美國“天空衛星”技術探析

劉韜 （北京空間科技信息研究所）

美國高分辨率光學成像衛星的發展已有幾十年的歷史，軍用光學成像偵察衛星已從膠片返回型發展到傳輸型，分辨率高達0.1m。美國20世紀末開始發射高分辨率商業光學成像衛星，衛星質量多在2～3t，單星成本約4億美元，采用敏捷型衛星平臺，不但能進行全色和多光譜觀測，還能夠進行大比例尺的測繪，目前分辨率達到0.31m。然而這些衛星造價昂貴，幾顆大型商業衛星即使組成星座，時間分辨率也不高。隨著光機電技術的進步和宇航器件的小型化，以及對觀測時間分辨率需求的提升，近3年，美國商業光學成像小微衛星星座開始涌現，其中，高分辨率小微商業星座目前只有美國天空盒子成像公司（Skybox Imaging）發展的“天空衛星”（Skysat）。天空衛星技術創造了多個世界第一，取得了良好的應用效果。

1 天空盒子成像公司概況

天空盒子成像公司是一家來自硅谷的創業公司，堪稱為一家“互聯網+”型企業。將互聯網、大數據分析、高時效性的高分辨率圖像和高保真衛星視頻影像這些創新概念相結合，使該公司在商業遙感衛星市場上占有了一席之地。為了大規模批量制造“天空衛星”，并推進全球數據分發，2014年2月，天空盒子成像公司與美國勞拉空間系統公司（SS/L）簽訂了衛星制造合同。根據合同要求，勞拉空間系統公司將制造首批13顆“天空衛星”。互聯網搜索巨頭谷歌公司為了擴展業務，于2014年6月收購了天空盒子成像公司。

除了商業巨頭看重天空盒子成像公司外，美國軍方也將目光投向以天空盒子成像公司為代表的新興商業衛星圖像公司。2015年5月，美國地理空間情報局（NGA）在美國聯邦商業機遇網站（Federal Business Opportunities）上發布信息請求書（RFI），該文件指出，情報局正在考慮創新或非傳統解決方案，以滿足其對商業地理空間情報能力的需求，天空盒子成像公司有望于2017年成為該情報局的服務提供商。

2 “天空衛星”部署情況與技術初探

衛星發射和衛星指標基本情況

2013年11月21日和2014年7月8日美國分別成功發射了天空衛星－1和天空衛星－2。天空盒子成像公司還計劃于2016年底前發射13顆勞拉空間系統公司制造的“天空衛星”，屆時衛星總數量將達到16顆。計劃2020前，最終建成由24顆衛星組成的星座，星座重訪時間優于3h。“天空衛星”首星成本為5000萬美元，而一顆傳統的甚高分辨率衛星，如世界觀測-2（WorldView-2）的成本約4億美元。隨著“天空衛星”批量化生產，單星成本有望降低至2000萬美元。

“天空衛星”三維模型圖

“天空衛星”系列采用了低成本設計方案，開創了亞米級分辨率低成本衛星的先河。在技術上，“天空衛星”創造了多個第一，世界上首個亞米級分辨率微衛星（質量約100kg），首個采用大面陣“互補金屬氧化物半導體”（CMOS）探測器的對地觀測衛星，首個使用延時積分互補金屬氧化物半導體（TDI CMOS）技術的衛星，首個全幀速率高清視頻衛星。此外，“天空衛星”是天地一體設計的典型代表，地面圖像處理極大地補償了星上成像系統的不足。

“天空衛星”質量約91kg，運行在高600km的太陽同步軌道，采用由碳化硅（SiC）制造的里奇-克萊琴（R-C）反射光學成像系統。天空衛星－1在成像模式工作時，全色分辨率0.9m，4譜段多光譜分辨率2m，幅寬8km；視頻模式工作時，只能提供全色視頻，分辨率1.1m，覆蓋2km×1.1km。視頻30幀/秒，單次能夠持續拍攝90s，輸出H.264編碼格式的1080P高清視頻。

衛星技術特點

“天空衛星”采用了創新的設計思路和新型成像器件，注重天地一體化設計，使成本大幅度降低，并最大限度地發揮出系統的性能。具體技術特點如下所列。

（1）使用高幀速率互補金屬氧化物半導體面陣探測器，降低平臺指向穩定度要求，實現低成本

傳統的高分辨率成像系統使用延時積分電荷耦合器件（CCD）陣列，使其能夠收集足夠的光能實現高分辨率成像。電荷耦合器件的設計通常在數毫秒內收集足夠的光電子，以避免圖像模糊。但該器件要求衛星平臺的穩定度極高。例如，在600km軌道運行的衛星達到1m地面采樣距離，要求其瞬時視場為1.66μrad，在4ms的總的延時積分時間內，使指向精度保持0.5個像元，要求平臺指向穩定度為70rad/s (rms) 。此外，延時積分電荷耦合器件通常為定制產品，價格昂貴。

假設600km軌道的成像衛星達到1m分辨率對平臺穩定度的要求

焦平面由3塊互補金屬氧化物半導體探測器拼接

而“天空衛星”采用高幀速率互補金屬氧化物半導體面陣探測器，每幀曝光時間短于延時積分電荷耦合器件。盡管互補金屬氧化物半導體探測器每幀圖像的信噪比與延時積分電荷耦合器件相比低很多，但幀速率高，從而過頂時可拍攝同一地區的多幀圖像，通過地面圖像處理，大幅度提高信噪比（SNR），這稱為“地面延時積分互補金屬氧化物半導體”處理。“天空衛星”一幅原始圖像曝光時間約處于400μs量級，短曝光時間放松了平臺姿軌控系統穩定度需求，約為700rad/s，降低了平臺研制成本。

（2）地面圖像處理提升圖像質量

地面圖像處理在“天空衛星”成像過程中起到關鍵作用。“天空衛星”的600km高運行軌道、0.35m成像系統口徑、f/10.4相對孔徑以及探測器像元尺寸比一般延時積分電荷耦合器件大20%的指標使其物理分辨率為1.3m。利用以超分辨率處理為主要方法的地面圖像處理技術，使“天空衛星”的1.3m物理分辨率提升到0.9m的亞米級分辨率水平。

互補金屬氧化物半導體面陣探測器和地面處理軟件

“天空衛星”地面圖像處理流程

左圖為經超分辨率處理成全色圖像的原始圖像；右圖為約20幀原始圖像

“天空衛星”地面圖像處理流程包括預處理、幀對幀配準、超分辨率算法處理等。超分辨率處理的機理是通過多幅圖像疊加處理，提高信噪比，進而提高分辨率。幀對幀配準用于計算透視變化，超分辨率算法完善運動估計，最終使分辨率優化20%。地面圖像處理過程的輸入為原始圖像數據和遙測數據，輸出為全色圖像、多光譜圖像、全色銳化圖像、紅綠藍圖像和視頻等一系列產品。上述圖像產品均為結合幾何信息的重建后的高質量圖像。

超分辨率處理的前提是幀對幀運動的高精度估計，而幀對幀配準算法可提供這一結果。簡單來講，運動估計就是去尋求低分辨率圖像之間的偏移關系，即求出在兩幀圖像中同一對象的位置差，通過分析各分量圖像上的幾何畸變，估計出相對位移以及相對轉角等相對位置參數，然后使用一種幾何變換將圖像歸到統一的坐標系統中，其最終目的就是將所有的低分辨率圖像幀上的像素映射到一個共同參考幀上，從而實現圖像的細節恢復。幀對幀配準算法使用相位相關窗口的密集矩陣計算本地運動矢量。同時，幀間配準結合誤差分析使“天空衛星”的目標高度角低至35°。

超分辨率算法進一步完善運動估計，使估計量達到亞像元水平，然后進行優化，以從低分辨率的原始圖像中重建高分辨率全色圖像產品。優化算法通過多幀圖像，計算噪聲的平均值。同時，超分辨率算法與一個基于遙感器點擴散函數的模型去卷積算法一并工作。原始圖像經超分辨率處理后的全色圖像在信噪比和調制傳遞函數方面提升明顯。

3 結束語

“天空衛星”在綜合性能上創造了多個世界第一，同時，“天空衛星”貫徹了低成本設計理念，為中國大規模發展商業化的小型高分辨率光學對地觀測衛星提供了借鑒。首先，采用商業現貨降低了成本，其高幀速率互補金屬氧化物半導體成像探測器采用了商業現貨，比定制探測器成本低；其次，采用先進的地面圖像處理技術提高分辨率，節省了空間相機研制成本；最后，高幀速率面陣互補金屬氧化物半導體探測器的使用降低了衛星平臺穩定度的設計要求，進而降低了衛星平臺成本。