WorldView系列衛星設計狀態分析與啟示

范 寧，祖家國，楊文濤，周 輝

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

進入21世紀，隨著信息獲取領域需求的日益增加，國外光學成像衛星發展非常迅速，其技術水平取得了大幅度提升，目前美國和歐洲都已經擁有了分辨率優于0.5 m的光學衛星對地觀測能力。

WorldView系列衛星是美國“NextView計劃”的重要組成部分[1]，該計劃是由美國國家地理空間情報局（NGA）發起的一項軍民兩用對地觀測計劃，除了為 Google、Microsoft等公司提供高品質商業圖像外，更重要的是為美國情報部門提供高分辨率軍用圖像信息。WorldView系列衛星（包含WorldView-1和WorldView-2兩顆衛星）的設計具有很鮮明的技術特點，在追求高精度成像性能的同時，大幅度提高了衛星的快速姿態機動能力，其高敏捷性可使衛星觀測范圍增大、重訪周期縮短，豐富了衛星工作模式，提高了衛星應用效能。

本文從分析WorldView系列衛星的設計狀態與技術特點入手，展望了國外光學遙感衛星的發展趨勢，提出了對我國新一代光學遙感衛星的設計啟示。

1 WorldView衛星技術指標和技術特點分析

1.1 技術指標

WorldView-1和 WorldView-2衛星分別于2006年和2009年發射，均采用Ball Aerospace &Technologies公司開發的BCP-5000衛星平臺[2]。衛星的主要技術指標見表1。WorldView-1衛星僅能全色成像，最高分辨率為0.45 m（軌道高度496 km），配備控制力矩陀螺以及星敏感器、高精度陀螺和GPS等姿態軌道控制設備，具有較強的側擺能力，可以單軌立體成像，衛星重訪周期為 1.7 d。WorldView-2衛星地面像元分辨率最高達 0.46 m（軌道高度770 km），除全色成像外增加了8個多光譜成像譜段，衛星重訪周期較WorldView-1衛星縮短。

表1 WorldView系列衛星主要技術指標Table 1 The main technical properties of WorldView satellites

WorldView系列衛星在軌飛行狀態如圖1所示。

圖1 WorldView系列衛星在軌飛行狀態示意Fig. 1 The on-orbit flight state of WorldView satellites

1.2 技術特點分析

1）相機通光孔徑增大，衛星分辨率水平大幅提高

表2給出了WorldView系列衛星光學相機的主要技術指標[3]。從表中數據可以看到，相機通過采用大口徑、長焦距光學系統，大幅度地提高了分辨率；通過采用全色+多光譜成像器件，可以獲得更豐富、可靠的圖像信息。

表2 WorldView衛星光學相機主要技術指標Table 2 The main technical properties of WorldView optical cameras

2）衛星具備快速機動能力，可實現多種工作模式

WorldView衛星設計體現了鮮明的快速姿態機動能力設計特點：衛星控制執行機構采用4個大力矩輸出的控制力矩陀螺（CMG），衛星構形設計具有高剛度、小慣量特點，使衛星具有快速姿態機動能力（參見表 1）。除了遙感衛星常規的星下點成像模式，還可實現同軌多點目標成像、拼幅成像、同軌多角度立體成像等多種工作模式。

同軌多點目標成像模式見圖2：衛星通過快速姿態機動調整相機指向，實現對一軌可視范圍內散布的多個點目標的訪問成像。通過該模式，衛星可以快速、高效地獲取多個關注區域的圖像。多次條帶的拼幅成像模式見圖3：衛星通過快速姿態機動調整相機指向，實現對區域目標連續進行多次條帶的成像，以達到完全覆蓋的目的。通過該模式，衛星可以對某一較大面積區域完成快速成像。同軌多角度的立體成像模式見圖4：衛星通過快速姿態機動調整相機指向，實現對點目標或條帶目標連續進行多次不同角度的成像。通過該模式，衛星可以獲取某一特定目標區域的多個不同角度的觀測圖像。

圖2 多點目標成像工作模式 Fig. 2 Work mode of imaging multi-areas

圖3 拼幅成像模式 Fig. 3 Work mode of piecing images together

圖4 同軌多角度立體成像模式Fig. 4 Work mode of piecing stereo images together

2 WorldView衛星主要設計狀態分析

2.1 衛星組成

WorldView-1衛星采用BCP-5000平臺裝載1臺大口徑三反離軸相機，WorldView-2衛星采用同樣的平臺裝載1臺大口徑三反同軸相機。

BCP-5000平臺自上而下分為設備艙模塊、推進模塊和CMG模塊3部分（參見圖5）。

圖5 WorldView衛星系統組成Fig. 5 The system composition of WorldView satellites

平臺主要由結構機構分系統、供配電分系統（EPDS）、指令與數據處理（C&DH）分系統、無線電通信（COM）分系統、姿態測量與控制分系統（ADCS）、推進分系統（RCS）、熱控分系統（TCS）和數據存儲/發送分系統等 8部分組成。光學相機通過載荷適配結構安裝于設備艙上方。

2.2 構形布局設計特點

在 WorldView衛星構形設計中充分體現了高剛度、小慣量的設計思想，這是實現衛星快速姿態機動能力的技術途徑之一。衛星主結構截面形狀為八邊形，采用4根框梁+板式結構形成整星連續簡捷的傳力路徑，保證整星的高剛度。另外WorldView-2衛星根據其相機外形特點采用了獨立遮陽罩設計，遮陽罩通過4個安裝腳安裝在載荷適配結構上，集多種功能于一身：為相機消除雜散光，提供相機散熱面，并為對地數傳天線、高頻電纜和測控天線等提供安裝基礎。

WorldView衛星設備布局設計特點如下：

1）采用獨立的推進模塊。推進模塊中的主要設備是大容積貯箱，根據估算，WorldView衛星的燃料攜帶量約為400 kg。

2）采用獨立的CMG模塊。CMG模塊主要包含4個轉速約6000 r/min的CMG，大幅提高了衛星姿態機動能力。CMG集中布局安裝在一個艙段內部，此艙段在整星中的位置遠離相機焦平面陣列，降低了CMG振動對衛星成像質量的影響。

3）衛星其他電子設備布局采用星上設備外掛安裝在平臺結構板上的布局方式。通過合理利用星上空間，控制整星規模，可盡量減小整星轉動慣量，提高衛星的姿態機動能力。

4）衛星的2個太陽電池板采用對稱布局，每一側的太陽電池板為3塊板并聯式構形。這種構形可有效提高剛度，減小太陽電池板撓性對衛星姿態機動能力的影響。

2.3 相機和平臺一體化設計

WorldView衛星設計采用了平臺和載荷一體化設計方法，一方面可以有效控制整星規模、減小整星慣量，提高衛星快速姿態機動能力；另一方面也可以提高衛星的定位精度。

WorldView-1衛星的星敏感器安裝在相機鏡筒上，使二者具有統一的基準（參見圖6）。衛星的相機鏡筒是相機的主承力結構，具有很高的剛度和強度。WorldView-2衛星的星敏感器支撐結構安裝在相機主鏡承力框上，使相機和星敏感器具有統一的安裝基準，減少了星敏感器和相機的連接環節，大大縮短了星上高精度測量部件與相機光軸之間的安裝距離（參見圖7）。同時，選用膨脹系數小的材料和采用高剛度的安裝基礎，可最大程度地減小在軌相機光軸和星敏感器光軸間的相對位置變化。

圖6 WorldView-1衛星一體化設計Fig. 6 The integrative design of WorldView-1 satellite

圖7 WorldView-2衛星一體化設計Fig. 7 The integrative design of WorldView-2 satellite

2.4 高精度、高集成化的先進電子技術

WorldView衛星采用了基于綜合電子的先進數據系統技術，星上電子系統采用內總線技術、構件化的軟件開發技術以及自主管理技術等，使衛星具備任務管理、自主執行以及自主故障處理的能力，提升了衛星全生命周期的在軌自主運行能力，使得星上信息系統高度集成，提高了衛星功能密度，支持了設備的輕小型化以及系統的快速構建和高效集成[4]。

經統計分析，WorldView-2衛星共有84臺（套）設備，其中33臺（套）設備外掛在衛星主結構外表面。WorldView衛星電子產品的高密度集成設計可以壓縮設備安裝對空間的要求，有利于控制整星規模、減小衛星轉動慣量和提高衛星快速姿態機動能力。

另外，WorldView系列衛星采用了大量高性能的新型電子設備，例如大力矩輸出的CMG，大動態范圍、高測量精度的星敏感器，大量程高精度陀螺和高精度GPS接收機等（見圖8～圖10），為實現衛星的快速姿態機動及穩定成像能力、滿足高定位精度指標要求等提供了有力支撐。

圖8 大動態范圍、高精度星敏感器Fig. 8 The large dynamic range and high-accuracy star tracker

圖9 大量程高精度陀螺Fig. 9 The large range and high-accuracy gyroscope

圖10 1m精度GPS接收機Fig. 10 The GPS receiver of 1m accuracy

2.5 星上活動部件的微振動抑制技術

衛星在軌工作期間，成像質量會受到星上微振動環境影響，主要是對圖像的幾何質量（以圖像畸變為主）和圖像傳遞函數產生影響。對于多級積分時間為毫秒量級的有效載荷，對衛星成像質量產生影響的主要是星上高頻活動部件。

對于0.4 Hz以下的微振動，主要通過姿態控制系統來保證成像質量符合指標要求；對于0.4～15 Hz之間的微振動，通過圖像后處理以及窗函數來保證圖像質量符合指標要求；對于15 Hz以上的微振動，則主要通過隔振器來降低其對成像質量的影響。WorldView衛星控制執行機構采用轉速6000 r/min的CMG，為減少其高速轉動對衛星成像質量的影響，采用了八桿式并聯隔振系統（見圖11）。

圖11 WorldView衛星隔振系統Fig.11 The vibration isolation system of WorldView satellites

2.6 WorldView-2衛星質量特性分析

WorldView-2衛星的整星質量為2800 kg，燃料攜帶量約為400 kg（根據貯箱規模估算），相機質量約為680 kg。衛星的主要尺寸為：星本體包絡尺寸φ2.5 m×5.7 m；展開狀態下太陽電池板的總面積約17 m2，單側尺寸2.4 m×3.5 m；相機包絡尺寸φ1250 mm×3200 mm。

根據上述狀態，對WorldView-2衛星飛行狀態下的質量特性分析如表3所示。

表3 WorldView-2衛星質量特性Table 3 The mass properties of WorldView-2 satellite

從表3的數據可見，整星飛行狀態最大轉動慣量約為5160 kg·m2，比常規承載700 kg相機的光學衛星的慣量小很多，為實現整星的快速姿態機動能力提供了有力支撐。

3 國外先進光學遙感衛星的發展趨勢分析

1）高精度成像能力不斷提高

遙感衛星的成像能力是指對衛星的圖像質量、分辨率水平、成像光譜范圍、目標定位精度和衛星重訪周期等技術指標的綜合評價。

WorldView-1衛星與WorldView-2衛星的發射間隔3年。和WorldView-1衛星相比，WorldView-2衛星增加了多光譜成像能力，即8個多光譜成像譜段；衛星分辨率大幅提高，可在500 km軌道實現約0.3 m分辨率水平；衛星的定位精度和重訪周期指標都有所提高?？梢?，衛星的功能更加完備、成像性能指標和衛星快速姿態機動能力不斷提升是目前國外光學遙感衛星發展的主要趨勢[5]。

2）通過平臺開發帶動衛星性能提升

WorldView系列2顆衛星均采用BCP-5000衛星平臺。國外先進光學衛星明確的發展思路是通過平臺開發帶動衛星能力提升，主要包括衛星平臺的機、電和控制等能力的提升，平臺開發有助于開展標準化和模塊化設計，在平臺和載荷之間形成比較清晰的物理和功能界面，支持廣泛的衛星平臺產品，以適應多任務要求。

平臺構形和總體布局采用模塊化設計，將星上功能相對獨立的系統作模塊化集成設計，使模塊具有擴展性和多任務適應性，有利于平臺靈活快速地進行模塊化配置；同時平臺各模塊并行研制，快速進行衛星總裝操作和測試，能夠縮短衛星研制周期。

平臺采用高度集成化的綜合電子技術，可有效提高衛星功能密度和部件的集成化程度，實現平臺產品的輕小型化和高效集成，從而減少星上產品數量、減小星上產品對安裝空間要求，有效控制整星規模，實現整星的小慣量設計。

3）對平臺和載荷開展一體化設計

WorldView系列2顆衛星均采用了平臺和載荷的機電熱一體化設計，可以避免星上資源浪費，實現整星的最優化設計，同時也可以有效控制整星規模、減小整星慣量，提高衛星姿態機動能力。

通過相機與平臺一體化構形設計，可縮短測量部件與相機光軸之間的傳遞路徑，最大程度地保持高精度測量基準和相機光軸之間穩定指向關系，抑制或消除由于空間環境、姿軌控等引起的平臺對相機的熱、力傳遞及影響，保證衛星的高精度成像。

4）注重提高微振動抑制能力

為保證高分辨率光學衛星的高精度成像能力，需要隔離或抑制星上微振動環境對衛星成像性能的影響。國外在高分辨率光學衛星研制中，在振動源安裝環節或者相機安裝界面加入減隔振系統，可以對光學衛星獲得高精度圖像提供技術支持。

4 對我國新一代光學遙感衛星設計的啟示

通過對國外高分辨率光學遙感衛星設計狀態的分析研究，結合我國的衛星技術發展水平，對我國新一代光學遙感衛星的設計啟示如下：

1）統籌規劃，研制開發大承載（1 m 口徑、1000 kg質量量級的光學相機載荷）能力的敏捷衛星平臺。此承載能力的衛星平臺具有廣泛的任務適應性，既可滿足大部分光學遙感載荷的承載及安裝要求，又具備較強的快速姿態機動能力，可支持實現各種高效、復雜的敏捷成像模式，提高衛星使用效能。

2）突破高精度、高穩定姿態控制技術，有效保證高分辨率光學遙感衛星的高精度成像性能要求，并通過準確的姿態控制實現高分辨率敏捷衛星的多種成像模式。

3）提高衛星使用壽命。國外遙感衛星壽命一般為5～8 年，目前國內只能達到3～5 年。航天器的壽命受到多方面的影響和制約；需要從衛星總體、分系統到單機各個層面統籌考慮，提高衛星在軌壽命。

4）大力開發基于綜合電子體制的星上數據系統，實現星上設備的高集成、輕小型化研制，以滿足遙感衛星對于高效靈活任務規劃、自主管理的要求。

5）圍繞大型遙感器開展平臺和載荷的一體化設計成為必然。使星上高精度姿態測量部件和相機具有統一的安裝基準，減小在軌熱變形對兩者指向相對變化的影響，保證高分辨率相機的高定位精度。

6）大力發展微振動抑制技術，以解決星上微振動對衛星成像質量的影響，目前國外高分辨率衛星均采用隔振器進行微振動抑制，國內目前尚處于起步階段，還沒在軌應用。

（

）

[1]曲宏松, 金光, 張葉. “NextView計劃”與光學遙感衛星的發展趨勢[J]. 中國光學與應用光學, 2009, 2(6):467-476

Qu Hongsong, Jin Guang, Zhang Ye. NextView program and progress in optical remote sensing satellite[J].Chinese Journal of Optics and Applied Optics, 2009, 2(6):467-476

[2]Figoski J W. The ball commercial platform and their applications, QuickBird, QuiksCat and IceSat[C]//IAA-98-IAA.11.4.01

[3]郭今昌. 商用高分辨率光學遙感衛星及平臺技術分析[J].航天器工程, 2009, 18(2): 83-89

Guo Jinchang. Technical analysis of high resolution commercial optical remote sensing satellite[J].Spacecraft Engineering, 2009, 18(2): 83-89

[4]Fender J. Future trends in large space optics[J]. SPIE,2000, 4013: 682-686

[5]Hernandez D. Possible scenario for future mission in Earth observation[J]. Acta Astronautica, 2005, 56: 9