面向空間云時(shí)代的微納遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展

　　近年來，國際上微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展迅速，多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)推出了各種高性能微納衛(wèi)星計(jì)劃，特別是在商業(yè)遙感領(lǐng)域如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的“天空衛(wèi)星”（SkySat）系列微衛(wèi)星、行星實(shí)驗(yàn)室公司（Planet Lab）的鴿群－1（Flock－1）系列納衛(wèi)星、衛(wèi)星邏輯公司（Satellogic）的“新衛(wèi)星”（Newsat）系列微納衛(wèi)星等。這些項(xiàng)目都計(jì)劃通過星座化的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)間分辨率和空間分辨率的遙感信息獲取，使得微納衛(wèi)星進(jìn)一步走向?qū)嵱没?/span>

　　微納遙感衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　微納衛(wèi)星迅速發(fā)展的重點(diǎn)
　　微納衛(wèi)星近年來的蓬勃發(fā)展同時(shí)得益于需求的不斷牽引和技術(shù)的快速進(jìn)步。前者來源于目前用戶在經(jīng)歷了傳統(tǒng)遙感應(yīng)用的體驗(yàn)后，隨著互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)思維的影響，越來越對數(shù)據(jù)的時(shí)效性、覆蓋性和應(yīng)用靈活性提出了更多樣化的需求。后者則得益于微機(jī)電和信息技術(shù)的階躍式發(fā)展，使得微納衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)較高的功能密度，走向遙感應(yīng)用。但同時(shí)還是需要認(rèn)識到，受限于資源、低成本可靠性風(fēng)險(xiǎn)和批量工程化難度，微納衛(wèi)星的發(fā)展仍要面臨一些問題：
　　1）低成本與高性能。微納衛(wèi)星要實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，面臨的主要矛盾是既要求實(shí)現(xiàn)低成本，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)高性能，低成本是前提和基礎(chǔ)，高性能是發(fā)展要求，兩者兼顧才能得到高性價(jià)比。
　　2）微納衛(wèi)星完成定量化遙感任務(wù)。傳統(tǒng)衛(wèi)星的解決思路對資源和管理運(yùn)行的要求顯然不適用于微納衛(wèi)星，因此微納衛(wèi)星需要通過新的技術(shù)解決定量化問題。
　　3）資源受限條件下的平臺(tái)載荷一體化設(shè)計(jì)。改變傳統(tǒng)衛(wèi)星設(shè)計(jì)思想，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，綜合利用載荷資源和平臺(tái)資源，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)載荷一體化設(shè)計(jì)。

　　微納衛(wèi)星技術(shù)未來發(fā)展趨勢
　　近年來，微納衛(wèi)星由于具有低成本、短周期、發(fā)射靈活等突出特點(diǎn)，國內(nèi)外眾多工業(yè)部門和大學(xué)研究機(jī)構(gòu)紛紛參與，促使微納衛(wèi)星技術(shù)迅速發(fā)展。微納衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展趨勢可以從三個(gè)層次進(jìn)行分析：
　　1）系統(tǒng)層面。低成本化是微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的重要方向。
　　2）分系統(tǒng)或單機(jī)層面。采用集成功能單元化設(shè)計(jì)方法。實(shí)現(xiàn)星上射頻設(shè)備通用化、軟件化。采用機(jī)電熱集成化設(shè)計(jì)，設(shè)備無纜化。
　　3）應(yīng)用層面。結(jié)合任務(wù)特點(diǎn)，針對衛(wèi)星星座和星簇，采用星座化部署，網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用；針對多星在軌任務(wù)，采用智能化、協(xié)同化；應(yīng)用智能衛(wèi)星自主管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)控自主化；通過衛(wèi)星軟件化、智能化特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用直達(dá)便捷化。

　　微納遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展途徑分析

　　以低成本為核心的微納遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)哲學(xué)
　　高性能微納遙感衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題是在低成本和資源嚴(yán)重受限條件下，為達(dá)到較高的遙感定量化應(yīng)用要求，如何提高微納功能性能密度比。其設(shè)計(jì)哲學(xué)的核心是一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要通過平臺(tái)載荷一體化實(shí)現(xiàn)，包括基礎(chǔ)級、功能級和任務(wù)級。在設(shè)計(jì)微納衛(wèi)星時(shí)，充分采用面向用戶任務(wù)特點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，充分理解用戶應(yīng)用場景，從衛(wèi)星操控和數(shù)據(jù)獲取的便利性方面入手，使得衛(wèi)星好用、易用。
　　（1）基于商業(yè)現(xiàn)貨的謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)
　　微納衛(wèi)星由于集成度很高，需要大量采用COTS器件或組件，如何用好商業(yè)貨架產(chǎn)品是一個(gè)需要重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)。對COTS器件形成一套適用于微納衛(wèi)星的器件篩選方法，在軌驗(yàn)證后形成COTS器件庫；對于COTS組件需要逐步摸索，形成適用于星載應(yīng)用的COTS組件群，同時(shí)不斷更新完善。
　　由于微納衛(wèi)星大量采用COTS器件或組件，需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，對COTS器件可能存在的單粒子翻轉(zhuǎn)或鎖定進(jìn)行系統(tǒng)層面的防護(hù)，采取單粒子翻轉(zhuǎn)及計(jì)算機(jī)復(fù)位后重要數(shù)據(jù)恢復(fù)、單粒子鎖定后自主加電等必要的技術(shù)手段，將出現(xiàn)的故障降低在單機(jī)或組件層面，短期自主恢復(fù)，不影響系統(tǒng)任務(wù)。
　?。?）標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品體系與研制流程規(guī)范
　　在設(shè)計(jì)中要強(qiáng)化整星一體化設(shè)計(jì)，具體包括系統(tǒng)級一體化設(shè)計(jì)和單機(jī)功能的一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)型號扁平化設(shè)計(jì)，減少單機(jī)產(chǎn)品數(shù)量。如采用綜合電子一體化設(shè)計(jì)，提高衛(wèi)星功能密度。綜合電子將星載計(jì)算機(jī)、測控、GPS、電源管理、姿軌控計(jì)算與管理等功能模塊集成統(tǒng)一管理。弱化分系統(tǒng)概念，采用以公共母板為供電信息交換中心的多模塊組合方案，統(tǒng)一采用CAN總線，實(shí)現(xiàn)整星電子學(xué)高度集成、板卡化。
　　采用構(gòu)型一體化設(shè)計(jì)，提高單機(jī)緊湊度。從整星全局出發(fā)，將部分儀器設(shè)備的外殼作為結(jié)構(gòu)的一部分，減少主承力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。構(gòu)型一體化設(shè)計(jì)將進(jìn)一步減輕衛(wèi)星結(jié)構(gòu)尺寸和整星質(zhì)量。實(shí)現(xiàn)一體化很重要的一點(diǎn)是要建立標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)體制，實(shí)現(xiàn)接口的標(biāo)準(zhǔn)化，具備一體化整合、功能改進(jìn)的空間。
　　衛(wèi)星在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中都要考慮成本的控制以及對用戶基于成本的應(yīng)用需求的滿足。這需要從研制流程、設(shè)計(jì)制造、產(chǎn)品保證和組織管理等多個(gè)維度來綜合考慮，重點(diǎn)關(guān)注少量與批量化研制流程優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)仿真設(shè)計(jì)手段、COTS產(chǎn)品的應(yīng)用與可靠性保障、低成本衛(wèi)星AIT與試驗(yàn)、管理模式等眾多要素和環(huán)節(jié)。

　　高性能成像系統(tǒng)的創(chuàng)新開發(fā)
　?。?）探測器的革新?lián)Q代，促進(jìn)遙感器的輕小型化和高靈活度。采用高性能探測器，并有針對性設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)與探測器相匹配，高度集成化，電路更輕更小、功耗更低，同時(shí)也會(huì)降低光學(xué)系統(tǒng)的體積規(guī)模。TDICCD推掃成像光學(xué)遙感器，可以時(shí)間延遲積分，可以一定程度上提高信噪比，采用大F數(shù)的光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率，但需要高穩(wěn)定的姿態(tài)控制；面陣CMOS凝視成像的光學(xué)遙器，可以靈活地調(diào)整積分時(shí)間，高幀頻視頻成像模式，采用數(shù)字TDI技術(shù)，降低對衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定要求；面陣sCMOS等低噪聲高幀頻高動(dòng)態(tài)范圍探測器的進(jìn)一步采用，將大幅度降低遙感器的體積規(guī)模，提升成像質(zhì)量，催生各種新的成像模式，促進(jìn)從靜態(tài)圖像到動(dòng)態(tài)視頻的數(shù)據(jù)獲取升級。
　　（2）在軌軟技術(shù)的提升，促進(jìn)微納衛(wèi)星好用易用。實(shí)現(xiàn)在軌高精度高頻次定標(biāo)方法的廣泛應(yīng)用，保證成像質(zhì)量，促進(jìn)遙感定量化應(yīng)用。包括各種相對和絕對輻射定標(biāo)以及幾何定標(biāo)方法的廣泛采用，充分發(fā)揮衛(wèi)星自身的能力和優(yōu)勢，盡量不用或者少用地面定標(biāo)場和真實(shí)性檢驗(yàn)場，可以在整個(gè)在軌業(yè)務(wù)化運(yùn)行期間，以較小的代價(jià)持續(xù)保證精度和質(zhì)量，大幅度提升微納衛(wèi)星的輻射、幾何精度和成像質(zhì)量，彌補(bǔ)其性能的不足。
　　在軌成像參數(shù)精細(xì)化設(shè)置，以充分用好衛(wèi)星潛能，保證獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)源。在精確在軌標(biāo)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)地面景物特性、光照條件、大氣條件、成像模式等，結(jié)合遙感器的成像特性和微納衛(wèi)星的敏捷能力，進(jìn)行在軌精細(xì)化的參數(shù)設(shè)置（包括積分時(shí)間、TDI級數(shù)、增益等）和任務(wù)規(guī)劃，有效發(fā)揮衛(wèi)星系統(tǒng)的最大效益，在絕大多數(shù)條件下都能獲得高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)源。
　　（3）新材料與新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。促進(jìn)遙感器高穩(wěn)定性能和輕小型化輕小型光學(xué)遙感器采用高強(qiáng)度、低密度、低膨脹系數(shù)的材料作為反射鏡及光機(jī)結(jié)構(gòu)材料，如超薄碳化硅、輕質(zhì)合金、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。微納衛(wèi)星遙感器在采用新型輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)輕小型化的同時(shí)，全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還能夠消除反射鏡、光機(jī)結(jié)構(gòu)等各部件因材料性能差異引起的不匹配性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高穩(wěn)定性能。在采用整機(jī)模塊化設(shè)計(jì)的微納衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中，衛(wèi)星平臺(tái)通過柔性連接結(jié)構(gòu)對遙感器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜定支撐。
　　柔性連接結(jié)構(gòu)形式多樣，布局靈活，其柔性環(huán)節(jié)通過自身變形吸收平臺(tái)與遙感器之間溫度應(yīng)力及裝配應(yīng)力，其自身阻尼環(huán)節(jié)可有效隔離平臺(tái)振動(dòng)，減小衛(wèi)星平臺(tái)對遙感器成像質(zhì)量影響。而且柔性連接結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，可有效減輕遙感器與平臺(tái)的連接環(huán)節(jié)質(zhì)量。光學(xué)系統(tǒng)采用創(chuàng)新型高緊湊型設(shè)計(jì)思想，通過共體設(shè)計(jì)和高確定度超高精度先進(jìn)加工技術(shù)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)超高微型化和高性能密度。