高分辨率對地觀測小衛(wèi)星和摩爾定律

林來興（北京控制工程研究所）

現(xiàn)代小衛(wèi)星從興起到現(xiàn)在已經有20多年歷史，在這段時間技術方面得到飛速發(fā)展，應用方面不斷向全方位擴展，特別是對地觀測小衛(wèi)星有了突破性的成就，其中光學成像系統(tǒng)的全色分辨率在20年間提升了3個數(shù)量級，星上數(shù)據(jù)傳輸率和存儲器容量提升了5～6個數(shù)量級，其衛(wèi)星質量大都在50～200kg，屬于微小衛(wèi)星范疇。目前，小衛(wèi)星成像系統(tǒng)可以滿足對地球環(huán)境人為（戰(zhàn)爭）和非人為（自然）各種災害觀測監(jiān)視的要求，而且經濟成本較低。高分辨率對地觀測小衛(wèi)星的發(fā)展和摩爾定律有一定的聯(lián)系，對此進行系統(tǒng)和詳細的分析，可為今后人們開發(fā)研制小衛(wèi)星提供一個有益的啟迪。

1 小衛(wèi)星的特點

小衛(wèi)星創(chuàng)造性應用最新技術，特別是廣泛采用新的設計思想和計算機、信息技術，發(fā)展迅速，應用領域不斷擴大，我們把這個時期發(fā)展起來的小衛(wèi)星稱為現(xiàn)代小衛(wèi)星。概括起來現(xiàn)代小衛(wèi)星具有五大特征：①質量輕；②成本低；③研制周期短；④實效性好；⑤易于實現(xiàn)分布式的應用。以法國斯波特－5（Sp ot－5）和北京－1小衛(wèi)星的比較為例，斯波特－5的質量3030kg，功率大于1500W，全色地面分辨率為5m，多光譜成像分辨率20m，成本超過6.8億美元；北京－1小衛(wèi)星質量150kg，功率110W，全色地面分辨率為4m，多光譜成像分辨率32m，成本1500萬美元。

小衛(wèi)星在應用方面最大的特點是可發(fā)揮分布式空間系統(tǒng)的長處，主要包括星群、星座、編隊飛行等。在充分發(fā)揮小衛(wèi)星優(yōu)勢的同時，也可克服自身缺點。分布式空間系統(tǒng)集中體現(xiàn)在對地觀測方面，特別是高分辨率光學成像系統(tǒng)。

2 高分辨率小衛(wèi)星及應用

地球環(huán)境經常受到人為和非人為的災害，為了預防和減輕災害對人類的影響，必須對地球環(huán)境進行觀測和監(jiān)視。過去所采用的空間遙感，出現(xiàn)空間分辨率可以很高（優(yōu)于1m），但是時間分辨率很低（十幾天），經濟成本巨大（十幾億美元）。空間分辨率很低（上百米）的傳統(tǒng)小衛(wèi)星，不能滿足對地觀測要求。近十幾年來發(fā)展起來的高分辨率小衛(wèi)星以及應用上實現(xiàn)分布式空間系統(tǒng)，可以完全滿足對地觀測要求，而且經濟成本很低。

一般對地觀測要求有空間分辨率和時間分辨率，前者是在高對比度情況下鑒別微細的能力，后者是在同一區(qū)域進行相鄰兩次遙感觀測的最小時間間隔。

現(xiàn)代小衛(wèi)星高分辨率成像系統(tǒng)可分為三檔：極高分辨率（0.5～1m）、高分辨率（1.8～2.5m）、中高分辨率（4～10m）。

空間災害監(jiān)視對時空分辨率的要求

以色列地平線－9衛(wèi)星

極高分辨率小衛(wèi)星情況簡表

高分辨率小衛(wèi)星情況簡表

中高分辨率小衛(wèi)星情況簡表

現(xiàn)代小衛(wèi)星可以滿足觀測地球環(huán)境對空間分辨率的所有要求，而且每顆小衛(wèi)星經濟成本較低。例如，極高分辨率小衛(wèi)星每顆經濟成本約幾千萬美元，高分辨率小衛(wèi)星每顆經濟成本約幾百萬到千萬美元，中高分辨率小衛(wèi)星每顆經濟成本約幾百萬美元。

3 用星座實現(xiàn)高時間分辨率

對地觀測的高時間分辨率要求只能通過多顆小衛(wèi)星組成星座來實現(xiàn)。要設計一個經濟成本最低、技術性能最好的“最佳星座”，這是一個專門的研究課題。在此僅討論采用星座實現(xiàn)高時間分辨率一些典型實例，以了解主要概念和所需費用。星座設計按覆蓋面積大小分為全球、區(qū)域和條帶。

實例1：采用高分辨率24 U立方體納型衛(wèi)星，即衛(wèi)星結構由24個立方體組成，每立方體為10c m×10c m×10c m。要滿足對地觀測地震動態(tài)，覆蓋全球，時間分辨率要求為30min, 空間分辨率為2m。若設計軌道高度為450km，傾角55°，衛(wèi)星繞飛行方可左右擺動±45°。星座要求衛(wèi)星數(shù)量約為65顆，若要求時間分辨率為20min，則衛(wèi)星數(shù)量為80顆，這僅是概念性初步設計。若每顆衛(wèi)星經濟成本約為800萬美元（批量生產價格），則整個星座約為5億美元。如果采用傳統(tǒng)高分辨率衛(wèi)星，每顆至少幾億美元，則整個星座費用將要幾百億美元，這將是個巨大負擔。

這個高時間與高空間分辨率的小衛(wèi)星星座，雖然投資不少，但是它可以滿足對地觀測幾乎所有要求，只要增加一些觀測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，就可以獲得各種災害所需要觀測的數(shù)據(jù)。

實例2：采用小衛(wèi)星組成星座實現(xiàn)區(qū)域覆蓋。目前，小衛(wèi)星都能滿足空間分辨率的要求，時間分辨率主要依靠星座來實現(xiàn)，一般衛(wèi)星數(shù)量多，時間分辨率高（重訪時間短），設計一個星座既能滿足時間分辨率要求，又能使用衛(wèi)星數(shù)量是最小的，也就是成本最低。這也是一個研究課題。實際上可能不會有唯一答案（最佳值），只有相對比較好的答案，例如：意大利“宇宙-地中海” （COSMO-SkyMed）小衛(wèi)星星座由4顆微波雷達衛(wèi)星組成，覆蓋地中海地區(qū)。軌道高度619km， 傾角97.8°。空間分辨率1m，重訪時間每天一次，也可以變換雷達星工作摸式，每天兩次。4顆雷達衛(wèi)星己經在2007－2010年全部發(fā)射成功。由于星座設計和研制技術較早，衛(wèi)星質量約1000kg。若采用以色列或印度的小型雷達衛(wèi)星，質量僅為250kg。英國薩瑞衛(wèi)星技術有限公司（SSTL）和阿斯特留姆（Astrium）公司研制小型合成孔徑雷達衛(wèi)星星座，每顆衛(wèi)星質量400～500kg，軌道高度630km。全色分辨率1m，多譜分辨率4m，沿飛行方向相機可以左右擺動±45°，從而增加覆蓋寬度。根據(jù)覆蓋區(qū)域大小，重訪時間每天1～3次，整個星座投資約1億多美元。計劃2014年發(fā)射。

實例3：采用一天回歸軌道。①若第1與第2顆衛(wèi)星相隔1/2或1/4天，則時間分辨率為12h（2顆星）或6h（4顆星），衛(wèi)星數(shù)量增加，時間分辨率提高。②若第1、2、3顆衛(wèi)星沿航向串聯(lián)飛行 ，每相隔兩星升交點相差補償?shù)厍蜃赞D效應，各顆衛(wèi)星其他軌道參數(shù)相同。相隔時間按實現(xiàn)條帶連續(xù)覆蓋要求設置。一般條帶寬度約為100～200km，長度約為500～600km，或者更長，條帶長度與衛(wèi)星個數(shù)成正比，若第一顆衛(wèi)星為一天回歸軌道，則這個條帶重訪時間為1天。這星座特別適用在災害地區(qū)，空間分辨率通過選擇不同小衛(wèi)星來達到。采用這種多顆小衛(wèi)星沿航向串聯(lián)飛行，時間分辨率在1小時到幾十小時之間，可以實現(xiàn)對各種污染（海洋、湖泊、化學）災害與火山噴發(fā)等觀測。

24U立方體納型衛(wèi)星外型

北京－1小型遙感衛(wèi)星

4 對地觀測小衛(wèi)星按摩爾定律在發(fā)展

摩爾定律是指集成電路芯片上可容納晶體管數(shù)量，每隔18～24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。這一法則是由戈登·摩爾（Gord on Moor）經過長期觀察發(fā)現(xiàn)的。在實踐中人們還發(fā)現(xiàn)摩爾定律不僅適用存儲器芯片的描述，同時對星上處理器能力和硬盤驅動器（HDD）存儲量也適合。1980－2010年，存儲容量增加近8個數(shù)量級。幾乎所有數(shù)字設備的性能、容量都與摩爾定律都有密切關系，例如處理器速度、容量等等。

在了解摩爾定律概念的基礎上，討論小衛(wèi)星對地觀測發(fā)展。以英國薩瑞衛(wèi)星技術有限公司研制的小衛(wèi)星為例，其微小衛(wèi)星光學成像分辨率隨年代提高。

此外，微小衛(wèi)星本身技術水平也在提升。1990－2006年該公司研制的微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)從指向精度很低的重力梯度穩(wěn)定提升到高精度三軸姿態(tài)控制。光學成像全色分辨率仍然按“摩爾定律”在發(fā)展。早期小衛(wèi)星姿態(tài)控制為重力梯度穩(wěn)定，而且光學成像覆蓋寬度比較狹，基本沒有軌道確定和軌道機動能力；后期小衛(wèi)星為高精度三軸姿態(tài)控制系統(tǒng)。這種姿態(tài)控制系統(tǒng)水平提升也是滿足光學成像高分辨率的要求，一般成像分辨率在1～2m，姿態(tài)控制指向精度要求在0.01°～0.001°。同時有GPS確定軌道，也有一定軌道機動能力。光學成像覆蓋寬度也增加很多。

除了上述英國薩瑞衛(wèi)星技術有限公司所研制的小衛(wèi)星按摩爾定律發(fā)展以外，世界上還有不少單位也在按摩爾定律推動小衛(wèi)星發(fā)展。例如以色列所研制的地平線對地觀測小衛(wèi)星從1988年成功發(fā)射偵察實驗衛(wèi)星地平線－1到2009年的地平線－9，總共發(fā)射了9顆小衛(wèi)星，其中成功發(fā)射7顆。除地平線－8（2007年發(fā)射）為合成孔徑雷達衛(wèi)星外，其余6顆光學成像衛(wèi)星，也就是說從1990年地平線－2到2009年地平線－9光學成像偵察衛(wèi)星分辨率從4m提高到0.5m，衛(wèi)星質量基本在200～300kg。這與薩利大學小衛(wèi)星光學成像分辨率基本類似。這說明以色列光學成像小衛(wèi)星分辨率提高也是按摩爾定律在飛快發(fā)展。

微小衛(wèi)星光學成像全色分辨率和姿態(tài)控制水平隨年代提升

微小衛(wèi)星有效載荷數(shù)傳率和星上存儲器容量隨年代變化

以色列“地平線”星座運行示意圖

5 最低的成本和最高的分辨率

摩爾定律極大地推動小衛(wèi)星對地觀測技術的飛快發(fā)展，最終結果將出現(xiàn)：以最低成本獲得最高成像分辨率。比較美國1999年發(fā)射的陸地衛(wèi)星－7（Land sat－7）和德國2008年發(fā)射“快眼” 星座可以看出，小衛(wèi)星質量輕3倍，全色分辨率高3倍和多譜分辨率高5倍，重訪時間快十幾倍。經濟成本省2～3倍。由此可見，低成本可以獲得高分辨率，更主要是能更快更多獲得信息量。

綜上所述，小衛(wèi)星對地觀測能夠以低成本獲得高成像分辨率有3個重要原因。

1）摩爾定律給人們一個堅強信念。這信念在計算機、信息技術等獲得準確驗證，同時也給現(xiàn)代小衛(wèi)星開創(chuàng)者一個同樣的，而且更加堅強的信心，由此所產生創(chuàng)新小衛(wèi)星設計思想與應用新理念去研制小衛(wèi)星。

德國“快眼”星座運行示意圖

陸地衛(wèi)星－7和 “快眼”星座基本參數(shù)比較

2）物質條件。小衛(wèi)星大量采用廉價的商用計算機、信息技術和電子設備的產品，通過細心選擇、創(chuàng)新設計，從而達到需要的可靠性。

3）空間飛行實驗與演示。由于小衛(wèi)星成本低，研制周期短，非常容易獲得空間技術飛行實驗機會，使新技術在小衛(wèi)星迅速被推廣應用，導致小衛(wèi)星技術獲得突飛猛進地發(fā)展。

6 展望與結論

根據(jù)有關專家分析研究，預計摩爾定律在計算機和信息技術推動作用至少還有10年時間，那么摩爾定律對小衛(wèi)星技術發(fā)展推動作用至少也有10～15年時間。在這以后不用擔心也將有類似新的摩爾定律出現(xiàn)，繼續(xù)推動小衛(wèi)星飛快發(fā)展。

未來面臨的最大的問題：大面積對地覆蓋，高成像分辨率，快速獲取成像觀測數(shù)據(jù)，將需要非常龐大的數(shù)據(jù)吞吐量，這個問題不解決，觀測數(shù)據(jù)成果就無法真正獲得。薩瑞衛(wèi)星技術有限公司計劃在不久的將來推出：星上存儲器容量大于100GB，下傳數(shù)據(jù)率大于300Mbit/s。作者預計,若以“快眼”小衛(wèi)星星座為基礎,預計在2015年左右對地觀測光學成像分辨率由以前的5m（2007年）提升到1m左右，衛(wèi)星質量約為250kg，由10顆小衛(wèi)星組成星座對地觀測。軌道為500km太陽同步軌道。預計星座系統(tǒng)對地球任何一個地區(qū)重訪時間為每天1次。整個星座成本大約在2億美元左右，由此可以算出，每平方千米覆蓋面積的經濟成本僅40美分。