日本先进对地观测卫星平台概述

王存恩 肖武平（北京空间科技信息研究所）

□□日本为了解决因其航天业过分依赖美国，改变到2008年底尚无一个卫星平台进入国际市场的被动局面，日本电气（NEC）公司在经济产业省和宇宙航空研究开发机构（JAXA）的支持下，以新《航天基本法》的颁布和新航天基本计划的公布为契机，研究和开发了先进的对地观测系统—“具备新系统结构的先进观测卫星”（Advanced Satellite with New system Architecture for Observation，ASNARO）平台，并成为继三菱电机公司DS－2000平台后又一个成功进入国际市场的卫星平台。

1 决策错误导致日本没有一个可参与国际市场竞争的卫星平台

在日本，无论是由具有长期发展战略眼光的航天科学家组成的宇宙开发委员会，还是内阁中负责航天研发的文部科学省，以及经济产业省、邮政省、运输省，都认为航天产业不仅有广阔的市场前景，而且蕴含着无法估量的经济效益。因此，上述各个部门都从不同角度认真调研、分析、支持或开展航天开发与应用。不过，由于日本政府过分地追随和依赖美国，使本来起步就较晚，缺乏技术、开发与经营应用能力和经验的航天业无法靠本国力量快速发展。

为了满足国家和民众对航天应用的迫切需求，日本曾一度放弃走自主研发之路，依靠美国力量发射通信、广播和气象卫星；后来，为重返自主研发道路，并追赶世界先进水平，又在相当长的时期“过分地强调研究和开发高精尖技术”，甚至将其置于用户需求之上，从而导致没能开发出国家和民众迫切需求的大型通信卫星；接着，在美国的强大压力和“研制不如购买卫星”的舆论误导下，做出以大量购买美国通信卫星来抵消美日贸易逆差的错误决策，这不仅耗费了大量外汇，而且还严重地影响了日本航天技术发展和产业化进程，削弱了日本航天产品在国际市场上的竞争力，导致以通信广播卫星为代表的商用卫星的开发几乎处于停滞状态，日本通信卫星开发应用水平一度远远落后于欧美。

ASNARO－1卫星示意图

NEC公司为满足用户需求所开发的ASNARO平台和4种有效载荷

2 日本航天开发企业寻求自主研发卫星平台进入国际市场

在面临资金短缺，在轨卫星屡屡出现故障乃至发射失败，自主开发通信广播卫星难以得到用户支持的被动局面下，宇宙开发委员会和JAXA凭借与美国合作开发中型试验通信广播卫星取得的经验，成功研制和发射了用于移动通信的技术试验卫星－5、6（ETS－5、6）和“通信技术试验卫星”（COMETS）。三菱电机公司成功开发了DS－2000平台，并进入国际市场。

经济产业省不仅一直关心航天产业化，对内阁做出的以购买美国通信卫星方式抵消美日贸易逆差的决定持异议，早在20世纪70年代就指令（财团法人）无人空间实验系统研究开发机构（USEF）、新能源产业技术综合开发机构（NEDO）等进行了深入调研，并支持三菱重工、三菱电机、日立公司等产业界、高校、研究机构开展研究和实验，就航天产业化、民用器件在航天领域的应用等进行了广泛的考察；并以不同方式支持研制和发射民用器件验证卫星－1、2（MDS－1、2），下一代无人试验系统（USERS）和ASNARO平台等的研发。如今ASNARO 平台已成为继DS－2000平台后又一个实现模块化、标准化、系列化、通用化、市场化，并打入国际市场的卫星平台。

ASNARO－1卫星技术参数

3 ASNARO平台概况

ASNARO平台是以NEC公司研制的小型科学卫星标准公用平台—NEXTAR为基础开发的、搭载地球观测遥感器的小型地球观测卫星平台，以该平台研制的卫星主要用于地球观测，能对洪水、森林火灾等灾情进行监视，生成彩色立体地图。ASNARO平台的首发星ASNARO－1是一颗技术试验卫星，主要用于验证该平台，卫星搭载光学遥感器，质量约500kg，分辨率优于50cm，幅宽为10km，设计寿命3年，单星研制费用为50亿日元，2008年开始研制，将于2012年12月由俄罗斯运载火箭发射。ASNARO－2卫星搭载X频段合成孔径雷达，2008年底开始研制，分辨率优于1m，单星研制费用为80亿～90亿日元，计划于2014年发射。

在ASNARO平台的具体任务落实和执行开发阶段，隶属于经济产业省的USEF负责确定卫星的规格，组织研讨，并调整和确定所采用的技术，进行计划进度管理；NEC公司负责卫星的正样设计、制造、试验评价和发射。

为拓展市场，满足各种不同任务用户的需求，NEC公司又追加开发了两种可供ASNARO平台搭载的有效载荷舱，也就是说，目前ASNARO平台可搭载4种有效载荷舱：①搭载高分辨率光学遥感器，构成配备高分辨率摄像机的光学遥感卫星；②搭载合成孔径雷达，即便是大雾、沙尘天气和黑夜，仍可清楚地观测到光学遥感器无法观测到的地表任何指定角落，构成合成孔径雷达卫星；③搭载超光谱信号图像遥感器，可在对观测到的各谱段的光谱分光后再进行观测，构成超光谱遥感卫星；④搭载红外遥感器，可对热源产生的红外线进行高精度的科学观测，构成红外遥感卫星。

当前国际上有代表性的高分辨率地球观测卫星的性价比对照表

ASNARO卫星的4种摄像模式

4 ASNARO卫星有效载荷舱的主要特点

ASNARO卫星有效载荷舱包括3个分系统，即光学遥感器分系统、飞行任务控制分系统和数据传输分系统。

星载光学遥感器输出的图像以非压缩的方式存储到闪烁存储器数据记录仪内。其存储的图像数据由发送器调制成X频段[16正交振幅键控（QAM）]，再通过配备双框架X频段指向天线，以800Mbit/s的速率传送到地面站。

ASNARO卫星在垂直于星下点进行轨道机动时，轨道机动角度最大为±45°，可达到在45s内完成45°的机动，实现敏捷机动之目标。

ASNARO平台和有效载荷舱的结构、散热系统、供电系统均独立设计，两者间的接口条件实现了标准化，做到在不改变平台设计的情况下就能够适用于多个飞行任务。

ASNARO卫星具备4种摄像模式：快照模式、广域摄像模式、3D摄像模式和连拍模式，其中快照模式是基本模式。

连拍模式及其摄像角度

采用NTSiC材料的ASNARO卫星主镜

ASNARO数据传输系统的主要组成仪器

· 快照模式是将卫星姿态固定在惯性空间，依据标准对10km×10km的有效区域进行摄像（1帧）。

· 广域摄像模式通过对接近观测目标的某一地域进行多次快照，可达到对更广域进行观测的目的。

· 3D摄像模式从不同的两个方向对某一观测地域进行摄像，在地面对所拍摄的图像进行加工后可得到所观测地域的三维信息。

· 连拍模式是与快照模式不同的摄像模式。从姿态控制方面讲，连拍模式是一种需要将卫星姿态固定到惯性空间坐标进行摄像，由于卫星的轨道运动会导致卫星偏离指向轴方向，也就会使对准地表的卫星指向轴方向发生变化。因此连拍模式可在短时间对目标摄像，而无法完成长时间连续摄像。另一方面，就连拍模式而言，卫星在轨机动后具有一定的旋转速率，可像卫星轨道坐标系被固定那样来进行卫星的姿态控制，相对于地面，卫星的指向轴方向不变，可实现对目标长时间、连续摄像。连拍模式能对850km（最长）×10km的地域进行120s连续摄像。

5 在致力于ASNARO有效载荷舱小型化方面的主要对策

许多国家都在致力于研究有效载荷舱的小型化、低功耗、高分辨率、数据接收速率快、数据处理和分析的耗时短等核心问题。ASNARO有效载荷舱配备了高分辨率光学遥感器、数据记录仪和X频段数据传输系统等有效载荷仪器，能将在太空中拍摄到的光学图像变换成数字信号，通过带有闪烁存储器的数据记录仪(寿命末期容量为120GB)以非压缩方式存储所记录的数据；可将存储的图像数据以最新的调制方式（16QAM）进行调制，通过频率变化将其变换成X频段（8MGHz）；最后利用配备双框架的指向性X频段天线，通过800Mbit/s的高速数据记录仪传送到地面站。

仅为500千克级的ASNARO小型地球观测卫星在性能方面能够与几吨级的大型地球观测卫星相媲美，主要是ASNARO采用了各种新标准、新工艺、新技术，实现了有效载荷舱小型化，主要包括以下3个方面。

（1）采用新型材料的反射镜

以往光学卫星的主镜（望远镜）一般都是以玻璃为主要材质，而ASNARO卫星的主镜采用改进型碳化硅，也称高强度反应烧结碳化硅或新技术碳化硅（NTSiC）为主要材质，由NEC公司下属的东芝空间系统公司（NTS）和东芝公司共同研制，这种主镜与以玻璃为主要材质的主镜相比，不仅质量轻、强度大，而且热畸变小。

（2）采用闪烁存储器

以往光学卫星数据记录仪的存储器大都采用可快速处理、具有高可靠性的同步动态随机存储器（SD-RAM），而ASNARO采用的是比SD-RAM的发热量低、功耗低、成本低，且容量相当大的闪烁存储器，使数据记录仪不仅实现了小型化、轻量化，而且大幅降低了成本。

（3）采用QAM方式传输观测数据

以往光学卫星一般都采用四相相移键控（QPSK）调制方式传输观测数据，它是以单一符号传输2位信息的方式，受8GHz频段的频域限制，使传输速率仅限于400Mbit/s。而大型卫星则是通过搭载双系统来实现800Mbit/s的数据传输。ASNARO采用的是以单一符号传输16QAM观测数据的方式（其传输速率是QPSK方式的2倍），这样就可实现仅用1个系统的通信仪器就可传输大型卫星所传输的800Mbit/s数据，不仅传输系统实现了小型化、轻量和轻型化，而且还大幅度地降低了开发成本。

国际上有代表性的小型地球观测卫星平台主要性能比较

6 日本发展ASNARO平台的未来计划

目前，NEC公司已完成了ASNARO－1的研制和系统调试，计划在2012年12月发射；ASNARO－2的研制工作进展顺利，其关键部件合成孔径雷达已完成飞行样机的研制，计划于2014年发射；而对超光谱遥感卫星ASNARO－3的论证工作已基本结束，方案已确定，计划于2016年发射。

此外，据日本产经新闻等报道，并从日本经济产业省、JAXA等官方证实，日本已与越南草签了协议，利用政府开发援助（ODA）资金，为越南研制以ASNARO平台为基础的两颗小型地球观测卫星，一颗为光学卫星，将在2017年用H－2A火箭发射；另一颗为合成孔径雷达卫星，将于2020年用H－2A火箭发射。协议还包括研制卫星地面设备，以及对参加卫星开发、应用和地面设施的应用与维修人员的培训。

此外，日本自2010年8月以来，先后6次派出以经济产业省航天产业贸易会负责人为团长，有从事航天产业开发的企业代表，相关省厅、JAXA等负责人参加的访问交流团，访问了泰国、蒙古、马来西亚，智利、阿根廷等亚洲、南美及非洲的20多个急切需要且尚不具备研制和发射这类卫星能力的国家，探讨对以ASNARO为基础研制的小型地球观测卫星的需求，阐述日本开发这类卫星的优势与特点，为ASNARO平台寻找新的用户，为其走向国际市场铺路。■