從Pleiades剖析新一代高性能小衛星技術發展

徐 偉，樸永杰

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

隨著遙感信息應用領域的不斷擴大和遙感技術的不斷發展，商用遙感衛星憑借其不斷提高的時間分辨率、空間分辨率及光譜分辨率特性，具有越來越廣闊的應用前景。

近代商用高分辨率遙感衛星頗具典型代表的有 美 國 DigitalGlobe公 司 的 QuickBird，WorldView-1，WorldView-2衛星和GeoEye公司的IKONOS，GeoEye-1，GeoEye-2 衛星(0.25 m 分辨率，在研)，這些衛星相機拍攝的地球表面圖像的像元分辨力都優于1m，最高已達到了0.41 m［1-3］。法國的 SPOT 系列衛星是世界上最早，也是以商業模式運作最為成功的遙感衛星，但其SPOT衛星系列主要面向大幅寬應用場合，分辨率一直不是很高。進入21世紀，面對日益激烈的競爭壓力，為爭奪高分辨率衛星影像市場，法國和意大利合作研發了Pleiades系列衛星作為SPOT系列衛星的性能補充，首顆Pleiades-1衛星已于2011年12月17日成功發射，其具有0.5 m超高空間分辨率且幅寬達到了20 km。

較之美國的同類衛星，Pleiades憑借其獨特的技術特點脫穎而出，受到全世界航天研發機構的關注。本文將詳細總結Pleiades的技術特點并加以深入剖析，進而揭示未來商用高分辨遙感衛星技術的發展方向。

2 Pleiades指標及性能概況

Pleiades是一種便捷、靈巧的高分辨率光學遙感衛星，如圖1所示。

為了適應對地觀測的發展需要，研制者對Pleiades衛星進行了全新設計，對傳感器也進行了較大的調整，一方面繼續保持了SPOT系列衛星在波段設置、立體成像、星座運行等方面的特點，另一方面重新設置了空間分辨率、觀測靈活性以及數據獲取模式等，使其具有更高的技術水準。與SPOT系列衛星相比，Pleiades衛星是靈巧型衛星，重量為1 t，太陽能帆板和鋰離子電池為衛星提供1500 W的能量。不同于傳統衛星平臺與載荷層層疊放的構型方式，Pleiades以載荷為中心進行整星布局的構型設計，打破了載荷與平臺的界限，盡量互相結合，減少構件，達到簡化、多用與高度集成。表1為Pleiades衛星的主要參數。

圖1 Pleiades在軌運行Fig.1 Pleiades in orbit

表1 Pleiades衛星的主要參數Tab.1 Main parameters of the Pleiades

在姿態控制和側視能力方面，Pleiades衛星采用控制力矩陀螺作為執行機構，使衛星整體繞滾動軸、俯仰軸大角度側擺，可靈活地實現對不同目標的觀測。同時，依靠其強大的姿態機動速度，既可以對點狀目標進行成像，也可以沿飛行軌跡向前或向后成像，生成近似同時的立體像對。在一個軌道周期內，Pleiades衛星可以對1 000 km×1 000 km區域內的20個φ 20 km的點狀目標進行瞬時觀測，也可以對100 km×200 km范圍內的目標進行多次重訪拍照，其靈活的成像模式如圖2所示。

圖2 Pleiades衛星成像模式示意圖Fig.2 Imaging mode of the Pleiades

3 Pleiades衛星技術剖析

3.1 多星組網軌道設計

目前，從公布的計劃上看Pleiades有2顆衛星［4］，其中 Pleiades1正運行于距地球694 km的太陽同步回歸軌道。由于是商業化高分辨衛星，其軌道并未選用天回歸目標偵查軌道，軌道分析表明，其回歸周期長達26天，但借助其整星強大的側擺能力，Pleiades1具有在極短的時間內提供精確空間信息的新功能以及非凡的接收能力，一個軌道周期最多可以拍到50個圖像序列，每天可接收超過500幅照片，5個接收計劃和3個每日定點監測計劃，同時可在短時間內迅速獲取全球的觀測數據。隨后，Pleiades2也將加入到相同的軌道中，并與1號衛星相位差180°，形成一個可對任意點每日觀測的衛星星座。Pleiades在不同側擺情況下，其重訪能力如表2所示。

表2 Pleiades衛星重訪能力Tab.2 Revisiting capability of the Pleiades

另外，通過包括緊急編程任務和地面站直接指令任務在內的靈活的任務服務，Pleiades可獲得近于實時的高分辨圖像和立體像對。

3.2 同軸偏視場TMA光學系統設計

Pleiades高分辨相機光學系統焦距達到12 905 mm，為減輕相機結構的體積和質量，設計采用同軸三反系統(TMA)，主鏡尺寸為650 mm，如圖3所示，其主鏡與次鏡的安排類似于傳統的卡塞格林系統，成像視場角小的缺點可通過靈活的編程任務和快速的機動能力進行彌補。

圖3 Pleiades光學系統Fig.3 Optical system of the Pleiades

TMA光學系統的特點是［5］:

(1)用小折返鏡改變光路，結構簡單，質量輕，功能密度大;

(2)像差校正良好，無色差;

(3)寬波段和好的空間環境適應性，空間防護性較好;

(4)無一次雜光，易設內光闌，有中間像，消雜光處理容易。

此外，光學系統設計除滿足分辨率與幅寬要求外，還要滿足足夠的信噪比(SNR)和傳遞函數(MTF)的要求。信噪比與光學系統相對孔徑的平方成正比，增大相對孔徑對信噪比是有利的，但相對孔徑大時，相機的口徑、尺寸及重量也將增大，所以Pleiades未采取該方式，其F數設計高達20(相對孔徑僅為1/20)，盡管較大F數會帶來信噪比和全波段平均MTF的下降，但其通過采用大尺寸像元時間延遲積分CCD(TDICCD)，并增加積分級數來彌補這種影響，實現光學系統最優化設計。最終，Pleiades地面裝調完成的光學系統波前差達到λ/20，在軌測得傳遞函數為0.08，信噪比為90。

從Pleiades的光學系統設計還不難發現，F數高達20的空間相機光學系統在國外已經發展多年，技術應用已經成熟［6］。但國內由于高質量電子學電路及圖像后處理技術相對落后，目前光學相機指標設計相對保守，F數大多在10左右，重量及體積均不占優勢。

3.3 一體化超分辨焦平面

Pleiades成像單元設計獨具特點，集視頻信號的預放、視頻信號的數字化(其中包括了視頻信號的處理)、探測器低噪功放、極化產生電路、探測器時鐘驅動、同步接口、命令控制接口等眾多功能于一身，功能強大，高度集成。其焦平面選用5片13 μm全色TDICCD和5片52 μm四線陣多光譜CCD，各探測單元均為6 000 pixel，均采用12 bit編碼方式，Pleiades焦平面設計如圖4所示。

為在現有像元尺寸傳感器的基礎上實現高分辨率成像，Pleiades采用了亞像元拼接的方式進行超分辨焦平面設計，將兩個CCD芯片的像元在線陣的排列長度方向上用光學的方法使之相互錯位1/2個像元，此種方式可在積分時間不變的情況下，提高地面像元分辨率(GSD)至原來的，即達到:

圖4 一體化超分辨焦平面Fig.4 Integrated super-resolved focal plane of the Pleiades

Pleiades在實現優于0.5 m分辨率的同時，由于焦平面局部傳感器數量的增多，使得傳感器驅動預放電路規模及復雜度也相應提高，因此Pleiades不得不采用復雜的分光技術分解焦平面，將全色和多光譜分解為兩部分以實現視場拼接。目前我國超分辨技術應用研究已取得了初步成果，但基于分光原理的復雜焦平面設計與應用還未在軌驗證。

3.4 一體化綜合電子學

Pleiades采用整星電子學系統一體化設計理念，以綜合管理單元OBMU為核心，通過統一的接口和1553B總線與星上設備直接相連，由它進行統一管理、監視，這樣OBMU便將傳統的各個系統的下位機無論從結構上還是功能上都集成為一體，如圖5所示。

OBMU是ASTRIUM公司為低軌道衛星開發的星上電子設備統一管理單元，可以搭載于多種不同任務的衛星上并根據不同的任務可以有不同的配置方式，該設備由以下幾種模塊構成［9］:

VPM:SPARC架構主處理器模塊，負責控制BIM和外部1553B總線;

BIM:OBMU模塊之間的通訊總線;

TIF:遙測、遙控模塊，負責星地間通信;

IOS:安全模式控制模塊，負責衛星在安全模式下的姿態、電源控制;

IOC:統一I/O模塊，負責外部設備與OBMU的接口。

圖5 一體化綜合電子學Fig.5 Integrated electronics of the Pleiades

從OBMU硬件配置上看，其除了可完成常規星務管理任務外，還承擔著有效載荷管理、姿態與軌道控制、熱控及電源管理以及遙測遙控星地鏈接等任務。與國內衛星研制按各分系統劃分，每個分系統均含獨立單機不同，Pleiades真正實現了整星的一體化管理，其優勢在于:

(1)資源整合，減少單機及元器件數量;

(2)指令整合，減少指令類型及轉發環節;

(3)遙測整合，減少冗余遙測提高帶寬;

(4)功能整合，減少測試環節和流程;

(5)性能整合，降低設備大小及功耗;

由此可見，一體化綜合電子學技術是未來航天電子學系統設計的必然發展方向。

3.5 敏捷姿態控制系統

Pleiades在繼承了SPOT系列衛星的許多優點的同時，具有更高的空間分辨率和更高的時間分辨率，這就要求衛星具備高指向精度、高姿態穩定度以及快速的機動能力。因此Pleiades采用了大量技術指標先進的姿態敏感器及執行機構，包括星敏感器、光纖陀螺和控制力矩陀螺等［10-11］。

(1)星敏感器

Pleiades采用了 3個 Sordern公司生產的SED-36型高精度星敏感器，其精度達到了1″(3σ)，并且最大工作角速度達到 10(°)/s，這保證了Pleiades的超高穩態指向精度及姿態快速機動時的控制精度。國內目前尚無角秒級的星敏感器產品，精度優于10″的星敏感器都基本依賴進口。

圖6 Pleiades控制系統關鍵部件Fig.6 Key components of control system

(2)光纖陀螺

Pleiades采用了Astirum公司Astrix200型光纖陀螺產品，其常值漂移小于0.01(°)/h，隨機噪聲小于 0.000 2(°)/，壽命大于5年，因此Pleiades的角速度確定精度可以優于0.0001(°)/s。這保證了Pleiades超高的姿態穩定精度及姿態機動過程中的角速度控制精度。目前國內尚無0.000 1(°)/s精度的陀螺產品，并且陀螺的可靠性普遍較低。

(3)控制力矩陀螺

Pleiades采用4個Astrium-Teldix公司生產的單框架控制力矩陀螺，如圖6所示，以金字塔構型安裝作為其主要的姿態執行機構。每個控制力矩陀螺的角動量為15 N·m·s，單個SGCMG的最大輸出力矩可達45 N·m，能保證Pleiades衛星具備快速的姿態機動能力。從文獻［12］中可以看出，Pleiades采用的控制力矩陀螺其控制精度達到mrad級，使得輸出力矩精度達到10-3N·m級，保證了整星的姿態控制精度及穩定度。目前，國內尚無此類產品。

4 高分辨衛星新技術發展趨勢

上述內容對Pleiades技術進行了剖析，相關技術及設計理念值得我們深入研究并借鑒。除此之外，結合我國實際工程研發能力，仍需在高分辨衛星領域繼續發揮創新能力，除在高精度單元部件上加以技術攻關之外還必須獨辟蹊徑解決更前沿的工程問題。

4.1 CMOS TDI模式成像

現階段，航天領域高分辨成像主要采用TDI CCD。但由于受成像原理和硬件設計的限制，TDI CCD具有如下限制和弊端:

(1)只能動態推掃成像，實時調焦困難;

(2)嚴格的像移匹配，無法凝視成像;

(3)電源種類多，外圍電路復雜，功耗大;

(4)僅能單向推掃成像，且無法自主調焦。

因此尋求空間高分辨成像的新型技術迫在眉睫。目前，CMOS傳感器以系統集成度高、成本低、功耗小、抗輻照能力強等優點在空間光學展現出廣闊的應用前景。

為使CMOS能夠更適合空間高分辨力成像，需使其在面陣成像基礎上具備TDI功能以提高圖像的信噪比，目前借助于現場可編程門陣列(FPGA)強大的邏輯處理能力，該功能已經能夠通過采用逐行疊加的卷簾數字域TDI算法得以實現［13］。具體實現算法如下:

以3級積分為例，逐行疊加的卷簾數字域TDI算法工作原理如圖7所示。當進行推掃成像時，在第一個行周期，CMOS傳感器輸出像素矩陣P1，FPGA控制前3行數據寫入存儲器M中;經過一個行周期，傳感器沿推掃方向移動一個像元寬度，并輸出第二幀圖像P2，此時線陣1對應的景物與前幀線陣2對應的景物相同，因此FPGA控制P2前3行數據與P1對應數據疊加后存入存儲器;同理，第三個行周期，存儲器M1中存儲的是當前幀線陣1、前1幀線陣2以及前2幀線陣3對同一景物成像數據的疊加，存儲器M2中為當前幀線陣2和前1幀線陣3成像數據的和，M3中暫存當前幀線陣3的成像數據。每個行周期M1數據疊加完成后，在FPGA控制下輸出，此時3級積分輸出信號為:

圖7 卷簾數字域TDI原理圖Fig.7 Principle diagram of rolling TDI in digital domain

Nsignal(3)=P3(1)+P2(2)+P1(3).

另外可通過面陣和TDI間的靈活切換，滿足靜態實時調焦和動態掃描成像兩方面的需求，大幅提高成像系統的靈敏度和信噪比，輕松解決高分辨率凝視拍照難題。另外，利用FPGA可實現CMOS相機級數連續可調，解決了TDI CCD級數只能在固定幾個數字內選擇，往往得不到合適灰度的欠缺。

4.2 高動態范圍視頻成像技術

無論采用TDI CCD還是利用CMOS實現TDI功能，其成像技術還是以獲取靜態圖像為主。目前隨著國外開始發展的視頻衛星在軌運行后，視頻監視載荷所提供的視頻產品具有動態直觀、信息豐富等特點令人矚目。與傳統對地觀測衛星相比，視頻遙感衛星在具備對目標進行長時間的動態實時監測能力的同時，能夠根據地面情況迅速改變觀測地區和觀測重點，更有利于突發事件的快速響應和災害實時監視等。因此，部署并應用視頻衛星將是航天遙感信息獲取的重要發展方向。

圖8 TUBSAT在軌視頻成像Fig.8 TUBSAT on-orbit video imaging

從文獻［14］中可以看出，德國在視頻衛星領域研究較早，其研制的TUBSAT衛星所拍攝的視頻截圖如圖8所示。從獲取的視頻數據上看，其視頻相機雖然在動態目標監視和災害監測方面優勢明顯，但仍存在不能覆蓋視場內場景動態范圍的缺陷，即在一幀內同時出現過曝光和欠曝光，造成視頻信息缺失。

因此，未來發展高分辨視頻衛星必須解決高動態范圍視頻成像技術，以適應航天應用領域不同的光照條件。目前高動態范圍圖像獲取方法主要有:多次曝光法、多靶面曝光合成、單像素集成多個感光單元、光學衰減器法等。出于對航天產品高穩定和高可靠方面的考慮，中科院長春光機所正在開展基于優化改進多次曝光技術的高動態范圍視頻載荷相關技術研究，將高幀頻成像傳感器輸出的多幀低動態范圍視頻幀融合為一幅高動態范圍圖像，最終形成幀頻大于25 frame/s的高動態范圍視頻序列［15］。高動態范圍視頻載荷關鍵技術及解決方法如表3所示。

表3 高動態范圍視頻載荷關鍵技術及解決方法Tab.3 Key technologies and solutions of high dynamic video

4.3 基于可重構模塊的柔性化集成技術

傳統大衛星功能豐富且系統復雜，分系統之間接口眾多，常采用按需定制的研制方式，而現代小衛星由于受到研制成本和研制周期的制約，需重點研究并發展柔性化集成技術以避免大衛星小型化的做法，實現整星柔性化集成的優勢在于:

(1)降低系統復雜程度，即插即用;

(2)減少設計、制造及測試周期;

(3)降低整星研制成本;

(4)增強適應性以滿足不同功能需求。

國外在小衛星柔性化集成方面起步較早，90年代初美國宇航局(NASA)便提出了小衛星柔性化設計和集成公用模塊理念，利用模塊化、標準化、系列化和產品化的技術手段，實現了小衛星對突發事件快速信息獲取的能力，并通過多顆ORS衛星的研制進行了技術驗證。目前我國相關科研機構與高校也開始關注小衛星柔性化設計方法，其中哈爾濱工業大學提出的基于可重構模塊實現整星柔性化集成引領了我國新型小衛星設計理念［16］，符合我國國情并適應我國未來小衛星發展的需要。

圖9 可重構綜合電子系統體系結構Fig.9 Structure of reconfigurable integrated electronic system

基于可重構模塊建立的新型星上綜合電子系統以可重構星載計算機為核心，通過選配可重構接口單元進行接口擴展，并輔以用于分系統或單機組部件間信息傳輸或交換的標準信息網絡(如控制區局域網絡總線(CAN)總線等)組成，可實現衛星的柔性化集成［17］。該新型綜合電子系統具備通用性強(適合不同類型任務要求)和適應性廣(適合不同接口部件集成)的特點，其體系結構如圖9所示。其中，可重構星載計算機和可重構接口單元統稱為可重構模塊。

可重構星載計算機以FPGA為核心，可依據星上任務進程自主調整電路結構進而動態改變星上計算機功能，利用單一處理器資源分時復用實現多處理器功能可簡化星上中心機配置數量和在軌升級機制，同時還在系統層增強了其對輻射損傷的應對能力［18］。

可重構接口單元同樣以FPGA為核心，通過配置FPGA實現諸如RS422、AD、DA等非標準接口至標準CAN總線接口轉換以及標準星上協議轉換，便于非標設備及組部件的集成。

目前關于小衛星通用化、模塊化、組合化的研究領域十分廣泛，需投入精力更加深入細致地進行技術創新。

4.4 基于軟件總線的星載軟件設計技術

星載軟件系統是由多個嵌入式軟件子系統組成的，主要實現飛行任務管理、姿態控制、載荷管理及遙測遙控等功能。在當前衛星功能集成度不斷提高的過程中，星載硬件發展較快，變化較大，而軟件設計由于受飛行任務和硬件環境不同的影響逐漸暴露出可重用性差、開發和測試周期長以及無法快速集成等問題。為解決上述問題，最終實現軟件動態的即插即用，采用軟件總線技術已成為星上軟件工程化研究的重點［19］。

圖10 基于軟件總線的星載軟件系統架構Fig.10 On-board software architecture based on software bus

基于軟件總線的星載軟件系統總體架構如圖10所示。整個系統由外部數據接口、各功能組件、軟件總線、數據庫和實時多任務操作系統等組成。系統中掛接于軟件總線上的各功能組件彼此之間相互獨立，僅通過軟件進行數據交互;軟件總線又直接與底層實時多任務操作系統及外部數據接口相連。當衛星需依照具體任務要求動態產生增加或刪除組件，只需通過配置總線系統管理模塊中相關組件列表即可實現軟件重構，從而快速完成系統軟件開發工作。

軟件總線設計思想是通過軟件總線的系統管理、調度管理和數據服務實現外部數據的采集、組件的動態加載、組件間數據交換等功能，最終實現非耦合模式下各個組件的協同工作。其實現的核心技術是總線調度管理模塊設計，通過該模塊實現對各組件的調用、安裝、卸載和完成對組件數據庫的管理，并根據需要處理的數據流使用自身任務調度機制，將數據流不斷傳遞至相應組件，驅動整個系統連續工作。

我國在軟件總線方面的研究起步較晚，研究成果距航天應用還有一定距離。不過無論作為未來快速戰術星應用還是實現衛星規?；a業化快速生產，均需要軟件快速集成，其中軟件總線是有效的技術手段。

4.5 星載一體化設計技術

傳統衛星一般由有效載荷和衛星平臺構成。雖然衛星平臺的使用可以避免不同衛星所需服務系統的重新研制，但是其針對性較差，包絡空間和質量都較大，不適于高分辨小衛星的小型化和輕量化。而星載一體化是以載荷為中心，圍繞載荷布局展開設計，在進行載荷和平臺的設計時兼顧對方利益，通過采用光、機、熱一體化設計與分析手段完成對整星結構參數的優化設計，使系統整體的性能最優。

目前，國外高性能衛星上已經廣泛采用星載一體化設計，Pleiades即采用了這種以載荷為中心，圍繞載荷進行布局的高度一體化的設計方法，如圖11所示。其載荷主承力背板既是主鏡的支撐結構，又是星上其他部件的安裝底板，有效減輕了整星重量［20］。同時，Pleiades所采用的高精度星敏感器及陀螺頭部均是與載荷的主承力背板以及CCD焦平面組件進行統一設計安裝，以保證姿態測量系統坐標基準的穩定性，提高高分辨成像過程中的姿態控制精度。

圖11 Pleiades星載一體化結構布局Fig.11 Integration structure of Pleiades

采用星載一體化設計可突破載荷與平臺的界限，具有如下優點:

(1)整星結構簡化，系統集成度高，實現了衛星的輕小型化設計，進而促使研制及發射成本大幅度降低;

(2)基于結構一體化設計，衛星質心低，傳力路徑好，與傳統分部式設計相比，衛星基頻大幅提高;

(3)整星轉動慣量小，有利于姿態控制系統機動性能的提高;

(4)星上儀器設備圍繞載荷展開布局，衛星構型為近似圓柱型，徑向直徑包絡小，更有利于小火箭靈活發射;

(5)星敏感器、陀螺等姿態敏感器件與載荷光學系統共基準安裝，減少了姿態測量誤差，使姿態控制精度和載荷成像定位精度大大提高。

采用星載一體化除具備上述優點外，還需通過對載荷及衛星結構的裝配特點進行詳細研究，尋求一體化衛星總體集成的最佳結合，完成一體化衛星總裝流程及裝配、檢測方案設計?？傊捎眯禽d一體化設計是高分辨小衛星未來發展的趨勢。

5 結論

縱觀國內外遙感衛星的發展狀況可以看出，具有高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率、高機動能力、高集成化等諸多特點為一體的高性能小衛星發展趨勢已經形成，作為 Astrium Services集團運營的新一代衛星中的一員，Pleiades的在軌運營值得我國航天科研工作者學習和借鑒。

本文有針對性地剖析了Pleiades在多星組網軌道設計、一體化超分辨焦平面設計、一體化綜合電子學設計及敏捷姿態控制系統設計等方面所采用的先進技術和設計理念，并在此基礎上提出了適應我國國情的新技術發展方向，但由于篇幅限制，需要繼續拓展的研究領域不能逐一說明，其中包括圖像后處理技術以及在軌圖像增強技術等。上述技術的應用可作為我國高性能一體化小衛星研制領域發展的重要參考。

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