國外對地觀測微納衛星發展趨勢分析

李健全 王倩瑩 張思晛 趙志偉

(1 中國空間技術研究院，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094) (3 航天恒星科技有限公司，北京 100095)

按衛星的質量劃分，一般將100 kg(含)及以下的衛星統稱為微納衛星。隨著微電子、光電子技術的不斷發展，微納衛星技術發展迅速，微納衛星已從以技術試驗、試用階段進入實用階段。微納衛星具有性價比高、成本低等優勢，且通過組網形成星座，容易獲得較高的時間分辨率和觀測覆蓋性，成為對地觀測領域的一個重要的發展方向。

微納衛星在對地觀測領域需求大幅增加，表現在微納衛星的發射數量快速增長。本文從大(系統)到小(單星)，從過去(來源)、現在(目前狀態)、未來(未來發展)等多維度對國外典型的微納衛星對地觀測系統進行了分析與論述。

1 國外對地觀測微納衛星的發展現狀

1.1 美國

較為完善的政策環境吸引了大批的商業資本進入微納衛星對地觀測領域，使美國的對地觀測微納衛星技術發展迅速，在微納衛星的發展中處于領先地位。典型的對地觀測微納衛星系統有以下幾個。

1.1.1 天空衛星星座

2009年，4位來自斯坦福大學的畢業生創建了天空盒子(Skybox)公司，其目的就是通過設計和建造天空衛星(SkySat)微納衛星星座和采用云服務，為全球用戶提供高可靠和高頻次重訪的高分辨率地球觀測圖像。經過多年發展，目前已建成由15顆衛星組成的SkySat衛星星座，該星座具有亞米級高分辨率成像和高清視頻能力[1]。衛星上裝載焦距3.6 m的卡塞格林式相機，采用互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件。可以獲取藍、綠、紅、近紅外及全色譜段的圖像。

2013年11月，SkySat-1衛星成功發射，首次實現微衛星級高分辨率成像能力。衛星設計壽命4年，質量83 kg，分辨率為0.9 m(全色)和2 m(多光譜)，如圖1所示。

圖1 4顆SkySat衛星飛行示意圖Fig.1 An illustration of four SkySat satellites

SkySat-2衛星于2014年7月成功發射，進入高度為620 km的太陽同步軌道。該星與SkySat-1設計方案一致。

2016—2019年，是第二代SkySat星座的建設期，共發射了13顆衛星(SkySat-3)。此星座能夠1天內多次重訪特定地點，信息獲取能力大大增強。相對于第一代SkySat衛星，第二代SkySat衛星的探測器的像元尺寸更小，衛星機動能力更增強，衛星具有推進能力可完成軌道維持；衛星質量增加了30 kg，衛星本體高度增加了0.15 m；衛星的壽命從4年提高到6年；全色分辨率從0.9 m提高到0.72 m。

值得一提的是，Skybox公司先是被美國谷歌公司收購，并更名特拉貝拉公司，后又轉讓給美國行星公司。

1.1.2 鴿群星座

美國行星公司負責研制和運營鴿群(Flock)對地觀測星座，由150顆立方體衛星構成(圖2)，其目標是每天可觀測地球一遍，獲取連續的對地觀測圖像，從而實現對地球變化情況的可觀測、可獲得、可使用的目的。包括Flock-1、Flock-1b、Flock-1c等多個星座，Flock衛星上裝載紅綠藍譜段的光學相機[2]。就對地觀測而言，該星座是全球最大的。

運行在中角度傾斜軌道上的28顆Flock-1衛星和28顆Flock-1b衛星分別于2014年的1月、6月發射，運行在太陽同步軌道上的11顆Flock-1c衛星于同年7月發射。這些衛星均是3U立方體衛星。其中，Flock-1衛星在400 km的軌道高度上可獲取地面分辨率3～5 m的圖像。

2015—2017年，分7批次共發射了214顆Flock衛星。這些衛星也是3U立方體衛星，衛星質量5 kg，壽命2～3年，成像分辨率3～5 m。星座具備每天對全球覆蓋1遍的能力。2018—2019年，分6批次共發射了68顆Flock衛星[3]。2014年—2019年，累計共成功發射了349顆Flock衛星。

1.1.3 卡佩拉星座

美國卡佩拉空間公司提出發展由36顆微納型合成孔徑雷達(SAR)衛星組成的對地觀測衛星星座——卡佩拉(Capella)星座，星座分布在12個軌道面，每個軌道面有3顆衛星。星座建成后可實現1 h的重復觀測周期。首顆衛星 “德納里峰”(Denali)為技術驗證衛星，于2018年12月發射，質量48 kg，有效載荷為X頻段SAR載荷，分辨率優于1 m。

考慮到用戶的要求，Capella星座工作星有較大改進。卡佩拉公司于2020年1月發布了Capella星座工作星的有關情況，其分辨率優于0.5 m，衛星質量是技術驗證星的2倍達到100 kg，天線采用可展開環形天線，口徑3.5 m(技術驗證星的天線為矩形天線)，太陽電池陣的面積將增加兩倍，另外，安裝了第2個星跟蹤器，采用更大作用力的飛輪。工作星取名“紅杉”(Sequoia)，如圖3所示，計劃在2020年分3批次共發射7顆[4]。卡佩拉公司的用戶包括美國空軍、國家偵察局等。

圖3 Sequoia衛星Fig.3 Sequoia satellite

1.1.4 狐猴-2星座

斯派爾公司(Spire)成立于2012年，其宗旨是用數據改變世界，Spire是一家“空間到云”的數據服務商和衛星運營商，可提供天氣和海運等服務。Spire運營著一個由一百多顆衛星組成的狐猴-2(Lemur-2)納衛星星座[5]。Spire在全球建起了30個地面站，用于管理衛星。Spire的快速反映能力強，一個新衛星從設計到發射只需6個月，其中總裝時間僅需10天。Lemur-2衛星是3U納衛星，衛星質量4 kg[6]，如圖4所示。

圖4 LEMUR-2衛星Fig.4 Lemur-2 satellite

第1代Lemur-2星上有2個有效載荷：船舶跟蹤監測設備(AIS-receiver)和GPS 無線電掩星探測儀(GPS radio occultation payload)。第二代Lemur-2星(從第78顆衛星以后)，新增第3個有效載荷，即廣播式自動相關監視儀(ADS-B)，用于跟蹤飛機。2015—2019 年，Lemur-2衛星已成功發射111顆，目前在軌有87顆衛星。

1.1.5 黑天全球星座

黑天全球(BlackSky Global)公司于2013年成立，提出發展1 m分辨率的微納衛星對地觀測衛星星座，星座的規模為60顆衛星[7]，每3年全部更換一次。衛星的總制造商為空間飛行服務公司，其中的成像系統則由哈里斯公司負責制造。衛星可以在500 km的軌道高度上，獲取0.9～1.1 m分辨率的圖像。目前發射了5顆，如圖5所示。

圖5 黑天全球衛星Fig.5 BlackSky Global satellite

2016年9月，星座的技術驗證星——探路者-1衛星成功發射。衛星設計壽命3年，質量44 kg。衛星采用偵察兵衛星平臺，有效載荷為哈里斯公司的空間視野-24(SpaceView-24)相機。

2018年11月和12月，2019年6月和8月，分4次發射，共4顆BlackSky Global衛星成功入軌，由此建成了BlackSky Global一期星座。衛星壽命3年，質量54 kg。衛星仍采用偵察兵衛星平臺，有效載荷仍為哈里斯公司的SpaceView-24相機。

1.1.6 陸地制圖星座

陸地制圖(Landmapper)星座是由美國數字宇航公司(Astro Digtal)研制的微納衛星星座，以前該星座稱為烏鴉(Corvus)星座。Landmapper星座規模為30顆衛星，其中10顆Landmapper-BC為6U立方體衛星，質量10 kg，分辨率22 m(軌道的近地點586 km，遠地點600 km)，譜段為紅、綠和近紅外，如圖6所示；20顆Landmapper-HD衛星可以獲取2.5 m分辨率5波段的多光譜地球圖像，衛星質量20 kg，是非標準的16U衛星[8]。Landmapper星座主要是用于農作物生長情況的調查。2017年7月和11月分別發射了2顆和1顆Landmapper-BC衛星。2018年1月和12月，分別發射了1顆Landmapper-BC衛星[9-10]。

圖6 Landmapper-BC衛星Fig.6 Landmapper-BC satellite

1.2 英國清晰成像星座

清晰成像(Vivid-i)星座由英國地球成像(Earth-i)公司出資，薩瑞技術有限公司(SSTL)負責研制的商業遙感視頻衛星星座，星座由15顆衛星組成。

Vivid-i星座可以獲得0.6 m地面分辨率的靜止圖像或1 m分辨率的運動圖像，衛星的軌道高度500 km，單顆星每次觀測可獲取5.2 km×5.2 km范圍的圖像。衛星姿態可靈活調整，能夠對感興趣區域進行每天多次重訪[11]。衛星拍攝的圖像，可在拍攝之后的幾分鐘內完成分析，大大減少了響應時間。

2018年1月，該星座的驗證星——Vivid X2衛星成功發射，衛星質量約100 kg，體積約1 m3，設計壽命5年，側擺角±45°。

圖7 VividX2 衛星Fig.7 VividX2 satellite

1.3 日本灰鶴星座

灰鶴(GRUS)星座是由日本阿克賽爾空間(Axelspace)公司開發的對地觀測微納衛星星座，星座由5顆80 kg的微納衛星組成，星上載荷為高分辨率光學相機，可獲取2.5 m分辨率觀測幅寬50 km的全色圖像和5 m分辨率多光譜圖像。星座建成以后，每天可以更新全球的觀測信息，可用于農業、森林、漁業、制圖、地理信息系統(GIS)和災害監測。單星質量80 kg，采用的軌道為太陽同步圓軌道，高度600 km，如圖8所示。2018年12月，第1顆GRUS星座的衛星發射入軌。

圖8 GRUS衛星Fig.8 GRUS satellite

1.4 印度“納魯爾伊斯拉姆大學”(NIUSAT)衛星

印度納魯爾伊斯拉姆大學(Noorul Islam University)研制了NIUSAT納衛星，該衛星是光學對地成像微納衛星，質量為15 kg，有效載荷為微型寬視場傳感器，成像幅寬為50 km×50 km，地面分辨率為25 m。星上有4個可展開的固定式太陽翼，軌道為517 km/496 km的太陽同步軌道，軌道傾角97.5°，如圖9所示。衛星可用于農業和災害監測與管理等。2017年6月，NIUSAT衛星成功發射。

圖9 NIUSAT衛星Fig.9 NIUSAT SATELLITE

1.5 阿根廷“新衛星”星座

圖10 uSat 衛星Fig.10 uSat satellite

1.6 芬蘭冰眼衛星星座

芬蘭冰眼(ICEYE)公司開發了由微型合成孔

徑雷達衛星組成的星座——ICEYE星座，星座由18顆微型SAR衛星組成，衛星采用超輕型天線。其目的是為最終用戶提供高頻次鐵礦石數據分析，從而使期貨公司和航運機構從中獲益[13]。

2018年1月和12月，先后成功發射了ICEYE-X1衛星和ICEYE-X2衛星。其中ICEYE-X1為飛行驗證星，衛星質量為70 kg,分辨率為10 m；ICEYE-X2為改進型衛星，質量80 kg，SAR的分辨率提高到3 m，軌道為高度500 km的太陽同步軌道，如圖11所示。兩顆星的有效載荷均為X頻段合成孔徑雷達。冰眼公司下一步可將衛星質量降低30 kg，而分辨率進一步提高到2 m[13]。2019年7月，2顆ICEYE衛星發射入軌。目前在軌數量為5顆。

圖11 ICEYE-X2衛星Fig.11 ICEYE-X2 satellite

1.7 小結

本文論述了11個微納衛星對地觀測衛星系統，分屬6個國家。這些系統具有技術水平高、代表性強的特點。體現在衛星的分辨率高，功能密度大；另外這些對地觀測系統均已進入工程實施階段，而不是停留在規劃論證階段。這些對地觀測系統既有被動觀測方式(光學遙感)，又有主動觀測方式(SAR)；分辨率以高分辨率為主，兼顧中分辨率。從研制公司來講，既有在微納衛星對地觀測領域經營十多年的老牌勁旅，如美國行星公司，又有多家剛加入進來的初創公司，如美國卡佩拉空間、英國地球成像、芬蘭冰眼等公司，這些初創公司的加盟，加快了微納衛星對地觀測系統的發展。

以上所述微納衛星對地觀測系統的規劃衛星數量、已發射衛星數量以及目前在軌的衛星數量，及其主要技術指標如表1所示。

表1 國外典型的對地觀測微納衛星情況Table 1 Typical foreign country’s micro-nano satellites in earth observation

2 發展趨勢分析

通過比較、分析及歸納，總結國外微納衛星對地觀測系統的發展趨勢如下。

1)光學和SAR分辨率均已實現亞米級

隨著微、納技術的發展，微納衛星的性能尤其是功能密度、敏捷機動能力、自主生存能力和衛星壽命均得到了大幅提升，光學和SAR分辨率均已實現亞米級。如，Vivid-i衛星質量100 kg，可以在500 km的軌道高度獲取可見光0.6 m分辨率的圖像；Capella星座的技術驗證星，質量為48 kg，可以獲取優于1 m分辨率的SAR圖像。

2)中分辨率與高分辨率協調發展

中分辨率與高分辨率協調發展，兩種分辨率的觀測系統配合使用，效率高、效果好。如，行星公司同時運營高分辨率的SkySat星座(全色圖像分辨率0.72 m，多光譜為1 m)，和中分辨率的Flock星座(分辨率3～5 m)；數字宇航公司建設中的Landmapper星座，由10顆中分辨率Landmapper-BC衛星(分辨率22 m)，和較高分辨率的20顆Landmapper-HD衛星(分辨率2.5 m)組成。

3)主動、被動兩種觀測方式全面發展

微納衛星的被動觀測方式，即光學觀測手段發展多年，技術上已比較成熟；主動觀測方式，即合成孔徑雷達觀測手段，在2018年后發展迅速，芬蘭冰眼公司和美國卡佩拉空間公司成功發射了各自的微納合成孔徑雷達衛星，2020年這兩家公司的ICEYE星座、Capella星座(一期)將完成建設，微納合成孔徑雷達觀測將得到快速發展。

4)組網形成星座，運行穩定

為滿足用戶的要求，微納衛星對地觀測系統均以組網的形式工作，組網的微納衛星數量從幾顆、幾十顆，直到數百顆，能夠高頻次地獲取用戶感興趣地區的信息。如：Flock衛星星座由100多顆納衛星組成，其星座的規模足夠大，無需再對星上相機下達特定區域的成像指令，即可滿足用戶需求。星座穩定運行能力強，有的采取在軌備份的方式，如Flock衛星星座有數十顆衛星在軌備份，以實現快速代替失效衛星。有的通過優化流程，將補網衛星整個研制周期控制在半年內，以達到快速補網的目的，如Spire衛星。通過這些措施，增強了對地觀測微納衛星星座的彈性和重構能力，確保微納衛星對地觀測系統的穩定運行。

5)系統設計時追求綜合性能最優

微納衛星在系統設計時，不是片面追求質量最輕體積最小，而是追求綜合性能最優，尤其是與用戶體驗有關的性能指標(如分辨率)要達到最好。如SaySat衛星星座第2代衛星比第1代的衛星質量增加了30 kg，衛星本體高度增加了0.15 m，而分辨率指標則從第1代的0.9 m，提高到0.72 m；Capella星座的工作星相比技術驗證星質量增加了1倍(從48 kg，增加到100 kg)，太陽翼的面積增加了1倍，而分辨率指標則從1 m提高到了0.5 m。

6)軍民融合發展，以擴大用戶的范圍

國外的微納衛星對地觀測系統的發展走軍民融合發展之路，在系統設計時兼顧民用、軍用兩方面的需求，以使系統的潛在用戶更多。如Capella星座在系統設計時，在考慮民用需求后，征求美國空軍、美國國家偵察局的意見，之后對星座進行了改進設計，從而獲得了美國軍方的經費支持。

7)進入門檻低，競爭激烈

微納衛星主要采用商業器件，成本低易獲取；規模小對總裝、總測等配套條件要求低；采用搭載發射，發射成本低。從而降低了衛星研制門檻，一些高校、小規模的商業公司都可以研制微納衛星，這使得用戶的選擇機會更多，對地觀測衛星星座之間的競爭變得更加激烈。

3 結束語

由于多個國家的商業資本投入到了微納衛星對地觀測領域，加快了微納衛星對地觀測技術的快速發展。微納衛星對地觀測的應用已從成像領域擴展到了環境監測領域。未來微納衛星對地觀測系統與智能設備的深度結合，將使微納衛星對地觀測的應用更加方便和高效。