高分辨率光學遙感衛星平臺技術綜述

葛玉君 趙鍵 楊芳（航天東方紅衛星有限公司）

隨著遙感應用在各個領域的不斷深入，以及我國經濟社會的高速發展和航天技術的進步，衛星遙感圖像數據已經在各行各業取得了廣泛的應用，發揮著越來越重要的作用。而隨著遙感應用的逐漸深入，用戶對圖像數據信息提取的要求越來越高，需要分辨率更高的圖像質量和更快、更靈活的圖像生成模式。高分辨率衛星圖像的需求不斷增大，有力地推動了高分辨率光學遙感衛星的發展。近20年來，國際上各主要航天公司陸續研制并發射了多種類型的高分辨率光學遙感衛星。與20世紀八九十年代的中等分辨率光學遙感衛星相比，高分辨率光學遙感衛星對平臺技術的需求發生了本質的改變。

1 對地光學成像空間分辨率的發展趨勢

在軍事領域，以美國“鎖眼”（KH）系列衛星為代表，其空間分辨率已經優于0.1m。在民用和商用領域，近年來也出現了如艾科諾斯－2（Ikonos－2）、快鳥－2（QuickBird－2）等優于1m分辨率的衛星，2008年9月發射的地球之眼－1（GeoEye－1）衛星的分辨率已達到0.41m。由此可見，軍民領域光學遙感衛星在需求的驅動下，都在朝著高分辨率方向發展。

2 典型的高分辨率光學遙感衛星及其衛星平臺的發展趨勢

典型的高分辨率光學遙感衛星

國際上光學遙感衛星已經形成了有代表性的幾個系列。從同一系列衛星的發展趨勢可以看出，高分辨率光學遙感衛星的主流是向空間分辨率越來越高的方向發展，1m甚至更高分辨率的衛星已經逐漸占據國際市場，并且優于1m的可見光遙感衛星基本上都已經通過1000千克量級的衛星得以實現。

部分光學遙感衛星性能指標

以1999年9月發射的Ikonos－2衛星為例，它是美國空間成像公司的一顆商用高分辨率光學遙感衛星，運行于高度為680km的太陽同步圓軌道上。星下點地面像元分辨率達到0.82m（全色）/3.28m（多光譜），星下點成像幅寬約11km。該相機能沿俯仰和滾動軸方向30°范圍內快速機動，最大回轉速度可達4°/s，回轉加速度可達0.2°/s2。借助這種快速姿態機動能力，衛星可實現同軌多種模式的平面成像和立體成像，一軌成像能力最大可達20000km2。

GeoEye－1衛星于2008年9月6日發射成功。它是美國軌道圖像公司的高分辨率光學成像衛星，運行在684km高的太陽同步軌道，分辨率達0.41m（全色）/1.64m（多光譜），是目前分辨率最高的商用衛星，衛星每天成像面積：全色為7×105km2，全色+多光譜為3.5×105km2。

Pleiades－1A衛星是法國于2011年11月17日發射的首顆新一代高分辨率光學遙感衛星，衛星質量約940kg，其目的是通過技術創新提供系統效費比，替代現有的“斯波特”（SPOT）系列衛星。衛星運行在695km高的太陽同步近圓軌道，在星下點的分辨率為0.7m（全色）/2.8m（多光譜），成像幅寬大于20km。與其相同的Pleiades－1B衛星也于2012年12月1日升空。

國外高分辨率光學遙感衛星平臺發展狀況

目前，在國際上，類似洛馬、鮑爾、泰雷茲-阿萊尼亞、阿斯特留姆等大中型宇航公司都發展了各自的高性能光學遙感衛星平臺。

3 高分辨率光學遙感衛星技術需求

高分辨率星載光學載荷由于焦距長、口徑大、探測器數量多，所以導致衛星質量、功耗以及對平臺穩定性要求大幅提高，即使衛星平臺能夠提供類似星上資源，但如果采用傳統的三軸穩定對地定向的姿態控制模式，成像效能并不理想，因為幾十千米固定幅寬的高分辨率觀測相比于地球而言，無異于“管中窺豹”。因此，同時實現高空間分辨率、高時間分辨率（大幅寬）已成為高分辨率衛星的技術難題。為了滿足高分辨率衛星的技術需求，目前正著眼于同時解決高空間分辨率和高時間分辨率，并且要求既要提高成像效能，又要降低衛星成本。綜合來看，從1999年美國發射Ikonos－2衛星以來，分辨率在1m及優于1m的高分辨率光學遙感衛星都采用更加靈活的在軌飛行模式，即為通常所說的敏捷衛星。

典型的高分辨率光學遙感衛星平臺性能對照表

美國Tacsat－3衛星戰術進行區域偵察示意圖

所謂高分辨率敏捷衛星主要是指：在傳統光學遙感衛星零動量三軸穩定姿態的基礎上，借助大力矩姿態執行部件，使衛星平臺具備繞任意歐拉軸（含滾動、俯仰、偏航）大范圍快速姿態機動并且快速穩定的能力，利用裝載的單臺高分辨率遙感器，通過快速重定向，實現包括同軌多個熱點目標定制成像、同軌大區域目標多條帶拼接成像和同軌同一目標多視角立體成像等多種成像模式，解決同時實現高空間分辨率和高時間分辨率的技術難題，提高成像效能。

大角度快速姿態機動及穩定能力

采用敏捷成像模式，高分辨率光學遙感衛星平臺需要具備大角度快速姿態機動能力。任務要求的機動能力實際是指：在機動時間內，衛星保證遙感器重新指向并且能夠進行成像的能力。表述高分辨率衛星的敏捷機動能力的指標，通常是指機動范圍、機動角度、機動時間和成像時的姿態穩定度，有時也用所支持的成像模式（如能否進行立體成像、多條帶拼接），以及單圈軌道或者1天時間內的成像面積來描述，當然成像面積是跟衛星所配置的相機幅寬等指標相關聯的。

美國Ikonos－2衛星立體成像模式

法國Pleiades－1A衛星進行電磁兼容性測試

目前的高分辨率光學遙感衛星所采用的基本上還都是推掃成像的時間延遲積分-電荷耦合器件（TDI-CCD）相機，姿態的不穩定將會造成在一個時間延時積分成像時間內CCD像面產生位移，導致圖像調制傳遞函數（MTF）下降。

為了保證成像效能，在考慮成像畸變的影響之后，高分辨率光學遙感衛星的機動范圍都在星下點45°～50°的圓錐以內。

在上述姿態穩定度、機動范圍的約束條件下，高分辨率光學遙感衛星的機動能力通常用典型的機動角度/機動時間來表述，如QuickBird－2達到10°/20s、50°/45s。而表征衛星平臺機動能力實現的系統典型指標分解為3個：最大機動角速度、最大機動角加速度和姿態穩定收斂時間。敏捷衛星姿態機動范圍是星下點偏離45°，由于對姿態機動方向有任意性的要求，而且機動的速度要求明顯提高，因此對衛星的姿態測量和控制部件均提出了很高的要求。為了實現支持高分辨率成像的機動能力，衛星不僅需要大的力矩執行機構，還需要大的角動量吸收能力，主要包括動量輪和控制力矩陀螺（CMG）。姿態測量部件應具有更高的精度、更高的動態范圍以及更高的數據更新頻率。

適應于高分辨率成像的衛星構型和運行模式

高分辨率光學遙感衛星在實現技術上強調系統優化設計方面與中等分辨率的光學遙感衛星不同，它不再采用在太陽同步軌道上保持整個軌道圈相機對地指向、太陽電池翼一維轉動對日定向的運行模式，而是通過衛星平臺和相機的一體化設計，使整星轉動慣量小、撓性擾動干擾少，整星具有很好的姿態機動動力學特性，便于實現快速姿態機動和快速穩定，適合高分辨率成像要求。通過運行模式的合理設計，合理調配星上各種資源，提高成像效能。相關高分辨率光學遙感衛星的構型既決定了其“自由指向”能力，又需要在保持能源供應、姿態確定、數據傳輸的條件下，有選擇、有設計地“在一定條件下自由指向”。從構型設計上，高分辨率衛星主要分為兩類，一類是以Ikonos、Pleiades衛星為代表的構型，即太陽電池翼法線與相機光軸平行或近于平行；另一類是以Orbview－3或GeoEye－1衛星為代表的構型，即太陽電池翼法線與相機光軸垂直或近于垂直。二者均有成功的圖像數據。

高精度時空信息測量能力

由于采用了20km幅寬的高分辨率相機定制成像，所以高分辨率光學遙感衛星除了要求相機圖像的輻射質量、獲得清晰的圖像外，還需要圖像具有好的幾何質量，滿足用戶無地面控制點對地目標定位的應用要求。無地面控制點對地目標定位是指由衛星軌道星歷、姿態以及傳感器參數等建立直接對地定位模型，該模型幾何定位結果與真實坐標之間的誤差即為無地面控制的幾何精度。無地面控制的幾何精度主要取決于：衛星影像獲取時的星歷數據和姿態數據的精度、星時精度、衛星平臺穩定性、傳感器幾何參數等，這些高精度時空信息測量數據由衛星平臺給圖像數據提供，實際上該定位精度數據也反映了高分辨率對地觀測衛星平臺及成像系統的整體可靠性和穩定度。

支持高精度時空信息測量，包括應用高精度全球導航定位衛星系統等進行軌道位置確定，應用高精度星敏和陀螺實現姿態測量，并綜合分析考慮信息數據的有效性，所打入時標與有效信息真實時刻的一致性，提出針對敏捷衛星的合理輔助數據流程及時間管理方案。在衛星平臺、相機結構設計時，還要考慮在軌溫度場變化引起的部件幾何形變影響。考慮系統誤差項可以通過定期的在軌檢校去除的情況，衛星平臺設計主要控制以下各項隨機誤差項：定軌精度、姿態測量精度、星上時間同步精度、相機像主點的標定誤差、相機畸變標定誤差、相機與星敏感器間安裝夾角的標定誤差、空間熱環境引起相機視軸與星敏感器視軸指向的變化誤差。

總裝完畢的法國Pleiades－1B衛星

面向星上資源的任務規劃能力

對于傳統的光學遙感衛星，由于工作模式較為簡單，所以成像模式主要采用星下點或者簡單的側擺成像，較為單一，其任務運行管理中任務規劃和調度實際實施較為簡化。

而對于高分辨率光學遙感衛星，由于實現用戶定制的成像模式將面臨數量多、操作復雜的控制指令序列，星上動作存在前后相互關聯，所以一條指令出現問題就會影響后續動作；另外，其動作執行的實時性要求高，尤其是姿態控制動作和數傳天線控制動作，必須實時控制。這些動作指令若依賴地面上注程控指令方式實現，指令繁多，容易出錯，特別是對于任務交錯執行的情況。因此，需要采取面向星上資源的任務規劃技術，以星地一體任務規劃技術為依托，優化衛星系統的應用效益，并驅動衛星地面任務仿真系統的運行，評估衛星系統的整體應用能力。在衛星受限資源條件[遙感器能力、可觀測時間、觀測時間長度、姿態角要求、圖像類型需求、任務間轉換時間、圖像地面分辨率、太陽光照條件、電源消耗、數據記錄空間、數據下傳碼速率、成像特殊要求（如立體圖像要求）、其他要求（如云層覆蓋情況等）]下，通過對任務規劃問題求解，找到最佳的任務控制指令序列，取得最優成像效果和最低的工程代價，優化星上能源利用和提高在軌故障的處理能力。

5 結論和啟示

綜觀近20年來國際上高分辨率光學遙感衛星技術的發展，面向國內、國際未來衛星應用的需求，尤其是針對高分辨率應用需求，在系統功能、性能、壽命和載荷服務能力等方面，迫切需要開發新一代面向高分辨率、高性能的衛星公用平臺。高分辨率光學遙感衛星平臺的核心技術特征是：采用剛性的構形結構設計、大角度快速姿態機動、高精度時空信息測量、面向星上資源的任務規劃能力，實現靈活多樣的高分辨率成像模式。

在這樣的技術需求牽引之下，航天東方紅衛星公司于2011年成功研制開發了CAST－3000平臺，這是國內首個單載荷高分辨率敏捷光學遙感衛星平臺。該衛星平臺具備自由指向和敏捷姿態機動的能力，來配合高分辨率多模式定制成像的應用，既顯示了小衛星“快、靈、省”的優勢，又與高分辨率遙感器結合，借助整星敏捷姿態機動的性能，實現高空間分辨率成像和快速的系統響應性能，具有多功能、高效率的特點，有力地促進了對地觀測衛星的更新換代。

法國Pleiades－1A衛星在軌飛行示意圖