SkySat卫星的系统创新设计及启示

周宇 王鹏 傅丹膺

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

SkySat卫星的系统创新设计及启示

周宇 王鹏 傅丹膺

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

介绍了美国天空盒子成像公司的新型微小商业遥感卫星系列——“天空卫星”（SkySat）的性能、产品及系统运行情况。简述了此卫星系列的高分辨率图像和高清视频数据产品指标、应用定位及设计和研制中的新理念。描述了其天地一体化的系统运行模式，并重点分析了其独特的系统设计思想，以及数字延迟积分成像、谨慎商业现货应用、动态任务规划等技术创新。最后，在此基础上总结出其在遥感卫星应用模式多样化、卫星系统设计一体化、低成本小卫星星座化等方面对微小卫星研制及应用的相关启示。

微小卫星；商业遥感；视频成像；数字时间延迟积分成像

1 引言

近年来国际上微小卫星技术发展十分迅速，以美国新兴小卫星公司为代表的企业和研究机构推出了大量的高性能微小卫星项目和计划。特别是在商业遥感领域，微小卫星正逐渐进入业务市场，如已经发射的天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的“天空卫星”（SkySat）系列微卫星实现了1 m级高分辨率图像，行星实验室公司（Planet Labs）的鸽群-1（Flock-1）系列纳卫星实现了3～5 m分辨率成像和星座化运行（截至2015年6月仍有20颗卫星同时在轨），而计划发射的项目还有道里亚宇航公司（Dauria Aerospace）的低成本小卫星等［1-2］。这些项目都体现了降低成本、通过星座化运行提升数据获取时效性和覆盖性的微小卫星的应用思路。这其中SkySat系列卫星则是重要的代表，自其2013年11月首颗星SkySat-1发射并发布第一批静态图像和视频数据以来就得到了广泛的关注。SkySat-1是首颗实现优于1 m分辨率光学成像的微卫星（100 kg以下），同时也是首颗实现1 m级分辨率高清视频成像的商业遥感卫星。此系列卫星在系统设计和产品实现上体现出了其独特的创新点，多项技术创新与低成本结合的设计和实践道路使得技术、用户、运营三者更加紧密的结合。其创新不仅体现在卫星通过新理念和新技术的采用，使得卫星以较低的成本具备较高的性能，还体现在其提出了“小卫星、大数据”的概念，使得卫星遥感和互联网技术相结合，丰富用户应用模式，推动遥感应用延伸。

本文介绍了SkySat系列卫星的运营思路和相关产品情况，重点对SkySat-1卫星系统设计中所采用的一体化设计思路和新型面阵成像、商业现货应用、任务规划优化设计等关键技术进行了分析研究，并在此基础上总结了该项目对我国遥感微小卫星研制和应用的启示。

2 SkySat卫星系统简介

SkySat卫星是由美国Skybox Imaging公司设计研制的光学遥感微小卫星。该公司为一家2009年成立的硅谷创业公司，其创新性地对自己做了定位，即不再仅仅是一家卫星研制公司，而是拥有卫星总体设计研制能力、自主运营的卫星遥感信息供应商。卫星应用的最终目标是在全球范围内“关注地面日常变化”，以较低成本提供性能适中的定制化区域遥感图片和分析数据，目标用户是对成本要求低、图像性能要求适中、分发时间略敏感的用户［3］。公司已经分别于2013年11月和2014年7月发射了SkySat-1、2，并计划于2015年发射SkySat-3（目前尚未发射）［4］。3颗卫星的轨道分布和外形图如图1所示。

SkySat-1、2卫星的设计参数基本一致。卫星质量约90 kg，体积为60 cm×60 cm×80 cm，设计寿命2～3年，SkySat-3由于增加了推进系统，体积约为60 cm×60 cm×95 cm，质量120 kg［5］。Skybox Imaging公司作为遥感图像信息的提供商，其实现了从卫星获取、对地传输到地面处理与信息分发这一整条“生产线”式的工作链路。

Skybox Imaging公司的整个业务系统运行如图2所示，未来计划通过24颗微小卫星形成星座对全球进行高密度的重访观测。地面应用接入终端设备则是公司自主开发的移动收发终端——“天空节点”（Sky Node）［6］。该设备能够使用户在自己指定的位置下达成像任务、接收下载数据以及形成图像产品。公司开发了地面数据处理系统，该网络化系统基于云计算的海杜普（Hadoop）平台，并且通过其它辅助信息，实现对用户所要求的遥感应用数据的最终生成。它不仅可以应用于SkySat卫星，还面向“昴宿星”（Pleiades）等其它卫星以及无人机等遥感系统的数据处理。系统的创新点在于不止完成图像处理，而是更进一步完成用户对遥感信息处理的深度要求，提供的产品也可以是定量化的数据分析信息（如车流量、货运码头的吞吐量以及储油量等）。表1列出了Skybox公司提供的3类产品［7］。

图1 SkySat-1/2/3卫星轨道分布示意图Fig.1 Orbit distribution of Skysat-1/2/3

图2 SkySat卫星系统运行与应用示意图Fig.2 Operation and application for SkySat systems

表1 Skybox Imaging卫星相关产品Table 1 Products of Skybox Imaging Inc.

3 SkySat卫星技术创新分析

卫星在100 kg量级实现了较高技术指标，特别是实现了全色、多光谱的静态亚米级图像以及1 m级分辨率的视频图像数据的获取。为了实现这样的高性能，SkySat卫星在设计思路上进行了创新。首先，卫星在系统设计上考虑了天地一体化的高指标实现，利用地面的数据处理提升成像质量；其次，卫星整星一体化、集成化设计使得其在较小的体积和质量下实现了较高的功能密度；而为了实现后续星座化的运行部署，其在设计上还考虑了低成本的实现途径和相应的可靠性保障。

3.1 整星一体化设计与紧凑构型布局

为了实现紧凑的构型，在整星设计上以光学载荷为核心。图3是SkySat-1卫星的构型设计示意图。从图中可以看出，卫星在构型布局设计上围绕光学载荷开展。卫星通过核心的支撑框架实现相机光学系统的固定，电子设备通过集成化、模块化设计，集中安装于卫星构型底部，整个卫星的构型实现了平台载荷的一体化。

图3 SkySat-1卫星设计示意图Fig.3 Schematic of SkySat-1

为了满足载荷数据传输需求，卫星采用了直径约47 cm的抛物面天线，而为了增加卫星的紧凑性和整体性，减小发射体积，设计了折叠-展开式的数传天线结构［8］。如图4所示，数传天线位于卫星顶部，与卫星舱板实现一体化，使得在发射状态能够实现整星紧凑构型，就像一个方盒子。通过对展开机构和展开路径的巧妙设计和对内部空间的有效利用，实现了入轨后天线展开与锁定，天线波束方向与光轴指向一致，有利于卫星数据及时高速下传。

图4 SkySat-1卫星射频天线展开与收拢构型示意图Fig.4 Schematic of SkySat-1 before and after RF antenna deployed

3.2 新型面阵成像系统与数字TDI技术

SkySat卫星的高分辨率成像系统是由其技术团队自己设计开发的，并通过在轨成像和地面处理相结合的方式实现了高分辨率、高信噪比图像和视频数据的获取。

相机光学系统设计采用成熟的高性能里奇-克莱琴（Ritchey-Chretien）系统，口径350 mm，并采用10.4的大F数设计，以实现更高的分辨率［9］。探测器则采用低噪声、高帧频的5.5 M像素商业面阵互补金属氧化物半导体（CMOS），既支持了高重叠率推帧成像，又可实现视频数据的获取。如图5所示，成像系统通过3片探测器的拼接在600 km轨道高度实现8 km的成像幅宽。巧妙地通过对面阵探测器的一部分进行加工，集成了多光谱成像能力，实现了全色与多光谱、视频与静态图像的综合获取［10］。

图5 SkySat-1探测器拼接示意图Fig.5 Schematic of SkySat-1's camera sensor design

采用面阵成像和高帧频短时曝光模式，能够降低对卫星平台姿态控制稳定度的要求，同时能够减少因曝光引起的像移模糊，还可以获取视频数据。但是短时曝光也存在问题，即较短的曝光时间会造成很低的信噪比，从而影响图像的质量。SkySat的技术创新之一，即是利用数字时间延迟积分（TDI）成像技术来解决上述问题。卫星在轨通过面阵推帧（push frame）模式获得大量的具有高重叠率的面阵图像（如图6所示），图像以JPEG2000格式压缩并发到地面。通过地面处理，在序列图像配准的基础上，对相同目标点成像像素处理提升信噪比，实现类似TDI的成像效果，得到高质量的二维图像。同时充分利用获得的序列图像，通过超分辨率重建算法，使得图像分辨率由1.1 m提升到0.9 m。

图6 SkySat-1数字TDI示意图Fig.6 Digital TDI conception

序列图像配准是超分辨率重建中的重要步骤，配准算法中对序列图像中运动模式估计的准确程度，对超分辨率重建的精度起到了决定性作用。SkySat采用的帧间配准基于频率域相位相关的图像配准算法，实现多帧序列的亚像素级配准精度，并且具备较强的鲁棒性，以适应不同成像场景、较低的目标高度角以及较大的地形起伏等苛刻条件。频域方法的配准模型考虑了空域内图像平面内的平移和平面内的旋转问题，而这正是推帧成像所造成的主要帧间移动误差。关于图像超分辨率重建国内外已有多种算法，SkySat-1则采取了Dirk Robinson等人提出的适合序列图像应用的快速多帧超分辨率处理算法［11］，将运动估计缩小到亚像素量级，包含基于相机点扩散函数的模型去卷积算法，从而实现基于多帧图像的超分辨率重建，同时提升信噪比和调制传递函数（MTF）。

3.3 成像系统在轨定标与曝光优化

1）相对几何定标

卫星在轨相对几何定标选择了利用高分辨率、高精度图像源作为标准进行处理。实际操作中SkySat-1利用了Pleiades卫星的高精度、高分辨率图像数据。

卫星为相机焦面的每个像素都建立了7自由度高精度模型，包括焦平面内的平移、旋转，平面的三轴旋转以及每个像素的二维微小误差（如图7所示），并通过自主算法实现高精度的几何校正，算法流程如图8所示。通过处理实现相对误差精度控制在亚像素级［12］。

图7 SkySat-1像元7自由度几何模型Fig.7 Camera model of SkySat-1

图8 SkySat-1相对几何标定算法流程图Fig.8 Flow charts of relative geometric calibration for SkySat-1

2）相对辐射定标

Skybox Imaging公司的Byron Smiley博士等人开展了卫星相对辐射定标的针对性工作。在所生成图像被压缩处理前，进行相对辐射定标工作。所用数据包含均匀场测试数据和暗景测试数据。均匀场测试采用对云层成像，并通过多幅图像（SkySat-1运用了1100幅）分析处理，得到非均匀性的校准模版，如图9所示，以对获取图像进行均匀性校正，使得整幅图像像素增益偏差不超过平均值的1%。

图9 全色谱段响应不均匀性分布情况Fig.9 PAN gain for non-uniformity correction

卫星暗景测试方面，一是在天线（即相机遮光罩）展开前进行成像并作为基准，二是在阴影区对地成像，利用获得的暗景图像来分析发现探测器死点像素，利用暗景图像和均匀场图像，分析得出探测器死点在探测器总数的0.27%～0.37%之间。在此基础上，利用其消除死点技术来提升获得图像的质量。

3）成像曝光优化

为了得到更好的图像质量，并更好地利用卫星资源，SkySat-1卫星采用了成像曝光优化技术，以更好地实现曝光时间和推帧成像帧频的设置。该项技术的核心是建立了目标成像辐射分析模型，以此来计算在不同成像条件下到达相机孔径的辐射量。不同于复杂的计算模型，此模型是建立了速查表形式的模型，包括目标海拔高度、大气光学厚度、太阳高度角、卫星成像侧摆角等参数，实现对不同区域的曝光参数设计，综合卫星推帧速率控制和积分时间设置实现高信噪比和低相移模糊度。图10显示了春分日降交点地方时为10：30的轨道所对应的成像曝光时间全球分布情况。

图10 SkySat-1不同纬度在轨成像曝光时间分布情况Fig.10 Integration time across the earth for SkySat-1

3.4 谨慎的商业现货应用

低成本也是SkySat在研制过程中一直强调的特点之一。卫星大量采用了商业现货（COTS）产品和技术，既降低了成本，又具有很高的性能。例如不同于传统高端商业遥感卫星采用的价值百万美元量级的处理器系统，SkySat-1使用了市场上能够采购的高性能集成芯片，成像探测器应用了如前所述的高性能商用CMOS芯片，此外直接应用了手机使用的高密度闪存等商业电子产品。而在基于COTS技术的低成本应用方面，则包括微机电系统（MEMS）的惯性导航系统、用于电钻的磷酸铁锂电池（LiFePO4）以及汽车的电力电子和CAN总线技术等［13］。

但另一方面，作为商用遥感卫星，可靠性保障仍然是必不可少的，而如何在大量采用商用器件的前提下还能保障一定的可靠性，正是SkySat-1研制团队研究的关键技术之一。当前的卫星研制有两类主要的可靠性保障思路：一种是传统航天系统强调的抗辐射设计（Rad Hard Approach），另一种是更多大学皮纳卫星研制过程中采纳的“即买即飞”（Buy and Fly Approach）。前者在高可靠性保障的同时也带来了高成本、长周期和器件性能相对较低的问题，而后者虽然成本很低但要付出高风险和短寿命等代价。SkySat-1卫星在研制时则采用了谨慎的商业现货方法（Careful COTS），以综合前面两种方法的优点［14］。基于此种方法的产品研制流程如图11所示。

图11 谨慎的商业现货方法设计流程图Fig.11 Careful COTS flow charts

为了实现对COTS产品的可靠性保障，产品设计时要经过准确的模型分析，该模型也是CarefulCOTS的核心技术之一。在确定输入条件时综合考虑了任务轨道、寿命、太阳周期、辐射源、能谱、屏蔽等多个参数，重点对线性能量传递（Linear Energy Transfer，LET）和电离总剂量辐射（Total Ionizing Dose，TID）进行分析评估，并反馈进行产品设计改进。具体设计中，选择尽可能低的器件工作电压和负载电流，如设计低偏置电压和采用较大的降额以减少单粒子影响。减少集成电路芯片的种类，尽量采用高集成度的芯片器件。在单粒子翻转（SEU）的针对性设计中，避免数字芯片在重配置过程中输入输出（I/O）引脚造成损坏，使用内嵌纠错码（Error Correcting Code，ECC）的COTS内存，在硬件ECC不可用时，利用软件ECC实现。

3.5 任务规划优化设计

作为商业遥感卫星，SkySat需要面向众多的用户需求来对大量的目标成像，而其面阵成像所具备的灵活成像模式，更是使其应用效能有较大提升。但一个重要问题也随之而来，即如何使卫星具备更好的任务规划能力来实现最大的效能，同时还能满足用户更多的要求。卫星的任务规划需要具备灵活的适应性，以面对临时的优先级高的任务加入（如突发事件）或者是临时裁撤的既定目标（如天气变化、云遮挡）等要求。Skybox Imaging公司开发了一种算法来满足上述的要求［15］。该算法基于有向无环图（Directed Acyclic Graphs，DAG），而不同于传统最优路径问题中寻找最短路径的思路，算法寻找的是最高加权值的路径问题（或者可理解为最长路径问题）。

有向无环图是描述一项事件进行过程的有效工具，通过拓扑排序来代表一个可行的项目执行过程。在SkySat卫星轨道运行的一段时间内，任务的数量是有限的，而任务也将按照一定的顺序来完成，这样任务规划的最优问题就可转换为有向无环图问题。图中的“点”代表成像或数据下传任务位置，而各条“有向边”则代表卫星实现两个节点间的指向姿态机动过程，建模时将考虑每个任务所允许的起始时间窗口和卫星在规定时间内的姿态机动角度限制。对目标的最优任务规划即是通过该有向无环图的最高权重的路径，而人工介入则表现于修改（增加或减少）图的“边”设置。图12（a）对于日本海附近目标设计了A～F的6个任务，图12（b）则为该问题的有向无环图，任务执行的时间顺序由左向右表示，其中“有向边”的连接顺序考虑了卫星的姿态机动能力。加入每一个成像任务点的量化权重（如A＝5， E＝3，其它为1），可最终计算出路径（红色标出）。

图12 基于有向无环图的任务规划算法示意图Fig.12 Mission scheduling optimization based on directed acyclic graphs

4 启示和建议

1）遥感卫星应用模式多样化

Skybox Imaging公司把在轨卫星、数据接收和地面处理作为统一的整体来设计，而且这种设计并不是简单的物理上的链接和一体化，而是在系统指标、产品生成流程上的天地一体化。通过提供高体验的数据服务，开发低端商业遥感市场，向最终用户延伸。与大型政府用户不同的是，中小型用户不再关心卫星系统如何获取信息，而更关注信息本身，因此提供完整天地应用系统，将更可能最终获得这部分用户。借鉴SkySat的多样化应用模式，探索我国微小卫星系统应用与“互联网＋”等信息技术的联合创新，对遥感卫星的应用延伸到更多服务领域将有一定的促进作用。

2）卫星设计采用一体化思路

SkySat系列卫星的系统总体设计充分考虑了一体化模式，体现在两个方面：一是不再局限于卫星本身，而是瞄准最终的图像指标，综合考虑天地资源利用与技术重点，利用面阵推帧成像模式结合地面高精度处理实现了亚米级分辨率图像和高清视频产品，实现天地一体化设计；二是在卫星本身设计上考虑卫星资源的节省，围绕相机进行紧凑构型设计，在电子系统加强集成化设计，充分利用高性能微小型化的单机产品和COTS部件，提升整星功能密度比。这对于我国开展实用化微小卫星研制，在星上资源有限条件下提升卫星的特定应用能力具有一定的参考价值。

3）低成本小卫星星座化应用

不仅是Skybox Imaging公司，当前国际上多家遥感小卫星公司都提出了星座化的运行理念。不可否认的是，微小卫星受限于在轨资源，还不能实现一些高质量遥感卫星的能力。但是微小卫星利用成本较低的优势，通过星座化运行，提升重访周期，监测目标区域的动态变化信息将是其走向实用化的一个重要途径。随着我国卫星遥感需求的不断增长和用户类型的不断扩展，发展较低成本的微小卫星星座，获得部分用户所关注的、时效性较高的图像数据，将很可能是卫星遥感发展的一个新市场。

5 结束语

微小卫星一直是近年来航天技术发展的活跃领域。SkySat系列卫星的研制、发射和在轨运行，代表了新一代微小卫星的技术发展水平，也体现了国外在微小卫星系统设计与应用方面的创新发展思路。相关的星座化部署、分布式用户数据接收与分发应用、面向用户需求的数据处理与信息产品生成等新模式对微小卫星实用化也具有重要意义。充分利用微小卫星的特点，结合信息化、网络化应用，增强用户体验，降低用户应用门槛，将可能是卫星发展的一个重要方向。

（References）

［1］Robert H M，Seah，P H.Global commerce in small satellites：trends and new business models［C］//28th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Washington D.C.：AIAA，2014：1-6

［2］Jean K.5 Earth-imaging start-ups coming to a sky near you［J］.IEEE Spectrum，APR 2014：20-21

［3］Dirk R.High-resolution imagery and video from SkySat［C］//The 2014 JACIE Workshop.Virginia：United States Geological Survey，2014：1-32

［4］Byron S，Mike S，Alexandra C.Geometric and radiometric calibration topics relevant to Skybox imaging［C］//The 2015 JACIE Workshop.Virginia：United States Geological Survey，2015：1-31

［5］Jonny D，Aaron D，Kjell A.First implementation of high performance green propulsion in a constellation of small satellites［C］//27th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites.Washington D.C.：AIAA，2013：1-8

［6］Skybox Imaging.Sky Node specifications［EB/OL］.［2015-07-25］.http：//www.skybox.com/uploads/11/ 01/skynodedatasheet1-6-14.pdf

［7］Skybox Imaging.Imagery specifications［DB/OL］.［2015-07-25］.http：//www.skybox.com/uploads/10/ 08/imageryandvideospacesheet.pdf

［8］Henrique C M.Integrated antenna system for imaging microsatellites：U.S.，8730324B1［P］.2014-01-19

［9］Kiran M，Michael S，Byron D S，et al.SkySat-1：very high-resolution imagery from a small satellite［C］//Sensors，Systems and Nest Generation Satellites XVIII. Bellingham：SPIE，2014：1-12

［10］Dirk R.An introduction to the Skybox earth-observation imaging platform［C］//The 2012 JACIE Workshop.Virginia：United States Geological Survey，2012：1-15

［11］Sina F，Dirk R.Fast and robust multiframe super resolution［J］//IEEE Transactions on image processing，2004，13（10）：1327-1344

［12］Byron S.On-orbit calibration activities and image quality of SkySat-1［C］//The 2014 JACIE Workshop. Virginia：United States Geological Survey，2014：1-37

［13］Mark W.Off the shelf tech cheaper alternative to current satellites［J］.Engineering&Technology Magazine，2015（1）：21

［14］Doug S，Jonathan D.Radiation effects and COTS parts in smallsats［C］//27th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites.Washington D.C.：AIAA，2013：1-12

［15］Sean A.Optimal scheduling of earth-imaging satellites with human collaboration via directed acyclic graphs［C］// 2014 AAAISpring Symposium Series：The Intersection of Robust Intelligence and Trust in Autonomous Systems. San Leandro：AAAI，2014：11-16

（编辑：张小琳）

System Innovation and Enlightenment of SkySat

ZHOU Yu WANG Peng FU Danying
（DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）

The capability，system operation and data products of the high-performance microsatellites SkySats built and operated by the commercial remote sensing startups Skybox Imaging are introduced.The performance and application ways of the high resolution imagery and high-definition video are also summarized.Some creative ideas and new technologies are adopted during the design and producing activities.The space-earth integration system design concepts and innovations are analyzed，such as high resolution digital time delay integration（TDI）imaging，careful use of commercial off-the-shelf（COTS）products and dynamic programming.Finally，some enlightenment about microsatellite development is also proposed，such as diversified remote sensing application，integratied system design and low cost satellite constellation.

microsatellite；commercial remote sensing；video imaging；digital TDI imaging

V474.2

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.014

2015-07-13；

：2015-09-02

周宇，男，硕士，工程师，研究方向为小卫星总体设计。Email：zhouyu0408@163.com。