高分-1衛(wèi)星設計與特點

白照廣（航天東方紅衛(wèi)星有限公司）

2013年4月26日，高分-1（GF-1）衛(wèi)星由長征-2D（CZ-2D）運載火箭送入軌道。2013年12月30日，高分-1正式投入使用，這標志著我國高分辨率遙感衛(wèi)星數據國產化邁出了決定意義的一步，將為國民經濟建設、社會發(fā)展需要提供有力支撐。據國家國防科技工業(yè)局統(tǒng)計，截至2013年12月底，高分-1衛(wèi)星共向用戶部門提供了分辨率2m/8m影像247731景，分辨率16m影像75766景。以華北華東地區(qū)霧霾問題為例，高分-1獲取了近500景觀測數據，為有效開展霧霾污染形成、發(fā)展、消散等基礎研究提供了一定的信息保障。

1 前言

高分-1衛(wèi)星是國家高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項天基系統(tǒng)中的首發(fā)星，其主要目的是突破高空間分辨率、多光譜與高時間分辨率結合的光學遙感技術，多載荷圖像拼接融合技術，高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術，5～8年壽命高可靠衛(wèi)星技術，高分辨率數據處理與應用等關鍵技術，推動我國衛(wèi)星工程水平的提升，提高我國高分辨率數據自給率。

2 衛(wèi)星設計方案

主要技術性能

高分-1衛(wèi)星采用CAST-2000小衛(wèi)星平臺，裝載的遙感器包括2臺全色分辨率2m、多光譜分辨率8m的高分相機，4臺分辨率16m多光譜的寬幅相機組成。其數據傳輸采用X頻段點波束高速數傳系統(tǒng)。

高分-1衛(wèi)星主要設計指標

軌道設計

高分-1衛(wèi)星采用太陽同步軌道，即41天的太陽同步回歸軌道，軌道傾角97.96°，相鄰圈軌道間距2720km左右，回歸周期內相鄰軌跡間距66.34km，這樣可在高分相機實際幅寬69km情況下，滾動方向不側擺就可41天實現全球覆蓋觀測。寬幅相機（實際幅寬825km）4天就可實現全球覆蓋觀測，在側擺25°左右，高分相機可任意地區(qū)實現4天重訪。

星下點軌道間距及4天成像覆蓋情況

有效載荷設計

高分辨率相機采用非球面同軸三反偏視場式光學系統(tǒng)，焦距3.3m、視場角3.155°，5色集成時間延遲積分-電荷耦合器件（TDI-CCD），探測器通過反射鏡實現線性拼接。

寬幅相機采用多鏡頭模塊、視場拼接來實現800km幅寬的方案，用折射式光學系統(tǒng)+分光棱鏡將入射光分為4個譜段，每個譜段對應一片CCD器件。

高分辨率相機外形

高分辨率相機光學系統(tǒng)示意圖

寬幅相機外形

寬幅相機光學系統(tǒng)示意圖

數傳分系統(tǒng)組成框圖

高分-1上的相機成像后最大碼速率達2.64Gb it/s。在設計上將其6臺相機均分兩路，先壓縮后再進行組合編碼，最終寫入固態(tài)存儲器中，或通過2個通道下傳到地面。數據傳輸使用單個高增益點波束天線、同頻極化復用技術實現高速數據傳輸。數傳天線設有2個信號輸入口，分別是左旋極化信號入口和右旋極化信號入口，數據傳輸時左旋極化和右旋極化相互保持正交隔離，由地面接收天線將一副天線的同頻雙極化信號進行隔離接收，可保證使用相同載波的雙通道數據正常接收。為保證通道暢通，采用雙冗余的傳輸信道，包括2副數傳天線，但在固態(tài)放大器設計上采用三取二策略實現冗余。

平臺設計

高分-1的衛(wèi)星平臺包括結構與機構、姿態(tài)與軌道控制、星務管理、測控、電源、總體電路、熱控等分系統(tǒng)組成。

其衛(wèi)星結構用于承載全星設備，承受發(fā)射段動力學載荷，保持整星飛行形態(tài)。主要采用鋁蒙皮、鋁蜂窩復合材料板，星箭對接環(huán)采用鋁合金材料。機構主要用于實現太陽電池陣收攏、展開，由兩副太陽電池翼組成，每副太陽電池翼由三塊基板基板搖臂架及鉸鏈、聯(lián)動裝置、壓緊釋放裝置等組成，基板采用碳纖維加鋁蜂窩材料制成。壓緊釋放采用四點帶式壓緊、單火工品解鎖的最小配置，具有簡單、可靠性高等特點。

其姿態(tài)與軌道控制用于衛(wèi)星飛行姿態(tài)調整與穩(wěn)定控制，以及衛(wèi)星軌道控制。衛(wèi)星姿態(tài)測量采用地球紅外敏感器、星敏感器、陀螺、數字太陽敏感器、模擬太陽敏感器等。其中星敏采用三取二冗余策略，陀螺采用6個冗余的二浮陀螺以滿足長壽命運行要求。姿態(tài)控制通過“3正裝＋1斜裝”的4個飛輪實現整星零動量控制方案達到衛(wèi)星姿態(tài)對地定向、三軸穩(wěn)定的目的，初始姿態(tài)調整、應急姿態(tài)調整及軌道控制采用肼系統(tǒng)實現，另外配置3個磁力矩器實現動量輪卸載，采用單軸驅動的驅動機構實現太陽電池翼對日定向。

其衛(wèi)星測控用于衛(wèi)星與地面通信及地面對衛(wèi)星的操控。其采用統(tǒng)一S頻段測控體制（USB），具備上、下通信能力，可實現指令、數據上注、遙測信息下傳及定軌所需的載波信息等。衛(wèi)星實時定軌還可以通過GPS實現。衛(wèi)星設計中繼測控功能可實現境外衛(wèi)星測控功能實現。

其衛(wèi)星電源用于星上電能生成。衛(wèi)星采用了高效率的三結砷化鎵太陽電池陣與80A ·h鋰離子蓄電池組聯(lián)合供電方案，日照區(qū)電池陣發(fā)電，并給星上負載供電，電能多余情況下給蓄電池組充電，地影區(qū)星上負載直接由蓄電池組供電。

其總體電路用于對整星負載配電及星地測試電接口等。整星采用分散供配電體制，既由整星統(tǒng)一供給相同電壓的電源，各個負載依據自身的電壓需求進行電壓變換。

其衛(wèi)星星務系統(tǒng)負責整星事務管理，包括時間管理、網絡通信、任務驅動、遙測信息處理及整星健康管理等。該系統(tǒng)由三大部分組成：①智能設備，②兩級控制器局域網絡，③星務系統(tǒng)軟件。智能設備包含星務中心計算機和各智能下位機，星務中心計算機是系統(tǒng)核心，負責衛(wèi)星的任務調度和綜合信息處理工作。各智能下位機具有統(tǒng)一的標準通信協(xié)議和數據通信格式的網絡接口，接受星務中心計算機的調度和控制。其中星務數據存儲模塊、姿控ALTU、一次電源下位機不作為獨立設備，而是嵌入星上其他分系統(tǒng)單機之中，實現了整星的自動化管理。控制總線網絡是星上遙控、遙測等信息的通道。星務系統(tǒng)軟件包括：實時多任務操作系統(tǒng)、智能設備運行軟件、星上網管理軟件、整星運行軟件等，分別嵌入在相應智能單機設備中。

其衛(wèi)星熱控用于衛(wèi)星溫度環(huán)境控制，采用以被動熱控為主、以主動熱控為輔的方案，采用隔熱、散熱、等溫化、加熱設計，相機采用獨立熱控來滿足特殊的溫差和溫度穩(wěn)定性要求。

飛行程序

衛(wèi)星與運載分離后，星上時間啟動，首先進行初始姿態(tài)角速度偏差消除，主要由陀螺敏感器姿態(tài)角速度信息，采用噴氣方式消除三個方向的姿態(tài)角速度。65s左右展開太陽電池翼，85s消除太陽電池翼展開帶來的姿態(tài)擾動，95s高分辨率相機焦面解鎖，105s使用紅外地球敏感器搜尋地球，利用噴氣使衛(wèi)星對地初定向，同時利用太陽電池翼上的模擬太陽敏感器敏感太陽信息，并驅動太陽電池翼驅動機構使太陽電池翼對準和跟蹤太陽。2000s左右飛輪啟動，飛行1圈左右，衛(wèi)星在飛輪作用下建立對地正常姿態(tài)控制。飛行第7、8圈展開兩副數傳天線，其后引入數字太陽敏感器、星敏感器，將衛(wèi)星時間設置為世界調整時間（UTC），打開有效載荷長期工作負載等，衛(wèi)星具備了成像能力。

為了克服入軌初始偏差和長期運行時的大氣阻力等對軌道的影響，保證衛(wèi)星運行于任務軌道，高分-1衛(wèi)星還具有軌道調整能力。軌道調整包括星下點軌跡調整、降交點地方時保持、軌道傾角調整等，一般可通過軌道高度調整和傾角調整來實現。星上安裝了一套軌控推力器，但不同狀態(tài)的變軌需要對衛(wèi)星姿態(tài)進行調整。設計的軌控工作模式包括：升軌模式，可直接啟動安裝在星體飛行方向反向的軌控發(fā)動機，通過加速達到調高軌道的目的。降軌模式，需要將衛(wèi)星偏航180°，然后啟動軌控發(fā)動機，通過減速實現衛(wèi)星降軌。傾角調整模式：衛(wèi)星沿偏航方向轉動90°，然后啟動軌控發(fā)動機，該種模式可在衛(wèi)星飛行方向法向施加一個速度增量，可用于改變軌道傾角。

高分-1衛(wèi)星有五類18種任務工作模式，五類模式包括：實時成像傳輸模式，可將成像圖像直接傳到地面站，由于所有相機成像數據壓縮后碼速率仍高于數傳通道能力，這種模式主要用于部分相機成像時的傳輸；實傳記錄模式，部分相機直接傳輸，剩余相機圖像存儲于固存中，等待回放時下傳；邊記邊回放模式，成像數據高于通道傳輸能力時，可快速寫入固存，同時慢速向地面站傳輸數據，一般傳輸時間要長于成像時間；記錄模式，將成像數據直接記錄在固存，主要應用于衛(wèi)星處于地面接收站接收區(qū)之外時的成像；回放模式，將固存數據傳輸至地面站。

整星具備側擺35°成像能力，每軌最長成像時間12m in，成像面積高分相機可達3×105km2，寬幅相機可達4×106km2。衛(wèi)星還具備一軌四次成像能力，可用于多目標區(qū)成像。

高分-1衛(wèi)星飛行程序

它有兩種測試模式，一種是數傳單載波試驗，主要用于數傳信道測試。一種是偏航定標模式，用于相機相對輻射定標測試。其原理是將正常成像時與飛行垂直的推掃式線陣探測器偏航90°，這些線陣探測遙感的信息都是同一地物的信息，對不同探元輻亮度進行歸一化修正，即可達到相對定標目的。

該衛(wèi)星有多種應急安全模式，包括姿態(tài)異常模式、能源安全模式、荷安全模式、星務主機安全模式等，用于星上不同故障狀態(tài)時，衛(wèi)星可自主控制到安全運行狀態(tài)下。

衛(wèi)星側擺成像能力

偏航90°定標圖像

3 衛(wèi)星主要特點

（1）空間分辨率高

我國資源一1的02C星具有2.6m分辨率，資源-3具有2.1m分辨率，由于高分-1衛(wèi)星具有2m的分辨率，無疑是國內目前分辨率最高的民用衛(wèi)星。

（2）中分辨率遙感視場大

國際上高于20m分辨率的遙感衛(wèi)星觀測幅寬一般不到200km，如美國陸地衛(wèi)星-8，其分辨率15m，幅寬185km，高分-1多光譜分辨率16m，擁有800km幅寬，無疑是目前世界上同等分辨率下幅寬最大的衛(wèi)星。

（3）下行碼速率高

國外衛(wèi)星傳輸碼速率最高為世界觀測-1，達800M b it/s，但其質量在2500k g左右。國內衛(wèi)星最高碼速率的衛(wèi)星是資源-3，達900M bit/s，其質量也在2000kg以上。在1000千克量級的衛(wèi)星上，高分-1衛(wèi)星數傳碼速率無疑是最高，達2.64Gbit/s。

（4）具備中繼測控能力

高分-1衛(wèi)星是我國民用遙感衛(wèi)星第一個具備中繼測控能力的小衛(wèi)星。

（5）具備偏航定標能力

高分-1采用了偏航90°定標模式，這不僅可降低地面輻射場要求，同時能實現全視場、多相機同時定標，大大提高了定標效率。高分-1是國內首顆可在軌實現該模式的衛(wèi)星。

（6）設計壽命長

圍繞國內低軌衛(wèi)星壽命5～8年最高要求開展了相關設計，增強了整星安全性控制策略，設計和實時初始軌道傾角偏置優(yōu)化，可保證在燃料不增加的情況下，兼顧長壽命運行。

（7）高分-1的有效載荷占重比大

有效載荷占整星質量比達47.2%，為國內同類衛(wèi)星規(guī)模最高之一。

高分-1的高分辨率相機在軌成像

高分-1的寬幅相機首軌成像—日本及周邊海域

4 在軌測試與應用前景

高分-1衛(wèi)星入軌后，先進行了1周的工程測試，2013年4月28日開始首次成像，其后交付資源衛(wèi)星應用中心進行業(yè)務測試。

在工程測試期間，對高分-1衛(wèi)星狀態(tài)進行了設置，對相機成像參數進行了調整，并開展了各類任務工作模式測試，開展了一次偏航定標和多次側擺成像，特別開展了一軌四次的成像測試。

2013年9月29日，高分-1衛(wèi)星完成了在軌測試，并在國土資源、環(huán)境保護、農業(yè)等方面開展了試應用。在12月30日舉行的高分-1衛(wèi)星投入使用儀式上，專家們評價該衛(wèi)星成像質量優(yōu)良，這預示著高分-1將有很好的應用前景。

2m/8m分辨率土地資源應用圖像產品

16m分辨率水環(huán)境應用

16m分辨率農業(yè)應用—草原植被產草量分布

5 結束語

高分-1衛(wèi)星兼顧高分辨率與大視場遙感，是我國目前在軌民用遙感分辨率最高的衛(wèi)星，也是國際上16m分辨率觀測視場最大的衛(wèi)星，經過業(yè)務部門的試運行，衛(wèi)星圖像質量高，應用前景廣泛。期望高分-1遙感數據能在我國高分辨率數據自給率方面作出應有貢獻。