国外微纳遥感载荷技术最新进展

沙治波 俞越 焦建超

国外微纳遥感载荷技术最新进展

沙治波 俞越 焦建超

（北京空间机电研究所，北京 100094）

随着技术的进步和商业应用模式的创新，微纳遥感卫星和载荷的发展得到了各领域的重点关注。相比传统遥感载荷，微纳遥感载荷体积小、质量小、研制周期短、成本低、发射方式灵活，很好的适应了商业航天发展，满足多种行业应用。目前，国际上多家企业和研究机构推出了各种高性能微纳遥感卫星计划，配备的载荷各有特点。文章对国际典型微纳遥感载荷进行了调研分析，可以看出目前国际微纳遥感载荷通常会采用新技术以提升性能，采用标准化、型谱化研制理念提高研制效率，并且星上智能处理技术也愈发被重视，以期减小卫星数传压力。文章根据国际微纳遥感载荷发展特点并结合中国航天自身情况，形成了启示与建议，为中国微纳遥感载荷未来发展提供参考。

载荷特点 启示与建议 商业航天 微纳遥感载荷

0 引言

随着航天市场需求不断增加，微纳卫星技术的发展越来越受到关注。微纳卫星通常是指质量小于100kg、具有实际使用功能的卫星，而微纳载荷是指在微纳卫星上直接执行特定卫星任务的仪器、设备或分系统。微纳卫星具有体积小、质量小、研制周期短、成本低、发射方式灵活等特点，已经在通讯、遥感、电子、侦察等领域获得了广泛的应用。随着微纳遥感星座的建立，更多的行业都可以从遥感数据中获得有价值的信息，这使得微纳遥感产业展现出更广的经济和社会效益。

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，目前已被Planet公司收购）的“天空卫星”（SkySat）系列卫星，行星公司（Planet）的“鸽群”系列微纳卫星，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。同时，在空间探测方面同样涌现了大量的基于微纳卫星平台的天文观测卫星，它们利用新老技术相结合的方式，实现对热点天文事件的快速响应，以及满足有限而明确的特定观测任务，实现较高的效费比。

本文对国外典型微纳卫星载荷的性能参数进行了梳理，分析其技术特点以及新的应用领域并形成建议，为微纳遥感载荷发展提供新思路。

1 对地观测微纳遥感卫星载荷进展情况

1.1 美国Planet公司

Planet公司是世界上在轨光学遥感载荷数量最多的公司。截至目前，其公司拥有约200余颗卫星在轨运行，可以实现全球图像每日的更新，为全球各个领域提供实时的遥感数据[1-2]。

图1 “鸽子1号”卫星示意

表1 “鸽子1号”卫星载荷性能参数

Tab.1 The load performance parameters of the DOVE-1

（1）“鸽群”星座

“鸽群”卫星采用6U立方星概念，其标准为100mm×100mm×300mm（见图1卫星示意 图[3]），主要功能是将观测到的图像传回地球，再经过整合，与不同领域进行合作。“鸽群”卫星利用工业级货架零件实现了大批量产、造价低廉，可由国际空间站直接投放，也可以经由不同种类的商业发射系统发射。“鸽群”卫星整星质量约5kg，载荷采用卡塞格林光学系统形式，具体性能参数如表1所示[3]。

“鸽群”卫星光学载荷采用CCD探测器，可以获取黑白和多光谱彩色全景图像，第二代“鸽群”卫星还增加了近红外谱段，图像的分辨率为3～5m，系统构成如图2所示[3]。

图2 “鸽子1号”卫星载荷系统构成图

Planet公司为了接收庞大的遥感数据，在全球建设了自己的地面接收站，每个站有一副或多副天线和相应的射频系统，本地计算机服务器通过安全VPN连接到中心，地面站获取的图像发送到Planet云服务中心处理，保证数据更新速率。

“鸽群”星座通过大规模、低成本的遥感卫星组网，实现对地高频观测、大范围覆盖，重访率高，数据更新快，可以捕捉突发事件。它产生的大量遥感数据可以应用于环境、能源、矿业、电力和运输等关键基础设施监测，甚至应用在金融检测以及救生、救灾任务上，应用领域几乎覆盖了所有行业，具有巨大的市场应用潜力。

（2）Skysat星座

SkySat由Skybox成像公司研制，后被Planet公司收购，目前已经发射21颗遥感卫星。SkySat卫星具有全色成像和多光谱成像两种模式。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[4]。从图3中可以看出，卫星是围绕光学载荷开展构型布局设计的。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，以及整星的轻量化，整星质量约100kg。

图3 SkySat-1卫星示意

表2 SkySat载荷性能参数

Tab.2 The load of SkySat performance parameter

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。相机的光学系统采用卡塞格林形式，具体参数如表2所示[5]。

探测器则采用低噪声、高帧频的5.5兆像素商业面阵CMOS器件，既支持了高重叠率推帧成像，又可实现视频数据的获取。成像系统通过3片探测器拼接实现8km成像幅宽，通过对面阵探测器的一部分进行巧妙地加工，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。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[6-7]。

SkySat后期的卫星平台增加了模块化推进系统，并且使用了性能更好的动量轮装置增加了整星的机动控制能力，整星质量虽然增加到120kg左右，但通过推进系统可以实现降轨，从而提升载荷的对地观测分辨率。目前SkySat卫星已开展了降低轨道提高分辨率的实验任务，通过降低轨道实现0.5m地面分辨率，其高分辨率遥感图像可应用于物流、矿产等多个领域。

1.2 阿根廷Satellogic公司

Satellogic卫星公司成立于2011年，主要为农林、能源、经济等行业提供卫星数据支持。Satellogic公司目前已提出建立300颗卫星的高分辨率遥感卫星星座目标，利用机器学习等自动化处理手段，为用户提供更快速的地表监测和分析服务。其中NewSat系列卫星的主载荷为可见光多光谱相机（主要指标参数如表3所示），可生成优于1m分辨率的全色图像（见图4）[8]，该星座完成组网后每周可更新一次完整的地球图像。

表3 Satellogic卫星公司载荷参数

Tab.3 The load of Satellogic satellite performance parameter

Satellogic公司计划在未来发射300颗卫星，组成大规模对地观测遥感卫星星座，实时监测地球信息，使各方的决策都有所依据。例如，通过每日监测世界上所有适合耕种的田地，关注植物的氮摄取量、植物的水压和作物的疾病传播状况等，以此来提高农作物的收成，解决粮食短缺的问题[9]。

图4 配备高分辨率多光谱相机和超光谱成像仪的Satellogic卫星

1.3 美国BlackSky公司

BlackSky公司成立于2013年，主要从事卫星影像销售业务。BlackSky公司的理念是“卫星影像即服务”，它能以极高的成本效益和高重访频率获取高分辨率的卫星影像。BlackSky公司计划发射一组由60颗对地观测卫星组成的星座，将对地观测重访周期降低至数小时以内。自2018年11月首次发射业务星，到2021年5月，已发射9颗对地观测卫星，其中2颗发射失败[10]。

如图5所示，BlackSky-1“寻路者”微纳卫星采用相机卫星一体化设计，具备凝视、动态视频、低功耗等模式，谱段为全色和可见光，能够对地面30km2范围内进行高精度观测，其遥感载荷性能参数如表4所示[11]。

图5 “BlackSky-1寻路者”微纳卫星

表4 Global载荷性能参数

Tab.4 The load parameters of Global

BlackSky公司星座的特点如下：

1）易用性。卫星数据的获取采用基于网页的界面，加速并简化了用户浏览、获取、下载数据。用户可以安全登录、获取图片和信息、发送指令。

2）快速重访。星座平台系统能够提供具备行业领先重访水平的商用图像。60颗星组成的星座将重点区域的重访周期缩短到数小时之内。

3）低成本。BlackSky公司凭借自身行业领先的发射能力、不断改进的运载、基于云计算的软件服务等优势，能够将星座运行成本大大降低。

为了更加有效地利用星座获得的大量图像数据，BlackSky公司和AllSource Analysis数据分析公司进行了合作，卫星影像可以服务于各种行业应用，例如：农业、林业、政府项目、非政府组织、军事、金融、工程、能源等。这样快速的访问频率和高分辨率对于卫星影像的应用非常重要。除了上述领域，在大规模的地震和空难发生时，如果获取卫星影像的时间可以从几周缩短到几个小时，那么相关人员就可以快速确认遭受损失最大的地区，采取更有效的救援，挽救更多生命。这种快速获取影像的服务对于搜寻和营救行动至关重要，例如：监测森林大火和寻找失事飞机等[12-14]。

1.4 美国陆军“鹰眼”（Kestrel Eye）

Kestrel Eye卫星是由智能技术微系统公司建造的光电成像微纳卫星，源于美国国防高级研究项目局的一个微纳卫星项目计划。该卫星每颗质量约为50kg，Kestrel Eye卫星实物如图6所示。Kestrel Eye卫星将直接接受战场上前线作战部队的指挥，并直接向地面站传送图像，而不需要通过美国大陆的路线进行中转，可为旅级部队提供“近实时态势感知”[15]。

Kestrel Eye卫星的作用是无人机单元的一种扩展，它可以直接拍摄具有领空管制的地域，无需担心地空导弹的攻击。使用低成本卫星可以构成大规模星座系统，具有极高的快速任务响应能力和重访频率，其光学载荷性能参数如表5所示[16]。

微纳遥感载荷不仅可以在环境、资源、金融等民用领域发挥作用，同样也可以为军事作战提供支持。Kestrel Eye微纳星座凭借其覆盖范围大、响应速度快、分辨率高的特点，提高了美国的单兵作战能力。

图6 Kestrel Eye卫星

表5 Kestrel Eye载荷性能参数

Tab.5 The load parameters of Kestrel Eye

1.5 欧盟STREEGO无热化载荷

STREEGO相机是ESA联合拉瑞奥图像技术公司开发的一款应用于小型卫星的创新型光学有效载荷。针对高分辨率有效载荷的市场应用，专用于精准农业、安全、城市发展等领域。它得益于开创性技术，可应用于具有较高成本效益的卫星和小型卫星星座[17-18]。

STREEGO相机是一个无热化、全反射式系统，采用离轴三反光学系统形式，光学系统光路图如图7所示，反射镜的材料均为铝合金。采用大规模面阵CMOS探测器。载荷参数如表6所示[19]。

图7 光学系统构型示意

表6 STREEGO载荷参数

图8 STREEGO相机结构示意

图9 探测器滤光片示意

该相机反射镜采用电致成型方法制备，具有可复制的特点，反射镜可快速批量化生产，反射镜的制备周期仅为1日。如图8所示，相机结构采用全铝合金设计，与反射镜的热膨胀系数一致，实现无热化[20]。

探测器采用CMOS探测器，采用高集成度电子学。多光谱成像通过在像面放置镀膜薄滤光片实现，从而实现了多光谱探测。探测器滤光片示意图见图9[20]，可以看出滤光片自上而下依次镀了不同谱段的滤光膜，实现了多光谱探测。

1.6 欧盟HyperScout高光谱载荷

HyperScout高光谱载荷是一台面向立方星应用的超轻小型高光谱成像光谱仪，载荷参数如表7所示。该载荷具有大视场和星上处理的特点，并且具有超轻小型化，可以满足土地资源、植被等方面的应用需求。HyperScout高光谱载荷特别适合于微纳卫星组网实现高时间分辨率的高光谱对地成像，16颗星即可实现对全球每日覆盖2次，或对特定区域实现30min一次的成像频率[21-22]。

表7 HyperScout参数

Tab.7 The indicator of HyperScout

如图10所示，HyperScout是第一个拥有自己“大脑”的小型化高光谱成像仪，它可在微纳卫星以及大型卫星上运行[23]。星载数据处理系统专为实时数据处理而设计，可在轨生成Level-2级数据，因此大大减少了要下载和处理的数据量，降低了对微纳卫星数据下行能力的要求。如图11所示[24]，HyperScout载荷拥有可见光近红外和热红外两个通道，光学系统采用离轴三反消像散形式，全反射式的望远镜可以保证较高的光学品质和较宽的谱段。结构采用同种材料，实现无热化设计，不会因不同材料的热膨胀系数不同导致对载荷品质产生影响。同时配备星上处理单元，大幅降低下传的数据量。HyperScout的光谱分光采用线性可变滤光片，直接安装于探测器表面进行分光。探测器采用CMOSIS CMV12000商业CMOS器件，像素尺寸5.5μm[23-24]。

图10 HyperScout高光谱成像载荷

图11 HyperScout光学系统形式及构型

该载荷重要特点是具备星上处理能力，通常该载荷一轨数据量为1 Tbyte，而立方星平台数据下行能力为1 Mbit/s，无法满足大数据量下传需求。通过采用星上处理模块，使得这种微纳卫星实现高光谱成像成为了可能。HyperScout高光谱成像载荷可应用于洪水监测、农作物对水需求监测、植被健康监测、变化检测等多个领域。

2 发展启示与建议

根据不同任务需求，为了满足微纳遥感卫星对光学载荷高性能、轻小型化、批量化、低成本的要求，经过发展，微纳光学载荷逐步形成了自己的特色。从共性上看，可以得到以下启示：

（1）利用新技术提高微纳载荷的应用能力

创新性技术的使用，可以大幅提高微纳遥感载荷的总体性能。例如：SkySat卫星星座载荷通过在探测器上镀滤光膜，实现了多光谱和全色同时探测；STREEDO无热化载荷利用电致成型法制备反射镜，大大缩短了载荷的研制周期；BlackSky公司的微纳卫星和HyperScout1载荷均加入了智能星上处理算法，在星上对遥感图像进行判别和优化，减轻了微纳卫星的数传压力。

1）光学系统设计技术。对于微纳光学载荷，光学系统是设计核心，光学系统的结构形式、复杂程度决定了载荷轻量化、小型化的水平。微纳遥感载荷要求具有轻量化、小型化、无热化、无遮光罩、无调焦、易加工装调、力热适应性强等特点，传统光学系统优化设计思想难以全面实现上述目标，迫切需要光学系统设计大幅创新。目前紧凑型多反系统和自由曲面光学系统在小型化、大视场、无热化等方面具有巨大的潜力，是未来高性能、轻小型化光学载荷的发展方向。

2）结构设计技术。微纳遥感载荷不仅要求结构轻量化，更要求光机一体化，包括一体化设计、一体化加工制造。创新式优化设计和增材制造的兴起与结合，为实现光机一体化设计、加工、制造提供了良好的技术条件。同时，在新材料方面，镁合金等新材料的应用，可以进一步减小载荷质量。镜头结构折叠技术，可以缩小载荷发射时的体积，同样可以在微纳遥感载荷上进行尝试。此外，相同材料一体化设计可以大大降低相机的热控成本，减少热控元件，减小载荷质量。

3）智能化在轨图像处理技术。目前微纳卫星的电子系统功能单一，不能对图像进行筛选和处理，导致数据量大，数传系统占用了卫星过多的资源。新的图像处理技术将大大减小下传的数据量并丰富卫星功能。其中图像智能处理技术、在轨功能和算法更新技术具有广泛的应用前景。

图像智能处理技术能够实现任务智能规划，目标定位和自动特征提取，智能云判与数据剔除，自动调焦和自动曝光。在轨功能和算法更新技术是由用户定制卫星功能和算法，然后从地面上传在轨相机程序和算法，从而实现遥感卫星的多任务、多功能、高适应性特性。

这些新技术的不断成熟也将推动微纳载荷的发展，及早地完成这些技术的在轨验证，将更有利于在未来的微纳遥感领域领跑。

（2）型谱化载荷是实现微纳遥感卫星组网应用的趋势

微纳遥感载荷通常需要大规模部署，通过星座组网的方式进行对地观测，因此对成本和研制周期的控制至关重要。充分利用成熟技术将载荷分为不同的模块，实现型谱化，可以大大降低载荷的成本、缩短研制周期，有利于批量生产。“鸽群”系列卫星、BlackSky公司的星座、美国陆军Kestrel Eye星座均采用型谱化载荷，实现批量化生产、快速集成部署。型谱化载荷是微纳遥感载荷发展的必经之路。

（3）与行业数据公司深度合作挖掘遥感数据应用潜力

微纳卫星星座将会具备上百颗的规模，每日会产生庞大的图像数据，卫星公司本身往往对这些图像数据并不能完全开发利用，只有其中一部分会得到重点关注，例如：植被信息、矿产资源、天气变化等。为了提高数据使用率、挖掘数据价值，Planet公司和BlackSky公司除了自身对这些数据进行了充分的开发外，广泛的与各行业用户深度合作，如Planet公司与FarmersEdge公司合作，利用Planet星座重访时间短的特点，深度挖掘在农业领域的应用，与Orbital Insight公司合作挖掘在金融保险领域的应用。通过与行业数据公司结合，能够充分发挥遥感大数据优势，产生巨大的附加价值。

3 结束语

本文分析了国外微纳遥感载荷的新技术应用情况，包括美国Planet公司的Flock星座和SkySat星座载荷、阿根廷的Satellogic公司的载荷、美国陆军Kestrel Eye星座、欧盟STREEGO和HyperScout新型载荷。这些微纳遥感载荷针对不同的应用需求，具有各自的特点的同时也具有一定的共性，将这些共性同我国航天的发展特点相结合，提出了启示与建议。未来随着应用需求不断增加，微纳遥感载荷将具有更好的发展空间，通过将新技术应用在微纳遥感载荷上，在有限的资源条件下实现最佳的成像效果，这将使微纳遥感载荷更具竞争力，将会成为未来空间遥感载荷市场的主力军。

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The Latest Development of Micro-nano Remote-sensing Payload Technology Abroad

SHA Zhibo YU Yue JIAO Jianchao

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With the progress of technology and the innovation of commercial application mode, the development of micro-nano remote-sensing satellite and payloads has been paid more attention in military and civil fields. Compared with traditional remote-sensing payloads, micro-nano remote-sensing payloads are with the features of small size, light weight, high performance, short develop time, low cost and flexible launch methods, which are adapted to commercial aerospace and can be applied to every walk of life. At present, lots of international companies and research institutions have submitted various high-performance micro-nano satellite programs, whose payloads have different feature. This paper investigates the typical foreign micro-nano remote sensing payloads. These current foreign micro-nano remote sensing payloads usually adopt new technologies to improve the performance of the micro-nano loads, and use the standardized and model development concepts to improve the developmental efficiency, in addition, more attention has been paid to on-board intelligent technology processing which can reduce the pressure of satellite data transmission. Combining with the development characteristics of foreign micro-nano remote sensing payloads and the situation of Chinese aerospace, enlightenment and suggestions have been formed, which can provide references for the future development of our country micro-nano remote sensing payloads.

payload characteristics; enlightenment and suggestions; commercial aerospace; micro-nano remote sensing loads

V445

A

1009-8518(2021)05-0039-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.05.005

沙治波，男，1978年生，2001年获河北理工学院机械电子工程专业学士学位，高级工程师。主要研究方向为相机载荷研制。E-mail：sunnyshazb@126.com。

2020-09-11

沙治波, 俞越, 焦建超. 国外微纳遥感载荷技术最新进展[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(5): 39-48.

SHA Zhibo, YU Yue, JIAO Jianchao. The Latest Development of Micro-nano Remote-sensing Payload Technology Abroad[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(5): 39-48. (in Chinese)

（编辑：庞冰）