小卫星高分辨率成像系统

2011-09-18林来兴

上海航天 2011年6期

林来兴

(北京控制工程研究所,北京 100190)

0 引言

近年来,国际上出现了小卫星研究热点。其发展可分为三个阶段：一是探索研究阶段(约从20世纪80年代末期～90年代末期),小卫星开始用于任务单一、系统简单、运行寿命短的科学试验研究、技术演示、教育等任务,探索应用高新技术,特别在小卫星中采用微电子技术和高速计算机方面取得成功经验,探讨小卫星扩大应用范围。二是小卫星发展成为卫星的一种,并作为大卫星的重要补充(约从20世纪90年代末～21世纪初),小卫星采用高新技术,真正成为技术性能好、质量轻、经济成本低、体积小、研制周期短的现代小卫星。三是引起卫星应用和卫星技术大变革(约在21世纪初),大量引入高新技术和新设计概念与先进科学管理方法的小卫星可在技术和经济上取代部分大卫星,如空间遥感中的对地观测高分辨率成像系统。本文对小卫星高分辨率成像系统进行了综述。

1 高分辨率成像系统

1.1 光学成像系统

近10年来小卫星典型光学高分辨率成像系统性能见表1～3。表中光学高分辨率成像系统分为三档：第一档为极高分辨率,0.5～1.0 m;第二档为高分辨率,1.8～2.5 m;第三档为中高分辨率,4～10 m。其中,Ikonos-2,快鸟-2,轨道观察-3和地平线-9小卫星的轨道高度(与分辨率成反比,而与覆盖宽度成正比)和CCD像元素数见表4。由表4可知：光学高分辨率成像卫星的发展趋势是质量减小,分辨率提高、费用减少,且卫星研制周期缩短。

表1 极高分辨率(0.5～1.0 m)小卫星性能Tab.1 Small satellite with very high-resolution 0.5～1.0 m

表2 高分辨率(1.8～2.5 m)小卫星性能Tab.2 Small satellite with high-resolution 1.8～2.5 m

表3 中高分辨率(4～10 m)小卫星Tab.3 Small satellitewith mid-high resolution 4～10 m

表4 极高分辨率小卫星光学成像系统比较Tab.4 Optical imaging of small satellite with high-resolution

由此可见,现代小卫星的对地观测的高分辨率成像技术已取得重大突破。由小卫星组成星座,可显著增大对地观测覆盖区域,缩短成像重访时间,甚至可实现接近实时(时间分辨率为零),利于战场,灾情、洪水、火灾等对地观测。德国的5颗快眼微卫星将组成星座,在太阳同步轨道上每颗卫星相隔19 min,星上带有6谱段的多光谱成像仪,可实现全球每天重访1次。

小卫星星座若发生故障,则能借助星座备份卫星迅速恢复正常工作,同时还允许在临时更换小卫星星座某颗卫星时保持星座工作连续性,且整个星座费用远低于一颗大卫星。

1.2 合成孔径雷达

另一种高分辨成像系统是SAR。以往,SAR均由大卫星实现,卫星质量数吨,近年已在小卫星中获成功。如以色列的地平线-8小卫星是目前世界上中质量最轻、成像分辨率最高、成本最低的SAR卫星,而印度的X波段RISAT-2合成孔径雷达小卫星性能与其类似(其有效载荷由以色列提供)。其他的典型实例有：德国的TerraSAR-X,TenDEM-X卫星组成小卫星编队飞行,单颗SAR卫星的地面分辨率为1 m,覆盖宽度16 km,而进行编队飞行时,高程精度2 m。这是第一个采用编队飞行在地球低轨道以获得高程观测结果。意大利的CosmoSkymed星座由4颗SAR小卫星组成,地面分辨率1 m,该星座计划与法国光学成像卫星联合,组成军民两用对地观测系统,对地中海地区实现时间和空间皆为高分辨率成像。另外,最早采用大卫星实现SAR的加拿大也积极研制小卫星SAR,其计划发射的C波段SAR小卫星星座由3颗卫星组成,初步设计卫星质量1 300 kg,轨道高度592 km,用于海上监视、灾害管理和生态监测。

1.3 两种成像系统比较

光学和SAR各有特点。SAR成像系统的优点是不受日照和天气条件限制,可全天候、全天时对地预测,并对某些地物具有一定的穿透能力,在灾害监测、环境监测、海洋监测和军事应用等方面有独特优势;缺点是分辨率目前低于光学成像系统(SAR分辨率约1 m,光学的为其几分之一),且SAR一般要求功耗较大,天线结构较复杂,卫星质量较重。光学成像系统的优点是成像分辨率高,卫星质量较轻,经济成本低。另值得注意的是近年飞速发展的立方体星与纳星以及由它们组成的星座可实现全球覆盖,能同时实现高空间分辨率(3～4 m)和高时间分辨率(重访时间30～40 min),每颗纳星质量15～20 kg,价格1百多万美元,整个星座由50～60颗纳星组成,总成本不到1亿美元,相当一颗普通对地观测大卫星。

根据上述分析,如对地观测无特殊要求,应尽可能采用光学成像系统。

2 关键技术

涉及小卫星平台和高分辨率成像系统两部分,而高分辨率成像系统有光学与微波两种。光学成像系统的关键技术如下：

a)为扩大视场,提高成像质量,光学系统采用三反离轴。与目前采用三反同轴相比,光学加工和装调难度增大,特别是光学镜头球面加工等。

b)成像方式应采用线阵电荷耦合器件(CCD)推扫或面阵CCD复式成像。避免采用有可动的摆扫,提高系统可靠性和成像质量。像元尺寸大小是决定成像分辨率的重要因素,尺寸越小,分辨率越高。CCD线阵的发展趋势是减少像元尺寸和增加像元数,目前像元数可达上万个,像元尺寸为5～6μm。

c)采用时间延迟和时间延迟积分(TDI)CCD成像技术,减少相机相对孔径尺寸,降低相机质量。

d)相机结构采用碳化硅材料,减少温度变化对成像影响,实现相机结构轻量化(挖空),从而显著减小相机质量,预计从目前降低50%～60%到将来减少70%～80%。

e)高精度姿态控制系统设计和技术实现,姿态稳定度达到10-4～10-5(°)/s,同时要求相机安装在隔离振动的结构上,保证任何抖动均不影响成像分辨率。

f)成像数据处理和数据提取快速和简便。

小卫星SAR高分辨率成像的关键技术如下：

a)采用先进SAR天线结构和轻型材料。一般雷达成像为实现高分辨率须采用大天线,而SAR是在运行中发射一系列脉冲,并记录回波的振幅和相位,且这些回波信号可组合,其结果相当于这些信号同时从同一大天线发射出。为此SAR可用小天线获得高分辨率成像,采用先进SAR天线结构和轻型材料,使SAR质量进一步降低。目前,天线结构和轻型材料还需进一步改善。

b)研制低功耗发射机和接收设备,提高功率放大器尤其是固态放大器的效率。

c)快速数据处理,SAR处理有大量傅里叶变换,需实现快速处理,最理想的是能接近实时。

另外,小卫星高分辨率成像系统的关键技术还涉及小卫星的平台,其中的要点是提高小卫星功能密集度。功能密集度表示单位质量小卫星提供的功能,功能密集度高,则小卫星质量轻,且提供功能水平高。小卫星功能密集度具体包括小卫星的自身技术以及有效载荷与小卫星质量比两部分。小卫星本身技术功能密集度可由组成小卫星各分系统和部件的密集度表征,如星上电源分系统功能密集度表现为单位质量提供的功率和安时数;控制分系统表现为单位质量提供的控制精度;推进分系统表现为单位质量提供的速度增量(Δv),星上计算机(包含电子元器件)表现为单位质量提供的单位时间操作指令数等。目前,小卫星的功能密集度一般为35%～50%,若能逐步提高到60%～70%以上,则一颗质量100～200 kg的小卫星就可承担多种空间飞行任务。高功能密集度的小卫星会对高分辨率成像系统产生重大影响。

3 未来小卫星高分辨率成像系统

3.1 小卫星技术发展趋势

小卫星的未来发展趋势有：更换小卫星信息结构,保持与快速发展的信息及计算机技术同步,甚至在某些方面超前应用;采用分布式系统,特别是继续发展有创新应用的小卫星编队飞行,采用相互密切、协同工作的多颗小卫星实现稀疏合成孔经(数十米到数公里);能源和信息传输由空间无线传输获得;采用功耗与质量需要符合小卫星要求的电磁力和电推进替代化学推进;采用先进纳米技术、微米机电系统(MEMS)和纳米机电系统(NEMS);采用GPS或类似导航星座(GLONASS,Galileo和北斗星座等)为星上提供时标、位置、速度与姿态测量信息;运用微星、纳星和皮星的空间飞行演示验证,促进小卫星分类中微星、纳星、皮星等各种小卫星的逐级提升替换;提高小卫星功能密集度,包括提高有效载荷占整星比重和小卫星分系统与部件的功能密集度;设计和研制低成本、高可靠性、批生产的公共部件、系统和标准化模块,未来小卫星也将实现未来、快速、灵活、分离模块化、自由飞行、信息交换(F6)的功能模块和设计;采用先进、轻质量、高强度,对空间环境参数变化承受力强的材料,减小成像系统质量,提高成像质量。