研发微纳电子侦察卫星面临的挑战与思考

石 荣，张 伟

（电子信息控制重点实验室，四川成都610036）

研发微纳电子侦察卫星面临的挑战与思考

石 荣，张 伟

（电子信息控制重点实验室，四川成都610036）

传统电子侦察卫星几乎都是大中型卫星，研制费用高、周期长，难以具备战术应用所要求的快速响应能力；随着技术的进步，微纳卫星在近十年来得到了迅猛发展。在简要介绍其发展概况的基础上，分析了研发微纳电子侦察卫星在技术与应用方面所面临的挑战，并从进一步提高集成密度、编队组网应用方式、微波与激光相结合的星间通信、有效载荷与卫星平台的一体化、与目标对象相适应的侦察定位方法等多个方面阐述了应对上述挑战的措施与办法，为后续微纳电子侦察卫星的研发与应用提供参考。

航天电子侦察；微纳电子侦察卫星；芯片化集成；卫星编队组网；星间光通信；载荷与平台一体化；侦察与定位

0 引言

通常将微卫星与纳卫星统称为微纳卫星，按照国际通用标准，微卫星的整星质量为10～100kg，纳卫星为1～10kg，所以微纳卫星的整星质量一般为1～100kg。近年来微纳卫星的研制、发射与在轨试验呈现井喷之势，由于其研制成本低、周期短、发射快速方便，因此成为航天领域中进行新技术快速验证，以及满足战术应用中快速响应要求的重要手段之一［1-6］。正是在这一发展浪潮的推动下，微纳电子侦察卫星的概念也随之形成，并成为航天电子侦察下一阶段的重要发展方向之一。本文首先对近年来微纳卫星的研究现状及其应用进行概述，总结了微纳卫星在航天领域中的应用优势。在此基础上分析了微纳电子侦察卫星在设计、研制与应用中所面临的主要挑战，并从多个方面论述了应对上述挑战的措施与办法。上述研究结果可为后续微纳电子侦察卫星的研制与应用提供参考。

1 微纳卫星的迅猛发展

随着近十几年来微电子、微机械、微组装、集成微器件、新型材料等技术的发展，卫星的体积、质量、功耗越来越小，而性能越来越强，各种形态的微纳卫星层出不穷。如21世纪初“美国大学纳卫星计划”启动，参加该计划的十所高校研制了“三星”星群、“电磁辐射与闪光探测”、电离层探测卫星编队、“星群开拓者”、“太阳帆”等纳卫星，所演示的主要功能有：编队飞行控制，星群无线通信，对地三维光学成像，太阳风、地磁场与电离层中离子密度的测量，以及纳卫星的释放等［1］。随后工业界和军方也纷纷投入到微纳卫星的设计、研制与试验之中，到目前为止，国外已有数百颗微纳卫星被发射升空，包括：SNAP-1“快照”卫星，XSS-10、11，Cute-1.7+APD2，SMDC-ONE，DICE动态电离立方体试验卫星，立方体系绳卫星，观测空间碎片望远镜，CANX-4、5，“鹰眼”光电成像卫星，立方体观测-2卫星，空间环境实验纳卫星，等［2-6］。

中国在微纳卫星相关技术方面也开展了大量研究，如清华大学于2000年研制的“清华一号”微纳卫星，体积为0.4m×0.4m×0.7m，质量为70kg，主要用于环境和灾害监测、民用特种通信以及科普教育等方面，随后还研制了“纳星一号”等多颗微纳卫星并实现在轨运行［7］。近年来哈工大、国防科大等单位也在大力开展微纳卫星的设计研制与在轨试验工作。

由上文可见，当前在全世界范围内都掀起了微纳卫星研制与试验的热潮。相对于质量上吨的大中型卫星来说，其优势可归纳为如下几点：

1）研制周期短，发射简洁快速，能够满足局部战争和突发事件中战术性应用的快速响应要求，同时也能满足新技术快速验证的需求。

2）系统应用灵活，整体可靠性高。将1颗大卫星的任务分散由众多微纳卫星来一起完成，任务可灵活地裁减与组合。大卫星上任一部件失效都可能造成整星报废，但众多微纳卫星中任何一个失效，仅造成整体性能下降，而且还可以通过地面快速补充发射来替代失效的微纳卫星。

3）通过数量优势来实现星座组网运行，可大幅度缩短整个卫星系统的对地重访周期。

4）在保证任务功能的前提下，大量使用COTS商业货架产品与器件，从而降低了研制成本。图1是1个国外的大量采用商业货架元器件的立方体微纳卫星，其整星体积约为0.001 m3，硬件成本仅为几万美元。

图1 大量采用COTS的立方体微纳卫星

在当前微纳卫星应用热潮的推动下，发展微纳电子侦察卫星也成为航天侦察领域的必然尝试。目前已有部分文献对微纳卫星的应用前景进行过简要讨论［8］，其主要应用方向有：空间环境感知；通信与数据传输；对地或对空间目标进行光学成像观测；新技术空间演示验证；其它空间科学试验等。可见，虽然当前微纳卫星的试验热潮依然强劲，但在上述实际应用性试验中几乎没有电子侦察这项内容。这也说明研发微纳电子侦察卫星还有一定的难度，下面就分析一下其所面临的诸多挑战。

2 研发微纳电子侦察卫星所面临的挑战

1）单颗微纳卫星的体积有限，不可能采用大型侦察接收天线，天线阵更加难以使用。而在传统大中型电子侦察卫星中，有的卫星携带有口径巨大的天线，而有的卫星对地安装面布满了天线单元。天线口径越大、增益越高，就越能有效提高系统侦察灵敏度，更有利于侦收微弱信号，但是在单颗微纳电子侦察卫星上只能安装数量极其有限的低增益天线，系统侦察灵敏度受限。

2）将传统意义上1颗大中型电子侦察卫星的功能分解为众多微纳电子侦察卫星一起来完成，这意味着原来处于同一颗卫星中的数据总线与控制总线将演变为星间总线。在原来的大中型电子侦察卫星中这些总线往往是高速大容量总线，通过有线方式连接，这就要求在微纳电子侦察卫星星群中，星间要实现大容量的无线数据高速传输与可靠控制。

3）微纳卫星中的有效载荷不再有分机的概念，要求其具有高密度集成特性。从图1可以看出，整颗微纳卫星几乎比传统卫星有效载荷系统中的1台分机还小，而且整颗卫星的内部结构与传统分机的内部结构还有几分类似，卫星平台与有效载荷之间的界限越来越模糊。使用传统方法来进行微纳卫星的设计与研制难以满足微纳电子侦察卫星的要求。

4）单颗微纳卫星的供电能力非常有限。对于纳卫星，整星供电一般在几瓦至三四十瓦范围；对于微卫星，整星供电一般在几十瓦至二百多瓦范围。这就要求电子侦察有效载荷必须是极低功耗运行。

5）微纳电子侦察卫星需要高效的信号分析与处理算法，算法效率高才会耗能少，才能在有限的计算资源限制条件下获得最终所要求的信号侦察处理结果，有效地完成电子侦察任务。

6）传统的大中型电子侦察卫星的侦察数据与处理结果的回传都有专用的星地数传链路，但是对于微纳电子侦察卫星来说，大数据量的星地通信传输也是在整星体积、质量、功耗严格受限和使用低增益星载天线条件下的一个难题。

除此之外，微纳电子侦察卫星与其它微纳卫星一样还有一些需要共同面对的问题。例如：如何在体积、质量、功耗严格受限条件下，实现卫星姿态的精确控制，卫星轨道的有效保持，在狭小空间范围内的电磁兼容设计等。这些问题在其它微纳卫星的在轨试验中正在逐步得到解决，解决措施也可以借鉴并应用到微纳电子侦察卫星中，所以需要重点思考的还是前面所列的由微纳电子侦察卫星自身特点所带来的挑战。

3 应对的措施与办法

3.1 进一步提高集成密度

“麻雀虽小，五脏俱全”，从组成要素上看，微纳电子侦察卫星平台与传统大中型卫星平台之间几乎没有区别，但其整星质量在1～100kg范围内，要实现这一点，高密度集成是电子侦察微纳卫星平台与有效载荷所必须具备的首要条件。按照集成度的大小，可分为如下2个层次：

1）板卡模块级集成

传统电子侦察卫星有效载荷中存在着各种分机，而在微纳电子侦察卫星中，这些分机都通过微波与数字集成为板卡模块，并通过母板连接，进行控制信号、数据信号等的传输与交换。这样在微纳电子侦察卫星内部，所看到的各个部件的主要形态就是板卡模块，不同的板卡具有不同的功能。

2）芯片级集成

集成为芯片相对于集成为板卡模块来说，其集成度更高，这意味着将传统电子侦察卫星有效载荷中的一个分机所具备的大部分功能用一块芯片来实现。于是在微纳电子侦察卫星中，各分机都变成了芯片，如微波前端芯片、频率源芯片、微波下变频芯片、中频信号处理芯片等，甚至有的小芯片还可以通过SIP等技术进一步集成为大芯片，各个芯片在印制电路板上通过微带线和信号线进行相互连接。这样一来，进一步缩小了整颗卫星的体积与质量，功耗也自然得到了降低。

显然未来的微纳电子侦察卫星上1块芯片就相当于传统电子侦察卫星上的1台分机。随着近年来微波与数字集成技术的发展，其实现的可能性也越来越大。实际上目前市面上已经出现了采用1块芯片就能完成宽频带的微波放大、变频和数字化输出的商业化芯片，而微纳卫星的一个重要设计理念就是大量采用商业货架产品，这样结合起来，不仅可以极大地提高集成度，大大降低整星的体积、质量和功耗，而且研制成本也得到了极大的降低。

3.2 利用编队组网运行方式

将1颗大中型电子侦察卫星的功能分解为众多微纳电子侦察卫星一起来实现，实际上这些微纳卫星构成了1个“虚拟卫星”，又称为1个“卫星星群”，它们按照分布式组网来协同工作、编队飞行。这个星群在太空中就构成1个局域网，网络中各颗卫星相互之间的距离从几米至几千米不等。这样的系统架构不仅可以降低总体成本，而且通过星间互联和功能分布，还可获得更好的性能。整个系统灵活性更强，能容忍单点故障，并且通过改变相互之间的拓扑结构，重新组合，还可实时改变系统的性能指标，获得最适合当前任务的能力。所以卫星星群的高级编队飞行技术是实现虚拟卫星的重要基础，同时也是微纳电子侦察卫星后续应用所必须解决的重要关键技术。

通过采用局域组网编队形式，整个星群还可形成一个虚拟的天线孔径，原来每一颗微纳电子侦察卫星上的天线增益都很低，但是通过空间虚拟天线孔径，增加了天线接收总面积，从而提高了整个系统的接收增益，但是这其中的信号合成与处理也是后续需要重点解决的关键技术。

一般来说，地面向微纳电子侦察卫星编队发送的数据主要是各种控制指令，数据量相对较小；而微纳电子侦察卫星编队所形成的各种侦察数据都需要回传至地面，其数据量非常大。如前所述，单颗微纳卫星的对地数据回传能力比较受限，但可以采用数据分布式回传模式，即将所有需要回传的数据比较均匀地分配给编队中的各颗卫星，利用其遥测发射通道，采用频分多址或码分多址的方式同时发射，而地面测控与数据接收站仅需要1副指向整个微纳电子侦察卫星编队的接收天线就可以将上述数据全部接收，采用这样的方式可以解决整个微纳卫星星群的遥测遥控与大数据量回传的问题。

3.3 采用微波与激光相结合的星间通信传输

微纳电子侦察卫星的星间通信方式需要同时具备如下2种：

1）基于微波收发信道的低速率星间通信，主要确保微纳卫星编队内各颗卫星的有效指控。由于天线增益低，功率发射模块的发射功率低，所以该方式的信息传输速率相应较低，只适合于控制类的低速率信息的交互与传输。

2）基于激光收发模块的高速率星间通信。利用激光的高指向性特点，通过高增益高定向光学系统来提供接收与发射过程中足够的EIRP，从而提高微纳卫星相互之间的信息传输速率。

实际上，微纳卫星星间采用激光通信方式来交换信息在2002年美国桑迪亚实验室就进行过地面技术验证。进行验证的纳卫星配置了基于激光的通信终端，采用了激光器后面具有光束分裂器和处理电子元件的经典透镜组件设计形式，并在地面演示了其全双工的工作能力，即2个终端在2个方向可同时进行发送和接收。该激光通信系统具有约3km的工作距离范围，45°的视场，而且不需要常平架。这种激光通信系统便于跟踪，即使离轴25°仍能保持信号联系。美国桑迪亚实验室研制的全双向激光通信模块如图2所示。

图2 已经得到验证的全双向激光通信模块

微纳电子侦察卫星编队内部各星之间采用激光通信也是由其应用特点所决定的。如前所述，传统的大中型电子侦察卫星内各部分通常采用高速数据总线互联，在将这些功能分布到各个微纳电子侦察卫星上实现时，高速数据总线就自然演变为高速星间总线，在受到天线口径限制的条件下，短距离的星间激光通信是满足这一要求的较好解决方式。

3.4 载荷与平台的综合一体化

卫星平台一般包括：电源、姿控、推进、结构、热控、测控、星务等各个分系统，微纳电子侦察卫星在电源、姿控、推进方面与其它微纳卫星一样，没有太多的特殊性；但在结构、热控、测控、星务等方面需要重点发展平台与电子侦察有效载荷的综合一体化，这也是微纳电子侦察卫星与其它微纳卫星的重要区别所在。

微纳电子侦察卫星内部可采用铝蜂窝结构，该结构同时也用于有效载荷各种功能模块的结构支撑，即有效载荷中相关的PCB电路板会直接紧固到微纳卫星的星体结构上，从而形成卫星平台结构与有效载荷结构的融合与共用。这完全打破了传统大中型卫星中，有效载荷以独立分机结构形态研制，再安装到卫星平台上的应用模式，这也是微纳卫星在体积和质量严格受限条件下的必然选择。这同时要求微纳电子侦察卫星从设计开始，有效载荷研制方与卫星平台研制方就需要组建统一的设计团队，协同化设计，统一考虑结构支撑的强度、各部件的热传导特性、热仿真设计与控制、以及整体的电磁兼容与屏蔽措施，只有这样才能做到二者的有机融合。

微纳卫星平台的星务管理，与电子侦察有效载荷的数据综合处理在硬件上是完全融合在一起的。采用统一的多核CPU处理板，运行多任务实时操作系统，如Vx Works、嵌入式Linux等，将星务控制的相关软件代码分配到CPU的1个核中运行，而将有效载荷的数据综合处理软件代码分配到其它几个核中运行。由此可见，对于微纳电子侦察卫星来说，卫星平台的星务管理与效载荷的数据综合处理仅仅在软件代码上有所区分，但在硬件系统上已经做到了完全融合，这也区别于传统的大中型卫星中卫星平台的星务管理与有效载荷硬件完全独立的模式。其好处是：卫星的集成度更高，体积、质量、功耗都得到了极大的降低；另一方面，如果采用多核CPU处理板一比一备份方式，这不仅有利于整个卫星平台与有效载荷可靠性的提高，还可实现功能软件任务的灵活部署与动态调度，整颗微纳电子侦察卫星的处理性能也将得到极大的提升。

微纳卫星平台测控、星间低速数据传输与有效载荷在硬件上也是融合在一起的。微纳电子侦察卫星最主要的任务是侦察接收地面和空间中各种电磁辐射源信号。实际上卫星地面站也是一个典型的辐射源，所以对于微纳电子侦察卫星来说，卫星平台的遥控信号接收与处理功能，完全可以利用电子侦察有效载荷中的接收与处理模块来实现。一般来说，微纳电子侦察卫星设计有多路侦察接收处理硬件通道，这些通道硬件可进行动态调度，在将射频信号下变成中频并数字化之后，后续可采用不同的软件来实施处理。这就意味着，卫星平台的遥控信号接收硬件与有效载荷的电子侦察接收硬件可以一体化设计，不同的仅仅是后续的数字处理软件。对于遥控接收来说，包括：解调、译码、解密、指令获取等功能软件模块；而对于电子侦察处理来说，包括：信号检测、参数估计、测向处理、定位解算、非合作信息提取等功能软件模块。在硬件上不仅接收通道可以一体化，而且接收天线也可以一体化。

按照上述一体化设计思路，基于芯片级集成的微纳电子侦察卫星主要由如下几部分组成：

1）综合化的接收天线。

2）低噪声放大，多通道微波下变频芯片（集成有ADC）；同时含一体化遥控、星间信号接收通道。

3）用于信号预处理和信号产生功能的FPGA；用于信号精细处理与信号合成功能的DSP；同时含一体化遥控遥测、星间信号处理等功能。

4）能运行星载实时操作系统的MCU；同时含一体化星务管理功能。

5）多通道微波上变频芯片（集成有DAC）；功率放大器；同时含一体化遥测、星间信号发射通道。

6）综合化的发射天线。

7）承载并连接上述芯片的PCB板。

8）与微纳卫星平台相关的电源、姿控、推进等独立分系统；以及热控、结构、遥测遥控、星务管理、星间链路传输等一体化分系统。

从上述一体化可以看出，微纳电子侦察卫星平台的星务管理、遥测遥控等分系统已经与有效载荷紧密地融合在了一起。除此之外，结构与热控分系统也需要与电子侦察有效载荷进行统一设计。

3.5 与目标对象相适应的侦察定位处理方法

传统电子侦察卫星通常功能比较完备，可以针对各种信号形式实施侦察，对各种电子目标实施定位。而微纳电子侦察卫星的应用往往具有极强的短期时效性，任务使命比较单一，这就使得其所面对的目标对象也有较强的针对性。所以微纳电子侦察卫星有效载荷所覆盖的工作频段、接收信号的动态范围、能适应的目标信号形式等都是传统电子侦察卫星的一个子集，这与微纳卫星在体积、质量、功耗方面的限制是相适应的。

尽管在全面性上有所不足，但是微纳卫星的任务针对性和专一性也为侦察定位性能的提升创造了条件，可以针对本次任务中主要目标对象的信号形式开发高效的侦察处理算法。以信号检测为例，理论上已经证明在加性高斯白噪声条件下，采用匹配滤波形式的检测算法具有最高信噪比的优良特性，如果在侦察数据库中已经有目标对象的信号样本，那么以此样本来对该目标对象实施信号检测，将极大地提高侦察灵敏度，增加对该目标信号的截获概率。实际上针对特定目标的信号侦察，还可以从接收天线的形式、信号采集的时序控制、信号参数提取算法等多个方面进行优化，从而实现采用传统侦察流程和处理方法所不能达到的效果。在星载定位方面，针对不同任务的特定目标对象，也可以择优选择无源定位的体制，提高参数测量精度，优化数据处理算法。从理论上讲，时差定位的精度一般都远高于测向交叉定位，而微纳电子侦察卫星在应用数量上具有天然的优势，所以针对电子目标的特点，有针对性地设计编队构型，可以进一步提高对辐射源目标的定位精度。而上述与目标对象相适应的侦察定位处理方法也是后续微纳电子侦察卫星在技术上需要重点研究的内容之一，这也在一定程度上体现出了微纳电子侦察卫星的特色与优势所在。

4 结束语

可以预见，在未来的航天电子侦察领域中电子侦察卫星的实体形态将主要向两个方向发展：一个是超大型电子侦察卫星，将携带大型可展开天线，功能强大、性能极高，主要用于执行战略性电子侦察任务；而另一个就是微纳电子侦察卫星，研制周期短、成本低、发射速度快，在针对性任务中性能也不弱，具有快速响应的特点，主要用于执行战术性电子侦察任务。这两种电子侦察卫星相得益彰，互为补充，可满足未来一段时期内航天电子侦察任务的主要需求。而本文重点对发展微纳电子侦察卫星的相关问题进行了探讨，在分析了研发与应用微纳电子侦察卫星所面临的各种挑战的基础上，根据微纳电子侦察卫星自身所具备的主要特点与航天电子侦察的应用要求，提出了应对挑战的相关措施与办法，研究结果对于后续微纳电子侦察卫星的研制与应用具有一定的借鉴意义。■

［1］ 沈海军.美国大学纳卫星计划［J］.卫星应用，2004，12（4）：28-32.

［2］ 李军予，伍保峰，张晓敏.立方体纳卫星的发展及其启示［J］.航天器工程，2012，21（3）：80-87.

［3］ 孙佳，李松旭.立方体纳卫星的军事应用前景［J］.现代军事，2012（9）：50-54.

［4］ 云帆.美国陆军第一颗纳卫星升空［J］.空间瞭望，2010（47）：1-4.

［5］ 赵炜渝，白保存，金仲和.皮纳卫星应用与特点分析［J］.国际太空，2013（8）：36-40.

［6］ 长河.美国陆军开发纳卫星群［J］.空间瞭望，2009（21）：3-4.

［7］ 田贺祥，尤政，于世洁.嵌入式系统在微纳卫星上的应用［J］.中国航天，2005（8）：37-39.

［8］ 黄汉文.微纳卫星在空间信息对抗中的应用［J］.航天电子对抗，2010，26（1）：30-32，36.

Challenge and pondering on the development of micro-nano electronic reconnaissance satellite

Shi Rong，Zhang Wei
（Science and Technology on Electronic Information Control Laboratory，Chengdu 610036，Sichuan，China）

The traditional electronic reconnaissance satellites are almost large-scale or medium-scale satellites.It is expensive in the cost of development and the long-term for production is required.It is very difficult for rapid response to the tactical application.With the development of technique，all kinds of micronano satellites have come forth in recent years.Micro-nano satellite development is briefly introduced.The challenge on the development of micro-nano electronic reconnaissance satellite is analyzed in technique and application.The resolving measurements for these problems，such as denser integration，satellite formation and network，microwave and optical communication among satellites，integration of payload and platform，reconnaissance and passive location method adaptive for the special objects，are put forward and explained in detail． It is the important reference for development and application of the micro-nano electronic reconnaissance satellites.

aerospace electronic reconnaissance；micro-nano electronic reconnaissance satellite；chip integration；satellite formation and network；optical communication among satellites；integration of payload and platform；reconnaissance and passive location

TN971；V474.2+7

A

2015-03-13；2015-05-15修回。

石荣（1974-），男，博士，主要从事电子对抗、雷达与通信系统方面的研究。