“高分四號(hào)”衛(wèi)星遙感技術(shù)創(chuàng)新

李果孔祥皓劉鳳晶練敏隆

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

（2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星遙感技術(shù)創(chuàng)新

李果1孔祥皓1劉鳳晶1練敏隆2

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

（2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星是中國(guó)首顆地球靜止軌道高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，是國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專(zhuān)項(xiàng)工程的重要組成部分。“高分四號(hào)”衛(wèi)星將高時(shí)間分辨率和較高空間分辨率相結(jié)合，為減災(zāi)、氣象、地震和林業(yè)等多個(gè)行業(yè)的應(yīng)用提供遙感數(shù)據(jù)服務(wù)，并為海洋、國(guó)土和水利等行業(yè)以及國(guó)防建設(shè)提供遙感數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)中國(guó)民用高分衛(wèi)星研制和衛(wèi)星遙感應(yīng)用領(lǐng)域的新突破。文章分析了“高分四號(hào)”衛(wèi)星在運(yùn)行軌道、探測(cè)手段、控制體制等多方面的任務(wù)特點(diǎn)，總結(jié)了衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)技術(shù)、高精度控制技術(shù)、復(fù)雜條件下像質(zhì)保障技術(shù)、高精度熱控技術(shù)、高可靠長(zhǎng)壽命技術(shù)等創(chuàng)新點(diǎn)，為中國(guó)靜止軌道高分辨率光學(xué)遙感領(lǐng)域后續(xù)發(fā)展提出重要建議。

技術(shù)特點(diǎn) 應(yīng)用 “高分四號(hào)”衛(wèi)星 航天遙感

0 引言

高軌高分辨率對(duì)地觀測(cè)技術(shù)是未來(lái)對(duì)地觀測(cè)技術(shù)發(fā)展的重要方向[1]，“高分四號(hào)”衛(wèi)星是我國(guó)此類(lèi)遙感衛(wèi)星的首發(fā)星，也是世界上第一顆地球靜止軌道較高空間分辨率遙感衛(wèi)星，填補(bǔ)了我國(guó)乃至世界高軌道高分辨率遙感衛(wèi)星的空白。“高分四號(hào)”衛(wèi)星是國(guó)家高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)民用系列衛(wèi)星的重要組成部分，能夠提供高時(shí)間分辨率、大幅寬和50m像元分辨率的遙感數(shù)據(jù)。

1 衛(wèi)星簡(jiǎn)介

1.1 觀測(cè)任務(wù)分析

靜止軌道光學(xué)遙感領(lǐng)域分辨率優(yōu)于百米，在世界范圍內(nèi)尚屬首例。近年來(lái)，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了高軌道米級(jí)高分辨率遙感衛(wèi)星的技術(shù)預(yù)先研究，歐洲也在進(jìn)行高軌道高分辨率遙感衛(wèi)星的技術(shù)論證，但歐洲由于國(guó)土面積較小，研制高軌道遙感衛(wèi)星的需求并不迫切。而我國(guó)由于國(guó)土面積幅員遼闊，氣象觀測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、森林保護(hù)等對(duì)高軌道遙感衛(wèi)星的需求非常強(qiáng)烈，因此，催生了地球靜止軌道遙感衛(wèi)星研制工程的實(shí)施。由于衛(wèi)星可通過(guò)快速指向控制，能進(jìn)行大范圍實(shí)時(shí)、連續(xù)機(jī)動(dòng)成像和高時(shí)間分辨率成像相結(jié)合的綜合觀測(cè)，進(jìn)而可以獲取較高空間分辨率和多譜段地面圖像信息；同時(shí)衛(wèi)星還可以對(duì)用戶(hù)感興趣的地方進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)、凝視觀測(cè)、區(qū)域成像及機(jī)動(dòng)成像等，在滿足減災(zāi)、氣象、地震、林業(yè)等多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求上，發(fā)揮重要的作用。例如在對(duì)臺(tái)風(fēng)的實(shí)際觀測(cè)中，由于中低軌道衛(wèi)星回歸時(shí)間比較長(zhǎng)，對(duì)感興趣的地區(qū)持續(xù)觀測(cè)困難，信息不連續(xù)；當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行一圈過(guò)來(lái)再進(jìn)行觀測(cè)，臺(tái)風(fēng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)早就發(fā)生了變化[2]，而“高分四號(hào)”衛(wèi)星由于運(yùn)行在地球靜止軌道，不僅可以連續(xù)提供臺(tái)風(fēng)發(fā)展變化信息，而且對(duì)臺(tái)風(fēng)的紋理等細(xì)節(jié)一目了然，可以為有關(guān)部門(mén)預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)及時(shí)采取應(yīng)對(duì)舉措提供幫助。

1.2 任務(wù)特點(diǎn)分析

與我國(guó)已發(fā)射應(yīng)用的低軌遙感衛(wèi)星相比[3-4]，“高分四號(hào)”衛(wèi)星任務(wù)有以下不同的特點(diǎn)：

1）運(yùn)行軌道不同。以往發(fā)射應(yīng)用的遙感衛(wèi)星都是運(yùn)行在距地球400km～1 000km左右的低軌道，而“高分四號(hào)”衛(wèi)星則運(yùn)行在距地球36 000km的高軌道。

2）遙感手段不同。以往我國(guó)發(fā)射應(yīng)用的遙感衛(wèi)星采取的是線陣推掃方式成像，而“高分四號(hào)”衛(wèi)星采用了面陣凝視成像。

3）控制體制不同。“高分四號(hào)”衛(wèi)星是在我國(guó)低軌遙感衛(wèi)星、高軌道通信衛(wèi)星和導(dǎo)航衛(wèi)星基礎(chǔ)上研制，采用先進(jìn)控制體制配合高精度測(cè)量敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有整星小角度快速機(jī)動(dòng)和高穩(wěn)定度控制的特點(diǎn)。

4）遙感器尺寸不同。“高分四號(hào)”衛(wèi)星搭載的是我國(guó)目前口徑最大的面陣凝視光學(xué)遙感相機(jī)，最大限度地保證了地面分辨率和成像幅寬。

5）設(shè)計(jì)壽命不同。以往遙感衛(wèi)星一般要求設(shè)計(jì)壽命3～5年，而“高分四號(hào)”衛(wèi)星則要求整星設(shè)計(jì)壽命達(dá)到8年，是我國(guó)目前設(shè)計(jì)壽命最長(zhǎng)的遙感衛(wèi)星。

6）熱環(huán)境和輻射環(huán)境比中低軌更惡劣。

1.3 衛(wèi)星概述

衛(wèi)星采用新研制的高軌遙感衛(wèi)星平臺(tái)，承載可見(jiàn)光和中波紅外共口徑的光學(xué)相機(jī)，配置0.5Nm大力矩動(dòng)量輪實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)，能夠在30s內(nèi)實(shí)現(xiàn)整星機(jī)動(dòng)0.64°并穩(wěn)定，具備對(duì)突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力。“高分四號(hào)”衛(wèi)星星下點(diǎn)像元分辨率達(dá)到可見(jiàn)光譜段50m、中波紅外譜段400m，有效幅寬均優(yōu)于400km；共設(shè)置6個(gè)譜段，譜段設(shè)置分別為B1:0.45μm～0.90μm、B2:0.45μm～0.52μm、B3:0.52μm～0.60μm、B4:0.63μm～0.69μm、B5:0.76μm～90.90μm、B6:3.5μm～4.1μm，無(wú)控制點(diǎn)目標(biāo)定位精度達(dá)到4km（3σ）；采用高速信號(hào)調(diào)制技術(shù)和高增益點(diǎn)波束天線，實(shí)現(xiàn) 300Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸速率。衛(wèi)星研制突破了靜止軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)技術(shù)、衛(wèi)星姿態(tài)快速機(jī)動(dòng)與高穩(wěn)定控制技術(shù)、復(fù)雜成像條件下高軌遙感衛(wèi)星成像品質(zhì)保障技術(shù)、長(zhǎng)壽命高可靠技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。圖1為“高分四號(hào)”衛(wèi)星飛行狀態(tài)示意圖。

圖1 “高分四號(hào)”衛(wèi)星飛行狀態(tài)示意圖Fig.1 GF-4 satellite flight status

1.4工作模式

根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)任務(wù)的不同，衛(wèi)星可分為凝視成像模式、區(qū)域成像模式和機(jī)動(dòng)巡查模式。凝視成像模式是對(duì)特定地點(diǎn)進(jìn)行成像；區(qū)域成像模式是對(duì)用戶(hù)指定區(qū)域進(jìn)行拼接成像；機(jī)動(dòng)巡查模式可根據(jù)任務(wù)要求，利用姿態(tài)機(jī)動(dòng)快速完成用戶(hù)指定的2～3個(gè)關(guān)注區(qū)域的成像。

2 衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

“高分四號(hào)”衛(wèi)星的研制是在借鑒中國(guó)空間技術(shù)研究院中低軌道遙感衛(wèi)星、高軌道通信衛(wèi)星和“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星研制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)高軌道遙感衛(wèi)星特點(diǎn)，集成而成的。在衛(wèi)星研制過(guò)程中，開(kāi)展了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新工作，以確保衛(wèi)星性能和功能的實(shí)現(xiàn)。

2.1高軌高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)技術(shù)

在地球靜止軌道上實(shí)現(xiàn)50m分辨率光學(xué)成像，國(guó)際上沒(méi)有在軌飛行的先例，沒(méi)有成熟的技術(shù)體制可供借鑒，因此總體設(shè)計(jì)是“高分四號(hào)”衛(wèi)星工程研制的關(guān)鍵之一。通過(guò)識(shí)別與低軌遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)的差異，確定攻關(guān)工作的重點(diǎn)為任務(wù)分析、指標(biāo)體系論證、成像模式、工作環(huán)境、一體化設(shè)計(jì)、微振動(dòng)測(cè)量等方面。

通過(guò)任務(wù)分析，提取出對(duì)衛(wèi)星成像品質(zhì)、工作模式、數(shù)據(jù)傳輸、壽命、可靠性等要求，充分反映成像模式對(duì)分系統(tǒng)指標(biāo)的影響；建立一套地球靜止軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星指標(biāo)體系，完成衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)，通過(guò)指標(biāo)體系論證，分解各個(gè)影響環(huán)節(jié)，解析出對(duì)衛(wèi)星有效載荷、平臺(tái)的指標(biāo)要求；地球靜止軌道衛(wèi)星星下點(diǎn)相對(duì)固定，易采用面陣凝視方式進(jìn)行成像，并通過(guò)衛(wèi)星姿態(tài)偏置進(jìn)行區(qū)域拼接成像（見(jiàn)圖 2），通過(guò)大角度機(jī)動(dòng)對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行機(jī)動(dòng)巡查，因此凝視成像、區(qū)域成像和機(jī)動(dòng)巡查成像為有效載荷在軌三種主要成像模式；在總體設(shè)計(jì)技術(shù)方面綜合考慮相機(jī)焦面和信號(hào)處理等設(shè)備散熱對(duì)成像品質(zhì)的影響，以及熱變形對(duì)光軸指向測(cè)量精度的影響，完成衛(wèi)星機(jī)、電、熱一體化設(shè)計(jì)；對(duì)成像期間的衛(wèi)星活動(dòng)部件的微振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，包括太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、動(dòng)量輪、制冷機(jī)等組件，提出單機(jī)微振設(shè)計(jì)指標(biāo)、降低對(duì)衛(wèi)星成像影響。

圖2 區(qū)域成像工作模式Fig.2 Area imaging mode

2.2 快速機(jī)動(dòng)與高穩(wěn)定控制技術(shù)

“高分四號(hào)”衛(wèi)星為任務(wù)主導(dǎo)型衛(wèi)星，因此衛(wèi)星的最大特點(diǎn)為對(duì)用戶(hù)的成像任務(wù)可以近實(shí)時(shí)響應(yīng)。在有成像需求時(shí)，衛(wèi)星可以通過(guò)姿態(tài)側(cè)擺對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行凝視成像或者拼接成像，對(duì)多個(gè)成像任務(wù)通過(guò)巡查成像模式完成。因此要求衛(wèi)星具有快速機(jī)動(dòng)并穩(wěn)定的能力，為此星上配置了4個(gè)0.5Nm的大力矩動(dòng)量輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)側(cè)擺控制，同時(shí)采用 3"高精度星敏+陀螺方式定姿，即基于陀螺的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)姿態(tài)四元數(shù)進(jìn)行積分計(jì)算得到衛(wèi)星姿態(tài)的預(yù)估值；再利用星敏感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)估計(jì)的誤差進(jìn)行 Kalman濾波校正，并估計(jì)陀螺的漂移。這樣可以得到的衛(wèi)星姿態(tài)是相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)，再結(jié)合高精度軌道外推算法，進(jìn)一步得到衛(wèi)星相對(duì)于軌道坐標(biāo)系的姿態(tài)參數(shù)。

在方案研制階段，利用大型單軸氣浮臺(tái)開(kāi)展了整星快速機(jī)動(dòng)快速穩(wěn)定技術(shù)的全物理仿真試驗(yàn)（如圖3所示），并進(jìn)行控制算法的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)姿態(tài)確定和穩(wěn)定度的指標(biāo)。通過(guò)在軌測(cè)試，衛(wèi)星可以在26s內(nèi)完成姿態(tài)機(jī)動(dòng)0.64°并穩(wěn)定，姿態(tài)穩(wěn)定度為2×10-4（°）/s，優(yōu)于指標(biāo)要求的5×10-4（°）/s。

圖3 “高分四號(hào)”衛(wèi)星進(jìn)行大型單軸氣浮臺(tái)試驗(yàn)Fig.3 GF-4 satellite single axis air bearing test

2.3衛(wèi)星長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)

“高分四號(hào)”衛(wèi)星是我國(guó)首顆高軌長(zhǎng)壽命光學(xué)成像衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命要求8年，技術(shù)研究工作從三方面展開(kāi)：使用模式對(duì)衛(wèi)星壽命和可靠性的影響、地球靜止軌道遙感衛(wèi)星空間環(huán)境防護(hù)措施、地球靜止軌道遙感衛(wèi)星長(zhǎng)壽命高可靠設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法。通過(guò)對(duì)壽命薄弱環(huán)節(jié)分析，機(jī)電類(lèi)的活動(dòng)部件以及未在高軌道應(yīng)用過(guò)的器件和部組件是影響衛(wèi)星壽命的主要因素。

通過(guò)識(shí)別，機(jī)電類(lèi)的活動(dòng)部件包括0.5Nm的大力矩動(dòng)量輪、三浮陀螺、太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、相機(jī)旋轉(zhuǎn)濾光片組件、定標(biāo)機(jī)構(gòu)、脈沖管制冷機(jī)組件、數(shù)傳天線轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；未在高軌道應(yīng)用過(guò)的器件和部組件為可見(jiàn)光近紅外通道的CMOS探測(cè)器、中波紅外通道探測(cè)器、阻尼桁架組件用的聚氨酯等。

針對(duì)上述薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)上采取了相應(yīng)措施，并開(kāi)展了地面試驗(yàn)驗(yàn)證，確保衛(wèi)星可以在軌工作 8年。圖4為“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)中波紅外譜段脈沖管制冷機(jī)1:1壽命試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

2.4復(fù)雜成像條件下高軌道遙感衛(wèi)星成像品質(zhì)保障技術(shù)

高軌成像條件復(fù)雜、影響因素多，因此高軌遙感衛(wèi)星成像品質(zhì)保障技術(shù)研究主要從三方面開(kāi)展工作：

1） 對(duì)成像品質(zhì)影響因素進(jìn)行分析。復(fù)雜成像條件包括成像鏈路中各環(huán)節(jié)對(duì)衛(wèi)星成像品質(zhì)產(chǎn)生影響，影響環(huán)節(jié)包括地面目標(biāo)、大氣、衛(wèi)星平臺(tái)、相機(jī)載荷和地面處理等。通過(guò)研究獲取主要影響因素的分析模型，然后通過(guò)對(duì)圖像品質(zhì)產(chǎn)生影響的因素進(jìn)行建模分析，來(lái)支持衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)。

圖4 “高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)中波紅外譜段脈沖管制冷機(jī)1∶1壽命試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 1:1 life test of infrared pulse tube refrigerator of GF-4 satellite camera

2）對(duì)在軌成像品質(zhì)進(jìn)行預(yù)估，對(duì)衛(wèi)星成像品質(zhì)進(jìn)行定量分析。成像品質(zhì)預(yù)估是將用戶(hù)提出的在軌成像品質(zhì)，與衛(wèi)星及載荷設(shè)計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)聯(lián)系起來(lái)，一方面驗(yàn)證確定技術(shù)狀態(tài)下對(duì)在軌成像質(zhì)量指標(biāo)的滿足度，另一方面對(duì)衛(wèi)星及載荷設(shè)計(jì)指標(biāo)提出要求。通過(guò)預(yù)估表明，衛(wèi)星及載荷設(shè)計(jì)狀態(tài)能夠滿足用戶(hù)對(duì)成像品質(zhì)的需求。

3）進(jìn)行全鏈路成像品質(zhì)仿真。根據(jù)衛(wèi)星成像過(guò)程的特殊性，基于成像鏈路的物理模型，對(duì)大氣、衛(wèi)星平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)及傳感器的傳輸、采樣特性進(jìn)行仿真。產(chǎn)生的圖像不僅可以形象的展示衛(wèi)星成像的效果，進(jìn)行圖像品質(zhì)的預(yù)估，還可以用于圖像品質(zhì)的定量評(píng)價(jià)、遙感圖像地面處理及應(yīng)用研究等方面。

另外，通過(guò)研究，還陸續(xù)產(chǎn)生了在軌成像參數(shù)優(yōu)化、圖像輔助數(shù)據(jù)編排、光學(xué)系統(tǒng)畸變檢校等方法，保障了“高分四號(hào)”衛(wèi)星圖像品質(zhì)滿足用戶(hù)需求。

2.5高精度熱控設(shè)計(jì)技術(shù)

地球靜止軌道衛(wèi)星的熱環(huán)境復(fù)雜，熱環(huán)境的變化對(duì)于相機(jī)的光學(xué)成像部件和主體結(jié)構(gòu)影響較為嚴(yán)重。為配合相機(jī)區(qū)域成像，要求衛(wèi)星具有快速機(jī)動(dòng)并穩(wěn)定的能力，與其相對(duì)應(yīng)的是相機(jī)和星敏的高溫度穩(wěn)定性、高控溫能力，因此對(duì)相機(jī)、星敏、一體化結(jié)構(gòu)構(gòu)成的組合體的高精度熱控設(shè)計(jì)是“高分四號(hào)”衛(wèi)星研制工作中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

相機(jī)的熱控方案設(shè)計(jì)中采用了隔熱設(shè)計(jì)、熱量收集及熱排散設(shè)計(jì)、主動(dòng)控溫設(shè)計(jì)和等溫化設(shè)計(jì)等。為解決遮陽(yáng)罩組件的溫度波動(dòng)劇烈難題，采用了分段熱控設(shè)計(jì)技術(shù)；對(duì)安裝在相機(jī)主承力框上的星敏和星敏輻射器進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，可以滿足星敏的熱控要求；為降低在軌一體化結(jié)構(gòu)的熱變形，一體化結(jié)構(gòu)采用了復(fù)合材料，具有很高熱穩(wěn)定性，其熱設(shè)計(jì)以被動(dòng)熱控為主，減少外熱源對(duì)一體化結(jié)構(gòu)溫度的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)，相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)溫度在（20±3）℃范圍內(nèi)、星敏測(cè)溫點(diǎn)的溫差小于 2℃，可以保證在軌姿態(tài)測(cè)量精度以及衛(wèi)星的成像品質(zhì)。

3 在軌數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)與應(yīng)用情況

3.1輻射質(zhì)量在軌驗(yàn)證情況

“高分四號(hào)”衛(wèi)星積分時(shí)間可調(diào)，在保障圖像信噪比方面具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。信噪比是圖像中的有用信息與噪聲的比值。圖像的信噪比越高，說(shuō)明圖像中有效信號(hào)相對(duì)于噪聲越強(qiáng)，即遙感圖像反映的地物信息更好。衛(wèi)星在軌測(cè)試采用方差法：選擇圖像中的一塊較均勻區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域響應(yīng)值的均值和方差，并將均值和方差之比作為信噪比。利用該方法測(cè)量圖像信噪比，所選“較均勻區(qū)域”的非均勻性會(huì)影響信噪比測(cè)試結(jié)果。“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)信噪比在軌測(cè)試見(jiàn)表1。

表1 “高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)信噪比在軌測(cè)試記錄表Tab.1 GF-4 satellite camera SNR test on orbit

3.2幾何質(zhì)量（quality）在軌驗(yàn)證情況

定位精度即幾何校正后圖像上的地理位置和真實(shí)位置之間的差異，“高分四號(hào)”衛(wèi)星在 2級(jí)產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行平面幾何定位精度評(píng)價(jià)。圖5為定位精度評(píng)價(jià)中，圖像和參考圖像控制點(diǎn)示意圖。表2為“高分四號(hào)”衛(wèi)星2A級(jí)產(chǎn)品平面定位精度測(cè)試結(jié)果一覽表。

圖5 圖像和參考圖像控制點(diǎn)示意圖Fig.5 Image and control point

表2 “高分四號(hào)”衛(wèi)星2A級(jí)產(chǎn)品平面定位精度測(cè)試結(jié)果一覽表Tab.2 GF-4 satellite’s level 2A image positioning accuracy evaluation results m

通過(guò)對(duì)20景不同時(shí)相、不同地形起伏的“高分四號(hào)”衛(wèi)星圖像的平面定位精度檢測(cè)，結(jié)果滿足定位精度優(yōu)于4km的研制要求。

多譜段配準(zhǔn)精度測(cè)試即對(duì)可見(jiàn)光近紅外圖像的不同波段之間的定位、對(duì)齊或重合情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并通過(guò)對(duì)波段配準(zhǔn)精度測(cè)試數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)分析，給出相應(yīng)的配準(zhǔn)結(jié)果及波段配準(zhǔn)偏差規(guī)律，使其更好地滿足用戶(hù)需求。景號(hào)為116852的可見(jiàn)光圖像，經(jīng)過(guò)波段分離處理后，以第4波段為參考，計(jì)算第3波段與第4波段的配準(zhǔn)精度，匹配的控制點(diǎn)如圖6所示。

圖6 多通道圖像波段3與波段4匹配控制點(diǎn)圖Fig.6 Band 3 and band 4 image and control point

通過(guò)對(duì)8景不同時(shí)相、不同地形起伏的可見(jiàn)光圖像進(jìn)行波段配準(zhǔn)精度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果均滿足波段配準(zhǔn)精度優(yōu)于0.3個(gè)像元的研制要求，見(jiàn)表3。

表3 多譜段配準(zhǔn)精度測(cè)試結(jié)果一覽表Tab.3 Bands image positioning accuracy evaluation results 像元

3.3 在軌應(yīng)用情況

“高分四號(hào)”衛(wèi)星可見(jiàn)光通道像元分辨率為50m，對(duì)于面積、寬度相近的面狀地物能夠明顯識(shí)別，對(duì)于寬度小于分辨率的長(zhǎng)線性目標(biāo)也能夠很容易的進(jìn)行識(shí)別及進(jìn)行邊緣提取[5]，這充分說(shuō)明“高分四號(hào)”衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以滿足大范圍、中等比例尺遙感調(diào)查和監(jiān)測(cè)的要求。“高分四號(hào)”衛(wèi)星中波紅外波段地面像元分辨率為400m，結(jié)合可見(jiàn)光通道較高分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理和使用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地表紅外輻射特性的研究，如對(duì)于過(guò)火面積的估算和城市街區(qū)精細(xì)化氣象預(yù)報(bào)研究等。

此外，利用“高分四號(hào)”衛(wèi)星準(zhǔn)視頻成像功能，可以記錄拍攝目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，獲取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向和速度，為災(zāi)害發(fā)展預(yù)測(cè)和氣象預(yù)報(bào)提供更為有效直觀的數(shù)據(jù)，對(duì)于發(fā)展變化速度較快的自然災(zāi)害和現(xiàn)象，“高分四號(hào)”衛(wèi)星能夠全面記錄其演變過(guò)程，為防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境治理和保護(hù)生態(tài)提供決策依據(jù)。圖7為“高分四號(hào)”衛(wèi)星拍攝某運(yùn)載發(fā)射過(guò)程影像。

“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)配置大規(guī)模面陣CMOS探測(cè)器、大規(guī)模面陣紅外探測(cè)器及視頻電路，相比于以往幾十千米幅寬的觀測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)了飛躍式進(jìn)步。結(jié)合其靜止凝視成像特點(diǎn)，“高分四號(hào)”衛(wèi)星大大提高了數(shù)據(jù)獲取效率，大幅寬的凝視成像方式可以更快速準(zhǔn)確的反映出大區(qū)域變化的地物發(fā)展特征。

圖7 “高分四號(hào)”衛(wèi)星拍攝某運(yùn)載發(fā)射過(guò)程影像Fig.7 GF-4 satellite shooting a rocket launching process

“高分四號(hào)”衛(wèi)星已經(jīng)于2016年6月交付用戶(hù)開(kāi)展應(yīng)用示范研究，并提供行業(yè)主體進(jìn)行業(yè)務(wù)應(yīng)用。衛(wèi)星將以其高時(shí)效的光學(xué)觀測(cè)為用戶(hù)提供新的觀測(cè)手段，可以實(shí)現(xiàn)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)、災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)、林火災(zāi)害監(jiān)測(cè)、對(duì)流云識(shí)別以及臺(tái)風(fēng)精確定位等多方面的應(yīng)用。

對(duì)于減災(zāi)用戶(hù)，“高分四號(hào)”衛(wèi)星可以完成基于長(zhǎng)時(shí)間序列的孕災(zāi)環(huán)境和致災(zāi)因子監(jiān)測(cè)，支持洪澇、旱災(zāi)、雪災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)。通過(guò)高頻次重復(fù)探測(cè)，獲取災(zāi)害演變過(guò)程中典型孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子和承災(zāi)目標(biāo)的持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為洪澇、火災(zāi)、滑坡、泥石流、堰塞湖等災(zāi)害發(fā)展趨勢(shì)分析、救災(zāi)方案部署等活動(dòng)提供支持。對(duì)于氣象用戶(hù)，“高分四號(hào)”衛(wèi)星可在一段時(shí)間內(nèi)提供熱點(diǎn)地區(qū)的高頻率連續(xù)圖像，支持重大氣象保障和強(qiáng)對(duì)流天氣條件（局地強(qiáng)對(duì)流、龍卷風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等）短期預(yù)警服務(wù)；對(duì)于林業(yè)用戶(hù)，“高分四號(hào)”衛(wèi)星可以用于我國(guó)東北、西南和南方等重點(diǎn)林區(qū)的森林災(zāi)害監(jiān)測(cè)。當(dāng)重特大森林火災(zāi)發(fā)生后，可以通過(guò)高頻次重復(fù)探測(cè)，獲取火災(zāi)的動(dòng)態(tài)發(fā)展數(shù)據(jù)，分析其發(fā)展趨勢(shì)，可為前線救災(zāi)提供重要保障。

4 發(fā)展建議

“高分四號(hào)”衛(wèi)星密切圍繞國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃與建設(shè)目標(biāo)和需求，后續(xù)業(yè)務(wù)星將著重在以下幾方面開(kāi)展工作：

1）將星下點(diǎn)可見(jiàn)光像元分辨率提高到15～20m，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查和災(zāi)情詳查的結(jié)合、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與災(zāi)情評(píng)估的結(jié)合、區(qū)域與全國(guó)監(jiān)測(cè)能力的結(jié)合、災(zāi)害凝視與機(jī)動(dòng)觀測(cè)能力的結(jié)合，進(jìn)一步提升天基災(zāi)害監(jiān)測(cè)能力。

2）遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)層面均需要研究地物目標(biāo)的輻射特性及變化規(guī)律。靜止軌道光學(xué)遙感衛(wèi)星在軌成像的輻射條件呈連續(xù)變化，對(duì)開(kāi)展不同輻射條件下的地物反射特性分類(lèi)研究極為有利，其結(jié)果可做為靜止軌道乃至其它對(duì)地光學(xué)遙感器的設(shè)計(jì)和參考，提高遙感系統(tǒng)設(shè)計(jì)的針對(duì)性，提高源頭圖像產(chǎn)品品質(zhì)。

3）地球靜止軌道衛(wèi)星具有長(zhǎng)期駐空的特點(diǎn)[6]，2～3顆高軌衛(wèi)星的組網(wǎng)運(yùn)行，可覆蓋更大區(qū)域，對(duì)更大區(qū)域的信息獲取、實(shí)時(shí)監(jiān)視和立體數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)都有著重要意義。未來(lái)多星組網(wǎng)，高軌—高軌配合、高軌—低軌配合，可提升系統(tǒng)綜合能力和協(xié)作程度，充分發(fā)揮靜止軌道一專(zhuān)多能的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)空間資源應(yīng)用效能最大化。

4）隨著有效載荷技術(shù)的不斷發(fā)展，世界上靜止軌道高分辨率光學(xué)觀測(cè)與監(jiān)視衛(wèi)星呈現(xiàn)快速發(fā)展的跡象，我國(guó)在該方面的需求增長(zhǎng)也非常旺盛。為了進(jìn)一步提高時(shí)效性，未來(lái)對(duì)于海量數(shù)據(jù)的高速傳輸、處理與應(yīng)用效能的提升至關(guān)重要，將逐漸從目視識(shí)別的使用方式衍變?yōu)閿?shù)據(jù)提取與分析的應(yīng)用方式，由此對(duì)于星上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、星上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)析以及數(shù)據(jù)分發(fā)方式等均帶來(lái)新的思考。

5 結(jié)束語(yǔ)

“高分四號(hào)”衛(wèi)星攻克多個(gè)研制難點(diǎn)，取得多項(xiàng)創(chuàng)新成果，為后續(xù)靜止軌道對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。其成功研制不僅使我國(guó)衛(wèi)星“家族”又增加了一個(gè)新的遙感應(yīng)用衛(wèi)星品種，也開(kāi)辟了我國(guó)地球靜止軌道較高分辨率對(duì)地觀測(cè)新途徑，填補(bǔ)了我國(guó)乃至世界靜止軌道高分辨率遙感衛(wèi)星的空白。“高分四號(hào)”衛(wèi)星是我國(guó)民用航天突破“同時(shí)具有較高空間分辨率和高時(shí)間分辨率光學(xué)遙感”關(guān)鍵共性技術(shù)的一項(xiàng)戰(zhàn)略部署，對(duì)地球靜止軌道遙感衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展具有開(kāi)創(chuàng)性的意義，并為我國(guó)研制高時(shí)間分辨率、高空間分辨率遙感衛(wèi)星奠定了基礎(chǔ)。

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GF-4 Satellite Remote Sensing Technology Innovation

LI Guo1KONG Xianghao1LIU Fengjing1LIAN Minlong2

（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China）

（2 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

GF-4 satellite is the first GEO optical remote sensing satellite with medium resolution of China, it is also an important part of the national high resolution earth observation system. The satellite combines the characteristics of high temporal resolution and medium spatial resolution. Therefore, GF-4 satellite focuses on providing remote sensing data services to many fields of application including disaster alleviation, meteorology, earthquake, forestry survey. It further offers remote sensing data support to the marine, land and water resources survey, and national defense construction. The development processes of the GF-4 project has been briefly introduced in this paper in the aspect of orbital motion, instruments and control system, and the technical achievements have also been summarized such as overall design technology, high precision control technology, image security technology under complex conditions, high precision thermal control and high reliability and long life technology. Finally, some suggestions for further development are proposed.

technical characteristics; application; GF-4 satellite; space remote sensing

V474.2

: A

: 1009-8518(2016)04-0007-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.002

李果，男，1961年生，1986年獲北京控制工程研究所碩士學(xué)位，研究員。研究方向?yàn)樾l(wèi)星總體技術(shù)。中國(guó)宇航學(xué)會(huì)空間及運(yùn)動(dòng)體控制專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任委員，國(guó)家高技術(shù)航空航天領(lǐng)域863-707重大專(zhuān)項(xiàng)專(zhuān)家組成員和衛(wèi)星技術(shù)專(zhuān)業(yè)組成員。E-mail: Liguo1961@126.com。

（編輯：陳艷霞）

2016-07-15

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程