国外对地观测微纳卫星发展趋势分析

2020-08-14李健全王倩莹张思晛赵志伟

航天器工程 2020年4期

李健全王倩莹张思晛赵志伟

(1 中国空间技术研究院，北京 100094)(2 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094) (3 航天恒星科技有限公司，北京 100095)

按卫星的质量划分，一般将100 kg(含)及以下的卫星统称为微纳卫星。随着微电子、光电子技术的不断发展，微纳卫星技术发展迅速，微纳卫星已从以技术试验、试用阶段进入实用阶段。微纳卫星具有性价比高、成本低等优势，且通过组网形成星座，容易获得较高的时间分辨率和观测覆盖性，成为对地观测领域的一个重要的发展方向。

微纳卫星在对地观测领域需求大幅增加，表现在微纳卫星的发射数量快速增长。本文从大(系统)到小(单星)，从过去(来源)、现在(目前状态)、未来(未来发展)等多维度对国外典型的微纳卫星对地观测系统进行了分析与论述。

1 国外对地观测微纳卫星的发展现状

1.1 美国

较为完善的政策环境吸引了大批的商业资本进入微纳卫星对地观测领域，使美国的对地观测微纳卫星技术发展迅速，在微纳卫星的发展中处于领先地位。典型的对地观测微纳卫星系统有以下几个。

1.1.1 天空卫星星座

2009年，4位来自斯坦福大学的毕业生创建了天空盒子(Skybox)公司，其目的就是通过设计和建造天空卫星(SkySat)微纳卫星星座和采用云服务，为全球用户提供高可靠和高频次重访的高分辨率地球观测图像。经过多年发展，目前已建成由15颗卫星组成的SkySat卫星星座，该星座具有亚米级高分辨率成像和高清视频能力[1]。卫星上装载焦距3.6 m的卡塞格林式相机，采用互补金属氧化物半导体(CMOS)器件。可以获取蓝、绿、红、近红外及全色谱段的图像。

2013年11月，SkySat-1卫星成功发射，首次实现微卫星级高分辨率成像能力。卫星设计寿命4年，质量83 kg，分辨率为0.9 m(全色)和2 m(多光谱)，如图1所示。

图1 4颗SkySat卫星飞行示意图Fig.1 An illustration of four SkySat satellites

SkySat-2卫星于2014年7月成功发射，进入高度为620 km的太阳同步轨道。该星与SkySat-1设计方案一致。

2016—2019年，是第二代SkySat星座的建设期，共发射了13颗卫星(SkySat-3)。此星座能够1天内多次重访特定地点，信息获取能力大大增强。相对于第一代SkySat卫星，第二代SkySat卫星的探测器的像元尺寸更小，卫星机动能力更增强，卫星具有推进能力可完成轨道维持；卫星质量增加了30 kg，卫星本体高度增加了0.15 m；卫星的寿命从4年提高到6年；全色分辨率从0.9 m提高到0.72 m。

值得一提的是，Skybox公司先是被美国谷歌公司收购，并更名特拉贝拉公司，后又转让给美国行星公司。

1.1.2 鸽群星座

美国行星公司负责研制和运营鸽群(Flock)对地观测星座，由150颗立方体卫星构成(图2)，其目标是每天可观测地球一遍，获取连续的对地观测图像，从而实现对地球变化情况的可观测、可获得、可使用的目的。包括Flock-1、Flock-1b、Flock-1c等多个星座，Flock卫星上装载红绿蓝谱段的光学相机[2]。就对地观测而言，该星座是全球最大的。

运行在中角度倾斜轨道上的28颗Flock-1卫星和28颗Flock-1b卫星分别于2014年的1月、6月发射，运行在太阳同步轨道上的11颗Flock-1c卫星于同年7月发射。这些卫星均是3U立方体卫星。其中，Flock-1卫星在400 km的轨道高度上可获取地面分辨率3～5 m的图像。

2015—2017年，分7批次共发射了214颗Flock卫星。这些卫星也是3U立方体卫星，卫星质量5 kg，寿命2～3年，成像分辨率3～5 m。星座具备每天对全球覆盖1遍的能力。2018—2019年，分6批次共发射了68颗Flock卫星[3]。2014年—2019年，累计共成功发射了349颗Flock卫星。

1.1.3 卡佩拉星座

美国卡佩拉空间公司提出发展由36颗微纳型合成孔径雷达(SAR)卫星组成的对地观测卫星星座——卡佩拉(Capella)星座，星座分布在12个轨道面，每个轨道面有3颗卫星。星座建成后可实现1 h的重复观测周期。首颗卫星 “德纳里峰”(Denali)为技术验证卫星，于2018年12月发射，质量48 kg，有效载荷为X频段SAR载荷，分辨率优于1 m。

考虑到用户的要求，Capella星座工作星有较大改进。卡佩拉公司于2020年1月发布了Capella星座工作星的有关情况，其分辨率优于0.5 m，卫星质量是技术验证星的2倍达到100 kg，天线采用可展开环形天线，口径3.5 m(技术验证星的天线为矩形天线)，太阳电池阵的面积将增加两倍，另外，安装了第2个星跟踪器，采用更大作用力的飞轮。工作星取名“红杉”(Sequoia)，如图3所示，计划在2020年分3批次共发射7颗[4]。卡佩拉公司的用户包括美国空军、国家侦察局等。

图3 Sequoia卫星Fig.3 Sequoia satellite

1.1.4 狐猴-2星座

斯派尔公司(Spire)成立于2012年，其宗旨是用数据改变世界，Spire是一家“空间到云”的数据服务商和卫星运营商，可提供天气和海运等服务。Spire运营着一个由一百多颗卫星组成的狐猴-2(Lemur-2)纳卫星星座[5]。Spire在全球建起了30个地面站，用于管理卫星。Spire的快速反映能力强，一个新卫星从设计到发射只需6个月，其中总装时间仅需10天。Lemur-2卫星是3U纳卫星，卫星质量4 kg[6]，如图4所示。

图4 LEMUR-2卫星Fig.4 Lemur-2 satellite

第1代Lemur-2星上有2个有效载荷：船舶跟踪监测设备(AIS-receiver)和GPS 无线电掩星探测仪(GPS radio occultation payload)。第二代Lemur-2星(从第78颗卫星以后)，新增第3个有效载荷，即广播式自动相关监视仪(ADS-B)，用于跟踪飞机。2015—2019 年，Lemur-2卫星已成功发射111颗，目前在轨有87颗卫星。

1.1.5 黑天全球星座

黑天全球(BlackSky Global)公司于2013年成立，提出发展1 m分辨率的微纳卫星对地观测卫星星座，星座的规模为60颗卫星[7]，每3年全部更换一次。卫星的总制造商为空间飞行服务公司，其中的成像系统则由哈里斯公司负责制造。卫星可以在500 km的轨道高度上，获取0.9～1.1 m分辨率的图像。目前发射了5颗，如图5所示。

图5 黑天全球卫星Fig.5 BlackSky Global satellite

2016年9月，星座的技术验证星——探路者-1卫星成功发射。卫星设计寿命3年，质量44 kg。卫星采用侦察兵卫星平台，有效载荷为哈里斯公司的空间视野-24(SpaceView-24)相机。

2018年11月和12月，2019年6月和8月，分4次发射，共4颗BlackSky Global卫星成功入轨，由此建成了BlackSky Global一期星座。卫星寿命3年，质量54 kg。卫星仍采用侦察兵卫星平台，有效载荷仍为哈里斯公司的SpaceView-24相机。

1.1.6 陆地制图星座

陆地制图(Landmapper)星座是由美国数字宇航公司(Astro Digtal)研制的微纳卫星星座，以前该星座称为乌鸦(Corvus)星座。Landmapper星座规模为30颗卫星，其中10颗Landmapper-BC为6U立方体卫星，质量10 kg，分辨率22 m(轨道的近地点586 km，远地点600 km)，谱段为红、绿和近红外，如图6所示；20颗Landmapper-HD卫星可以获取2.5 m分辨率5波段的多光谱地球图像，卫星质量20 kg，是非标准的16U卫星[8]。Landmapper星座主要是用于农作物生长情况的调查。2017年7月和11月分别发射了2颗和1颗Landmapper-BC卫星。2018年1月和12月，分别发射了1颗Landmapper-BC卫星[9-10]。

图6 Landmapper-BC卫星Fig.6 Landmapper-BC satellite

1.2 英国清晰成像星座

清晰成像(Vivid-i)星座由英国地球成像(Earth-i)公司出资，萨瑞技术有限公司(SSTL)负责研制的商业遥感视频卫星星座，星座由15颗卫星组成。

Vivid-i星座可以获得0.6 m地面分辨率的静止图像或1 m分辨率的运动图像，卫星的轨道高度500 km，单颗星每次观测可获取5.2 km×5.2 km范围的图像。卫星姿态可灵活调整，能够对感兴趣区域进行每天多次重访[11]。卫星拍摄的图像，可在拍摄之后的几分钟内完成分析，大大减少了响应时间。

2018年1月，该星座的验证星——Vivid X2卫星成功发射，卫星质量约100 kg，体积约1 m3，设计寿命5年，侧摆角±45°。

图7 VividX2 卫星Fig.7 VividX2 satellite

1.3 日本灰鹤星座

灰鹤(GRUS)星座是由日本阿克赛尔空间(Axelspace)公司开发的对地观测微纳卫星星座，星座由5颗80 kg的微纳卫星组成，星上载荷为高分辨率光学相机，可获取2.5 m分辨率观测幅宽50 km的全色图像和5 m分辨率多光谱图像。星座建成以后，每天可以更新全球的观测信息，可用于农业、森林、渔业、制图、地理信息系统(GIS)和灾害监测。单星质量80 kg，采用的轨道为太阳同步圆轨道，高度600 km，如图8所示。2018年12月，第1颗GRUS星座的卫星发射入轨。

图8 GRUS卫星Fig.8 GRUS satellite

1.4 印度“纳鲁尔伊斯拉姆大学”(NIUSAT)卫星

印度纳鲁尔伊斯拉姆大学(Noorul Islam University)研制了NIUSAT纳卫星，该卫星是光学对地成像微纳卫星，质量为15 kg，有效载荷为微型宽视场传感器，成像幅宽为50 km×50 km，地面分辨率为25 m。星上有4个可展开的固定式太阳翼，轨道为517 km/496 km的太阳同步轨道，轨道倾角97.5°，如图9所示。卫星可用于农业和灾害监测与管理等。2017年6月，NIUSAT卫星成功发射。

图9 NIUSAT卫星Fig.9 NIUSAT SATELLITE

1.5 阿根廷“新卫星”星座

图10 uSat 卫星Fig.10 uSat satellite

1.6 芬兰冰眼卫星星座

芬兰冰眼(ICEYE)公司开发了由微型合成孔

径雷达卫星组成的星座——ICEYE星座，星座由18颗微型SAR卫星组成，卫星采用超轻型天线。其目的是为最终用户提供高频次铁矿石数据分析，从而使期货公司和航运机构从中获益[13]。

2018年1月和12月，先后成功发射了ICEYE-X1卫星和ICEYE-X2卫星。其中ICEYE-X1为飞行验证星，卫星质量为70 kg,分辨率为10 m；ICEYE-X2为改进型卫星，质量80 kg，SAR的分辨率提高到3 m，轨道为高度500 km的太阳同步轨道，如图11所示。两颗星的有效载荷均为X频段合成孔径雷达。冰眼公司下一步可将卫星质量降低30 kg，而分辨率进一步提高到2 m[13]。2019年7月，2颗ICEYE卫星发射入轨。目前在轨数量为5颗。

图11 ICEYE-X2卫星Fig.11 ICEYE-X2 satellite

1.7 小结

本文论述了11个微纳卫星对地观测卫星系统，分属6个国家。这些系统具有技术水平高、代表性强的特点。体现在卫星的分辨率高，功能密度大；另外这些对地观测系统均已进入工程实施阶段，而不是停留在规划论证阶段。这些对地观测系统既有被动观测方式(光学遥感)，又有主动观测方式(SAR)；分辨率以高分辨率为主，兼顾中分辨率。从研制公司来讲，既有在微纳卫星对地观测领域经营十多年的老牌劲旅，如美国行星公司，又有多家刚加入进来的初创公司，如美国卡佩拉空间、英国地球成像、芬兰冰眼等公司，这些初创公司的加盟，加快了微纳卫星对地观测系统的发展。

以上所述微纳卫星对地观测系统的规划卫星数量、已发射卫星数量以及目前在轨的卫星数量，及其主要技术指标如表1所示。

表1 国外典型的对地观测微纳卫星情况Table 1 Typical foreign country’s micro-nano satellites in earth observation

2 发展趋势分析

通过比较、分析及归纳，总结国外微纳卫星对地观测系统的发展趋势如下。

1)光学和SAR分辨率均已实现亚米级

随着微、纳技术的发展，微纳卫星的性能尤其是功能密度、敏捷机动能力、自主生存能力和卫星寿命均得到了大幅提升，光学和SAR分辨率均已实现亚米级。如，Vivid-i卫星质量100 kg，可以在500 km的轨道高度获取可见光0.6 m分辨率的图像；Capella星座的技术验证星，质量为48 kg，可以获取优于1 m分辨率的SAR图像。

2)中分辨率与高分辨率协调发展

中分辨率与高分辨率协调发展，两种分辨率的观测系统配合使用，效率高、效果好。如，行星公司同时运营高分辨率的SkySat星座(全色图像分辨率0.72 m，多光谱为1 m)，和中分辨率的Flock星座(分辨率3～5 m)；数字宇航公司建设中的Landmapper星座，由10颗中分辨率Landmapper-BC卫星(分辨率22 m)，和较高分辨率的20颗Landmapper-HD卫星(分辨率2.5 m)组成。

3)主动、被动两种观测方式全面发展

微纳卫星的被动观测方式，即光学观测手段发展多年，技术上已比较成熟；主动观测方式，即合成孔径雷达观测手段，在2018年后发展迅速，芬兰冰眼公司和美国卡佩拉空间公司成功发射了各自的微纳合成孔径雷达卫星，2020年这两家公司的ICEYE星座、Capella星座(一期)将完成建设，微纳合成孔径雷达观测将得到快速发展。

4)组网形成星座，运行稳定

为满足用户的要求，微纳卫星对地观测系统均以组网的形式工作，组网的微纳卫星数量从几颗、几十颗，直到数百颗，能够高频次地获取用户感兴趣地区的信息。如：Flock卫星星座由100多颗纳卫星组成，其星座的规模足够大，无需再对星上相机下达特定区域的成像指令，即可满足用户需求。星座稳定运行能力强，有的采取在轨备份的方式，如Flock卫星星座有数十颗卫星在轨备份，以实现快速代替失效卫星。有的通过优化流程，将补网卫星整个研制周期控制在半年内，以达到快速补网的目的，如Spire卫星。通过这些措施，增强了对地观测微纳卫星星座的弹性和重构能力，确保微纳卫星对地观测系统的稳定运行。

5)系统设计时追求综合性能最优

微纳卫星在系统设计时，不是片面追求质量最轻体积最小，而是追求综合性能最优，尤其是与用户体验有关的性能指标(如分辨率)要达到最好。如SaySat卫星星座第2代卫星比第1代的卫星质量增加了30 kg，卫星本体高度增加了0.15 m，而分辨率指标则从第1代的0.9 m，提高到0.72 m；Capella星座的工作星相比技术验证星质量增加了1倍(从48 kg，增加到100 kg)，太阳翼的面积增加了1倍，而分辨率指标则从1 m提高到了0.5 m。

6)军民融合发展，以扩大用户的范围

国外的微纳卫星对地观测系统的发展走军民融合发展之路，在系统设计时兼顾民用、军用两方面的需求，以使系统的潜在用户更多。如Capella星座在系统设计时，在考虑民用需求后，征求美国空军、美国国家侦察局的意见，之后对星座进行了改进设计，从而获得了美国军方的经费支持。

7)进入门槛低，竞争激烈

微纳卫星主要采用商业器件，成本低易获取；规模小对总装、总测等配套条件要求低；采用搭载发射，发射成本低。从而降低了卫星研制门槛，一些高校、小规模的商业公司都可以研制微纳卫星，这使得用户的选择机会更多，对地观测卫星星座之间的竞争变得更加激烈。