小衛星高分辨率成像系統

林來興

(北京控制工程研究所,北京 100190)

0 引言

近年來,國際上出現了小衛星研究熱點。其發展可分為三個階段：一是探索研究階段(約從20世紀80年代末期～90年代末期),小衛星開始用于任務單一、系統簡單、運行壽命短的科學試驗研究、技術演示、教育等任務,探索應用高新技術,特別在小衛星中采用微電子技術和高速計算機方面取得成功經驗,探討小衛星擴大應用范圍。二是小衛星發展成為衛星的一種,并作為大衛星的重要補充(約從20世紀90年代末～21世紀初),小衛星采用高新技術,真正成為技術性能好、質量輕、經濟成本低、體積小、研制周期短的現代小衛星。三是引起衛星應用和衛星技術大變革(約在21世紀初),大量引入高新技術和新設計概念與先進科學管理方法的小衛星可在技術和經濟上取代部分大衛星,如空間遙感中的對地觀測高分辨率成像系統。本文對小衛星高分辨率成像系統進行了綜述。

1 高分辨率成像系統

1.1 光學成像系統

近10年來小衛星典型光學高分辨率成像系統性能見表1～3。表中光學高分辨率成像系統分為三檔：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-2,軌道觀察-3和地平線-9小衛星的軌道高度(與分辨率成反比,而與覆蓋寬度成正比)和CCD像元素數見表4。由表4可知：光學高分辨率成像衛星的發展趨勢是質量減小,分辨率提高、費用減少,且衛星研制周期縮短。

表1 極高分辨率(0.5～1.0 m)小衛星性能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)小衛星Tab.3 Small satellitewith mid-high resolution 4～10 m

表4 極高分辨率小衛星光學成像系統比較Tab.4 Optical imaging of small satellite with high-resolution

由此可見,現代小衛星的對地觀測的高分辨率成像技術已取得重大突破。由小衛星組成星座,可顯著增大對地觀測覆蓋區域,縮短成像重訪時間,甚至可實現接近實時(時間分辨率為零),利于戰場,災情、洪水、火災等對地觀測。德國的5顆快眼微衛星將組成星座,在太陽同步軌道上每顆衛星相隔19 min,星上帶有6譜段的多光譜成像儀,可實現全球每天重訪1次。

小衛星星座若發生故障,則能借助星座備份衛星迅速恢復正常工作,同時還允許在臨時更換小衛星星座某顆衛星時保持星座工作連續性,且整個星座費用遠低于一顆大衛星。

1.2 合成孔徑雷達

另一種高分辨成像系統是SAR。以往,SAR均由大衛星實現,衛星質量數噸,近年已在小衛星中獲成功。如以色列的地平線-8小衛星是目前世界上中質量最輕、成像分辨率最高、成本最低的SAR衛星,而印度的X波段RISAT-2合成孔徑雷達小衛星性能與其類似(其有效載荷由以色列提供)。其他的典型實例有：德國的TerraSAR-X,TenDEM-X衛星組成小衛星編隊飛行,單顆SAR衛星的地面分辨率為1 m,覆蓋寬度16 km,而進行編隊飛行時,高程精度2 m。這是第一個采用編隊飛行在地球低軌道以獲得高程觀測結果。意大利的CosmoSkymed星座由4顆SAR小衛星組成,地面分辨率1 m,該星座計劃與法國光學成像衛星聯合,組成軍民兩用對地觀測系統,對地中海地區實現時間和空間皆為高分辨率成像。另外,最早采用大衛星實現SAR的加拿大也積極研制小衛星SAR,其計劃發射的C波段SAR小衛星星座由3顆衛星組成,初步設計衛星質量1 300 kg,軌道高度592 km,用于海上監視、災害管理和生態監測。

1.3 兩種成像系統比較

光學和SAR各有特點。SAR成像系統的優點是不受日照和天氣條件限制,可全天候、全天時對地預測,并對某些地物具有一定的穿透能力,在災害監測、環境監測、海洋監測和軍事應用等方面有獨特優勢;缺點是分辨率目前低于光學成像系統(SAR分辨率約1 m,光學的為其幾分之一),且SAR一般要求功耗較大,天線結構較復雜,衛星質量較重。光學成像系統的優點是成像分辨率高,衛星質量較輕,經濟成本低。另值得注意的是近年飛速發展的立方體星與納星以及由它們組成的星座可實現全球覆蓋,能同時實現高空間分辨率(3～4 m)和高時間分辨率(重訪時間30～40 min),每顆納星質量15～20 kg,價格1百多萬美元,整個星座由50～60顆納星組成,總成本不到1億美元,相當一顆普通對地觀測大衛星。

根據上述分析,如對地觀測無特殊要求,應盡可能采用光學成像系統。

2 關鍵技術

涉及小衛星平臺和高分辨率成像系統兩部分,而高分辨率成像系統有光學與微波兩種。光學成像系統的關鍵技術如下：

a)為擴大視場,提高成像質量,光學系統采用三反離軸。與目前采用三反同軸相比,光學加工和裝調難度增大,特別是光學鏡頭球面加工等。

b)成像方式應采用線陣電荷耦合器件(CCD)推掃或面陣CCD復式成像。避免采用有可動的擺掃,提高系統可靠性和成像質量。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線陣的發展趨勢是減少像元尺寸和增加像元數,目前像元數可達上萬個,像元尺寸為5～6μm。

c)采用時間延遲和時間延遲積分(TDI)CCD成像技術,減少相機相對孔徑尺寸,降低相機質量。

d)相機結構采用碳化硅材料,減少溫度變化對成像影響,實現相機結構輕量化(挖空),從而顯著減小相機質量,預計從目前降低50%～60%到將來減少70%～80%。

e)高精度姿態控制系統設計和技術實現,姿態穩定度達到10-4～10-5(°)/s,同時要求相機安裝在隔離振動的結構上,保證任何抖動均不影響成像分辨率。

f)成像數據處理和數據提取快速和簡便。

小衛星SAR高分辨率成像的關鍵技術如下：

a)采用先進SAR天線結構和輕型材料。一般雷達成像為實現高分辨率須采用大天線,而SAR是在運行中發射一系列脈沖,并記錄回波的振幅和相位,且這些回波信號可組合,其結果相當于這些信號同時從同一大天線發射出。為此SAR可用小天線獲得高分辨率成像,采用先進SAR天線結構和輕型材料,使SAR質量進一步降低。目前,天線結構和輕型材料還需進一步改善。

b)研制低功耗發射機和接收設備,提高功率放大器尤其是固態放大器的效率。

c)快速數據處理,SAR處理有大量傅里葉變換,需實現快速處理,最理想的是能接近實時。

另外,小衛星高分辨率成像系統的關鍵技術還涉及小衛星的平臺,其中的要點是提高小衛星功能密集度。功能密集度表示單位質量小衛星提供的功能,功能密集度高,則小衛星質量輕,且提供功能水平高。小衛星功能密集度具體包括小衛星的自身技術以及有效載荷與小衛星質量比兩部分。小衛星本身技術功能密集度可由組成小衛星各分系統和部件的密集度表征,如星上電源分系統功能密集度表現為單位質量提供的功率和安時數;控制分系統表現為單位質量提供的控制精度;推進分系統表現為單位質量提供的速度增量(Δv),星上計算機(包含電子元器件)表現為單位質量提供的單位時間操作指令數等。目前,小衛星的功能密集度一般為35%～50%,若能逐步提高到60%～70%以上,則一顆質量100～200 kg的小衛星就可承擔多種空間飛行任務。高功能密集度的小衛星會對高分辨率成像系統產生重大影響。

3 未來小衛星高分辨率成像系統

3.1 小衛星技術發展趨勢

小衛星的未來發展趨勢有：更換小衛星信息結構,保持與快速發展的信息及計算機技術同步,甚至在某些方面超前應用;采用分布式系統,特別是繼續發展有創新應用的小衛星編隊飛行,采用相互密切、協同工作的多顆小衛星實現稀疏合成孔經(數十米到數公里);能源和信息傳輸由空間無線傳輸獲得;采用功耗與質量需要符合小衛星要求的電磁力和電推進替代化學推進;采用先進納米技術、微米機電系統(MEMS)和納米機電系統(NEMS);采用GPS或類似導航星座(GLONASS,Galileo和北斗星座等)為星上提供時標、位置、速度與姿態測量信息;運用微星、納星和皮星的空間飛行演示驗證,促進小衛星分類中微星、納星、皮星等各種小衛星的逐級提升替換;提高小衛星功能密集度,包括提高有效載荷占整星比重和小衛星分系統與部件的功能密集度;設計和研制低成本、高可靠性、批生產的公共部件、系統和標準化模塊,未來小衛星也將實現未來、快速、靈活、分離模塊化、自由飛行、信息交換(F6)的功能模塊和設計;采用先進、輕質量、高強度,對空間環境參數變化承受力強的材料,減小成像系統質量,提高成像質量。

3.2 高分辨率成像系統發展趨勢

未來實現的光學成像系統分辨率有望達到數十到10厘米。用質量200～300 kg、可實現分辨率0.5～1.0 m,一般微型衛星可實現分辨率1至數米。在地球近地軌道,采用星座形式,可使重訪時間縮短至1 h內,甚至接近實時。在深空軌道采用編隊飛行,可完成人類至今尚未探測的黑洞、發現類行星等項目。

未來小衛星SAR分辨率有望優于1 m,若采用編隊飛行,則高程分辨率為1 m,還可探測地面移動目標速度3～4 m/s。一般采用星座型式,SAR全天候探測,重訪時間數小時,衛星質量200～300 kg。

4 結束語

現代小衛星的對地觀測高分辨率成像系統已經獲得了快速發展,類似的進展可能會出現在通信導航和深空探測等其他領域。可以預見的是,這會導致整個空間技術和應用出現重大變革。