2024年3月13日发(作者：扬茹云)
微纳卫星光学载荷技术发展综述
叶钊;李熹微;王超;董小静;尹欢;曹启鹏
【摘 要】阐述了微纳卫星光学载荷从单一摄像头到应用模式多样的综合系统的发
展过程.调研了国外微纳卫星光学载荷的发展现状及特点,如轻小型化、紧凑化、观
测任务多样化和视频成像,主要表现在低成本商业遥感应用,适于新技术演示验证、
光学载荷图像产品的网络应用、商用现货(COTS)技术应用、模块化技术体系等方
面.通过归纳总结得出以下启示:我国微纳卫星光学载荷发展应紧跟国际步伐,瞄准低
成本商业遥感方向,建立标准化、模块化微纳卫星光学载荷技术体系;发展颠覆性技
术(薄膜衍射成像和液晶可调光谱滤光片用于高光谱成像),积极探索微纳卫星光学载
荷研制模式的创新.%This paper describes the development process of the
Micro-nano satellite optical payload from single camera to flexible
integrated present developing situation and characteristics of
Micro-nano satellite optical payload are investigated,for
instance,miniaturization,compactness,diversified observation,and video
are manifested in new technology verification and
demonstration,optical payload image product network
application,technology of wildly used COTS (commercial off the
shelf),modular technical system,and so paper draws the following
revelation:keeping optical payload of Micro-nano satellite in China with
the international development,aiming at the direction of commercial
remote sensing at low cost,establishing standardized and modular
production technology system,developing disruptive technologies such as
thin-film diffraction imaging and tunable optical filtering for imaging using
liquid crystals,and actively exploring innovative development mode on
optical payload of Micro-nano satellite.
【期刊名称】《航天器工程》
【年(卷),期】2016(025)006
【总页数】9页(P122-130)
【关键词】微纳卫星;光学载荷;薄膜衍射成像;液晶可调滤光片;视频成像
【作 者】叶钊;李熹微;王超;董小静;尹欢;曹启鹏
【作者单位】航天东方红卫星有限公司,北京 100094;中国石油华北油田分公司勘
探开发研究院,河北任丘062552;航天东方红卫星有限公司,北京 100094;航天东方
红卫星有限公司,北京 100094;航天东方红卫星有限公司,北京 100094;航天东方红
卫星有限公司,北京 100094
【正文语种】中 文
【中图分类】V447
微纳卫星包括10～100 kg的微卫星和1～10 kg的纳卫星。近年来，随着计算机、
新材料、微纳米、微电子机械、高密度能源及空间微推进技术的迅速发展，微纳卫
星以一种全新的概念、崭新的设计思想成为航天领域最活跃的研究方向，在通信、
军事、地质勘探、环境与灾害监测、气象、科学实验和深空探测等领域都得到了迅
速发展，并且显示出越来越好的发展前景，已成为卫星技术的发展趋势之一。
微小型化的微纳卫星技术推动光学载荷向轻小型化发展，轻小型化的光学载荷又会
催生出新的低成本、低功耗、高性能的微纳卫星。越来越多的微纳卫星光学载荷采
用商用现货(COTS)技术和产品，采用开放式体系结构和即插即用标准，具有研制
周期短、投资与营运成本低、风险小、灵活性高等特点。微纳卫星光学载荷具有的
这些发展特点，也使其能以单星低价、快速地完成多项航天任务，以多星组网或编
队飞行的方式完成传统卫星难以胜任的时间覆盖要求和用户高定制需求。
本文在调研微纳卫星光学载荷发展的基础上，归纳了其发展趋势，分析了技术特点，
总结了启示，可为我国先进光学载荷的设计与低成本市场开发提供参考。
微纳卫星光学载荷在设计上突破了传统的“一星多用、综合利用”的设计思想，不
追求全面，综合、完美，主张简化设计，采用成熟技术和模块化、标准化的硬件。
众多创新概念大量涌现，利用微纳卫星进行飞行演示验证。光学载荷也由最初微纳
卫星上的小小摄像头，逐渐演变为功能复杂、技术集成度高、应用能力突出的系统
设备，开始引导微纳卫星的总体设计和发展，创新概念正在向创新应用转化。同时，
微纳卫星光学载荷已从单项技术向系统集成技术、研制生产和运用模式创新拓展，
正在孕育空间体系的重大变革。
早期，微纳卫星的摄像头用于简单的地球观测和星上部件的状态监测。随着微电子、
材料、精密机械等行业的高速发展，微纳卫星光学载荷正由摄像头向综合系统飞速
发展，轻小型化的光学载荷已经具备了部分传统卫星光学载荷的能力，如手机卫星
用于空间交会对接的瞄准系统，运动相机用于在轨部件可视化监测，轻小型对地观
测高清视频相机等。2013年2月25日发射的全球第1个智能手机卫星——萨瑞
卫星公司研制的STRaND-1[1-3]，(见图1)是一个3U立方体卫星，质量为4.27
kg，由Google Nexus One 手机进行控制，卫星的光学摄像头可对地成像，摄像
头作为演示验证设备，完成对地对空间成像并将拍摄图像传回地球。
继STRaND-1卫星后，NASA的3个智能手机卫星(2个PhoneSat 1.0和1个
PhoneSat 2.0)在2013年4月发射升空[4]。PhoneSat项目是NASA空间技术计
划支持的小型航天器技术验证任务，用于论证利用智能手机建造低成本、简易卫星
的能力，智能手机卫星能将手机拍摄的数字图像和卫星状况发送回地面。后续
NASA还将利用微纳卫星光学载荷开展低成本的对地观测和进行月球及以远空间
探测的演示验证任务。
由于质量和体积的限制，微纳卫星还无法获得超高分辨率的图像(亚米级图像，优
于0.7 m)，目前的空间分辨率在1.0～2.0 m，如美国陆军目前开展的“隼
眼”(Kestrel Eye)低成本微型侦察卫星星座项目[5-8]，可获得1.5～3.0 m分辨率
的卫星图像。图2显示了对地观测卫星的质量和分辨率的关系，目前在研和在轨
的高空间分辨率光学卫星，其分辨率优于0.5 m，整星质量大于500 kg，还采用
传统光学载荷的设计和研制模式，但在微纳卫星上很难实现。对此，一部分科学家
在光学载荷的设计上进行创新，如德国柏林工业大学研制的“多布森”(Dobson)
可折叠光学望远镜卫星[9]，卫星上安装可伸缩的光学望远镜，在100千克级微卫
星上可携带50 cm孔径的相机，获得1.0 m分辨率的卫星图像，成本只有现有超
高分辨率系统成本的1/10。为了突破微卫星体积和质量对空间分辨率的限制，对
Dobson可展开光学卫星的光学系统进行了创新设计。光学望远镜采用可展开结
构和光学准直设计，在卫星发射阶段将光学望远镜折叠，进行观测时再展开，见图
3。望远镜支架展开后，二级镜面和主镜面相隔约1.1 m，随后利用微型执行机构
对二级镜面的位置进行微调，对望远镜进行准直校准。为了补偿望远镜结构的热变
形，望远镜的瞄准和聚焦可以在任务期间的任何时间进行，从而保证了成像的质量。
一些科学家还寻求在传统设计上进行改良，通过优化系统结构、迭代图像算法等方
法实现微纳卫星光学载荷的高空间分辨率，表1是微纳卫星视频载荷与传统载荷
的主要区别。目前，微卫星空间分辨率最高的光学观测卫星是“天空卫
星”(SkySat)[10-11]，卫星质量约为91 kg，采用碳化硅(SiC)制造的里奇-克莱琴
(R-C)反射光学成像系统(0.35 m成像孔径，相对孔径1/10.4)，搭配大面阵“互补
金属氧化物半导体”(CMOS)探测器，使用延时积分(TDI-CMOS)技术，可以拍摄
全色0.9 m、多光谱2.0 m分辨率和幅宽8.0 km的静态图像；视频工作时能够提
供空间分辨率1.1 m、覆盖2 km×1.1 km、帧频30帧/秒的视频图像，单次连续
摄影90 s，输出H.264编码格式的1080P高清视频。
国外各研究机构利用微纳卫星项目开展了大量光学载荷的技术验证，将技术研发和
业务能力开发相结合，积极探索微纳卫星光学载荷的发展和应用能力，并围绕应用
涌现出众多创新概念和探索项目。微纳卫星光学载荷从过去大多使用摄像头并用于
工程培训、技术试验和概念验证，到逐渐引起了军、民、商各领域的广泛关注，发
展成为具备较高空间分辨率和具备综合成像能力的高集成度系统，并使用光学载荷
探索航天技术创新、应用创新、体系创新和研制模式创新。
微纳卫星光学载荷在低成本商业遥感、新技术演示应用和模块化技术体系等方面全
面发展，本节将从COTS技术、新型成像技术和技术创新等方面，结合光学载荷
在微纳卫星上的演变和具体应用，阐述微纳卫星光学载荷的技术发展与创新。
3.1 COTS镜头技术
COTS技术已在微纳卫星上广泛应用。大量COTS产品，如商业数码相机镜头、
控制电路、手机摄像头等直接用作星上产品。NASA航天员在“国际空间站”使
用商用相机拍摄地球，设备由35 mm的数码单镜头反光相机(DSLR)镜头组成，
见表2。
南瓜派(Pumpkin)公司设计的小型图像卫星(Miniature Imaging Spacecraft，
MISC)质量为4.5 kg，大量使用商业器件，整个光学相机全部使用商业器件。这颗
3U立方体卫星能从540 km高的圆轨道提供7.5 m空间分辨率的多光谱图像，寿
命周期为18个月，覆盖面积为7.5×107 km2。MISC的镜头选用典型DSLR 35
mm-f/8 (f为焦距)折返式镜头，焦距为500～600 mm。探测器选用商用画幅传
感器Kodak KAI-16000 CCD，带有RGB滤光片和4872×3248面阵，像元尺寸
为7.4 μm。考虑到卫星发射期间MISC可能遭遇超过商业部件承受范围的振动环
境，DSLR镜头要尽可能少用甚至不用机械部件，以减少所受到的冲击(如镜头、
镜头孔径光阑、单反镜等)。MISC光学载荷指标见表3，外形见图4。
典型商业镜头微纳卫星光学载荷见表4。
3.2 新型成像技术
微纳卫星光学载荷技术创新主要是以现有的高新技术为依托，通过创新的设计思想
和研制模式用于低成本的光学载荷，使新技术和新概念能及时快速地应用于微纳卫
星中。按照传统光学载荷体制分析，卫星空间分辨率每提高1倍，需要光学成像
系统的质量和体积增加8～10倍。由于质量和体积的限制，微纳卫星无法获得超
高分辨率的图像。开放式大众创新环境促使航天领域的技术研发呈现出高度的活力，
发展出多种新型成像探测系统，如薄膜衍射光学系统、集阵探测系统、液晶可调滤
光片(LCTF)光谱调制技术等。这些技术的不断发展成熟，有望成为突破高品质遥感
的颠覆性技术。
3.2.1 薄膜衍射系统
美国空军学院(AFA)猎鹰卫星-7(FalconSat-7，见图5)[12-14]，原计划在2014
年发射(后推迟)，卫星尺寸约为30 cm×10 cm×10 cm，轨道高度为450 km，对
地观测分辨率为1.8 m。该卫星可视为美国国防部先进研究计划局(DARPA)薄膜光
学成像器实时开发(Membrane Optic Imager Real-Time Exploitation，MOIRE)
项目的初步演示验证(MOIRE项目拟在地球同步轨道通过20 m直径的衍射薄膜实
现高分辨率对地成像，卫星载荷为基于衍射薄膜的光子筛望远镜)。FalconSat-7
光子筛望远镜中心波长为656.28 nm，占用约1.5U的体积，光子筛及光学部分的
主要设计指标见表5。
FalconSat-7光子筛望远镜已成功在波音727飞机上进行了微重力状态下的衍射
薄膜展开试验，该试验成功有力支撑了衍射光学成像技术。与传统的反射式光学系
统相比，薄膜衍射成像技术具有独特的技术特点：①使用薄膜材料能减小光学系统
质量，在实现相同分辨率的前提下，薄膜衍射光学成像系统质量仅为传统系统的
1/7，从而大幅降低了整星质量；②可采取发射时折叠、入轨后展开的方式，易于
实现天基超大光学口径；③薄膜衍射镜,面形精度要求比传统反射镜降低1/2～2/3，
制造难度也相应降低，并且薄膜镜易于复制和批量化生产，能大幅降低光学载荷的
开发成本。
3.2.2 高光谱成像技术
高光谱成像仪的光谱范围宽、谱段多、光谱分辨率高，成像质量好。高质量的高光
谱成像仪波段宽度可以达到纳米量级，从可见光到近红外，谱段数可以达到几十至
几百个，更宽的谱段范围和更高的光谱分辨率可以为遥感探测提供更加丰富的空间
与光谱信息，增加资源探测的研究依据。随着光学设计、光电探测器、光栅等光学
元件的检测与加工技术的不断完善，空间遥感高光谱成像已经迈入微纳卫星应用阶
段。
2014年7月2日，日本先进陆地遥感微卫星Rising-2成功拍摄了地面高分辨率
图像[15]。该卫星由日本东北大学和北海道大学联合研制，质量为43 kg。卫星上
搭载1台“高精度望远镜”(HPT)，能以5.0 m的空间分辨率拍摄彩色照片，创造
了50千克级星载高光谱成像分辨率的纪录，见图6。
HPT带有LCTF光谱调制，并使用了新型零膨胀无孔(Zero Expansion Pore-Free，
ZPF)镜面。HPT使用的卡塞格伦光学系统长为38 cm，相机孔径D为10 cm，焦
距f为1 m(f/D=10)，总质量约为3 kg。使用4片CCD器件，其中3片主要获
得RGB图像，波长范围400～650 nm，1片获得高光谱图像，波长范围650～
1000 nm，波长间隔10 nm。这4片CCD灵敏度高达ISO8000，曝光时间为
1/4000 s。HPT的主镜和次镜均使用ZPF陶瓷，并采用崭新的研磨技术。整个光
学系统质量小，且具有极高的抗振性能(相比于传统镜片)。LCTF比地面使用的设
备进行了优化，由液晶多层组成，光谱波段最窄5 nm，中心波长在10 ms内可
以进行大于300 nm的改变。HPT可以在700 km的轨道高度得到5 m分辨率的
图像，1景影像3.3 km×2.5 km，高光谱图像的空间分辨率5.0～50.0 m可选，
主要观测对象为地球表面和积雨云。
典型微纳卫星高光谱载荷如表6所示。
3.3 视频技术
与传统对地观测卫星相比，视频对地观测卫星(通常使用面阵探测器)能够对某一区
域进行连续观测，以视频录像的方式获得更多的目标动态变化信息，特别适于对动
态目标的高时间分辨率观测。视频数据量比静态图像数据量大得多，需要卫星具备
高速处理能力和数据下传能力。微纳卫星视频载荷当前能达到的分辨率已能满足对
动态大型目标(如舰船)探测的需求。微纳卫星中比较有代表性的视频卫星有
LAPAN-TUBSat、LAPAN-A2和SkySat卫星星座。
3.3.1 LAPAN系列卫星
LAPAN-TUBSat和LAPAN-A2的视频载荷[16]使用了大量的商业器件，这些器件
均经过了严格的环境试验筛选。整星设计时遵循最简原则(Keep It Simple,Stupid，
KISS)。
LAPAN-TUBSat质量为56 kg，采用高度为635 km的太阳同步轨道，设计寿命
2年，于2007年1月成功发射，目前超期服役。有效载荷包括1台高分辨率摄像
机和1台低分辨率摄像机。图7为LAPAN-TUBSat卫星实物图及其高分辨率摄像
机HRVI6。HRVI6主要由索尼公司的高清晰度DXC-990P型民用摄像机和尼康公
司制造的1 m焦距、f/11相对孔径的折射望远镜组成，空间分辨率为6.0 m，幅
宽为3.5 km，包括支撑结构总质量为7.8 kg。DXC-990P是可换镜头式3 CCD
摄像机，每块CCD为752×582像素，合430万像元，像元尺寸为7 μm。通过
棱镜将红绿蓝(RGB)三原色光汇聚到3个CCD上，画质比单CCD摄像机更好。同
时，该摄像机的Exwave孔状积累二极管(HAD)技术适于光照强度大范围变化的场
合使用。摄像机能够自动控制增益、白平衡和快门速度，快门速度最高为10 s(快
门范围10～6 s)，用于补偿由于云反射造成的过度曝光。
LAPAN-A2的视频载荷是全商业数字摄像机SpaceCam C4000，由德国西塔系统
电子股份有限公司制造，光学系统焦距为600 mm，采用比利时CMOS成像探测
器公司(CMOSIS)生产的400万像素(2048×2048)CMOS面阵探测器，可以生成
彩色RGB视频，像元尺寸为5.5 μm，数字量化为12 bit。LAPAN-A2在高650
km、倾角8°的圆轨道上可以实现12.0 km×12.0 km覆盖、6.0 m空间分辨率的
全色图像。SpaceCam C4000采用可换镜头设计，如果搭配焦距600 mm、孔径
300 mm的镜头，在630 km的轨道高度上可以实现优于1.0 m空间分辨率的全
色图像。
LAPAN系列卫星使用商业摄像机，摄像机自身没有多帧图像的像移补偿功能，为
了保证视频图像的正常可用，需要LAPAN卫星利用敏捷能力提升视频观测能力。
其观测模式分为凝视成像、区域扫描和定点跟踪，见图8，其拍摄图像见图9。
3.3.2 SkySat
SkySat成像系统的焦平面由3块CMOS探测器拼接而成(见图10)，每块550万
像素。由于空间视频拍摄对探测器积分时间和信号读出时间限制严格，且要求实现
足够的信噪比，传统的线阵探测器已难以满足这些要求。因此，SkySat选用了基
于地面TDI技术的CMOS面阵探测器，成像时采用“画幅式推扫”，探测器所覆
盖的场景被多次成像，然后通过地面进行图像处理，从而实现基于地面处理的时间
延迟积分(即数字TDI技术)。因此，SkySat运用错位排列拼接面阵和先进地面图
像处理等技术，实现了视频拍摄能力。同时，为了实现连续观测，SkySat具有俯
仰、滚动、偏航3个方向的高敏捷机动能力，通过整星机动实现图像运动补偿，
加强“凝视”效果。图11为SkySat机动拍摄视频示意。
根据不同目标的任务需求，微纳卫星的光学载荷呈现出多样化的发展态势。从共性
看，主要有以下几方面的发展启示。
1)储备标准化、模块化、COTS体系结构技术
微纳卫星常常需要大规模部署，以星座组网方式对地持续观测，作为微纳卫星核心
的光学载荷，需要批量化研制，多载荷并行测试。从单载荷定制研制过渡到批量生
产，更加强调低成本、短周期，以及高效灵活和快速技术更新。标准化、模块化、
COTS体系设计、即插即用等技术，都是微纳卫星光学载荷快速发展的技术基础。
大量COTS器件的应用，极大降低了微纳卫星光学载荷的研发门槛，像手机卫星
等大学卫星与应用卫星差距被大幅缩小。基于COTS器件，任何人都有可能开发
出自己的光学遥感卫星(如MISC)，并且软件自主设计的灵活性更高；手机观测卫
星，应用手机观测定位的卫星间对接模块已经得到应用。
光学载荷趋向于集成化、小型化、模块化和多功能化，以减小质量、降低成本、节
省燃料、延长整星寿命。大量新材料、新工艺及3D打印技术的飞速发展，使光学
载荷的体积、质量越来越小，成像能力越来越强。为了应对紧张的星内空间，长焦
距、大口径成像系统的设计日益紧凑化；许多光学载荷都包含多个通道观测能力，
或者光谱仪和相机集成为一体，或者视频成像兼顾静态成像。此外，尽可能多地使
用成熟器件，只在关键技术方面使用新器件或新方案，减少研制费用，降低风险。
2)发展颠覆性技术，积极探索微纳卫星光学载荷研制模式的创新
微纳卫星光学遥感虽然现在发展迅速，但与较大卫星的空间分辨率、幅宽、寿命等
性能相比，没有优势，在主流遥感领域不是很受用户青睐，因此需要技术和运营方
式的不断创新。为了实现观测的时效性和分辨率越来越高的要求，微纳卫星采用颠
覆性技术，如薄膜光子筛衍射成像技术可以大大减少现有光学载荷的质量，并保证
具有高空间分辨率，折叠镜头的轻小型高分光学载荷同样能够兼顾质量和分辨率，
而楔形滤光片式高光谱仪则使微纳卫星具备了高光谱观测的能力，这些技术的逐渐
成熟和工程化，势必会引领并逐渐改变主流市场的需求。此外，依靠低成本研制的
高分辨率微纳卫星，通过组网增大对地观测覆盖面积和缩短重访周期，以不断更新
替代的方式实现长时间的在轨观测，或者使用视频成像体制连续跟踪目标。
3)反向促进微纳卫星平台技术发展
微纳卫星光学载荷的不断发展，反向促进了微纳卫星平台技术的发展。例如，视频
成像技术对微纳卫星平台提出了更高的要求。为了使视频成像载荷的光轴始终对准
地面目标区域进行连续观测，卫星姿态控制系统须要实时调整星体姿态，克服卫星
的轨道运动、姿态运动和地球自转产生的目标不断偏离光轴的影响，其平台的敏捷
能力必须达到1(°)/s。为了具备高频成像能力(即每秒数次成像的能力)，视频成像
载荷多装备面阵探测器，以在一定时间内实现连续观测。视频数据量比静态图像数
据量大得多，需要微纳卫星平台具备高速处理能力和数据下传能力。这些技术在微
纳卫星上的验证和使用，还可以进一步推动整个卫星研制的升级。
本文介绍了国外新型微纳卫星光学载荷的发展特点，包括COTS镜头的星上应用，
薄膜衍射型成像方式在微纳卫星上的验证，轻小型化高光谱仪的发展，以及微纳视
频卫星视频载荷的发展。目前，国外在微纳卫星光学载荷方向已经形成了标准化、
模块化、COTS应用体系，通过微纳光学载荷进行新型成像体制的验证，以及深度
结合用户需求而快速发展起来的微纳光学卫星群。而我国微纳卫星光学载荷研制理
念、研制流程、硬件选用标准、商用现货选用等方面仍停留在大卫星小型化的模式
上。在借鉴国外微纳卫星光学载荷创新研制模式的基础上，应紧紧把握航天转型发
展方向，开展对新型研制生产模式的积极探索，创新发展理念，优化组织管理和研
制流程，积极探索适于微纳卫星的光学载荷研制模式，充分发挥商业现货低成本、
快速、灵活的特点，充分利用微纳卫星的特点加强新成像方式的在轨应用，适应未
来航天技术快速发展的需要。
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optical payload of Micro-nano satellite.
【期刊名称】《航天器工程》
【年(卷),期】2016(025)006
【总页数】9页(P122-130)
【关键词】微纳卫星;光学载荷;薄膜衍射成像;液晶可调滤光片;视频成像
【作 者】叶钊;李熹微;王超;董小静;尹欢;曹启鹏
【作者单位】航天东方红卫星有限公司,北京 100094;中国石油华北油田分公司勘
探开发研究院,河北任丘062552;航天东方红卫星有限公司,北京 100094;航天东方
红卫星有限公司,北京 100094;航天东方红卫星有限公司,北京 100094;航天东方红
卫星有限公司,北京 100094
【正文语种】中 文
【中图分类】V447
微纳卫星包括10～100 kg的微卫星和1～10 kg的纳卫星。近年来，随着计算机、
新材料、微纳米、微电子机械、高密度能源及空间微推进技术的迅速发展，微纳卫
星以一种全新的概念、崭新的设计思想成为航天领域最活跃的研究方向，在通信、
军事、地质勘探、环境与灾害监测、气象、科学实验和深空探测等领域都得到了迅
速发展，并且显示出越来越好的发展前景，已成为卫星技术的发展趋势之一。
微小型化的微纳卫星技术推动光学载荷向轻小型化发展，轻小型化的光学载荷又会
催生出新的低成本、低功耗、高性能的微纳卫星。越来越多的微纳卫星光学载荷采
用商用现货(COTS)技术和产品，采用开放式体系结构和即插即用标准，具有研制
周期短、投资与营运成本低、风险小、灵活性高等特点。微纳卫星光学载荷具有的
这些发展特点，也使其能以单星低价、快速地完成多项航天任务，以多星组网或编
队飞行的方式完成传统卫星难以胜任的时间覆盖要求和用户高定制需求。
本文在调研微纳卫星光学载荷发展的基础上，归纳了其发展趋势，分析了技术特点，
总结了启示，可为我国先进光学载荷的设计与低成本市场开发提供参考。
微纳卫星光学载荷在设计上突破了传统的“一星多用、综合利用”的设计思想，不
追求全面，综合、完美，主张简化设计，采用成熟技术和模块化、标准化的硬件。
众多创新概念大量涌现，利用微纳卫星进行飞行演示验证。光学载荷也由最初微纳
卫星上的小小摄像头，逐渐演变为功能复杂、技术集成度高、应用能力突出的系统
设备，开始引导微纳卫星的总体设计和发展，创新概念正在向创新应用转化。同时，
微纳卫星光学载荷已从单项技术向系统集成技术、研制生产和运用模式创新拓展，
正在孕育空间体系的重大变革。
早期，微纳卫星的摄像头用于简单的地球观测和星上部件的状态监测。随着微电子、
材料、精密机械等行业的高速发展，微纳卫星光学载荷正由摄像头向综合系统飞速
发展，轻小型化的光学载荷已经具备了部分传统卫星光学载荷的能力，如手机卫星
用于空间交会对接的瞄准系统，运动相机用于在轨部件可视化监测，轻小型对地观
测高清视频相机等。2013年2月25日发射的全球第1个智能手机卫星——萨瑞
卫星公司研制的STRaND-1[1-3]，(见图1)是一个3U立方体卫星，质量为4.27
kg，由Google Nexus One 手机进行控制，卫星的光学摄像头可对地成像，摄像
头作为演示验证设备，完成对地对空间成像并将拍摄图像传回地球。
继STRaND-1卫星后，NASA的3个智能手机卫星(2个PhoneSat 1.0和1个
PhoneSat 2.0)在2013年4月发射升空[4]。PhoneSat项目是NASA空间技术计
划支持的小型航天器技术验证任务，用于论证利用智能手机建造低成本、简易卫星
的能力，智能手机卫星能将手机拍摄的数字图像和卫星状况发送回地面。后续
NASA还将利用微纳卫星光学载荷开展低成本的对地观测和进行月球及以远空间
探测的演示验证任务。
由于质量和体积的限制，微纳卫星还无法获得超高分辨率的图像(亚米级图像，优
于0.7 m)，目前的空间分辨率在1.0～2.0 m，如美国陆军目前开展的“隼
眼”(Kestrel Eye)低成本微型侦察卫星星座项目[5-8]，可获得1.5～3.0 m分辨率
的卫星图像。图2显示了对地观测卫星的质量和分辨率的关系，目前在研和在轨
的高空间分辨率光学卫星，其分辨率优于0.5 m，整星质量大于500 kg，还采用
传统光学载荷的设计和研制模式，但在微纳卫星上很难实现。对此，一部分科学家
在光学载荷的设计上进行创新，如德国柏林工业大学研制的“多布森”(Dobson)
可折叠光学望远镜卫星[9]，卫星上安装可伸缩的光学望远镜，在100千克级微卫
星上可携带50 cm孔径的相机，获得1.0 m分辨率的卫星图像，成本只有现有超
高分辨率系统成本的1/10。为了突破微卫星体积和质量对空间分辨率的限制，对
Dobson可展开光学卫星的光学系统进行了创新设计。光学望远镜采用可展开结
构和光学准直设计，在卫星发射阶段将光学望远镜折叠，进行观测时再展开，见图
3。望远镜支架展开后，二级镜面和主镜面相隔约1.1 m，随后利用微型执行机构
对二级镜面的位置进行微调，对望远镜进行准直校准。为了补偿望远镜结构的热变
形，望远镜的瞄准和聚焦可以在任务期间的任何时间进行，从而保证了成像的质量。
一些科学家还寻求在传统设计上进行改良，通过优化系统结构、迭代图像算法等方
法实现微纳卫星光学载荷的高空间分辨率，表1是微纳卫星视频载荷与传统载荷
的主要区别。目前，微卫星空间分辨率最高的光学观测卫星是“天空卫
星”(SkySat)[10-11]，卫星质量约为91 kg，采用碳化硅(SiC)制造的里奇-克莱琴
(R-C)反射光学成像系统(0.35 m成像孔径，相对孔径1/10.4)，搭配大面阵“互补
金属氧化物半导体”(CMOS)探测器，使用延时积分(TDI-CMOS)技术，可以拍摄
全色0.9 m、多光谱2.0 m分辨率和幅宽8.0 km的静态图像；视频工作时能够提
供空间分辨率1.1 m、覆盖2 km×1.1 km、帧频30帧/秒的视频图像，单次连续
摄影90 s，输出H.264编码格式的1080P高清视频。
国外各研究机构利用微纳卫星项目开展了大量光学载荷的技术验证，将技术研发和
业务能力开发相结合，积极探索微纳卫星光学载荷的发展和应用能力，并围绕应用
涌现出众多创新概念和探索项目。微纳卫星光学载荷从过去大多使用摄像头并用于
工程培训、技术试验和概念验证，到逐渐引起了军、民、商各领域的广泛关注，发
展成为具备较高空间分辨率和具备综合成像能力的高集成度系统，并使用光学载荷
探索航天技术创新、应用创新、体系创新和研制模式创新。
微纳卫星光学载荷在低成本商业遥感、新技术演示应用和模块化技术体系等方面全
面发展，本节将从COTS技术、新型成像技术和技术创新等方面，结合光学载荷
在微纳卫星上的演变和具体应用，阐述微纳卫星光学载荷的技术发展与创新。
3.1 COTS镜头技术
COTS技术已在微纳卫星上广泛应用。大量COTS产品，如商业数码相机镜头、
控制电路、手机摄像头等直接用作星上产品。NASA航天员在“国际空间站”使
用商用相机拍摄地球，设备由35 mm的数码单镜头反光相机(DSLR)镜头组成，
见表2。
南瓜派(Pumpkin)公司设计的小型图像卫星(Miniature Imaging Spacecraft，
MISC)质量为4.5 kg，大量使用商业器件，整个光学相机全部使用商业器件。这颗
3U立方体卫星能从540 km高的圆轨道提供7.5 m空间分辨率的多光谱图像，寿
命周期为18个月，覆盖面积为7.5×107 km2。MISC的镜头选用典型DSLR 35
mm-f/8 (f为焦距)折返式镜头，焦距为500～600 mm。探测器选用商用画幅传
感器Kodak KAI-16000 CCD，带有RGB滤光片和4872×3248面阵，像元尺寸
为7.4 μm。考虑到卫星发射期间MISC可能遭遇超过商业部件承受范围的振动环
境，DSLR镜头要尽可能少用甚至不用机械部件，以减少所受到的冲击(如镜头、
镜头孔径光阑、单反镜等)。MISC光学载荷指标见表3，外形见图4。
典型商业镜头微纳卫星光学载荷见表4。
3.2 新型成像技术
微纳卫星光学载荷技术创新主要是以现有的高新技术为依托，通过创新的设计思想
和研制模式用于低成本的光学载荷，使新技术和新概念能及时快速地应用于微纳卫
星中。按照传统光学载荷体制分析，卫星空间分辨率每提高1倍，需要光学成像
系统的质量和体积增加8～10倍。由于质量和体积的限制，微纳卫星无法获得超
高分辨率的图像。开放式大众创新环境促使航天领域的技术研发呈现出高度的活力，
发展出多种新型成像探测系统，如薄膜衍射光学系统、集阵探测系统、液晶可调滤
光片(LCTF)光谱调制技术等。这些技术的不断发展成熟，有望成为突破高品质遥感
的颠覆性技术。
3.2.1 薄膜衍射系统
美国空军学院(AFA)猎鹰卫星-7(FalconSat-7，见图5)[12-14]，原计划在2014
年发射(后推迟)，卫星尺寸约为30 cm×10 cm×10 cm，轨道高度为450 km，对
地观测分辨率为1.8 m。该卫星可视为美国国防部先进研究计划局(DARPA)薄膜光
学成像器实时开发(Membrane Optic Imager Real-Time Exploitation，MOIRE)
项目的初步演示验证(MOIRE项目拟在地球同步轨道通过20 m直径的衍射薄膜实
现高分辨率对地成像，卫星载荷为基于衍射薄膜的光子筛望远镜)。FalconSat-7
光子筛望远镜中心波长为656.28 nm，占用约1.5U的体积，光子筛及光学部分的
主要设计指标见表5。
FalconSat-7光子筛望远镜已成功在波音727飞机上进行了微重力状态下的衍射
薄膜展开试验，该试验成功有力支撑了衍射光学成像技术。与传统的反射式光学系
统相比，薄膜衍射成像技术具有独特的技术特点：①使用薄膜材料能减小光学系统
质量，在实现相同分辨率的前提下，薄膜衍射光学成像系统质量仅为传统系统的
1/7，从而大幅降低了整星质量；②可采取发射时折叠、入轨后展开的方式，易于
实现天基超大光学口径；③薄膜衍射镜,面形精度要求比传统反射镜降低1/2～2/3，
制造难度也相应降低，并且薄膜镜易于复制和批量化生产，能大幅降低光学载荷的
开发成本。
3.2.2 高光谱成像技术
高光谱成像仪的光谱范围宽、谱段多、光谱分辨率高，成像质量好。高质量的高光
谱成像仪波段宽度可以达到纳米量级，从可见光到近红外，谱段数可以达到几十至
几百个，更宽的谱段范围和更高的光谱分辨率可以为遥感探测提供更加丰富的空间
与光谱信息，增加资源探测的研究依据。随着光学设计、光电探测器、光栅等光学
元件的检测与加工技术的不断完善，空间遥感高光谱成像已经迈入微纳卫星应用阶
段。
2014年7月2日，日本先进陆地遥感微卫星Rising-2成功拍摄了地面高分辨率
图像[15]。该卫星由日本东北大学和北海道大学联合研制，质量为43 kg。卫星上
搭载1台“高精度望远镜”(HPT)，能以5.0 m的空间分辨率拍摄彩色照片，创造
了50千克级星载高光谱成像分辨率的纪录，见图6。
HPT带有LCTF光谱调制，并使用了新型零膨胀无孔(Zero Expansion Pore-Free，
ZPF)镜面。HPT使用的卡塞格伦光学系统长为38 cm，相机孔径D为10 cm，焦
距f为1 m(f/D=10)，总质量约为3 kg。使用4片CCD器件，其中3片主要获
得RGB图像，波长范围400～650 nm，1片获得高光谱图像，波长范围650～
1000 nm，波长间隔10 nm。这4片CCD灵敏度高达ISO8000，曝光时间为
1/4000 s。HPT的主镜和次镜均使用ZPF陶瓷，并采用崭新的研磨技术。整个光
学系统质量小，且具有极高的抗振性能(相比于传统镜片)。LCTF比地面使用的设
备进行了优化，由液晶多层组成，光谱波段最窄5 nm，中心波长在10 ms内可
以进行大于300 nm的改变。HPT可以在700 km的轨道高度得到5 m分辨率的
图像，1景影像3.3 km×2.5 km，高光谱图像的空间分辨率5.0～50.0 m可选，
主要观测对象为地球表面和积雨云。
典型微纳卫星高光谱载荷如表6所示。
3.3 视频技术
与传统对地观测卫星相比，视频对地观测卫星(通常使用面阵探测器)能够对某一区
域进行连续观测，以视频录像的方式获得更多的目标动态变化信息，特别适于对动
态目标的高时间分辨率观测。视频数据量比静态图像数据量大得多，需要卫星具备
高速处理能力和数据下传能力。微纳卫星视频载荷当前能达到的分辨率已能满足对
动态大型目标(如舰船)探测的需求。微纳卫星中比较有代表性的视频卫星有
LAPAN-TUBSat、LAPAN-A2和SkySat卫星星座。
3.3.1 LAPAN系列卫星
LAPAN-TUBSat和LAPAN-A2的视频载荷[16]使用了大量的商业器件，这些器件
均经过了严格的环境试验筛选。整星设计时遵循最简原则(Keep It Simple,Stupid，
KISS)。
LAPAN-TUBSat质量为56 kg，采用高度为635 km的太阳同步轨道，设计寿命
2年，于2007年1月成功发射，目前超期服役。有效载荷包括1台高分辨率摄像
机和1台低分辨率摄像机。图7为LAPAN-TUBSat卫星实物图及其高分辨率摄像
机HRVI6。HRVI6主要由索尼公司的高清晰度DXC-990P型民用摄像机和尼康公
司制造的1 m焦距、f/11相对孔径的折射望远镜组成，空间分辨率为6.0 m，幅
宽为3.5 km，包括支撑结构总质量为7.8 kg。DXC-990P是可换镜头式3 CCD
摄像机，每块CCD为752×582像素，合430万像元，像元尺寸为7 μm。通过
棱镜将红绿蓝(RGB)三原色光汇聚到3个CCD上，画质比单CCD摄像机更好。同
时，该摄像机的Exwave孔状积累二极管(HAD)技术适于光照强度大范围变化的场
合使用。摄像机能够自动控制增益、白平衡和快门速度，快门速度最高为10 s(快
门范围10～6 s)，用于补偿由于云反射造成的过度曝光。
LAPAN-A2的视频载荷是全商业数字摄像机SpaceCam C4000，由德国西塔系统
电子股份有限公司制造，光学系统焦距为600 mm，采用比利时CMOS成像探测
器公司(CMOSIS)生产的400万像素(2048×2048)CMOS面阵探测器，可以生成
彩色RGB视频，像元尺寸为5.5 μm，数字量化为12 bit。LAPAN-A2在高650
km、倾角8°的圆轨道上可以实现12.0 km×12.0 km覆盖、6.0 m空间分辨率的
全色图像。SpaceCam C4000采用可换镜头设计，如果搭配焦距600 mm、孔径
300 mm的镜头，在630 km的轨道高度上可以实现优于1.0 m空间分辨率的全
色图像。
LAPAN系列卫星使用商业摄像机，摄像机自身没有多帧图像的像移补偿功能，为
了保证视频图像的正常可用，需要LAPAN卫星利用敏捷能力提升视频观测能力。
其观测模式分为凝视成像、区域扫描和定点跟踪，见图8，其拍摄图像见图9。
3.3.2 SkySat
SkySat成像系统的焦平面由3块CMOS探测器拼接而成(见图10)，每块550万
像素。由于空间视频拍摄对探测器积分时间和信号读出时间限制严格，且要求实现
足够的信噪比，传统的线阵探测器已难以满足这些要求。因此，SkySat选用了基
于地面TDI技术的CMOS面阵探测器，成像时采用“画幅式推扫”，探测器所覆
盖的场景被多次成像，然后通过地面进行图像处理，从而实现基于地面处理的时间
延迟积分(即数字TDI技术)。因此，SkySat运用错位排列拼接面阵和先进地面图
像处理等技术，实现了视频拍摄能力。同时，为了实现连续观测，SkySat具有俯
仰、滚动、偏航3个方向的高敏捷机动能力，通过整星机动实现图像运动补偿，
加强“凝视”效果。图11为SkySat机动拍摄视频示意。
根据不同目标的任务需求，微纳卫星的光学载荷呈现出多样化的发展态势。从共性
看，主要有以下几方面的发展启示。
1)储备标准化、模块化、COTS体系结构技术
微纳卫星常常需要大规模部署，以星座组网方式对地持续观测，作为微纳卫星核心
的光学载荷，需要批量化研制，多载荷并行测试。从单载荷定制研制过渡到批量生
产，更加强调低成本、短周期，以及高效灵活和快速技术更新。标准化、模块化、
COTS体系设计、即插即用等技术，都是微纳卫星光学载荷快速发展的技术基础。
大量COTS器件的应用，极大降低了微纳卫星光学载荷的研发门槛，像手机卫星
等大学卫星与应用卫星差距被大幅缩小。基于COTS器件，任何人都有可能开发
出自己的光学遥感卫星(如MISC)，并且软件自主设计的灵活性更高；手机观测卫
星，应用手机观测定位的卫星间对接模块已经得到应用。
光学载荷趋向于集成化、小型化、模块化和多功能化，以减小质量、降低成本、节
省燃料、延长整星寿命。大量新材料、新工艺及3D打印技术的飞速发展，使光学
载荷的体积、质量越来越小，成像能力越来越强。为了应对紧张的星内空间，长焦
距、大口径成像系统的设计日益紧凑化；许多光学载荷都包含多个通道观测能力，
或者光谱仪和相机集成为一体，或者视频成像兼顾静态成像。此外，尽可能多地使
用成熟器件，只在关键技术方面使用新器件或新方案，减少研制费用，降低风险。
2)发展颠覆性技术，积极探索微纳卫星光学载荷研制模式的创新
微纳卫星光学遥感虽然现在发展迅速，但与较大卫星的空间分辨率、幅宽、寿命等
性能相比，没有优势，在主流遥感领域不是很受用户青睐，因此需要技术和运营方
式的不断创新。为了实现观测的时效性和分辨率越来越高的要求，微纳卫星采用颠
覆性技术，如薄膜光子筛衍射成像技术可以大大减少现有光学载荷的质量，并保证
具有高空间分辨率，折叠镜头的轻小型高分光学载荷同样能够兼顾质量和分辨率，
而楔形滤光片式高光谱仪则使微纳卫星具备了高光谱观测的能力，这些技术的逐渐
成熟和工程化，势必会引领并逐渐改变主流市场的需求。此外，依靠低成本研制的
高分辨率微纳卫星，通过组网增大对地观测覆盖面积和缩短重访周期，以不断更新
替代的方式实现长时间的在轨观测，或者使用视频成像体制连续跟踪目标。
3)反向促进微纳卫星平台技术发展
微纳卫星光学载荷的不断发展，反向促进了微纳卫星平台技术的发展。例如，视频
成像技术对微纳卫星平台提出了更高的要求。为了使视频成像载荷的光轴始终对准
地面目标区域进行连续观测，卫星姿态控制系统须要实时调整星体姿态，克服卫星
的轨道运动、姿态运动和地球自转产生的目标不断偏离光轴的影响，其平台的敏捷
能力必须达到1(°)/s。为了具备高频成像能力(即每秒数次成像的能力)，视频成像
载荷多装备面阵探测器，以在一定时间内实现连续观测。视频数据量比静态图像数
据量大得多，需要微纳卫星平台具备高速处理能力和数据下传能力。这些技术在微
纳卫星上的验证和使用，还可以进一步推动整个卫星研制的升级。
本文介绍了国外新型微纳卫星光学载荷的发展特点，包括COTS镜头的星上应用，
薄膜衍射型成像方式在微纳卫星上的验证，轻小型化高光谱仪的发展，以及微纳视
频卫星视频载荷的发展。目前，国外在微纳卫星光学载荷方向已经形成了标准化、
模块化、COTS应用体系，通过微纳光学载荷进行新型成像体制的验证，以及深度
结合用户需求而快速发展起来的微纳光学卫星群。而我国微纳卫星光学载荷研制理
念、研制流程、硬件选用标准、商用现货选用等方面仍停留在大卫星小型化的模式
上。在借鉴国外微纳卫星光学载荷创新研制模式的基础上，应紧紧把握航天转型发
展方向，开展对新型研制生产模式的积极探索，创新发展理念，优化组织管理和研
制流程，积极探索适于微纳卫星的光学载荷研制模式，充分发挥商业现货低成本、
快速、灵活的特点，充分利用微纳卫星的特点加强新成像方式的在轨应用，适应未
来航天技术快速发展的需要。
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