地球靜止軌道高分辨率成像衛星的發展現狀與展望

孟令杰郭丁,2唐夢輝王琦,2

（1國家國防科技工業局重大專項工程中心，北京 100048）

（2中國空間技術研究院，北京 100094）

地球靜止軌道高分辨率成像衛星的發展現狀與展望

孟令杰1郭丁1,2唐夢輝1王琦1,2

（1國家國防科技工業局重大專項工程中心，北京 100048）

（2中國空間技術研究院，北京 100094）

文章首先簡要介紹了“高分四號”衛星的主要性能指標和在軌運行情況，然后梳理了美國、歐洲等國家地球靜止軌道高分辨率成像技術的發展現狀。文章重點從衛星的軌道特性、多任務適應的工作模式、靈活的任務編排、實時動態監測、在軌長壽命幾個方面總結提煉出“高分四號”衛星創新點；從譜段特性、成像體制、多功能一體化設計、高精度熱控設計、高穩定性的結構一體化設計等多個方面分析了成像載荷的特點。最后，分析了地球靜止軌道高分辨率成像衛星的發展趨勢，展望了未來空間基礎設施規劃中計劃實施項目的應用特點和應用領域。

地球靜止軌道 對地觀測 “高分四號”衛星 展望

0 引言

“高分四號”（GF-4）衛星是當今世界上地球靜止軌道分辨率最高的對地觀測衛星，于 2015年 12 月29日在西昌衛星發射中心成功發射升空。經過6個月在軌運行，圓滿完成衛星平臺系統測試、衛星載荷系統功能測試、星地一體化和地面系統測試、業務應用測試等工作，衛星狀態良好，達到研制設計要求，于2016年6月13日正式投入使用。

GF-4衛星具有凝視、區域、機動巡查三種工作模式，可見光紅外通道分辨率優于50m，單景成像幅寬優于500km×500km；中波紅外通道分辨率優于400m，單景成像幅寬優于400km×400km。衛星數據可滿足災害監測與評估、氣象天氣監測、林業調查與監測、地震監測與應急等領域對高時間分辨率遙感數據的需求，為民政部、中國氣象局、國家林業局、中國地震局等行業部門和其他用戶單位開展業務工作提供有力支撐。

GF-4衛星作為高分辨率對地觀測系統重大專項工程的重要組成部分，有多項技術創新與突破，已成為我國時間分辨率最高、設計使用壽命最長的遙感衛星，更是目前世界上空間分辨率最高的地球靜止軌道遙感衛星。

1 國外地球靜止軌道高分辨率成像衛星發展情況

靜止軌道（Geostationary Orbit, GEO）高分辨率成像衛星監視范圍廣、時間分辨率高，具備極高的響應能力。在日間無云的理想情況下，可對拍攝區域內目標進行持續觀測，甚至視頻觀測，還具備動態目標探測能力和動態目標指示的潛力，衛星響應能力某種程度上甚至超過低軌快響衛星。

目前，美國和歐洲等主要航天機構在靜止軌道對地觀測領域均開展了相關研究[1-4]。

1.1 美國

自 21世紀初期，美軍開始積極謀劃升級成像偵察衛星裝備，美國國家偵察局（NRO）通過開展分塊反射鏡空間望遠鏡（SMT）技術研究，為未來成像體系光學衛星（FIA-O）替代KH-12光學成像衛星開展關鍵技術研究。目前，美國已完成該技術空間應用實驗室演示驗證，2020年前可具備立項條件和初始在軌應用能力，預計2030年具備成熟應用能力，實現GEO成像監視。

與此同時，美國還通過空間科學計劃發展相應的高軌成像偵查能力。預計將于 2018年發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，JWST）就得到軍方的大力支持，被用于開展高軌高分辨率成像技術研究[5-9]。

美國國防部先進研究項目局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）于2010年啟動了旨在突破大口徑薄膜衍射光學成像技術的“莫爾紋”（MOIRE）項目。其目標是突破衍射薄膜、大型可展開支撐結構、星上處理和壓縮等關鍵技術，為未來開發靜止軌道高分辨率衍射成像衛星提供技術準備。第一階段目標是開發滿足空間飛行要求的薄膜材料，研制一個m級口徑的衍射薄膜主鏡，并開展光學薄膜成像系統的方案設計。第二階段計劃研制5m口徑光學薄膜成像系統的地面原理樣機。

DARPA計劃在“莫爾紋”項目取得成功后，研制一顆10m口徑的靜止軌道衍射成像技術演示驗證衛星，對大系統進行全面的演示驗證。業務型實用系統的光學系統口徑將達到20m，在發射時處于折疊狀態，入軌后展開。系統能夠在GEO實現1m的高分辨率，視場為10km×10km，成像幀頻可高達1幅/s，實現對敵方軍事目標的連續監視[10]。

1.2 歐洲

歐洲的靜止軌道高分衛星以2009年發射的赫歇爾空間天文望遠鏡（Herschel）為基礎，技術難度較低，便于工程實現。

阿斯特里姆（Astrium）公司開展了名為 GEO-Oculus的地球靜止軌道高分辨率光學成像衛星研制[11-12]，該項目旨在預研如何在GEO實現對全球環境與安全進行高空間分辨率和高時間分辨率的監視。GEO-Oculus相機主鏡口徑 1.5m，由碳化硅制造，其工作譜段覆蓋紫外、可見、近紅外、短波紅外和遠紅外區域，最高空間分辨率可以達到10.5m，預計在2018年發射[13]。

GO-3S衛星是GEO-Oculus的后續型號，2013年4月完成需求論證，目前已完成方案設計，其單體主反射鏡口徑為4m，整個光學系統的體積已經達到現有運載器的極限，星下點空間分辨率達到3m，幅寬100km，預計2020年發射。

“GEO軌道 1m分辨率”是泰雷茲-阿萊尼亞宇航公司開展的研究項目，其主要目標是分析和確定GEO衛星在提升空間分辨率方面所存在的技術短板。總體考慮體積、質量等方面的限制，該項目計劃放棄傳統的單體反射鏡成像系統，轉而采用可展開的稀疏孔徑成像系統。

2 GF-4衛星特點

GF-4衛星采用新研制的高軌遙感衛星平臺，衛星總質量5 040kg，設計壽命8年，定點在東經105.6°地球同步靜止軌道上。衛星裝載1臺可見光和中波紅外共口徑的光學相機。作為國際首顆高軌高分辨率光學遙感衛星，具有以下特點[14-15]：

（1）高軌高分辨率觀測

衛星星下點像元分辨率為可見光譜段50m/中波紅外譜段400m，幅寬大于400km×400km，為當前地球靜止軌道遙感衛星最高水平，國外目前尚無此類同等水平衛星。

（2）高時間分辨率觀測

衛星利用相對地面靜止的優勢，采用駐留固定區域上空凝視、快速指向調整能力、靈活任務編排等優勢，獲取目標區域的動態變化過程數據，為各類應急任務提供及時的圖像數據支持，實現同時對多個熱點地區進行高頻次觀測，是目前世界上時間分辨率最高的遙感衛星。

（3）遙感衛星工作模式新

由于衛星相對地面靜止，采用大面陣CMOS器件相機，不同于低軌遙感衛星有限的成像時間，GF-4衛星的工作任務將不受測控弧段及數傳弧段的影響，實現近實時的應急任務響應，大幅提高衛星的使用效能。

（4）開辟高軌高分辨率遙感技術新領域

在衛星研制過程中，突破了高軌光學遙感衛星總體設計技術、高軌衛星姿態快速機動與高穩定控制技術、高穩定一體化結構技術研究，突破了復雜成像條件下高軌遙感衛星成像品質保障技術、中波紅外面陣成像技術等關鍵技術，牽引高軌高分辨率遙感技術快速發展。

（5）在軌設計壽命8年

充分發揮重大專項的科技創新引領作用，組織衛星總體及各相關系統，對能源、控制、元器件和原材料等影響衛星壽命的關鍵因素進行系統改進，確保第一顆遙感類8年長壽命衛星高可靠在軌運行。

3 GF-4衛星載荷特點

GF-4衛星所搭載的相機是國際首臺地球靜止軌道高分辨率遙感相機，也是我國高分辨率對地觀測重大專項中唯一一臺地球靜止軌道面陣凝視相機。作為我國首臺高軌高分辨率相機，具有以下特點：

（1）具備全天時觀測能力的高分辨率可見光、紅外雙通道成像系統

GF-4衛星相機是一臺同時具備可見光和中波紅外成像能力的雙通道高清相機。白天時段，可見光通道和中波紅外通道均可觀測，夜間可使用中波紅外通道進行觀測，實現了全天時對地觀測。在GF-4衛星之前，地球靜止軌道光學相機可見光分辨率最高為500m，GF-4衛星相機的這一指標躍升了10倍。

（2）采用面陣凝視成像體制，最大程度發揮地球靜止軌道對地遙感優勢

GF-4衛星相機是國內首臺采用面陣凝視體制的靜止軌道對地觀測相機，可見光通道和中波紅外通道均采用全局曝光模式的大面陣圖像傳感器，一幅圖像中的全部像素同時曝光，使圖像具有極高的相對幾何精度。

GF-4衛星定點于東經 105.6°赤道上空的地球靜止軌道，相機單景觀測幅寬為 400km×400km，可見光通道重復觀測周期為5s，中波紅外通道重復觀測周期為1s，是目前國內時間分辨率最高的對地觀測相機，可實現對目標的長期連續監視和跟蹤觀測。同時具備快速響應能力，可以在數分鐘內對用戶下達的任務做出響應，最大程度地發揮地球靜止軌道的對地遙感優勢。

（3）高效靈活的載荷工作模式適應多用戶多任務需求

根據面陣凝視相機體制特點，結合雙通道、多任務、可見光近紅外通道分時多光譜成像的總體技術路線，充分考慮用戶的應用體驗和高軌空間環境及長壽命高可靠要求，采用智能化、集約化技術路線實現了集供配電、遙控遙測、工作模式控制、視頻信號處理、機構控制、溫度控制等功能于一體的電子學系統。該系統可支持多任務工作模式，可見光近紅外通道和中波紅外通道能夠獨立控制，具有參數快速設置、模式可編程、可重組的技術特點，能夠通過單次成像任務實現多用戶對圖像數據的不同要求，極大提高了系統應用效率，極大提升了多用戶多任務條件限制下的需求滿足度。

（4）高軌高精度熱控設計與驗證技術

地球靜止軌道空間熱環境極為惡劣，冷熱交變頻繁且持續時間長，“日凌”時刻太陽光直接照射相機內部，熱擾動極大，而高分辨率對相機溫度穩定性和均勻性要求極高，熱控設計難度大。結合空間熱流特點，項目承擔單位創新性采用了結構/熱控一體化設計技術、間接輻射熱控技術、調姿規避技術、南北散熱面耦合技術等多項有別于低軌遙感器的熱控技術，成功抑制了高軌空間環境惡劣的熱擾動。同時提出了一種新型吸收式熱流模擬方法，將大口徑光學遙感器高精度空間熱流模擬變成現實，為開展地面熱試驗驗證奠定基礎。熱控子系統實現了光學系統在軌高精度溫度控制要求，確保了遙感器成像品質，填補了國內高軌大口徑光學遙感器精密熱控的技術空白。

（5）高軌高剛度高穩定性結構一體化設計技術

相機主體結構采用分體構型，將主光學系統（主次鏡系統）與可見光通道集成，采用拓撲優化技術，設計空心盒式鑄造鈦合金主承力結構，在同等質量前提下，得到最優剛度結構構型。

同時綜合考慮整星接口形式與傳力路徑，采用相機結構與衛星結構一體化構型設計方案，利用柔性隔振單元連接相機主體與整星支撐結構，用碳纖維適配器將遮光罩與整星支撐結構相連，使遮光罩與相機主體結構隔離，大幅降低相機主結構和遮光罩結構設計及安裝難度，確保相機結構在軌高穩定性。

（6）大口徑相機隔振柔性支撐技術

根據高軌高分辨率相機整體剛度要求及減振、隔振要求，采用一種新型輕質柔性結構支撐相機主體，該柔性結構采用鈦合金、阻尼膠及光學膠材料，可支撐重達500kg的大口徑空間載荷，裝配簡單，安裝方便，并且能夠在一定范圍內調節支撐剛度，以滿足實際剛度需要。

發射段，在滿足相機主體基頻要求的同時，發揮良好的減振、隔振性能，有效衰減相機整體的振動響應幅值，隔離高頻振動；入軌后，有效吸收、隔離衛星平臺微振動及熱變形，減小衛星平臺對相機主體的耦合影響，保證了相機的成像品質。

4 地球靜止軌道高分辨率成像衛星發展趨勢

以JWST望遠鏡為代表的空間分塊可展開成像技術將在2018年實現在軌應用，在2020~2040年，該技術將逐漸發展成熟，光學系統口徑將越來越大，預計在2030年將達到16m水平。可以預見，在2030年前后，美國采用空間分塊可展開成像技術的監視衛星將具備業務化應用能力，靜止軌道對地觀測分辨率將優于1m。

而以“莫爾紋”（MOIRE）項目為代表的天基衍射成像系統的部署應晚于空間分塊可展開成像系統。這是因為，雖然薄膜衍射成像系統可以實現超大口徑，但其視場小和難以多光譜成像是限制其軍事應用的兩大核心問題。在技術方面，超大口徑固然可以實現高分辨率，但分辨率已經不是衡量系統能力的唯一指標。同時，美國已經將 JWST望遠鏡作為工程化研制項目，相關部件已經相繼交付，從經濟性角度來看，是否立項業務型薄膜衍射成像衛星仍是美國軍方與工業界正在深入論證的一個問題。

與此同時，在可預見的20年內，歐洲將重點發展技術成熟度最高的大口徑單體反射鏡成像技術，甚至先于美國發射靜止軌道高分辨率成像衛星。但是，盡管歐洲可能占有先發優勢，但技術上遜于美國，后勁稍顯不足。

綜合上述分析，反射成像技術仍然是國外近期發展重點，其中，大口徑單體反射鏡成像技術和空間分塊可展開成像技術將先于其他技術得到在軌應用。

5 結束語

我國所處的地理位置和區域決定了研制發射 GF-4衛星在大范圍、高動態的監測國內突發性大型災害、小尺度氣象天氣監測、林業調查與監測、地震監測與應急等領域是大有裨益的。GF-4衛星首次探索了靜止軌道高分辨率光學凝視成像模式，積累了大量的高軌對地遙感技術和應用經驗，后續必將為我國發展此類更高分辨率的衛星設計、制造、在軌應用技術奠定堅實基礎。我國在《空間基礎設施規劃》中擬實施建設多顆高軌近實時監測衛星，應用領域從陸地、大氣、海洋兼顧聯合觀測，探測譜段涵蓋光學/微波等多個頻段，這些項目的實施必將為我國國民經濟發展和國家安全貢獻自己的力量。

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Development Status and Prospect of High Resolution Imaging Satellite in Geostationary Orbit

MENG Lingjie1GUO Ding1,2TANG Menghui1WANG Qi1,2

（1 Major and Special Engineering Center, State Administration of Science, Technology and Industry for National Defense, Beijing 100048, China)
（2 China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China）

Firstly, the main performance and operation in orbit of GF-4 satellite are briefly described. Secondly, the development of the geostationary orbit and high resolution imaging technology programs of the United States and Europe are investigated. Thirdly, the GF-4 satellite innovations are summarized in regard to the satellite orbital characteristics, multitasking operating mode, flexible task scheduling, real-time dynamic monitoring, and long life in-orbit. And the characteristics of the imaging payload is analyzed in terms of spectral characteristics, imaging system, integrated multi-function design, high precision thermal control design, and integrated high stability structure design. Finally, the development trend of high resolution imaging satellite in geostationary orbit is given, and the application features and application fields of the implementation projects planned in the future space infrastructure planning are introduced.

geostationary orbit; earth observation; GF-4 satellite; prospect

TP7

: A

: 1009-8518(2016)04-0001-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.001

孟令杰，男，1976年生，2006年獲北京航空航天大學工學博士學位，高級工程師。研究方向為衛星工程總體、遙感衛星總體設計、高分專項型號及地面系統建設管理、相關規劃及戰略研究。E-mail: ljmeng@126.com。

（編輯：毛建杰）

2016-06-05

國家重大科技專項工程