面向空間雲時代的微納遙感衛星技術發展

近年來，國際上微納衛星技術發展迅速，多家企業和研究機構推出了各種高性能微納衛星計劃，特別是在商業遙感領域如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的「天空衛星」（SkySat）系列微衛星、行星實驗室公司（Planet Lab）的鴿群－1（Flock－1）系列納衛星、衛星邏輯公司（Satellogic）的「新衛星」（Newsat）系列微納衛星等。這些項目都計劃通過星座化的運行，實現較高的時間解析度和空間解析度的遙感信息獲取，使得微納衛星進一步走向實用化。

微納遙感衛星

發展現狀與趨勢

微納衛星迅速發展的重點

微納衛星近年來的蓬勃發展同時得益於需求的不斷牽引和技術的快速進步。前者來源於目前用戶在經歷了傳統遙感應用的體驗後，隨著互聯網和大數據思維的影響，越來越對數據的時效性、覆蓋性和應用靈活性提出了更多樣化的需求。後者則得益於微機電和信息技術的階躍式發展，使得微納衛星能夠實現較高的功能密度，走向遙感應用。但同時還是需要認識到，受限於資源、低成本可靠性風險和批量工程化難度，微納衛星的發展仍要面臨一些問題：

1）低成本與高性能。微納衛星要實現快速發展，面臨的主要矛盾是既要求實現低成本，同時還要實現高性能，低成本是前提和基礎，高性能是發展要求，兩者兼顧才能得到高性價比。

2）微納衛星完成定量化遙感任務。傳統衛星的解決思路對資源和管理運行的要求顯然不適用於微納衛星，因此微納衛星需要通過新的技術解決定量化問題。

3）資源受限條件下的平台載荷一體化設計。改變傳統衛星設計思想，通過系統設計分析，綜合利用載荷資源和平台資源，實現平台載荷一體化設計。

微納衛星技術未來發展趨勢

近年來，微納衛星由於具有低成本、短周期、發射靈活等突出特點，國內外眾多工業部門和大學研究機構紛紛參與，促使微納衛星技術迅速發展。微納衛星的技術發展趨勢可以從三個層次進行分析：

1）系統層面。低成本化是微納衛星技術發展的重要方向。

2）分系統或單機層面。採用集成功能單元化設計方法。實現星上射頻設備通用化、軟體化。採用機電熱集成化設計，設備無纜化。

3）應用層面。結合任務特點，針對衛星星座和星簇，採用星座化部署，網路化應用；針對多星在軌任務，採用智能化、協同化；應用智能衛星自主管理技術，實現運控自主化；通過衛星軟體化、智能化特點，實現應用直達便捷化。

微納遙感衛星技術

發展途徑分析

以低成本為核心的

微納遙感衛星設計哲學

高性能微納遙感衛星系統設計的核心問題是在低成本和資源嚴重受限條件下，為達到較高的遙感定量化應用要求，如何提高微納功能性能密度比。其設計哲學的核心是一體化系統設計，主要通過平台載荷一體化實現，包括基礎級、功能級和任務級。在設計微納衛星時，充分採用面向用戶任務特點的設計方法，充分理解用戶應用場景，從衛星操控和數據獲取的便利性方面入手，使得衛星好用、易用。

（1）基於商業現貨的謹慎設計

微納衛星由於集成度很高，需要大量採用COTS器件或組件，如何用好商業貨架產品是一個需要重點關注的技術。對COTS器件形成一套適用於微納衛星的器件篩選方法，在軌驗證後形成COTS器件庫；對於COTS組件需要逐步摸索，形成適用於星載應用的COTS組件群，同時不斷更新完善。

由於微納衛星大量採用COTS器件或組件，需要在系統設計上進行加強設計，對COTS器件可能存在的單粒子翻轉或鎖定進行系統層面的防護，採取單粒子翻轉及計算機複位後重要數據恢復、單粒子鎖定後自主加電等必要的技術手段，將出現的故障降低在單機或組件層面，短期自主恢復，不影響系統任務。

（2）標準化產品體系與研製流程規範

在設計中要強化整星一體化設計，具體包括系統級一體化設計和單機功能的一體化設計，實現型號扁平化設計，減少單機產品數量。如採用綜合電子一體化設計，提高衛星功能密度。綜合電子將星載計算機、測控、GPS、電源管理、姿軌控計算與管理等功能模塊集成統一管理。弱化分系統概念，採用以公共母板為供電信息交換中心的多模塊組合方案，統一採用CAN匯流排，實現整星電子學高度集成、板卡化。

採用構型一體化設計，提高單機緊湊度。從整星全局出發，將部分儀器設備的外殼作為結構的一部分，減少主承力結構設計的複雜性。構型一體化設計將進一步減輕衛星結構尺寸和整星質量。實現一體化很重要的一點是要建立標準化的技術體制，實現介面的標準化，具備一體化整合、功能改進的空間。

衛星在設計和生產中都要考慮成本的控制以及對用戶基於成本的應用需求的滿足。這需要從研製流程、設計製造、產品保證和組織管理等多個維度來綜合考慮，重點關注少量與批量化研製流程優化、標準化設計、先進模擬設計手段、COTS產品的應用與可靠性保障、低成本衛星AIT與試驗、管理模式等眾多要素和環節。

高性能成像系統的創新開發

（1）探測器的革新換代，促進遙感器的輕小型化和高靈活度

採用高性能探測器，並有針對性設計光學系統與探測器相匹配，高度集成化，電路更輕更小、功耗更低，同時也會降低光學系統的體積規模。TDICCD推掃成像光學遙感器，可以時間延遲積分，可以一定程度上提高信噪比，採用大F數的光學系統，實現高空間解析度，但需要高穩定的姿態控制；面陣CMOS凝視成像的光學遙器，可以靈活地調整積分時間，高幀頻視頻成像模式，採用數字TDI技術，降低對衛星姿態穩定要求；面陣sCMOS等低雜訊高幀頻高動態範圍探測器的進一步採用，將大幅度降低遙感器的體積規模，提升成像質量，催生各種新的成像模式，促進從靜態圖像到動態視頻的數據獲取升級。

（2）在軌軟技術的提升，促進微納衛星好用易用

實現在軌高精度高頻次定標方法的廣泛應用，保證成像質量，促進遙感定量化應用。包括各種相對和絕對輻射定標以及幾何定標方法的廣泛採用，充分發揮衛星自身的能力和優勢，盡量不用或者少用地面定標場和真實性檢驗場，可以在整個在軌業務化運行期間，以較小的代價持續保證精度和質量，大幅度提升微納衛星的輻射、幾何精度和成像質量，彌補其性能的不足。

在軌成像參數精細化設置，以充分用好衛星潛能，保證獲得高質量的數據源。在精確在軌標定的基礎上，根據地面景物特性、光照條件、大氣條件、成像模式等，結合遙感器的成像特性和微納衛星的敏捷能力，進行在軌精細化的參數設置（包括積分時間、TDI級數、增益等）和任務規劃，有效發揮衛星系統的最大效益，在絕大多數條件下都能獲得高質量的圖像數據源。

（3）新材料與新型結構設計

促進遙感器高穩定性能和輕小型化輕小型光學遙感器採用高強度、低密度、低膨脹係數的材料作為反射鏡及光機結構材料，如超薄碳化硅、輕質合金、碳纖維增強複合材料等。微納衛星遙感器在採用新型輕質材料實現輕小型化的同時，全複合材料結構設計還能夠消除反射鏡、光機結構等各部件因材料性能差異引起的不匹配性，實現系統的高穩定性能。在採用整機模塊化設計的微納衛星結構中，衛星平台通過柔性連接結構對遙感器實現准靜定支撐。

柔性連接結構形式多樣，布局靈活，其柔性環節通過自身變形吸收平台與遙感器之間溫度應力及裝配應力，其自身阻尼環節可有效隔離平台振動，減小衛星平台對遙感器成像質量影響。而且柔性連接結構質量輕，可有效減輕遙感器與平台的連接環節質量。光學系統採用創新型高緊湊型設計思想，通過共體設計和高確定度超高精度先進加工技術，可同時實現光學系統超高微型化和高性能密度。

3 微納遙感衛星商業發展途徑分析（略）

作者：傅丹膺、周宇、滿益雲、施思寒、

劉佳、田川

來源：《國際太空》2018年第3期

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後台回復「微納遙感」可獲取全文（6頁）

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