國外微納遙感載荷技術最新進展

沙治波 俞越 焦建超

國外微納遙感載荷技術最新進展

沙治波 俞越 焦建超

（北京空間機電研究所，北京 100094）

隨著技術的進步和商業應用模式的創新，微納遙感衛星和載荷的發展得到了各領域的重點關注。相比傳統遙感載荷，微納遙感載荷體積小、質量小、研制周期短、成本低、發射方式靈活，很好的適應了商業航天發展，滿足多種行業應用。目前，國際上多家企業和研究機構推出了各種高性能微納遙感衛星計劃，配備的載荷各有特點。文章對國際典型微納遙感載荷進行了調研分析，可以看出目前國際微納遙感載荷通常會采用新技術以提升性能，采用標準化、型譜化研制理念提高研制效率，并且星上智能處理技術也愈發被重視，以期減小衛星數傳壓力。文章根據國際微納遙感載荷發展特點并結合中國航天自身情況，形成了啟示與建議，為中國微納遙感載荷未來發展提供參考。

載荷特點 啟示與建議 商業航天 微納遙感載荷

0 引言

隨著航天市場需求不斷增加，微納衛星技術的發展越來越受到關注。微納衛星通常是指質量小于100kg、具有實際使用功能的衛星，而微納載荷是指在微納衛星上直接執行特定衛星任務的儀器、設備或分系統。微納衛星具有體積小、質量小、研制周期短、成本低、發射方式靈活等特點，已經在通訊、遙感、電子、偵察等領域獲得了廣泛的應用。隨著微納遙感星座的建立，更多的行業都可以從遙感數據中獲得有價值的信息，這使得微納遙感產業展現出更廣的經濟和社會效益。

國際上微納衛星技術發展迅速，多家企業和研究機構推出了各種高性能微納衛星計劃，特別是在商業遙感領域，如天空盒子成像公司（Skybox Imaging，目前已被Planet公司收購）的“天空衛星”（SkySat）系列衛星，行星公司（Planet）的“鴿群”系列微納衛星，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星座化的運行，實現較高時間分辨率和空間分辨率的遙感信息獲取，使得微納衛星進一步走向實用化。同時，在空間探測方面同樣涌現了大量的基于微納衛星平臺的天文觀測衛星，它們利用新老技術相結合的方式，實現對熱點天文事件的快速響應，以及滿足有限而明確的特定觀測任務，實現較高的效費比。

本文對國外典型微納衛星載荷的性能參數進行了梳理，分析其技術特點以及新的應用領域并形成建議，為微納遙感載荷發展提供新思路。

1 對地觀測微納遙感衛星載荷進展情況

1.1 美國Planet公司

Planet公司是世界上在軌光學遙感載荷數量最多的公司。截至目前，其公司擁有約200余顆衛星在軌運行，可以實現全球圖像每日的更新，為全球各個領域提供實時的遙感數據[1-2]。

圖1 “鴿子1號”衛星示意

表1 “鴿子1號”衛星載荷性能參數

Tab.1 The load performance parameters of the DOVE-1

（1）“鴿群”星座

“鴿群”衛星采用6U立方星概念，其標準為100mm×100mm×300mm（見圖1衛星示意 圖[3]），主要功能是將觀測到的圖像傳回地球，再經過整合，與不同領域進行合作。“鴿群”衛星利用工業級貨架零件實現了大批量產、造價低廉，可由國際空間站直接投放，也可以經由不同種類的商業發射系統發射。“鴿群”衛星整星質量約5kg，載荷采用卡塞格林光學系統形式，具體性能參數如表1所示[3]。

“鴿群”衛星光學載荷采用CCD探測器，可以獲取黑白和多光譜彩色全景圖像，第二代“鴿群”衛星還增加了近紅外譜段，圖像的分辨率為3～5m，系統構成如圖2所示[3]。

圖2 “鴿子1號”衛星載荷系統構成圖

Planet公司為了接收龐大的遙感數據，在全球建設了自己的地面接收站，每個站有一副或多副天線和相應的射頻系統，本地計算機服務器通過安全VPN連接到中心，地面站獲取的圖像發送到Planet云服務中心處理，保證數據更新速率。

“鴿群”星座通過大規模、低成本的遙感衛星組網，實現對地高頻觀測、大范圍覆蓋，重訪率高，數據更新快，可以捕捉突發事件。它產生的大量遙感數據可以應用于環境、能源、礦業、電力和運輸等關鍵基礎設施監測，甚至應用在金融檢測以及救生、救災任務上，應用領域幾乎覆蓋了所有行業，具有巨大的市場應用潛力。

（2）Skysat星座

SkySat由Skybox成像公司研制，后被Planet公司收購，目前已經發射21顆遙感衛星。SkySat衛星具有全色成像和多光譜成像兩種模式。為了實現緊湊的構型，在整星設計上以光學載荷為核心。圖3是SkySat-1衛星的構型設計示意圖[4]。從圖3中可以看出，衛星是圍繞光學載荷開展構型布局設計的。衛星通過核心的支撐框架實現相機光學系統的固定，電子設備通過集成化、模塊化設計，集中安裝于衛星構型底部，整個衛星的構型實現了平臺載荷的一體化，以及整星的輕量化，整星質量約100kg。

圖3 SkySat-1衛星示意

表2 SkySat載荷性能參數

Tab.2 The load of SkySat performance parameter

SkySat衛星的高分辨率成像系統是由其技術團隊自己設計開發的，并通過在軌成像和地面處理相結合的方式實現了高分辨率、高信噪比圖像和視頻數據的獲取。相機的光學系統采用卡塞格林形式，具體參數如表2所示[5]。

探測器則采用低噪聲、高幀頻的5.5兆像素商業面陣CMOS器件，既支持了高重疊率推幀成像，又可實現視頻數據的獲取。成像系統通過3片探測器拼接實現8km成像幅寬，通過對面陣探測器的一部分進行巧妙地加工，集成了多光譜成像能力，實現了全色與多光譜、視頻與靜態圖像的綜合獲取。采用面陣成像和高幀頻短時曝光模式，能夠降低對衛星平臺姿態控制穩定度的要求，同時能夠減少因曝光引起的像移模糊，還可以獲取視頻數據[6-7]。

SkySat后期的衛星平臺增加了模塊化推進系統，并且使用了性能更好的動量輪裝置增加了整星的機動控制能力，整星質量雖然增加到120kg左右，但通過推進系統可以實現降軌，從而提升載荷的對地觀測分辨率。目前SkySat衛星已開展了降低軌道提高分辨率的實驗任務，通過降低軌道實現0.5m地面分辨率，其高分辨率遙感圖像可應用于物流、礦產等多個領域。

1.2 阿根廷Satellogic公司

Satellogic衛星公司成立于2011年，主要為農林、能源、經濟等行業提供衛星數據支持。Satellogic公司目前已提出建立300顆衛星的高分辨率遙感衛星星座目標，利用機器學習等自動化處理手段，為用戶提供更快速的地表監測和分析服務。其中NewSat系列衛星的主載荷為可見光多光譜相機（主要指標參數如表3所示），可生成優于1m分辨率的全色圖像（見圖4）[8]，該星座完成組網后每周可更新一次完整的地球圖像。

表3 Satellogic衛星公司載荷參數

Tab.3 The load of Satellogic satellite performance parameter

Satellogic公司計劃在未來發射300顆衛星，組成大規模對地觀測遙感衛星星座，實時監測地球信息，使各方的決策都有所依據。例如，通過每日監測世界上所有適合耕種的田地，關注植物的氮攝取量、植物的水壓和作物的疾病傳播狀況等，以此來提高農作物的收成，解決糧食短缺的問題[9]。

圖4 配備高分辨率多光譜相機和超光譜成像儀的Satellogic衛星

1.3 美國BlackSky公司

BlackSky公司成立于2013年，主要從事衛星影像銷售業務。BlackSky公司的理念是“衛星影像即服務”，它能以極高的成本效益和高重訪頻率獲取高分辨率的衛星影像。BlackSky公司計劃發射一組由60顆對地觀測衛星組成的星座，將對地觀測重訪周期降低至數小時以內。自2018年11月首次發射業務星，到2021年5月，已發射9顆對地觀測衛星，其中2顆發射失敗[10]。

如圖5所示，BlackSky-1“尋路者”微納衛星采用相機衛星一體化設計，具備凝視、動態視頻、低功耗等模式，譜段為全色和可見光，能夠對地面30km2范圍內進行高精度觀測，其遙感載荷性能參數如表4所示[11]。

圖5 “BlackSky-1尋路者”微納衛星

表4 Global載荷性能參數

Tab.4 The load parameters of Global

BlackSky公司星座的特點如下：

1）易用性。衛星數據的獲取采用基于網頁的界面，加速并簡化了用戶瀏覽、獲取、下載數據。用戶可以安全登錄、獲取圖片和信息、發送指令。

2）快速重訪。星座平臺系統能夠提供具備行業領先重訪水平的商用圖像。60顆星組成的星座將重點區域的重訪周期縮短到數小時之內。

3）低成本。BlackSky公司憑借自身行業領先的發射能力、不斷改進的運載、基于云計算的軟件服務等優勢，能夠將星座運行成本大大降低。

為了更加有效地利用星座獲得的大量圖像數據，BlackSky公司和AllSource Analysis數據分析公司進行了合作，衛星影像可以服務于各種行業應用，例如：農業、林業、政府項目、非政府組織、軍事、金融、工程、能源等。這樣快速的訪問頻率和高分辨率對于衛星影像的應用非常重要。除了上述領域，在大規模的地震和空難發生時，如果獲取衛星影像的時間可以從幾周縮短到幾個小時，那么相關人員就可以快速確認遭受損失最大的地區，采取更有效的救援，挽救更多生命。這種快速獲取影像的服務對于搜尋和營救行動至關重要，例如：監測森林大火和尋找失事飛機等[12-14]。

1.4 美國陸軍“鷹眼”（Kestrel Eye）

Kestrel Eye衛星是由智能技術微系統公司建造的光電成像微納衛星，源于美國國防高級研究項目局的一個微納衛星項目計劃。該衛星每顆質量約為50kg，Kestrel Eye衛星實物如圖6所示。Kestrel Eye衛星將直接接受戰場上前線作戰部隊的指揮，并直接向地面站傳送圖像，而不需要通過美國大陸的路線進行中轉，可為旅級部隊提供“近實時態勢感知”[15]。

Kestrel Eye衛星的作用是無人機單元的一種擴展，它可以直接拍攝具有領空管制的地域，無需擔心地空導彈的攻擊。使用低成本衛星可以構成大規模星座系統，具有極高的快速任務響應能力和重訪頻率，其光學載荷性能參數如表5所示[16]。

微納遙感載荷不僅可以在環境、資源、金融等民用領域發揮作用，同樣也可以為軍事作戰提供支持。Kestrel Eye微納星座憑借其覆蓋范圍大、響應速度快、分辨率高的特點，提高了美國的單兵作戰能力。

圖6 Kestrel Eye衛星

表5 Kestrel Eye載荷性能參數

Tab.5 The load parameters of Kestrel Eye

1.5 歐盟STREEGO無熱化載荷

STREEGO相機是ESA聯合拉瑞奧圖像技術公司開發的一款應用于小型衛星的創新型光學有效載荷。針對高分辨率有效載荷的市場應用，專用于精準農業、安全、城市發展等領域。它得益于開創性技術，可應用于具有較高成本效益的衛星和小型衛星星座[17-18]。

STREEGO相機是一個無熱化、全反射式系統，采用離軸三反光學系統形式，光學系統光路圖如圖7所示，反射鏡的材料均為鋁合金。采用大規模面陣CMOS探測器。載荷參數如表6所示[19]。

圖7 光學系統構型示意

表6 STREEGO載荷參數

圖8 STREEGO相機結構示意

圖9 探測器濾光片示意

該相機反射鏡采用電致成型方法制備，具有可復制的特點，反射鏡可快速批量化生產，反射鏡的制備周期僅為1日。如圖8所示，相機結構采用全鋁合金設計，與反射鏡的熱膨脹系數一致，實現無熱化[20]。

探測器采用CMOS探測器，采用高集成度電子學。多光譜成像通過在像面放置鍍膜薄濾光片實現，從而實現了多光譜探測。探測器濾光片示意圖見圖9[20]，可以看出濾光片自上而下依次鍍了不同譜段的濾光膜，實現了多光譜探測。

1.6 歐盟HyperScout高光譜載荷

HyperScout高光譜載荷是一臺面向立方星應用的超輕小型高光譜成像光譜儀，載荷參數如表7所示。該載荷具有大視場和星上處理的特點，并且具有超輕小型化，可以滿足土地資源、植被等方面的應用需求。HyperScout高光譜載荷特別適合于微納衛星組網實現高時間分辨率的高光譜對地成像，16顆星即可實現對全球每日覆蓋2次，或對特定區域實現30min一次的成像頻率[21-22]。

表7 HyperScout參數

Tab.7 The indicator of HyperScout

如圖10所示，HyperScout是第一個擁有自己“大腦”的小型化高光譜成像儀，它可在微納衛星以及大型衛星上運行[23]。星載數據處理系統專為實時數據處理而設計，可在軌生成Level-2級數據，因此大大減少了要下載和處理的數據量，降低了對微納衛星數據下行能力的要求。如圖11所示[24]，HyperScout載荷擁有可見光近紅外和熱紅外兩個通道，光學系統采用離軸三反消像散形式，全反射式的望遠鏡可以保證較高的光學品質和較寬的譜段。結構采用同種材料，實現無熱化設計，不會因不同材料的熱膨脹系數不同導致對載荷品質產生影響。同時配備星上處理單元，大幅降低下傳的數據量。HyperScout的光譜分光采用線性可變濾光片，直接安裝于探測器表面進行分光。探測器采用CMOSIS CMV12000商業CMOS器件，像素尺寸5.5μm[23-24]。

圖10 HyperScout高光譜成像載荷

圖11 HyperScout光學系統形式及構型

該載荷重要特點是具備星上處理能力，通常該載荷一軌數據量為1 Tbyte，而立方星平臺數據下行能力為1 Mbit/s，無法滿足大數據量下傳需求。通過采用星上處理模塊，使得這種微納衛星實現高光譜成像成為了可能。HyperScout高光譜成像載荷可應用于洪水監測、農作物對水需求監測、植被健康監測、變化檢測等多個領域。

2 發展啟示與建議

根據不同任務需求，為了滿足微納遙感衛星對光學載荷高性能、輕小型化、批量化、低成本的要求，經過發展，微納光學載荷逐步形成了自己的特色。從共性上看，可以得到以下啟示：

（1）利用新技術提高微納載荷的應用能力

創新性技術的使用，可以大幅提高微納遙感載荷的總體性能。例如：SkySat衛星星座載荷通過在探測器上鍍濾光膜，實現了多光譜和全色同時探測；STREEDO無熱化載荷利用電致成型法制備反射鏡，大大縮短了載荷的研制周期；BlackSky公司的微納衛星和HyperScout1載荷均加入了智能星上處理算法，在星上對遙感圖像進行判別和優化，減輕了微納衛星的數傳壓力。

1）光學系統設計技術。對于微納光學載荷，光學系統是設計核心，光學系統的結構形式、復雜程度決定了載荷輕量化、小型化的水平。微納遙感載荷要求具有輕量化、小型化、無熱化、無遮光罩、無調焦、易加工裝調、力熱適應性強等特點，傳統光學系統優化設計思想難以全面實現上述目標，迫切需要光學系統設計大幅創新。目前緊湊型多反系統和自由曲面光學系統在小型化、大視場、無熱化等方面具有巨大的潛力，是未來高性能、輕小型化光學載荷的發展方向。

2）結構設計技術。微納遙感載荷不僅要求結構輕量化，更要求光機一體化，包括一體化設計、一體化加工制造。創新式優化設計和增材制造的興起與結合，為實現光機一體化設計、加工、制造提供了良好的技術條件。同時，在新材料方面，鎂合金等新材料的應用，可以進一步減小載荷質量。鏡頭結構折疊技術，可以縮小載荷發射時的體積，同樣可以在微納遙感載荷上進行嘗試。此外，相同材料一體化設計可以大大降低相機的熱控成本，減少熱控元件，減小載荷質量。

3）智能化在軌圖像處理技術。目前微納衛星的電子系統功能單一，不能對圖像進行篩選和處理，導致數據量大，數傳系統占用了衛星過多的資源。新的圖像處理技術將大大減小下傳的數據量并豐富衛星功能。其中圖像智能處理技術、在軌功能和算法更新技術具有廣泛的應用前景。

圖像智能處理技術能夠實現任務智能規劃，目標定位和自動特征提取，智能云判與數據剔除，自動調焦和自動曝光。在軌功能和算法更新技術是由用戶定制衛星功能和算法，然后從地面上傳在軌相機程序和算法，從而實現遙感衛星的多任務、多功能、高適應性特性。

這些新技術的不斷成熟也將推動微納載荷的發展，及早地完成這些技術的在軌驗證，將更有利于在未來的微納遙感領域領跑。

（2）型譜化載荷是實現微納遙感衛星組網應用的趨勢

微納遙感載荷通常需要大規模部署，通過星座組網的方式進行對地觀測，因此對成本和研制周期的控制至關重要。充分利用成熟技術將載荷分為不同的模塊，實現型譜化，可以大大降低載荷的成本、縮短研制周期，有利于批量生產。“鴿群”系列衛星、BlackSky公司的星座、美國陸軍Kestrel Eye星座均采用型譜化載荷，實現批量化生產、快速集成部署。型譜化載荷是微納遙感載荷發展的必經之路。

（3）與行業數據公司深度合作挖掘遙感數據應用潛力

微納衛星星座將會具備上百顆的規模，每日會產生龐大的圖像數據，衛星公司本身往往對這些圖像數據并不能完全開發利用，只有其中一部分會得到重點關注，例如：植被信息、礦產資源、天氣變化等。為了提高數據使用率、挖掘數據價值，Planet公司和BlackSky公司除了自身對這些數據進行了充分的開發外，廣泛的與各行業用戶深度合作，如Planet公司與FarmersEdge公司合作，利用Planet星座重訪時間短的特點，深度挖掘在農業領域的應用，與Orbital Insight公司合作挖掘在金融保險領域的應用。通過與行業數據公司結合，能夠充分發揮遙感大數據優勢，產生巨大的附加價值。

3 結束語

本文分析了國外微納遙感載荷的新技術應用情況，包括美國Planet公司的Flock星座和SkySat星座載荷、阿根廷的Satellogic公司的載荷、美國陸軍Kestrel Eye星座、歐盟STREEGO和HyperScout新型載荷。這些微納遙感載荷針對不同的應用需求，具有各自的特點的同時也具有一定的共性，將這些共性同我國航天的發展特點相結合，提出了啟示與建議。未來隨著應用需求不斷增加，微納遙感載荷將具有更好的發展空間，通過將新技術應用在微納遙感載荷上，在有限的資源條件下實現最佳的成像效果，這將使微納遙感載荷更具競爭力，將會成為未來空間遙感載荷市場的主力軍。

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The Latest Development of Micro-nano Remote-sensing Payload Technology Abroad

SHA Zhibo YU Yue JIAO Jianchao

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With the progress of technology and the innovation of commercial application mode, the development of micro-nano remote-sensing satellite and payloads has been paid more attention in military and civil fields. Compared with traditional remote-sensing payloads, micro-nano remote-sensing payloads are with the features of small size, light weight, high performance, short develop time, low cost and flexible launch methods, which are adapted to commercial aerospace and can be applied to every walk of life. At present, lots of international companies and research institutions have submitted various high-performance micro-nano satellite programs, whose payloads have different feature. This paper investigates the typical foreign micro-nano remote sensing payloads. These current foreign micro-nano remote sensing payloads usually adopt new technologies to improve the performance of the micro-nano loads, and use the standardized and model development concepts to improve the developmental efficiency, in addition, more attention has been paid to on-board intelligent technology processing which can reduce the pressure of satellite data transmission. Combining with the development characteristics of foreign micro-nano remote sensing payloads and the situation of Chinese aerospace, enlightenment and suggestions have been formed, which can provide references for the future development of our country micro-nano remote sensing payloads.

payload characteristics; enlightenment and suggestions; commercial aerospace; micro-nano remote sensing loads

V445

A

1009-8518(2021)05-0039-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.05.005

沙治波，男，1978年生，2001年獲河北理工學院機械電子工程專業學士學位，高級工程師。主要研究方向為相機載荷研制。E-mail：sunnyshazb@126.com。

2020-09-11

沙治波, 俞越, 焦建超. 國外微納遙感載荷技術最新進展[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(5): 39-48.

SHA Zhibo, YU Yue, JIAO Jianchao. The Latest Development of Micro-nano Remote-sensing Payload Technology Abroad[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(5): 39-48. (in Chinese)

（編輯：龐冰）