2020年10月7日，Capella Space发布了其8月31日发射的Capella-2（又称Sequoia）卫星2米分辨率的SAR高清图像，后续还将发布0.5m分辨率的SAR图像，这将是继芬兰Espoo公司的ICEYE卫星后又一个实现了分辨率超过0.5m和重量小于百kg量级的SAR卫星星座。从Capella-2卫星开始，Capella Space将对外提供准实时服务，即在收到任意用户观测请求后，30分钟内向用户交付目标SAR图像，这比目前行业平均水平的8到12个小时要快得多。Capella Space能够提供准实时服务的核心是它的卫星上加装了基于Inmarsat海事卫星系统的数据中继终端IDRS，使得Capella Space控制中心可以随时与卫星取得联系、上注任务指令并下传经过处理的部分图像，让用户第一时间获得目标的关键图像。
一、基本情况
Capella Space是由PayamBanazadeh和William Woods于2016年创立的位于加利福尼亚帕洛阿尔托的商业初创公司。Capella星座由36个微SAR卫星组成，如图 1(a)所示，设计最高分辨率优于0.5m、重量小于100kg。计划每年发射6到12颗卫星，到2023年36颗卫星全部入轨，实现1小时目标重访。Capella目前已经发射2颗卫星，如图 1(b)所示，分别是2018年12月发射了第一颗Capella-1（又称Denali）试验卫星和今年8月31日刚发射的第二颗Capella-2 （又称Sequoia）实用卫星，接下来将要发射的六颗卫星命名为“惠特尼”，这6颗卫星将分布在2个轨道面上，平均成像重访时间将在3到6小时之间。Capella获得了美国国家海洋和大气管理局的许可，可以合法出售最高分辨率SAR商业图像给全球客户。
(a) 36颗星计划 (b) 当前在轨2颗卫星
图1 Capella卫星星座
1、Capella-1（Denali）
2018年12月发射的Capella-1卫星的重量37kg，其外形如图 2所示，运行在高度569km、倾角的97.8°的太阳同步轨道，降交点地方时10:30。卫星载荷工作在X波段、条带和聚束成像模式下带宽500 MHz，使用100平方英尺的类似折纸天线，图像模式为条带、扫描、凝视聚束和滑动聚束，极化方式HH或VV。
图2 Capella-1（Denali）卫星外形
2、Capella-2（Sequoia）
2020年8月31日，第二颗Capella卫星由火箭实验室公司的火箭在新西兰发射升空，运行在高度539km、倾角45.2公里的圆形轨道上，为了满足优于0.5m高分辨率的要求，Capella-2卫星重量接近100公斤，超过原设计的40公斤指标，图 3给出了卫星的外形和获取的迪拜朱美拉棕榈岛SAR图像。与Capella-1相比，Capella-2采用了3.5米的网状反射天线与高功放，太阳能电池阵的功率增加到400 W，载荷可以每轨工作10分钟，改进的热控系统可使卫星长时间连续成像、实现连续4000公里条带图像，采用的大型反作用轮使卫星可以快速调整指向，下行数传链路速率增加到1.2 Gbps，通过与新加坡Addvalue公司的独家合作，利用Inmarsat进行高度安全的双向加密天基链接，可以为整个Capella星座提供实时任务功能。
图3 Capella-2卫星外形和获取的图像
二、IDRS的应用
Capella Space工程部副总裁Christian Lenz说“我们的客户说：今天，等待八个小时才能接收数据的行业标准已经过时了，他们希望获得可靠，及时和高质量的图像”。由于地面测控站覆盖能力有限，要提供实时数据服务，只有利用数据中继卫星系统。目前能够提供天基数据中继服务的实用系统有3种：基于地球同步卫星的中继卫星系统（TDRS等）、美国NSL公司提供的基于Globalstar的中继服务和基于Inmarsat的海事卫星系统的中继，其中TDRS系统应用复杂，主要为美国军民用卫星提供服务，较少为商业卫星服务；我计算的NSL基于Globalstar的中继覆盖情况如表 1所示，可以看出由于轨道高度的限制，数据中继的持续时间太短，再加上NSL采用的Eyestar-2调制解调器提供的数据速率最高只有9.6kbps，中继能力受限。而Inmarsat的海事卫星系统，基于其为地面移动通信设计的初衷、大功率功放和高增益天线全球覆盖的特点，提供了利用海事卫星进行数据中继的基础，如果把地面海事终端放置到近地卫星上，克服多普勒频移效应和解决越区切换等问题，将能为近地卫星提供一个全球覆盖、随机接入、按流量收费的数据中继服务。
表1 Globalstar24小时对近地卫星覆盖计算结果
2015年起新加坡创值公司与海事卫星组织合作，生产了基于海事卫星的数据中继终端IDRS，并于当年在南洋理工大学VELOX-II卫星上成功进行了各项试验验证。基于海事卫星的数据中继系统组成如图 4所示，安装在低轨卫星的海事终端IDRS相当于在卫星上安装了一个全双工IP 调制/路由器，为卫星和地面间提供端到端的无缝联接，地面用户可以在任意地点，利用给定的IP地址通过互联网直接访问近地卫星，完成地面控制中心与近地卫星之间的数据接收、遥控指令上注和文件上传。
图4 基于Inmarsat海事数据中继系统
从Capella-2卫星开始，所有Capella卫星都将加装IDRS，使Capella卫星通过Inmarsat的GEO卫星随时与地面实现双向高速，安全和快速的基于IP的连接。凭借与Inmarsat和终端供应商Addvalue的合作，Capella Space成为首家（也是目前唯一一家）允许客户几乎立即委托卫星对特定地面目标使用SAR进行观测的公司，这些图像可以在大约20分钟内在用户手中，仅需几分钟即可快速浏览第一张照片。
在实际应用中，Capella客户将使用Web应用程序实时登录Inmarsat网络，向任意一个Capella卫星发送任务请求，这些请求发送到Inmarsat地面站网络中心后，将其传输到可以看见该Capella卫星的Inmarsat卫星，再通过这个Inmarsat卫星将请求传输到Capella的卫星，整个过程类似在互联网上的信息传输，这期间Capella客户是不知道哪个Inmarsat地面站和哪个Inmarsat卫星参与了信息传输。由于Capella除了商用，还专门针对国防部和其他政府客户进行营销，因此非常重视数据安全，通过Inmarsat数据中继的各个节点之间传递的数据都经过加密。
Capella Space使用Amazon的AWS数据接收服务接收Capella卫星的下传数据，Capella的卫星将能够每20分钟与AWS地面站链接一次，而由于Inmarsat卫星对Capella是全球覆盖，因此可以随时通过海事中继上传任务指令，实现20分钟内指令上注和数据下传。另外，由于每颗Capella卫星加装一个星载图形处理单元（GPU），可以在星上快速处理SAR图像，并以一种缩略图的形式将其通过海事中继快速传回地面，而完整的SAR图像则通过AWS地面站接收。
除了分辨率，遥感卫星最关注的是目标重访率和图像实时获取，通过增加卫星数量和优化轨道设计提议目标重访率，通过全球布设接收站和高速数传链路实现数据快速下传，但通过基于天基的全球覆盖的数据中继服务，是能最终落实遥感卫星实时服务的实用、高效手段。
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