面向空間云時代的微納遙感衛星技術發展

傅丹膺 周宇 滿益云 施思寒 劉佳 田川

（1 航天東方紅衛星有限公司，2 錢學森空間技術實驗室，3 中國空間技術研究院）

近年來，國際上微納衛星技術發展迅速，多家企業和研究機構推出了各種高性能微納衛星計劃，特別是在商業遙感領域如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的“天空衛星”（SkySat）系列微衛星、行星實驗室公司（Planet Lab）的鴿群－1（Flock－1）系列納衛星、衛星邏輯公司（Satellogic）的“新衛星”（Newsat）系列微納衛星等。這些項目都計劃通過星座化的運行，實現較高的時間分辨率和空間分辨率的遙感信息獲取，使得微納衛星進一步走向實用化。本文介紹了微納遙感衛星的整體技術發展情況，重點對技術發展途徑進行分析研究。

1 微納遙感衛星發展現狀與趨勢

微納遙感衛星憑借系統成本低、可集群/星座/組網運行、投入產出比高、發射/應用靈活度高、運營管理便捷等方面的突出優勢，備受多方用戶和商業公司青睞。其相比傳統衛星的相對優勢核心在于較低投資風險下獲得更高的任務性價比。微納遙感衛星依靠數量優勢，一是可獲得觀測高時間分辨率，提高有效產出數據比，彌補單星絕對能力劣勢；二是彈性分散分布式系統解決方案可以降低單星系統復雜度和成本，少數衛星的失效不造成全系統能力明顯下降，抵御風險能力強；三是可以高性價比支持大數據，進而以大數據創造未來。

微納衛星迅速發展的重點

微納衛星近年來的蓬勃發展同時得益于需求的不斷牽引和技術的快速進步。前者來源于目前用戶在經歷了傳統遙感應用的體驗后，隨著互聯網和大數據思維的影響，越來越對數據的時效性、覆蓋性和應用靈活性提出了更多樣化的需求，而這種需求使得越來越多的開發者想通過微納衛星來開拓和探索。后者則得益于微機電和信息技術的階躍式發展，使得微納衛星能夠實現較高的功能密度，走向遙感應用。

但同時還是需要認識到，受限于資源、低成本可靠性風險和批量工程化難度，微納衛星的發展仍要面臨一些問題：

1）低成本與高性能。微納衛星要實現快速發展，面臨的主要矛盾是既要求實現低成本，同時還要實現高性能，低成本是前提和基礎，高性能是發展要求，兩者兼顧才能得到高性價比。由于質量、體積和功耗的嚴格制約，采用高度集成化、低功耗化的技術途徑是實現微納衛星高性能的不二途徑。高性能不僅體現在衛星處理能力、還體現在衛星的好用、易用性上，軟件化衛星將是微納衛星的一個重要特點。

2）微納衛星完成定量化遙感任務。真正的遙感應用需要一定精度的數據支持，而定量化的遙感數據獲取對衛星的設計提出了很高的要求。傳統衛星的解決思路對資源和管理運行的要求顯然不適用于微納衛星，因此微納衛星需要通過新的技術解決定量化問題。

3）資源受限條件下的平臺載荷一體化設計。改變傳統衛星設計思想，通過系統設計分析，綜合利用載荷資源和平臺資源，實現平臺載荷一體化設計，例如針對光學衛星特點，將星敏和相機一體化安裝，確保整星精度；將載荷視為數傳的外設，數傳相機集成化設計，充分利用載荷的外形與平臺進行構型一體化設計。探討研究多種平臺載荷一體化的設計方法，是微納衛星資源受限條件下一種有效的解決路徑。

微納衛星技術未來發展趨勢

近年來，微納衛星由于具有低成本、短周期、發射靈活等突出特點，國內外眾多工業部門和大學研究機構紛紛參與，促使微納衛星技術迅速發展。

從微納衛星發展來看，早期主要是作為業余無線電、科學試驗，真正應用很少。隨著電子技術的快速發展，集成度越來越高、性能越來越強的微納衛星開始出現。從部分技術指標來看，數十千克的微納衛星已經可以實現傳統數百千克級衛星的水平，微納衛星的實際應用時代已經來臨。

微納衛星的技術發展趨勢可以從三個層次進行分析：

1）系統層面。微納衛星由于單星能力有限，必然走向星座或星簇的發展，以衛星數量解決傳統衛星無法解決的衛星高時間分辨率的優點。因此低成本化是微納衛星技術發展的重要方向。微納衛星在有限的質量、體積和功耗的約束下，需要采用高集成度、標準化、模塊化設計理念，通過平臺載荷一體化設計、硬件軟件化設計和產品體系標準化設計，實現微納衛星技術的系統層面構架。

2）分系統或單機層面。采用集成功能單元化設計方法，標準智能設備芯片化、單板化，硬件軟件化。通過軟件無線電手段，實現星上射頻設備通用化、軟件化。采用機電熱集成化設計，設備無纜化。

3）應用層面。結合任務特點，針對衛星星座和星簇，采用星座化部署，網絡化應用；針對多星在軌任務，采用智能化、協同化；應用智能衛星自主管理技術，實現運控自主化；通過衛星軟件化、智能化特點，實現應用直達便捷化。

2 微納遙感衛星技術發展途徑分析

微納遙感衛星必須走低成本、商業化、規?；l展道路。要面向應用解決實際需求和問題，要不斷大膽創新探索，通過高性能化實現高性價比。最終通過“好使不貴、想要就有、簡便易用”的應用才能獲得市場的認可。只有通過一定規模的應用檢驗，微納商業遙感衛星才有可能走向藍海時代。

以低成本為核心的微納遙感衛星設計哲學

高性能微納遙感衛星系統設計的核心問題是在低成本和資源嚴重受限條件下，為達到較高的遙感定量化應用要求，如何提高微納功能性能密度比。其設計哲學的核心是一體化系統設計，主要通過平臺載荷一體化實現，包括基礎級、功能級和任務級。平臺載荷一體化不能簡單等同于集成化，也不只是單機層面的微型化，而是基于微型化和集成化基礎上的信息、能源、機電不同學科和層面的一體化設計，強調資源共享、接口標準化。常采用破壁復用實現資源共享，采用異構備份實現可靠性增長。在設計微納衛星時，充分采用面向用戶任務特點的設計方法，充分理解用戶應用場景，從衛星操控和數據獲取的便利性方面入手，使得衛星好用、易用。

（1）基于商業現貨的謹慎設計

微納衛星由于集成度很高，需要大量采用COTS器件或組件，如何用好商業貨架產品是一個需要重點關注的技術。對COTS器件形成一套適用于微納衛星的器件篩選方法，在軌驗證后形成COTS器件庫；對于COTS組件需要逐步摸索，形成適用于星載應用的COTS組件群，同時不斷更新完善。

由于微納衛星大量采用COTS器件或組件，需要在系統設計上進行加強設計，對COTS器件可能存在的單粒子翻轉或鎖定進行系統層面的防護，采取單粒子翻轉及計算機復位后重要數據恢復、單粒子鎖定后自主加電等必要的技術手段，將出現的故障降低在單機或組件層面，短期自主恢復，不影響系統任務。

（2）標準化產品體系與研制流程規范

在設計中要強化整星一體化設計，具體包括系統級一體化設計和單機功能的一體化設計，實現型號扁平化設計，減少單機產品數量。如采用綜合電子一體化設計，提高衛星功能密度。綜合電子將星載計算機、測控、GPS、電源管理、姿軌控計算與管理等功能模塊集成統一管理。弱化分系統概念，采用以公共母板為供電信息交換中心的多模塊組合方案，統一采用CAN總線，實現整星電子學高度集成、板卡化。采用構型一體化設計，提高單機緊湊度。從整星全局出發，將部分儀器設備的外殼作為結構的一部分，減少主承力結構設計的復雜性。構型一體化設計將進一步減輕衛星結構尺寸和整星質量。實現一體化很重要的一點是要建立標準化的技術體制，實現接口的標準化，具備一體化整合、功能改進的空間。

衛星在設計和生產中都要考慮成本的控制以及對用戶基于成本的應用需求的滿足。這需要從研制流程、設計制造、產品保證和組織管理等多個維度來綜合考慮，重點關注少量與批量化研制流程優化、標準化設計、先進仿真設計手段、COTS產品的應用與可靠性保障、低成本衛星AIT與試驗、管理模式等眾多要素和環節。

高性能成像系統的創新開發

（1）探測器的革新換代，促進遙感器的輕小型化和高靈活度

采用高性能探測器，并有針對性設計光學系統與探測器相匹配，高度集成化，電路更輕更小、功耗更低，同時也會降低光學系統的體積規模。TDICCD推掃成像光學遙感器，可以時間延遲積分，可以一定程度上提高信噪比，采用大F數的光學系統，實現高空間分辨率，但需要高穩定的姿態控制；面陣CMOS凝視成像的光學遙感器，可以靈活地調整積分時間，高幀頻視頻成像模式，采用數字TDI技術，降低對衛星姿態穩定要求；面陣sCMOS等低噪聲高幀頻高動態范圍探測器的進一步采用，將大幅度降低遙感器的體積規模，提升成像質量，催生各種新的成像模式，促進從靜態圖像到動態視頻的數據獲取升級。

（2）在軌軟技術的提升，促進微納衛星好用易用

實現在軌高精度高頻次定標方法的廣泛應用，保證成像質量，促進遙感定量化應用。包括各種相對和絕對輻射定標以及幾何定標方法的廣泛采用，充分發揮衛星自身的能力和優勢，盡量不用或者少用地面定標場和真實性檢驗場，可以在整個在軌業務化運行期間，以較小的代價持續保證精度和質量，大幅度提升微納衛星的輻射、幾何精度和成像質量，彌補其性能的不足。

在軌成像參數精細化設置，以充分用好衛星潛能，保證獲得高質量的數據源。在精確在軌標定的基礎上，根據地面景物特性、光照條件、大氣條件、成像模式等，結合遙感器的成像特性和微納衛星的敏捷能力，進行在軌精細化的參數設置（包括積分時間、TDI級數、增益等）和任務規劃，有效發揮衛星系統的最大效益，在絕大多數條件下都能獲得高質量的圖像數據源。

（3）新材料與新型結構設計，促進遙感器高穩定性能和輕小型化

輕小型光學遙感器采用高強度、低密度、低膨脹系數的材料作為反射鏡及光機結構材料，如超薄碳化硅、輕質合金、碳纖維增強復合材料等。微納衛星遙感器在采用新型輕質材料實現輕小型化的同時，全復合材料結構設計還能夠消除反射鏡、光機結構等各部件因材料性能差異引起的不匹配性，實現系統的高穩定性能。

在采用整機模塊化設計的微納衛星結構中，衛星平臺通過柔性連接結構對遙感器實現準靜定支撐。柔性連接結構形式多樣，布局靈活，其柔性環節通過自身變形吸收平臺與遙感器之間溫度應力及裝配應力，其自身阻尼環節可有效隔離平臺振動，減小衛星平臺對遙感器成像質量影響。而且柔性連接結構質量輕，可有效減輕遙感器與平臺的連接環節質量。

光學系統采用創新型高緊湊型設計思想，通過共體設計和高確定度超高精度先進加工技術，可同時實現光學系統超高微型化和高性能密度。

3 微納遙感衛星商業發展途徑分析

微納遙感衛星發展的必然途徑是規模化、星座化應用，其前提是在軌證明高應用有效性和高性價比。低成本實施途徑唯有通過產業化生產制造以實現，其基礎是產品標準化和流程規范化；高的應用有效性來源于兩個關鍵：一是對潛在需求的敏銳捕捉或喬布斯式的創造；二是快速實現樣機在軌技術和應用模式驗證，向用戶群提供快速體驗機會。喬布斯式的創造含兩個方面，一是無中生有的功能承諾，二是天外飛仙式的獨特解決方案。當然，國際航天也正在出現馬斯克式的新神奇，在微納衛星領域就有“天空衛星”、“一網”星座等案例正在演進。

微納遙感衛星發展的三個核心要素：創新、應用、低成本。創新含三個方面：技術創新、管理創新和商業模式創新。應用要解決好有效需求的精確提取和有效供給的獨特性實現，前者有蘋果手機，后者有共享單車和滴滴打車可供借鑒。低成本是關鍵基礎和必由之路。

需求包括宏觀需求和微觀需求，前者可能來源于一帶一路等國家倡議、國際合作與貿易，以及國內區域性經濟體；后者則可能來源于國內新興業態的信息需求和消費經濟擴張下的特定人群信息消費新模式。

以低成本高性能和用戶新應用、新體驗為目標的技術創新

技術創新是商業模式創新的前提和基礎，是“三創新”的原動力，沒有技術創新成果作支撐，商業模式創新就沒有實質性內容，管理創新就沒有任務載體。新技術催生新應用，吸引投資方和市場眼球；新應用帶來新體驗，刺激購買欲和示范普及。對于這種模式，蘋果手機、共享單車和特斯拉電動車等已經給出了成功的案例。

微納衛星的技術創新要瞄準“四高一低”，即高分辨率觀測、高覆蓋性獲取、高智能星上處理、高靈活度應用和低成本系統實現。

以創造性解決方案為核心的應用模式創新

商業模式創新是“三創新”的成功學核心，若沒有以應用模式創新為重要表征的商業模式創新來統括，技術創新成果就沒有商業號召力和經濟效益獲取途徑，管理創新就沒有施展空間。高靈活度智能化設計是實現面向用戶需求、實現靈活度應用的關鍵方向，也是實現衛星軟件化、智能化的重要途徑。其目的在于簡化運控操作模式，縮短任務時間鏈。具體包括定制性任務規劃、天地一體化、簡易測控與星座化長期自主運控、頻率選擇、端到端的傻瓜式應用（星上任務和地面應用軟件APP化）等。

以“微納衛星命運共同體”為理念的業態創新

微納衛星技術和投資門檻相對較低，中遠期市場預期大，目前處于八仙過海式的探索階段，對行業性發展缺乏統一的認識和高度共識，且尚未出現公認的成功典范和普世經驗。微納衛星走入大規模應用是公認大趨勢，但要實現這一愿景，還需有技術、經濟、應用、管理等方面的大膽嘗試，以獲得必要的經驗和教訓。微納衛星在商業航天領域中與軍民融合的綜合契合度很高，不難想象將可能出現如“微納衛星命運共同體”等為理念的業態創新模式，通過眾籌與聯盟使微納衛星早日走向大規模有效應用的藍海。

微納衛星開發創新流程圖

微納衛星的生命力是持續創新，微納衛星存在的根本原因在于它是探索性技術創新的天生優良載體；微納衛星的生存空間取決于性價比，即低成本基礎上的有效產出率；產業化是微納衛星發展的必然方向和歸宿，通過數量型運行體現優勢，彌補單星絕對性能和穩定性的劣勢，通過組批生產解決低成本帶來的經濟效益發展受限問題；微納衛星的命運決定于應用效能，成功之路源于有效應用的實踐檢驗；微納衛星成功的分水嶺和標準是面向本土化應用土壤的獨特解決方案，即應用模式。

微納衛星要實現可持續商業計劃，不僅要躲過各種暗礁，還要獲得可持續投融資、可持續技術創新與管理創新，更需要不斷探索商業模式創新。

關于應用模式創新，已有幾種可能突破模式：1）大數據與快速重訪：“天空衛星”、“鴿群”、“新衛星”的星座化建設或大批量部署，試圖提供數據創造未來、創造價值的低成本獲取手段，快速重訪帶來的高數據連續性應用；2）訂制性任務的快速便捷滿足：直控直傳試圖突破傳統獲取傳輸模式，為針對性用戶提供專屬訂制性解決方案；3）共享經濟的空間化：“共享”衛星與“滴滴”衛星。

4 結束語

國際上幾種典型的微納遙感衛星代表了目前技術的發展水平，但同時其提出的應用模式對微納衛星發展也具有重要意義。微納遙感衛星通過星座化運行，結合信息化、網絡化應用，增強用戶體驗，降低用戶應用門檻，將是微納衛星發展的一個重要方向。

百顆規模的微納遙感衛星星座化運行模式，將帶來衛星數據應用的變革，促進衛星應用的大眾化、服務化，廣泛服務于自然地球和社會地球的數字化監測。通過大幅度技術創新促進微納遙感衛星技術發展，實現低成本微納衛星“精而強”，為未來實現高性能“微納遙感云”建立技術能力和手段，可為各類用戶提供優質、便捷、高效的服務。