为“一带一路”提供高分辨率遥感星座的设想

蜚语

       “一带一路”是新丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的简称，旨在借用古代“丝绸之路”的历史符号，积极主动地发展与沿线国家的经济合作，构建政治经济，文化利益共同体。

　　“一带一路”战略对航天系统建设是个极好机遇和重大挑战。具体到研究工作来说，至少有两个方面可以服务于“一带一路”工程建设和将来运行操作：第一是提供一个实时、廉价、使用方便的移动通信系统；二是提供全区域覆盖高精度空间遥感系统。当前正在国际上蓬勃发展由立方体组成纳型卫星，以及进一步扩大为微型卫星，可以为“一带一路”区域覆盖提供高精度遥感系统。

　　本文提出采用纳型卫星和微型卫星分别组成两个对地观测星座方案。为正在计划开发建设“一带一路”和南美高铁工程，提供高时间与高空间分辨率的遥感信息。

　　“一带一路”所经区域概况

　　“一带一路”贯穿亚欧非大陆，一头是活跃的东亚经济圈，一头是发达的欧洲经济圈，中间广大腹地国家经济发展潜力巨大。丝绸之路经济带重点畅通中国经中亚、俄罗斯至欧洲（波罗的海）；中国经中亚、西亚至波斯湾、地中海；中国至东南亚、南亚、印度洋。21世纪海上丝绸之路重点方向是从中国沿海港口过南海到印度洋，延伸至欧洲；从中国沿海港口过南海到南太平洋。

　　我国目前与全世界50个国家建设118个合作区，其中有77个处在“一带一路”沿线23个国家。这77个其中35个合作区处在丝绸之路经济带的沿线国家，另外42个处在21世纪海上丝绸之路的沿线国家。位于丝绸之路经济带上的35个合作区，分别位于哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦、匈牙利、罗马尼亚和塞尔维亚等国。而对“21世纪海上丝绸之路”，经贸合作区更是遍布沿线：东南亚的老挝、缅甸、柬埔寨、越南、泰国、马来西亚、印度尼西亚，南亚的巴基斯坦、印度和斯里兰卡，非洲的埃及、埃塞俄比亚、赞比亚、尼日利亚、坦桑尼亚、莫桑比克都有我们的园区。这些是“一带一路”的重要承接点，说明有大量的中国企业在海外的经济存在做支撑。

　　根据上述“一带一路”所经地区——南北纬度60度，东经从零度到150度，覆盖区域占全球一半。若进一步考虑南美洲将来高铁开发建设，则遥感系统需要几乎全球覆盖，也就是说，研究一个除高纬度南北极区域以外的覆盖全球的星座。

　　对“一带一路”区域遥感信息要求

　　根据实际应用要求，对地观测卫星空间分辨率分为下列五类：

　　第一类是小于1米的极高分辨率，主要用于军事、战争，目标识别等；

　　第二类是1.8米至3.5米的高分辨率，主要用于重大民用项目；

　　第三类是4米至10米的高分辨率，主要用于森林火灾、湖泊污染等；

　　第四类是几十米的中分辨率，主要用于洪水、农业灾害(如蝗虫)等；

　　第五类是大于百米的中分辨率，主要用于环境空气、化学污染、火山喷发等。

　　根据“一带一路”区域对遥感信息的要求，第二类加上适当的时间分辨率（重访时间），就可以满足需求：铁路公路建设、勘察，日常运行状态，事故发现与及时处理；“一带一路”区域地形、地貌，水文与气象、地理概况；“一带一路”区域突发事件，例如：地震、火灾等；区域环境监测，农业生产观测等。

　　按第二类应用功能要求，本文提供纳型与微型卫星两种星座。

　　纳型卫星对地观测星座

　　根据上述“一带一路”覆盖地区要求，在南北纬度60°之间，选择倾角60°、高度550千米的卫星轨道比较合适。星座轨道面少，发射布置星座比较方便，但是由采用纳型卫星光学相机是轻小型的，幅度不能很宽。这里适用10千米幅宽加上姿态在滚动轴可以使相机左右侧摆动，覆盖宽度可以增加到30千米，这算中等覆盖宽度，同时，选择6个轨道平面，每个轨道平面均匀分布4颗卫星，星座总共24颗，可覆盖全球，对地面任何一点每天观测3次（重访时间8小时）。

　　立方体星为一个立方体，每边长10厘米，重量为1千克，简称为1个单元（1u）。现在广泛应用从1u，3u，6u到24u等等，由立方体星座组成纳型卫星。

　　上述星座就是采用24颗6u纳型卫星组成。

　　星上光学相机的技术指标：对地光学全色分辨率3.5米；相机口径9厘米；焦距1.28米；幅宽10千米，加左右两侧相机摆动，总共可达30千米幅宽。

　　纳型卫星姿态控制为三轴零动量控制，姿态指向精度为0.01°。采用星敏感器，反作用轮，磁力矩，GPS接受机。卫星设计工作寿命为4年。

　　微型卫星对地观测星座

　　这一方案的对地观测光学分辨率有较大提高，达1.8米。采用微型卫星，其结构有两种：一种为多颗立方体星组成，一般由24u到30u组成微型卫星，重量在40千克；另一种立方体星扩大形式，即箱式长方形结构，本文采用箱式结构。

　　由于高分辨率相机对地覆盖幅宽只有8千米，若采用滚动轴两侧摆动，幅宽也只能增加到24千米，为了继续保持较短重访时间，需要增加卫星数量，星座轨道平面数量不变，增加每轨道平面卫星数，由原来4颗增加到6颗，星座总共为36颗。这样即可覆盖全球，且对全球任何一点每天观测3次（重访时间8小时）。

　　微型卫星在几十千克量级，由几十个立方体星组成，目前应用较少，主要过多立方体组合安装和部署卫星各分系统，有较多困难。为此较多采用扩大立方体，即箱型长方形结构，外加两侧太阳帆板，太阳帆板发电量为120瓦，卫星设计寿命4年，卫星平均功耗约为50瓦。

　　星上光学相机的技术指标：对地光学全色分辨率1.8米；相机口径21厘米；焦距2.1米；幅宽8千米，加上滚动轴左右两侧相机摆动可增加幅宽到24千米。

　　微型卫星控制为三轴零动量控制，姿态指向精度为0.005～0.01°，其他部件与第一方案姿态控制系统类似，只是敏感器精度和控制精度有所提高。

　　上述两个方案星体与相机左右侧摆动，依靠反作用轮正反速度改变来实现，当正转速度增加相机向右摆动，当反转速度增加，相机向左摆动。

　　无人机助阵

　　高分辨率卫星对地观测星座，若要达到全实时覆盖全球，也就是说：重访时间为零，在低轨道，则需要很多卫星，这除了军用卫星，对民用来说：只有发生突发事件或严重灾害(例如大面积森林火灾)才有可能需要，但是这样事件仅在局部地区与某阶段时间发生。为此可采用无人机来补救像上述两个星座存在的缺陷，因为它们重访时间仅为8小时。若在重访时间发生突发事件，由无人机来承担观测任务。从效果来看，可以达到近实时覆盖全球的目的。

　　无人机近十来年技术发展很快，应用效果非常良好。目前无人机技术水准：最大持航时间可达60小时～70小时；重量从不足千克到上吨；最大飞行距离可达几千千米；由于飞行高度在1千米～2千米左右，比卫星低近2或3个数量级，遥感相机分辨率可提几百到千倍，也就是一个中等精度相机分辨率，用在无人机可获得几厘米到几十厘米分辨率，当然覆盖宽度很小，但是无人机可以来回飞行。无人机时速在400千米～500千米左右，而且操作室与机场分布在各地，应急起飞到突发地点也是很短时间。为此，如果纳型或微型卫星对地观测星座加上无人机，可以实现高分辨率近实时全球覆盖。

　　无人机可以提升卫星应用价值，卫星和无人机相互协同、互相补充，卫星提供全球画面，无人机提供局部详细信息。

　　纳型和微型卫星近几年来技术获得快速发展，发射量成倍递增，这是当前小卫星发展的一个重要特点，加上近十年来对地观测光学分辨率提高了3～4个数级，技术上取得颠覆性突破，本文把这两个特点结合起来组成星座，加上采用无人机辅助。可实现近实时覆盖全球高精度遥感系统，而且投资较少，研究周期较短，关键技术是纳星与微星相机幅宽要求达到10千米和8千米。总之，这是一个值得推广的方案。本文提出这两个星座方案，除了为“一带一路”所经过地区和南美提供近实高精度遥感信息以外，对全球自然环境，灾害监视和农业生产都有很大帮助。

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