叶钊;李熹微;王超;董小静;尹欢;曹启鹏
双层布【摘 要】阐述了微纳卫星光学载荷从单一摄像头到应用模式多样的综合系统的发展过程.调研了国外微纳卫星光学载荷的发展现状及特点,如轻小型化、紧凑化、观测任务多样化和视频成像,主要表现在低成本商业遥感应用,适于新技术演示验证、光学载荷图像产品的网络应用、商用现货(COTS)技术应用、模块化技术体系等方面.通过归纳总结得出以下启示:我国微纳卫星光学载荷发展应紧跟国际步伐,瞄准低成本商业遥感方向,建立标准化、模块化微纳卫星光学载荷技术体系;发展颠覆性技术(薄膜衍射成像和液晶可调光谱滤光片用于高光谱成像),积极探索微纳卫星光学载荷研制模式的创新.%This paper describes the development process of the Micro-nano satellite optical payload from single camera to flexible integrated system.The present developing situation and characteristics of Micro-nano satellite optical payload are investigated,for instance,miniaturization,compactness,diversified observation,and video imaging.These are manifested in new technology verification and demonstration,optical payload image product network application,technology of wildly used
COTS (commercial off the shelf),modular technical system,and so on.The paper draws the following revelation:keeping optical payload of Micro-nano satellite in China with the international development,aiming at the direction of commercial remote sensing at low cost,establishing standardized and modular production technology system,developing disruptive technologies such as thin-film diffraction imaging and tunable optical filtering for imaging using liquid crystals,and actively exploring innovative development mode on optical payload of Micro-nano satellite.
【期刊名称】《航天器工程》
【年(卷),期】2016(025)006
【总页数】9页(P122-130)电动窗帘配件
【关键词】微纳卫星;光学载荷;薄膜衍射成像;液晶可调滤光片;视频成像
【作 者】叶钊;李熹微;王超;董小静;尹欢;曹启鹏
【作者单位】航天东方红卫星有限公司,北京 100094;中国石油华北油田分公司勘探开发研究院,河北任丘062552;航天东方红卫星有限公司,北京 100094;航天东方红卫星有限公司,北京 100094;航天东方红卫星有限公司,北京 100094;航天东方红卫星有限公司,北京 100094
【正文语种】中 文
【中图分类】V447
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微纳卫星包括10～100 kg的微卫星和1～10 kg的纳卫星。近年来，随着计算机、新材料、微纳米、微电子机械、高密度能源及空间微推进技术的迅速发展，微纳卫星以一种全新的概念、崭新的设计思想成为航天领域最活跃的研究方向，在通信、军事、地质勘探、环境与灾害监测、气象、科学实验和深空探测等领域都得到了迅速发展，并且显示出越来越好的发展前景，已成为卫星技术的发展趋势之一。
微小型化的微纳卫星技术推动光学载荷向轻小型化发展，轻小型化的光学载荷又会催生出新的低成本、低功耗、高性能的微纳卫星。越来越多的微纳卫星光学载荷采用商用现货(COTS)技术和产品，采用开放式体系结构和即插即用标准，具有研制周期短、投资与营运
成本低、风险小、灵活性高等特点。微纳卫星光学载荷具有的这些发展特点，也使其能以单星低价、快速地完成多项航天任务，以多星组网或编队飞行的方式完成传统卫星难以胜任的时间覆盖要求和用户高定制需求。
本文在调研微纳卫星光学载荷发展的基础上，归纳了其发展趋势，分析了技术特点，总结了启示，可为我国先进光学载荷的设计与低成本市场开发提供参考。
微纳卫星光学载荷在设计上突破了传统的“一星多用、综合利用”的设计思想，不追求全面，综合、完美，主张简化设计，采用成熟技术和模块化、标准化的硬件。众多创新概念大量涌现，利用微纳卫星进行飞行演示验证。光学载荷也由最初微纳卫星上的小小摄像头，逐渐演变为功能复杂、技术集成度高、应用能力突出的系统设备，开始引导微纳卫星的总体设计和发展，创新概念正在向创新应用转化。同时，微纳卫星光学载荷已从单项技术向系统集成技术、研制生产和运用模式创新拓展，正在孕育空间体系的重大变革。
早期，微纳卫星的摄像头用于简单的地球观测和星上部件的状态监测。随着微电子、材料、精密机械等行业的高速发展，微纳卫星光学载荷正由摄像头向综合系统飞速发展，轻小型化的光学载荷已经具备了部分传统卫星光学载荷的能力，如手机卫星用于空间交会对
接的瞄准系统，运动相机用于在轨部件可视化监测，轻小型对地观测高清视频相机等。2013年2月25日发射的全球第1个智能手机卫星——萨瑞卫星公司研制的STRaND-1[1-3]，(见图1)是一个3U立方体卫星，质量为4.27 kg，由Google Nexus One 手机进行控制，卫星的光学摄像头可对地成像，摄像头作为演示验证设备，完成对地对空间成像并将拍摄图像传回地球。
继STRaND-1卫星后，NASA的3个智能手机卫星(2个PhoneSat 1.0和1个PhoneSat 2.0)在2013年4月发射升空[4]。PhoneSat项目是NASA空间技术计划支持的小型航天器技术验证任务，用于论证利用智能手机建造低成本、简易卫星的能力，智能手机卫星能将手机拍摄的数字图像和卫星状况发送回地面。后续NASA还将利用微纳卫星光学载荷开展低成本的对地观测和进行月球及以远空间探测的演示验证任务。
由于质量和体积的限制，微纳卫星还无法获得超高分辨率的图像(亚米级图像，优于0.7 m)，目前的空间分辨率在1.0～2.0 m，如美国陆军目前开展的“隼眼”(Kestrel Eye)低成本微型侦察卫星星座项目[5-8]，可获得1.5～3.0 m分辨率的卫星图像。图2显示了对地观测卫星的质量和分辨率的关系，目前在研和在轨的高空间分辨率光学卫星，其分辨率优于0.5 m，
整星质量大于500 kg，还采用传统光学载荷的设计和研制模式，但在微纳卫星上很难实现。对此，一部分科学家在光学载荷的设计上进行创新，如德国柏林工业大学研制的“多布森”(Dobson)可折叠光学望远镜卫星[9]，卫星上安装可伸缩的光学望远镜，在100千克级微卫星上可携带50 cm孔径的相机，获得1.0 m分辨率的卫星图像，成本只有现有超高分辨率系统成本的1/10。为了突破微卫星体积和质量对空间分辨率的限制，对Dobson可展开光学卫星的光学系统进行了创新设计。光学望远镜采用可展开结构和光学准直设计，在卫星发射阶段将光学望远镜折叠，进行观测时再展开，见图3。望远镜支架展开后，二级镜面和主镜面相隔约1.1 m，随后利用微型执行机构对二级镜面的位置进行微调，对望远镜进行准直校准。为了补偿望远镜结构的热变形，望远镜的瞄准和聚焦可以在任务期间的任何时间进行，从而保证了成像的质量。
一些科学家还寻求在传统设计上进行改良，通过优化系统结构、迭代图像算法等方法实现微纳卫星光学载荷的高空间分辨率，表1是微纳卫星视频载荷与传统载荷的主要区别。目前，微卫星空间分辨率最高的光学观测卫星是“天空卫星”(SkySat)[10-11]，卫星质量约为91 kg，采用碳化硅(SiC)制造的里奇-克莱琴(R-C)反射光学成像系统(0.35 m成像孔径，相对孔径1/10.4)，搭配大面阵“互补金属氧化物半导体”(CMOS)探测器，使用延时积分(TDI-C
MOS)技术，可以拍摄全0.9 m、多光谱2.0 m分辨率和幅宽8.0 km的静态图像；视频工作时能够提供空间分辨率1.1 m、覆盖2 km×1.1 km、帧频30帧/秒的视频图像，单次连续摄影90 s，输出H.264编码格式的1080P高清视频。
国外各研究机构利用微纳卫星项目开展了大量光学载荷的技术验证，将技术研发和业务能力开发相结合，积极探索微纳卫星光学载荷的发展和应用能力，并围绕应用涌现出众多创新概念和探索项目。微纳卫星光学载荷从过去大多使用摄像头并用于工程培训、技术试验和概念验证，到逐渐引起了军、民、商各领域的广泛关注，发展成为具备较高空间分辨率和具备综合成像能力的高集成度系统，并使用光学载荷探索航天技术创新、应用创新、体系创新和研制模式创新。
微纳卫星光学载荷在低成本商业遥感、新技术演示应用和模块化技术体系等方面全面发展，本节将从COTS技术、新型成像技术和技术创新等方面，结合光学载荷在微纳卫星上的演变和具体应用，阐述微纳卫星光学载荷的技术发展与创新。
3.1 COTS镜头技术
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COTS技术已在微纳卫星上广泛应用。大量COTS产品，如商业数码相机镜头、控制电路、手机摄像头等直接用作星上产品。NASA航天员在“国际空间站”使用商用相机拍摄地球，设备由35 mm的数码单镜头反光相机(DSLR)镜头组成，见表2。
南瓜派(Pumpkin)公司设计的小型图像卫星(Miniature Imaging Spacecraft，MISC)质量为4.5 kg，大量使用商业器件，整个光学相机全部使用商业器件。这颗3U立方体卫星能从540 km高的圆轨道提供7.5 m空间分辨率的多光谱图像，寿命周期为18个月，覆盖面积为7.5×107 km2。MISC的镜头选用典型DSLR 35 mm-f/8 (f为焦距)折返式镜头，焦距为500～600 mm。探测器选用商用画幅传感器Kodak KAI-16000 CCD，带有RGB滤光片和4872×3248面阵，像元尺寸为7.4 μm。考虑到卫星发射期间MISC可能遭遇超过商业部件承受范围的振动环境，DSLR镜头要尽可能少用甚至不用机械部件，以减少所受到的冲击(如镜头、镜头孔径光阑、单反镜等)。MISC光学载荷指标见表3，外形见图4。
典型商业镜头微纳卫星光学载荷见表4。
3.2 新型成像技术
微纳卫星光学载荷技术创新主要是以现有的高新技术为依托，通过创新的设计思想和研制模式用于低成本的光学载荷，使新技术和新概念能及时快速地应用于微纳卫星中。按照传统光学载荷体制分析，卫星空间分辨率每提高1倍，需要光学成像系统的质量和体积增加8～10倍。由于质量和体积的限制，微纳卫星无法获得超高分辨率的图像。开放式大众创新环境促使航天领域的技术研发呈现出高度的活力，发展出多种新型成像探测系统，如薄膜衍射光学系统、集阵探测系统、液晶可调滤光片(LCTF)光谱调制技术等。这些技术的不断发展成熟，有望成为突破高品质遥感的颠覆性技术。
3.2.1 薄膜衍射系统
美国空军学院(AFA)猎鹰卫星-7(FalconSat-7，见图5)[12-14]，原计划在2014年发射(后推迟)，卫星尺寸约为30 cm×10 cm×10 cm，轨道高度为450 km，对地观测分辨率为1.8 m。该卫星可视为美国国防部先进研究计划局(DARPA)薄膜光学成像器实时开发(Membrane Optic Imager Real-Time Exploitation，MOIRE)项目的初步演示验证(MOIRE项目拟在地球同步轨道通过20 m直径的衍射薄膜实现高分辨率对地成像，卫星载荷为基于衍射薄膜的光子筛望远镜)。FalconSat-7光子筛望远镜中心波长为656.28 nm，占用约1.5U的体积，光子筛及光学部分的主要设计指标见表5。
FalconSat-7光子筛望远镜已成功在波音727飞机上进行了微重力状态下的衍射薄膜展开试验，该试验成功有力支撑了衍射光学成像技术。与传统的反射式光学系统相比，薄膜衍射成像技术具有独特的技术特点：①使用薄膜材料能减小光学系统质量，在实现相同分辨率的前提下，薄膜衍射光学成像系统质量仅为传统系统的1/7，从而大幅降低了整星质量；②可采取发射时折叠、入轨后展开的方式，易于实现天基超大光学口径；③薄膜衍射镜,面形精度要求比传统反射镜降低1/2～2/3，制造难度也相应降低，并且薄膜镜易于复制和批量化生产，能大幅降低光学载荷的开发成本。
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