GEO中高分辨率民用光學對地觀測衛星發展研究

于龍江 劉云鶴

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

1 引言

地球靜止軌道（GEO）光學對地觀測衛星非常適合于對地球進行長期的連續監視和快速的訪問成像；但由于其軌道高度高，成像物距是近地軌道的數十倍。早期，在光學成像載荷技術能力的限制下，衛星難以獲得高空間分辨率，因此，其發展多在對空間分辨率要求不高的氣象衛星和導彈預警衛星領域。近年來，隨著光學成像載荷技術和衛星姿態控制技術的發展，出現了在GEO 實現幾百至幾十米分辨率的光學對地成像衛星的相關研究，目的是充分發揮高軌道駐留時間長的優勢，滿足多類軍民應用需求。

目前，許多國家和衛星制造公司已經開始GEO中高分辨率民用光學對地觀測衛星的設計和研制工作。韓國已發射并應用一顆裝有地球靜止軌道海洋成像儀（GOCI，500m 分辨率）的“通信-海洋-氣象衛星”（COMS），后來又提出了研制250 m 分辨率的GOCI-2載荷計劃；印度制定了“地球靜止軌道高分辨率”（GEO-HR）衛星計劃，并開展了針對GEO 中高分辨率光學成像衛星的方案論證工作；歐洲阿斯特留姆（Astrium）公司也在積極推動GEO-Africa（25m 分辨率）和GEO-Oculus（10．5 m 分辨率）衛星方案，并為其尋找用戶。

多個國家和衛星研制公司都在大力發展GEO中高分辨率光學對地觀測衛星，主要是因為此類衛星具有低軌光學對地觀測衛星所不具備的以下優勢。①可以利用長期駐留固定區域上空的優勢和快速的指向調整能力，實現對各類緊急觀測任務的快速響應，快速獲取不同譜段的探測圖像；在短時間內由地面完成探測數據的接收、處理和分發，為各類應急任務提供及時的圖像數據支持。②可以利用相對地表觀測區域靜止的優勢，在一段時間內對目標區域進行高頻重復凝視觀測，獲取目標區域的動態變化過程數據，這一能力對于光學遙感應用而言是全新的。③可以通過靈活的任務編排和衛星快速的指向調整，同時對多個熱點地區進行監測。④可以利用面陣長積分時間成像的優勢，獲取高質量的探測圖像；實現極小的圖像內部幾何畸變，生成高幾何精度的圖像產品；實現良好的遙感圖像定量化應用效果。可以預見，GEO 衛星用于對地觀測有多方面的優勢，將是未來光學對地觀測衛星技術發展的一個重要領域。

2 發展情況

2．1 韓國COMS衛星

COMS衛星是韓國用于通信、海洋、氣象等任務的GEO 多用途對地觀測衛星，由歐洲Astrium公司設計制造，于2010年發射，并已投入應用。

COMS衛星裝載的GOCI（見圖1），分辨率達到了500m，是世界上首個在GEO 實現百米量級分辨率的民用光學對地觀測載荷。GOCI可在短期內完成對自然現象的探測、監控和預報，藻類污染的監控和預報，海洋生態系統健康狀態監控，沿海區域調查和資源管理，海洋水產業信息搜集等任務。其質量為83．3kg，峰值功耗為106 W，是COMS衛星的3個載荷之一。它采用了200 萬像素的面陣CMOS探測器技術。分辨率為500 m，幅寬為500km；共8 個譜段，光譜分辨率為10～40nm，平均信噪比為1000。表1為GOCI的譜段及其主要用途［1］。

圖1 GOCI結構方案圖Fig．1 Main structure of GOCI

表1 GOCI的譜段及其主要用途Table 1 Spectral channels and their applications of GOCI

在GOCI獲得成功的同時，韓國提出了GOCI-2的研制計劃，其分辨率提高到250m，譜段數增加到13個，各個譜段的主要指標見表2。它的成像模式（見圖2）既包括原有的韓國附近海域的高分辨率成像模式（分辨率250m），又包括整個地球圓盤的低分辨率成像模式（分辨率1km），可用于監測地球氣候的長期變化。

表2 GOCI-2的譜段及其主要用途Table 2 Spectral channels and their applications of GOCI-2

圖2 GOCI-2成像模式Fig．2 GOCI-2imaging modes

2．2 印度GEO-HR衛星計劃

印度于2007 年提出了發展GEO 高分辨率光學成像衛星的計劃。其計劃發展的衛星（或載荷）暫定名稱為GEO-HR，配置以下幾個探測通道：①可見光-近紅外高分辨率多光譜（HRMX-VNIR）成像通道，分辨率50m；②可見光-近紅外高光譜（HySVNIR）成像通道，分辨率320m；③短波紅外高光譜（HyS-SWIR）成像通道，分辨率192m；④熱紅外高分辨率多光譜（HRMX-TIR）成像通道，分辨率1．5km。

2．3 Astrium 公司衛星方案

2．3．1 GEO-Africa衛星

近年來，Astrium 公司在積極推動25m 分辨率的GEO-Africa衛星（見圖3［2］）方案。該衛星計劃在2015年發射，是針對中低緯度的非洲提出的，主要滿足農業、土地、海岸、減災、自然資源等方面應用需求。

GEO-Africa衛星裝載1臺大口徑（0．9m）光學相機：在可見光、近紅外（VNIR）范圍內有10 個成像譜段，星下點分辨率為25m；在短波紅外（SWIR）范圍內有1個成像譜段，星下點分辨率為75 m；全譜段調制傳遞函數（MTF）平均值優于0．1。衛星采用直接入軌方式發射，整星發射質量約為1300kg，其中相機質量為550kg。GEO-Africa衛星譜段配置和分辨率如表3所示。

圖3 GEO-Africa衛星外形設計圖Fig．3 GEO-Africa configuration layout

表3 GEO-Africa衛星譜段及其分辨率Table 3 Spectral channels and their resolutions of GEO-Africa

GEO-Africa衛星采用面陣成像體制，可見光探測器采用面陣CMOS，單景幅寬為300km×300km。衛星采用“步進-凝視”工作模式，每天可工作13h，對地成像90景，平均4～5d可獲取一幅完整的非洲大陸圖像，夜晚階段不工作。

Astrium 公司目前正在積極尋找GEO-Africa衛星的用戶。按照其方案和研制流程，能夠在項目啟動后5年內完成衛星研制并發射使用［3-5］。

2．3．2 GEO-Oculus衛星

Astrium 公司提出的GEO-Oculus衛星方案，是從概念上對實現高空間、高時間、高光譜分辨率的高軌光學對地觀測技術進行的探索和研究［6-7］，主要面向歐洲及周邊海域的災害、資源、海洋等應用。GEO-Oculus衛星任務如表4所示。

表4 GEO-Oculus衛星任務Table 4 Missions of GEO-Oculus

GEO-Oculus衛星（見圖4）計劃在2018 年發射，整星發射質量為3652kg。它的光學相機口徑為1．5m，各個探測通道共用前光學系統。可見光、近紅外范圍內的3個焦面采用大面陣CMOS探測器，短波-中波紅外焦面采用碲鎘汞（HgCdTe）探測器，長波紅外焦面采用量子阱（QWIP）或HgCdTe探測器。相機最長積分時間為100ms，質量預計為606kg，功耗預計為508W（均考慮了20%的設計余量）。衛星每天可獲取65景以上的多譜段圖像，在午夜前后±2h內不工作。

GEO-Oculus衛星的面陣相機，采用分光＋濾光片輪的方式設計了5個成像通道，包含從紫外到長波紅外共27個探測譜段。其譜段配置、分辨率、幅寬如表5所示。值得注意的是，成像通道數量多，以及濾光輪等活動部件的引入，使相機光學系統設計非常復雜，降低了系統的可靠性。該設計目前并未得到工程驗證。

圖4 GEO-Oculus衛星及其相機Fig．4 GEO-Oculus and its camera

表5 GEO-Oculus衛星譜段及其分辨率Table 5 Spectral channels and their resolutions of GEO-Oculus

2．3．3 衛星方案比較

表6為GEO-Africa和GEO-Oculus衛星方案的主要技術特點比較。

表6 GEO-Africa和GEO-Oculus衛星方案的主要技術特點比較Table 6 Comparison of main technical characteristics between GEO-Africa and GEO-Oculus satellites

3 關鍵技術分析

根據國外發展情況，GEO 中高分辨率光學對地觀測衛星一般采用面陣凝視成像體制，選用全反射光學系統，并采用近年來發展迅速的面陣CMOS探測器，通過整星姿態機動進行相機指向的調整，實現靈活的任務響應能力。CMOS 探測器一般具有抗彌散設計，可以避免局部圖像的飽和（云、水體等）對于其他區域的影響，適合于高軌對地成像時幅寬大、云出現概率大的特點。CMOS 探測器采用電子快門，積分時間可以在一定范圍內自由設置，有利于在整星快速切換指向區域時，通過調整積分時間獲取灰度值（DN）分布合理、圖像亮度效果好的圖像。但CMOS探測器在技術上尚不如CCD 探測器成熟，像元尺寸一般較大，在探測靈敏度、探測器噪聲等方面略遜色于CCD，在探測器規模上尚達不到大面陣CCD 探測器的規模。這些缺點也都影響了CMOS探測器在短期內的廣泛應用。

國外GEO 中高分辨率光學對地觀測衛星一般具有VNIR、SWIR、MWIR 直至LWIR 范圍內的多譜段探測能力，空間分辨率10～50m 不等，衛星可根據應急救災、火災監視、水質污染監視、海洋觀測等領域的任務需求，確定其探測譜段和分辨率。

在平臺方案上，國外GEO 中高分辨率光學對地觀測衛星多采用成熟的GEO 通信衛星平臺進行改造，并繼承低軌高分辨率光學對地觀測衛星平臺技術，采用先進的姿態測量和控制設備，以滿足成像性能要求的姿態穩定度、姿態測量精度和指向控制精度；通過多層次的隔振措施，保證載荷成像期間光軸的振動幅值控制在允許的范圍內。

積分時間長是GEO 中高分辨率光學對地觀測衛星的一大技術特點。長積分時間有利于實現高的信噪比，尤其對于低照度、低反射率目標區域，有利于獲取更多的圖像細節，提高圖像定量化應用價值。但長積分時間需要幾個方面的技術作為支撐：①大動態范圍的探測器器件，尤其是滿阱電子數要高，才能在獲取低端圖像細節的同時避免高端飽和；②整星高穩定度姿態控制，按照一般的設計要求，星體穩定度在0．000 1（°）／s～0．000 5（°）／s；③星體微振動抑制技術，由于積分時間長，相機成像所敏感的“高頻振動”的頻率范圍向低頻移動，對隔振系統設計帶來了很大的挑戰，相比低軌光學對地觀測衛星的隔振系統具有更大的技術難度，國外高軌高分辨率光學對地觀測衛星對控制執行機構的微振動特性有嚴密的分析和嚴格的要求，并采用多種隔振手段（執行機構隔振器、相機隔振器等）完成隔振任務。

夜晚階段陽光照射是GEO 中高分辨率光學對地觀測衛星面臨的重要問題。由于星地距離遠，在夜晚階段地球的陰影一般不能遮擋衛星（地影期除外）；高分辨率相機口徑大，且遮陽罩內壁一般進行發黑處理，以減小雜散光，內壁長時間受照會引起遮陽罩溫度的上升；在午夜附近時段，陽光照射相機內部很深，如果不加控制，就會對光學反射鏡表面的鍍膜等造成損壞。因此，GEO 中高分辨率光學對地觀測衛星要解決夜晚階段的遮光罩熱控問題，并通過姿態規避或熱門等手段解決午夜附近的陽光照射問題。

4 啟示

GEO 中高分辨率光學對地觀測衛星的突出優點，使其具有廣闊的應用前景。在減災應用方面，可以獲取災害演變過程中典型孕災環境、致災因子和承災目標的持續動態監測數據，為水災、雪災、林火、地震、泥石流等各類災害的發展趨勢分析、救災方案部署等活動提供重要的數據支持；在氣象應用方面，可以在一段時間內提供熱點地區的高頻率連續探測圖像，為重大氣象保障和強天氣條件（局部地區強對流、龍卷風、臺風等）短期預警服務提供數據支持；在農業應用方面，可以為區域性作物長勢監測、作物面積早期識別、區域性耕地土壤墑情監測、農業災害監測等活動提供支持；在環保應用方面，可用于大氣、水體、森林、草地、濕地等動態變化監測和保護活動；在海洋應用方面，可用于海島海岸帶動態監測、海洋漁場環境監測、海洋災害監測等活動。

當前，許多國家和衛星研制公司都在大力發展GEO 中高分辨率光學對地觀測衛星技術，主要包括韓國的COMS衛星、印度的GEO-HR 衛星、歐洲的GEO-Africa和GEO-Oculus衛星。根據對這些衛星的分析可知，在發展GEO 中高分辨率民用光學對地觀測衛星時，要解決以下關鍵技術：①可見-紅外共口徑相機方案優化設計技術；②大口徑光學相機加工、裝調、檢測技術；③大規模、高性能面陣探測器技術；④大口徑光學相機支撐與減隔振技術；⑤GEO光學對地觀測衛星精密熱控技術；⑥GEO 光學對地觀測衛星平臺減隔振技術。

（References）

［1］Yu H A．Present status of GOCI and preliminary GOCI-2 mission ＆ user requirements［R／OL］．［2010-10-03］．http：／／0-geo-cape．larc．nasa．gov．iii-server．ualr．edu／docs／2009swgm／4wednesdayafternoon／cho＿goci＿coci2＿rev．pdf

［2］Kufoniyi O．GEO-Africa technical specification white paper［R／OL］．［2010-02-17］．http：／／www．earthobservations．org／documents／geo＿africa／geo-africa-whitepaper-draft1-17feb2010＿1．pdf

［3］Ramos F．GEO-Africa workshop session 1：technical performances［R／OL］．［2010-02-22］．http：／／www．earthobse vations．org／documents／geo＿africa／geo-africafirst-core-team-meeting＿garba＿sambo＿hassan．pdf

［4］Ramos F．GEO-Africa workshop session 2：appropriateness of applications［R／OL］．［2010-02-22］．http：／／www．earthobsevations．org／documents／geo＿africa／geo-africa-first-core-team-meeting＿garba＿sambo＿hassan．pdf

［5］Ramos F．GEO-Africa workshop session 3：regionalisation-deployment ＆ capacity building approaches［R／OL］．［2010-02-22］．http：／／www．earthobsevations．org／documents／geo＿africa／geo-africa-first-core-team-meeting＿garba＿sambo＿hassan．pdf

［6］Knigge T．GEO-Oculus mission overview：a mission for real-time monitoring through high-resolution imaging from geostationary orbit［R／OL］． ［2009-05-13］．http：／／esamultimedia．esa．int／docs／gsp／completed／c21096exs．pdf

［7］Vaillon L，Schull U，Knigge T，et al．GEO-Oculus：high resolution multi-spectral earth imaging mission from geostationary orbit［C］／／ICSO 2010Proceedings．Toulouse，France：ICSO，2010：31-36