日本先進對地觀測衛星平臺概述

王存恩 肖武平（北京空間科技信息研究所）

□□日本為了解決因其航天業過分依賴美國，改變到2008年底尚無一個衛星平臺進入國際市場的被動局面，日本電氣（NEC）公司在經濟產業省和宇宙航空研究開發機構（JAXA）的支持下，以新《航天基本法》的頒布和新航天基本計劃的公布為契機，研究和開發了先進的對地觀測系統—“具備新系統結構的先進觀測衛星”（Advanced Satellite with New system Architecture for Observation，ASNARO）平臺，并成為繼三菱電機公司DS－2000平臺后又一個成功進入國際市場的衛星平臺。

1 決策錯誤導致日本沒有一個可參與國際市場競爭的衛星平臺

在日本，無論是由具有長期發展戰略眼光的航天科學家組成的宇宙開發委員會，還是內閣中負責航天研發的文部科學省，以及經濟產業省、郵政省、運輸省，都認為航天產業不僅有廣闊的市場前景，而且蘊含著無法估量的經濟效益。因此，上述各個部門都從不同角度認真調研、分析、支持或開展航天開發與應用。不過，由于日本政府過分地追隨和依賴美國，使本來起步就較晚，缺乏技術、開發與經營應用能力和經驗的航天業無法靠本國力量快速發展。

為了滿足國家和民眾對航天應用的迫切需求，日本曾一度放棄走自主研發之路，依靠美國力量發射通信、廣播和氣象衛星；后來，為重返自主研發道路，并追趕世界先進水平，又在相當長的時期“過分地強調研究和開發高精尖技術”，甚至將其置于用戶需求之上，從而導致沒能開發出國家和民眾迫切需求的大型通信衛星；接著，在美國的強大壓力和“研制不如購買衛星”的輿論誤導下，做出以大量購買美國通信衛星來抵消美日貿易逆差的錯誤決策，這不僅耗費了大量外匯，而且還嚴重地影響了日本航天技術發展和產業化進程，削弱了日本航天產品在國際市場上的競爭力，導致以通信廣播衛星為代表的商用衛星的開發幾乎處于停滯狀態，日本通信衛星開發應用水平一度遠遠落后于歐美。

ASNARO－1衛星示意圖

NEC公司為滿足用戶需求所開發的ASNARO平臺和4種有效載荷

2 日本航天開發企業尋求自主研發衛星平臺進入國際市場

在面臨資金短缺，在軌衛星屢屢出現故障乃至發射失敗，自主開發通信廣播衛星難以得到用戶支持的被動局面下，宇宙開發委員會和JAXA憑借與美國合作開發中型試驗通信廣播衛星取得的經驗，成功研制和發射了用于移動通信的技術試驗衛星－5、6（ETS－5、6）和“通信技術試驗衛星”（COMETS）。三菱電機公司成功開發了DS－2000平臺，并進入國際市場。

經濟產業省不僅一直關心航天產業化，對內閣做出的以購買美國通信衛星方式抵消美日貿易逆差的決定持異議，早在20世紀70年代就指令（財團法人）無人空間實驗系統研究開發機構（USEF）、新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）等進行了深入調研，并支持三菱重工、三菱電機、日立公司等產業界、高校、研究機構開展研究和實驗，就航天產業化、民用器件在航天領域的應用等進行了廣泛的考察；并以不同方式支持研制和發射民用器件驗證衛星－1、2（MDS－1、2），下一代無人試驗系統（USERS）和ASNARO平臺等的研發。如今ASNARO 平臺已成為繼DS－2000平臺后又一個實現模塊化、標準化、系列化、通用化、市場化，并打入國際市場的衛星平臺。

ASNARO－1衛星技術參數

3 ASNARO平臺概況

ASNARO平臺是以NEC公司研制的小型科學衛星標準公用平臺—NEXTAR為基礎開發的、搭載地球觀測遙感器的小型地球觀測衛星平臺，以該平臺研制的衛星主要用于地球觀測，能對洪水、森林火災等災情進行監視，生成彩色立體地圖。ASNARO平臺的首發星ASNARO－1是一顆技術試驗衛星，主要用于驗證該平臺，衛星搭載光學遙感器，質量約500kg，分辨率優于50cm，幅寬為10km，設計壽命3年，單星研制費用為50億日元，2008年開始研制，將于2012年12月由俄羅斯運載火箭發射。ASNARO－2衛星搭載X頻段合成孔徑雷達，2008年底開始研制，分辨率優于1m，單星研制費用為80億～90億日元，計劃于2014年發射。

在ASNARO平臺的具體任務落實和執行開發階段，隸屬于經濟產業省的USEF負責確定衛星的規格，組織研討，并調整和確定所采用的技術，進行計劃進度管理；NEC公司負責衛星的正樣設計、制造、試驗評價和發射。

為拓展市場，滿足各種不同任務用戶的需求，NEC公司又追加開發了兩種可供ASNARO平臺搭載的有效載荷艙，也就是說，目前ASNARO平臺可搭載4種有效載荷艙：①搭載高分辨率光學遙感器，構成配備高分辨率攝像機的光學遙感衛星；②搭載合成孔徑雷達，即便是大霧、沙塵天氣和黑夜，仍可清楚地觀測到光學遙感器無法觀測到的地表任何指定角落，構成合成孔徑雷達衛星；③搭載超光譜信號圖像遙感器，可在對觀測到的各譜段的光譜分光后再進行觀測，構成超光譜遙感衛星；④搭載紅外遙感器，可對熱源產生的紅外線進行高精度的科學觀測，構成紅外遙感衛星。

當前國際上有代表性的高分辨率地球觀測衛星的性價比對照表

ASNARO衛星的4種攝像模式

4 ASNARO衛星有效載荷艙的主要特點

ASNARO衛星有效載荷艙包括3個分系統，即光學遙感器分系統、飛行任務控制分系統和數據傳輸分系統。

星載光學遙感器輸出的圖像以非壓縮的方式存儲到閃爍存儲器數據記錄儀內。其存儲的圖像數據由發送器調制成X頻段[16正交振幅鍵控（QAM）]，再通過配備雙框架X頻段指向天線，以800Mbit/s的速率傳送到地面站。

ASNARO衛星在垂直于星下點進行軌道機動時，軌道機動角度最大為±45°，可達到在45s內完成45°的機動，實現敏捷機動之目標。

ASNARO平臺和有效載荷艙的結構、散熱系統、供電系統均獨立設計，兩者間的接口條件實現了標準化，做到在不改變平臺設計的情況下就能夠適用于多個飛行任務。

ASNARO衛星具備4種攝像模式：快照模式、廣域攝像模式、3D攝像模式和連拍模式，其中快照模式是基本模式。

連拍模式及其攝像角度

采用NTSiC材料的ASNARO衛星主鏡

ASNARO數據傳輸系統的主要組成儀器

· 快照模式是將衛星姿態固定在慣性空間，依據標準對10km×10km的有效區域進行攝像（1幀）。

· 廣域攝像模式通過對接近觀測目標的某一地域進行多次快照，可達到對更廣域進行觀測的目的。

· 3D攝像模式從不同的兩個方向對某一觀測地域進行攝像，在地面對所拍攝的圖像進行加工后可得到所觀測地域的三維信息。

· 連拍模式是與快照模式不同的攝像模式。從姿態控制方面講，連拍模式是一種需要將衛星姿態固定到慣性空間坐標進行攝像，由于衛星的軌道運動會導致衛星偏離指向軸方向，也就會使對準地表的衛星指向軸方向發生變化。因此連拍模式可在短時間對目標攝像，而無法完成長時間連續攝像。另一方面，就連拍模式而言，衛星在軌機動后具有一定的旋轉速率，可像衛星軌道坐標系被固定那樣來進行衛星的姿態控制，相對于地面，衛星的指向軸方向不變，可實現對目標長時間、連續攝像。連拍模式能對850km（最長）×10km的地域進行120s連續攝像。

5 在致力于ASNARO有效載荷艙小型化方面的主要對策

許多國家都在致力于研究有效載荷艙的小型化、低功耗、高分辨率、數據接收速率快、數據處理和分析的耗時短等核心問題。ASNARO有效載荷艙配備了高分辨率光學遙感器、數據記錄儀和X頻段數據傳輸系統等有效載荷儀器，能將在太空中拍攝到的光學圖像變換成數字信號，通過帶有閃爍存儲器的數據記錄儀(壽命末期容量為120GB)以非壓縮方式存儲所記錄的數據；可將存儲的圖像數據以最新的調制方式（16QAM）進行調制，通過頻率變化將其變換成X頻段（8MGHz）；最后利用配備雙框架的指向性X頻段天線，通過800Mbit/s的高速數據記錄儀傳送到地面站。

僅為500千克級的ASNARO小型地球觀測衛星在性能方面能夠與幾噸級的大型地球觀測衛星相媲美，主要是ASNARO采用了各種新標準、新工藝、新技術，實現了有效載荷艙小型化，主要包括以下3個方面。

（1）采用新型材料的反射鏡

以往光學衛星的主鏡（望遠鏡）一般都是以玻璃為主要材質，而ASNARO衛星的主鏡采用改進型碳化硅，也稱高強度反應燒結碳化硅或新技術碳化硅（NTSiC）為主要材質，由NEC公司下屬的東芝空間系統公司（NTS）和東芝公司共同研制，這種主鏡與以玻璃為主要材質的主鏡相比，不僅質量輕、強度大，而且熱畸變小。

（2）采用閃爍存儲器

以往光學衛星數據記錄儀的存儲器大都采用可快速處理、具有高可靠性的同步動態隨機存儲器（SD-RAM），而ASNARO采用的是比SD-RAM的發熱量低、功耗低、成本低，且容量相當大的閃爍存儲器，使數據記錄儀不僅實現了小型化、輕量化，而且大幅降低了成本。

（3）采用QAM方式傳輸觀測數據

以往光學衛星一般都采用四相相移鍵控（QPSK）調制方式傳輸觀測數據，它是以單一符號傳輸2位信息的方式，受8GHz頻段的頻域限制，使傳輸速率僅限于400Mbit/s。而大型衛星則是通過搭載雙系統來實現800Mbit/s的數據傳輸。ASNARO采用的是以單一符號傳輸16QAM觀測數據的方式（其傳輸速率是QPSK方式的2倍），這樣就可實現僅用1個系統的通信儀器就可傳輸大型衛星所傳輸的800Mbit/s數據，不僅傳輸系統實現了小型化、輕量和輕型化，而且還大幅度地降低了開發成本。

國際上有代表性的小型地球觀測衛星平臺主要性能比較

6 日本發展ASNARO平臺的未來計劃

目前，NEC公司已完成了ASNARO－1的研制和系統調試，計劃在2012年12月發射；ASNARO－2的研制工作進展順利，其關鍵部件合成孔徑雷達已完成飛行樣機的研制，計劃于2014年發射；而對超光譜遙感衛星ASNARO－3的論證工作已基本結束，方案已確定，計劃于2016年發射。

此外，據日本產經新聞等報道，并從日本經濟產業省、JAXA等官方證實，日本已與越南草簽了協議，利用政府開發援助（ODA）資金，為越南研制以ASNARO平臺為基礎的兩顆小型地球觀測衛星，一顆為光學衛星，將在2017年用H－2A火箭發射；另一顆為合成孔徑雷達衛星，將于2020年用H－2A火箭發射。協議還包括研制衛星地面設備，以及對參加衛星開發、應用和地面設施的應用與維修人員的培訓。

此外，日本自2010年8月以來，先后6次派出以經濟產業省航天產業貿易會負責人為團長，有從事航天產業開發的企業代表，相關省廳、JAXA等負責人參加的訪問交流團，訪問了泰國、蒙古、馬來西亞，智利、阿根廷等亞洲、南美及非洲的20多個急切需要且尚不具備研制和發射這類衛星能力的國家，探討對以ASNARO為基礎研制的小型地球觀測衛星的需求，闡述日本開發這類衛星的優勢與特點，為ASNARO平臺尋找新的用戶，為其走向國際市場鋪路。■