微納衛星發展現狀及在光學成像偵察中的應用

石　榮，李　瀟，鄧　科(電子信息控制重點實驗室，四川成都610036)

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微納衛星發展現狀及在光學成像偵察中的應用

石榮，李瀟，鄧科
(電子信息控制重點實驗室，四川成都610036)

摘要:對當前微納衛星在空間環境感知、新技術空間演示驗證、空間科學試驗、通信與數據傳輸、對地或對空間目標進行光學成像觀測等方面的主要應用形態進行了歸納總結，分析了采用微納衛星實施光學成像偵察的優勢，給出了應用實例，并提出在航天偵察應用中大力發展光學成像偵察微納衛星的相關建議。從而為后續微納衛星在航天光電偵察中的廣泛應用提供了參考。

關鍵詞:微納衛星;光學成像偵察微納衛星;應用形態;光學成像觀測;航天偵察

0　引言

國際上對衛星大小的劃分一般是以整星質量為標準，總體分為3類: 2 000 kg以上的為大型衛星; 1 000 ～2 000 kg的為中型衛星; 1 000 kg以下的為小型衛星。其中小型衛星再按質量又細分為: 500～1 000 kg的為小衛星; 100～500 kg的為超小衛星; 10～100 kg的為微衛星; 1～10 kg的為納衛星;以及1 kg以下的為皮衛星。而微納衛星一般是微衛星與納衛星的統稱，即通常把整星質量在1～100 kg范圍的衛星稱為微納衛星。隨著技術的發展，原來需要幾噸甚至十幾噸重的衛星來完成的任務，現在可以通過幾顆、十幾顆或幾十顆微納衛星來共同實現，這已經成為未來航天應用的重要發展趨勢之一。

相對于大型衛星來說，微納衛星也存在不足，所以在此對微納衛星與大型衛星之間做了一個全面的對比，以便合理應用、揚長避短。對于航天偵察應用來說，采用微納衛星實施光學成像偵察具有一定的優勢，美國陸軍開始研制并應用“鷹眼”微納光學成像偵察衛星等事件也印證了這一點。所以在未來一段時間內光學成像偵察微納衛星將成為航天光電偵察領域中的重點之一。

1　微納衛星與大型衛星的優劣對比

相對于大型衛星來說，微納衛星的優勢主要體現在如下幾個方面:

1)研制周期短，發射簡潔快速，且發射成本低，能夠滿足局部戰爭和突發事件中戰術性應用的快速響應要求，同時也滿足新技術快速驗證的需求。

2)系統應用靈活，整體可靠性高。將一顆大衛星的任務分散由眾多微納衛星來一起完成，任務可靈活裁減與組合。大衛星上任何一個部件失效將造成整星報廢，但眾多微納衛星中任何一顆失效，僅造成整體性能下降，而且還可以通過地面快速補充發射來替代失效的微納衛星。

3)通過數量優勢來實現星座組網運行，可達到整個衛星系統對地重訪周期的大幅度縮短。

4)在保證任務功能的前提下，可以大量使用商業貨架產品與器件，從而大大降低了微納衛星的研制成本。

相對于大型衛星來說，微納衛星的劣勢主要體現在如下幾個方面:

1)單顆微納衛星的供電能力非常有限。對于納衛星，整星供電一般在幾瓦至三四十瓦范圍;對于微衛星，整星供電一般在幾十瓦至一百多瓦。這就要求衛星有效載荷必須在極低功耗條件下運行，凡是涉及到需要高能耗的航天應用，采用微納衛星平臺幾乎都不太現實。

2)單顆微納衛星的體積很小，無法安裝較大的接收天線與發射天線，這就造成衛星平臺的遙測遙控與通信數傳能力非常受限，通常情況下數據傳輸速率不高。特別是對于對地發射來說，發射天線小且增益低，再加上有限的供電使得發射機的輸出功率小，造成整星的有效全向輻射功率EIRP很小，所以其信息傳輸能力通常不高。

3)單顆微納衛星的運算處理能力比較受限，這主要是受整星功耗的限制，一般不可能采用多顆高性能處理芯片進行并行運算，所以通常不具備高性能的星上處理能力，信息存儲能力也同樣受限。

4)單顆微納衛星的功能非常單一，所執行的任務也比較簡單，不可能像大型衛星那樣具有多功能綜合一體化能力，通常不能執行復雜型任務。

5)在單星可靠性方面，微納衛星也遠低于大型衛星，這主要是由其設計理念和大量采用商業貨架產品與器件所帶來的影響，所以微納衛星的使用壽命也比較短，不可能長時在軌運行。

上面主要是從有效載荷的角度來展開對比，除此之外，從衛星平臺方面考慮，微納衛星相對于大型衛星來說，衛星姿態的控制誤差大，軌道保持與在軌機動能力弱，整星的電磁兼容與熱控調節能力差。由此可見，在當前微納衛星成為航天應用的一個熱點之際，我們既要看到微納衛星所具有的優點，同時也要全面地認識到微納衛星所存在的不足。只有在全面理解的基礎上，才能更好地發揮出微納衛星在航天應用中的優勢，合理取舍，揚長避短。

2　當前微納衛星的發展現狀與應用形態

通過對國內外在微納衛星應用方面的文獻報道的歸納總結可知［1－8］，到目前為止，全世界所研制的各種微納衛星的應用形態主要集中在如下幾方面: 1)空間環境感知; 2)新技術空間演示驗證與空間科學試驗; 3)通信與數據傳輸; 4)對地或對空間目標進行光學成像觀測等，詳細情況如下。

2．1空間環境感知

微納衛星在空間環境感知中的典型應用情況如表1所示。

表1　微納衛星在空間環境感知中的典型應用情況列表

2．2新技術空間演示驗證與空間科學試驗

微納衛星在新技術空間演示驗證與空間科學試驗中的典型應用情況如表2所示。

2．3通信與數據傳輸

微納衛星在通信與數據傳輸中的典型應用情況如表3所示。

表2　微納衛星在新技術空間演示驗證與空間科學試驗中的典型應用情況列表

表3　微納衛星在通信與數據傳輸中的典型應用情況列表

2．4對地或對空間目標進行光學成像觀測

微納衛星在對地或對空間目標進行光學成像觀測中的典型應用情況如表4所示。

3　采用微納衛星實施光學成像偵察及其應用實例

3．1采用微納衛星實施光學成像偵察的優勢

通過歸納總結可以發現采用微納衛星對地或對空間目標進行光學成像觀測的應用較多。采用微納衛星實施光學成像偵察的優勢主要體現在:

1)光學成像傳感器自身具有體積小、質量輕的特點，而這一特點正好與微納衛星平臺條件相匹配。特別是隨著近年來光學集成和COMS成像器件研制技術的進步，成像傳感器的微型化幾乎發展到了極至。

2)光學成像傳感器的功耗也非常低，通常只有瓦量級。這一供電需求對于微納衛星平臺來說，極易得到滿足。另一方面，由于微納衛星的星地通信能力受限，不可能傳輸大容量的連續視頻流，所以對于微納衛星上星載相機的拍攝速度要求也不高，否則會造成數據積壓無法下傳。

3)由于微納衛星運行軌道低，從低軌道對地面實施觀測，達到米量級的分辨精度，對光學組件的技術要求不高，技術實現也相對容易，同時還可以大量采用商業貨架部件，大大節約研制成本。

4)因為人眼和大腦的配合就已經具備了一定的光學圖象處理、識別和判讀能力，所以對于光學成像偵察微納衛星拍攝的圖片，可以直接傳輸給用戶進行初步使用，這就避免了星上對數據的復雜加工與二次處理過程，而星上數據處理恰好是微納衛星的弱項，而且這樣的直接透傳也在一定程度上確保了偵察信息的實效性。

5)光學圖像信息的容錯能力相對較強，在衛星上即使由于單離子效應造成幾個像素的比特信息發生錯誤，但這幾個像素相對整幅具有幾百萬個像素的圖像來說，對于圖像目標的識別和信息利用也幾乎沒有太大的影響。

6)光學圖像的預處理與圖像壓縮傳輸技術都非常成熟，很多技術都完全做成了商業化的專用芯片，在微納衛星上直接利用這些商業貨架芯片來構建整個圖像預處理和壓縮傳輸子系統是非常方便的，而且也可以有效地控制成本。另一方面由于圖像壓縮比非常大，這大大降低了對微納衛星的星地數傳能力的要求。

由此可見，相對于其它微納衛星應用來說，光學成像偵察微納衛星在研制與制造方面技術成熟度更高，同時這也為戰術性快速響應、低成本快速發射和在軌補充提供了便利。上述這些優勢條件，使得基于微納衛星的光學成像偵察具有極高的戰術應用價值，從而為其大規模常態化應用奠定了基礎。

表4　微納衛星進行光學成像觀測中的典型應用情況列表

3．2光學成像偵察微納衛星的應用實例

上文對微納衛星對地或對空間目標進行光學成像觀測的典型應用已經進行了比較詳細的列表介紹，實際上除此之外，還有微納衛星專門用于光學成像偵察的實例，這些實例也進一步印證了前面所總結的采用微納衛星實施光學成像偵察的優勢所在。

1)美國陸軍的第二顆微納衛星“鷹眼”

美國陸軍“鷹眼”微納衛星項目將進一步探索微納衛星的軍事應用潛力，它是美國作戰及時響應型太空資產的一部分，是美國陸軍的第二顆微納衛星。如圖1所示，“鷹眼”微納衛星是美國陸軍航天導彈防御司令部研制的光電成像偵察衛星，用于單兵的戰術應用。單顆衛星質量為12 kg，能產生1．5 m分辨率的圖像;作戰中士兵可以直接向該微納衛星下達指令，對感興趣的地面目標與區域進行成像，并在同一衛星可見弧段(大約10 min以內)將相應的圖像照片回傳給該士兵。“鷹眼”微納衛星計劃最多發射30顆。

“鷹眼”項目由智能技術微系統公司負責，它源于美國國防預先研究計劃局DARPA的一顆安裝了0．254 m望遠鏡、質量為9 kg的衛星項目。“鷹眼”微納衛星的下行鏈路每秒可以傳回兩張圖像照片，衛星的成像分辨率為1．5 m，每顆衛星可瞬時覆蓋64．75 km2的區域，雖然它不算是高分辨率的成像衛星，但是通過該圖像，已經足夠識別地面的建筑物和車輛等目標，這對于陸軍作戰應用將非常有幫助。

“鷹眼”微納衛星將直接接受前線作戰部隊的指揮，并直接向地面站傳送圖像。一個由30顆微納衛星組成的星座可具備全球全天時覆蓋能力。圖像可以反饋到圖片服務器上，供多個部門使用。與其它微納衛星一樣，其重要特點就是降低了研制成本，每顆“鷹眼”微納衛星的成本在100萬美元左右。“鷹眼”項目獲得成功之后，它們可用于建造擁有紅外和可見光相機、雷達和其它傳感器的偵察衛星，還可用于建造通信微納衛星，以便按需增加通信傳輸帶寬，所以“鷹眼”微納衛星項目將為未來微納衛星的軍事應用提供示范。

2)“納眼”衛星

如圖2所示，“納眼”衛星質量約為20 kg。地面作戰人員可以控制“納眼”衛星，在給衛星發出指令10分鐘內就可從便攜電腦或者無線電設備上獲得衛星圖像。“納眼”衛星可以迅速進入太空，可在幾個小時內發射就緒。它使用0．25 m的天線。最佳運行高度是200～300 km的極地軌道。可拍攝分辨率達到0．5～0．7 m的圖像，在軌壽命為6個月至1年。“納眼”衛星主要驗證低成本的空間近實時圖像對陸地戰術作戰人員的效用。“鷹眼”衛星的相關作戰概念和優勢同樣適用于“納眼”衛星。

圖1　“鷹眼”微納衛星

圖2　“納眼”衛星樣機照片

3)“小型靈敏戰術衛星”

美軍研發的“小型靈敏戰術衛星”質量約為32kg，在軌壽命為36個月，衛星成像分辨率為1．5～2m。每顆衛星成本約為300萬美元。該衛星能夠在三種工作模式之間轉換:以即瞄即拍模式工作時，能在單次飛過同一戰區時獲取多幅圖像，類似于美軍其它的新型成像衛星;以獨特的場景模式工作時，能沿一系列由緯度和經度坐標定義的預定路徑拍攝靜止圖像或視頻，它能以每秒4幀的速度拍攝5百萬像素的圖像，每幅有50%的圖像重疊;以實時視頻模式工作時，能以實時的“人正在環路中”瞄準方式跟蹤用戶指定的目標。它能以每秒1～2幀的速度為用戶提供100萬像素的黑白實況視頻，也可以先存儲再回放，以進行更高分辨率的數據分析。

由上可見，在發展光學成像偵察微納衛星方面，美軍近年來新啟動了眾多的項目，這也反映了光學成像偵察微納衛星在快速響應和戰術偵察方面的優勢所在。

4　大力發展光學成像偵察微納衛星的建議

采用微納衛星實施光學成像偵察具有眾多的優勢，這些優勢都是與微納衛星的特點完全匹配的，所以在光學成像偵察微納衛星發展與應用方面有如下建議:

1)在具有快速響應要求的戰場戰術偵察中進行推廣應用。

光學成像偵察微納衛星在整個微納衛星應用中的技術可行性已經得到了驗證，技術成熟度相對較高，戰術應用價值也相對較大，所以需要根據當前與未來的軍事作戰需求，在具有快速響應要求的戰場戰術偵察中進行推廣應用。

2)采用快速入軌方式對低軌反導預警系統進行有效補充。

由于反衛星武器的發展，大型的反導預警衛星在戰爭期間極易遭受攻擊而失效，而光學成像偵察微納衛星研制周期短，發射周期短，在大型反導預警衛星失效期間，可以快速發射入軌進行臨時性補充，在此期間執行臨時性的反導預警任務。

3)在天基目標監視系統中進行應用，實現對重點天基目標的近距離成像監測。

在地面進行天基目標的監視由于距離遠，觀測的有效性和分辨率都比較受限，特別是對于高軌空間目標的監視難度更大。如果采用光學成像偵察微納衛星對重點天基目標實施監視，可以針對被監視目標對象的特點，將微納衛星發射到其附近，與其同軌伴飛，這樣就可以對重點天基目標實施近距離成像監測，從而彌補地面監測的不足。由于微納衛星成本低，這樣的監視應用模式對于高價值天基目標監視要求來說也是可以接受的。

4)采用星座組網實現對重點和熱點地區的長期有效的監視。

微納衛星研制與發射成本都比較低，這為大規模應用提供了條件，通過幾十顆光學成像偵察微納衛星采用低軌星座組網形式，可以實現對重點和熱點地區的可持續性的覆蓋，從而為上述重點和熱點地區的長期監視提供了條件。

5)跟飛已有的電子偵察衛星，實施多種偵察信息的融合處理。

針對電子偵察衛星，根據應用需求補充發射與之同軌跟飛的光學成像偵察微納衛星，在電子偵察衛星對地面電子目標實施偵察定位之后，再引導處于同軌跟飛的微納衛星對需要進一步確認和識別的重點目標所在區域實施光學成像偵察，通過光學圖像信息與電子目標的電磁輻射信息的融合處理，來進一步得到更加準確可靠和更有價值的戰場情報。這將是已有的航天電子偵察與微納衛星光學成像偵察的有效結合，這也將創造出一種新的航天偵察應用模式。

當然除此之外，也要從技術研發上進行投入，研究更加高效的圖像處理與識別算法，以適應微納衛星平臺在體積、質量和功耗方面的嚴格受限條件，進一步提高星上的處理能力，這可以為光學成像偵察微納衛星能力的進一步提升奠定基礎。

5　結束語

微納衛星的應用性研究與試驗在近幾年中已經成為航天領域的新的重點和熱點，既要看到微納衛星的優勢，也要看到其不足，只有擇優去劣，才能揚長避短。通過對當前世界各國微納衛星發展現狀和應用形態的分析，可以發現微納衛星在對地或對空間目標進行光學成像觀測應用方面，技術成熟度相對較高。所以在微納衛星發展過程中，針對航天偵察應用領域，同樣也需要優先發展光學成像偵察微納衛星，后續再帶動微納衛星的其它軍事應用的逐步發展，所提出的相關建議可為后續微納衛星的系統論證、設計研制和應用研究等提供參考。

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聲明

本刊不向作者收取任何費用，若有向作者提出需繳納諸如審稿費、版面費、加急費等，均屬欺詐行為。特此聲明。

《航天電子對抗》編輯部

Development situation of micro-nano satellite and its application in optical reconnaissance

Shi Rong，Li Xiao，Deng Ke
(Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory，Chengdu 610036，Sichuan，China)

Abstract:The main application configuration of micro-nano satellites is summarized，such as the space environment perception，verification and demonstration of new technique，space science experiment，communication and data transmission，optical imaging observation to object in space or on the earth，and so on．The advantages for optical micro-nano satellite to do reconnaissance are analyzed and the examples are given in succession．The suggestions for development of the optical micro-nano satellite are raised．It is an important reference for extensive use of micro-nano satellite in aerospace photoelectric reconnaissance．

Key words:micro-nano satellite; optical reconnaissance micro-nano satellite; application configuration; optical imaging observation; aerospace reconnaissance

作者簡介:石榮(1974－)，男，博士，主要從事電子對抗、雷達與通信系統方面的研究。

收稿日期:2015－06－15; 2015－10－20修回。

中圖分類號:TN971

文獻標識碼:A