小卫星及中国的小卫星计划

http://www.paper.edu.cn - 1 - 小卫星及中国的小卫星计划 谢佩玲①，关泽群①，李德仁② （①武汉大学 遥感信息学院，武汉 430079；②测绘遥感信息工程国家重点实验室，武 汉 430079） 摘要：近年来，小卫星的发展非常迅猛，本文在收集了大量的小卫星资料的基础上，整理出 最近几年各国用于遥感的小卫星的发射及应用情况，分析了小卫星的发展趋势，最后介绍了 中国的小卫星计划。 关键词：小卫星；分布式卫星；小卫星星座；编队飞行 1． 小卫星 小卫星因其成本低，开发周期短，技术日益成熟，近十多年来发展越来越快。在对地观 测卫星中，小卫星所占比重越来越大，从 1990 年-2005 年，美国 NASA 的对地观测项目中， 小卫星已经占到发射卫星总数的 42%。世界各国，包括许多第三世界国家都在发展自己的小 卫星产业。 通常把重量小于 500kg 的卫星称为小卫星，小卫星又分为：小型卫星（100kg-500kg）、 微型卫星（10kg-100kg）、纳型卫星（1kg-10kg）和皮型卫星（0.1kg-1kg）。 1 列出了 各国遥感小卫星的发射及应用情况。 2． 小卫星星座 小卫星的发展已经从单颗卫星向分布式卫星方向发展，目前的分布式卫星主要有星座和 编队飞行。 每颗卫星运行时只能覆盖地球表面很小的一部分，单颗卫星对同一地区的重访周期，最 短也需要几天时间。多颗小卫星组成星座，协同运行，数据共享，可缩短重访周期，提高卫 星的观测频率。 例如：灾害监测星座 DMC，由 5-8 颗微型卫星组成，单颗卫星的重访周期是 4 天，组成 星座后重访周期可缩短到 24 小时以内，因而能够提供快速反映的服务，以供政府部门和商 业上的应用。DMC 联盟由分属：阿尔及利亚、中国、尼日利亚、泰国、土尔其、越南及英国 七国的组织机构之间合作组成，由位于 Surrey Space Centre (UK)的 SSTL（Surrey Satellite Technology Ltd.）领导，联盟的目的是通过 DMC 合伙人之间的合作，每颗卫星由各国独立 拥有和运作，通过极大限度的资源和数据共享，使发展中国家获得实惠。DMC 图像与路透社 报警系统联合应用，可以为国际减灾委员会提供公开服务，作为国际资源协会（National Resource for Consortium）成员，每颗微型卫星都可以提供以下方面的遥感图像服务：农 业监测、土地利用、城市规划、水资源管理、地质勘探等。 1 本课得到教育部“博士点基金”（20030486045）资助。 http://www.paper.edu.cn - 2 - 表 1 http://www.paper.edu.cn - 3 - http://www.paper.edu.cn - 4 - http://www.paper.edu.cn - 5 - http://www.paper.edu.cn - 6 - 又如：德国的 RapidEye 星座，由 5颗小型卫星组成，确保每天覆盖全球，作为商业小卫 星星座，可用于全球遥感、三维测绘。卫星将等距离分布在太阳同步轨道上，具有星载数据 处理和存储器件以及高速 X 波段通信系统，可下传地面所需图象。 3． 小卫星编队飞行 卫星编队飞行目前是国际航天技术上的热门研究课题，编队飞行在对地全球遥感、三维 立体观测等方面有很好的应用效果。编队飞行分大小卫星编队飞行和小卫星编队飞行。大小 卫星编队飞行主要是指小卫星与在轨的已发射大卫星组成编队。 3.1．大小卫星编队飞行 卫星编队飞行最初是由小卫星与在轨的大卫星编队飞行，例如：Morning Train 由 Landsat 7、Terra、EO-1、SAC-C 四颗地球观测卫星沿航向编队飞行，可以在不同时刻观测 相同地面目标。编队飞行的目的：① 验证新研制的陆地成像仪；② 演示美国 NASA 地球观 测系统的多种有效载荷观测信息处理。为将来地球观测系统（EOS）6 颗卫星编队飞行做试 验准备。 3.2．小卫星编队飞行 小卫星编队飞行，可以几颗卫星同时对同一地区进行观测，产生立体图像，在现代卫星 摄影测量中,由多颗小卫星组成的卫星编队具有比单颗卫星更优越的性能,能提供更高的空 间分辨率和时间分辨率。卫星编队拍摄的序列图像可组成多轨道区域网,通过区域网光束法 平差解算就可以获得目标点坐标。编队飞行的方式有多种： 串行编队：卫星同轨，前后相距一定距离。 绕飞编队：是由若干颗小卫星围绕某一中心飞行而形成的一种具有特定形状的编队。 三角形编队：其中两颗卫星在同一轨道面内。这种编队具有所有卫星均能运行于圆轨道, 队形简单和稳定等优点。 菱形编队：其组成类似于三角形编队。 例如：美国和德国合作的 GRACE（Tom、Jerry）小型卫星编队，两星相距 220km 串行编 队飞行，进行星间微波通信，测量相对距离和速度，根据测量结果精确绘制地球重力场图。 又如：3-Corner 星座，是分布式气象卫星，三维立体成像，由 3 颗纳型卫星同轨飞行， 前后相距 30km 编队组成分布式气象卫星。 4． 中国的小卫星计划 研制发展小卫星，是我国利用空间技术服务经济建设、造福人类的重要途径。目前，我 国相继成功发射了“实践五号”、“海洋一号”、“创新一号”小卫星和 50 公斤重的“清 华一号”微型卫星。 http://www.paper.edu.cn - 7 - 2000 年 6 月 28 日，中国航天科工集团公司与清华大学、英国萨瑞大学联合研制的 50 公 斤的“航天清华一号”微型卫星发射成功。该卫星不仅在有效载荷方面比同类微型卫星有明 显改进，而且在平台技术上采用了三轴稳定控制，填补了中国微型卫星研制领域的空白。 2004 年 4 月 18 日 23 时 59 分在西昌卫星发射中心用“长征二号丙”运载火箭发射升空 的“纳星一号”卫星，是我国首次发射的质量小于 25 公斤的纳型卫星。它的研制和发射成 功，填补了我国小卫星研制领域的空白，标志着我国小卫星研制已基本形成系列。 目前，我国小卫星研制已基本形成可覆盖 25 公斤到 1000 公斤范围内的系列产品，并在 科学实验、资源普查、灾害预报、测绘勘探、环境和农业的监测等领域发挥了独特优势和作 用，显示出良好的经济和社会效益。 中国首个用于环境监测和灾害防治的小卫星星座“环境一号”目前已经进入了初样研制 阶段。这个小卫星星座由 3 颗卫星组网联合工作，对地球环境进行可见光、红外、热红外以 及微波谱段的全天候连续观测。小卫星星座的两颗光学小卫星计划在 2006 年发射升空，第 三颗合成孔径雷达卫星在 2007 年发射。 世界最大的小卫星研制试验基地———“小卫星及其应用国家工程研究中心”于 2004 年 12 月 14 日在北京航天城正式落成，其设计能力为年产 6 至 8 颗卫星。这个中心于 2001 年经国家发改委批准，列入高技术产业发展计划，由中国航天科技集团公司中国空间技术研 究院所属航天东方红卫星有限公司为建设法人。主要承担的任务有：小卫星及其系列化公用 平台发展研究；小卫星的总体专业设计；小卫星的总装、测试和试验；小卫星的技术服务； 小卫星技术培训及技术咨询等。“小卫星及其应用国家工程研究中心”建筑面积为 16135 平方米，与北京空间技术研制试验中心紧密相连，互为补充，可以进行技术大协作，按照现 代企业，加强与国内外相关机构的合作，促进小卫星及微型卫星的产业化、市场化、国 际化和现代化的发展，不断为客户提供更好、更快、更省的航天产品。 5． 对我国发展小卫星产业的几点建议 首先，应该加强小卫星编队飞行的研究，对编队飞行中相关的通讯、软件无线电、地面 站设施建设以及信息安全等进行深入研究。 其次，国内各航天部门应加强与高校之间的合作，大学是高新技术的重要发源地。大学 具有掌握科技前沿技术、把握其发展和应用方向能力，已成为现代小卫星诸多高技术发展的 重要源泉。 第三，开展广泛的国际合作与交流，紧跟小卫星产业的发展潮流。 参考文献 1．Steven P. Neeck, Thomas J. Magner, Granville E. Paules NASA Headquarters, Office of Earth Science Washington, DC 20546, USA NASA’s SMALL SATELLITE MISSIONS FOR EARTH OBSERVATION 2．周润松. 对地观测卫星未来发展趋势[J].卫星应用，2004（3）：51～55. http://www.paper.edu.cn - 8 - 3．林来兴. 卫星编队飞行的应用研究[J].卫星应用，2004（2）：35～40. 4．陆宏伟,邱志强,于起峰. 基于卫星编队序列图像的摄影测量[J]. 国防科技大学学报，2004（3）：74～ 81 5．强曹章. 发挥高校综合优势 探索小卫星研制新路.哈工大报讯 6． http://www.astronautix.com/ 7． http://centaur.sstl.co.uk/ 8． ITC’s database of Satellites and Sensors http://www.itc.nl/ Small Satellite and Chinese Small Satellite Plan XIE Peiling ①，GUAN Zequn①，LI Deren② （① School of Remote Sensing and Information Engineering，Wuhan University，Wuhan 430079， China；②State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying，Mapping and Remote Sensing，Wuhan University，Wuhan 430079） Abstract: In recent years, the small satellite developed fast. The authors collected large quantity of small satellite data, selected the remote sensing small satellite from these data, analyzed the distributed small satellite system including small satellite constellation and small satellite formatting developed these years, at the end of the paper presented the small satellite plan of China. Key Words: Small satellite; Distributed satellite system; Small satellite constellation; Formation