低軌大型遙感星座發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)

柯知非 黃石生 李玉良 喬凱 滕飛 阮航 王曉婷 魏楚奇 馬星亮

低軌大型遙感星座發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)

柯知非 黃石生 李玉良 喬凱 滕飛 阮航 王曉婷 魏楚奇 馬星亮

（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

近年來，低軌大型遙感星座計劃發(fā)展迅速，高頻次、低成本、彈性高的大型低軌遙感星座系統(tǒng)成為了各國爭相發(fā)展的技術(shù)。文章概述了Flock、Capella、BlackSky Global、Lemur-2、NewSat等低軌大型遙感星座的發(fā)展現(xiàn)狀，以及中國大型遙感星座的基本情況；在此基礎(chǔ)上，分別從遙感星座涉及的通信網(wǎng)絡(luò)、自主協(xié)同、星座部署、星座管控、信息處理等5個方面，就低軌大型遙感星座涉及到的多載荷任務(wù)協(xié)同、星上自主任務(wù)規(guī)劃、快速響應(yīng)調(diào)度、星箭一體化設(shè)計、衛(wèi)星星座構(gòu)型設(shè)計、星座智能管控、遙感圖像數(shù)據(jù)融合、星座數(shù)據(jù)處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)分析，并對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述。

低軌星座 遙感衛(wèi)星 星間通信 衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃 星座部署 衛(wèi)星信息處理

0 引言

當(dāng)前遙感技術(shù)為國土、應(yīng)急、減災(zāi)、環(huán)保、水利、農(nóng)業(yè)、氣象等多個領(lǐng)域提供了重要應(yīng)用，世界各國各行業(yè)對航天遙感應(yīng)用的需求日益增加，推動了商業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用的不斷發(fā)展。在遙感數(shù)據(jù)逐漸向高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜方向發(fā)展的同時，遙感應(yīng)用的深度和廣度不斷擴展，并且越來越個性化、精細(xì)化和專業(yè)化，基于遙感數(shù)據(jù)的商業(yè)應(yīng)用和增值服務(wù)也得到了發(fā)展[1-2]。

隨著自動化技術(shù)與高集成技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星發(fā)射與部署成本不斷降低，低軌道遙感星座的研發(fā)與部署呈現(xiàn)出了高熱度。本文所稱低軌大型遙感星座，是指在低軌道進(jìn)行大規(guī)模/數(shù)量部署的遙感星座，可實現(xiàn)低時延數(shù)據(jù)傳輸、低路徑損耗下的高頻次目標(biāo)重訪和數(shù)據(jù)快速處理分發(fā)，能滿足客戶的多樣化和復(fù)雜任務(wù)需求。

本文在梳理國內(nèi)外低軌大型遙感星座發(fā)展動態(tài)的基礎(chǔ)上，從通信網(wǎng)絡(luò)、自主協(xié)同、星座部署、星座管控、信息處理等方面，對低軌遙感星座技術(shù)發(fā)展所涉及的關(guān)鍵技術(shù)與特點進(jìn)行了分析研究。

1 低軌大型遙感星座國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)

1.1 國外發(fā)展動態(tài)

目前，國外低軌遙感星座的建設(shè)較為領(lǐng)先，從事低軌大型遙感星座研究的國家主要有美國、阿根廷等。得益于較為完善的政策環(huán)境，美國在大型對地觀測的遙感星座建設(shè)中處于領(lǐng)先地位，主要建有“鴿群”、“卡佩拉”、“黑天全球”、“狐猴”等星座，以構(gòu)建具備全球的高空間分辨率、高時間分辨率、全覆蓋能力為目標(biāo)，逐步引領(lǐng)地球觀測進(jìn)入實時新時代[3]。

（1）“鴿群”（Flock）星座

美國行星實驗室（Planet Labs）于2013年4月19日發(fā)射第一顆“鴿群”微納遙感衛(wèi)星，截至2021年底，“鴿群”衛(wèi)星已累計發(fā)射近500顆，Planet公司每3～6個月進(jìn)行一次發(fā)射，維持200顆左右衛(wèi)星可正常在軌運行。Flock星座為當(dāng)前全球最大的遙感星座，主要用于為災(zāi)害監(jiān)測、應(yīng)急響應(yīng)、資產(chǎn)管理等應(yīng)用提供全球覆蓋、高更新率的光學(xué)遙感數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖1 “卡佩拉”衛(wèi)星

Flock衛(wèi)星為3U立方星，每顆衛(wèi)星質(zhì)量5kg，尺寸10cm×10cm×30cm，它們的特點是采用CTOS（商用現(xiàn)貨）組件，每顆衛(wèi)星都配備了高倍率望遠(yuǎn)鏡和相機，衛(wèi)星在400～600km軌道高度可以實現(xiàn)對地3～5m分辨率的光學(xué)成像。

Flock星座對外號稱采用“長期在線”（Always on）工作模式，相較傳統(tǒng)對地觀測衛(wèi)星，可實現(xiàn)全時段全區(qū)域覆蓋，重訪率高，更易捕捉突發(fā)事件。根據(jù)已公布的信息，該星座能夠在1 d內(nèi)實現(xiàn)全球95%區(qū)域的重訪。

（2）“卡佩拉”（Capella）星座

Capella衛(wèi)星星座由美國卡佩拉空間公司（Capella Space）研制的36顆SAR成像衛(wèi)星組成，分布在600km左右的12個軌道面上，每個軌道面部署3顆衛(wèi)星，完全平均重訪時間達(dá)1h，最高分辨率支持0.5m[4]。其首顆技術(shù)驗證衛(wèi)星于2018年12月發(fā)射入軌。

Capella單星（見圖1）設(shè)計質(zhì)量小于100kg，設(shè)計壽命為3年。通過定期補網(wǎng)實現(xiàn)對系統(tǒng)和衛(wèi)星的更新，進(jìn)而實現(xiàn)定期對星座和單星性能的改進(jìn)。其下行鏈路平均傳輸速率達(dá)1.2Gbit/s，該星座較其他商業(yè)遙感衛(wèi)星提供了每軌更高的數(shù)據(jù)量[5]。

（3）“黑天全球”（BlackSky Global）星座

BlackSky Global是由美國“黑色天空”公司（BlackSky）建設(shè)的商業(yè)遙感衛(wèi)星星座，當(dāng)前在軌 14顆，均使用“偵察兵”衛(wèi)星平臺和哈里斯公司的SpaceView-24光學(xué)系統(tǒng)。BlackSky Global單星質(zhì)量56kg左右，設(shè)計壽命3年，運行在約500km高的軌道上，空間分辨率約為1m[6]。

BlackSky Global星座目標(biāo)是打造由60顆衛(wèi)星組成的星座，具備10～60min重訪能力，預(yù)計于2023年實現(xiàn)星座的升級換代，將空間分辨率由1m提高到0.5m[6-7]。

BlackSky Global星座擁有高效快速的商業(yè)應(yīng)用定制和數(shù)據(jù)處理分析能力，基于其Spectra AI平臺，利用其專有的機器學(xué)習(xí)和最新的人工智能技術(shù)，可實現(xiàn)對船舶、飛機、道路、建筑物和車輛等目標(biāo)近實時的自動檢測，并能實現(xiàn)變化、損壞和異常檢測等高級分析，可直接集成于智能手機和PC終端顯示。其遙感圖像及處理界面如圖2所示。

（4）“狐猴”（Lemur-2）星座

Lemur-2衛(wèi)星星座由美國尖頂公司（Spire）研制的3U立方體電子偵察衛(wèi)星組成，星座分布在約500km高的太陽同步軌道，主要用于對天氣、船只、飛機的實時監(jiān)測。自2015年9月28日發(fā)射Lemur-2 01星以來，截至2022年5月，Lemer-2系列衛(wèi)星共發(fā)射28次，共計145顆衛(wèi)星在軌，其中4顆入軌后不能正常工作[8]。

Lemur-2星座單星質(zhì)量約4kg，主要載荷有兩種：1）GPS無線電掩星測量載荷，主要通過對信號受大氣層影響的數(shù)值變化情況來精確計算溫度、濕度和壓力廓線；2）AIS接收器，主要通過接收Air信號來實現(xiàn)對世界各地船只的跟蹤[9]。

（5）“新衛(wèi)星”（NewSat）星座

NewSat星座（圖3）由阿根廷邏輯公司（Satellogic）建設(shè)的商業(yè)微納遙感衛(wèi)星組成，截至2022年4月，星座已發(fā)射入軌衛(wèi)星30顆，包含技術(shù)試驗星3顆以及應(yīng)用星27顆。Satellogic公司旨在建設(shè)一個在軌數(shù)量達(dá)90顆的對地觀測星座，能夠在高度500km左右的太陽同步軌道上實現(xiàn)1m的空間分辨率，每周可實現(xiàn)對全球拍攝一遍[6]。

NewSat星座單星質(zhì)量約37kg，尺寸為0.4m×0.43m×0.75m；搭載可見光載荷與紅外譜段相機，可實現(xiàn)1m的多光譜地面分辨率和30m的超光譜分辨率，具有照片成像與視頻成像的功能[10]。

圖2 黑天衛(wèi)星遙感圖像及處理界面

圖3 “新衛(wèi)星”星座

1.2 國內(nèi)發(fā)展動態(tài)

近年來，國內(nèi)低軌大型遙感星座建設(shè)呈現(xiàn)井噴態(tài)勢，“吉林一號”、“深圳一號”、“珠海一號”等一批星座陸續(xù)組網(wǎng)建設(shè)?！胞愃惶枴薄ⅰ瓣兾饕惶枴?、“靈鵲”等星座也規(guī)劃了上百顆遙感衛(wèi)星用于星座組網(wǎng)。據(jù)統(tǒng)計，我國規(guī)劃于2030年前建設(shè)超過800顆低軌遙感衛(wèi)星用于星座組網(wǎng)[4]。

2 低軌大型遙感星座關(guān)鍵技術(shù)

低軌大型遙感星座的關(guān)鍵技術(shù)主要包括通信網(wǎng)絡(luò)、自主協(xié)同、星座研制部署、星座管控、信息處理等五大類關(guān)鍵技術(shù)。為實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和支持接入要求，衛(wèi)星應(yīng)采用通用化設(shè)計，拓?fù)浼軜?gòu)開放化、模塊化，終端節(jié)點智能化、信息化，軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化，支持即插即用、自主測試、健康管理等。

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)主要涉及的技術(shù)包括組網(wǎng)協(xié)議、傳輸協(xié)議、星間鏈路、星間激光通信、衛(wèi)星情報信息分發(fā)以及用頻規(guī)范等。

在系統(tǒng)組網(wǎng)高可靠、高彈性的基礎(chǔ)上，為保障高時間分辨率的需求，低軌大型遙感星座的通信應(yīng)建立在“雙網(wǎng)”之上，一張網(wǎng)是基于激光鏈路的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)，另一張網(wǎng)是基于微波鏈路的低速控制網(wǎng)。低速控制鏈路保證星座系統(tǒng)基本的運行控制及任務(wù)協(xié)同。大規(guī)模的激光高速鏈路將在星座工作區(qū)域內(nèi)形成高速、穩(wěn)定的網(wǎng)狀網(wǎng)，遙感衛(wèi)星的融合數(shù)據(jù)可通過同軌、異軌激光鏈路進(jìn)行星間傳輸，星上處理數(shù)據(jù)可實時回傳地面接收站；遙感衛(wèi)星的星間激光終端可與通信星座互聯(lián)，產(chǎn)生的海量原始數(shù)據(jù)通過星座內(nèi)傳輸系統(tǒng)層完成境內(nèi)回傳，進(jìn)一步發(fā)揮星座高密度、高時間分辨率的特點，為情報信息可靠、高速回傳提供保障。

激光星間鏈路技術(shù)盡管已經(jīng)邁出了工程化的第一步，但是對于大規(guī)模遙感衛(wèi)星融合應(yīng)用仍然存在巨大的挑戰(zhàn)。一方面挑戰(zhàn)在于激光終端點對點傳輸，需求層面有高性能、高可靠、強約束等要求，其中高性能要求主要包括高精度、高速率、遠(yuǎn)距離等；高可靠要求包括長壽命、實時標(biāo)校、穩(wěn)定建鏈；強約束要求包括輕量化、低功耗、自主可控；高可靠與強約束將是激光星間鏈路重點關(guān)注的風(fēng)險點。另一方面的挑戰(zhàn)是基于激光星間鏈路的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，面向未來大規(guī)模星座多星高動態(tài)組網(wǎng)以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，空間網(wǎng)絡(luò)路由交換、網(wǎng)絡(luò)管理控制及加解密都是亟待解決的關(guān)鍵問題。

2.2 自主協(xié)同

大型遙感星座相較傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星，載荷多樣性增加，用戶來源和需求激增，衛(wèi)星數(shù)量極大的增多，由此導(dǎo)致在進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時，其復(fù)雜程度也急劇增加，傳統(tǒng)的單星管理運控模式難以滿足用戶需求。為滿足高時間分辨率的需求，必須考慮多用戶需求、多星協(xié)同、多任務(wù)并行條件下的任務(wù)規(guī)劃策略[11]。自主協(xié)同主要涉及的相關(guān)技術(shù)包括多載荷任務(wù)協(xié)同技術(shù)、星上自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)及快速響應(yīng)調(diào)度技術(shù)。

（1）多載荷任務(wù)協(xié)同技術(shù)

低軌遙感星座的協(xié)同架構(gòu)為分布式，星群中的協(xié)同層級相同，沒有主星，星間信息充分共享。該協(xié)同架構(gòu)可實現(xiàn)每顆衛(wèi)星自身最大觀測能力的發(fā)揮，適用于對全局規(guī)劃結(jié)果要求高的任務(wù)[12]。

多載荷任務(wù)協(xié)同的本質(zhì)是任務(wù)為中心，通過建立模型解決資源與時間分配的過程，主要是做好多任務(wù)統(tǒng)籌、多資源選擇、多時間窗口、多優(yōu)化目標(biāo)、多約束條件下的協(xié)同與優(yōu)化。在基于網(wǎng)絡(luò)的多載荷任務(wù)協(xié)同中，應(yīng)充分考慮協(xié)同任務(wù)規(guī)劃對網(wǎng)絡(luò)傳輸需求分析，在高度耦合的網(wǎng)絡(luò)與協(xié)同的信息系統(tǒng)中，開展面向高時效、高可靠的動態(tài)任務(wù)多目標(biāo)優(yōu)化策略研究[13-15]。

（2）星上自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

當(dāng)前對星上自主任務(wù)規(guī)劃的研究可大致分為兩類：一種是基于軟件層面，通過預(yù)裝星載軟件以實現(xiàn)衛(wèi)星自動化管理水平的提升；另一種是基于系統(tǒng)層面，將星座分為管理層、任務(wù)層等不同層級，基于MAS（Multi-Agents-System）架構(gòu)，賦予單星在星座群中的不同功能代理，通過衛(wèi)星間協(xié)作方式實現(xiàn)星座的自動控制[16-17]。

美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在2018年發(fā)起的“黑杰克”衛(wèi)星項目中，使用了Pit Boss自主數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，通過將不同的衛(wèi)星平臺與軍用載荷組成的多功能層整合至統(tǒng)一的數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)分發(fā)的架構(gòu)中，可適應(yīng)衛(wèi)星數(shù)量的不斷增長，能實現(xiàn)在沒有地面站管控的情況下獨立運行30 d的自主維持能力[18]。

對大型低軌遙感星座而言，在多約束的條件下，為了滿足時間與空間分辨率的要求，星上自主任務(wù)規(guī)劃基于工程實際應(yīng)采用星上自主任務(wù)規(guī)劃與地面運控系統(tǒng)參與控制相結(jié)合的方式，從前期地面運控系統(tǒng)高度參與到星上自主任務(wù)規(guī)劃逐漸升級過渡。

（3）快速響應(yīng)調(diào)度技術(shù)

“快速響應(yīng)”是軍用衛(wèi)星技術(shù)的重要概念，是美國“快速響應(yīng)航天”（Operationally Responsive Space, ORS）計劃的基本依據(jù)，其基本特征是在有效載荷層面實現(xiàn)衛(wèi)星研制、數(shù)據(jù)下傳、目標(biāo)獲取的快速性，在空間部署層面實現(xiàn)低成本、小型運載的快速發(fā)射[19]。

為實現(xiàn)星座任務(wù)時間分辨率的要求，在任務(wù)規(guī)劃策略上可利用“快速響應(yīng)”的理念，在衛(wèi)星層面實現(xiàn)即插即用的模塊化、接口間標(biāo)準(zhǔn)化，以及在應(yīng)急災(zāi)害情況下實現(xiàn)快速補網(wǎng)的能力。

2.3 星座部署與智能管控

低軌大型遙感星座的部署與管控主要涉及快速、大量發(fā)射入軌所需的星箭一體化設(shè)計技術(shù)，星座空間分布的星座構(gòu)型設(shè)計技術(shù)，以及星座在軌運行后所需的智能管控技術(shù)。

（1）星箭一體化設(shè)計技術(shù)

為實現(xiàn)星座的快速部署與持續(xù)定期的更新?lián)Q代，需要發(fā)射大量衛(wèi)星以實現(xiàn)星座組網(wǎng)與補網(wǎng)，一箭多星發(fā)射是實現(xiàn)星座化部署的主要途徑，因此需要對火箭和衛(wèi)星構(gòu)型進(jìn)行一體化設(shè)計。

衛(wèi)星在整流罩內(nèi)的布局方案主要依據(jù)星箭包絡(luò)、衛(wèi)星數(shù)量、在軌構(gòu)型、力學(xué)環(huán)境等條件設(shè)計。當(dāng)前，對于多顆衛(wèi)星的整流罩布局方案主要有包帶方式、堆疊方式、側(cè)掛方式三種[20]，布局方式如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星不同布局方式

其中包帶方式衛(wèi)星在整流罩內(nèi)以串聯(lián)的方式布局，力學(xué)環(huán)境和測試環(huán)境相對較好，但是空間利用率較低。

側(cè)掛方式采用中心承力筒側(cè)掛衛(wèi)星的并聯(lián)方式進(jìn)行布局，空間利用率較高，但力學(xué)環(huán)境差，影響衛(wèi)星安全性，且內(nèi)部空間較小，測試人員無法進(jìn)入操作。

堆疊方式為整流罩內(nèi)取消中央適配器結(jié)構(gòu)，將衛(wèi)星設(shè)計成扁平的結(jié)構(gòu)，通過堆疊方式進(jìn)行布局，使衛(wèi)星采用統(tǒng)一的承力支柱接口，從而實現(xiàn)連接與分離[21]。堆疊方式的空間利用率極高，但隨著堆疊高度的增加，力學(xué)環(huán)境相對惡劣，且該體制分離時間較長，對衛(wèi)星轉(zhuǎn)內(nèi)電要求高。

光學(xué)遙感衛(wèi)星因相機不能折疊，難以適應(yīng)扁平化設(shè)計，故難以單獨采用堆疊方式發(fā)射，可采取與其他載荷衛(wèi)星搭載發(fā)射的方式，利用堆疊+側(cè)掛的方式。根據(jù)星箭耦合性分析，逐步深化論證星箭間機械/電接口、電磁兼容性、環(huán)境條件、過載要求、衛(wèi)星分離后初始狀態(tài)等，同步制定星箭接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為衛(wèi)星、火箭提供統(tǒng)一規(guī)范約束。

（2）衛(wèi)星星座構(gòu)型設(shè)計技術(shù)

衛(wèi)星星座構(gòu)型設(shè)計是低軌星座系統(tǒng)設(shè)計的前提和基礎(chǔ)，星間的幾何構(gòu)型關(guān)系直接決定星座系統(tǒng)的運行水平和應(yīng)用能力，影響著星座系統(tǒng)性能和星座部署成本。在制定低軌大規(guī)模遙感星座部署策略時，應(yīng)從任務(wù)需求、覆蓋特性、攝動補償、備份方案等方面綜合考量[22]。

相比于全球覆蓋性的導(dǎo)航星座而言，低軌大規(guī)模遙感星座應(yīng)從優(yōu)先考慮任務(wù)需求出發(fā)，來設(shè)計特定區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)重訪周期、覆蓋重數(shù)等覆蓋性指標(biāo)。當(dāng)星座大小達(dá)到一定規(guī)模后，再考慮全球覆蓋部署的策略，通過同構(gòu)星座和異構(gòu)星座相結(jié)合的混合星座構(gòu)型設(shè)計，實現(xiàn)星座整體能力的升級[23]。

受太空中各種攝動力的影響，衛(wèi)星星座在軌運行后在不采取外力控制的情況下，衛(wèi)星間的相對位置會發(fā)生偏移，星座結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生改變，星座的性能也會受到一定影響。因此，在星座構(gòu)型設(shè)計時可通過設(shè)置參數(shù)偏置的方法，利用攝動力補償策略進(jìn)行星座構(gòu)型調(diào)整，提高星座的長期穩(wěn)定性[24-25]。對于低軌星座而言（特別是低于500km軌道高度的星座），在軌狀態(tài)下所受大氣阻力影響相對較大，攝動補償策略可實現(xiàn)對長期影響線性部分進(jìn)行補償，對非線性部分的補償效果較為有限。

低軌大型星座中的單星，通常設(shè)計壽命有限，隨著星座在軌數(shù)量和時長的增加，衛(wèi)星壽命、硬件故障、衛(wèi)星碰撞等風(fēng)險都會對星座的構(gòu)型造成影響。因此，在星座構(gòu)型初期設(shè)計時需考慮星座的備份策略，綜合使用在軌備份、停泊軌道備份和地面應(yīng)急補網(wǎng)備份等手段，實現(xiàn)低軌大型星座的庫存管理[26-27]。

（3）星座智能管控技術(shù)

包括自主運行、指控運行、在軌維護(hù)三種使用模式。

1）自主運行模式。天基星座智能管控系統(tǒng)在無地面指控指令干預(yù)下全自主運行，完成星座常規(guī)任務(wù)的管理，以及日常遙感、邊緣信息處理、星座資源監(jiān)控、協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、信息分發(fā)與推送路由決策、星座資源分配等任務(wù)。

2）指控運行模式。天基星座智能管控系統(tǒng)在地面運控中心指控下工作。地面上注的任務(wù)，將以較高優(yōu)先級插入星座智能管控系統(tǒng)自主規(guī)劃決策生成的任務(wù)隊列，或者取代自主規(guī)劃決策生成的任務(wù)。此時系統(tǒng)處于遙控或半自主運行模式，系統(tǒng)根據(jù)指控指令完成指定任務(wù)并將信息分發(fā)給特定用戶。

3）在軌維護(hù)模式。該模式主要針對天基星座智能管控系統(tǒng)進(jìn)行能力恢復(fù)或者提升，包括系統(tǒng)軟件更新、系統(tǒng)支撐信息更新、星地一體化目標(biāo)數(shù)據(jù)庫更新等。

星座智能管控系統(tǒng)采用“全局云-邊緣云-遙感端”的總體架構(gòu)。其中“遙感端”是星座中的遙感星；“邊緣云”是星座中的天基星座智能管控系統(tǒng)，具備任務(wù)規(guī)劃調(diào)度、態(tài)勢感知分析、信息傳輸與分發(fā)、任務(wù)決策等能力；“全局云”是地面中心，完成星座整體管控、數(shù)據(jù)信息挖掘、數(shù)字孿生仿真等功能。

2.4 信息處理

大型遙感星座的信息處理主要包括星座遙感圖像載荷的數(shù)據(jù)融合技術(shù)以及星座與地面系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

（1）遙感圖像數(shù)據(jù)融合技術(shù)

主流遙感衛(wèi)星搭載的成像系統(tǒng)有全色相機、彩色/多光譜相機、高光譜相機、熱紅外相機、夜光相機、立體相機、視頻相機、合成孔徑雷達(dá)、激光測距儀等。為滿足多樣化的用戶需求，低軌遙感星座采用多種成像平臺相結(jié)合的方式，并通過多源遙感圖像的數(shù)據(jù)融合來降低單一成像體制的限制，從而適應(yīng)對不同目標(biāo)特性的觀測。

受限于不同載荷的成像機理，遙感圖像的空間分辨率與光譜分辨率、主動成像與目視效果、三維結(jié)構(gòu)獲取與精細(xì)光譜信息相互限制，單一成像手段無法獲得具備多特性的圖像[28]。

當(dāng)前，全色、多光譜、高光譜圖像融合[29-30]，全色/多光譜與合成孔徑雷達(dá)圖像融合[31-32]，多光譜/高光譜與激光雷達(dá)圖像融合均已開展了相應(yīng)研究[33]，結(jié)果表明多源遙感圖像融合可獲得較單一來源遙感圖像更高的分類精度。

基于大型遙感星座的信息處理，在滿足工程實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，傳感器需在空間分辨率與時間分辨率間進(jìn)行折中，在遙感圖像數(shù)據(jù)融合的研究中應(yīng)加強對時空信息中的數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)不同空間分辨率與時間分辨率的遙感圖像融合。

（2）星座數(shù)據(jù)處理技術(shù)

星座的數(shù)據(jù)處理技術(shù)包含星上數(shù)據(jù)處理與地面數(shù)據(jù)處理，針對大型遙感星座，可采用地面處理與星上處理相結(jié)合、地面支持星上處理的方式。在地面處理上，基于成熟的地面系統(tǒng)平臺，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴增和插件式集成；在星上處理方面，應(yīng)重點聚焦目標(biāo)和區(qū)域狀態(tài)變化信息的檢測，并將變化切片等信息快速下傳，對未變化信息則按需下傳。在地面支持星上處理方面，通過將地面生成的通用態(tài)勢、目標(biāo)庫、控制點庫上注衛(wèi)星，支撐星上目標(biāo)變化檢測、關(guān)聯(lián)融合和高精度定位，提高星上處理的準(zhǔn)確度和可信度。

3 結(jié)束語

本文介紹了低軌大型遙感星座的發(fā)展現(xiàn)狀，并就涉及影響低軌大型遙感星座的幾項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。針對星座通信網(wǎng)絡(luò)，提出了在高速激光鏈路和低速微波鏈路“雙網(wǎng)”之上的控制與協(xié)同發(fā)展策略；針對自主協(xié)同的任務(wù)規(guī)劃，提出了在分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型下的面向高時效高可靠的動態(tài)任務(wù)多目標(biāo)優(yōu)化發(fā)展策略，在多約束的條件下的星上自主管控和地面運控系統(tǒng)參與控制相結(jié)合的發(fā)展方式，以及在“快速響應(yīng)”概念下的衛(wèi)星設(shè)計和快速部署的能力需求；針對星座部署與管控，提出了發(fā)展“堆疊+側(cè)掛”的星箭一體化設(shè)計模式，以及具備自主運行、指控運行和在軌維護(hù)3種使用模式的星座智能管控系統(tǒng)；針對信息處理，提出了時空信息相融合的圖像處理，地面數(shù)據(jù)與星上數(shù)據(jù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)處理方式。

[1] 王林. 國外微納衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀及對我國的啟示[J]. 上海信息化, 2020(9): 52-55.

WANG Lin. Development Status and Trend of Global Satellite Application Field[J]. Shanghai Informatization, 2020(9): 52-55. (in Chinese)

[2] 賀鵬梓. 國外新一代小衛(wèi)星星座的典范[J]. 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò), 2015(4): 30-32.

HE Pengzi. A Model of a New Generation of Small Satellite Constellations Abroad[J]. Satellites and Networks, 2015(4): 30-32. (in Chinese)

[3] 林仁紅, 高軍, 方超, 等. 國內(nèi)低軌遙感星座密集組網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢[J]. 中國航天, 2019(5): 38-40.

LIN Renhong, GAO Jun, FANG Chao, et al. Current Situation and Development Trend of Dense Networking of Leo Remote Sensing Constellations in China[J]. China Aerospace, 2019(5): 38-40. (in Chinese)

[4] 龔燃. 美國“卡佩拉”衛(wèi)星星座[J]. 衛(wèi)星應(yīng)用, 2021(2): 70.

GONG Ran. American “Capella” Satellite Constellation[J]. Satellite Applications, 2021(2): 70. (in Chinese)

[5] 張雪松. 俄烏沖突中的西方商業(yè)遙感衛(wèi)星公司[J]. 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò), 2022(5): 30

ZHANG Xuesong. Western Commercial Remote Sensing Satellite Company in the Conflict between Russia and Ukraine[J]. Satellites and Networks, 2022(5): 30. (in Chinese)

[6] 原民輝, 劉韜. 空間對地觀測系統(tǒng)與應(yīng)用最新發(fā)展[J]. 國際太空, 2018(4): 8-15.

YUAN Minghui, LIU Tao. The Latest Development of Space Earth Observation System and Application[J]. International Space, 2018(4): 8-15. (in Chinese)

[7] 《衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)》編輯部. 2022年5月全球航天發(fā)射活動統(tǒng)計表[J]. 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò), 2021(5): 1.

Editorial Department of Satellite and Network. Statistical Table of Global Space Launch Activities in May 2022[J] Satellites and Networks, 2021(5): 1. (in Chinese)

[8] 劉李輝, 王昊, 姚飛. 2021全球航天發(fā)射活動分析報告[J]. 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò), 2021(12): 19-40+18.

LIU Lihui, WANG Hao, YAO Fei. Analysis Report on Global Space Launch Activities in 2021[J]. Satellites and Networks, 2021(12): 19-40+18. (in Chinese)

[9] 李健全, 王倩瑩, 張思晛, 等. 國外對地觀測微納衛(wèi)星發(fā)展趨勢分析[J]. 航天器工程, 2020, 29(4): 126-132.

LI Jianquan, WANG Qianying, ZHANG Sixian, et al. Analysis on Development Trends of Foreign Country's Micro-nano Satellites in Earth Observation[J]. Spacecraft Engineering, 2020, 29(4): 126-132. (in Chinese)

[10] 許宇棟, 周敬博, 尹嘉昭, 等. 對地觀測衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃策略及應(yīng)用研究綜述[J].無線電工程, 2021, 51(8): 681-690.

XU Yudong, ZHOU Jingbo, YIN Jiazhao, et al. Review of Mission Planning Strategies and Applications of Earth Observation Satellites[J]. Radio Engineering, 2021, 51(8): 681-690. (in Chinese)

[11] 張晟宇. 敏捷衛(wèi)星多目標(biāo)在軌協(xié)同觀測技術(shù)研究[D]. 北京: 中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院), 2021. DOI:10.44194/d.cnki.gwxwx.2021.000001.

ZHANG Shengyu. Research on Multi-target On-Board Cooperative Observation Technology for Agile Satellite[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences (Institute of micro satellite innovation, Chinese Academy of Sciences), 2021. DOI:10.44194/d.cnki.gwxwx.2021.000001. (in Chinese)

[12] 伍國威, 崔本杰, 沈慶豐. 在軌實時引導(dǎo)多星成像任務(wù)規(guī)劃方法研究[J]. 航天器工程, 2019, 28(5): 1-6.

WU Guowei, CUI Benjie, SHEN Qingfeng. Research on Real-time Guided Multi-satellite Imaging Mission Planning Method[J]. Spacecraft Engineering, 2019, 28(5): 1-6. (in Chinese)

[13] 陳丹, 程偉, 高延超, 等. 面向多航天器協(xié)同的自主任務(wù)規(guī)劃方法研究[J]. 計算機測量與控制, 2019, 27(5): 221-225. DOI: 10.16526/ j.cnki.11-4762/tp.2019.05.049.

CHEN Dan, CHENG Wei, GAO Yanchao, et al. Research on Self-organization Mission Planning for Multi-spacecraft Coordination[J]. Computer Measurement & Control, 2019, 27(5): 221-225. DOI: 10.16526/ j.cnki.11-4762/tp.2019.05.049. (in Chinese)

[14] 于龍江, 吳限德, 毛一嵐, 等. 分布式遙感衛(wèi)星任務(wù)分配的合同網(wǎng)絡(luò)算法[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2020, 41(7): 1059-1065.

YU Longjiang, WU Xiande, MAO Yilan, et al. Task Allocation for Distributed Remote Sensing Satellites Based on Contract Network Algorithm[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2020, 41(7): 1059-1065. (in Chinese)

[15] CHIEN S, SHERWOOD R, BURL M, et al. A Demonstration of Robust Planning and Scheduling in the Techsat-21 Autonomous Sciencecraft Constellation[C]//6th European Conference on Planning, 2013: 276-283.

[16] DU B, LI S. A New Multi-satellite Autonomous Mission Allocation and Planning Method[J]. Acta Astronautica, 2019, 163(25): 287-298.

[17] 李菲菲, 胡敏, 武暾, 等. “黑杰克”項目動向及應(yīng)用前景分析[J]. 中國航天, 2020(9): 57-61.

LI Feifei, HU Min, WU Tun, et al. Analysis on the Trend and Application Prospect of “Black Jack” Project[J]. China Aerospace, 2020(9): 57-61. (in Chinese)

[18] 潘清, 廖育榮. 快速響應(yīng)空間概念與研究進(jìn)展[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2010: 20-40.

PAN Qing, LIAO Yurong. Concept and Research Progress of Rapid Response Space[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2010: 20-40. (in Chinese)

[19] 劉芃, 韓飛, 曾惠忠, 等. 一箭多星發(fā)射微小衛(wèi)星構(gòu)型設(shè)計[J]. 航天器工程, 2020, 29(5): 57-64.

LIU Peng, HAN Fei, ZENG Huizhong, et al. Microsatellite Configuration Design for Multi-satellite Launching[J]. Spacecraft Engineering, 2020, 29(5): 57-64. (in Chinese)

[20] 陳牧野, 牟宇, 周寧, 等. “星鏈”堆疊式衛(wèi)星連接與分離技術(shù)及應(yīng)用[J]. 國際太空, 2022(4): 24-28.

CHEN Muye, MOU Yu, ZHOU Ning, et al. Technology and Application of Starlink Stacked Satellite Connection and Separation[J]. International Space, 2022(4): 24-28. (in Chinese)

[21] 阮永井, 胡敏, 云朝明. 低軌巨型星座構(gòu)型設(shè)計與控制研究進(jìn)展與展望[J]. 中國空間科學(xué)技術(shù), 2022, 42(1): 1-15.

RUAN Yongjing, HU Min, YUN Chaoming. Advances and Prospects of the Configuration Design and Control Research of the LEO Mega-constellations[J] China Space Science and Ttechnology, 2022,42(1): 1-15. (in Chinese)

[22] 吳云華, 劉睿鵬, 華冰, 等. 全球限時重訪星座構(gòu)型設(shè)計[J]. 計算機仿真, 2020, 37(2): 87-91+101.

WU Yunhua, LIU Ruipeng, HUA Bing, et al. Global Limited Time Revisit Constellation Design[J]. Computer Simulation, 2020, 37(2): 87-91+101. (in Chinese)

[23] 李恒年, 李濟生, 焦文海. 全球星攝動運動及攝動補償運控策略研究[J]. 宇航學(xué)報, 2010(7): 1756-1761.

LI Hengnian, LI Jisheng, JIAO Wenhai. Analyzing Perturbation Motion and Studying Configuration Maintenance Strategy for Compass-M Navigation Constellation[J]. Journal of Astronautics, 2010(7): 1756-1761. (in Chinese)

[24] 陳長春, 林瀅, 沈鳴. 等. 一種考慮攝動影響的星座構(gòu)型穩(wěn)定性設(shè)計方法[J]. 上海航天, 2020, 37(1): 33-37.

CHEN Changchun, LIN Ying, SHENG Ming. et al. A Novel Design Method for the Constellation Configuration Stability Considering the Perturbation Influence[J]. Aerospace Shanghai, 2020, 37(1): 33-37. (in Chinese)

[25] JAKOB P, SHIMIZU S, SHOJI Y, et al. Optimal Satellite Constellation Spare Strategy Using Multi-echelon Inventory Control[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2019, 56(5): 1449-1461.

[26] KIM R. Stochastic Inventory Control Modeling for Satellite Constellations[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2020, 57(3): 1-9.

[27] 李樹濤, 李聰妤, 康旭東. 多源遙感圖像融合發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J]. 遙感學(xué)報, 2021, 25(1): 148-166.

LI Shutao, LI Congyu, KANG Xudong. Development Status and Future Prospects of Multi-source Remote Sensing Image Fusion[J]. National Remote Sensing Bulletin, 25(1): 148-166. (in Chinese)

[28] LICCIARDI G A, KHAN M M, CHANUSSOT J. Fusion of Hyperspectral and Panchromatic Images: a Hybrid Use of Indusion and Nonlinear PCA[C]//Proceedings of the 2012 19th IEEE International Conference on Image Processing. Orlando, USA: IEEE, 2012: 2133-2136. DOI:10.1109/ICIP.2012.6467314.

[29] TIWARI P S, PANDE H, AYE M N. Exploiting IKONOS and Hyperion Data Fusion for Automated Road Extraction[J]. Geocarto International, 2010, 25(2): 123-131. DOI:10.1080/10106040903180485.

[30] SEO D K, EO Y D. A learning-based Image Fusion for High-resolution SAR and Panchromatic Imagery[J].Applied Sciences, 2020, 10(9): 3298. DOI:10.3390/app10093298.

[31] CHANDRAKANTH R, SAIBABA J, VARADAN G, et al. Feasibility of High Resolution SAR and Multispectral Data Fusion[C]//Proceedings of 2011 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Vancouver, Canada: IEEE, 2011: 356-359. DOI:10.1109/IGARSS.2011.6048972.

[32] CHEN B, HUANG B, XU B. Multi-source Remotely Sensed Data Fusion for Improving Land Cover Classification[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2017, 124: 27-39. DOI:10.1016/ j.isprsjprs.2016.12.008.

[33] ZHONG Y F, CAO Q, ZHAO J, et al. Optimal Decision Fusion for Urban Land-use/land-cover Classification Based on Adaptive Differential Evolution Using Hyperspectral and LiDAR Data[J]. Remote Sensing, 2017, 9(8): 868. DOI: 10.3390/rs9080868.

Research on the Development Status and Key Technologies of Large LEO Remote Sensing Constellations

KE Zhifei HUANG Shisheng LI Yuliang QIAO Kai TENG Fei RUAN Hang WANG XiaotingWEI Chuqi MA Xingliang

（Beijing Tracking and Communication technology Institute, Beijing 100094, China）

In recent years, the large LEO remote sensing constellation project has developed rapidly. With high frequency, low cost and high flexibility, the large LEO remote sensing constellation system has become a technology that countries are competing to develop. Firstly, the development status of LEO large remote sensing constellations such as Flock, Capella, Blacksky Global, Lemur-2, Newsat and the basic overview of China's large remote sensing constellations are summarized. On this basis, from the five aspects of communication network, remote sensing monitoring, constellation deployment in management and control, and information processing involved in the remote sensing constellation, the technologies involved in the LEO large-scale remote sensing constellation, such as multi payload task coordination, on-board autonomous task planning, rapid response scheduling, satellite rocket integration design, satellite constellation configuration design, constellation intelligent management and control, remote sensing image data fusion, constellation data processing, are summarized and studied, and its research direction is described.

LEO constellation; remote sensing satellite; intersatellite communication; satellite scheduling; constellation deployment; information processing on satellite

P151

A

1009-8518(2023)01-0093-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.01.010

2022-08-24

高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項（GFZX040412）

柯知非, 黃石生, 李玉良, 等. 低軌大型遙感星座發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(1): 93-101.

KE Zhifei, HUANG Shisheng, LI Yuliang, et al. Research on the Development Status and Key Technologies of Large LEO Remote Sensing Constellations[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(1): 93-101. (in Chinese)

柯知非，男，1994年生，2018年獲陸軍工程大學(xué)兵器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)碩士學(xué)位，助理研究員。主要研究方向是圖像處理技術(shù)、衛(wèi)星遙感與應(yīng)用。E-mail：kezhifei@outlook.com。

（編輯：夏淑密）