美国快速响应卫星遥感相机电子学的技术特点（上）

　　引言
　　从 2000 年起，美国通过研究发现已有的航天遥感系统不适应联合作战的要求，在实际应用中暴露出了诸多不足。首先，现有的大型卫星系统还不能及时响应战场变化，时效性差；其次，卫星的研制、准备和发射的时间很长，费用高昂；第三，发生故障后损失巨大，不适合战术应用。这些问题迫使美国探索成本低廉、灵活可靠的空间系统，以实现更快的应用需求。
　　针对上述问题，美国调整了卫星研制的目标，提出了“更快、更好、更省”的新设计理念。随后，美国综合上述设计需要，于 2002 年首次提出快速响应（operationally responsive space，ORS）的概念。在卫星研制方面，美国海军研究实验室和空军实验室已完成了从 TacSat-1 到 TacSat-6，以及 ORS-1 到ORS-4 的研制。其中 TacSat-1、TacSat-2、TacSat-3、ORS-1 和 ORS-4 的微小卫星上装备了光学遥感载荷。
　　TacSat-1 是一颗低分辨率光学成像小卫星。它搭载的红外成像仪使用的探测器不需要低温冷却。TacSat-1 作为“战术卫星”系列的首颗卫星，在设计思想上还是继承了传统卫星和空间飞行器的设计思路。它的主要任务是验证载荷的控制和保密路由网络的数据分发，保证地面应用人员可以直接遥控星上成像设备，并从保密路由网络中获得所需要的图像信息。
　　TacSat-2 是一颗全色多光谱光学成像小卫星。它的主要任务是了解快速部署卫星的工程技术；了解快速研制新卫星和有效载荷的要求和限制；了解小卫星之间如何相互引导才能实现目标成像。TacSat-2的主要载荷是地球表面成像仪。该成像仪采用仙童公司（Fairchild）的 CCD583 型 TDI CCD（time delayedand integration charge coupled device），具有较高的地面扫描速率。在软件方面，成像仪采用了可对敏感目标图像进行提取的 RX（Reed-XiaoLi）算法；在硬件方面，成像仪使用 COTS（commercial off-the-shelf）器件实现载荷设计，同时使用即插即用技术实现设备间的接口通用化。这些改进体现了 TacSat-2 的进步。
　　TacSat-3 主要用于评估超光谱传感器的应用效能，同时研制能够快速响应的、具有灵活性和低成本的太空作战系统。其主要载荷为先进响应型战术有效军用成像光谱仪（advanced responsive tacticallyeffective military imaging spectrometer，ARTEMIS）。相比上一代产品，ARTEMIS 成像仪在成像光谱数量方面提高显著，拥有几百个成像谱段，可以探测到地面的特征，并像油画那样显示细节。在载荷设计方面，该卫星继承上一代卫星的设计思路，大胆使用 COTS 器件和总线技术，同时将多种压缩算法存储在星上，通过软件重配置技术实现单独调用，以满足不同任务的需求，还将商业相机直接加固后用于副载荷的设计。这些设计方法比上一代产品又有了很大的进步。
　　ORS-1 是一颗多光谱成像卫星。其星载设备主要包括一台改进型“高级光电侦察系统-2”（senior yearelectro-optical reconnaissance system，SYERS-2）多光谱传感器、固态存储器（容量达 64Gbits，可缓存6 000km2 未压缩的 NIIRS-4 级别的图像数据）、载荷保护装置等。其中主载荷（改进型“高级光电侦察系统-2”）是由 U2 侦察机的主载荷加固、改进而来。ORS-1 卫星是首颗使用航空机载成像设备作为主载荷的遥感卫星。该卫星的成功应用证明了此类航天器的有效性。
　　上述 4 颗美国“快响”卫星的光学遥感相机电子学系统的技术特点如表 1 所示。      

　　通过以上介绍，可以看出美国“快响”卫星光学遥感载荷的技术改进是按照逐步深入的思路进行的。第一步，实现卫星的及时响应，实现应用者对卫星的直接控制和图像的近实时传递。这是“快响”的基本要求。第二步，针对“更快、更好、更省”的设计目标，在硬件设计上开始使用通用总线技术和 COTS器件，以实现更短的研制周期和更低的制造成本，在软件设计中加入各种算法和功能函数库，并辅助以软件重配置技术，为使用者提供更多的应用选择，更好的满足差异化的任务需求。第三步，在多次使用COTS 器件的基础上，开始尝试改造 COTS 设备或军用设备，以实现更快的研发速度、更低的研制成本和更好的应用效果。
　　我国在航天遥感器的研制方面同样也遇到了诸多问题。这些问题表现为：软件产品灵活性差；硬件的元器件供货周期长，研发进度缓慢；软硬件产品通用性差，无在轨修复能力。有鉴于此，本文将以美国“快响”卫星视频相机电子学技术为目标，详细介绍这些技术的工作原理和应用情况，希望能对我国“快响”卫星的研制，尤其是遥感相机的研制有所帮助。
　　1 快响技术要求和技术途径
　　美国快速响应卫星的设计目标是“更快、更好、更省”。用“更快”的设计理念提高卫星研制的速度，用“更好”的设计目标来提高卫星的响应能力，用“更省”的设计要求来降低设计成本。具体来说，从单机研制到整星组装、调试用时 1 年左右，而发射阶段只需要 1 周左右的准备时间；功能方面要具有直接向地面使用人员提供环境感知、给出提示，并警告可能出现的威胁的能力。造价要从几亿美元减少为几千万美元。
　　为了实现上述设计要求，光学相机电子学产品在硬件、软件、单粒子监控等方面进行了如下尝试：在硬件方面，采用了工业领域中成熟的总线技术实现设备间的即插即用和快速组装，舍去超出任务要求的冗余备份并使用 COTS 器件以降低成本；在软件方面，重要的处理单元使用可在轨重新配置的 FPGA实现软件的更新，使用多种图像处理算法提高图像品质和实用性；在单粒子监控方面，使用有针对性的软硬件技术缓解单粒子效应对产品可靠性的影响，确保 COTS 器件的可靠性。这些技术的应用使得“快响”卫星相机电子学产品具有灵活、实用、适应性强、成本低、可靠性高的鲜明特点，有效的实现了原定的设计目标。
　　2 硬件技术
　　美国“快响”卫星在硬件设计方面有两个主要特点：一是广泛使用能够实现即插即用功能的通用总线。这使得设备之间的连接更加简单，测试更加方便，极大的缩短了研制周期。二是大胆的使用了低等级器件和设备。这种设计方法以目前已有的军用产品或商业现货为基础，通过对其进行软硬件加固和专项测试，使其满足航天应用的要求。这些方法极大的降低了卫星的成本，缩短了研制时间。
　　2.1 即插即用技术的应用
　　即插即用（plug-and-play，PnP）是指不需要跳线和软件配置过程，当系统插入一个即插即用设备时，可以在运行过程中动态进行检测和配置的技术。美国快速响应卫星遥感相机电子学系统中常用的即插即用总线主要有 Space Wire 总线、CPCI 总线、Ethernet 总线。
　　2.1.1 Space Wire 总线的应用
　　Space Wire 是一种网络型总线。它基于数据包路由选择（packet-switched）机制，通过高速（2~200Mbit/s）、全双工、点对点的数据链路连接节点和路由器，组成星载数据处理网络。Space Wire 采用 LVDS（low voltage differential signaling）作为电平标准，编码方式采用数据—滤波（data strobe）编码。Space Wire总线的连接方式非常灵活、网络建立十分便利，具有较好的故障检测与恢复机制。它可以保证在总线发生故障后系统能够感知，并自主进行链路重启，不引起故障扩散。在设备自动检测方面，它可以通过“握手—识别—配置”的模式实现主设备对从设备的自动检测。由于具有上述特点，Space Wire 总线可以将星上的图像数据处理设备、数据存储设备、成像设备以及地面测试系统等不同的设备和子系统方便地连接到一起，进行集成和测试，极大的缩短了产品的研发时间。Space Wire 总线在美国快速响应卫星中有很多应用，其中 TacSat-3 的 ARTEMIS 中使用了 Space Wire 总线。它通过使用一种类似于 USB 接口芯片的接口模块实现了 Space Wire 总线的接口设计。该模块可以桥接任意组件，实现设备之间的互连，简化了创建即插即用设备的方式。