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【国际太空】面向空间云时代的微纳遥感卫星技术发展(节选)

时间:2018年03月21日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:

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近年来,国际上微纳卫星技术发展迅速,多家企业和研究机构推出了各种高性能微纳卫星计划,特别是在商业遥感领域如天空盒子成像公司(Skybox Imaging)的“天空卫星”(SkySat)系列微卫星、行星实验室公司(Planet Lab)的鸽群-1(Flock-1)系列纳卫星、卫星逻辑公司(Satellogic)的“新卫星”(Newsat)系列微纳卫星等。这些项目都计划通过星座化的运行,实现较高的时间分辨率和空间分辨率的遥感信息获取,使得微纳卫星进一步走向实用化。


 微纳遥感卫星发展现状与趋势

微纳卫星迅速发展的重点


微纳卫星近年来的蓬勃发展同时得益于需求的不断牵引和技术的快速进步。前者来源于目前用户在经历了传统遥感应用的体验后,随着互联网和大数据思维的影响,越来越对数据的时效性、覆盖性和应用灵活性提出了更多样化的需求。后者则得益于微机电和信息技术的阶跃式发展,使得微纳卫星能够实现较高的功能密度,走向遥感应用。但同时还是需要认识到,受限于资源、低成本可靠性风险和批量工程化难度,微纳卫星的发展仍要面临一些问题:

 

1)低成本与高性能。微纳卫星要实现快速发展,面临的主要矛盾是既要求实现低成本,同时还要实现高性能,低成本是前提和基础,高性能是发展要求,两者兼顾才能得到高性价比。


2)微纳卫星完成定量化遥感任务。传统卫星的解决思路对资源和管理运行的要求显然不适用于微纳卫星,因此微纳卫星需要通过新的技术解决定量化问题。

 

3)资源受限条件下的平台载荷一体化设计。改变传统卫星设计思想,通过系统设计分析,综合利用载荷资源和平台资源,实现平台载荷一体化设计。



微纳卫星技术未来发展趋势


近年来,微纳卫星由于具有低成本、短周期、发射灵活等突出特点,国内外众多工业部门和大学研究机构纷纷参与,促使微纳卫星技术迅速发展。微纳卫星的技术发展趋势可以从三个层次进行分析:

 

1)系统层面。低成本化是微纳卫星技术发展的重要方向。

 

2)分系统或单机层面。采用集成功能单元化设计方法。实现星上射频设备通用化、软件化。采用机电热集成化设计,设备无缆化。

 

3)应用层面。结合任务特点,针对卫星星座和星簇,采用星座化部署,网络化应用;针对多星在轨任务,采用智能化、协同化;应用智能卫星自主管理技术,实现运控自主化;通过卫星软件化、智能化特点,实现应用直达便捷化。


微纳遥感卫星技术发展途径分析

以低成本为核心的微纳遥感卫星设计哲学


高性能微纳遥感卫星系统设计的核心问题是在低成本和资源严重受限条件下,为达到较高的遥感定量化应用要求,如何提高微纳功能性能密度比。其设计哲学的核心是一体化系统设计,主要通过平台载荷一体化实现,包括基础级、功能级和任务级。在设计微纳卫星时,充分采用面向用户任务特点的设计方法,充分理解用户应用场景,从卫星操控和数据获取的便利性方面入手,使得卫星好用、易用。

 

(1)基于商业现货的谨慎设计

微纳卫星由于集成度很高,需要大量采用COTS器件或组件,如何用好商业货架产品是一个需要重点关注的技术。对COTS器件形成一套适用于微纳卫星的器件筛选方法,在轨验证后形成COTS器件库;对于COTS组件需要逐步摸索,形成适用于星载应用的COTS组件群,同时不断更新完善。


由于微纳卫星大量采用COTS器件或组件,需要在系统设计上进行加强设计,对COTS器件可能存在的单粒子翻转或锁定进行系统层面的防护,采取单粒子翻转及计算机复位后重要数据恢复、单粒子锁定后自主加电等必要的技术手段,将出现的故障降低在单机或组件层面,短期自主恢复,不影响系统任务。

 

(2)标准化产品体系与研制流程规范

在设计中要强化整星一体化设计,具体包括系统级一体化设计和单机功能的一体化设计,实现型号扁平化设计,减少单机产品数量。如采用综合电子一体化设计,提高卫星功能密度。综合电子将星载计算机、测控、GPS、电源管理、姿轨控计算与管理等功能模块集成统一管理。弱化分系统概念,采用以公共母板为供电信息交换中心的多模块组合方案,统一采用CAN总线,实现整星电子学高度集成、板卡化。

 

采用构型一体化设计,提高单机紧凑度。从整星全局出发,将部分仪器设备的外壳作为结构的一部分,减少主承力结构设计的复杂性。构型一体化设计将进一步减轻卫星结构尺寸和整星质量。实现一体化很重要的一点是要建立标准化的技术体制,实现接口的标准化,具备一体化整合、功能改进的空间。

 

卫星在设计和生产中都要考虑成本的控制以及对用户基于成本的应用需求的满足。这需要从研制流程、设计制造、产品保证和组织管理等多个维度来综合考虑,重点关注少量与批量化研制流程优化、标准化设计、先进仿真设计手段、COTS产品的应用与可靠性保障、低成本卫星AIT与试验、管理模式等众多要素和环节。


 

高性能成像系统的创新开发


(1)探测器的革新换代,促进遥感器的轻小型化和高灵活度

采用高性能探测器,并有针对性设计光学系统与探测器相匹配,高度集成化,电路更轻更小、功耗更低,同时也会降低光学系统的体积规模。TDICCD推扫成像光学遥感器,可以时间延迟积分,可以一定程度上提高信噪比,采用大F数的光学系统,实现高空间分辨率,但需要高稳定的姿态控制;面阵CMOS凝视成像的光学遥器,可以灵活地调整积分时间,高帧频视频成像模式,采用数字TDI技术,降低对卫星姿态稳定要求;面阵sCMOS等低噪声高帧频高动态范围探测器的进一步采用,将大幅度降低遥感器的体积规模,提升成像质量,催生各种新的成像模式,促进从静态图像到动态视频的数据获取升级。

 

(2)在轨软技术的提升,促进微纳卫星好用易用

实现在轨高精度高频次定标方法的广泛应用,保证成像质量,促进遥感定量化应用。包括各种相对和绝对辐射定标以及几何定标方法的广泛采用,充分发挥卫星自身的能力和优势,尽量不用或者少用地面定标场和真实性检验场,可以在整个在轨业务化运行期间,以较小的代价持续保证精度和质量,大幅度提升微纳卫星的辐射、几何精度和成像质量,弥补其性能的不足。

 

在轨成像参数精细化设置,以充分用好卫星潜能,保证获得高质量的数据源。在精确在轨标定的基础上,根据地面景物特性、光照条件、大气条件、成像模式等,结合遥感器的成像特性和微纳卫星的敏捷能力,进行在轨精细化的参数设置(包括积分时间、TDI级数、增益等)和任务规划,有效发挥卫星系统的最大效益,在绝大多数条件下都能获得高质量的图像数据源。

 

(3)新材料与新型结构设计

促进遥感器高稳定性能和轻小型化轻小型光学遥感器采用高强度、低密度、低膨胀系数的材料作为反射镜及光机结构材料,如超薄碳化硅、轻质合金、碳纤维增强复合材料等。微纳卫星遥感器在采用新型轻质材料实现轻小型化的同时,全复合材料结构设计还能够消除反射镜、光机结构等各部件因材料性能差异引起的不匹配性,实现系统的高稳定性能。在采用整机模块化设计的微纳卫星结构中,卫星平台通过柔性连接结构对遥感器实现准静定支撑。

 

柔性连接结构形式多样,布局灵活,其柔性环节通过自身变形吸收平台与遥感器之间温度应力及装配应力,其自身阻尼环节可有效隔离平台振动,减小卫星平台对遥感器成像质量影响。而且柔性连接结构质量轻,可有效减轻遥感器与平台的连接环节质量。光学系统采用创新型高紧凑型设计思想,通过共体设计和高确定度超高精度先进加工技术,可同时实现光学系统超高微型化和高性能密度。 

(全文见《国际太空》 2018年第3期)

(作者:佚名)
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