高分辨率对地观测小卫星和摩尔定律

林来兴（北京控制工程研究所）

现代小卫星从兴起到现在已经有20多年历史，在这段时间技术方面得到飞速发展，应用方面不断向全方位扩展，特别是对地观测小卫星有了突破性的成就，其中光学成像系统的全色分辨率在20年间提升了3个数量级，星上数据传输率和存储器容量提升了5～6个数量级，其卫星质量大都在50～200kg，属于微小卫星范畴。目前，小卫星成像系统可以满足对地球环境人为（战争）和非人为（自然）各种灾害观测监视的要求，而且经济成本较低。高分辨率对地观测小卫星的发展和摩尔定律有一定的联系，对此进行系统和详细的分析，可为今后人们开发研制小卫星提供一个有益的启迪。

1 小卫星的特点

小卫星创造性应用最新技术，特别是广泛采用新的设计思想和计算机、信息技术，发展迅速，应用领域不断扩大，我们把这个时期发展起来的小卫星称为现代小卫星。概括起来现代小卫星具有五大特征：①质量轻；②成本低；③研制周期短；④实效性好；⑤易于实现分布式的应用。以法国斯波特－5（Sp ot－5）和北京－1小卫星的比较为例，斯波特－5的质量3030kg，功率大于1500W，全色地面分辨率为5m，多光谱成像分辨率20m，成本超过6.8亿美元；北京－1小卫星质量150kg，功率110W，全色地面分辨率为4m，多光谱成像分辨率32m，成本1500万美元。

小卫星在应用方面最大的特点是可发挥分布式空间系统的长处，主要包括星群、星座、编队飞行等。在充分发挥小卫星优势的同时，也可克服自身缺点。分布式空间系统集中体现在对地观测方面，特别是高分辨率光学成像系统。

2 高分辨率小卫星及应用

地球环境经常受到人为和非人为的灾害，为了预防和减轻灾害对人类的影响，必须对地球环境进行观测和监视。过去所采用的空间遥感，出现空间分辨率可以很高（优于1m），但是时间分辨率很低（十几天），经济成本巨大（十几亿美元）。空间分辨率很低（上百米）的传统小卫星，不能满足对地观测要求。近十几年来发展起来的高分辨率小卫星以及应用上实现分布式空间系统，可以完全满足对地观测要求，而且经济成本很低。

一般对地观测要求有空间分辨率和时间分辨率，前者是在高对比度情况下鉴别微细的能力，后者是在同一区域进行相邻两次遥感观测的最小时间间隔。

现代小卫星高分辨率成像系统可分为三档：极高分辨率（0.5～1m）、高分辨率（1.8～2.5m）、中高分辨率（4～10m）。

空间灾害监视对时空分辨率的要求

以色列地平线－9卫星

极高分辨率小卫星情况简表

高分辨率小卫星情况简表

中高分辨率小卫星情况简表

现代小卫星可以满足观测地球环境对空间分辨率的所有要求，而且每颗小卫星经济成本较低。例如，极高分辨率小卫星每颗经济成本约几千万美元，高分辨率小卫星每颗经济成本约几百万到千万美元，中高分辨率小卫星每颗经济成本约几百万美元。

3 用星座实现高时间分辨率

对地观测的高时间分辨率要求只能通过多颗小卫星组成星座来实现。要设计一个经济成本最低、技术性能最好的“最佳星座”，这是一个专门的研究课题。在此仅讨论采用星座实现高时间分辨率一些典型实例，以了解主要概念和所需费用。星座设计按覆盖面积大小分为全球、区域和条带。

实例1：采用高分辨率24 U立方体纳型卫星，即卫星结构由24个立方体组成，每立方体为10c m×10c m×10c m。要满足对地观测地震动态，覆盖全球，时间分辨率要求为30min, 空间分辨率为2m。若设计轨道高度为450km，倾角55°，卫星绕飞行方可左右摆动±45°。星座要求卫星数量约为65颗，若要求时间分辨率为20min，则卫星数量为80颗，这仅是概念性初步设计。若每颗卫星经济成本约为800万美元（批量生产价格），则整个星座约为5亿美元。如果采用传统高分辨率卫星，每颗至少几亿美元，则整个星座费用将要几百亿美元，这将是个巨大负担。

这个高时间与高空间分辨率的小卫星星座，虽然投资不少，但是它可以满足对地观测几乎所有要求，只要增加一些观测数据处理系统，就可以获得各种灾害所需要观测的数据。

实例2：采用小卫星组成星座实现区域覆盖。目前，小卫星都能满足空间分辨率的要求，时间分辨率主要依靠星座来实现，一般卫星数量多，时间分辨率高（重访时间短），设计一个星座既能满足时间分辨率要求，又能使用卫星数量是最小的，也就是成本最低。这也是一个研究课题。实际上可能不会有唯一答案（最佳值），只有相对比较好的答案，例如：意大利“宇宙-地中海” （COSMO-SkyMed）小卫星星座由4颗微波雷达卫星组成，覆盖地中海地区。轨道高度619km， 倾角97.8°。空间分辨率1m，重访时间每天一次，也可以变换雷达星工作摸式，每天两次。4颗雷达卫星己经在2007－2010年全部发射成功。由于星座设计和研制技术较早，卫星质量约1000kg。若采用以色列或印度的小型雷达卫星，质量仅为250kg。英国萨瑞卫星技术有限公司（SSTL）和阿斯特留姆（Astrium）公司研制小型合成孔径雷达卫星星座，每颗卫星质量400～500kg，轨道高度630km。全色分辨率1m，多谱分辨率4m，沿飞行方向相机可以左右摆动±45°，从而增加覆盖宽度。根据覆盖区域大小，重访时间每天1～3次，整个星座投资约1亿多美元。计划2014年发射。

实例3：采用一天回归轨道。①若第1与第2颗卫星相隔1/2或1/4天，则时间分辨率为12h（2颗星）或6h（4颗星），卫星数量增加，时间分辨率提高。②若第1、2、3颗卫星沿航向串联飞行 ，每相隔两星升交点相差补偿地球自转效应，各颗卫星其他轨道参数相同。相隔时间按实现条带连续覆盖要求设置。一般条带宽度约为100～200km，长度约为500～600km，或者更长，条带长度与卫星个数成正比，若第一颗卫星为一天回归轨道，则这个条带重访时间为1天。这星座特别适用在灾害地区，空间分辨率通过选择不同小卫星来达到。采用这种多颗小卫星沿航向串联飞行，时间分辨率在1小时到几十小时之间，可以实现对各种污染（海洋、湖泊、化学）灾害与火山喷发等观测。

24U立方体纳型卫星外型

北京－1小型遥感卫星

4 对地观测小卫星按摩尔定律在发展

摩尔定律是指集成电路芯片上可容纳晶体管数量，每隔18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这一法则是由戈登·摩尔（Gord on Moor）经过长期观察发现的。在实践中人们还发现摩尔定律不仅适用存储器芯片的描述，同时对星上处理器能力和硬盘驱动器（HDD）存储量也适合。1980－2010年，存储容量增加近8个数量级。几乎所有数字设备的性能、容量都与摩尔定律都有密切关系，例如处理器速度、容量等等。

在了解摩尔定律概念的基础上，讨论小卫星对地观测发展。以英国萨瑞卫星技术有限公司研制的小卫星为例，其微小卫星光学成像分辨率随年代提高。

此外，微小卫星本身技术水平也在提升。1990－2006年该公司研制的微小卫星的姿态控制系统从指向精度很低的重力梯度稳定提升到高精度三轴姿态控制。光学成像全色分辨率仍然按“摩尔定律”在发展。早期小卫星姿态控制为重力梯度稳定，而且光学成像覆盖宽度比较狭，基本没有轨道确定和轨道机动能力；后期小卫星为高精度三轴姿态控制系统。这种姿态控制系统水平提升也是满足光学成像高分辨率的要求，一般成像分辨率在1～2m，姿态控制指向精度要求在0.01°～0.001°。同时有GPS确定轨道，也有一定轨道机动能力。光学成像覆盖宽度也增加很多。

除了上述英国萨瑞卫星技术有限公司所研制的小卫星按摩尔定律发展以外，世界上还有不少单位也在按摩尔定律推动小卫星发展。例如以色列所研制的地平线对地观测小卫星从1988年成功发射侦察实验卫星地平线－1到2009年的地平线－9，总共发射了9颗小卫星，其中成功发射7颗。除地平线－8（2007年发射）为合成孔径雷达卫星外，其余6颗光学成像卫星，也就是说从1990年地平线－2到2009年地平线－9光学成像侦察卫星分辨率从4m提高到0.5m，卫星质量基本在200～300kg。这与萨利大学小卫星光学成像分辨率基本类似。这说明以色列光学成像小卫星分辨率提高也是按摩尔定律在飞快发展。

微小卫星光学成像全色分辨率和姿态控制水平随年代提升

微小卫星有效载荷数传率和星上存储器容量随年代变化

以色列“地平线”星座运行示意图

5 最低的成本和最高的分辨率

摩尔定律极大地推动小卫星对地观测技术的飞快发展，最终结果将出现：以最低成本获得最高成像分辨率。比较美国1999年发射的陆地卫星－7（Land sat－7）和德国2008年发射“快眼” 星座可以看出，小卫星质量轻3倍，全色分辨率高3倍和多谱分辨率高5倍，重访时间快十几倍。经济成本省2～3倍。由此可见，低成本可以获得高分辨率，更主要是能更快更多获得信息量。

综上所述，小卫星对地观测能够以低成本获得高成像分辨率有3个重要原因。

1）摩尔定律给人们一个坚强信念。这信念在计算机、信息技术等获得准确验证，同时也给现代小卫星开创者一个同样的，而且更加坚强的信心，由此所产生创新小卫星设计思想与应用新理念去研制小卫星。

德国“快眼”星座运行示意图

陆地卫星－7和 “快眼”星座基本参数比较

2）物质条件。小卫星大量采用廉价的商用计算机、信息技术和电子设备的产品，通过细心选择、创新设计，从而达到需要的可靠性。

3）空间飞行实验与演示。由于小卫星成本低，研制周期短，非常容易获得空间技术飞行实验机会，使新技术在小卫星迅速被推广应用，导致小卫星技术获得突飞猛进地发展。

6 展望与结论

根据有关专家分析研究，预计摩尔定律在计算机和信息技术推动作用至少还有10年时间，那么摩尔定律对小卫星技术发展推动作用至少也有10～15年时间。在这以后不用担心也将有类似新的摩尔定律出现，继续推动小卫星飞快发展。

未来面临的最大的问题：大面积对地覆盖，高成像分辨率，快速获取成像观测数据，将需要非常庞大的数据吞吐量，这个问题不解决，观测数据成果就无法真正获得。萨瑞卫星技术有限公司计划在不久的将来推出：星上存储器容量大于100GB，下传数据率大于300Mbit/s。作者预计,若以“快眼”小卫星星座为基础,预计在2015年左右对地观测光学成像分辨率由以前的5m（2007年）提升到1m左右，卫星质量约为250kg，由10颗小卫星组成星座对地观测。轨道为500km太阳同步轨道。预计星座系统对地球任何一个地区重访时间为每天1次。整个星座成本大约在2亿美元左右，由此可以算出，每平方千米覆盖面积的经济成本仅40美分。