有如下建議:

1)在具有快速響應(yīng)要求的戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)偵察中進行推廣應(yīng)用。

光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星在整個微納衛(wèi)星應(yīng)用中的技術(shù)可行性已經(jīng)得到了驗證，技術(shù)成熟度相對較高，戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用價值也相對較大，所以需要根據(jù)當前與未來的軍事作戰(zhàn)需求，在具有快速響應(yīng)要求的戰(zhàn)場戰(zhàn)術(shù)偵察中進行推廣應(yīng)用。

2)采用快速入軌方式對低軌反導(dǎo)預(yù)警系統(tǒng)進行有效補充。

由于反衛(wèi)星武器的發(fā)展，大型的反導(dǎo)預(yù)警衛(wèi)星在戰(zhàn)爭期間極易遭受攻擊而失效，而光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星研制周期短，發(fā)射周期短，在大型反導(dǎo)預(yù)警衛(wèi)星失效期間，可以快速發(fā)射入軌進行臨時性補充，在此期間執(zhí)行臨時性的反導(dǎo)預(yù)警任務(wù)。

3)在天基目標監(jiān)視系統(tǒng)中進行應(yīng)用，實現(xiàn)對重點天基目標的近距離成像監(jiān)測。

在地面進行天基目標的監(jiān)視由于距離遠，觀測的有效性和分辨率都比較受限，特別是對于高軌空間目標的監(jiān)視難度更大。如果采用光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星對重點天基目標實施監(jiān)視，可以針對被監(jiān)視目標對象的特點，將微納衛(wèi)星發(fā)射到其附近，與其同軌伴飛，這樣就可以對重點天基目標實施近距離成像監(jiān)測，從而彌補地面監(jiān)測的不足。由于微納衛(wèi)星成本低，這樣的監(jiān)視應(yīng)用模式對于高價值天基目標監(jiān)視要求來說也是可以接受的。

4)采用星座組網(wǎng)實現(xiàn)對重點和熱點地區(qū)的長期有效的監(jiān)視。

微納衛(wèi)星研制與發(fā)射成本都比較低，這為大規(guī)模應(yīng)用提供了條件，通過幾十顆光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星采用低軌星座組網(wǎng)形式，可以實現(xiàn)對重點和熱點地區(qū)的可持續(xù)性的覆蓋，從而為上述重點和熱點地區(qū)的長期監(jiān)視提供了條件。

5)跟飛已有的電子偵察衛(wèi)星，實施多種偵察信息的融合處理。

針對電子偵察衛(wèi)星，根據(jù)應(yīng)用需求補充發(fā)射與之同軌跟飛的光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星，在電子偵察衛(wèi)星對地面電子目標實施偵察定位之后，再引導(dǎo)處于同軌跟飛的微納衛(wèi)星對需要進一步確認和識別的重點目標所在區(qū)域?qū)嵤┕鈱W(xué)成像偵察，通過光學(xué)圖像信息與電子目標的電磁輻射信息的融合處理，來進一步得到更加準確可靠和更有價值的戰(zhàn)場情報。這將是已有的航天電子偵察與微納衛(wèi)星光學(xué)成像偵察的有效結(jié)合，這也將創(chuàng)造出一種新的航天偵察應(yīng)用模式。

當然除此之外，也要從技術(shù)研發(fā)上進行投入，研究更加高效的圖像處理與識別算法，以適應(yīng)微納衛(wèi)星平臺在體積、質(zhì)量和功耗方面的嚴格受限條件，進一步提高星上的處理能力，這可以為光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星能力的進一步提升奠定基礎(chǔ)。

5　結(jié)束語

微納衛(wèi)星的應(yīng)用性研究與試驗在近幾年中已經(jīng)成為航天領(lǐng)域的新的重點和熱點，既要看到微納衛(wèi)星的優(yōu)勢，也要看到其不足，只有擇優(yōu)去劣，才能揚長避短。通過對當前世界各國微納衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用形態(tài)的分析，可以發(fā)現(xiàn)微納衛(wèi)星在對地或?qū)臻g目標進行光學(xué)成像觀測應(yīng)用方面，技術(shù)成熟度相對較高。所以在微納衛(wèi)星發(fā)展過程中，針對航天偵察應(yīng)用領(lǐng)域，同樣也需要優(yōu)先發(fā)展光學(xué)成像偵察微納衛(wèi)星，后續(xù)再帶動微納衛(wèi)星的其它軍事應(yīng)用的逐步發(fā)展，所提出的相關(guān)建議可為后續(xù)微納衛(wèi)星的系統(tǒng)論證、設(shè)計研制和應(yīng)用研究等提供參考。

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聲明

本刊不向作者收取任何費用，若有向作者提出需繳納諸如審稿費、版面費、加急費等，均屬欺詐行為。特此聲明。

《航天電子對抗》編輯部

Development situation of micro-nano satellite and its application in optical reconnaissance

Shi Rong，Li Xiao，Deng Ke
(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory，Chengdu 610036，Sichuan，China)

Abstract:The main application configuration of micro-nano satellites is summarized，such as the space environment perception，verification and demonstration of new technique，space science experiment，communication and data transmission，optical imaging observation to object in space or on the earth，and so on．The advantages for optical micro-nano satellite to do reconnaissance are analyzed and the examples are given in succession．The suggestions for development of the optical micro-nano satellite are raised．It is an important reference for extensive use of micro-nano satellite in aerospace photoelectric reconnaissance．

Key words:micro-nano satellite; optical reconnaissance micro-nano satellite; application configuration; optical imaging observation; aerospace reconnaissance

作者簡介:石榮(1974－)，男，博士，主要從事電子對抗、雷達與通信系統(tǒng)方面的研究。

收稿日期:2015－06－15; 2015－10－20修回。

中圖分類號:TN971

文獻標識碼:A