“羊群”立方體星對地觀測大型星座

□ 林來興

“羊群”立方體星對地觀測大型星座

□ 林來興

3U立方體星從空間站釋送

今年2月15日印度運載火箭PSVL-C37，一箭104顆衛星發射成功，創一箭多星世界記錄，其中有88顆“羊群”立方體星。“羊群”立方體星由美國私營公司“行星實驗室”（以下簡稱“行星公司”）研制，從2014年到目前3年時間共成功發射“羊群”立方體星227顆，計劃今年夏季再發射48顆，總共達到275顆，成為全球第一個超大型星座。若一切順利，該星座具有對全球任何地區僅需幾分鐘重訪時間，而且是高分辨率觀測。整個星座費用僅需2億～3億美元，相當一顆普通中等衛星費用。“羊群”星座基本上實現人類多年對地觀測的夢想——廉價且隨時隨地能獲得高分辨遙感信息。

立方體星星座

立方體星成本底、研制周期短，又便于模塊化與標準化，可進行批量生產，但是衛星功能較差。最近幾年來隨著信息、計算機、電子學、光學技術飛快發展，加上微機電系統普及等，立方體星功能密集度得到極大提高，又能采用商用器件，成本降底，特別是開辟多星聯合應用(星座和編隊飛行)，從而使立方體星揚長避短。目前立方體星已擴展到微小衛星(1千克～50千克)，近幾年發射量劇增。在此條件下，美國行星公司研制3U立方體星對地觀測“羊群”衛星，衛星重5千克，地面分辨率3米～4米。采用長期在線工作模式，無需對衛星下達成像指令，即可自動持續獲取全球圖像。

鴿子實驗衛星外觀結構圖

單星(左邊)與星座(右邊)對地觀測

“羊群”立方體星外形結構

行星公司從2013年11月26日開始發射鴿子實驗衛星， 飛行實驗成功后，公司開始正式發射3U立方體星，并將經過幾年努力，建設一個超大型星座。單星與星座對地觀測有很大區別，前者僅觀測局部地區，后者可連續不斷觀測很大地區。值得注意是，光有眾多立方體星還是不夠的。要建造大型星座，眾多衛星同時入軌，如何部署成為星座(因為星上沒有推力器)是關鍵問題。下面介紹幾種發射立方星星座的運載工具形式：

1.從國際空間站入軌。簡單方便，費用不高，但是軌道高度較低，衛星生存壽命短，而且僅能部署在一個軌道平面，為此適合發射有限數量的衛星，進行空間實驗飛行任務。

2.搭載方式發射。需要等待機會，而且要滿足主星軌道要求，僅適合單星和一次搭載小型星座所需要的衛星。

3.一箭多星發射。最理想方式是一箭把星座所需要衛星都帶上，同時又能按星座要求，讓立方體星到達所需要的軌道位置。這里需要裝有一顆母星，它從末級火箭分離出來后，繞地球軌道飛行，然后由分配器按要求軌道逐個釋放立方體星。這次印度火箭如何釋放立方體星，目前尚不清楚。不管采用什么方法，只要能達到目的都可以。為此一箭多星發射不僅要看一箭發射多少衛星，還要看如何釋放這些衛星， 否則一箭同時發射這么多衛星，就可能像仙女散花，變成空間垃圾。

上百顆衛星飛行軌跡

批量生產3U立方體星

海岸線上3U立方體星監測

3U立方體星

“羊群”立方體星外形結構釆用3U結構(10cm×10cm×30cm)，星上安裝一個固定式可疊折太陽電池板，可發電約50瓦，與8個20 Ah鋰蓄電池組成電源系統，電源功率使用分配由星上計算機來執行。姿態采用三軸控制，姿態測量由磁強計、速率陀螺和光電二極管組成，執行機構由磁力棒和微型飛輪來完成，姿態控制系統精度為0.1度，通信為S頻段，頻率為2.4 Ghz。

星座的每顆立方體星都有一套望遠鏡光學系統和相機。行星公司先后研制兩種光學有效載荷，現在僅介紹后一種，也就是2016年與2017年發射“羊群”立方體星所采用的。這種有效載荷對不同的軌道高度，其視場和地面分辨率都不同：在475千米太陽同步軌道,視場水平方向為24.6千米，垂直方向為16.4千米，面積為405平方千米，地面分辨率為3.73米；在420千米國際空間站軌道，視場水平方向為21.8千米，垂直方向為14.5千米，面積為316平方千米，地面分辨率為3.3米。

目前應用和今后發展

由150顆3U立方體星組成對地觀測超大型星座，對全球任何地區空間分辨率為3米～4米，時間分辨率為1小時的觀測功能，完全可滿足全球環境監視和各種災害對空間遙感的要求。下面把各種災害監視要求對地觀測空間和時間分辨率列在下表：

由上表得知，除了第一項戰爭和軍事的一些要求以外，其它都可以得到滿足。這里僅舉出一個實例，如上圖所示海岸線上3U立方體星監測圖像，從這里可以發現是否有異樣狀態。

對3U立方體星今后發展有兩個方向。一個是應用數量發展，也就是擴大應用領域。2016年11月行星公司已獲得高達600顆發射許可證，將來有可能發射更大對地觀測星座，重訪時間僅幾分鐘，完全可以滿足全球各領域對遙感的要求。現在公司已為上百顆衛星在不同軌道開發應用軟件，可實時把每顆衛星觀測數據傳送到地面。

另一個是質量提升，也就是技術水平提高。例如空間分辨率改善，由目前3米～4米改善到1米～2米，但是對3U立方體星來說非常困難。因為增大光學焦矩和減少CCD像元寬度，都涉及立方體星結構和穩定性問題，等于重新研制一顆新的立方體星。還有降低軌道高度來改善分辨率，由于目前軌道高度較低，再降低衛星壽命將會大大縮短。★