鸽子（DOVE）卫星系统深度分析

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(10cm x 10cm x 30cm)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（200 Mbps），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Planet公司已经有188颗卫星在轨运行，为Google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了深入分析。

1 基本情况
Planet于2011年由3位前NASA工程师Marshall、Chris Boshuizen和Schingler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3～5m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。

Planet在2015年并购德国黑桥图像公司和它的5个110kg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Googl 的T erra Bella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，Planet为政府和商业客户提供全光谱的图像服务。

图 1 Planet在车库里面诞生
图 2 Planet鸽子和快眼卫星协同工作
截止2017年10月8日，Planet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Flock 1C有11颗卫星在轨、Flock 2E有10颗卫星在轨、Flock 2E’有20颗卫星在轨、Flock 2K有48颗卫星在轨、Flock 2P有12颗卫星在轨、Flock 3P有88颗卫星在轨，共188颗卫星在轨，其中Flock 1B、Flock 1E和Flock 2B卫星都已经失效。

图3 2017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2 Dove轨道
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 3 Dove对地覆盖情况
2.2 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Dove Flock1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SatishDhawan Space Center 使用PSLV-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，InnovativeSolutions In Space, Delft）负责分离其它101颗卫星。

所有卫星总重量1378kg，轨道506 km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Troll站时，所有104星都确认释放完毕。

图 5 PSLV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10cm×10cm×30cm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，Planet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6～8个锂离子单元电池，总计提供20 Ah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L导轨，使用激光烧蚀的边板。

Planet公司并未透露Dove卫星的造价，可能是几十万美元，Planet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 6 Dove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1.26°, 垂迹视场1.86°，星上存贮器128GB。

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，第一个任务就是VHF （145.825 MHz）无线信标发送遥测，信标包含健康包（包括温度、电源、电流和RSSI、太阳向量和加速度），使用AFSK 调制方式、1.2bps速率，AX.25协议，每30秒发送一次。

信标功率最大1W，使用1/4波长单极天线。

S波段工作2.4 GHz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30kbit/s。

图 8 Dove星上通信测控系统原理图
3.2 有效载荷
Planet已经发展了三个版本的光学系统PlanetScope0（PS0）, Planet Scope1（PS1）和Scope2（PS2）。

Planet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。

PS0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CCD。

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。

PS0 和PS1在620km轨道高度时（Flock1c）分辨率为4m，垂直视场16.1km、水平视场10.7km，一幅图面积173平方公里；PS0 和PS1在420km轨道高度时（ISS释放）分辨率为2.7m，垂直视场10.9km、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：3.73、水平视场：24.6 km、垂直视场:
16.4 km，平面405 平方km。

29MP CCD detector。

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(red, green, blue)，也可以一半RGB、一半近红外。

图9 鸽子卫星光学系统结构
4 地面系统
Planet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Planet云服务中心处理，Planet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Planet 总部，测控站位于美国肯塔基州的Morehead,远端地面站包括加利福尼亚的Halfmoon bay和Paloalto，英国的Chilboton 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29 dB/K。

单站每圈接收时间7-10分钟、数据速率160-220Mbps，接收数据量12-15 GB。

图 10 鸽子卫星地面系统组成
图 11 planet地面站天线
旧金山的Planet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。

PaloAlto和Morehead（其控制中心和UHF天线如图12所示），具有UHF通信能力，Halfmoon bay具有UHF、X和S能力。

在获得DDTC批准后，Chilbolton也将具有UHF、X和S能力。

图12 Morehead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Planet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，Planet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planet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Planet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
Planet模式
图 14 鸽子卫星群取图模式
（2）数据处理
采用标准的RGGB排列、BayerMask在它的CCD相机前部。

图像数据是从相机按相素阵型列12bit位采集，planet卫星软件采用工业插补标准构成RGB图像并存贮为BMP文件格式，在这种方式下，
每个信道的颜色采用8bit，BMP文件被压缩成WebP格式。

取决于在地球的哪个位置，图像被抽样、降低分辨率下传，以减少文件的大小。

WebP格式用于载荷数据并下传到地面。

星上原始数据可以存贮3天以备下传。

如果需要，每幅图像都标注成三种类型数据：相机、压缩和姿态/位置元数据。

相机元数据包括曝光时间和增益、压缩元数据包括压缩类型和质量等级、姿态元数据包括时标、轨道位置估计和卫星指向估计。

6 数据传输
6.1 通信体制
美国联邦通信委员会（FCC）在2014年11月批准Planet从国际空间站发射最多500颗纳卫星进入非同步轨道，高度为380km至410km，倾角51.6º。

使用X波段的8025-8400MHz向地面发射遥测和遥感数据，S波段的2025-2110MHz接收遥控指令，UHF的401-402 MHz和449.75-450.25 MHz用于早期和紧急情况下的备份跟踪、遥测和遥控。

这些频率的有效期15年，申请费用45万美元，年费15万美元，保证金500 万美元。

Dove 1/2的通信系统及天线配置如图15所示。

其中，UHF 收发信机由SoCCC1110 实现了4800 bps的上下行与2km 精度的测距功能；S 波段使用ISM 扩频收发信机MHX-2420；X波段发射机发射功率3W，使用DVB-S2协议，最高速率可达120 Mbps。

Dove的通信体制如表4所示，其中X波段（8.2GHz）用于图像数据、图像元数据、遥测；S波段（2.056 GHz用于测控、相机工作任务，图像下传任务；UHF（401.3MHz）用于测控，卫星健康状态；UHF（450.0MHz）用于测控和基本任务，如表5所示。

表6是鸽子卫星高速数传技术改进过程，可以看出，随着天线增益的增加和采用高阶调制技术，最终Dove使用3W功率传输200Mbps数据。

表 4 Dove 通信体制
表 5 Dove 使用的频率
图 15 鸽子卫星传输信道
表 6 鸽子卫星高速数传技术改进过程
6.2 数据压缩和安全
星上图像数据12位采样，压缩成8位传至地面站，采用了GammaEncoding、Green Channel Compression和JPEG加密算法。

星上的SSH服务器提供S链路的128位AES加密保护和UHF链路的自定义串行协议的128位AES算法。

星-地数据传输采用了工业加密技术标准，遥测和遥控采用AES-256-CRT方法、遥感图像传输采用SSH AES-128算法、地面传输采用VPN网络和SSH AES-256算法，星地传输协议和加密算法如表7所示。

地面收到的遥感数据存贮采用AES-128算法、磁盘加密和口令保护方法，所有的数据都在总部定期进行备份保存和刻DVD盘保存。

表 7 Dove 使用传输协议和加密算法
除了上述算法外，为确保安全，Planet还采取了下述保护措施：
（1）测控采用S和UHF上行信道备份；
（2）采用口令保护、只在卫星过测控站顶时下传数据、使用SSH算法、个人安全措施、物理安全这5种手段防止非法接入；
（3）限制取图：通过上行数据更新有效载荷工作时间表，防止它们被利用，采用这种方法，相机在不工作时处于关机状态；
（4）限制数据分发：数据不对外分发。

7 卫星运控
Dove 使用X波段传图像和系统遥测数据，速率120Mbit/s，主遥控链路使用S波段。

尽管UHF速率低，但在早期和备份时候用于遥测、遥控。

例如Flock-1(28颗) 除了正常情况下用8205-8400MHz传遥测和2025-2110MHz (2056 MHz)发遥控外，还使用UHF的401-402MHz(401.3 MHz下行遥测)、449.75-450.25MHz(450.0 MHz上行遥控备份)作为早期和应急测控。

卫星的在轨测控由位于旧金山的团队实施，所有操作完全自动化，当每一颗卫星白天飞过陆地上方时，会拍摄图像。

当它经过某个地面站覆盖的范围上方时，将下传这些图像。

剩下的时间，航天器处于闲置的状态，给电池充电，运用大气阻力去维持和其他航天器在星座中的相对的距离，按照既定的配置运行。

为了解决从低轨道的空间站释放大量卫星会为跟踪和测距产生困难，planet发明新的跟踪和测距技术，使其在Flock 1C释放时，在第一次经过测站上空时就成功地联系上了所有11颗卫星。

一颗Dove卫星每天负责收集10000张图像，共覆盖200万平方公里，相当于墨西哥（或西藏与青海）的国土面积。

这些多达40G的图片，通过卫星与Planet公司的12个地面站之间每天10次、每次8分钟的定制无线电通道传输至地面，Planet公司的这12个地面站分布在南极、智利、夏威夷和冰岛等地
Planet任务中心开发了用户自动软件，只使用几个人就可以利用分布全球的30个站管理卫星编队。

操作100多颗卫星是史无前例的，Planet任务控制队伍开发了用户自动软件管理整个卫星编队，这个软件可以让几个人计划图像观测窗口，上载新的程序和使用全球30个地面站下载图像。

所有地面站每天接收超过1000多次X频段的数据传输，每个卫星的传输速度最高可达200Mbit/s，数据总量超过5TB。

8 星座保持分析
与一些大卫星使用有动力推进系统实现轨道维持不同，Dove采用了无源推力技术实现了整个星座的卫星之间的相位保持，Planet使用了一种叫做“差分拖拽”的技术，让太阳能帆板扮演船帆的角色，借助微量的大气阻力减缓某个Dove卫星的速度，以协调其与其它Dove 卫星的位置关系。

根据我们的估计DOVE太阳能帆板向前翻时，卫星运行遇到的阻力是帆板保持水平状态时的七倍。

Planet进行了大量的阻力差控制卫星编队相位的试验，测试了姿态在三轴模式下的高阻力模式。

阻力差方法是1989年由空间公司提出来的并在2012年利用立方星做了实际试验。

Planet利用28颗成功做了类似的试验，在35天内使这28颗卫星均匀分布在360度轨道内。

Planet发现在低轨道对
立方星来况，CD=2.2的光压系数与实际情况至少低估计了50%，目前Planet优化操作延长卫星寿命。

一旦卫星部署完毕，Planet公司的姿态与确定控制系统就会接管。

Dove卫星上的陀螺仪和传感器会寻找磁场、地平线、太阳和其他恒星的位置。

磁力矩器和反作用轮随后调整卫星，直到卫星到达理想方位。

8.1 编队分布控制实施
图16到图22是我们绘制的从2017年2月26日到7月25日DOVE卫星空间轨道分布图，由图可以看出卫星从火箭分离时是分两个批次分离的，两个批次大约间隔3分钟，然后这两个批次分别独立控制，用了将近3个月的时间，各自将本批次的180°空间填满，从而形成所有卫星在一个轨道面基本均匀分布。

图 16 2月26日
图 17 3月16日
图 19 4月10日
图20 4月26日
图 21 5月6日
图 22 5月26日
8.2 控制示例分析
图24到图26是编号为42002卫星从4月26日到7月26日期间前后相邻卫星的分布情况，可以看出，它前后卫星的编号并不是保持不变，而是不断变化的，因此可以看出Dove的星座保持各卫星之间的相位不是固定不变的，而是动态变化，这是由于控制精度不够造成的，但这种误差能够满足任务的要求。

表 8 编号42002卫星相邻卫星编号4个月变化情况
图 24 4月26日
图 25 5月26日
图 26 6月26日
图 27 7月26日
9 卫星应用
一旦接收到卫星图像，Planet软件就会开始编辑，并删除被云和阴影遮挡的照片。

随后，客户就可以从客户端登录应用程序并浏览其心仪的照片。

PlanetLabs的大客户包括墨西哥政府、德国航天局，还有诸如孟山都、威尔伯-爱丽丝和拜耳作物科学等农业公司。

他们每年投入数百万甚至数千万美元，以获得最新、最高质量图像的访问权，而同样的内容对于非盈利组织、学生和新闻机构则是免费的。

对于普通大众来说，他们可以免费访问较旧的低质量图片。

2016年9月26日，美国国家地理情报局与Planet签约，花20million购买Planet公司的7个月图像使用权，使得美国国家地理情报局每15天就可以更新85%的大陆图像。

Planet为用户提供实时在线数据管道服务，确保容易使用和直观Web接入Planet最新的图像和完整的历史数据库，这意味着可以提供自动拼图服务，即每个场景作为一个图像瓦片，每个场景获取的确切
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