SkySat衛星的系統創新設計及啟示

周宇 王鵬 傅丹膺

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

SkySat衛星的系統創新設計及啟示

周宇 王鵬 傅丹膺

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

介紹了美國天空盒子成像公司的新型微小商業遙感衛星系列——“天空衛星”（SkySat）的性能、產品及系統運行情況。簡述了此衛星系列的高分辨率圖像和高清視頻數據產品指標、應用定位及設計和研制中的新理念。描述了其天地一體化的系統運行模式，并重點分析了其獨特的系統設計思想，以及數字延遲積分成像、謹慎商業現貨應用、動態任務規劃等技術創新。最后，在此基礎上總結出其在遙感衛星應用模式多樣化、衛星系統設計一體化、低成本小衛星星座化等方面對微小衛星研制及應用的相關啟示。

微小衛星；商業遙感；視頻成像；數字時間延遲積分成像

1 引言

近年來國際上微小衛星技術發展十分迅速，以美國新興小衛星公司為代表的企業和研究機構推出了大量的高性能微小衛星項目和計劃。特別是在商業遙感領域，微小衛星正逐漸進入業務市場，如已經發射的天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的“天空衛星”（SkySat）系列微衛星實現了1 m級高分辨率圖像，行星實驗室公司（Planet Labs）的鴿群-1（Flock-1）系列納衛星實現了3～5 m分辨率成像和星座化運行（截至2015年6月仍有20顆衛星同時在軌），而計劃發射的項目還有道里亞宇航公司（Dauria Aerospace）的低成本小衛星等［1-2］。這些項目都體現了降低成本、通過星座化運行提升數據獲取時效性和覆蓋性的微小衛星的應用思路。這其中SkySat系列衛星則是重要的代表，自其2013年11月首顆星SkySat-1發射并發布第一批靜態圖像和視頻數據以來就得到了廣泛的關注。SkySat-1是首顆實現優于1 m分辨率光學成像的微衛星（100 kg以下），同時也是首顆實現1 m級分辨率高清視頻成像的商業遙感衛星。此系列衛星在系統設計和產品實現上體現出了其獨特的創新點，多項技術創新與低成本結合的設計和實踐道路使得技術、用戶、運營三者更加緊密的結合。其創新不僅體現在衛星通過新理念和新技術的采用，使得衛星以較低的成本具備較高的性能，還體現在其提出了“小衛星、大數據”的概念，使得衛星遙感和互聯網技術相結合，豐富用戶應用模式，推動遙感應用延伸。

本文介紹了SkySat系列衛星的運營思路和相關產品情況，重點對SkySat-1衛星系統設計中所采用的一體化設計思路和新型面陣成像、商業現貨應用、任務規劃優化設計等關鍵技術進行了分析研究，并在此基礎上總結了該項目對我國遙感微小衛星研制和應用的啟示。

2 SkySat衛星系統簡介

SkySat衛星是由美國Skybox Imaging公司設計研制的光學遙感微小衛星。該公司為一家2009年成立的硅谷創業公司，其創新性地對自己做了定位，即不再僅僅是一家衛星研制公司，而是擁有衛星總體設計研制能力、自主運營的衛星遙感信息供應商。衛星應用的最終目標是在全球范圍內“關注地面日常變化”，以較低成本提供性能適中的定制化區域遙感圖片和分析數據，目標用戶是對成本要求低、圖像性能要求適中、分發時間略敏感的用戶［3］。公司已經分別于2013年11月和2014年7月發射了SkySat-1、2，并計劃于2015年發射SkySat-3（目前尚未發射）［4］。3顆衛星的軌道分布和外形圖如圖1所示。

SkySat-1、2衛星的設計參數基本一致。衛星質量約90 kg，體積為60 cm×60 cm×80 cm，設計壽命2～3年，SkySat-3由于增加了推進系統，體積約為60 cm×60 cm×95 cm，質量120 kg［5］。Skybox Imaging公司作為遙感圖像信息的提供商，其實現了從衛星獲取、對地傳輸到地面處理與信息分發這一整條“生產線”式的工作鏈路。

Skybox Imaging公司的整個業務系統運行如圖2所示，未來計劃通過24顆微小衛星形成星座對全球進行高密度的重訪觀測。地面應用接入終端設備則是公司自主開發的移動收發終端——“天空節點”（Sky Node）［6］。該設備能夠使用戶在自己指定的位置下達成像任務、接收下載數據以及形成圖像產品。公司開發了地面數據處理系統，該網絡化系統基于云計算的海杜普（Hadoop）平臺，并且通過其它輔助信息，實現對用戶所要求的遙感應用數據的最終生成。它不僅可以應用于SkySat衛星，還面向“昴宿星”（Pleiades）等其它衛星以及無人機等遙感系統的數據處理。系統的創新點在于不止完成圖像處理，而是更進一步完成用戶對遙感信息處理的深度要求，提供的產品也可以是定量化的數據分析信息（如車流量、貨運碼頭的吞吐量以及儲油量等）。表1列出了Skybox公司提供的3類產品［7］。

圖1 SkySat-1/2/3衛星軌道分布示意圖Fig.1 Orbit distribution of Skysat-1/2/3

圖2 SkySat衛星系統運行與應用示意圖Fig.2 Operation and application for SkySat systems

表1 Skybox Imaging衛星相關產品Table 1 Products of Skybox Imaging Inc.

3 SkySat衛星技術創新分析

衛星在100 kg量級實現了較高技術指標，特別是實現了全色、多光譜的靜態亞米級圖像以及1 m級分辨率的視頻圖像數據的獲取。為了實現這樣的高性能，SkySat衛星在設計思路上進行了創新。首先，衛星在系統設計上考慮了天地一體化的高指標實現，利用地面的數據處理提升成像質量；其次，衛星整星一體化、集成化設計使得其在較小的體積和質量下實現了較高的功能密度；而為了實現后續星座化的運行部署，其在設計上還考慮了低成本的實現途徑和相應的可靠性保障。

3.1 整星一體化設計與緊湊構型布局

為了實現緊湊的構型，在整星設計上以光學載荷為核心。圖3是SkySat-1衛星的構型設計示意圖。從圖中可以看出，衛星在構型布局設計上圍繞光學載荷開展。衛星通過核心的支撐框架實現相機光學系統的固定，電子設備通過集成化、模塊化設計，集中安裝于衛星構型底部，整個衛星的構型實現了平臺載荷的一體化。

圖3 SkySat-1衛星設計示意圖Fig.3 Schematic of SkySat-1

為了滿足載荷數據傳輸需求，衛星采用了直徑約47 cm的拋物面天線，而為了增加衛星的緊湊性和整體性，減小發射體積，設計了折疊-展開式的數傳天線結構［8］。如圖4所示，數傳天線位于衛星頂部，與衛星艙板實現一體化，使得在發射狀態能夠實現整星緊湊構型，就像一個方盒子。通過對展開機構和展開路徑的巧妙設計和對內部空間的有效利用，實現了入軌后天線展開與鎖定，天線波束方向與光軸指向一致，有利于衛星數據及時高速下傳。

圖4 SkySat-1衛星射頻天線展開與收攏構型示意圖Fig.4 Schematic of SkySat-1 before and after RF antenna deployed

3.2 新型面陣成像系統與數字TDI技術

SkySat衛星的高分辨率成像系統是由其技術團隊自己設計開發的，并通過在軌成像和地面處理相結合的方式實現了高分辨率、高信噪比圖像和視頻數據的獲取。

相機光學系統設計采用成熟的高性能里奇-克萊琴（Ritchey-Chretien）系統，口徑350 mm，并采用10.4的大F數設計，以實現更高的分辨率［9］。探測器則采用低噪聲、高幀頻的5.5 M像素商業面陣互補金屬氧化物半導體（CMOS），既支持了高重疊率推幀成像，又可實現視頻數據的獲取。如圖5所示，成像系統通過3片探測器的拼接在600 km軌道高度實現8 km的成像幅寬。巧妙地通過對面陣探測器的一部分進行加工，集成了多光譜成像能力，實現了全色與多光譜、視頻與靜態圖像的綜合獲取［10］。

圖5 SkySat-1探測器拼接示意圖Fig.5 Schematic of SkySat-1's camera sensor design

采用面陣成像和高幀頻短時曝光模式，能夠降低對衛星平臺姿態控制穩定度的要求，同時能夠減少因曝光引起的像移模糊，還可以獲取視頻數據。但是短時曝光也存在問題，即較短的曝光時間會造成很低的信噪比，從而影響圖像的質量。SkySat的技術創新之一，即是利用數字時間延遲積分（TDI）成像技術來解決上述問題。衛星在軌通過面陣推幀（push frame）模式獲得大量的具有高重疊率的面陣圖像（如圖6所示），圖像以JPEG2000格式壓縮并發到地面。通過地面處理，在序列圖像配準的基礎上，對相同目標點成像像素處理提升信噪比，實現類似TDI的成像效果，得到高質量的二維圖像。同時充分利用獲得的序列圖像，通過超分辨率重建算法，使得圖像分辨率由1.1 m提升到0.9 m。

圖6 SkySat-1數字TDI示意圖Fig.6 Digital TDI conception

序列圖像配準是超分辨率重建中的重要步驟，配準算法中對序列圖像中運動模式估計的準確程度，對超分辨率重建的精度起到了決定性作用。SkySat采用的幀間配準基于頻率域相位相關的圖像配準算法，實現多幀序列的亞像素級配準精度，并且具備較強的魯棒性，以適應不同成像場景、較低的目標高度角以及較大的地形起伏等苛刻條件。頻域方法的配準模型考慮了空域內圖像平面內的平移和平面內的旋轉問題，而這正是推幀成像所造成的主要幀間移動誤差。關于圖像超分辨率重建國內外已有多種算法，SkySat-1則采取了Dirk Robinson等人提出的適合序列圖像應用的快速多幀超分辨率處理算法［11］，將運動估計縮小到亞像素量級，包含基于相機點擴散函數的模型去卷積算法，從而實現基于多幀圖像的超分辨率重建，同時提升信噪比和調制傳遞函數（MTF）。

3.3 成像系統在軌定標與曝光優化

1）相對幾何定標

衛星在軌相對幾何定標選擇了利用高分辨率、高精度圖像源作為標準進行處理。實際操作中SkySat-1利用了Pleiades衛星的高精度、高分辨率圖像數據。

衛星為相機焦面的每個像素都建立了7自由度高精度模型，包括焦平面內的平移、旋轉，平面的三軸旋轉以及每個像素的二維微小誤差（如圖7所示），并通過自主算法實現高精度的幾何校正，算法流程如圖8所示。通過處理實現相對誤差精度控制在亞像素級［12］。

圖7 SkySat-1像元7自由度幾何模型Fig.7 Camera model of SkySat-1

圖8 SkySat-1相對幾何標定算法流程圖Fig.8 Flow charts of relative geometric calibration for SkySat-1

2）相對輻射定標

Skybox Imaging公司的Byron Smiley博士等人開展了衛星相對輻射定標的針對性工作。在所生成圖像被壓縮處理前，進行相對輻射定標工作。所用數據包含均勻場測試數據和暗景測試數據。均勻場測試采用對云層成像，并通過多幅圖像（SkySat-1運用了1100幅）分析處理，得到非均勻性的校準模版，如圖9所示，以對獲取圖像進行均勻性校正，使得整幅圖像像素增益偏差不超過平均值的1%。

圖9 全色譜段響應不均勻性分布情況Fig.9 PAN gain for non-uniformity correction

衛星暗景測試方面，一是在天線（即相機遮光罩）展開前進行成像并作為基準，二是在陰影區對地成像，利用獲得的暗景圖像來分析發現探測器死點像素，利用暗景圖像和均勻場圖像，分析得出探測器死點在探測器總數的0.27%～0.37%之間。在此基礎上，利用其消除死點技術來提升獲得圖像的質量。

3）成像曝光優化

為了得到更好的圖像質量，并更好地利用衛星資源，SkySat-1衛星采用了成像曝光優化技術，以更好地實現曝光時間和推幀成像幀頻的設置。該項技術的核心是建立了目標成像輻射分析模型，以此來計算在不同成像條件下到達相機孔徑的輻射量。不同于復雜的計算模型，此模型是建立了速查表形式的模型，包括目標海拔高度、大氣光學厚度、太陽高度角、衛星成像側擺角等參數，實現對不同區域的曝光參數設計，綜合衛星推幀速率控制和積分時間設置實現高信噪比和低相移模糊度。圖10顯示了春分日降交點地方時為10：30的軌道所對應的成像曝光時間全球分布情況。

圖10 SkySat-1不同緯度在軌成像曝光時間分布情況Fig.10 Integration time across the earth for SkySat-1

3.4 謹慎的商業現貨應用

低成本也是SkySat在研制過程中一直強調的特點之一。衛星大量采用了商業現貨（COTS）產品和技術，既降低了成本，又具有很高的性能。例如不同于傳統高端商業遙感衛星采用的價值百萬美元量級的處理器系統，SkySat-1使用了市場上能夠采購的高性能集成芯片，成像探測器應用了如前所述的高性能商用CMOS芯片，此外直接應用了手機使用的高密度閃存等商業電子產品。而在基于COTS技術的低成本應用方面，則包括微機電系統（MEMS）的慣性導航系統、用于電鉆的磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）以及汽車的電力電子和CAN總線技術等［13］。

但另一方面，作為商用遙感衛星，可靠性保障仍然是必不可少的，而如何在大量采用商用器件的前提下還能保障一定的可靠性，正是SkySat-1研制團隊研究的關鍵技術之一。當前的衛星研制有兩類主要的可靠性保障思路：一種是傳統航天系統強調的抗輻射設計（Rad Hard Approach），另一種是更多大學皮納衛星研制過程中采納的“即買即飛”（Buy and Fly Approach）。前者在高可靠性保障的同時也帶來了高成本、長周期和器件性能相對較低的問題，而后者雖然成本很低但要付出高風險和短壽命等代價。SkySat-1衛星在研制時則采用了謹慎的商業現貨方法（Careful COTS），以綜合前面兩種方法的優點［14］。基于此種方法的產品研制流程如圖11所示。

圖11 謹慎的商業現貨方法設計流程圖Fig.11 Careful COTS flow charts

為了實現對COTS產品的可靠性保障，產品設計時要經過準確的模型分析，該模型也是CarefulCOTS的核心技術之一。在確定輸入條件時綜合考慮了任務軌道、壽命、太陽周期、輻射源、能譜、屏蔽等多個參數，重點對線性能量傳遞（Linear Energy Transfer，LET）和電離總劑量輻射（Total Ionizing Dose，TID）進行分析評估，并反饋進行產品設計改進。具體設計中，選擇盡可能低的器件工作電壓和負載電流，如設計低偏置電壓和采用較大的降額以減少單粒子影響。減少集成電路芯片的種類，盡量采用高集成度的芯片器件。在單粒子翻轉（SEU）的針對性設計中，避免數字芯片在重配置過程中輸入輸出（I/O）引腳造成損壞，使用內嵌糾錯碼（Error Correcting Code，ECC）的COTS內存，在硬件ECC不可用時，利用軟件ECC實現。

3.5 任務規劃優化設計

作為商業遙感衛星，SkySat需要面向眾多的用戶需求來對大量的目標成像，而其面陣成像所具備的靈活成像模式，更是使其應用效能有較大提升。但一個重要問題也隨之而來，即如何使衛星具備更好的任務規劃能力來實現最大的效能，同時還能滿足用戶更多的要求。衛星的任務規劃需要具備靈活的適應性，以面對臨時的優先級高的任務加入（如突發事件）或者是臨時裁撤的既定目標（如天氣變化、云遮擋）等要求。Skybox Imaging公司開發了一種算法來滿足上述的要求［15］。該算法基于有向無環圖（Directed Acyclic Graphs，DAG），而不同于傳統最優路徑問題中尋找最短路徑的思路，算法尋找的是最高加權值的路徑問題（或者可理解為最長路徑問題）。

有向無環圖是描述一項事件進行過程的有效工具，通過拓撲排序來代表一個可行的項目執行過程。在SkySat衛星軌道運行的一段時間內，任務的數量是有限的，而任務也將按照一定的順序來完成，這樣任務規劃的最優問題就可轉換為有向無環圖問題。圖中的“點”代表成像或數據下傳任務位置，而各條“有向邊”則代表衛星實現兩個節點間的指向姿態機動過程，建模時將考慮每個任務所允許的起始時間窗口和衛星在規定時間內的姿態機動角度限制。對目標的最優任務規劃即是通過該有向無環圖的最高權重的路徑，而人工介入則表現于修改（增加或減少）圖的“邊”設置。圖12（a）對于日本海附近目標設計了A～F的6個任務，圖12（b）則為該問題的有向無環圖，任務執行的時間順序由左向右表示，其中“有向邊”的連接順序考慮了衛星的姿態機動能力。加入每一個成像任務點的量化權重（如A＝5， E＝3，其它為1），可最終計算出路徑（紅色標出）。

圖12 基于有向無環圖的任務規劃算法示意圖Fig.12 Mission scheduling optimization based on directed acyclic graphs

4 啟示和建議

1）遙感衛星應用模式多樣化

Skybox Imaging公司把在軌衛星、數據接收和地面處理作為統一的整體來設計，而且這種設計并不是簡單的物理上的鏈接和一體化，而是在系統指標、產品生成流程上的天地一體化。通過提供高體驗的數據服務，開發低端商業遙感市場，向最終用戶延伸。與大型政府用戶不同的是，中小型用戶不再關心衛星系統如何獲取信息，而更關注信息本身，因此提供完整天地應用系統，將更可能最終獲得這部分用戶。借鑒SkySat的多樣化應用模式，探索我國微小衛星系統應用與“互聯網＋”等信息技術的聯合創新，對遙感衛星的應用延伸到更多服務領域將有一定的促進作用。

2）衛星設計采用一體化思路

SkySat系列衛星的系統總體設計充分考慮了一體化模式，體現在兩個方面：一是不再局限于衛星本身，而是瞄準最終的圖像指標，綜合考慮天地資源利用與技術重點，利用面陣推幀成像模式結合地面高精度處理實現了亞米級分辨率圖像和高清視頻產品，實現天地一體化設計；二是在衛星本身設計上考慮衛星資源的節省，圍繞相機進行緊湊構型設計，在電子系統加強集成化設計，充分利用高性能微小型化的單機產品和COTS部件，提升整星功能密度比。這對于我國開展實用化微小衛星研制，在星上資源有限條件下提升衛星的特定應用能力具有一定的參考價值。

3）低成本小衛星星座化應用

不僅是Skybox Imaging公司，當前國際上多家遙感小衛星公司都提出了星座化的運行理念。不可否認的是，微小衛星受限于在軌資源，還不能實現一些高質量遙感衛星的能力。但是微小衛星利用成本較低的優勢，通過星座化運行，提升重訪周期，監測目標區域的動態變化信息將是其走向實用化的一個重要途徑。隨著我國衛星遙感需求的不斷增長和用戶類型的不斷擴展，發展較低成本的微小衛星星座，獲得部分用戶所關注的、時效性較高的圖像數據，將很可能是衛星遙感發展的一個新市場。

5 結束語

微小衛星一直是近年來航天技術發展的活躍領域。SkySat系列衛星的研制、發射和在軌運行，代表了新一代微小衛星的技術發展水平，也體現了國外在微小衛星系統設計與應用方面的創新發展思路。相關的星座化部署、分布式用戶數據接收與分發應用、面向用戶需求的數據處理與信息產品生成等新模式對微小衛星實用化也具有重要意義。充分利用微小衛星的特點，結合信息化、網絡化應用，增強用戶體驗，降低用戶應用門檻，將可能是衛星發展的一個重要方向。

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（編輯：張小琳）

System Innovation and Enlightenment of SkySat

ZHOU Yu WANG Peng FU Danying
（DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）

The capability，system operation and data products of the high-performance microsatellites SkySats built and operated by the commercial remote sensing startups Skybox Imaging are introduced.The performance and application ways of the high resolution imagery and high-definition video are also summarized.Some creative ideas and new technologies are adopted during the design and producing activities.The space-earth integration system design concepts and innovations are analyzed，such as high resolution digital time delay integration（TDI）imaging，careful use of commercial off-the-shelf（COTS）products and dynamic programming.Finally，some enlightenment about microsatellite development is also proposed，such as diversified remote sensing application，integratied system design and low cost satellite constellation.

microsatellite；commercial remote sensing；video imaging；digital TDI imaging

V474.2

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.014

2015-07-13；

：2015-09-02

周宇，男，碩士，工程師，研究方向為小衛星總體設計。Email：zhouyu0408@163.com。