面向遙感應(yīng)用和空間環(huán)境探測的微納衛(wèi)星發(fā)展思考

● 文 | 1航天東方紅衛(wèi)星有限公司 2國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心 3民政部國家減災(zāi)中心 4北京空間機電研究所 5蘭州空間技術(shù)物理研究所 6北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 7 中國空間技術(shù)研究院

傅丹膺1 周宇1 鄒斌2 王平3 黃長寧4 楊生勝5 易忠6 田川7

近年來，隨著商業(yè)航天的不斷發(fā)展，市場上也出現(xiàn)了新的聲音，認(rèn)為航天應(yīng)用需求也表現(xiàn)出從高端應(yīng)用向大眾應(yīng)用方向發(fā)展的勢頭。而伴以微電子技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，微納衛(wèi)星正面臨從技術(shù)試驗型向業(yè)務(wù)應(yīng)用化發(fā)展，從數(shù)量積累到質(zhì)量性質(zhì)轉(zhuǎn)變的發(fā)展轉(zhuǎn)折點。當(dāng)前微納衛(wèi)星發(fā)射活動持續(xù)高速發(fā)展，除美、中、歐、俄等傳統(tǒng)大國或地區(qū)外，更多的非傳統(tǒng)航天國家也加入微納衛(wèi)星的開發(fā)行列中，不斷掀起熱潮，而較低成本的微納衛(wèi)星走向應(yīng)用也成為了熱門話題。

一、微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展與分析

2017年，全球共發(fā)射航天器467個，而100kg以下的微納衛(wèi)星共321個，占比達到68.7%。其中美國行星公司（ Planet）全年通過3次發(fā)射部署了140顆鴿群（ Flock）立方體衛(wèi)星，占據(jù)了10kg以下衛(wèi)星數(shù)量的過半。而年初的印度1箭104星的發(fā)射，更是推動了發(fā)射數(shù)量的快速增長。

微納衛(wèi)星的發(fā)展日新月異，異?；钴S，出現(xiàn)了近似井噴式的發(fā)射情況。這樣的熱潮得益于技術(shù)推動與需求牽引兩方面的有機結(jié)合：一方面，微光機電、高集成電路芯片技術(shù)以及信息技術(shù)的引入，使得部組件的微型化成為可能，從而推動更高集成化的衛(wèi)星整星的出現(xiàn)；另一方面，對于信息的時效性、靈活性的低成本獲取需求使得傳統(tǒng)的天基信息供給出現(xiàn)了部分?jǐn)鄬涌杖?，因此新的需求也在牽引新的供給模式。

在微納衛(wèi)星研制方面，當(dāng)前有三方面主體引人關(guān)注。一是美、歐等傳統(tǒng)航天強國或地區(qū)的軍民航天機構(gòu)提出了多個微納衛(wèi)星計劃，并逐步開展技術(shù)驗證，其瞄準(zhǔn)了新軍民應(yīng)用理念和相關(guān)技術(shù)的在軌驗證。二是以數(shù)據(jù)信息服務(wù)為最終目標(biāo)，并結(jié)合商業(yè)運營的民商領(lǐng)域大型星座計劃，如美國行星公司的鴿群計劃和一網(wǎng)公司的大型網(wǎng)絡(luò)星座計劃。三是非傳統(tǒng)航天強國的創(chuàng)業(yè)公司和高校，借助物流與信息技術(shù)的便利和大膽設(shè)計，提出了各類微納衛(wèi)星，部分指標(biāo)和技術(shù)達到了世界先進水平，如阿根廷衛(wèi)星邏輯公司的Nusat-1衛(wèi)星等。

在遙感應(yīng)用領(lǐng)域，微納衛(wèi)星性能不斷提升，逐步實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。如美國的Skysat-1衛(wèi)星（90kg）是首顆實現(xiàn)優(yōu)于1m分辨率光學(xué)成像的微納衛(wèi)星，阿根廷Nusat-1衛(wèi)星（質(zhì)量約37kg）實現(xiàn)1m分辨率可見光成像能力，美國鴿群系列衛(wèi)星（3U）實現(xiàn)了3～5m分辨率成像和星座化運行。

微納衛(wèi)星的研制模式并非傳統(tǒng)大衛(wèi)星按比例縮小或簡化，差異主要體現(xiàn)在衛(wèi)星總體設(shè)計思想上。一體化設(shè)計理念與方法是目前微納衛(wèi)星總體設(shè)計領(lǐng)域的關(guān)注熱點，其打破了傳統(tǒng)大衛(wèi)星各分系統(tǒng)的功能界限，不受有效載荷、衛(wèi)星平臺的界面約束，而是從衛(wèi)星系統(tǒng)層面進行統(tǒng)一設(shè)計和資源規(guī)劃權(quán)衡，有效實現(xiàn)衛(wèi)星的高性能密度比，推動微納衛(wèi)星從“小而弱”走向“精而強”。這類一體化模式主要體現(xiàn)在兩方面：一是衛(wèi)星本身設(shè)計，充分考慮衛(wèi)星資源的節(jié)省，圍繞載荷進行緊湊構(gòu)型設(shè)計，電子系統(tǒng)加強集成化設(shè)計，利用高性能微小型化的單機產(chǎn)品和商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）器件，提升整星功能密度比；二是不再局限于單星性能，瞄準(zhǔn)星群的整體配置和功能應(yīng)用，實現(xiàn)星群的一體化設(shè)計與應(yīng)用。

國內(nèi)微納衛(wèi)星技術(shù)同樣發(fā)展迅速，在一體化系統(tǒng)技術(shù)和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一定的成果，并通過2015年的1箭20星發(fā)射集中展現(xiàn)，在部分有效載荷和平臺部組件單機指標(biāo)方面達到了國際先進水平，也逐步形成了一定規(guī)模的產(chǎn)品體系。國內(nèi)商業(yè)遙感方面，吉林一號微納衛(wèi)星、珠海一號等已發(fā)射的微納遙感衛(wèi)星已經(jīng)開啟了微納衛(wèi)星遙感應(yīng)用的嘗試，但目前國內(nèi)的微納衛(wèi)星尚處在業(yè)務(wù)應(yīng)用的探索試驗階段，與業(yè)務(wù)化運行存在一定差距，亟待與典型應(yīng)用結(jié)合，探索出一條適合于我國的微納衛(wèi)星技術(shù)體制。

二、微納遙感衛(wèi)星技術(shù)特點與未來發(fā)展趨勢

微納遙感衛(wèi)星憑借系統(tǒng)成本低、可集群/星座/組網(wǎng)運行、投入產(chǎn)出比高、發(fā)射/應(yīng)用靈活度高、運營管理便捷等方面的突出優(yōu)勢，備受多方用戶和商業(yè)公司青睞。其相比傳統(tǒng)衛(wèi)星的相對優(yōu)勢核心在于較低投資風(fēng)險下獲得更高的任務(wù)性價比。微納遙感衛(wèi)星依靠數(shù)量優(yōu)勢，一是可獲得觀測高時間分辨率，提高有效產(chǎn)出數(shù)據(jù)比，彌補單星絕對能力劣勢；二是彈性分散分布式系統(tǒng)解決方案可以降低單星系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，少數(shù)衛(wèi)星的失效不造成全系統(tǒng)能力明顯降額，抵御風(fēng)險能力強；三是可以高性價比支持大數(shù)據(jù)，進而以大數(shù)據(jù)創(chuàng)造未來。

大規(guī)模組網(wǎng)部署和星群化運行將是微納衛(wèi)星的重要發(fā)展方向，并通過不同的思路得以體現(xiàn)。鴿群系列已發(fā)射了300多顆衛(wèi)星，同時在軌最多時達到200顆以上，是真正實現(xiàn)或者是驗證了大規(guī)模部署與星座運行的微納衛(wèi)星系統(tǒng)，而且還在不斷地發(fā)射補充中。2017年初印度1箭104星的發(fā)射中，有88顆就是狀態(tài)一樣的 Flock-3P衛(wèi)星。但是鴿群并不追求星座的嚴(yán)格構(gòu)型部署和保持，這也為其發(fā)射和運載選擇提供了更多的便利，目前其軌道包括不同高度的太陽同步軌道和低傾角軌道。總體上不追求嚴(yán)格的重訪和覆蓋周期，而是利用其眾多的衛(wèi)星數(shù)量采用“永遠在線”的模式來進行成像觀測，即只要氣象條件和能源條件允許，就進行拍照一直工作，形成類似交通攝像頭般的模式。另一類星座計劃則側(cè)重于嚴(yán)格組網(wǎng)與運行。有數(shù)十顆量級的遙感微小衛(wèi)星，為了實現(xiàn)高時效的重訪能力，通過設(shè)計特定星座來達到預(yù)期。而用于通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的系統(tǒng)，也通過較為嚴(yán)格的星座運行來滿足覆蓋需求并保持穩(wěn)定能力。

微納衛(wèi)星的技術(shù)發(fā)展趨勢可以從三個層次進行分析。系統(tǒng)層面，微納衛(wèi)星由于單星能力有限，必然走向星座或星簇的發(fā)展，具有以衛(wèi)星數(shù)量解決傳統(tǒng)衛(wèi)星無法解決的衛(wèi)星高時間分辨率的優(yōu)點。分系統(tǒng)或單機層面，采用集成功能單元化設(shè)計方法，通過軟件無線電手段，實現(xiàn)星上設(shè)備通用化、軟件化。應(yīng)用層面，結(jié)合任務(wù)特點，針對衛(wèi)星星座和星簇，采用星座化部署，網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。針對多星在軌任務(wù)，應(yīng)用智能衛(wèi)星自主管理技術(shù)，實現(xiàn)運控自主化，通過衛(wèi)星軟件化、智能化特點,實現(xiàn)應(yīng)用直達便捷化。最終通過組網(wǎng)，實現(xiàn)“四高一低”的能力，即高時空分辨率、高覆蓋性、高智能化、高靈活度和低成本。

三、微納衛(wèi)星遙感與空間環(huán)境探測應(yīng)用展望

未來通過百顆級微納衛(wèi)星的編隊組網(wǎng)運行，將提供覆蓋全球、多時空尺度、多探測要素的多手段海量數(shù)據(jù)，為我國國民經(jīng)濟建設(shè)和國家安全提供信息支持，尤其在災(zāi)害監(jiān)測、海洋應(yīng)用和空間環(huán)境探測等方面潛力巨大。

1. 災(zāi)害監(jiān)測

微納衛(wèi)星星座系統(tǒng)所提供的高時空分辨率的連續(xù)監(jiān)測，能夠為我國災(zāi)害精細化管理提供持續(xù)支持，為災(zāi)害全過程典型孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子和承災(zāi)目標(biāo)等災(zāi)害鏈發(fā)生發(fā)展過程提供持續(xù)動態(tài)監(jiān)測，為持續(xù)、有效開展災(zāi)害的監(jiān)測和評估工作提供重要支撐，有效補充現(xiàn)有能力。系統(tǒng)具備機動靈活的應(yīng)急觀測能力，可實現(xiàn)對多個地區(qū)的交替成像。針對災(zāi)害發(fā)生呈現(xiàn)出并發(fā)、群發(fā)和集中爆發(fā)的特征，以及影響范圍更廣、強度更大且部分地區(qū)重復(fù)受災(zāi)的問題，可對國內(nèi)多個災(zāi)區(qū)并發(fā)災(zāi)害進行觀測，滿足多災(zāi)并發(fā)形勢下的機動快速多點監(jiān)測需求，為災(zāi)害救援提供第一手的觀測資料，提高災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)監(jiān)測與評估的時效性。

系統(tǒng)所具備的全球高時效重訪監(jiān)測，能夠支撐“一帶一路”沿線國家遙感數(shù)據(jù)需求。具有較高時間分辨率全球重訪能力，能夠了解“一帶一路”沿線主要國家災(zāi)害風(fēng)險程度和時空分布情況，開展災(zāi)害綜合分析與評價，在建立沿線國家災(zāi)害綜合數(shù)據(jù)庫與信息服務(wù)平臺方面提供重要技術(shù)支撐，為有效推動災(zāi)害應(yīng)急聯(lián)動和協(xié)同，達到共同提高“一帶一路”沿線主要國家區(qū)域災(zāi)害應(yīng)對能力方面具有重要意義。

2. 海洋應(yīng)用

未來構(gòu)建海洋觀測微納衛(wèi)星系統(tǒng)，通過編隊組網(wǎng)運行，利用可見光、高光譜等多種新型微型化海洋遙感載荷技術(shù)和AIS、DCS等多種探測手段，通過星上智能化信息處理技術(shù)、天地一體化高動態(tài)任務(wù)響應(yīng)管理應(yīng)用技術(shù)以及新型復(fù)合編隊組網(wǎng)觀測技術(shù)，可實現(xiàn)多尺度全球觀測能力，在重點區(qū)域目標(biāo)常態(tài)化高時效性動態(tài)觀測以及應(yīng)急響應(yīng)等任務(wù)上具有相對優(yōu)勢，為數(shù)字海洋動態(tài)全域監(jiān)測以及重點區(qū)域性目標(biāo)高時間分辨率監(jiān)測能力建設(shè)發(fā)揮重要作用，實現(xiàn)對現(xiàn)有海洋監(jiān)測空間基礎(chǔ)設(shè)施的有力補充和動態(tài)支援。在具體應(yīng)用上，包括海上溢油、赤潮、風(fēng)暴潮等發(fā)生后持續(xù)動態(tài)跟蹤監(jiān)測、管轄海域溢油等常態(tài)化監(jiān)測與溯源、海上傾廢區(qū)動態(tài)實時監(jiān)測、海島管理與海域管理動態(tài)監(jiān)測與執(zhí)法預(yù)警。此外，在北極航道區(qū)域動態(tài)監(jiān)測、南極科考作業(yè)區(qū)域動態(tài)監(jiān)視保障、極地冰川監(jiān)測等方面具有較大的潛力。為未來全球立體感知網(wǎng)建設(shè)提供支撐，為海上絲綢之路區(qū)域重要航道與支點監(jiān)測、全球船舶動態(tài)提供重要手段。

3. 空間環(huán)境探測

微納衛(wèi)星通過配置微型化的空間環(huán)境監(jiān)測載荷，利用大規(guī)模星座的覆蓋監(jiān)測能力，可實現(xiàn)對地球空間環(huán)境綜合要素持續(xù)監(jiān)測。對大氣成分、密度和空間帶電粒子環(huán)境的探測，有助于進一步理解輻射傳輸過程/機理及全球太陽輻射能量收支變化及分布狀態(tài)，對建立更為準(zhǔn)確的全球氣候系統(tǒng)模式具有重大科學(xué)意義。采用微納衛(wèi)星組網(wǎng)方式，可廣泛開展全球的大范圍、小尺度測量,為我國建立大氣環(huán)境參數(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫提供長期實測數(shù)據(jù)。一方面為航天器軌道預(yù)報、事后分析等提供準(zhǔn)實時大氣密度參考數(shù)據(jù)支撐；另一方面，高精度的探測結(jié)果為建立我國大氣環(huán)境高精度動態(tài)模型或提高模型精度提供豐富的實測數(shù)據(jù)，改進高層大氣環(huán)境預(yù)報模型和預(yù)報方法。

利用微納衛(wèi)星星座能夠?qū)崿F(xiàn)全球地磁場的監(jiān)測，有助于全球地磁模型的建立和修正，百顆量級微納衛(wèi)星配置微型化磁場探測器，能夠在幾個月內(nèi)實現(xiàn)千米量級的全球地磁圖繪制，結(jié)合地基監(jiān)測和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實現(xiàn)地磁圖的修正。通過多顆微納衛(wèi)星的配合，在磁場異常區(qū)、電離層閃爍多發(fā)區(qū)域進行重點的加密覆蓋，可以實現(xiàn)小尺度磁場結(jié)構(gòu)的探測。構(gòu)建運行于不同軌道面的磁場探測衛(wèi)星星座，有助于克服磁場測量的時空模糊問題，能夠更好地區(qū)分不同源對地磁場的作用，得到更有效的數(shù)據(jù)。探測數(shù)據(jù)和后續(xù)處理成果可應(yīng)用于科學(xué)研究、礦業(yè)、測繪等各個行業(yè)。

通過中低傾角的微納衛(wèi)星星座，配置微型化的遙感、原位探測儀器，能夠為研究中低緯度電離層小尺度結(jié)構(gòu)、提供電離層參數(shù)短時預(yù)報提供高分辨率電離層數(shù)據(jù)，為通信、導(dǎo)航定位服務(wù)，并可應(yīng)用于“一帶一路”具有時效性的通信、航海、物流、氣候及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相關(guān)研究中。

四、結(jié)束語

當(dāng)前國內(nèi)外微納衛(wèi)星發(fā)展熱潮不斷，有技術(shù)飛速發(fā)展的推動，也有需求牽引和商業(yè)運作的催生。微納衛(wèi)星究競能夠?qū)崿F(xiàn)多大的應(yīng)用潛力，能夠給航天產(chǎn)業(yè)帶來怎樣的沖擊目前還不能妄下結(jié)論，但是其代表的創(chuàng)新性和創(chuàng)造力不容小覷，而由其所代表的航天新時代技術(shù)、模式和產(chǎn)業(yè)的探索也應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。微納衛(wèi)星通過星座化運行，結(jié)合信息化、網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用，增強用戶體驗，降低用戶應(yīng)用門檻，將會是一個重要發(fā)展方向，將促進衛(wèi)星應(yīng)用的大眾化、服務(wù)化，廣泛服務(wù)于自然地球和社會地球的數(shù)字化監(jiān)測。

[1]付郁. 2017年全球航天器發(fā)射統(tǒng)計與分析[J]. 國際太空，2018（2）：4-8.

[2]傅丹膺，周宇，滿益云，等. 面向空間云時代的微納遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展[J]. 國際太空，2018（3）：23-28.