面向空間云時代的微納遙感衛(wèi)星技術發(fā)展

　　近年來，國際上微納衛(wèi)星技術發(fā)展迅速，多家企業(yè)和研究機構(gòu)推出了各種高性能微納衛(wèi)星計劃，特別是在商業(yè)遙感領域如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的“天空衛(wèi)星”（SkySat）系列微衛(wèi)星、行星實驗室公司（Planet Lab）的鴿群－1（Flock－1）系列納衛(wèi)星、衛(wèi)星邏輯公司（Satellogic）的“新衛(wèi)星”（Newsat）系列微納衛(wèi)星等。這些項目都計劃通過星座化的運行，實現(xiàn)較高的時間分辨率和空間分辨率的遙感信息獲取，使得微納衛(wèi)星進一步走向?qū)嵱没?/span>

　　微納遙感衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　微納衛(wèi)星迅速發(fā)展的重點
　　微納衛(wèi)星近年來的蓬勃發(fā)展同時得益于需求的不斷牽引和技術的快速進步。前者來源于目前用戶在經(jīng)歷了傳統(tǒng)遙感應用的體驗后，隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)思維的影響，越來越對數(shù)據(jù)的時效性、覆蓋性和應用靈活性提出了更多樣化的需求。后者則得益于微機電和信息技術的階躍式發(fā)展，使得微納衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功能密度，走向遙感應用。但同時還是需要認識到，受限于資源、低成本可靠性風險和批量工程化難度，微納衛(wèi)星的發(fā)展仍要面臨一些問題：
　　1）低成本與高性能。微納衛(wèi)星要實現(xiàn)快速發(fā)展，面臨的主要矛盾是既要求實現(xiàn)低成本，同時還要實現(xiàn)高性能，低成本是前提和基礎，高性能是發(fā)展要求，兩者兼顧才能得到高性價比。
　　2）微納衛(wèi)星完成定量化遙感任務。傳統(tǒng)衛(wèi)星的解決思路對資源和管理運行的要求顯然不適用于微納衛(wèi)星，因此微納衛(wèi)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臺載荷一體化設計。改變傳統(tǒng)衛(wèi)星設計思想，通過系統(tǒng)設計分析，綜合利用載荷資源和平臺資源，實現(xiàn)平臺載荷一體化設計。

　　微納衛(wèi)星技術未來發(fā)展趨勢
　　近年來，微納衛(wèi)星由于具有低成本、短周期、發(fā)射靈活等突出特點，國內(nèi)外眾多工業(yè)部門和大學研究機構(gòu)紛紛參與，促使微納衛(wèi)星技術迅速發(fā)展。微納衛(wèi)星的技術發(fā)展趨勢可以從三個層次進行分析：
　　1）系統(tǒng)層面。低成本化是微納衛(wèi)星技術發(fā)展的重要方向。
　　2）分系統(tǒng)或單機層面。采用集成功能單元化設計方法。實現(xiàn)星上射頻設備通用化、軟件化。采用機電熱集成化設計，設備無纜化。
　　3）應用層面。結(jié)合任務特點，針對衛(wèi)星星座和星簇，采用星座化部署，網(wǎng)絡化應用；針對多星在軌任務，采用智能化、協(xié)同化；應用智能衛(wèi)星自主管理技術，實現(xiàn)運控自主化；通過衛(wèi)星軟件化、智能化特點，實現(xiàn)應用直達便捷化。

　　微納遙感衛(wèi)星技術發(fā)展途徑分析

　　以低成本為核心的微納遙感衛(wèi)星設計哲學
　　高性能微納遙感衛(wèi)星系統(tǒng)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(tǒng)設計，主要通過平臺載荷一體化實現(xiàn)，包括基礎級、功能級和任務級。在設計微納衛(wèi)星時，充分采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(wèi)星操控和數(shù)據(jù)獲取的便利性方面入手，使得衛(wèi)星好用、易用。
　?。?）基于商業(yè)現(xiàn)貨的謹慎設計
　　微納衛(wèi)星由于集成度很高，需要大量采用COTS器件或組件，如何用好商業(yè)貨架產(chǎn)品是一個需要重點關注的技術。對COTS器件形成一套適用于微納衛(wèi)星的器件篩選方法，在軌驗證后形成COTS器件庫；對于COTS組件需要逐步摸索，形成適用于星載應用的COTS組件群，同時不斷更新完善。
　　由于微納衛(wèi)星大量采用COTS器件或組件，需要在系統(tǒng)設計上進行加強設計，對COTS器件可能存在的單粒子翻轉(zhuǎn)或鎖定進行系統(tǒng)層面的防護，采取單粒子翻轉(zhuǎn)及計算機復位后重要數(shù)據(jù)恢復、單粒子鎖定后自主加電等必要的技術手段，將出現(xiàn)的故障降低在單機或組件層面，短期自主恢復，不影響系統(tǒng)任務。
　?。?）標準化產(chǎn)品體系與研制流程規(guī)范
　　在設計中要強化整星一體化設計，具體包括系統(tǒng)級一體化設計和單機功能的一體化設計，實現(xiàn)型號扁平化設計，減少單機產(chǎn)品數(shù)量。如采用綜合電子一體化設計，提高衛(wèi)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(tǒng)一管理。弱化分系統(tǒng)概念，采用以公共母板為供電信息交換中心的多模塊組合方案，統(tǒng)一采用CAN總線，實現(xiàn)整星電子學高度集成、板卡化。
　　采用構(gòu)型一體化設計，提高單機緊湊度。從整星全局出發(fā)，將部分儀器設備的外殼作為結(jié)構(gòu)的一部分，減少主承力結(jié)構(gòu)設計的復雜性。構(gòu)型一體化設計將進一步減輕衛(wèi)星結(jié)構(gòu)尺寸和整星質(zhì)量。實現(xiàn)一體化很重要的一點是要建立標準化的技術體制，實現(xiàn)接口的標準化，具備一體化整合、功能改進的空間。
　　衛(wèi)星在設計和生產(chǎn)中都要考慮成本的控制以及對用戶基于成本的應用需求的滿足。這需要從研制流程、設計制造、產(chǎn)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制流程優(yōu)化、標準化設計、先進仿真設計手段、COTS產(chǎn)品的應用與可靠性保障、低成本衛(wèi)星AIT與試驗、管理模式等眾多要素和環(huán)節(jié)。

　　高性能成像系統(tǒng)的創(chuàng)新開發(fā)
　?。?）探測器的革新?lián)Q代，促進遙感器的輕小型化和高靈活度。采用高性能探測器，并有針對性設計光學系統(tǒng)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(tǒng)的體積規(guī)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，采用大F數(shù)的光學系統(tǒng)，實現(xiàn)高空間分辨率，但需要高穩(wěn)定的姿態(tài)控制；面陣CMOS凝視成像的光學遙器，可以靈活地調(diào)整積分時間，高幀頻視頻成像模式，采用數(shù)字TDI技術，降低對衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定要求；面陣sCMOS等低噪聲高幀頻高動態(tài)范圍探測器的進一步采用，將大幅度降低遙感器的體積規(guī)模，提升成像質(zhì)量，催生各種新的成像模式，促進從靜態(tài)圖像到動態(tài)視頻的數(shù)據(jù)獲取升級。
　?。?）在軌軟技術的提升，促進微納衛(wèi)星好用易用。實現(xiàn)在軌高精度高頻次定標方法的廣泛應用，保證成像質(zhì)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采用，充分發(fā)揮衛(wèi)星自身的能力和優(yōu)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(yè)務化運行期間，以較小的代價持續(xù)保證精度和質(zhì)量，大幅度提升微納衛(wèi)星的輻射、幾何精度和成像質(zhì)量，彌補其性能的不足。
　　在軌成像參數(shù)精細化設置，以充分用好衛(wèi)星潛能，保證獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源。在精確在軌標定的基礎上，根據(jù)地面景物特性、光照條件、大氣條件、成像模式等，結(jié)合遙感器的成像特性和微納衛(wèi)星的敏捷能力，進行在軌精細化的參數(shù)設置（包括積分時間、TDI級數(shù)、增益等）和任務規(guī)劃，有效發(fā)揮衛(wèi)星系統(tǒng)的最大效益，在絕大多數(shù)條件下都能獲得高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)源。
　?。?）新材料與新型結(jié)構(gòu)設計。促進遙感器高穩(wěn)定性能和輕小型化輕小型光學遙感器采用高強度、低密度、低膨脹系數(shù)的材料作為反射鏡及光機結(jié)構(gòu)材料，如超薄碳化硅、輕質(zhì)合金、碳纖維增強復合材料等。微納衛(wèi)星遙感器在采用新型輕質(zhì)材料實現(xiàn)輕小型化的同時，全復合材料結(jié)構(gòu)設計還能夠消除反射鏡、光機結(jié)構(gòu)等各部件因材料性能差異引起的不匹配性，實現(xiàn)系統(tǒng)的高穩(wěn)定性能。在采用整機模塊化設計的微納衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中，衛(wèi)星平臺通過柔性連接結(jié)構(gòu)對遙感器實現(xiàn)準靜定支撐。
　　柔性連接結(jié)構(gòu)形式多樣，布局靈活，其柔性環(huán)節(jié)通過自身變形吸收平臺與遙感器之間溫度應力及裝配應力，其自身阻尼環(huán)節(jié)可有效隔離平臺振動，減小衛(wèi)星平臺對遙感器成像質(zhì)量影響。而且柔性連接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，可有效減輕遙感器與平臺的連接環(huán)節(jié)質(zhì)量。光學系統(tǒng)采用創(chuàng)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(xiàn)光學系統(tǒng)超高微型化和高性能密度。