面向空间云时代的微纳遥感卫星技术发展

傅丹膺 周宇 满益云 施思寒 刘佳 田川

（1 航天东方红卫星有限公司，2 钱学森空间技术实验室，3 中国空间技术研究院）

近年来，国际上微纳卫星技术发展迅速，多家企业和研究机构推出了各种高性能微纳卫星计划，特别是在商业遥感领域如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的“天空卫星”（SkySat）系列微卫星、行星实验室公司（Planet Lab）的鸽群－1（Flock－1）系列纳卫星、卫星逻辑公司（Satellogic）的“新卫星”（Newsat）系列微纳卫星等。这些项目都计划通过星座化的运行，实现较高的时间分辨率和空间分辨率的遥感信息获取，使得微纳卫星进一步走向实用化。本文介绍了微纳遥感卫星的整体技术发展情况，重点对技术发展途径进行分析研究。

1 微纳遥感卫星发展现状与趋势

微纳遥感卫星凭借系统成本低、可集群/星座/组网运行、投入产出比高、发射/应用灵活度高、运营管理便捷等方面的突出优势，备受多方用户和商业公司青睐。其相比传统卫星的相对优势核心在于较低投资风险下获得更高的任务性价比。微纳遥感卫星依靠数量优势，一是可获得观测高时间分辨率，提高有效产出数据比，弥补单星绝对能力劣势；二是弹性分散分布式系统解决方案可以降低单星系统复杂度和成本，少数卫星的失效不造成全系统能力明显下降，抵御风险能力强；三是可以高性价比支持大数据，进而以大数据创造未来。

微纳卫星迅速发展的重点

微纳卫星近年来的蓬勃发展同时得益于需求的不断牵引和技术的快速进步。前者来源于目前用户在经历了传统遥感应用的体验后，随着互联网和大数据思维的影响，越来越对数据的时效性、覆盖性和应用灵活性提出了更多样化的需求，而这种需求使得越来越多的开发者想通过微纳卫星来开拓和探索。后者则得益于微机电和信息技术的阶跃式发展，使得微纳卫星能够实现较高的功能密度，走向遥感应用。

但同时还是需要认识到，受限于资源、低成本可靠性风险和批量工程化难度，微纳卫星的发展仍要面临一些问题：

1）低成本与高性能。微纳卫星要实现快速发展，面临的主要矛盾是既要求实现低成本，同时还要实现高性能，低成本是前提和基础，高性能是发展要求，两者兼顾才能得到高性价比。由于质量、体积和功耗的严格制约，采用高度集成化、低功耗化的技术途径是实现微纳卫星高性能的不二途径。高性能不仅体现在卫星处理能力、还体现在卫星的好用、易用性上，软件化卫星将是微纳卫星的一个重要特点。

2）微纳卫星完成定量化遥感任务。真正的遥感应用需要一定精度的数据支持，而定量化的遥感数据获取对卫星的设计提出了很高的要求。传统卫星的解决思路对资源和管理运行的要求显然不适用于微纳卫星，因此微纳卫星需要通过新的技术解决定量化问题。

3）资源受限条件下的平台载荷一体化设计。改变传统卫星设计思想，通过系统设计分析，综合利用载荷资源和平台资源，实现平台载荷一体化设计，例如针对光学卫星特点，将星敏和相机一体化安装，确保整星精度；将载荷视为数传的外设，数传相机集成化设计，充分利用载荷的外形与平台进行构型一体化设计。探讨研究多种平台载荷一体化的设计方法，是微纳卫星资源受限条件下一种有效的解决路径。

微纳卫星技术未来发展趋势

近年来，微纳卫星由于具有低成本、短周期、发射灵活等突出特点，国内外众多工业部门和大学研究机构纷纷参与，促使微纳卫星技术迅速发展。

从微纳卫星发展来看，早期主要是作为业余无线电、科学试验，真正应用很少。随着电子技术的快速发展，集成度越来越高、性能越来越强的微纳卫星开始出现。从部分技术指标来看，数十千克的微纳卫星已经可以实现传统数百千克级卫星的水平，微纳卫星的实际应用时代已经来临。

微纳卫星的技术发展趋势可以从三个层次进行分析：

1）系统层面。微纳卫星由于单星能力有限，必然走向星座或星簇的发展，以卫星数量解决传统卫星无法解决的卫星高时间分辨率的优点。因此低成本化是微纳卫星技术发展的重要方向。微纳卫星在有限的质量、体积和功耗的约束下，需要采用高集成度、标准化、模块化设计理念，通过平台载荷一体化设计、硬件软件化设计和产品体系标准化设计，实现微纳卫星技术的系统层面构架。

2）分系统或单机层面。采用集成功能单元化设计方法，标准智能设备芯片化、单板化，硬件软件化。通过软件无线电手段，实现星上射频设备通用化、软件化。采用机电热集成化设计，设备无缆化。

3）应用层面。结合任务特点，针对卫星星座和星簇，采用星座化部署，网络化应用；针对多星在轨任务，采用智能化、协同化；应用智能卫星自主管理技术，实现运控自主化；通过卫星软件化、智能化特点，实现应用直达便捷化。

2 微纳遥感卫星技术发展途径分析

微纳遥感卫星必须走低成本、商业化、规模化发展道路。要面向应用解决实际需求和问题，要不断大胆创新探索，通过高性能化实现高性价比。最终通过“好使不贵、想要就有、简便易用”的应用才能获得市场的认可。只有通过一定规模的应用检验，微纳商业遥感卫星才有可能走向蓝海时代。

以低成本为核心的微纳遥感卫星设计哲学

高性能微纳遥感卫星系统设计的核心问题是在低成本和资源严重受限条件下，为达到较高的遥感定量化应用要求，如何提高微纳功能性能密度比。其设计哲学的核心是一体化系统设计，主要通过平台载荷一体化实现，包括基础级、功能级和任务级。平台载荷一体化不能简单等同于集成化，也不只是单机层面的微型化，而是基于微型化和集成化基础上的信息、能源、机电不同学科和层面的一体化设计，强调资源共享、接口标准化。常采用破壁复用实现资源共享，采用异构备份实现可靠性增长。在设计微纳卫星时，充分采用面向用户任务特点的设计方法，充分理解用户应用场景，从卫星操控和数据获取的便利性方面入手，使得卫星好用、易用。

（1）基于商业现货的谨慎设计

微纳卫星由于集成度很高，需要大量采用COTS器件或组件，如何用好商业货架产品是一个需要重点关注的技术。对COTS器件形成一套适用于微纳卫星的器件筛选方法，在轨验证后形成COTS器件库；对于COTS组件需要逐步摸索，形成适用于星载应用的COTS组件群，同时不断更新完善。

由于微纳卫星大量采用COTS器件或组件，需要在系统设计上进行加强设计，对COTS器件可能存在的单粒子翻转或锁定进行系统层面的防护，采取单粒子翻转及计算机复位后重要数据恢复、单粒子锁定后自主加电等必要的技术手段，将出现的故障降低在单机或组件层面，短期自主恢复，不影响系统任务。

（2）标准化产品体系与研制流程规范

在设计中要强化整星一体化设计，具体包括系统级一体化设计和单机功能的一体化设计，实现型号扁平化设计，减少单机产品数量。如采用综合电子一体化设计，提高卫星功能密度。综合电子将星载计算机、测控、GPS、电源管理、姿轨控计算与管理等功能模块集成统一管理。弱化分系统概念，采用以公共母板为供电信息交换中心的多模块组合方案，统一采用CAN总线，实现整星电子学高度集成、板卡化。采用构型一体化设计，提高单机紧凑度。从整星全局出发，将部分仪器设备的外壳作为结构的一部分，减少主承力结构设计的复杂性。构型一体化设计将进一步减轻卫星结构尺寸和整星质量。实现一体化很重要的一点是要建立标准化的技术体制，实现接口的标准化，具备一体化整合、功能改进的空间。

卫星在设计和生产中都要考虑成本的控制以及对用户基于成本的应用需求的满足。这需要从研制流程、设计制造、产品保证和组织管理等多个维度来综合考虑，重点关注少量与批量化研制流程优化、标准化设计、先进仿真设计手段、COTS产品的应用与可靠性保障、低成本卫星AIT与试验、管理模式等众多要素和环节。

高性能成像系统的创新开发

（1）探测器的革新换代，促进遥感器的轻小型化和高灵活度

采用高性能探测器，并有针对性设计光学系统与探测器相匹配，高度集成化，电路更轻更小、功耗更低，同时也会降低光学系统的体积规模。TDICCD推扫成像光学遥感器，可以时间延迟积分，可以一定程度上提高信噪比，采用大F数的光学系统，实现高空间分辨率，但需要高稳定的姿态控制；面阵CMOS凝视成像的光学遥感器，可以灵活地调整积分时间，高帧频视频成像模式，采用数字TDI技术，降低对卫星姿态稳定要求；面阵sCMOS等低噪声高帧频高动态范围探测器的进一步采用，将大幅度降低遥感器的体积规模，提升成像质量，催生各种新的成像模式，促进从静态图像到动态视频的数据获取升级。

（2）在轨软技术的提升，促进微纳卫星好用易用

实现在轨高精度高频次定标方法的广泛应用，保证成像质量，促进遥感定量化应用。包括各种相对和绝对辐射定标以及几何定标方法的广泛采用，充分发挥卫星自身的能力和优势，尽量不用或者少用地面定标场和真实性检验场，可以在整个在轨业务化运行期间，以较小的代价持续保证精度和质量，大幅度提升微纳卫星的辐射、几何精度和成像质量，弥补其性能的不足。

在轨成像参数精细化设置，以充分用好卫星潜能，保证获得高质量的数据源。在精确在轨标定的基础上，根据地面景物特性、光照条件、大气条件、成像模式等，结合遥感器的成像特性和微纳卫星的敏捷能力，进行在轨精细化的参数设置（包括积分时间、TDI级数、增益等）和任务规划，有效发挥卫星系统的最大效益，在绝大多数条件下都能获得高质量的图像数据源。

（3）新材料与新型结构设计，促进遥感器高稳定性能和轻小型化

轻小型光学遥感器采用高强度、低密度、低膨胀系数的材料作为反射镜及光机结构材料，如超薄碳化硅、轻质合金、碳纤维增强复合材料等。微纳卫星遥感器在采用新型轻质材料实现轻小型化的同时，全复合材料结构设计还能够消除反射镜、光机结构等各部件因材料性能差异引起的不匹配性，实现系统的高稳定性能。

在采用整机模块化设计的微纳卫星结构中，卫星平台通过柔性连接结构对遥感器实现准静定支撑。柔性连接结构形式多样，布局灵活，其柔性环节通过自身变形吸收平台与遥感器之间温度应力及装配应力，其自身阻尼环节可有效隔离平台振动，减小卫星平台对遥感器成像质量影响。而且柔性连接结构质量轻，可有效减轻遥感器与平台的连接环节质量。

光学系统采用创新型高紧凑型设计思想，通过共体设计和高确定度超高精度先进加工技术，可同时实现光学系统超高微型化和高性能密度。

3 微纳遥感卫星商业发展途径分析

微纳遥感卫星发展的必然途径是规模化、星座化应用，其前提是在轨证明高应用有效性和高性价比。低成本实施途径唯有通过产业化生产制造以实现，其基础是产品标准化和流程规范化；高的应用有效性来源于两个关键：一是对潜在需求的敏锐捕捉或乔布斯式的创造；二是快速实现样机在轨技术和应用模式验证，向用户群提供快速体验机会。乔布斯式的创造含两个方面，一是无中生有的功能承诺，二是天外飞仙式的独特解决方案。当然，国际航天也正在出现马斯克式的新神奇，在微纳卫星领域就有“天空卫星”、“一网”星座等案例正在演进。

微纳遥感卫星发展的三个核心要素：创新、应用、低成本。创新含三个方面：技术创新、管理创新和商业模式创新。应用要解决好有效需求的精确提取和有效供给的独特性实现，前者有苹果手机，后者有共享单车和滴滴打车可供借鉴。低成本是关键基础和必由之路。

需求包括宏观需求和微观需求，前者可能来源于一带一路等国家倡议、国际合作与贸易，以及国内区域性经济体；后者则可能来源于国内新兴业态的信息需求和消费经济扩张下的特定人群信息消费新模式。

以低成本高性能和用户新应用、新体验为目标的技术创新

技术创新是商业模式创新的前提和基础，是“三创新”的原动力，没有技术创新成果作支撑，商业模式创新就没有实质性内容，管理创新就没有任务载体。新技术催生新应用，吸引投资方和市场眼球；新应用带来新体验，刺激购买欲和示范普及。对于这种模式，苹果手机、共享单车和特斯拉电动车等已经给出了成功的案例。

微纳卫星的技术创新要瞄准“四高一低”，即高分辨率观测、高覆盖性获取、高智能星上处理、高灵活度应用和低成本系统实现。

以创造性解决方案为核心的应用模式创新

商业模式创新是“三创新”的成功学核心，若没有以应用模式创新为重要表征的商业模式创新来统括，技术创新成果就没有商业号召力和经济效益获取途径，管理创新就没有施展空间。高灵活度智能化设计是实现面向用户需求、实现灵活度应用的关键方向，也是实现卫星软件化、智能化的重要途径。其目的在于简化运控操作模式，缩短任务时间链。具体包括定制性任务规划、天地一体化、简易测控与星座化长期自主运控、频率选择、端到端的傻瓜式应用（星上任务和地面应用软件APP化）等。

以“微纳卫星命运共同体”为理念的业态创新

微纳卫星技术和投资门槛相对较低，中远期市场预期大，目前处于八仙过海式的探索阶段，对行业性发展缺乏统一的认识和高度共识，且尚未出现公认的成功典范和普世经验。微纳卫星走入大规模应用是公认大趋势，但要实现这一愿景，还需有技术、经济、应用、管理等方面的大胆尝试，以获得必要的经验和教训。微纳卫星在商业航天领域中与军民融合的综合契合度很高，不难想象将可能出现如“微纳卫星命运共同体”等为理念的业态创新模式，通过众筹与联盟使微纳卫星早日走向大规模有效应用的蓝海。

微纳卫星开发创新流程图

微纳卫星的生命力是持续创新，微纳卫星存在的根本原因在于它是探索性技术创新的天生优良载体；微纳卫星的生存空间取决于性价比，即低成本基础上的有效产出率；产业化是微纳卫星发展的必然方向和归宿，通过数量型运行体现优势，弥补单星绝对性能和稳定性的劣势，通过组批生产解决低成本带来的经济效益发展受限问题；微纳卫星的命运决定于应用效能，成功之路源于有效应用的实践检验；微纳卫星成功的分水岭和标准是面向本土化应用土壤的独特解决方案，即应用模式。

微纳卫星要实现可持续商业计划，不仅要躲过各种暗礁，还要获得可持续投融资、可持续技术创新与管理创新，更需要不断探索商业模式创新。

关于应用模式创新，已有几种可能突破模式：1）大数据与快速重访：“天空卫星”、“鸽群”、“新卫星”的星座化建设或大批量部署，试图提供数据创造未来、创造价值的低成本获取手段，快速重访带来的高数据连续性应用；2）订制性任务的快速便捷满足：直控直传试图突破传统获取传输模式，为针对性用户提供专属订制性解决方案；3）共享经济的空间化：“共享”卫星与“滴滴”卫星。

4 结束语

国际上几种典型的微纳遥感卫星代表了目前技术的发展水平，但同时其提出的应用模式对微纳卫星发展也具有重要意义。微纳遥感卫星通过星座化运行，结合信息化、网络化应用，增强用户体验，降低用户应用门槛，将是微纳卫星发展的一个重要方向。

百颗规模的微纳遥感卫星星座化运行模式，将带来卫星数据应用的变革，促进卫星应用的大众化、服务化，广泛服务于自然地球和社会地球的数字化监测。通过大幅度技术创新促进微纳遥感卫星技术发展，实现低成本微纳卫星“精而强”，为未来实现高性能“微纳遥感云”建立技术能力和手段，可为各类用户提供优质、便捷、高效的服务。