日本先進(jìn)對地觀測衛(wèi)星平臺概述

王存恩 肖武平（北京空間科技信息研究所）

□□日本為了解決因其航天業(yè)過分依賴美國，改變到2008年底尚無一個(gè)衛(wèi)星平臺進(jìn)入國際市場的被動局面，日本電氣（NEC）公司在經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的支持下，以新《航天基本法》的頒布和新航天基本計(jì)劃的公布為契機(jī)，研究和開發(fā)了先進(jìn)的對地觀測系統(tǒng)—“具備新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的先進(jìn)觀測衛(wèi)星”（Advanced Satellite with New system Architecture for Observation，ASNARO）平臺，并成為繼三菱電機(jī)公司DS－2000平臺后又一個(gè)成功進(jìn)入國際市場的衛(wèi)星平臺。

1 決策錯(cuò)誤導(dǎo)致日本沒有一個(gè)可參與國際市場競爭的衛(wèi)星平臺

在日本，無論是由具有長期發(fā)展戰(zhàn)略眼光的航天科學(xué)家組成的宇宙開發(fā)委員會，還是內(nèi)閣中負(fù)責(zé)航天研發(fā)的文部科學(xué)省，以及經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省、郵政省、運(yùn)輸省，都認(rèn)為航天產(chǎn)業(yè)不僅有廣闊的市場前景，而且蘊(yùn)含著無法估量的經(jīng)濟(jì)效益。因此，上述各個(gè)部門都從不同角度認(rèn)真調(diào)研、分析、支持或開展航天開發(fā)與應(yīng)用。不過，由于日本政府過分地追隨和依賴美國，使本來起步就較晚，缺乏技術(shù)、開發(fā)與經(jīng)營應(yīng)用能力和經(jīng)驗(yàn)的航天業(yè)無法靠本國力量快速發(fā)展。

為了滿足國家和民眾對航天應(yīng)用的迫切需求，日本曾一度放棄走自主研發(fā)之路，依靠美國力量發(fā)射通信、廣播和氣象衛(wèi)星；后來，為重返自主研發(fā)道路，并追趕世界先進(jìn)水平，又在相當(dāng)長的時(shí)期“過分地強(qiáng)調(diào)研究和開發(fā)高精尖技術(shù)”，甚至將其置于用戶需求之上，從而導(dǎo)致沒能開發(fā)出國家和民眾迫切需求的大型通信衛(wèi)星；接著，在美國的強(qiáng)大壓力和“研制不如購買衛(wèi)星”的輿論誤導(dǎo)下，做出以大量購買美國通信衛(wèi)星來抵消美日貿(mào)易逆差的錯(cuò)誤決策，這不僅耗費(fèi)了大量外匯，而且還嚴(yán)重地影響了日本航天技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，削弱了日本航天產(chǎn)品在國際市場上的競爭力，導(dǎo)致以通信廣播衛(wèi)星為代表的商用衛(wèi)星的開發(fā)幾乎處于停滯狀態(tài)，日本通信衛(wèi)星開發(fā)應(yīng)用水平一度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐美。

ASNARO－1衛(wèi)星示意圖

NEC公司為滿足用戶需求所開發(fā)的ASNARO平臺和4種有效載荷

2 日本航天開發(fā)企業(yè)尋求自主研發(fā)衛(wèi)星平臺進(jìn)入國際市場

在面臨資金短缺，在軌衛(wèi)星屢屢出現(xiàn)故障乃至發(fā)射失敗，自主開發(fā)通信廣播衛(wèi)星難以得到用戶支持的被動局面下，宇宙開發(fā)委員會和JAXA憑借與美國合作開發(fā)中型試驗(yàn)通信廣播衛(wèi)星取得的經(jīng)驗(yàn)，成功研制和發(fā)射了用于移動通信的技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星－5、6（ETS－5、6）和“通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”（COMETS）。三菱電機(jī)公司成功開發(fā)了DS－2000平臺，并進(jìn)入國際市場。

經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省不僅一直關(guān)心航天產(chǎn)業(yè)化，對內(nèi)閣做出的以購買美國通信衛(wèi)星方式抵消美日貿(mào)易逆差的決定持異議，早在20世紀(jì)70年代就指令（財(cái)團(tuán)法人）無人空間實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（USEF）、新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）等進(jìn)行了深入調(diào)研，并支持三菱重工、三菱電機(jī)、日立公司等產(chǎn)業(yè)界、高校、研究機(jī)構(gòu)開展研究和實(shí)驗(yàn)，就航天產(chǎn)業(yè)化、民用器件在航天領(lǐng)域的應(yīng)用等進(jìn)行了廣泛的考察；并以不同方式支持研制和發(fā)射民用器件驗(yàn)證衛(wèi)星－1、2（MDS－1、2），下一代無人試驗(yàn)系統(tǒng)（USERS）和ASNARO平臺等的研發(fā)。如今ASNARO 平臺已成為繼DS－2000平臺后又一個(gè)實(shí)現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、市場化，并打入國際市場的衛(wèi)星平臺。

ASNARO－1衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)

3 ASNARO平臺概況

ASNARO平臺是以NEC公司研制的小型科學(xué)衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)公用平臺—NEXTAR為基礎(chǔ)開發(fā)的、搭載地球觀測遙感器的小型地球觀測衛(wèi)星平臺，以該平臺研制的衛(wèi)星主要用于地球觀測，能對洪水、森林火災(zāi)等災(zāi)情進(jìn)行監(jiān)視，生成彩色立體地圖。ASNARO平臺的首發(fā)星ASNARO－1是一顆技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，主要用于驗(yàn)證該平臺，衛(wèi)星搭載光學(xué)遙感器，質(zhì)量約500kg，分辨率優(yōu)于50cm，幅寬為10km，設(shè)計(jì)壽命3年，單星研制費(fèi)用為50億日元，2008年開始研制，將于2012年12月由俄羅斯運(yùn)載火箭發(fā)射。ASNARO－2衛(wèi)星搭載X頻段合成孔徑雷達(dá)，2008年底開始研制，分辨率優(yōu)于1m，單星研制費(fèi)用為80億～90億日元，計(jì)劃于2014年發(fā)射。

在ASNARO平臺的具體任務(wù)落實(shí)和執(zhí)行開發(fā)階段，隸屬于經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的USEF負(fù)責(zé)確定衛(wèi)星的規(guī)格，組織研討，并調(diào)整和確定所采用的技術(shù)，進(jìn)行計(jì)劃進(jìn)度管理；NEC公司負(fù)責(zé)衛(wèi)星的正樣設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)評價(jià)和發(fā)射。

為拓展市場，滿足各種不同任務(wù)用戶的需求，NEC公司又追加開發(fā)了兩種可供ASNARO平臺搭載的有效載荷艙，也就是說，目前ASNARO平臺可搭載4種有效載荷艙：①搭載高分辨率光學(xué)遙感器，構(gòu)成配備高分辨率攝像機(jī)的光學(xué)遙感衛(wèi)星；②搭載合成孔徑雷達(dá)，即便是大霧、沙塵天氣和黑夜，仍可清楚地觀測到光學(xué)遙感器無法觀測到的地表任何指定角落，構(gòu)成合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星；③搭載超光譜信號圖像遙感器，可在對觀測到的各譜段的光譜分光后再進(jìn)行觀測，構(gòu)成超光譜遙感衛(wèi)星；④搭載紅外遙感器，可對熱源產(chǎn)生的紅外線進(jìn)行高精度的科學(xué)觀測，構(gòu)成紅外遙感衛(wèi)星。

當(dāng)前國際上有代表性的高分辨率地球觀測衛(wèi)星的性價(jià)比對照表

ASNARO衛(wèi)星的4種攝像模式

4 ASNARO衛(wèi)星有效載荷艙的主要特點(diǎn)

ASNARO衛(wèi)星有效載荷艙包括3個(gè)分系統(tǒng)，即光學(xué)遙感器分系統(tǒng)、飛行任務(wù)控制分系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)。

星載光學(xué)遙感器輸出的圖像以非壓縮的方式存儲到閃爍存儲器數(shù)據(jù)記錄儀內(nèi)。其存儲的圖像數(shù)據(jù)由發(fā)送器調(diào)制成X頻段[16正交振幅鍵控（QAM）]，再通過配備雙框架X頻段指向天線，以800Mbit/s的速率傳送到地面站。

ASNARO衛(wèi)星在垂直于星下點(diǎn)進(jìn)行軌道機(jī)動時(shí)，軌道機(jī)動角度最大為±45°，可達(dá)到在45s內(nèi)完成45°的機(jī)動，實(shí)現(xiàn)敏捷機(jī)動之目標(biāo)。

ASNARO平臺和有效載荷艙的結(jié)構(gòu)、散熱系統(tǒng)、供電系統(tǒng)均獨(dú)立設(shè)計(jì)，兩者間的接口條件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，做到在不改變平臺設(shè)計(jì)的情況下就能夠適用于多個(gè)飛行任務(wù)。

ASNARO衛(wèi)星具備4種攝像模式：快照模式、廣域攝像模式、3D攝像模式和連拍模式，其中快照模式是基本模式。

連拍模式及其攝像角度

采用NTSiC材料的ASNARO衛(wèi)星主鏡

ASNARO數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的主要組成儀器

· 快照模式是將衛(wèi)星姿態(tài)固定在慣性空間，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對10km×10km的有效區(qū)域進(jìn)行攝像（1幀）。

· 廣域攝像模式通過對接近觀測目標(biāo)的某一地域進(jìn)行多次快照，可達(dá)到對更廣域進(jìn)行觀測的目的。

· 3D攝像模式從不同的兩個(gè)方向?qū)δ骋挥^測地域進(jìn)行攝像，在地面對所拍攝的圖像進(jìn)行加工后可得到所觀測地域的三維信息。

· 連拍模式是與快照模式不同的攝像模式。從姿態(tài)控制方面講，連拍模式是一種需要將衛(wèi)星姿態(tài)固定到慣性空間坐標(biāo)進(jìn)行攝像，由于衛(wèi)星的軌道運(yùn)動會導(dǎo)致衛(wèi)星偏離指向軸方向，也就會使對準(zhǔn)地表的衛(wèi)星指向軸方向發(fā)生變化。因此連拍模式可在短時(shí)間對目標(biāo)攝像，而無法完成長時(shí)間連續(xù)攝像。另一方面，就連拍模式而言，衛(wèi)星在軌機(jī)動后具有一定的旋轉(zhuǎn)速率，可像衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系被固定那樣來進(jìn)行衛(wèi)星的姿態(tài)控制，相對于地面，衛(wèi)星的指向軸方向不變，可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)長時(shí)間、連續(xù)攝像。連拍模式能對850km（最長）×10km的地域進(jìn)行120s連續(xù)攝像。

5 在致力于ASNARO有效載荷艙小型化方面的主要對策

許多國家都在致力于研究有效載荷艙的小型化、低功耗、高分辨率、數(shù)據(jù)接收速率快、數(shù)據(jù)處理和分析的耗時(shí)短等核心問題。ASNARO有效載荷艙配備了高分辨率光學(xué)遙感器、數(shù)據(jù)記錄儀和X頻段數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等有效載荷儀器，能將在太空中拍攝到的光學(xué)圖像變換成數(shù)字信號，通過帶有閃爍存儲器的數(shù)據(jù)記錄儀(壽命末期容量為120GB)以非壓縮方式存儲所記錄的數(shù)據(jù)；可將存儲的圖像數(shù)據(jù)以最新的調(diào)制方式（16QAM）進(jìn)行調(diào)制，通過頻率變化將其變換成X頻段（8MGHz）；最后利用配備雙框架的指向性X頻段天線，通過800Mbit/s的高速數(shù)據(jù)記錄儀傳送到地面站。

僅為500千克級的ASNARO小型地球觀測衛(wèi)星在性能方面能夠與幾噸級的大型地球觀測衛(wèi)星相媲美，主要是ASNARO采用了各種新標(biāo)準(zhǔn)、新工藝、新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了有效載荷艙小型化，主要包括以下3個(gè)方面。

（1）采用新型材料的反射鏡

以往光學(xué)衛(wèi)星的主鏡（望遠(yuǎn)鏡）一般都是以玻璃為主要材質(zhì)，而ASNARO衛(wèi)星的主鏡采用改進(jìn)型碳化硅，也稱高強(qiáng)度反應(yīng)燒結(jié)碳化硅或新技術(shù)碳化硅（NTSiC）為主要材質(zhì)，由NEC公司下屬的東芝空間系統(tǒng)公司（NTS）和東芝公司共同研制，這種主鏡與以玻璃為主要材質(zhì)的主鏡相比，不僅質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，而且熱畸變小。

（2）采用閃爍存儲器

以往光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)記錄儀的存儲器大都采用可快速處理、具有高可靠性的同步動態(tài)隨機(jī)存儲器（SD-RAM），而ASNARO采用的是比SD-RAM的發(fā)熱量低、功耗低、成本低，且容量相當(dāng)大的閃爍存儲器，使數(shù)據(jù)記錄儀不僅實(shí)現(xiàn)了小型化、輕量化，而且大幅降低了成本。

（3）采用QAM方式傳輸觀測數(shù)據(jù)

以往光學(xué)衛(wèi)星一般都采用四相相移鍵控（QPSK）調(diào)制方式傳輸觀測數(shù)據(jù)，它是以單一符號傳輸2位信息的方式，受8GHz頻段的頻域限制，使傳輸速率僅限于400Mbit/s。而大型衛(wèi)星則是通過搭載雙系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)800Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸。ASNARO采用的是以單一符號傳輸16QAM觀測數(shù)據(jù)的方式（其傳輸速率是QPSK方式的2倍），這樣就可實(shí)現(xiàn)僅用1個(gè)系統(tǒng)的通信儀器就可傳輸大型衛(wèi)星所傳輸?shù)?00Mbit/s數(shù)據(jù)，不僅傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小型化、輕量和輕型化，而且還大幅度地降低了開發(fā)成本。

國際上有代表性的小型地球觀測衛(wèi)星平臺主要性能比較

6 日本發(fā)展ASNARO平臺的未來計(jì)劃

目前，NEC公司已完成了ASNARO－1的研制和系統(tǒng)調(diào)試，計(jì)劃在2012年12月發(fā)射；ASNARO－2的研制工作進(jìn)展順利，其關(guān)鍵部件合成孔徑雷達(dá)已完成飛行樣機(jī)的研制，計(jì)劃于2014年發(fā)射；而對超光譜遙感衛(wèi)星ASNARO－3的論證工作已基本結(jié)束，方案已確定，計(jì)劃于2016年發(fā)射。

此外，據(jù)日本產(chǎn)經(jīng)新聞等報(bào)道，并從日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省、JAXA等官方證實(shí)，日本已與越南草簽了協(xié)議，利用政府開發(fā)援助（ODA）資金，為越南研制以ASNARO平臺為基礎(chǔ)的兩顆小型地球觀測衛(wèi)星，一顆為光學(xué)衛(wèi)星，將在2017年用H－2A火箭發(fā)射；另一顆為合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星，將于2020年用H－2A火箭發(fā)射。協(xié)議還包括研制衛(wèi)星地面設(shè)備，以及對參加衛(wèi)星開發(fā)、應(yīng)用和地面設(shè)施的應(yīng)用與維修人員的培訓(xùn)。

此外，日本自2010年8月以來，先后6次派出以經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省航天產(chǎn)業(yè)貿(mào)易會負(fù)責(zé)人為團(tuán)長，有從事航天產(chǎn)業(yè)開發(fā)的企業(yè)代表，相關(guān)省廳、JAXA等負(fù)責(zé)人參加的訪問交流團(tuán)，訪問了泰國、蒙古、馬來西亞，智利、阿根廷等亞洲、南美及非洲的20多個(gè)急切需要且尚不具備研制和發(fā)射這類衛(wèi)星能力的國家，探討對以ASNARO為基礎(chǔ)研制的小型地球觀測衛(wèi)星的需求，闡述日本開發(fā)這類衛(wèi)星的優(yōu)勢與特點(diǎn)，為ASNARO平臺尋找新的用戶，為其走向國際市場鋪路。■