面向空間雲時(shí)代的(de)微納遙感衛星技術發展

　　近年來(lái)，國際上微納衛星技術發展迅速，多(duō)家企業和(hé)研究機構推出了(le)各種高(gāo)性能微納衛星計劃，特别是在商業遙感領域如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的(de)“天空衛星”（SkySat）系列微衛星、行星實驗室公司（Planet Lab）的(de)鴿群－1（Flock－1）系列納衛星、衛星邏輯公司（Satellogic）的(de)“新衛星”（Newsat）系列微納衛星等。這(zhè)些項目都計劃通(tōng)過星座化(huà)的(de)運行，實現較高(gāo)的(de)時(shí)間分(fēn)辨率和(hé)空間分(fēn)辨率的(de)遙感信息獲取，使得(de)微納衛星進一步走向實用(yòng)化(huà)。

　　微納遙感衛星發展現狀與趨勢

　　微納衛星迅速發展的(de)重點
　　微納衛星近年來(lái)的(de)蓬勃發展同時(shí)得(de)益于需求的(de)不斷牽引和(hé)技術的(de)快(kuài)速進步。前者來(lái)源于目前用(yòng)戶在經曆了(le)傳統遙感應用(yòng)的(de)體驗後，随著(zhe)互聯網和(hé)大(dà)數據思維的(de)影(yǐng)響，越來(lái)越對(duì)數據的(de)時(shí)效性、覆蓋性和(hé)應用(yòng)靈活性提出了(le)更多(duō)樣化(huà)的(de)需求。後者則得(de)益于微機電和(hé)信息技術的(de)階躍式發展，使得(de)微納衛星能夠實現較高(gāo)的(de)功能密度，走向遙感應用(yòng)。但同時(shí)還(hái)是需要認識到，受限于資源、低成本可(kě)靠性風險和(hé)批量工程化(huà)難度，微納衛星的(de)發展仍要面臨一些問題：
　　1）低成本與高(gāo)性能。微納衛星要實現快(kuài)速發展，面臨的(de)主要矛盾是既要求實現低成本，同時(shí)還(hái)要實現高(gāo)性能，低成本是前提和(hé)基礎，高(gāo)性能是發展要求，兩者兼顧才能得(de)到高(gāo)性價比。
　　2）微納衛星完成定量化(huà)遙感任務。傳統衛星的(de)解決思路對(duì)資源和(hé)管理(lǐ)運行的(de)要求顯然不适用(yòng)于微納衛星，因此微納衛星需要通(tōng)過新的(de)技術解決定量化(huà)問題。
　　3）資源受限條件下(xià)的(de)平台載荷一體化(huà)設計。改變傳統衛星設計思想，通(tōng)過系統設計分(fēn)析，綜合利用(yòng)載荷資源和(hé)平台資源，實現平台載荷一體化(huà)設計。

　　微納衛星技術未來(lái)發展趨勢
　　近年來(lái)，微納衛星由于具有低成本、短周期、發射靈活等突出特點，國内外衆多(duō)工業部門和(hé)大(dà)學研究機構紛紛參與，促使微納衛星技術迅速發展。微納衛星的(de)技術發展趨勢可(kě)以從三個(gè)層次進行分(fēn)析：
　　1）系統層面。低成本化(huà)是微納衛星技術發展的(de)重要方向。
　　2）分(fēn)系統或單機層面。采用(yòng)集成功能單元化(huà)設計方法。實現星上射頻(pín)設備通(tōng)用(yòng)化(huà)、軟件化(huà)。采用(yòng)機電熱(rè)集成化(huà)設計，設備無纜化(huà)。
　　3）應用(yòng)層面。結合任務特點，針對(duì)衛星星座和(hé)星簇，采用(yòng)星座化(huà)部署，網絡化(huà)應用(yòng)；針對(duì)多(duō)星在軌任務，采用(yòng)智能化(huà)、協同化(huà)；應用(yòng)智能衛星自主管理(lǐ)技術，實現運控自主化(huà)；通(tōng)過衛星軟件化(huà)、智能化(huà)特點，實現應用(yòng)直達便捷化(huà)。

　　微納遙感衛星技術發展途徑分(fēn)析

　　以低成本爲核心的(de)微納遙感衛星設計哲學
　　高(gāo)性能微納遙感衛星系統設計的(de)核心問題是在低成本和(hé)資源嚴重受限條件下(xià)，爲達到較高(gāo)的(de)遙感定量化(huà)應用(yòng)要求，如何提高(gāo)微納功能性能密度比。其設計哲學的(de)核心是一體化(huà)系統設計，主要通(tōng)過平台載荷一體化(huà)實現，包括基礎級、功能級和(hé)任務級。在設計微納衛星時(shí)，充分(fēn)采用(yòng)面向用(yòng)戶任務特點的(de)設計方法，充分(fēn)理(lǐ)解用(yòng)戶應用(yòng)場(chǎng)景，從衛星操控和(hé)數據獲取的(de)便利性方面入手，使得(de)衛星好用(yòng)、易用(yòng)。
　　（1）基于商業現貨的(de)謹慎設計
　　微納衛星由于集成度很高(gāo)，需要大(dà)量采用(yòng)COTS器件或組件，如何用(yòng)好商業貨架産品是一個(gè)需要重點關注的(de)技術。對(duì)COTS器件形成一套适用(yòng)于微納衛星的(de)器件篩選方法，在軌驗證後形成COTS器件庫；對(duì)于COTS組件需要逐步摸索，形成适用(yòng)于星載應用(yòng)的(de)COTS組件群，同時(shí)不斷更新完善。
　　由于微納衛星大(dà)量采用(yòng)COTS器件或組件，需要在系統設計上進行加強設計，對(duì)COTS器件可(kě)能存在的(de)單粒子翻轉或鎖定進行系統層面的(de)防護，采取單粒子翻轉及計算(suàn)機複位後重要數據恢複、單粒子鎖定後自主加電等必要的(de)技術手段，将出現的(de)故障降低在單機或組件層面，短期自主恢複，不影(yǐng)響系統任務。
　　（2）标準化(huà)産品體系與研制流程規範
　　在設計中要強化(huà)整星一體化(huà)設計，具體包括系統級一體化(huà)設計和(hé)單機功能的(de)一體化(huà)設計，實現型号扁平化(huà)設計，減少單機産品數量。如采用(yòng)綜合電子一體化(huà)設計，提高(gāo)衛星功能密度。綜合電子将星載計算(suàn)機、測控、GPS、電源管理(lǐ)、姿軌控計算(suàn)與管理(lǐ)等功能模塊集成統一管理(lǐ)。弱化(huà)分(fēn)系統概念，采用(yòng)以公共母闆爲供電信息交換中心的(de)多(duō)模塊組合方案，統一采用(yòng)CAN總線，實現整星電子學高(gāo)度集成、闆卡化(huà)。
　　采用(yòng)構型一體化(huà)設計，提高(gāo)單機緊湊度。從整星全局出發，将部分(fēn)儀器設備的(de)外殼作爲結構的(de)一部分(fēn)，減少主承力結構設計的(de)複雜(zá)性。構型一體化(huà)設計将進一步減輕衛星結構尺寸和(hé)整星質量。實現一體化(huà)很重要的(de)一點是要建立标準化(huà)的(de)技術體制，實現接口的(de)标準化(huà)，具備一體化(huà)整合、功能改進的(de)空間。
　　衛星在設計和(hé)生産中都要考慮成本的(de)控制以及對(duì)用(yòng)戶基于成本的(de)應用(yòng)需求的(de)滿足。這(zhè)需要從研制流程、設計制造、産品保證和(hé)組織管理(lǐ)等多(duō)個(gè)維度來(lái)綜合考慮，重點關注少量與批量化(huà)研制流程優化(huà)、标準化(huà)設計、先進仿真設計手段、COTS産品的(de)應用(yòng)與可(kě)靠性保障、低成本衛星AIT與試驗、管理(lǐ)模式等衆多(duō)要素和(hé)環節。

　　高(gāo)性能成像系統的(de)創新開發
　　（1）探測器的(de)革新換代，促進遙感器的(de)輕小型化(huà)和(hé)高(gāo)靈活度。采用(yòng)高(gāo)性能探測器，并有針對(duì)性設計光(guāng)學系統與探測器相匹配，高(gāo)度集成化(huà)，電路更輕更小、功耗更低，同時(shí)也(yě)會降低光(guāng)學系統的(de)體積規模。TDICCD推掃成像光(guāng)學遙感器，可(kě)以時(shí)間延遲積分(fēn)，可(kě)以一定程度上提高(gāo)信噪比，采用(yòng)大(dà)F數的(de)光(guāng)學系統，實現高(gāo)空間分(fēn)辨率，但需要高(gāo)穩定的(de)姿态控制；面陣CMOS凝視成像的(de)光(guāng)學遙器，可(kě)以靈活地調整積分(fēn)時(shí)間，高(gāo)幀頻(pín)視頻(pín)成像模式，采用(yòng)數字TDI技術，降低對(duì)衛星姿态穩定要求；面陣sCMOS等低噪聲高(gāo)幀頻(pín)高(gāo)動态範圍探測器的(de)進一步采用(yòng)，将大(dà)幅度降低遙感器的(de)體積規模，提升成像質量，催生各種新的(de)成像模式，促進從靜态圖像到動态視頻(pín)的(de)數據獲取升級。
　　（2）在軌軟技術的(de)提升，促進微納衛星好用(yòng)易用(yòng)。實現在軌高(gāo)精度高(gāo)頻(pín)次定标方法的(de)廣泛應用(yòng)，保證成像質量，促進遙感定量化(huà)應用(yòng)。包括各種相對(duì)和(hé)絕對(duì)輻射定标以及幾何定标方法的(de)廣泛采用(yòng)，充分(fēn)發揮衛星自身的(de)能力和(hé)優勢，盡量不用(yòng)或者少用(yòng)地面定标場(chǎng)和(hé)真實性檢驗場(chǎng)，可(kě)以在整個(gè)在軌業務化(huà)運行期間，以較小的(de)代價持續保證精度和(hé)質量，大(dà)幅度提升微納衛星的(de)輻射、幾何精度和(hé)成像質量，彌補其性能的(de)不足。
　　在軌成像參數精細化(huà)設置，以充分(fēn)用(yòng)好衛星潛能，保證獲得(de)高(gāo)質量的(de)數據源。在精确在軌标定的(de)基礎上，根據地面景物(wù)特性、光(guāng)照(zhào)條件、大(dà)氣條件、成像模式等，結合遙感器的(de)成像特性和(hé)微納衛星的(de)敏捷能力，進行在軌精細化(huà)的(de)參數設置（包括積分(fēn)時(shí)間、TDI級數、增益等）和(hé)任務規劃，有效發揮衛星系統的(de)最大(dà)效益，在絕大(dà)多(duō)數條件下(xià)都能獲得(de)高(gāo)質量的(de)圖像數據源。
　　（3）新材料與新型結構設計。促進遙感器高(gāo)穩定性能和(hé)輕小型化(huà)輕小型光(guāng)學遙感器采用(yòng)高(gāo)強度、低密度、低膨脹系數的(de)材料作爲反射鏡及光(guāng)機結構材料，如超薄碳化(huà)矽、輕質合金、碳纖維增強複合材料等。微納衛星遙感器在采用(yòng)新型輕質材料實現輕小型化(huà)的(de)同時(shí)，全複合材料結構設計還(hái)能夠消除反射鏡、光(guāng)機結構等各部件因材料性能差異引起的(de)不匹配性，實現系統的(de)高(gāo)穩定性能。在采用(yòng)整機模塊化(huà)設計的(de)微納衛星結構中，衛星平台通(tōng)過柔性連接結構對(duì)遙感器實現準靜定支撐。
　　柔性連接結構形式多(duō)樣，布局靈活，其柔性環節通(tōng)過自身變形吸收平台與遙感器之間溫度應力及裝配應力，其自身阻尼環節可(kě)有效隔離平台振動，減小衛星平台對(duì)遙感器成像質量影(yǐng)響。而且柔性連接結構質量輕，可(kě)有效減輕遙感器與平台的(de)連接環節質量。光(guāng)學系統采用(yòng)創新型高(gāo)緊湊型設計思想，通(tōng)過共體設計和(hé)高(gāo)确定度超高(gāo)精度先進加工技術，可(kě)同時(shí)實現光(guāng)學系統超高(gāo)微型化(huà)和(hé)高(gāo)性能密度。