國外對地觀測微納衛(wèi)星發(fā)展趨勢分析

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、試用階段進(jìn)入實用階段。微納衛(wèi)星具有性價比高、成本低等優(yōu)勢，且通過組網(wǎng)形成星座，容易獲得較高的時間分辨率和觀測覆蓋性，成為對地觀測領(lǐng)域的一個重要的發(fā)展方向。

微納衛(wèi)星在對地觀測領(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)等多維度對國外典型的微納衛(wèi)星對地觀測系統(tǒng)進(jìn)行了分析與論述。

1 國外對地觀測微納衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國

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)星對地觀測領(lǐng)域，使美國的對地觀測微納衛(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。典型的對地觀測微納衛(wèi)星系統(tǒng)有以下幾個。

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，采用互補金屬氧化物半導(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，首次實現(xiàn)微衛(wèi)星級高分辨率成像能力。衛(wèi)星設(shè)計壽命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，信息獲取能力大大增強。相對于第一代SkySat衛(wèi)星，第二代SkySat衛(wèi)星的探測器的像元尺寸更小，衛(wèi)星機動能力更增強，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)研制和運營鴿群(Flock)對地觀測星座，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)的對地觀測圖像，從而實現(xiàn)對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等多個星座，F(xiàn)lock衛(wèi)星上裝載紅綠藍(lán)譜段的光學(xué)相機[2]。就對地觀測而言，該星座是全球最大的。

運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)星組成的對地觀測衛(wèi)星星座——卡佩拉(Capella)星座，星座分布在12個軌道面，每個軌道面有3顆衛(wèi)星。星座建成后可實現(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)?？ㄅ謇居?020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)星運營商，可提供天氣和海運等服務(wù)。Spire運營著一個由一百多顆衛(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個地面站，用于管理衛(wèi)星。Spire的快速反映能力強，一個新衛(wèi)星從設(shè)計到發(fā)射只需6個月，其中總裝時間僅需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個有效載荷，即廣播式自動相關(guān)監(jiān)視儀(ADS-B)，用于跟蹤飛機。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)驗證星——探路者-1衛(wèi)星成功發(fā)射。衛(wèi)星設(shè)計壽命3年，質(zhì)量44 kg。衛(wèi)星采用偵察兵衛(wèi)星平臺，有效載荷為哈里斯公司的空間視野-24(SpaceView-24)相機。

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，有效載荷仍為哈里斯公司的SpaceView-24相機。

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586 km，遠(yuǎn)地點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

1.2 英國清晰成像星座

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分辨率的運動圖像，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)時間。

2018年1月，該星座的驗證星——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)計壽命5年，側(cè)擺角±45°。

圖7 VividX2 衛(wèi)星Fig.7 VividX2 satellite

1.3 日本灰鶴星座

灰鶴(GRUS)星座是由日本阿克賽爾空間(Axelspace)公司開發(fā)的對地觀測微納衛(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，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

1.4 印度“納魯爾伊斯拉姆大學(xué)”(NIUSAT)衛(wèi)星

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

1.5 阿根廷“新衛(wèi)星”星座

圖10 uSat 衛(wèi)星Fig.10 uSat satellite

1.6 芬蘭冰眼衛(wèi)星星座

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機構(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

1.7 小結(jié)

本文論述了11個微納衛(wèi)星對地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)，分屬6個國家。這些系統(tǒng)具有技術(shù)水平高、代表性強的特點。體現(xiàn)在衛(wèi)星的分辨率高，功能密度大；另外這些對地觀測系統(tǒng)均已進(jìn)入工程實施階段，而不是停留在規(guī)劃論證階段。這些對地觀測系統(tǒng)既有被動觀測方式(光學(xué)遙感)，又有主動觀測方式(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)星對地觀測系統(tǒng)的發(fā)展。

以上所述微納衛(wèi)星對地觀測系統(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 國外典型的對地觀測微納衛(wèi)星情況Table 1 Typical foreign country’s micro-nano satellites in earth observation

2 發(fā)展趨勢分析

通過比較、分析及歸納，總結(jié)國外微納衛(wèi)星對地觀測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢如下。

1)光學(xué)和SAR分辨率均已實現(xiàn)亞米級

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、敏捷機動能力、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分辨率均已實現(xiàn)亞米級。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，行星公司同時運營高分辨率的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、被動兩種觀測方式全面發(fā)展

微納衛(wèi)星的被動觀測方式，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，運行穩(wěn)定

為滿足用戶的要求，微納衛(wèi)星對地觀測系統(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，無需再對星上相機下達(dá)特定區(qū)域的成像指令，即可滿足用戶需求。星座穩(wěn)定運行能力強，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，以實現(xiàn)快速代替失效衛(wèi)星。有的通過優(yōu)化流程，將補網(wǎng)衛(wèi)星整個研制周期控制在半年內(nèi)，以達(dá)到快速補網(wǎng)的目的，如Spire衛(wèi)星。通過這些措施，增強了對地觀測微納衛(wèi)星星座的彈性和重構(gòu)能力，確保微納衛(wèi)星對地觀測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5)系統(tǒng)設(shè)計時追求綜合性能最優(yōu)

微納衛(wèi)星在系統(tǒng)設(shè)計時，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，以擴大用戶的范圍

國外的微納衛(wèi)星對地觀測系統(tǒng)的發(fā)展走軍民融合發(fā)展之路，在系統(tǒng)設(shè)計時兼顧民用、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)計時，在考慮民用需求后，征求美國空軍、美國國家偵察局的意見，之后對星座進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，從而獲得了美國軍方的經(jīng)費支持。

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會更多，對地觀測衛(wèi)星星座之間的競爭變得更加激烈。

3 結(jié)束語

由于多個國家的商業(yè)資本投入到了微納衛(wèi)星對地觀測領(lǐng)域，加快了微納衛(wèi)星對地觀測技術(shù)的快速發(fā)展。微納衛(wèi)星對地觀測的應(yīng)用已從成像領(lǐng)域擴展到了環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。未來微納衛(wèi)星對地觀測系統(tǒng)與智能設(shè)備的深度結(jié)合，將使微納衛(wèi)星對地觀測的應(yīng)用更加方便和高效。