“高分二號”衛星遙感技術

潘騰 關暉 賀瑋

（中國空間技術研究院總體部，北京 100094）

0 引言

“高分二號”（GF-2）衛星采用資源衛星CS-L3000A平臺[1]，裝載2臺1m全色/4m多光譜相機，整星質量為2 100kg。衛星運行在631.569km的太陽同步軌道上，為用戶提供最高全色分辨率為0.8m、多光譜分辨率為3.2m、幅寬為45km的圖像數據[1]。GF-2衛星可以為用戶提供高精度的對地觀測數據，能夠滿足用戶多行業的應用需求，對引領中國民用高分辨率衛星應用具有重要的示范作用。

1 衛星簡介

1.1 觀測任務分析

GF-2衛星工程是高分專項中實現“與其他中、低分辨率地面覆蓋觀測手段結合，形成時空協調、全天候、全天時的對地觀測系統”這一目標的基礎和主要組成部分。主要用于實現土地、地質、住建、交通、林業等領域精細化的業務應用，同時推進衛星數據服務于防災救災、國家安全、電子政務、水利工程安全監測、地震、統計、測繪、海洋等業務及首都圈、新疆等區域的應用[2]。

上述要求的實現，需要衛星的地面分辨率達到米級，同時具有足夠的幅寬以滿足中型城市監測及資源調查業務的需要；根據項目需求，將相機的譜段設置為4個多光譜譜段和1個全色譜段，譜段范圍為0.45～0.90μm，根據空間分辨率和刈幅的要求，確定選擇2臺推掃成像的TDICCD相機可同時滿足分辨率和刈幅的要求。

為了實現對地質災害的監測并滿足快速應急的需求，需要衛星姿態控制方面具有快速機動能力。對于特定目標的監測任務，需要衛星的運行軌跡具有在一定時間內可以重復覆蓋并且重訪周期較小；衛星運行期間，主要觀測國內目標，為國家的經濟建設服務，同時為了滿足國家安全的使用需求，應兼顧觀測境外地區，因此需要衛星能夠覆蓋全球大部分地區。對此，將軌道設計成星下點成像可以實現無縫覆蓋的回歸軌道。

1.2 任務特點

GF-2衛星作為高分辨率遙感衛星，具有如下任務特點：1）高分辨率+大幅寬，GF-2衛星作為高分專項中實現與其他中、低分辨率觀測手段結合的主要組成部分，需要完成高分辨率數據的獲取，同時提供較大幅寬；2）高定位精度，衛星實現米級分辨率滿足業務需求，需要高定位精度完成圖像應用；3）高整星機動能力，為了能夠更加靈活地使用和選擇觀測區域，衛星需要設計高機動能力以滿足多角度側擺觀測；4）衛星壽命長，相比以往3～5年的壽命設計，GF-2衛星采用5～8年的長壽命設計方案，以滿足長期在軌的業務需求。

1.3 方案概述

GF-2衛星是一顆三軸穩定的對地觀測衛星，衛星由有效載荷和服務系統兩部分組成。有效載荷包括2臺相同的全色多光譜高分辨率相機、數傳、數傳天線和數據記錄分系統；服務系統為有效載荷提供供電、溫控、安裝、測控和姿態軌道控制等支持，主要由結構、控制、推進、電源、總體電路、熱控、數管、測控、力學環境測量等分系統組成。

GF-2相機分系統由2臺相同的1m全色/4m多光譜相機組成，采用2臺相機拼接實現45km幅寬要求，相機光學系統中采用了同軸三反式光學形式，配置了1個全色譜段和4個多光譜譜段。主要技術指標見表1。

表1 GF-2相機主要技術指標Tab.1 Main technical parameters of GF-2 camera

數傳分系統包括數據處理部分、數傳通道部分和數傳控制部分。配置2個X波段數傳通道。數傳天線分系統由2臺高增益點波束天線及伺服控制器組成，實現將星上數據下傳至地面接收站的功能。數據記錄分系統配置了2臺大容量的固態存儲器，用于記錄圖像數據和服務數據。

衛星采用CS-L3000A公用平臺，整星質量為2 100kg，服務系統采用高精度姿態和軌道測量、高精度時統等技術實現無控制點50m定位精度；采用25Nms控制力矩陀螺及動量輪實現整星快速姿態機動，能夠在 180s內實現整星 35°側擺并穩定。采用高精度三軸穩定對地定向控制模式，指向穩定度優于5×10–4(°)/s。采用USB測控+中繼測控，完成衛星測控任務，并使用雙頻GPS系統完成精密定軌任務。采用平臺集中+載荷分散的供電體制，配置三結砷化鎵太陽電池陣及2組70AH鎘鎳蓄電池，壽命末期輸出功率不小于3.2kW。數據管理分系統對整星指令與數據進行統一管理，具備可重構和自主診斷、隔離、修復能力。主要技術指標見表2。

表2 GF-2平臺主要技術指標Tab.2 Main technical parameters of GF-2 platform

1.4 工作模式

衛星在軌常規工作模式包括：準實傳成像模式、圖像記錄模式及圖像數據回放模式。

準實傳成像模式：在數傳可與地面數據接收站進行數據傳輸作業時，相機對地成像；衛星在實時記錄圖像數據的同時，按數傳通道碼速率將固態存儲器中存儲的數據傳輸至地面數據接收站。在此模式下，全色圖像壓縮比固定為3︰1，多光譜圖像固定為無損壓縮，數傳通道碼速率為2×450Mbyte/s。

圖像記錄模式：在數傳無法與地面站進行數據傳輸作業時，相機對地成像；衛星將圖像數據等實時記錄在固態存儲器中。在記錄模式下，衛星不與地面數據接收站進行數據傳輸作業。此模式下全色圖像壓縮比為3︰1，多光譜圖像無損壓縮。

圖像數據回放模式：在數傳可與地面數據接收站進行數據傳輸作業時，衛星不成像；存儲在固態存儲器中的圖像等數據通過數傳通道回放至地面數據接收站。在此模式下，數傳通道碼速率為2×450Mbyte/s。

2 衛星技術創新點

2.1 高精度定姿與高穩定度設計

為了保證相機的成像指向精度，要求星上實時姿態確定精度優于0.01°（3σ）。GF-2衛星配置3個國產APS星敏感器、2臺三浮陀螺（共6個陀螺單體）及1臺光纖陀螺（3個陀螺單體），根據星敏感器、陀螺的性能特點，在獲取衛星姿態時，利用最優估計方法實現星敏感器與陀螺數據的信息融合，以滿足0.01°（3σ）的定姿要求。

針對姿態穩定度，對衛星正常飛行時的狀態開展仿真實驗，結果表明，當去除偏流角影響后，三軸姿態穩定度分別為滾動軸 2.34×10–4(°)/s、俯仰軸 2.82×10–4(°)/s、偏航軸 2.84×10–4(°)/s，滿足三軸姿態穩定度 5×10–4(°)/s的要求。

2.2 高分辨率相機設計

GF-2衛星平臺裝載了2臺相同的高分辨率相機來實現0.8m/3.2m、幅寬為45km的成像能力，側擺狀態下也能夠保證1m的分辨率。

相機使用同軸三反式光學形式，采用長焦距、大F數、輕量化、小型化的設計理念，突破了多項關鍵技術，使得相機在體積和質量遠小于傳統設計的情況下，實現了中國當前在軌遙感相機的最高分辨率[3]。相機產品的研制采用了多項創新設計，如國內首次采用高穩定輕型陶瓷基復合材料的光學結構，高品質完成了相機光學望遠系統；首次采用的柔性隔振、間接輻射熱控等技術，以及零重力裝調工藝、鏡頭穩定性處理工藝[3]，確保了相機在軌工作成像品質的穩定性。

2.3 高穩定相機及星敏感器的支撐結構設計

為實現GF-2衛星無控制點50m定位精度，衛星在軌工作期間應保證2臺相機之間夾角的穩定性，以及星敏感器與相機之間相對指向的穩定性。因此，衛星采用高穩定相機主承力板將2臺相機與3個星敏感器實現一體化安裝，最大限度減小2臺相機間、相機與星敏感器間相對指向的變化。為防止相機在整星裝配過程中發生主承力板變形，采用3點支撐阻尼桁架將主承力板與整星進行連接。阻尼桁架具有足夠的剛度和阻尼，保證桁架主承力板組合后具有良好的頻率特性及在頻率點具有較小的響應放大倍數。通過對桁架角度、方向、支撐點位置及直徑的不同組合，在幾十赫茲到幾百赫茲內調整整機固有頻率，使2臺相機的整體振型都出現在桁架上。

星敏感器支架直接安裝在相機主承力板上，為保證高品質成像，星敏感器支架需要有高精度熱控設計和力學設計。GF-2衛星對星敏感器支架分別進行了過載分析、模態分析、加速度頻率響應分析及熱變形分析，結果表明，星敏感器支架具有良好的力學性能，滿足剛度要求；星敏感器安裝面熱變形指向變化量滿足要求。

2.4 微振動設計

為保證相機的成像品質，根據相機CCD成像積分期間內對微振動造成晃動最大值的要求，GF-2衛星為降低控制力矩陀螺（control moment gyro, CMG）微振動對成像品質的影響，每個CMG都通過1個隔振器與動量輪支架連接。CMG微振動隔振器主要技術指標為：

1）各方向擾振力（力矩）均方根下降10dB以上；

2）時程響應峰值下降10dB以上；

3）主共振峰頻率不低于20Hz，峰值傳遞率不大于3。

當 CMG運動時，帶動轉接板擠壓阻尼墊，將受力傳遞給襯套，進而傳遞至動量輪支架。選取適當剛度和阻尼的阻尼墊，可以將傳力路徑的動態特性調整至更有利于降低動態擾動的狀態，實現微振動抑制。

微振動對相機影響的MTF仿真計算結果見表3，表中同時給出了無CMG隔振器情況下的結果以便對比。由表3可見，采用隔振措施后，可以保證大積分級數下，圖像MTF不降低。

2.5 長壽命設計與分析

GF-2衛星是中國首顆設計壽命為5～8年的低軌遙感衛星。為了滿足整星在軌工作壽命的要求，GF-2衛星開展了長壽命設計，完成了滿足壽命要求的整星分系統可靠性指標分析和失效率狀態分析，系統級和單機級壽命保證措施分析與驗證。

對星上關鍵分系統，如控制、電源等分系統，除加強冗余設計外，同時加強了衛星控制分系統的在軌故障診斷和修復能力的設計；電池電路所采用的衰降系數在軌輻照總劑量的基礎上增加一定余量進行設計，并采用電源充放電自主控制等可靠性設計。衛星對電子、機電、電源功率、光電、管閥等產品及退化性材料的壽命設計保證措施進行了復核確認，對于影響整星壽命關鍵的單機進行了識別，采取相關的壽命保證措施，措施均經過了單機試驗、分系統試驗和整星各項試驗的驗證。

表3 微振動對相機影響的MTF仿真計算結果Tab.3 Simulation calculation results of the micro-vibration impact on the camera MTF

開展了電池電路、控制部件、活動機構、光學部件、熱控材料等關鍵單機的可靠性設計及壽命驗證試驗，對元器件進行了輻照數據確認、抗輻照設計措施復查及抗輻照摸底試驗。試驗結果表明，這些單機能夠滿足5～8年壽命的要求。

3 在軌數據評價及應用情況

3.1 在軌數據評價

衛星入軌后進行的在軌測試表明，GF-2衛星不僅系統功能和性能全部滿足指標的要求，而且星地一體化與圖像品質指標也滿足要求，定位精度等關鍵指標優于技術要求。

通過對GF-2衛星相機20景不同時間、不同地形、不同經緯度分布、側擺角度小于10°的樣本圖像進行外部幾何精度測試。GF-2衛星相機2A級圖像的幾何定位精度約為39.8m。相機圖像和參考影像控制點示意如圖1所示，20景2A級產品的測試結果分布如圖2所示。

圖1 相機圖像和參考影像控制點示意Fig.1 Schematic diagram of camera image and reference image control points

圖2 GF-2衛星相機2A級圖像產品幾何定位精度Fig.2 GF-2 camera 2A positioning accuracy

地面處理系統在山東半島地區選取了4景影像數據，采集高精度的密集外業控制點（GCP）對GF-2衛星單景影像的內部幾何精度進行評測，如圖 3～4所示。GCP平面幾何精度優于 0.2m，高程精度優于0.5m。

圖3 待檢測數據與外業控制點分布情況Fig.3 The distribution of the data to be detected and the field control points

圖4 影像內部幾何精度檢查點分布情況Fig.4 The distribution of the internal geometric accuracy checkpoint

經測試，GF-2衛星2臺相機全色影像在沿軌和垂軌方向內部幾何精度分別控制在1.6與0.9個像元左右；GF-2衛星2臺相機多光譜影像在沿軌和垂軌方向內部幾何精度分別控制在0.65與0.5個像元左右，如表4所示。

表4 相機內部幾何精度Tab.4 Internal geometric accuracy of camera

對每臺相機不同的時相、軌道、側擺角（0～1o、7～10o、10～20o）以及不同地形，如山地（高程：500～3 000m）、丘陵（高程：200～500m）、平原（高程：0～200m）進行了多光譜圖像配準精度測試。譜段間匹配點示意如圖5所示；相機配準精度如表5所示，其中，X方向為沿軌方向，Y方向為垂軌方向。

圖5 譜段1與譜段4匹配點示意圖Fig.5 Schematic diagram of matching points of band 1 and band 4

表5 相機配準精度Tab.5 Registration accuracy of camera

由表5可見，各譜段垂軌與沿軌2個方向的配準均優于0.3個像元。

3.2 在軌應用情況

GF-2衛星已成功應用于以下幾個方面：礦產資源開發現狀調查與監測、地質災害調查與監測、區域遙感地質礦產調查、區域生態地質環境調查；土地利用現狀解譯、土地利用變化新增建設用地監測、土地數據獲取；風景名勝區用地分類、城市建筑物識別、小城鎮水源地水系和農村居住建筑物識別；路網規劃、路網監控與應急、航道監測、公眾出行服務；森林資源、濕地、區域荒漠化、林業生態工程、森林災害監測等業務領域。

經部分領域試用測試，并與行業內廣泛應用的國外高分辨率遙感衛星，如 WorldView、IKONOS、Quickbird、Pleiades等進行了同應用類型數據對比，發現GF-2衛星能夠充分發揮高分辨率圖像應用優勢，其圖像清晰度高、幾何精度高、譜段信息豐富，達到或超過了國內外同等或相近分辨率的遙感數據水平。同一地物GF-2衛星圖像與國外WorldView-2衛星圖像如圖6～7所示。

圖7 WorldView-2北京西山公園彩色圖像Fig.7 Beijing Xishan park color image from WorldView -2 satellite

4 結束語

GF-2衛星是中國首顆分辨率達到1m的民用遙感衛星，經在軌測試顯示，衛星影像清晰，經地面檢校后，定位精度達到國際先進水平，標志著中國在高分辨率遙感衛星平臺和載荷領域已達到國際先進水平；其高分辨率遙感數據應用達到或超過了國際同類或相近數據水平，這將改變中國高分辨率遙感數據主要依賴進口的狀態，并將在中國科研及現代化建設中發揮重要作用。

References)

[1]潘騰. 高分二號衛星的技術特點[J]. 中國航天, 2015(1): 7-13.PAN Teng. The Technical Feature of GF-2 Satellite[J]. Aerospace China, 2015(1): 7-13. (in Chinese)

[2]邱學雷. 我國成功發射高分二號衛星[J]. 中國航天, 2014(9): 8-12.QIU Xuelei. China Launches GF-2 Satellite [J]. Aerospace China, 2014(9): 8-12. (in Chinese)

[3]劉兆軍. “高分二號”首次實踐“大遙感”觀[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(5): 2-4.LIU Zhaojun. GF-2 First Achievement of Great Remote Sensing[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2014, 35(5): 2-4.(in Chinese)

[4]張慶君, 馬世俊. 中巴地球資源衛星技術特點及技術進步[J]. 中國航天, 2008(4): 19-24.ZHANG Qingjun, MA Shijun. The Technical Feature and Progress of CBERS[J]. Aerospace China, 2008(4): 19-24. (in Chinese)

[5]曹海翊, 劉希剛, 李少輝, 等. “資源三號”衛星遙感技術[J]. 航天返回與遙感, 2012, 33(3): 7-16.CAO Haiyi, LIU Xigang, LI Shaohui, etal. ZY-3 Satellite Remote Sensing Technology[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2012, 33(3): 7-16. (in Chinese)

[6]張慶君, 張健, 張歡, 等. 海洋二號衛星工程研制及在軌運行簡介[J]. 中國工程科學, 2013(7): 12-18.ZHANG Qingjun, ZHANG Jian, ZHANG Huan, etal. HY-2 Engineering Development amp; On-orbit Operation[J]. Engineering Science, 2013(7): 12-18. (in Chinese)

[7]白照廣, 陸春玲, 李長俊, 等. 高分一號衛星方案與技術特點[J]. 航天器工程, 2014, 23(Z): 1-6.BAI Zhaoguang, LU Chunling, LI Changjun, etal. GF-1 Design amp; Technical Feature[J]. Spacecraft Engineering, 2014, 23(Z):1-61-6. (in Chinese)

[8]白照廣. 高分一號衛星的技術特點[J]. 中國航天, 2013(8): 5-9.BAI Zhaoguang. The Technical Feature of GF-1 Satellite[J]. Aerospace China, 2013(8): 5-9. (in Chinese)

[9]白照廣, 陸春玲, 李長俊, 等. 高分一號衛星系統總體技術[C]//第二屆高分辨率對地觀測學術年會論文集. 北京, 中國宇航學會, 2013: 1-5.BAI Zhaoguang, LU Chunling, LI Changjun, etal. GF-1 Satellite System Technology[C]//China High Resolution Earth Observation Conference. Beijing, China Aerospace Institute, 2013: 1-5. (in Chinese)

[10]陸春玲, 王瑞, 尹歡. “高分一號”衛星遙感成像特性[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(4): 71-77.LU Chunling, WANG Rui, YIN Huan. GF-1 Satellite Remote Sensing Imaging Characters[J]. Spacecraft Recovery amp; Remote Sensing, 2014, 35(4): 71-77. (in Chinese)

[11]Dantiesa D, Neveua C, Gilberta T, et a1. Design and Performances of a New Generation of Detection Electronics for Earth Observation Satellites[J]. SPIE, 2003, 5017: 205-216.

[12]Fender J. Future Trends in Large Space Optics[J]. SPIE, 2000, 4013: 682-686.

[13]Hernandez D. Possible Scenario for Future Mission in Earth Observation[J]. Acta Astronautica, 2005, 56: 9-15.