面向空間云時(shí)代的微納遙感衛星技術(shù)發(fā)展

　　近年來(lái)，國際上微納衛星技術(shù)發(fā)展迅速，多家企業(yè)和研究機構推出了各種高性能微納衛星計劃，特別是在商業(yè)遙感領(lǐng)域如天空盒子成像公司（Skybox Imaging）的“天空衛星”（SkySat）系列微衛星、行星實(shí)驗室公司（Planet Lab）的鴿群－1（Flock－1）系列納衛星、衛星邏輯公司（Satellogic）的“新衛星”（Newsat）系列微納衛星等。這些項目都計劃通過(guò)星座化的運行，實(shí)現較高的時(shí)間分辨率和空間分辨率的遙感信息獲取，使得微納衛星進(jìn)一步走向實(shí)用化。

　　微納遙感衛星發(fā)展現狀與趨勢

　　微納衛星迅速發(fā)展的重點(diǎn)
　　微納衛星近年來(lái)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(lái)源于目前用戶(hù)在經(jīng)歷了傳統遙感應用的體驗后，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)和大數據思維的影響，越來(lái)越對數據的時(shí)效性、覆蓋性和應用靈活性提出了更多樣化的需求。后者則得益于微機電和信息技術(shù)的階躍式發(fā)展，使得微納衛星能夠實(shí)現較高的功能密度，走向遙感應用。但同時(shí)還是需要認識到，受限于資源、低成本可靠性風(fēng)險和批量工程化難度，微納衛星的發(fā)展仍要面臨一些問(wèn)題：
　　1）低成本與高性能。微納衛星要實(shí)現快速發(fā)展，面臨的主要矛盾是既要求實(shí)現低成本，同時(shí)還要實(shí)現高性能，低成本是前提和基礎，高性能是發(fā)展要求，兩者兼顧才能得到高性?xún)r(jià)比。
　　2）微納衛星完成定量化遙感任務(wù)。傳統衛星的解決思路對資源和管理運行的要求顯然不適用于微納衛星，因此微納衛星需要通過(guò)新的技術(shù)解決定量化問(wèn)題。
　　3）資源受限條件下的平臺載荷一體化設計。改變傳統衛星設計思想，通過(guò)系統設計分析，綜合利用載荷資源和平臺資源，實(shí)現平臺載荷一體化設計。

　　微納衛星技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢
　　近年來(lái)，微納衛星由于具有低成本、短周期、發(fā)射靈活等突出特點(diǎn)，國內外眾多工業(yè)部門(mén)和大學(xué)研究機構紛紛參與，促使微納衛星技術(shù)迅速發(fā)展。微納衛星的技術(shù)發(fā)展趨勢可以從三個(gè)層次進(jìn)行分析：
　　1）系統層面。低成本化是微納衛星技術(shù)發(fā)展的重要方向。
　　2）分系統或單機層面。采用集成功能單元化設計方法。實(shí)現星上射頻設備通用化、軟件化。采用機電熱集成化設計，設備無(wú)纜化。
　　3）應用層面。結合任務(wù)特點(diǎn)，針對衛星星座和星簇，采用星座化部署，網(wǎng)絡(luò )化應用；針對多星在軌任務(wù)，采用智能化、協(xié)同化；應用智能衛星自主管理技術(shù)，實(shí)現運控自主化；通過(guò)衛星軟件化、智能化特點(diǎn)，實(shí)現應用直達便捷化。

　　微納遙感衛星技術(shù)發(fā)展途徑分析

　　以低成本為核心的微納遙感衛星設計哲學(xué)
　　高性能微納遙感衛星系統設計的核心問(wèn)題是在低成本和資源嚴重受限條件下，為達到較高的遙感定量化應用要求，如何提高微納功能性能密度比。其設計哲學(xué)的核心是一體化系統設計，主要通過(guò)平臺載荷一體化實(shí)現，包括基礎級、功能級和任務(wù)級。在設計微納衛星時(shí)，充分采用面向用戶(hù)任務(wù)特點(diǎn)的設計方法，充分理解用戶(hù)應用場(chǎng)景，從衛星操控和數據獲取的便利性方面入手，使得衛星好用、易用。
　?。?）基于商業(yè)現貨的謹慎設計
　　微納衛星由于集成度很高，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星的器件篩選方法，在軌驗證后形成COTS器件庫；對于COTS組件需要逐步摸索，形成適用于星載應用的COTS組件群，同時(shí)不斷更新完善。
　　由于微納衛星大量采用COTS器件或組件，需要在系統設計上進(jìn)行加強設計，對COTS器件可能存在的單粒子翻轉或鎖定進(jìn)行系統層面的防護，采取單粒子翻轉及計算機復位后重要數據恢復、單粒子鎖定后自主加電等必要的技術(shù)手段，將出現的故障降低在單機或組件層面，短期自主恢復，不影響系統任務(wù)。
　?。?）標準化產(chǎn)品體系與研制流程規范
　　在設計中要強化整星一體化設計，具體包括系統級一體化設計和單機功能的一體化設計，實(shí)現型號扁平化設計，減少單機產(chǎn)品數量。如采用綜合電子一體化設計，提高衛星功能密度。綜合電子將星載計算機、測控、GPS、電源管理、姿軌控計算與管理等功能模塊集成統一管理。弱化分系統概念，采用以公共母板為供電信息交換中心的多模塊組合方案，統一采用CAN總線(xiàn)，實(shí)現整星電子學(xué)高度集成、板卡化。
　　采用構型一體化設計，提高單機緊湊度。從整星全局出發(fā)，將部分儀器設備的外殼作為結構的一部分，減少主承力結構設計的復雜性。構型一體化設計將進(jìn)一步減輕衛星結構尺寸和整星質(zhì)量。實(shí)現一體化很重要的一點(diǎn)是要建立標準化的技術(shù)體制，實(shí)現接口的標準化，具備一體化整合、功能改進(jìn)的空間。
　　衛星在設計和生產(chǎn)中都要考慮成本的控制以及對用戶(hù)基于成本的應用需求的滿(mǎn)足。這需要從研制流程、設計制造、產(chǎn)品保證和組織管理等多個(gè)維度來(lái)綜合考慮，重點(diǎn)關(guān)注少量與批量化研制流程優(yōu)化、標準化設計、先進(jìn)仿真設計手段、COTS產(chǎn)品的應用與可靠性保障、低成本衛星AIT與試驗、管理模式等眾多要素和環(huán)節。

　　高性能成像系統的創(chuàng )新開(kāi)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，并有針對性設計光學(xué)系統與探測器相匹配，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)系統的體積規模。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數的光學(xué)系統，實(shí)現高空間分辨率，但需要高穩定的姿態(tài)控制；面陣CMOS凝視成像的光學(xué)遙器，可以靈活地調整積分時(shí)間，高幀頻視頻成像模式，采用數字TDI技術(shù)，降低對衛星姿態(tài)穩定要求；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)視頻的數據獲取升級。
　?。?）在軌軟技術(shù)的提升，促進(jìn)微納衛星好用易用。實(shí)現在軌高精度高頻次定標方法的廣泛應用，保證成像質(zhì)量，促進(jìn)遙感定量化應用。包括各種相對和絕對輻射定標以及幾何定標方法的廣泛采用，充分發(fā)揮衛星自身的能力和優(yōu)勢，盡量不用或者少用地面定標場(chǎng)和真實(shí)性檢驗場(chǎng)，可以在整個(gè)在軌業(yè)務(wù)化運行期間，以較小的代價(jià)持續保證精度和質(zhì)量，大幅度提升微納衛星的輻射、幾何精度和成像質(zhì)量，彌補其性能的不足。
　　在軌成像參數精細化設置，以充分用好衛星潛能，保證獲得高質(zhì)量的數據源。在精確在軌標定的基礎上，根據地面景物特性、光照條件、大氣條件、成像模式等，結合遙感器的成像特性和微納衛星的敏捷能力，進(jìn)行在軌精細化的參數設置（包括積分時(shí)間、TDI級數、增益等）和任務(wù)規劃，有效發(fā)揮衛星系統的最大效益，在絕大多數條件下都能獲得高質(zhì)量的圖像數據源。
　?。?）新材料與新型結構設計。促進(jìn)遙感器高穩定性能和輕小型化輕小型光學(xué)遙感器采用高強度、低密度、低膨脹系數的材料作為反射鏡及光機結構材料，如超薄碳化硅、輕質(zhì)合金、碳纖維增強復合材料等。微納衛星遙感器在采用新型輕質(zhì)材料實(shí)現輕小型化的同時(shí)，全復合材料結構設計還能夠消除反射鏡、光機結構等各部件因材料性能差異引起的不匹配性，實(shí)現系統的高穩定性能。在采用整機模塊化設計的微納衛星結構中，衛星平臺通過(guò)柔性連接結構對遙感器實(shí)現準靜定支撐。
　　柔性連接結構形式多樣，布局靈活，其柔性環(huán)節通過(guò)自身變形吸收平臺與遙感器之間溫度應力及裝配應力，其自身阻尼環(huán)節可有效隔離平臺振動(dòng)，減小衛星平臺對遙感器成像質(zhì)量影響。而且柔性連接結構質(zhì)量輕，可有效減輕遙感器與平臺的連接環(huán)節質(zhì)量。光學(xué)系統采用創(chuàng )新型高緊湊型設計思想，通過(guò)共體設計和高確定度超高精度先進(jìn)加工技術(shù)，可同時(shí)實(shí)現光學(xué)系統超高微型化和高性能密度。