鸽子（DOVE）卫星系统深度分析.docx

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1、鸽子（DOVE）卫星系统深度分析摘要：鸽子（DOVE）卫星最显著的特点是使用很小体积（IOCmxIOcmX30Cm）和重量很轻的卫星平台（5kg）获得较高分辨率（3m）图像和较高数据传输速率（200Mbps）,特别是2017年2月发射的88颗星组成的鸽子编队，首次实现了全球任何地点一天内重访观测，是商业航天小卫星成功发展和有效应用的典范，同时它的无动力星座维持技术也是独一无二的。截止到2017年10月，鸽子卫星的拥有者P1anet公司已经有188颗卫星在轨运行，为Goog1e地图和美国国家地理情报局等众多客户提供全球快速观测服务，应用效果显著。本文对整个系统、特别是其星座保持技术和实施过程进行

2、了深入分析。1基本情况P1anet于2011年由3位前NASA工程师Marsha11.ChrisBoshuizen和Sching1er创建，他们带领埃姆斯的科研团队开始了立方星的研制工作，三个人常常在工作之余甚至利用周末时间聚在车库验证自己的设想，试图通过使用电子制造技术打破传统卫星制造行业，生产大规模Dove微纳卫星，获得地面35m图像，卫星可以向下看地球、向上看空间碎片。公司包括卫星设计、建造、操控和基于web平台分发图像。P1anet在2015年并购德国黑桥图像公司和它的5个HOkg快眼卫星（RapidEye）,鸽子和快眼卫星的组合运行如图2所示,在2017年又并购Goog1的Terra

3、Be11a公司7颗高分辨率卫星SkySat,通过这些中、高分辨率和宽、窄幅宽的卫星，P1anet为政府和商业客户提供全光谱的图像服务。图1P1anet在车库里面诞生P1ANETCONSTE11ATION图2P1anet鸽子和快眼卫星协同工作截止2017年10月8日，P1anet有188个卫星在轨运行，使其成为世界上拥有最大卫星编队的私人公司，其中F1ockIC有11颗卫星在轨、FIOCk2E有10颗卫星在轨、F1ock2E,有20颗卫星在轨、FIOCk2K有48颗卫星在轨、FIOCk2P有12颗卫星在轨、FIOCk3P有88颗卫星在轨，共188颗卫星在轨,其中F1ockIB、F1ockIE和F

4、1ock2B卫星都已经失效。图32017年10月8日Dove在轨的188颗在轨卫星2卫星轨道2.1 轨道根据运载工具的不同，Dove卫星有两类轨道：空际空间站释放420km高、52度倾角轨道和运载火箭释放475km高、98度倾角太阳同步轨道，如表2所示。表2Dove轨道幢角空间站轨道52。太阳同步轨道98预期寿金1年2-3年轨道高度420km475km儆层于SSO发射高堂)表3是2015年后2个季度和2016年前3个季度，Dove卫星对地覆盖的卫星数、图像获取能力、北半球地域的重访时间，其中图像获取能力的单位是观测单元，一个观测单元为地球的陆地区域，数值为一百五十万平方公里，计算图像获取能力时

5、考虑了地球表面45%的云遮挡造成的影响，但重访时间的计算没有考虑云遮挡影响。表3DOVe对地覆盖情况032015042015O1201602201032016(XwrakxHSoteMmi3030M)tooSiMdCotectianCamcftyfMa14ndAm0IQI6IO601atitude(NorthmHmphr)DaysIoRvtitAvr*Q(M%C*Wnty)KT)gg3ffi10WBOgmg2O0*2杓10OCT力的1401)8(1QSIaM2PMU13(192e102.2 入轨方式(1)空间站搭载Dove卫星由国际空间站搭载入轨和分离，如图4所示。图4从国际空间站用机械臂释放

6、DoveF1ock1卫星(2)火箭发射2017年2月15日印度空间研究组织在印度东部SatiShDhawanSpaceCenter使用PS1V-C37火箭发射它的主卫星的CartoSat-2D(环境卫星)和其它103颗卫星。丹麦纳卫星公司(ISIS,InnovativeSo1utionsInSpacezDe1ft)负责分离其它101颗卫星。所有卫星总重量1378kg,轨道506km高度。火箭入轨不到1分钟,火箭的四级与CartoSat-2D分离，10秒，2个印度的试验纳星分离。然后就开始101卫星的按序分离，这些卫星放置在丹麦公司生产的25个QuadPacks中，如图5所示，QuadPacks

7、一次释放2颗卫星。大多数卫星是在毛里求斯和南极洲地面站之间的印度洋上空释放的，当它们经过南极洲的Tro11站时，所有104星都确认释放完毕。图5PS1V火箭和在其上放置卫星的QuadPacks装置3卫星3.1 平台Dove卫星外壳呈黑色，采用铝合金制成，质量很轻，外部是10cm10cm30cm的立方体结构，重4.7kg,内含2013个部件。中间是一个用镀金隔热条带包裹的圆柱形望远镜，二个可伸展的太阳电池阵由3块板、每块板由三角形的电池单元组成，P1anet发明了不覆盖玻璃的太阳电池阵，与过去相比可以节省成本和重量，并提供更高效的电能。电池阵用弹簧固定，由可燃丝展开。围绕它的是68个锂离子单元电

8、池，总计提供20Ah容量，每个电池配有一个加热器，还置有多个电路板，Dove的星体结构由三个支架组成，每个角的边使用1导轨，使用激光烧蚀的边板。P1anet公司并未透露Dove卫星的造价，可能是几十万美元，P1anet的航天器首席架构师BenHoward说：制造这样的系统并不难。难的是把成本降到和我们现在一样低,而且还能为特定的应用做精细的调整。一颗Dove卫星从设计到产生需要8-12周。图6Dove卫星外形DOVe姿态测量有一个星敏、一个GPS、一个用于粗太阳测量的二极管光电阵、磁力计和陀螺，DOVE3/4星敏感器精度0.01。，姿态控制精度1。沿迹视场126。，垂迹视场1.86。，星上存贮

9、器128GBo姿态控制采用4面体结构的4个作用飞轮和3个无铁心的磁力矩器，用于消化初始旋转、粗姿态控制、安全模式姿态控制和正常姿态下的动量卸载。使用B点控制器使用B场减小卫星的角速度，在这种模式下，Dove象一个永磁铁，与地磁场保持一定的角度。Dove每轨都指向天顶2次，Dove与地磁场之间的夹角在任意点都小于1。命令和数据处理系统使用单板计算机，平台和载荷控制使用X86计算机芯片，0.5TB固存，使用优般图（Ubuntu）服务器操作系统，利用看门狗重启技术克服空间辐射造成的错误。Dove射频通信系统包括VHF无线信标发送遥测,S频段跳扩频提供双向通信，并做为主要的无线下行通道。卫星上电后，第

10、一个任务就是VHF（145.825MHz）无线信标发送遥测，信标包含健康包（包括温度、电源、电流和RSS1太阳向量和加速度），使用AFSK调制方式、12bps速率，AX.25协议，每30秒发送一次。信标功率最大IW,使用1/4波长单极天线。S波段工作2.4GHz半双工ISM模式（工业、科学和医用），使用帖片天线，速率115kbit/s,上传30kbitsoriA03U.3J47MIMF2W42MH/图8DOVe星上通信测控系统原理图3.2 有效载荷P1anet已经发展了三个版本的光学系统P1anetScopeO(PSO),P1anetScope1(PS1)和Scope2(PS2)oP1anet

11、以卫星编队模式工作，每颗卫星不单独工作，它们保持对地指向。PSO和PS1安装2个基本的马克苏托夫-卡塞格林式光学单元，使用1千1百万像素的CCD;PS2安装5个基本的马克苏托夫-卡塞格林式光学单元，可以提供更宽的视场，使用2千9百万像素的CCDo鸽子卫星的主载荷是一个91mm的马克苏托夫-卡塞格林式中分辨率光学望远镜，镜长20cm、焦距1.14m,其光轴沿卫星的中轴以达到最长的聚集长度。焦阵旋放置在从口径向后看大约32cm处，因此CCD放在卫星的最后面。由于相机电路无法放到卫星后部内部，因此在卫星后面的外面增加了一个金枪鱼罐头，一个由NASAAmes在Genesat和O/OREOS卫星上发明的

12、新颖装置。为了获得光线能够到达卫星的尾部，一个窄的光学管安置在卫星尾部的中央。PSO和PS1在620km轨道高度时(F1OCk1C)分辨率为4m,垂直视场16.1kms水平视场10.7km,一幅图面积173平方公里；PSO和PS1在420km轨道高度时(ISS释放)分辨率为2.7m,垂直视场10.9kmx水平视场7.3km,一辐图面积：79平方公里。PS2在420km轨道高度时(ISS释放)分辨率为3.3m,垂直视场21.8km.水平视场14.5km,一辐图面积：316平方公里。PS2在475km太阳同步轨道高度时，地面分辨率：3.73s水平视场：24.6km、垂直视场:16.4km,平面40

13、5平方km029MPCCDdetectoro鸽子卫星获取黑白和多光谱彩色全景图像，最新的鸽子可以获取近红外图像。图像的分辨率为3-5m,取决于它的轨道高度，卫星的一幅图像可以是一个连续带，即一个场景，这个场景可以是单一RGB(redzgreenzb1ue)z也可以一半RGB、一半近红外。PhotonstoDigita1Numbers.Te1euopeCjmeriCXgiU1InU1eetzz.rr1图9鸽子卫星光学系统结构4地面系统P1anet建设了自己的地面系统，支持任务管理和图像获取，每个站有一幅或多幅天线和相应的射频系统，本地计算机服务器通过安全VPN连接到中心，地面站获取的图像发送到P

14、1anet云服务中心处理,PIanet地面系统组成如图10所示，任务中心和数据分析中心位于美国旧金山的P1anet总部，测控站位于美国肯塔基州的Morehead,远端地面站包括力口利福尼亚的Ha1fmOOnbay和Pa1oaIto,英国的Chi1boton以及德国、新西兰和澳大利亚，共10个地面站30多副天线，全球分布如图13所示。一个站点多幅X/S天线或园极化八木天线，如图11所示，其中4.5到7.6米口径天线的G/T大于29dBKo单站每圈接收时间7-10分钟、数据速率160-220MbPS,接收数据量12-15GB。Morehead.KYHa1fMoon8ay,CA6mdthCosmog

15、iaMissionContro1andDataCenter图10鸽子卫星地面系统组成图11P1anet地面站天线旧金山的P1anet总部的任务控制中心操纵着4个地方的天线，它们通过安全的互联网通信。Pa1oA1to和Morehead（其控制中心和UHF天线如图12所示），具有UHF通信能力，Ha1fmoonbay具有UHF、X和S能力。在获得DDTC批准后,Chi1bo1ton也将具有UHFsX和S能力。图12Morehead大学的卫星控制中心和21米UHF接收天线图13冰岛凯夫拉维克4.5米地面站和P1anet在全球测站分布5图像获取和处理(1)图像获取与传统的卫星任务模式不同，P1anet公司通过卫星编队合理设计以获取连续图像，一个完整的编队，使p1anet一天就能获取全球一幅完整图。在传统遥感模式下，观测目标是按优先级排列，低优先级的目标获得很少或者获得不到图像。而P1anet使用在线扫描图像捕获方法，控制编队内所有卫星协调一致地连续获取地面光照的图像，一个完整的卫星编队，一天就能获取整个地球的全部图像。传统模式P1anet模式