美国“天空卫星”技术探析
2015-12-26刘韬北京空间科技信息研究所
刘韬 (北京空间科技信息研究所)
美国高分辨率光学成像卫星的发展已有几十年的历史,军用光学成像侦察卫星已从胶片返回型发展到传输型,分辨率高达0.1m。美国20世纪末开始发射高分辨率商业光学成像卫星,卫星质量多在2~3t,单星成本约4亿美元,采用敏捷型卫星平台,不但能进行全色和多光谱观测,还能够进行大比例尺的测绘,目前分辨率达到0.31m。然而这些卫星造价昂贵,几颗大型商业卫星即使组成星座,时间分辨率也不高。随着光机电技术的进步和宇航器件的小型化,以及对观测时间分辨率需求的提升,近3年,美国商业光学成像小微卫星星座开始涌现,其中,高分辨率小微商业星座目前只有美国天空盒子成像公司(Skybox Imaging)发展的“天空卫星”(Skysat)。天空卫星技术创造了多个世界第一,取得了良好的应用效果。
1 天空盒子成像公司概况
天空盒子成像公司是一家来自硅谷的创业公司,堪称为一家“互联网+”型企业。将互联网、大数据分析、高时效性的高分辨率图像和高保真卫星视频影像这些创新概念相结合,使该公司在商业遥感卫星市场上占有了一席之地。为了大规模批量制造“天空卫星”,并推进全球数据分发,2014年2月,天空盒子成像公司与美国劳拉空间系统公司(SS/L)签订了卫星制造合同。根据合同要求,劳拉空间系统公司将制造首批13颗“天空卫星”。互联网搜索巨头谷歌公司为了扩展业务,于2014年6月收购了天空盒子成像公司。
除了商业巨头看重天空盒子成像公司外,美国军方也将目光投向以天空盒子成像公司为代表的新兴商业卫星图像公司。2015年5月,美国地理空间情报局(NGA)在美国联邦商业机遇网站(Federal Business Opportunities)上发布信息请求书(RFI),该文件指出,情报局正在考虑创新或非传统解决方案,以满足其对商业地理空间情报能力的需求,天空盒子成像公司有望于2017年成为该情报局的服务提供商。
2 “天空卫星”部署情况与技术初探
卫星发射和卫星指标基本情况
2013年11月21日和2014年7月8日美国分别成功发射了天空卫星-1和天空卫星-2。天空盒子成像公司还计划于2016年底前发射13颗劳拉空间系统公司制造的“天空卫星”,届时卫星总数量将达到16颗。计划2020前,最终建成由24颗卫星组成的星座,星座重访时间优于3h。“天空卫星”首星成本为5000万美元,而一颗传统的甚高分辨率卫星,如世界观测-2(WorldView-2)的成本约4亿美元。随着“天空卫星”批量化生产,单星成本有望降低至2000万美元。
“天空卫星”三维模型图
“天空卫星”系列采用了低成本设计方案,开创了亚米级分辨率低成本卫星的先河。在技术上,“天空卫星”创造了多个第一,世界上首个亚米级分辨率微卫星(质量约100kg),首个采用大面阵“互补金属氧化物半导体”(CMOS)探测器的对地观测卫星,首个使用延时积分互补金属氧化物半导体(TDI CMOS)技术的卫星,首个全帧速率高清视频卫星。此外,“天空卫星”是天地一体设计的典型代表,地面图像处理极大地补偿了星上成像系统的不足。
“天空卫星”质量约91kg,运行在高600km的太阳同步轨道,采用由碳化硅(SiC)制造的里奇-克莱琴(R-C)反射光学成像系统。天空卫星-1在成像模式工作时,全色分辨率0.9m,4谱段多光谱分辨率2m,幅宽8km;视频模式工作时,只能提供全色视频,分辨率1.1m,覆盖2km×1.1km。视频30帧/秒,单次能够持续拍摄90s,输出H.264编码格式的1080P高清视频。
卫星技术特点
“天空卫星”采用了创新的设计思路和新型成像器件,注重天地一体化设计,使成本大幅度降低,并最大限度地发挥出系统的性能。具体技术特点如下所列。
(1)使用高帧速率互补金属氧化物半导体面阵探测器,降低平台指向稳定度要求,实现低成本
传统的高分辨率成像系统使用延时积分电荷耦合器件(CCD)阵列,使其能够收集足够的光能实现高分辨率成像。电荷耦合器件的设计通常在数毫秒内收集足够的光电子,以避免图像模糊。但该器件要求卫星平台的稳定度极高。例如,在600km轨道运行的卫星达到1m地面采样距离,要求其瞬时视场为1.66μrad,在4ms的总的延时积分时间内,使指向精度保持0.5个像元,要求平台指向稳定度为70rad/s (rms) 。此外,延时积分电荷耦合器件通常为定制产品,价格昂贵。
假设600km轨道的成像卫星达到1m分辨率对平台稳定度的要求
焦平面由3块互补金属氧化物半导体探测器拼接
而“天空卫星”采用高帧速率互补金属氧化物半导体面阵探测器,每帧曝光时间短于延时积分电荷耦合器件。尽管互补金属氧化物半导体探测器每帧图像的信噪比与延时积分电荷耦合器件相比低很多,但帧速率高,从而过顶时可拍摄同一地区的多帧图像,通过地面图像处理,大幅度提高信噪比(SNR),这称为“地面延时积分互补金属氧化物半导体”处理。“天空卫星”一幅原始图像曝光时间约处于400μs量级,短曝光时间放松了平台姿轨控系统稳定度需求,约为700rad/s,降低了平台研制成本。
(2)地面图像处理提升图像质量
地面图像处理在“天空卫星”成像过程中起到关键作用。“天空卫星”的600km高运行轨道、0.35m成像系统口径、f/10.4相对孔径以及探测器像元尺寸比一般延时积分电荷耦合器件大20%的指标使其物理分辨率为1.3m。利用以超分辨率处理为主要方法的地面图像处理技术,使“天空卫星”的1.3m物理分辨率提升到0.9m的亚米级分辨率水平。
互补金属氧化物半导体面阵探测器和地面处理软件
“天空卫星”地面图像处理流程
左图为经超分辨率处理成全色图像的原始图像;右图为约20帧原始图像
“天空卫星”地面图像处理流程包括预处理、帧对帧配准、超分辨率算法处理等。超分辨率处理的机理是通过多幅图像叠加处理,提高信噪比,进而提高分辨率。帧对帧配准用于计算透视变化,超分辨率算法完善运动估计,最终使分辨率优化20%。地面图像处理过程的输入为原始图像数据和遥测数据,输出为全色图像、多光谱图像、全色锐化图像、红绿蓝图像和视频等一系列产品。上述图像产品均为结合几何信息的重建后的高质量图像。
超分辨率处理的前提是帧对帧运动的高精度估计,而帧对帧配准算法可提供这一结果。简单来讲,运动估计就是去寻求低分辨率图像之间的偏移关系,即求出在两帧图像中同一对象的位置差,通过分析各分量图像上的几何畸变,估计出相对位移以及相对转角等相对位置参数,然后使用一种几何变换将图像归到统一的坐标系统中,其最终目的就是将所有的低分辨率图像帧上的像素映射到一个共同参考帧上,从而实现图像的细节恢复。帧对帧配准算法使用相位相关窗口的密集矩阵计算本地运动矢量。同时,帧间配准结合误差分析使“天空卫星”的目标高度角低至35°。
超分辨率算法进一步完善运动估计,使估计量达到亚像元水平,然后进行优化,以从低分辨率的原始图像中重建高分辨率全色图像产品。优化算法通过多帧图像,计算噪声的平均值。同时,超分辨率算法与一个基于遥感器点扩散函数的模型去卷积算法一并工作。原始图像经超分辨率处理后的全色图像在信噪比和调制传递函数方面提升明显。
3 结束语
“天空卫星”在综合性能上创造了多个世界第一,同时,“天空卫星”贯彻了低成本设计理念,为中国大规模发展商业化的小型高分辨率光学对地观测卫星提供了借鉴。首先,采用商业现货降低了成本,其高帧速率互补金属氧化物半导体成像探测器采用了商业现货,比定制探测器成本低;其次,采用先进的地面图像处理技术提高分辨率,节省了空间相机研制成本;最后,高帧速率面阵互补金属氧化物半导体探测器的使用降低了卫星平台稳定度的设计要求,进而降低了卫星平台成本。