摘要：鴿子（DOVE）衛(wèi)星最顯著的特點是使用很小體積(10cm x 10cm x 30cm)和重量很輕的衛(wèi)星平臺（5kg）獲得較高分辨率（3m）圖像和較高數(shù)據(jù)傳輸速率（200 Mbps），特別是2017年2月發(fā)射的88顆星組成的鴿子編隊，首次實現(xiàn)了全球任何地點一天內(nèi)重訪觀測，是商業(yè)航天小衛(wèi)星成功發(fā)展和有效應(yīng)用的典范，同時它的無動力星座維持技術(shù)也是獨一無二的。截止到2017年10月，鴿子衛(wèi)星的擁有者Planet公司已經(jīng)有188顆衛(wèi)星在軌運行，為Google地圖和美國國家地理情報局等眾多客戶提供全球快速觀測服務(wù)，應(yīng)用效果顯著。本文對整個系統(tǒng)、特別是其星座保持技術(shù)和實施過程進行了深入分析。

1   基本情況

  Planet于2011年由3位前NASA工程師Marshall、Chris Boshuizen和Schingler創(chuàng)建，他們帶領(lǐng)埃姆斯的科研團隊開始了立方星的研制工作，三個人常常在工作之余甚至利用周末時間聚在車庫驗證自己的設(shè)想，試圖通過使用電子制造技術(shù)打破傳統(tǒng)衛(wèi)星制造行業(yè)，生產(chǎn)大規(guī)模Dove微納衛(wèi)星，獲得地面3～5m圖像，衛(wèi)星可以向下看地球、向上看空間碎片。公司包括衛(wèi)星設(shè)計、建造、操控和基于web平臺分發(fā)圖像。Planet在2015年并購德國黑橋圖像公司和它的5個110kg快眼衛(wèi)星（RapidEye），鴿子和快眼衛(wèi)星的組合運行如圖 2所示，在2017年又并購Googl 的Terra Bella公司7顆高分辨率衛(wèi)星SkySat，通過這些中、高分辨率和寬、窄幅寬的衛(wèi)星，Planet為政府和商業(yè)客戶提供全光譜的圖像服務(wù)。

圖 1  Planet在車庫里面誕生

圖 2  Planet鴿子和快眼衛(wèi)星協(xié)同工作

截止2017年10月8日，Planet有188個衛(wèi)星在軌運行，使其成為世界上擁有最大衛(wèi)星編隊的私人公司，其中Flock 1C有11顆衛(wèi)星在軌、Flock 2E有10顆衛(wèi)星在軌、Flock 2E’有20顆衛(wèi)星在軌、Flock 2K有48顆衛(wèi)星在軌、Flock 2P有12顆衛(wèi)星在軌、Flock 3P有88顆衛(wèi)星在軌，共188顆衛(wèi)星在軌，其中Flock 1B、Flock 1E和Flock 2B衛(wèi)星都已經(jīng)失效。

圖3  2017年10月8日Dove在軌的188顆在軌衛(wèi)星

2 衛(wèi)星軌道

2.1軌道

根據(jù)運載工具的不同，Dove衛(wèi)星有兩類軌道：空際空間站釋放420km高、52度傾角軌道和運載火箭釋放475km高、98度傾角太陽同步軌道，如表 2所示。

表2 Dove軌道

表3是2015年后2個季度和2016年前3個季度，Dove衛(wèi)星對地覆蓋的衛(wèi)星數(shù)、圖像獲取能力、北半球地域的重訪時間，其中圖像獲取能力的單位是觀測單元，一個觀測單元為地球的陸地區(qū)域，數(shù)值為一百五十萬平方公里，計算圖像獲取能力時考慮了地球表面45%的云遮擋造成的影響，但重訪時間的計算沒有考慮云遮擋影響。

表 3   Dove對地覆蓋情況

2.2 入軌方式

（1）空間站搭載

Dove衛(wèi)星由國際空間站搭載入軌和分離，如圖4所示。   

圖 4 從國際空間站用機械臂釋放Dove Flock1衛(wèi)星

（2）火箭發(fā)射

    2017年2月15日印度空間研究組織在印度東部SatishDhawan Space Center 使用PSLV-C37火箭發(fā)射它的主衛(wèi)星的CartoSat-2D(環(huán)境衛(wèi)星)和其它103顆衛(wèi)星。丹麥納衛(wèi)星公司（ISIS，InnovativeSolutions In Space, Delft）負(fù)責(zé)分離其它101顆衛(wèi)星。所有衛(wèi)星總重量1378kg，軌道506 km高度?；鸺胲壊坏?分鐘，火箭的四級與CartoSat-2D分離，10秒，2個印度的試驗納星分離。然后就開始101衛(wèi)星的按序分離，這些衛(wèi)星放置在丹麥公司生產(chǎn)的25個QuadPacks中，如圖 5所示，QuadPacks一次釋放2顆衛(wèi)星。大多數(shù)衛(wèi)星是在毛里求斯和南極洲地面站之間的印度洋上空釋放的，當(dāng)它們經(jīng)過南極洲的Troll站時，所有104星都確認(rèn)釋放完畢。

圖 5 PSLV火箭和在其上放置衛(wèi)星的QuadPacks裝置

3  衛(wèi)星

3.1 平臺

Dove衛(wèi)星外殼呈黑色，采用鋁合金制成，質(zhì)量很輕，外部是10cm×10cm×30cm的立方體結(jié)構(gòu)，重4.7kg，內(nèi)含2013個部件。中間是一個用鍍金隔熱條帶包裹的圓柱形望遠(yuǎn)鏡，二個可伸展的太陽電池陣由3塊板、每塊板由三角形的電池單元組成，Planet發(fā)明了不覆蓋玻璃的太陽電池陣，與過去相比可以節(jié)省成本和重量，并提供更高效的電能。電池陣用彈簧固定，由可燃絲展開。圍繞它的是6～8個鋰離子單元電池，總計提供20 Ah容量，每個電池配有一個加熱器，還置有多個電路板，Dove的星體結(jié)構(gòu)由三個支架組成，每個角的邊使用L導(dǎo)軌，使用激光燒蝕的邊板。Planet公司并未透露Dove衛(wèi)星的造價，可能是幾十萬美元，Planet的航天器首席架構(gòu)師BenHoward說：“制造這樣的系統(tǒng)并不難。難的是把成本降到和我們現(xiàn)在一樣低，而且還能為特定的應(yīng)用做精細(xì)的調(diào)整”。一顆Dove衛(wèi)星從設(shè)計到產(chǎn)生需要8-12周。

圖 6   Dove衛(wèi)星外形

Dove姿態(tài)測量有一個星敏、一個GPS、一個用于粗太陽測量的二極管光電陣、磁力計和陀螺，DOVE3/4星敏感器精度0.01°，姿態(tài)控制精度1°。沿跡視場1.26°, 垂跡視場1.86°，星上存貯器128GB。姿態(tài)控制采用4面體結(jié)構(gòu)的4個作用飛輪和3個無鐵心的磁力矩器，用于消化初始旋轉(zhuǎn)、粗姿態(tài)控制、安全模式姿態(tài)控制和正常姿態(tài)下的動量卸載。使用B點控制器使用B場減小衛(wèi)星的角速度，在這種模式下，Dove象一個永磁鐵，與地磁場保持一定的角度。Dove每軌都指向天頂2次，Dove與地磁場之間的夾角在任意點都小于1°。

命令和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)使用單板計算機，平臺和載荷控制使用X86計算機芯片，0.5TB固存，使用優(yōu)般圖（Ubuntu）服務(wù)器操作系統(tǒng)，利用看門狗重啟技術(shù)克服空間輻射造成的錯誤。

Dove射頻通信系統(tǒng)包括VHF無線信標(biāo)發(fā)送遙測，S頻段跳擴頻提供雙向通信，并做為主要的無線下行通道。衛(wèi)星上電后，第一個任務(wù)就是VHF （145.825 MHz）無線信標(biāo)發(fā)送遙測，信標(biāo)包含健康包（包括溫度、電源、電流和RSSI、太陽向量和加速度），使用AFSK調(diào)制方式、1.2bps速率，AX.25協(xié)議，每30秒發(fā)送一次。信標(biāo)功率最大1W，使用1/4波長單極天線。 S波段工作2.4 GHz半雙工ISM模式（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用），使用帖片天線，速率115kbit/s，上傳30kbit/s。

圖 8  Dove星上通信測控系統(tǒng)原理圖

3.2 有效載荷

Planet已經(jīng)發(fā)展了三個版本的光學(xué)系統(tǒng)PlanetScope0（PS0）, Planet Scope1（PS1）和Scope2（PS2）。Planet以衛(wèi)星編隊模式工作，每顆衛(wèi)星不單獨工作，它們保持對地指向。PS0和PS1安裝2個基本的馬克蘇托夫-卡塞格林式光學(xué)單元，使用1千1百萬像素的CCD；PS2安裝5個基本的馬克蘇托夫-卡塞格林式光學(xué)單元，可以提供更寬的視場，使用2千9百萬像素的CCD。

鴿子衛(wèi)星的主載荷是一個91mm的馬克蘇托夫-卡塞格林式中分辨率光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，鏡長20cm、焦距1.14m，其光軸沿衛(wèi)星的中軸以達到最長的聚集長度。焦陣旋放置在從口徑向后看大約32cm處，因此CCD放在衛(wèi)星的最后面。由于相機電路無法放到衛(wèi)星后部內(nèi)部，因此在衛(wèi)星后面的外面增加了一個“金槍魚罐頭”，一個由NASAAmes在Genesat和O/OREOS衛(wèi)星上發(fā)明的新穎裝置。為了獲得光線能夠到達衛(wèi)星的尾部，一個窄的光學(xué)管安置在衛(wèi)星尾部的中央。

PS0 和PS1在620km軌道高度時（Flock1c）分辨率為4m，垂直視場16.1km、水平視場10.7km，一幅圖面積173平方公里；PS0 和PS1在420km軌道高度時（ISS釋放）分辨率為2.7m，垂直視場10.9km、水平視場7.3km，一輻圖面積：79平方公里。PS2在420km軌道高度時（ISS釋放）分辨率為3.3m，垂直視場21.8km、水平視場14.5km，一輻圖面積：316平方公里。PS2在475km太陽同步軌道高度時，地面分辨率：3.73、水平視場：24.6 km、垂直視場: 16.4 km，平面405 平方km。29MP CCD detector。

鴿子衛(wèi)星獲取黑白和多光譜彩色全景圖像，最新的鴿子可以獲取近紅外圖像。圖像的分辨率為3-5m，取決于它的軌道高度，衛(wèi)星的一幅圖像可以是一個連續(xù)帶，即一個場景，這個場景可以是單一RGB(red, green, blue)，也可以一半RGB、一半近紅外。

圖9  鴿子衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4  地面系統(tǒng)

Planet建設(shè)了自己的地面系統(tǒng)，支持任務(wù)管理和圖像獲取，每個站有一幅或多幅天線和相應(yīng)的射頻系統(tǒng)，本地計算機服務(wù)器通過安全VPN連接到中心，地面站獲取的圖像發(fā)送到Planet云服務(wù)中心處理，Planet地面系統(tǒng)組成如圖10所示，任務(wù)中心和數(shù)據(jù)分析中心位于美國舊金山的Planet 總部，測控站位于美國肯塔基州的Morehead,遠(yuǎn)端地面站包括加利福尼亞的Halfmoon bay和Paloalto，英國的Chilboton以及德國、新西蘭和澳大利亞，共10個地面站30多副天線，全球分布如圖13所示。一個站點多幅X/S天線或園極化八木天線，如圖11所示，其中4.5到7.6米口徑天線的G/T大于 29 dB/K。單站每圈接收時間7-10分鐘、數(shù)據(jù)速率160-220Mbps，接收數(shù)據(jù)量12-15 GB。

圖 10  鴿子衛(wèi)星地面系統(tǒng)組成

圖 11  planet地面站天線   

舊金山的Planet總部的任務(wù)控制中心操縱著4個地方的天線，它們通過安全的互聯(lián)網(wǎng)通信。PaloAlto和Morehead（其控制中心和UHF天線如圖12所示），具有UHF通信能力，Halfmoon bay具有UHF、X和S能力。在獲得DDTC批準(zhǔn)后，Chilbolton也將具有UHF、X和S能力。

圖12 Morehead大學(xué)的衛(wèi)星控制中心和21米UHF接收天線

圖13 冰島凱夫拉維克4.5米地面站和Planet在全球測站分布

5  圖像獲取和處理

  （1）圖像獲取

與傳統(tǒng)的衛(wèi)星任務(wù)模式不同，Planet公司通過衛(wèi)星編隊合理設(shè)計以獲取連續(xù)圖像，一個完整的編隊，使planet一天就能獲取全球一幅完整圖。

在傳統(tǒng)遙感模式下，觀測目標(biāo)是按優(yōu)先級排列，低優(yōu)先級的目標(biāo)獲得很少或者獲得不到圖像。而Planet使用“在線掃描圖像捕獲方法”，控制編隊內(nèi)所有衛(wèi)星協(xié)調(diào)一致地連續(xù)獲取地面光照的圖像，一個完整的衛(wèi)星編隊，一天就能獲取整個地球的全部圖像。

                              傳統(tǒng)模式

                 Planet模式

                         圖 14  鴿子衛(wèi)星群取圖模式

（2）數(shù)據(jù)處理

采用標(biāo)準(zhǔn)的RGGB排列、BayerMask在它的CCD相機前部。圖像數(shù)據(jù)是從相機按相素陣型列12bit位采集，planet衛(wèi)星軟件采用工業(yè)插補標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成RGB圖像并存貯為BMP文件格式，在這種方式下，每個信道的顏色采用8bit，BMP文件被壓縮成WebP格式。取決于在地球的哪個位置，圖像被抽樣、降低分辨率下傳，以減少文件的大小。WebP格式用于載荷數(shù)據(jù)并下傳到地面。星上原始數(shù)據(jù)可以存貯3天以備下傳。如果需要，每幅圖像都標(biāo)注成三種類型數(shù)據(jù)：相機、壓縮和姿態(tài)/位置元數(shù)據(jù)。相機元數(shù)據(jù)包括曝光時間和增益、壓縮元數(shù)據(jù)包括壓縮類型和質(zhì)量等級、姿態(tài)元數(shù)據(jù)包括時標(biāo)、軌道位置估計和衛(wèi)星指向估計。

6  數(shù)據(jù)傳輸

6.1 通信體制

美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）在2014年11月批準(zhǔn)Planet從國際空間站發(fā)射最多500顆納衛(wèi)星進入非同步軌道，高度為380km至410km，傾角51.6o。使用X波段的8025-8400MHz向地面發(fā)射遙測和遙感數(shù)據(jù)，S波段的2025-2110MHz接收遙控指令，UHF的401-402 MHz和449.75-450.25 MHz用于早期和緊急情況下的備份跟蹤、遙測和遙控。這些頻率的有效期15年，申請費用45萬美元，年費15萬美元，保證金500 萬美元。Dove 1/2的通信系統(tǒng)及天線配置如圖15所示。其中，UHF 收發(fā)信機由SoCCC1110 實現(xiàn)了4800 bps的上下行與2km 精度的測距功能；S 波段使用ISM 擴頻收發(fā)信機MHX-2420；X波段發(fā)射機發(fā)射功率3W，使用DVB-S2協(xié)議，最高速率可達120 Mbps。

Dove的通信體制如表 4所示，其中X波段（8.2GHz）用于圖像數(shù)據(jù)、圖像元數(shù)據(jù)、遙測；S波段（2.056 GHz用于測控、相機工作任務(wù)，圖像下傳任務(wù)；UHF（401.3MHz）用于測控，衛(wèi)星健康狀態(tài)；UHF（450.0MHz）用于測控和基本任務(wù)，如表5所示。表6是鴿子衛(wèi)星高速數(shù)傳技術(shù)改進過程，可以看出，隨著天線增益的增加和采用高階調(diào)制技術(shù)，最終Dove使用3W功率傳輸200Mbps數(shù)據(jù)。

表 4   Dove 通信體制

表 5  Dove 使用的頻率

圖 15   鴿子衛(wèi)星傳輸信道

表 6  鴿子衛(wèi)星高速數(shù)傳技術(shù)改進過程

6.2 數(shù)據(jù)壓縮和安全

星上圖像數(shù)據(jù)12位采樣，壓縮成8位傳至地面站，采用了GammaEncoding、Green Channel Compression和JPEG加密算法。

星上的SSH服務(wù)器提供S鏈路的128位AES加密保護和UHF鏈路的自定義串行協(xié)議的128位AES算法。星-地數(shù)據(jù)傳輸采用了工業(yè)加密技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，遙測和遙控采用AES-256-CRT方法、遙感圖像傳輸采用SSH AES-128算法、地面?zhèn)鬏敳捎肰PN網(wǎng)絡(luò)和SSH AES-256算法，星地傳輸協(xié)議和加密算法如表7所示。

地面收到的遙感數(shù)據(jù)存貯采用AES-128算法、磁盤加密和口令保護方法，所有的數(shù)據(jù)都在總部定期進行備份保存和刻DVD盤保存。

表 7   Dove 使用傳輸協(xié)議和加密算法

除了上述算法外，為確保安全，Planet還采取了下述保護措施：

（1） 測控采用S和UHF上行信道備份；

（2） 采用口令保護、只在衛(wèi)星過測控站頂時下傳數(shù)據(jù)、使用SSH算法、個人安全措施、物理安全這5種手段防止非法接入；

（3） 限制取圖：通過上行數(shù)據(jù)更新有效載荷工作時間表，防止它們被利用，采用這種方法，相機在不工作時處于關(guān)機狀態(tài)；

（4） 限制數(shù)據(jù)分發(fā)：數(shù)據(jù)不對外分發(fā)。

7   衛(wèi)星運控

Dove 使用X波段傳圖像和系統(tǒng)遙測數(shù)據(jù)，速率120Mbit/s，主遙控鏈路使用S波段。盡管UHF速率低，但在早期和備份時候用于遙測、遙控。例如Flock-1(28顆) 除了正常情況下用8205-8400MHz傳遙測和2025-2110MHz (2056 MHz)發(fā)遙控外，還使用UHF的401-402MHz(401.3 MHz下行遙測)、449.75-450.25MHz(450.0 MHz上行遙控備份)作為早期和應(yīng)急測控。

衛(wèi)星的在軌測控由位于舊金山的團隊實施，所有操作完全自動化，當(dāng)每一顆衛(wèi)星白天飛過陸地上方時，會拍攝圖像。當(dāng)它經(jīng)過某個地面站覆蓋的范圍上方時，將下傳這些圖像。剩下的時間，航天器處于閑置的狀態(tài)，給電池充電，運用大氣阻力去維持和其他航天器在星座中的相對的距離，按照既定的配置運行。為了解決從低軌道的空間站釋放大量衛(wèi)星會為跟蹤和測距產(chǎn)生困難，planet發(fā)明新的跟蹤和測距技術(shù)，使其在Flock 1C釋放時，在第一次經(jīng)過測站上空時就成功地聯(lián)系上了所有11顆衛(wèi)星。

一顆Dove衛(wèi)星每天負(fù)責(zé)收集10000張圖像，共覆蓋200萬平方公里，相當(dāng)于墨西哥（或西藏與青海）的國土面積。這些多達40G的圖片，通過衛(wèi)星與Planet公司的12個地面站之間每天10次、每次8分鐘的定制無線電通道傳輸至地面，Planet公司的這12個地面站分布在南極、智利、夏威夷和冰島等地

Planet任務(wù)中心開發(fā)了用戶自動軟件，只使用幾個人就可以利用分布全球的30個站管理衛(wèi)星編隊。操作100多顆衛(wèi)星是史無前例的，Planet任務(wù)控制隊伍開發(fā)了用戶自動軟件管理整個衛(wèi)星編隊，這個軟件可以讓幾個人計劃圖像觀測窗口，上載新的程序和使用全球30個地面站下載圖像。所有地面站每天接收超過1000多次X頻段的數(shù)據(jù)傳輸，每個衛(wèi)星的傳輸速度最高可達200Mbit/s，數(shù)據(jù)總量超過5TB。

8  星座保持分析

與一些大衛(wèi)星使用有動力推進系統(tǒng)實現(xiàn)軌道維持不同，Dove采用了無源推力技術(shù)實現(xiàn)了整個星座的衛(wèi)星之間的相位保持，Planet使用了一種叫做“差分拖拽”的技術(shù)，讓太陽能帆板扮演船帆的角色，借助微量的大氣阻力減緩某個Dove衛(wèi)星的速度，以協(xié)調(diào)其與其它Dove衛(wèi)星的位置關(guān)系。根據(jù)我們的估計DOVE太陽能帆板向前翻時，衛(wèi)星運行遇到的阻力是帆板保持水平狀態(tài)時的七倍。Planet進行了大量的阻力差控制衛(wèi)星編隊相位的試驗，測試了姿態(tài)在三軸模式下的高阻力模式。阻力差方法是1989年由空間公司提出來的并在2012年利用立方星做了實際試驗。Planet利用28顆成功做了類似的試驗，在35天內(nèi)使這28顆衛(wèi)星均勻分布在360度軌道內(nèi)。Planet發(fā)現(xiàn)在低軌道對立方星來況，CD=2.2的光壓系數(shù)與實際情況至少低估計了50%，目前Planet優(yōu)化操作延長衛(wèi)星壽命。

一旦衛(wèi)星部署完畢，Planet公司的姿態(tài)與確定控制系統(tǒng)就會接管。Dove衛(wèi)星上的陀螺儀和傳感器會尋找磁場、地平線、太陽和其他恒星的位置。磁力矩器和反作用輪隨后調(diào)整衛(wèi)星，直到衛(wèi)星到達理想方位。

8.1 編隊分布控制實施

圖16到圖 22是我們繪制的從2017年2月26日到7月25日DOVE衛(wèi)星空間軌道分布圖，由圖可以看出衛(wèi)星從火箭分離時是分兩個批次分離的，兩個批次大約間隔3分鐘，然后這兩個批次分別獨立控制，用了將近3個月的時間，各自將本批次的180°空間填滿，從而形成所有衛(wèi)星在一個軌道面基本均勻分布。

   圖 16  2月26日

圖 17 3月16日

       圖18  3月26日

圖 19   4月10日

      圖20   4月26日

圖 21  5月6日 

       圖 22  5月26日

圖 23   7月25日

8.2 控制示例分析

圖24到圖26是編號為42002衛(wèi)星從4月26日到7月26日期間前后相鄰衛(wèi)星的分布情況，可以看出，它前后衛(wèi)星的編號并不是保持不變，而是不斷變化的，因此可以看出Dove的星座保持各衛(wèi)星之間的相位不是固定不變的，而是動態(tài)變化，這是由于控制精度不夠造成的，但這種誤差能夠滿足任務(wù)的要求。

表 8  編號42002衛(wèi)星相鄰衛(wèi)星編號4個月變化情況

  圖 24   4月26日

圖 25    5月26日

 圖 26   6月26日

圖 27  7月26日

9  衛(wèi)星應(yīng)用

一旦接收到衛(wèi)星圖像，Planet軟件就會開始編輯，并刪除被云和陰影遮擋的照片。隨后，客戶就可以從客戶端登錄應(yīng)用程序并瀏覽其心儀的照片。PlanetLabs的大客戶包括墨西哥政府、德國航天局，還有諸如孟山都、威爾伯-愛麗絲和拜耳作物科學(xué)等農(nóng)業(yè)公司。他們每年投入數(shù)百萬甚至數(shù)千萬美元，以獲得最新、最高質(zhì)量圖像的訪問權(quán)，而同樣的內(nèi)容對于非盈利組織、學(xué)生和新聞機構(gòu)則是免費的。

對于普通大眾來說，他們可以免費訪問較舊的低質(zhì)量圖片。2016年9月26日，美國國家地理情報局與Planet簽約，花20million購買Planet公司的7個月圖像使用權(quán)，使得美國國家地理情報局每15天就可以更新85%的大陸圖像。

Planet為用戶提供實時在線數(shù)據(jù)管道服務(wù)，確保容易使用和直觀Web接入Planet最新的圖像和完整的歷史數(shù)據(jù)庫，這意味著可以提供自動拼圖服務(wù)，即每個場景作為一個圖像瓦片，每個場景獲取的確切時間是可知道的。圖像用于農(nóng)業(yè)、地圖、城市交通、資源分析、天氣響應(yīng)、替代能源和海洋監(jiān)視。

 農(nóng)業(yè)

地圖

城市交通

資源分析

天氣響應(yīng)

   替代能源