“羊群”立方体星对地观测大型星座

□ 林来兴

“羊群”立方体星对地观测大型星座

□ 林来兴

3U立方体星从空间站释送

今年2月15日印度运载火箭PSVL-C37，一箭104颗卫星发射成功，创一箭多星世界记录，其中有88颗“羊群”立方体星。“羊群”立方体星由美国私营公司“行星实验室”（以下简称“行星公司”）研制，从2014年到目前3年时间共成功发射“羊群”立方体星227颗，计划今年夏季再发射48颗，总共达到275颗，成为全球第一个超大型星座。若一切顺利，该星座具有对全球任何地区仅需几分钟重访时间，而且是高分辨率观测。整个星座费用仅需2亿～3亿美元，相当一颗普通中等卫星费用。“羊群”星座基本上实现人类多年对地观测的梦想——廉价且随时随地能获得高分辨遥感信息。

立方体星星座

立方体星成本底、研制周期短，又便于模块化与标准化，可进行批量生产，但是卫星功能较差。最近几年来随着信息、计算机、电子学、光学技术飞快发展，加上微机电系统普及等，立方体星功能密集度得到极大提高，又能采用商用器件，成本降底，特别是开辟多星联合应用(星座和编队飞行)，从而使立方体星扬长避短。目前立方体星已扩展到微小卫星(1千克～50千克)，近几年发射量剧增。在此条件下，美国行星公司研制3U立方体星对地观测“羊群”卫星，卫星重5千克，地面分辨率3米～4米。采用长期在线工作模式，无需对卫星下达成像指令，即可自动持续获取全球图像。

鸽子实验卫星外观结构图

单星(左边)与星座(右边)对地观测

“羊群”立方体星外形结构

行星公司从2013年11月26日开始发射鸽子实验卫星， 飞行实验成功后，公司开始正式发射3U立方体星，并将经过几年努力，建设一个超大型星座。单星与星座对地观测有很大区别，前者仅观测局部地区，后者可连续不断观测很大地区。值得注意是，光有众多立方体星还是不够的。要建造大型星座，众多卫星同时入轨，如何部署成为星座(因为星上没有推力器)是关键问题。下面介绍几种发射立方星星座的运载工具形式：

1.从国际空间站入轨。简单方便，费用不高，但是轨道高度较低，卫星生存寿命短，而且仅能部署在一个轨道平面，为此适合发射有限数量的卫星，进行空间实验飞行任务。

2.搭载方式发射。需要等待机会，而且要满足主星轨道要求，仅适合单星和一次搭载小型星座所需要的卫星。

3.一箭多星发射。最理想方式是一箭把星座所需要卫星都带上，同时又能按星座要求，让立方体星到达所需要的轨道位置。这里需要装有一颗母星，它从末级火箭分离出来后，绕地球轨道飞行，然后由分配器按要求轨道逐个释放立方体星。这次印度火箭如何释放立方体星，目前尚不清楚。不管采用什么方法，只要能达到目的都可以。为此一箭多星发射不仅要看一箭发射多少卫星，还要看如何释放这些卫星， 否则一箭同时发射这么多卫星，就可能像仙女散花，变成空间垃圾。

上百颗卫星飞行轨迹

批量生产3U立方体星

海岸线上3U立方体星监测

3U立方体星

“羊群”立方体星外形结构釆用3U结构(10cm×10cm×30cm)，星上安装一个固定式可叠折太阳电池板，可发电约50瓦，与8个20 Ah锂蓄电池组成电源系统，电源功率使用分配由星上计算机来执行。姿态采用三轴控制，姿态测量由磁强计、速率陀螺和光电二极管组成，执行机构由磁力棒和微型飞轮来完成，姿态控制系统精度为0.1度，通信为S频段，频率为2.4 Ghz。

星座的每颗立方体星都有一套望远镜光学系统和相机。行星公司先后研制两种光学有效载荷，现在仅介绍后一种，也就是2016年与2017年发射“羊群”立方体星所采用的。这种有效载荷对不同的轨道高度，其视场和地面分辨率都不同：在475千米太阳同步轨道,视场水平方向为24.6千米，垂直方向为16.4千米，面积为405平方千米，地面分辨率为3.73米；在420千米国际空间站轨道，视场水平方向为21.8千米，垂直方向为14.5千米，面积为316平方千米，地面分辨率为3.3米。

目前应用和今后发展

由150颗3U立方体星组成对地观测超大型星座，对全球任何地区空间分辨率为3米～4米，时间分辨率为1小时的观测功能，完全可满足全球环境监视和各种灾害对空间遥感的要求。下面把各种灾害监视要求对地观测空间和时间分辨率列在下表：

由上表得知，除了第一项战争和军事的一些要求以外，其它都可以得到满足。这里仅举出一个实例，如上图所示海岸线上3U立方体星监测图像，从这里可以发现是否有异样状态。

对3U立方体星今后发展有两个方向。一个是应用数量发展，也就是扩大应用领域。2016年11月行星公司已获得高达600颗发射许可证，将来有可能发射更大对地观测星座，重访时间仅几分钟，完全可以满足全球各领域对遥感的要求。现在公司已为上百颗卫星在不同轨道开发应用软件，可实时把每颗卫星观测数据传送到地面。

另一个是质量提升，也就是技术水平提高。例如空间分辨率改善，由目前3米～4米改善到1米～2米，但是对3U立方体星来说非常困难。因为增大光学焦矩和减少CCD像元宽度，都涉及立方体星结构和稳定性问题，等于重新研制一颗新的立方体星。还有降低轨道高度来改善分辨率，由于目前轨道高度较低，再降低卫星寿命将会大大缩短。★